计算机图形学绪论

1、计算机图形学绪论教材李东、孙长嵩、苏小红计算机图形学实用教程人民邮电出版社，2004年8月参参 考考 书书陈元琰，张晓竟，计算机图形学实用技术，科学出版社，2000David F. Rogers 著，石教英，彭群生等译，Procedural Elements for Computer Graphics (Second Edition)计算机图形学的算法基础，机械工业出版社，2002孙家广，杨长贵，计算机图形学，清华大学出版社，1995彭群生，鲍虎军，金小刚，计算机真实感图形学的算法基础，科学出版社，1999齐东旭，计算机动画原理与应用，科学出版社，1998第第1章章绪绪论论_ 应用领域应用领域

2、_ 与相关学科的关系与相关学科的关系_ 发展简史发展简史_ 研究内容研究内容_ 什么是计算机图形学什么是计算机图形学_ 交互式计算机图形处理系统交互式计算机图形处理系统什么是计算机图形学 Computer Graphics (CG) 计算机图形学是研究怎样用计算机生成、处理和显示图形的一门学科。 国际标准化组织国际标准化组织(ISO)的定义：的定义： 计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形，并在专门显示设备上显示的原理、方法和技术的学科。 它是建立在传统的图学理论、应用数学和计算机科学基础上的一门边缘学科。图形的构成要素广义的概念广义的概念几何要素几何要素几何属性几何属性点、线、面、体点

3、、线、面、体非几何要素非几何要素视觉属性视觉属性明暗、灰度、色彩、纹理、透明性、线型、明暗、灰度、色彩、纹理、透明性、线型、线宽线宽一般说来，要在计算机上生成一幅表示物一般说来，要在计算机上生成一幅表示物体的图形，有三个要素：体的图形，有三个要素：造型技术：造型技术：在计算机中建立所要生成图像的物体的模型在计算机中建立所要生成图像的物体的模型即给出表示该物体的几何数据和拓扑关系即给出表示该物体的几何数据和拓扑关系绘制技术：绘制技术：按照给定的观察点及观察方向将物体模型在计算机按照给定的观察点及观察方向将物体模型在计算机屏幕上显示出来屏幕上显示出来人机交互技术：人机交互技术：为造型和绘制这两个过

4、程提供友好的人机界面为造型和绘制这两个过程提供友好的人机界面研究内容研究内容研究内容研究内容计算机对图形数据处理的硬件和软件计算机对图形数据处理的硬件和软件围绕着生成、表示物体的图形的围绕着生成、表示物体的图形的 准确性准确性-真实性真实性-实时性实时性 算法可大致分为以下几类：算法可大致分为以下几类：研究内容研究内容基于图形设备的基本图形元素的生成算法图形的变换和裁剪自由曲线和曲面计算几何几何造型技术真实感图形的生成算法自然景物的生成分形几何颜色科学及其应用计算机动画技术虚拟现实技术实时交互式三维图形处理热点问题探讨与相关学科的关系图像处理图像处理计计算算机机图图形形学学模模式式识识别别图图

5、 像像计算几何计算几何特特 征征 数数 据据几几 何何 模模 型型CAD/CAM计算机艺术计算机艺术计算机动画计算机动画计算机视觉计算机视觉发发展展简简史史准备阶段（准备阶段（50年代）年代）1950年， MIT，第一台图形显示器 ，旋风I号(Whirlwind I)计算机的附件类似于示波器的阴极射线管 (CRT) 50年代末期，MIT林肯实验室，在“旋风”计算机上开发SAGE空中防御系统光笔，交互式图形生成技术。 发发展展简简史史发展阶段（发展阶段（60年代）年代）MIT林肯实验室，发表博士论文林肯实验室，发表博士论文“Sketchpad:一个人机通信的图形系统一个人机通信的图形系统”首次使

