概述计算机图形学

1、概述计算机图形学第1页，共34页，2022年，5月20日，6点15分，星期四第一章 概 述 计算机图形学的研究内容 1.1 计算机图形学发展概况 1.2 计算机图形学特点和应用 1.3 计算机图形学当前研究的课题 1.4 计算机图形生成和输出的流水线 1.5一. 什么是计算机图形学 二. 计算机图形学、图像处理与 模式识别的关系 三. 计算机图形学与CAD/CAM 技术的关系 四. 计算机图形学研究内容 一. 计算机图形学的特点 二. 计算机图形学的应用领域 第2页，共34页，2022年，5月20日，6点15分，星期四第一章 概 述1.1 计算机图形学的概念与研究内容 一. 什么是计算机图形学

2、1.定义 计算机图形学(Computer Graphics): 研究通过计算机将数据转换为图形，并在专用显示设备上显示的原理、方法和技术的学科 。 第一章 概述1.1 计算机图形学的研究内容 一. 什么是计算机图形学 二.计算机图形学、图像处理与模式识别的关系 三.计算机图形学与CADCAM技术的关系 四.计算机图形学研究内容 1.2 计算机图形学发展概况 1.3 计算机图形学特点和应用 一.计算机图形学的特点 二.计算机图形学的应用领域 1.4 计算机图形学当前研究的课题 1.5计算机图形生成和输出的流水线第3页，共34页，2022年，5月20日，6点15分，星期四第一章 概 述图形处理过程

3、：计算机图形处理程序输入信息：数据输出信息：图形 例如：画圆计算机图形处理程序圆圆心坐标圆半径三部分：数据：用户给出的原始输入(如描述图形的几何数据、数学方程等)、计算机产生的结果 、来自图形工作站操作者的命令 计算机：微机、工作站等输出设备：显示器、绘图仪第4页，共34页，2022年，5月20日，6点15分，星期四第一章 概 述2.计算机图形表现形式(1).线条式(线框架图)用线段来表现图形，容易反映客观实体的内部结构，如各类工程技术中结构图的表示，机械设计中零件结构图及电路设计中的电路原理图等. 第5页，共34页，2022年，5月20日，6点15分，星期四第一章 概 述具有面模型、色彩、浓

4、淡和明暗层次效应，适合表现客观实体的外形或外貌，如汽车、飞机、轮船等的外形设计以及各种艺术品造型设计等。 (2).真实感面模型图形跑车靓照第6页，共34页，2022年，5月20日，6点15分，星期四3. 计算机图形分类（空间）(1).二维图形（2D） ：在平面坐标系中定义的图形 (2).三维图形（3D） ：在三维坐标系中定义的图形 简单二维图形简单三维图形第一章 概 述第7页，共34页，2022年，5月20日，6点15分，星期四第一章 概 述4、计算机图形产生方法(1).矢量法(短折线法)任何形状的曲线都用许多首尾相连的短直线（矢量）逼近。 (2).描点法(像素点串接法)每一曲线都是由一定大小

5、的像素点组成 第8页，共34页，2022年，5月20日，6点15分，星期四 二. 计算机图形学、图像处理与模式识别的关系 1.三者的关系（1）计算机图形学(Computer Graphics)：数据描述到图形生成的过程。如圆 （2）图像处理(Image Processing): 利用计算机对原来存在物体映像进行 分析处理，然后再现图像。如人体CT, 遥感照片等 （3）模式识别(Pattern Recognition ) 计算机对图形信息进行识别和分析描 述，是从图形（图像）到描述的表达 过程。如邮件分拣、邮政编码识别等 第一章 概述1.1 计算机图形学的研究内容 一. 什么是计算机图形学 二.

