第1章图形学概论

1、计算机图形学课程介绍授课教师：郭芬红授课教师：郭芬红Email: Email: 办公室办公室: : 四教西四教西204204北方工业大学理学院数学系北方工业大学理学院数学系2012014 42第一讲：图形学概论Conspectusn1. 基本概念 ConceptsConceptsn2. 应用领域Application AreaApplication Arean3. 当前研究动态Hot problems and Hot problems and DevelopmentDevelopment(chapter 1, 2 )1. ConceptsConcepts4Graphics ConceptnIn

2、 narrow sensen位图(bitmap)-图像Image，n矢量图(vectorgraph)GraphicnIn general, graphics can be any object w h i c h i s a b l e t o g i v e v i s i o n impression in mans vision system. It include various geometry graphics, views,pictures,patterns,and images.5n凡是能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象都称为图形图形。n(1)自然景物n(2)照片和图片

3、n(3)工程图、设计图和方框图n(4)人工美术绘画、雕塑品n(5)用数学方法描述的图形（包括几何图形、代数方程、分析表达式或列表所确定的图形）什么是图形？6Vectorgraph and bitmap(1).vectorgraph(1).vectorgraphAny curves are approached with many short linesAny curves are approached with many short lines(2).bitmap(2).bitmapEvery curve must be consist of several pixelsEvery curve

4、 must be consist of several pixels789n几何要素几何要素：刻画对象的轮廓、形状等(几何模型)n非几何要素非几何要素:刻画对象的颜色、材质等(物理属性)计算机图形学中的图形要素10What is Computer Graphics ？nThe technology for generating the images on the computer screen with algorithms and programs is called the computer graphics.n计算机图形学计算机图形学(Computer Graphics, CG)是。 1

5、1Graphics processingInput：DataOutput：Graphics Circle drawingCirclecenterradius12Comparison with image processing13Relationship with other subjects数字图像数字图像Digital Images数据模型数据模型Data Models图像生成 Image Rendering（计算机图形学（计算机图形学 Computer Graphics）模型/特征的提取 Model/Feature Extraction（计算机视觉计算机视觉 Computer Vision

6、, 模式识别模式识别 Pattern Recognition）模型变换 Model Transformation（计算几何计算几何 Computer Geometry）图像变换 Image Transformation（图像处理（图像处理 Image Processing）研究内容（学科）学科）14第一讲：图形学概论Conspectusn1. 基本概念 ConceptsConceptsn2. 应用领域Application AreaApplication Arean3. 当前研究动态Hot problems and Hot problems and DevelopmentDevelopment

7、(chapter 1, 2 )15Computer Graphics Applicationsn图形用户界面(GUI)n计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）n娱乐游戏及计算机动画(entertainment/game/animation) n计算机艺术(computer art)n地理信息系统(GIS)n科学技术与信息可视化(Visualization)n虚拟现实(Virtual Reality)n图形用户界面(GUI)n16图表显示Charts and Graphs17图表显示Charts and Graphs18Computer Graphics Applicationsn图形用户界面(

8、GUI)n计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）n娱乐游戏及计算机动画(entertainment/game/animation) n计算机艺术(computer art)n地理信息系统(GIS)n科学技术与信息可视化(Visualization)n虚拟现实(Virtual Reality)n图形用户界面(GUI)n19计算机辅助设计与制造n奥迪的线框图和效果图20计算机辅助设计与制造nCAD: Computer Aided DesignnCAD 已广泛应用于飞机、汽车、船舶的外形设计、超大规模集成电路设计，以及建筑、服装、印染、玩具设计等领域。 nCAD技术使得工程、产品设计和施工图纸不必再