6、用首次使用Computer Graphics术语术语计算机图形学之父计算机图形学之父60年代中期，美国年代中期，美国MIT、通用汽车公、通用汽车公司、贝尔司、贝尔 实验室、洛克希德飞机公司、实验室、洛克希德飞机公司、法国雷诺汽车公司、英国剑桥大学法国雷诺汽车公司、英国剑桥大学随机扫描显示器随机扫描显示器发发展展简简史史推广应用阶段（推广应用阶段（ 70年代）年代）基于电视技术的光栅扫描显示器的出现，图形学进入了第一个兴盛的时期，并开始出现实用的CAD图形系统。众多商品化软件的出现，使图形标准化问题也被提上议程。74年，美国计算机学会成立图形标准化委员会(ACM SIGGRAPH)发发展展简简史

7、史系统实用化阶段（系统实用化阶段（80年代）年代）80年代，超大规模集成电路的发展，奠定了物质基础，工作站的出现，促进了图形学的发展。标准化智能化阶段（标准化智能化阶段（90年代）年代）朝着标准化、集成化和智能化的方向发展国际标准化组织（ISO）公布的图形标准也越多、且更加成熟应应 用用图形用户界面图形用户界面 计算机辅助设计与制造计算机辅助设计与制造工业领工业领域域CAD/CAM是CG在工业界最广泛、最活跃的应用领域。飞机、汽车、船舶、机电、轻工、服装的外形设计集成电路、印刷电路板的设计建筑设计基于工程图纸的三维形体重建 孙家广谭建荣（a）工程图工程图应应 用用（b）线框图线框图 （c）实体

8、图实体图 Boeing 777, 无纸设计，无纸设计，无纸制造 在飞机工业中，美国波音飞机公司已用有关的CAD系统实现波音777大型客机的整体设计和模拟，其中包括飞机外型、内部零部件的安装和检验。使其设计制造成本下降30%以上 。 计算机动画计算机动画商业领域商业领域广告设计广告设计电脑游戏电脑游戏卡通动画片卡通动画片影视特技影视特技应应 用用影视制作影视制作 计算机动画技术还被广泛用于电影电视中的特技计算机动画技术还被广泛用于电影电视中的特技镜头的制作，产生以假乱真而又惊险的特技效果，镜头的制作，产生以假乱真而又惊险的特技效果，如模拟大楼被炸、桥梁坍塌等。如模拟大楼被炸、桥梁坍塌等。影片影片

9、珍珠港珍珠港剧照。剧照。由电脑制作出的灾难由电脑制作出的灾难景象。景象。计算机艺术计算机艺术艺术领域艺术领域 “计算机艺术是科学与艺术相结合的一门新兴计算机艺术是科学与艺术相结合的一门新兴的交叉学科，是计算机应用的一个崭新、富有时代的交叉学科，是计算机应用的一个崭新、富有时代气息的领域。气息的领域。 科学和艺术是不可分割的，就像一枚硬币的科学和艺术是不可分割的，就像一枚硬币的两面两面” 诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖 李政道李政道 计算机艺术计算机艺术艺术领域艺术领域含义很广含义很广以计算机为工具，可以完成多种艺术品的制作和设以计算机为工具，可以完成多种艺术品的制作和设计，如绘画（平面图形）、雕

10、塑（立体图形）、音计，如绘画（平面图形）、雕塑（立体图形）、音乐、平面构成、空间结构，还有体操舞蹈设计等等。乐、平面构成、空间结构，还有体操舞蹈设计等等。其中，美术作品占比重最大其中，美术作品占比重最大因此，计算机艺术由主要指计算机美术因此，计算机艺术由主要指计算机美术齐东旭计算机动画，分形艺术潘云鹤智能CAD，纺织CAD计算机艺术计算机艺术艺术领域艺术领域计算机平面绘画艺术计算机平面绘画艺术计算机绘画（计算机绘画（Computer Painting）主要指人们利用鼠标或数字压感光笔直接在屏幕或主要指人们利用鼠标或数字压感光笔直接在屏幕或数字化板上进行的绘画数字化板上进行的绘画软件包括：软件包