6、计算机图形学、图像处理与模式识别的关系 三.计算机图形学与CADCAM技术的关系 四.计算机图形学研究内容 1.2 计算机图形学发展概况 1.3 计算机图形学特点和应用 一.计算机图形学的特点 二.计算机图形学的应用领域 1.4 计算机图形学当前研究的课题 1.5计算机图形生成和输出的流水线第9页，共34页，2022年，5月20日，6点15分，星期四(1)交互式绘图 允许操作者以某种方式（对话方式或命令方式）来控制和操纵图形生成过程，使得图形可以边生成、边显示、边修改，直至符合要求为止。如AUTOCAD等 (2)被动式绘图 图形在生成过程中，操作者无法对图形进行操作和控制。如C语言绘图 2.计

7、算机绘图方式第10页，共34页，2022年，5月20日，6点15分，星期四三. 计算机图形学与CADCAM技术的关系1.计算机辅助设计（Computer Aided Design，简称CAD） 建立某种模式和算法以及相关的支撑和应用软件，使计算机按设计工程师的意图，去进行科学分析和计算，作出判断和选择，最后输出满意的设计结果并生产图纸。 2.计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，简 称CAM） 通过直接或间接地把计算机与工厂生产设备联系起来，实现用计算机系统进行生产的计划、管理、控制及操作的过程，它是应用计算机进行制造过程中管理、控制和处理的总称。 第一章

8、概述1.1 计算机图形学的研究内容 一. 什么是计算机图形学 二.计算机图形学、图像处理与模式识别的关系 三.计算机图形学与CADCAM技术的关系 四.计算机图形学研究内容 1.2 计算机图形学发展概况 1.3 计算机图形学特点和应用 一.计算机图形学的特点 二.计算机图形学的应用领域 1.4 计算机图形学当前研究的课题 1.5计算机图形生成和输出的流水线第11页，共34页，2022年，5月20日，6点15分，星期四四. 计算机图形学研究内容 主要核心技术是如何建立所处理对象的模型并生成该对象的图形。其主要研究内容大体上可以概括为如下几个方面：1.几何模型构造技术（Geometric Mode

9、lling） 如各种不同类型几何模型（二维、三维、分数组、Fractal Model）的构造方法及性能分析，曲线与曲面的表示与处理，专用或通用模型构造系统的研究等。2.图形生成技术（Image Synthesis） 如线段、圆弧、字符、区域填充的生成算法，以及线隐面消除、光照模型、浓淡处理（Shading）、纹理、阴影、灰度与色彩等各种逼真感图形表示技术。 第一章 概述1.1 计算机图形学的研究内容 一. 什么是计算机图形学 二.计算机图形学、图像处理与模式识别的关系 三.计算机图形学与CADCAM技术的关系 四.计算机图形学研究内容 1.2 计算机图形学发展概况 1.3 计算机图形学特点和应

10、用 一.计算机图形学的特点 二.计算机图形学的应用领域 1.4 计算机图形学当前研究的课题 1.5计算机图形生成和输出的流水线第12页，共34页，2022年，5月20日，6点15分，星期四3.图形的操作与处理方法（Picture Manipulation） 如图形的开窗、裁剪、平移、旋转、放大、缩小、投影等各种几何变换操作的方法及其软件或硬件实现技术。 4.图形信息的存储，检索与交换技术 如图形信息的各种表示方法、组织形式、存取技术、图形数据库的管理、图形信息通信等。5.人机交互及用户接口技术 如新型定位设备、选择设备的研究；各种交互技术，如构造技术、命令技术、选择技术、响应技术等的研究，以及

11、用户模型、命令语言、反馈方法、窗口系统等用户接口技术的研究。四. 计算机图形学研究内容第13页，共34页，2022年，5月20日，6点15分，星期四1950年 美国麻省理工学院研制出第一台图形显示器。能显示了一些简单图形，类似于示波器CRT。 1959年 美国CALCOMP公司根据打印机原理研制了世界上第一台滚筒式绘图机。 50年代末期 美国麻省工学院开发了SAVE空中防御系统，它具有指挥和控制功能。这个系统能将雷达信号转换为显示器上的图形，操作者利用光笔可直接在显示屏上标识目标。这一功能的出现预式着交互式图形生成技术的诞生。 被动式输出1.2 计算机图形学发展概况 第一章 概述1.1 计算机

12、图形学的研究内容 一. 什么是计算机图形学 二.计算机图形学、图像处理与模式识别的关系 三.计算机图形学与CADCAM技术的关系 四.计算机图形学研究内容 1.2 计算机图形学发展概况 1.3 计算机图形学特点和应用 一.计算机图形学的特点 二.计算机图形学的应用领域 1.4 计算机图形学当前研究的课题 1.5计算机图形生成和输出的流水线第14页，共34页，2022年，5月20日，6点15分，星期四1962年 美国麻省理工学院林肯实验室的Ivan ESuthland,首先提出了“计算机图形学”（Computer Graphics）这一术语，引入了分层存储符号的数据结构，开发出了交互技术；可用键