9、由人工绘制，可大大缩短设计周期。n软件：AutoCAD, GHCAD, SolidWorks, Pro/E, UG, CATIA, MDT21三维CAD系统举例n草图设计：2D到3D，参数化设计，n特征设计：（曲面，实体）特征参数，工艺 与几何的结合n装配设计：大量零部件的复杂装配关系，顺 序，关联，支持零部件的修改n钣金设计：复杂外形设计与制造流程n公差分析：加工公差参数，可制造性n3Dscan 模型数据处理2223CAD应用典范：波音777n从1990年10月开始启动波音777设计。首次实现了“无纸设计无纸设计”。整个设计、生产、试飞周期共4年半，耗资50亿美元，整个波音777客机有24万

10、多个零部件, 几何模型多达5亿个面片。24Computer Graphics Applicationsn计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）n娱乐游戏及计算机动画(entertainment/game/animation) n计算机艺术(computer art)n地理信息系统(GIS)n科学技术与信息可视化(Visualization)n虚拟现实(Virtual Reality)n25娱乐应用26娱乐应用27娱乐应用 - 电影中的特效Pirates of the Caribbean Dead mans chestILM captured data from actors in gray c

11、ostumes during principal photography (at left below), applied the data to “manikins” (middle below), and then fitted the manikins to specified creatures (at right below) to create a final performance (at left)28计算机动画Animations29计算机动画Animations303132Computer Graphics Applicationsn计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）n

12、娱乐游戏及计算机动画(entertainment/game/animation) n计算机艺术(computer art)n地理信息系统(GIS)n科学技术与信息可视化(Visualization)n虚拟现实(Virtual Reality)n33艺术领域343536Mathematics is not so abstract373839 FractalArts40Arts414243Computer Graphics Applicationsn计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）n娱乐游戏及计算机动画(entertainment/game/animation) n计算机艺术(compute

13、r art)n地理信息系统(GIS)n科学技术与信息可视化(Visualization)n虚拟现实(Virtual Reality)n44地理信息系统(GIS)n地理信息系统记录着关于人口、城镇乡村、高山平原地形、矿藏、森林、旅游等大量信息。n利用地理系统中的图形软件可绘制出地理、地质的以及其他自然现象的高精度勘探、测量图形，如地理图、人口分布图、水资源分布图等。45地理学应用GIS464748Computer Graphics Applicationsn计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）n娱乐游戏及计算机动画(entertainment/game/animation) n计算机艺术(co

14、mputer art)n地理信息系统(GIS)n科学技术与信息可视化(Visualization)n虚拟现实(Virtual Reality)n49虚拟现实 (Virtual Reality)n用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互操作。5051525354科学计算可视化Costa-Hoffmann-Meeks minimal surface 55信息可视化网站间链接关系可视化56医学57第一讲：图形学概论Conspectusn1. 基本概念 ConceptsConceptsn

15、2. 应用领域Application AreaApplication Arean3. 当前研究动态Hot problems and Hot problems and DevelopmentDevelopment(chapter 1, 2 )58Research Hotspotn真实感显示Realistic Displayn变形技术 Morphing Technologyn数字城市 Digital Cityn识别技术 Recognize Technologyn基于图像的建模 Image Based Modelingn自然对象的建模 Nature Objects Modelingn离散数据建模 D

16、iscrete Data Modelingn网络漫游 Web 3Dn 59606162研究热点motion capture63研究热点image-based tree modeling64研究热点Non-Photorealistic RenderingComputer Graphics Development66历史追溯 - 1950sn1946年，第一台电子计算机的问世推动了许多学科的发展和新学科的建立，其中就包括现代图形学技术。n1950年，MIT，旋风一号（Whirlwind） 计算机的图形显示器，类似于示波器的CRT来显示简单图形。nCRT的出现为计算机生成和显示图形提供了可能的出现为

17、计算机生成和显示图形提供了可能67历史追溯 - 1950sn1959年，美国Calcomp公司研制出的世界上第一台滚筒式绘图机滚筒式绘图机，使计算机辅助绘图仪计算机辅助绘图仪开始代替人工绘图。n20世纪50年代末期，美国MIT林肯实验室，在Whirlwind上开发SAGE空中防御系统空中防御系统，通过光笔在屏幕上指点与系统交互。n标志着交互式图形技术的诞生标志着交互式图形技术的诞生68历史追溯 - 1960sn1962年，MIT林肯室验室，Ivan E. Sutherland 在其博士论文Sketchpad：一个人机通信的图形系统中n提出了基本交互技术、图元分层表示概念及数据结构等。n首次使用