11、括：Corel Painter 或或 Adobe Photoshop 等等该类绘画最接近于传统绘画，其画风细腻、形象生该类绘画最接近于传统绘画，其画风细腻、形象生动自然。但画幅一般较小，要求绘画者有较高的美动自然。但画幅一般较小，要求绘画者有较高的美术功底。术功底。优势为：易于修改、效果丰富、成本较低、但对于优势为：易于修改、效果丰富、成本较低、但对于电脑设备要求较高。电脑设备要求较高。 近期广泛应用于手绘动画和漫画创作。近期广泛应用于手绘动画和漫画创作。计算机艺术计算机艺术艺术领域艺术领域计算机平面合成艺术计算机平面合成艺术 计算机数字图像合成艺术（计算机数字图像合成艺术（Computer

12、Image Editing and Montage Art）主要指利用电脑对扫描或数字相机导入的图像素材主要指利用电脑对扫描或数字相机导入的图像素材进行编辑和合成，以及进行后期特技处理所产生的进行编辑和合成，以及进行后期特技处理所产生的新视觉作品新视觉作品软件包括：软件包括：Corel Painter 或或 Adobe Photoshop 等。等。该类作品接近于传统摄影特技，并带有该类作品接近于传统摄影特技，并带有“蒙太奇艺蒙太奇艺术术”的特点，许多合成图像带有荒诞、刺激、搞笑、的特点，许多合成图像带有荒诞、刺激、搞笑、离奇和超现实主义风格的效果。离奇和超现实主义风格的效果。优势为：易于掌握和

13、普及、效果丰富、成本较低。优势为：易于掌握和普及、效果丰富、成本较低。广泛应用于影视后期和多媒体创作。和应用美广泛应用于影视后期和多媒体创作。和应用美术及广告设计的关系十分密切。术及广告设计的关系十分密切。非真实感绘制NPR Non-Photorealistic Rendering 非真实感图形比真实感图形应用更广泛，如文学读物插图，其中儿童读物插图量最大；用数字方法对传统绘画进行模拟以掌握其规律性的东西；传统动画都是非真实感的，现在需要用计算机技术再现它们钢钢笔笔画画效效果果钢笔素描产生于中世纪，从钢笔素描产生于中世纪，从19世纪开始成为一门艺术，世纪开始成为一门艺术，然而用计算机模拟钢笔绘

14、画却是然而用计算机模拟钢笔绘画却是20世纪世纪90年代的事情。年代的事情。 铅笔画效果铅笔画效果油画效果油画效果水彩画效果水彩画效果基于图像的基于图像的NPR应应 用用 过程控制过程控制石油化工、金属冶炼、电网控制的工作人员根据设备关键部位的传感器送来得图像和数据，对设备运行过程进行监控机场、铁路的调度人员通过计算机产生运行状态信息来调整空中交通和铁路运输系统环境模拟系统环境模拟飞行模拟舱用光栅扫描器产生驾驶员在驾驶舱中预期所能看到的景象，对飞行员进行单飞前的地面训练和飞机格斗训练等应应 用用 事务和商务数据的图形显示事务和商务数据的图形显示绘制表示经济信息的各类二、三维统计管理图表信息可视化

15、:信息流量，商业统计数据，股市行情应应 用用 地形地貌和自然资源的图形显示地形地貌和自然资源的图形显示地理信息系统（GIS）数字地球，地形数据作为载体，（70）全球信息化.军事，政府决策，旅游，资源调查。地理图、地形图、矿藏分布图、气象气流图、植物分布图应应 用用 科学计算的可视化科学计算的可视化不同于可视化计算科学计算可视化是将科学计算过程中的数据及结果数据转换为图像实际上也包括了工程计算可视化和测量数据可视化其核心是三维数据场的可视化。可应用于气象预报、（CT）医学图象重建、流场、湍流、激波、石油地质勘探、环境保护、核爆炸模拟、计算流体力学、天体物理、分子生物学、有限元分析、等许多领域。 应应 用用 虚拟手术仿真虚拟手术仿真将医用将医用CTCT扫描的数据转化为三维图象，扫描的数据转化为三维图象，并通过一定的技术生成在人体内漫游的图并通过一定的技术生成在人体内漫游的图象，使得医生能够看到并准确地判别病人象，使得医生能够看到并准确地判别病人的体内的患处，然后通过碰撞检测一类的的体内的患处，然后通过碰撞检测一类的技术实现手术效果的反馈，帮助