13、盘和光笔实现定位、选项和绘图。奠定了计算机图形学基础。 60年代中期 美国、英国、法国的一些汽车、飞机制造业大公司对计算机图形学开展大规模研究。 60年代后期 出现了存储管式显示器，可以进行简单交互 蓬勃发展，但仍处于研究阶段1.2 计算机图形学发展概况第15页，共34页，2022年，5月20日，6点15分，星期四70年代中期 出现了基于电视技术的光栅图形扫描器。 80年代以后 进一步发展，主要体现在以下三个方面：几个大型著名的计算机图形系统相继问世。特别是GKS（Graphics Kernel System）核心系统。随着硬件技术的发展，高分辨率图形显示器研制成功，三维图形显示达到更高水平

14、计算机图形系统在许多领域可以取代中、小型计算机系统，计算机图形学得到了更加广泛的应用。 90年代后 计算机图形学向着更高阶段发展，许多技术已成为当今最热门的多媒体技术的重要组成部分。 实用化阶段1.2 计算机图形学发展概况第16页，共34页，2022年，5月20日，6点15分，星期四计算机图形学发展概略：50年代计算机图形学开始兴起 60年代交互式图形系统CAD出现 70年代图形显示技术的发展（光栅扫描显示器） 80年代计算机图形学软硬件迅速发展（高分辨率显示器、图形标准化、工程工作站） 90年代各种不同图形软件的出现（AutoCAD、3DMAX等） 当前计算机图形学向更新方向发展（虚拟现实技

15、术、可视化技术、造型技术等） 进入21世纪之后，更智能更高级的图形用户接口和普适计算环境的图形化带来的新的科学技术。第17页，共34页，2022年，5月20日，6点15分，星期四计算机图形软件发展的几种类型 1.图形子程序包：用某种高级语言编写，如Windows的DirectX和基于VC+的OpenGL。2.某种高级语言的功能的扩充（图形函数），具有图形生成功能。如BASIC、 PASCAL、Turbo C 、 Borland C+、Java等。3.对于某种类型设备可以配置专用的图形生成语言。比较著名的有GL（Graphics Language）语言、PL（Ploting Language）语

16、言和Dxy语言。4.图形软件标准化，通用的与设备无关的图形软件。如原西德提出的图形核心系统 GKS（Graphics Kernel System）。5.专用的图形软件，例如3D MAX，maya等。 第18页，共34页，2022年，5月20日，6点15分，星期四 1.3 计算机图形学特点和应用 一. 计算机图形学的特点1.计算机产生的图形有规律、光滑。它是按数学方法产 生的，规矩整齐，有着像数学一样的严格性。 2.计算机产生的图形纯净美观、无噪声干扰。 3.通过计算机产生的图形不仅能描绘客观世界的各种对 象，也能描绘纯粹是想像的主观世界中的各种对象。 4.交互式计算机图形显示可由用户控制，产生

17、的图形可 修改性强，且速度快、差错少。 第一章 概述1.1 计算机图形学的研究内容 一. 什么是计算机图形学 二.计算机图形学、图像处理与模式识别的关系 三.计算机图形学与CADCAM技术的关系 四.计算机图形学研究内容 1.2 计算机图形学发展概况 1.3 计算机图形学特点和应用 一.计算机图形学的特点 二.计算机图形学的应用领域 1.4 计算机图形学当前研究的课题 1.5计算机图形生成和输出的流水线第19页，共34页，2022年，5月20日，6点15分，星期四二. 计算机图形学的应用领域 1.计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)计算机图形学被用来进行土建工程、机械结构和产品的

18、设计，包括设计飞机、汽车、船舶的外形和发电厂、化工厂等的布局，也能够对电子线路或电子器件进行设计。 计算机辅助设计在电子电路设计中的应用 第一章 概述1.1 计算机图形学的研究内容 一. 什么是计算机图形学 二.计算机图形学、图像处理与模式识别的关系 三.计算机图形学与CADCAM技术的关系 四.计算机图形学研究内容 1.2 计算机图形学发展概况 1.3 计算机图形学特点和应用 一.计算机图形学的特点 二.计算机图形学的应用领域 1.4 计算机图形学当前研究的课题 1.5计算机图形生成和输出的流水线第20页，共34页，2022年，5月20日，6点15分，星期四 2.事务管理中交互式绘图 绘制事