18、了“Computer Graphics”这个术语。n这些基本理论和技术至今仍是现代图形技术的基础Sketchpad in 1963. Note the use of a CRT monitor, light pen and function-key pane.60年代确立年代确立并得到发展并得到发展69历史追溯 - 1960snSpaceWar: Steve Russell (MIT) designed the first video-game on a DEC PDP-11. (1961)nFirst animation shorts to simulate physical effects

19、 (gravity, movement, etc.) (1963)nFirst algorithm of hidden surfaces. by Catmull et al. at the Utah University. The same team began to have interest in surface shading using color. (At the end of 60s)60年代确立年代确立并得到发展并得到发展70历史追溯 - 1970snIntroduction of computer graphics in televisionnGouraud presented

20、 his famous polygonal surface smoothing method. (1971)nMicroprocessor on the market (1971)nFirst uses of CG (Computer Graphics) in movies. 70年代进入年代进入技术实用化技术实用化71历史追溯 - 1970snNewell at the University of Utah create the famous teapot, a classical benchmark for visualization algorithms.nTexturing and Z

21、-Buffer: Catmulls thesis in 1974.nPhong developed his polygonal surface smoothing method (1974).n1975 Baum and Wozniak founded Apple in a garage.nGates founded Microsoft (1975).72历史追溯 - 1980snSIGGRAPH is the most important event in this field.nWhitted published an article about ray tracing technique

22、 (1980)nCarpenter, at Lucasfilm, developed the first rendering engine: REYES, the Renderman precursor.(1981)nTRON film by Lisberger and Kushner at Disney (beginning of the 80s)nMassive sales of graphics terminals: IBM, Tektronix.nThe first ISO and ANSI standard for graphics libraries: GKS.nIBM creat

23、ed the Personal Computer PC.73历史追溯 - 1990s 现在nOperative system based on windows for PC (Windows 3.0 at 1990).n3D-Studio from Autodesk (1990).nMassive use of computers to produce special effects: Terminator 2 (1991), Disney-Pixar (Toy Story, Bugs, Monsters, inc.), Forrest Gump, Jurassic Park, Lord of

24、 the Rings, Starwars ep. I, II and III etc.nInternet success and 2D and 3D applications for the web.n3D graphics cards for PC (Voodoo, Nvidia Gforce etc.).nUnstoppable 3D games evolution.nVirtual Reality. A reality.nNowadays: a must for any application.74图形软件标准Graphics Software Standard nWHY？n与设备无关的

25、程序可移植性nGKS(Graphics Kernel System)n1st GSS accepted by ISO & ANSInPHIGS(Programmers Herarchical Interactive Graphics System)n2nd GSS accepted by ISO & ANSInOpenGL(Open Graphics Library)nDeveloped by SGI, independent with platformnDirectXnDeveloped by Microsoft, independent with windows75Hard

26、wares developmentnMonitornInput devicenOutput device76CRT (Cathode Ray Tube)nThe beam emits electrons (cathode).nRay intensity is controlled by the grid.nThe focus forces the electrons towards a convergence path.nDeflectors force the ray to point at a specific screen point.nThe ray stuns over the ph

27、osphor. Phosphor emits lights.nPhosphor emission declines very fast (refreshment required)Figure 2-4 Electrostatic deflection of the electron beam in a CRT77Raster-scan display7879Trackball, Joystick, Touch Pad80Touch screen81Computers with pen82Scanners and Cameras83Haptic devices84Virtual Reality85Brief SummarynConcepts and Research ContentsnApplications and Research HotspotsnBitmap and VectorgraphnGraphics and ImageWhat can we do?86Any Question? 88AssignmentsnReading booksnReview C/C+ programming languagenTalk about some graphic applications in your daily life4. 图形程序开发90OpenGLnht