19、务管理中的各种图形，如统计数据的二维及三维图形、直方图、线条图、表示百分比的扇形图等等，还可绘制工作进程图，库存和生产进程图以及大量的其他图形。所有这些都以简明的形式呈现出数据的模型和趋势以增加对复杂现象的理解并促进决策的制定。 统计图二. 计算机图形学的应用领域 第21页，共34页，2022年，5月20日，6点15分，星期四3.地理信息系统（GIS） 地理信息系统是建立在地理图形基础上的信息管理系统，是图形技术、数据库技术以及管理信息的结合。 江苏省地图 二. 计算机图形学的应用领域 第22页，共34页，2022年，5月20日，6点15分，星期四4.办公自动化和电子出版技术 图形显示技术在办

20、公自动化和事务处理中的使用，有助于数据及其相互关系的有效表达，因而有利于人们进行正确的决策。利用交互式图形显示技术的支持可以进行资料、文稿、书刊、手册的编写、修改。制图、制表、分页、排版。 二. 计算机图形学的应用领域 第23页，共34页，2022年，5月20日，6点15分，星期四5.系统模拟 二. 计算机图形学的应用领域 航天航空模拟第24页，共34页，2022年，5月20日，6点15分，星期四6.计算机辅助教学（CAI） 计算机辅助教学系统利用图形显示设备或电视终端，可以有声有色生动地演示物理、化学、生物、外语等教学内容，让学生（用户）使用人机交互手段，进行学习和研究，绘图或仿真操作，使整

21、个教学过程直观形象，有利于加深理解所学知识。 二. 计算机图形学的应用领域 第25页，共34页，2022年，5月20日，6点15分，星期四7.过程控制 在过程控制中，常常将计算机与现实世界中的其他设备连成一个系统。计算机图形显示设备常用来显示系统中关键部位的状态，如炼油厂、发电厂的状态显示器可显示出由传感器送来的压力、温度、电压、电流等数据，从而使操作人员可对异常情况作出反应。 某钢铁控制系统主画面二. 计算机图形学的应用领域 第26页，共34页，2022年，5月20日，6点15分，星期四8.计算机动画和游戏 动画片狮子王片段二. 计算机图形学的应用领域 游戏幻想三国志2截图游戏轩辕剑5汉之云

22、截图第27页，共34页，2022年，5月20日，6点15分，星期四9.计算机艺术二. 计算机图形学的应用领域 第28页，共34页，2022年，5月20日，6点15分，星期四1.4 计算机图形学当前研究的课题 1.造型技术 研究的是如何在计算机中构造出二维、三维物件模 型的基本方法和手段。 2.三维信息重建技术 研究一些算法，使得计算机图形系统能自动地将三视图转换成相应的立体图。 3.图形数据库 研究如何以基本的图形为数据项而建立起一个能快速查找各个图形的图形库。 4.动态绘图 在交互式绘图中，不仅可以在屏幕上对图形进行修改、删除、编辑等，还可以进行动态分析。 第一章 概述1.1 计算机图形学的

23、研究内容 一. 什么是计算机图形学 二.计算机图形学、图像处理与模式识别的关系 三.计算机图形学与CADCAM技术的关系 四.计算机图形学研究内容 1.2 计算机图形学发展概况 1.3 计算机图形学特点和应用 一.计算机图形学的特点 二.计算机图形学的应用领域 1.4 计算机图形学当前研究的课题 1.5计算机图形生成和输出的流水线第29页，共34页，2022年，5月20日，6点15分，星期四5.CG、CAD、CAM三者一体化 计算机图形学（CG）、计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）有机结合在一起，形成所谓一体化软件。 6.应用软件开发环境的通用化和标准化 用户界面管理系统UIMS、窗口管理系统、网络文件格式等，并使之通用化和标准化。7.虚拟现实环境的生成（Virtual Reality简称 VR） 利用计算机生成一种模拟环境（如飞机驾驶舱、操作现场等），通过多种传感、设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。 8.科学计算可视化 通过对空间数据场构造中间几何图素或用图形绘制技术在屏幕上产生二