计算机图形学1-2005-9

1、CAD系统与方法 1教材：CAD系统与方法，潘云鹤编著，浙江大学出版社Computer Graphics with OpenGL, 3rd Edition, Donald Hearn, M. Pauline Baker,2004 (作者1: University of Illinois at Urbana-Champaign)2教学内容（大纲）：1）计算机图形学与计算机辅助设计简介（2学时）2）二维的基本图元生成（6学时）3）三维图形的绘制（8学时），包括图形变换、光照、消隐、视见系统等。4）三维造型（8学时），包括一般造型方法简介、基于半边数据结构的造型操作等5）计算机动画与科学计算可视化（

2、3学时）6）CG&CAD系统的实现（3学时）复习考试. 考试内容（二选一）书面考试+算法实现书面考试+论文阅读书面考试（85%）闭卷形式时间待定：4个班统一考试算法实现（ 15% ）实现三个图形学中的算法源代码、执行文件、设计文档论文阅读（15%）阅读三篇以上CAD&CG方面的论文，围绕同一主题，写出一份读书笔记（5000字以上）或写出每篇论文写一份读书报告（每篇2000字左右）3考试形式和评分 4、本课程的由来 与目前的分班庄越挺 yzhuang 耿卫东童若峰陈卫东5、如何学习本课程？以教材为主线：本教材的特色勤于实践；利用网络资源；熟练OpenGL；随时接受CG的新思想和新进展第1章 计算

3、机图形学与CAD基本知识1.1 计算机图形学的概念及主要内容 1.2 计算机图形学的发展 1.3 计算机图形学的应用 1.4 计算机图形硬件简介 1.5 CAD 概论 1.1 计算机图形学的概念 计算机图形学：是研究怎样用计算机表示、生成、处理和显示图形的一门学科。指物体的轮廓、形状或外部的界限图形:客观存在的物体（桌、椅、山、水、人）几何图形（点、线、 面）用计算机表示图形：给出合适的数据结构来存放图形点： Point3D double x; double y; double z; 长方体 :cuboid Axis local; double x; double y; double z; 桌

4、子，椅子：？任意多面体：？眼镜：？山，水，云，雾：？猫，狗，虫，人：？用计算机生成图形：将上述数据结构实例化（交互手段）评价图形表示的好坏的标准：1。 表达能力2。 存储量3。 易生成、处理、显示用计算机处理图形：图形变换、变形（位置，形状）图形A 图形B 用计算机显示图形：照片，镜子中的形象，屏幕上的形象图像：1。绘制、摄制或印制的形象。 2。图形在媒介上的投影。（Two synthetic renderings of animated hair.）Johnny Chang, Jingyi Jin, and Yizhou Yu, A Practical Model for Hair Mutu

5、al Interactions, ACM SIGGRAPH Symposium on Computer Animation, San Antonio, July 2002, pp.73-80. 用计算机显示图形：图形 - 图像显示Display, rendering计算机图形 ：用计算机表示、生成、处理和显示的对象。由几何数据和几何模型利用计算机进行存储、显示，并修改、完善后形成。 本质：图像：颜色值（RGB），没有物体的概念。图形：物体（形状、外表属性、）。What would we have to model/simulate ?models of shape - need to be d

6、eformable skeleton, skinlighting (shadows)physical motionlight bending by lenses (refraction)surface texturecontrolling/specifying motionperspectivedepth of fieldcamera model / camera controlsound effects & musicstorylots of computersImportant Application AreasEntertainmentMovie production (special

7、effects & full-length features)Computer gamesIndustrial design CAD automated machiningVisualization scientific datasets medical scans (e.g., x-rays, MRI) architectural prototypingOnline distributionThree Main Themes of Computer GraphicsModeling How do we represent (or model) 3-D objects? How do we c

8、onstruct models for specific objects?Animation How do we generate the motion of objects? How do we give animators control of this motion?Rendering How do we simulate the formation of images? How do we simulate real-world light-material interaction?计算机图形学的3大主题Modeling How do we represent (or model) 3

9、-D objects? How do we construct models for specific objects?Animation How do we generate the motion of objects? How do we give animators control of this motion?Rendering How do we simulate the formation of images? How do we simulate real-world light-material interaction?How do we represent objects/e

10、nvironments? shape the geometry of the object appearance emission, reflection, and transmission of lightHow do we construct these models? manual description (e.g., write down a formula) interactive manipulation procedurally write a generating program (e.g., fractals) scan a real object (laser scanne

11、rs, computer vision, )ModelingAnimationHow do we represent the motion of objects? positions, angles, etc. as functions of timeHow do we control/specify this motion? generate poses by hand, fill in with keyframing behavioral simulation (program little “brains” for objects) physical simulation motion

12、captureHow do we simulate the formation of images? incoming light is focused by a lens light energy “exposes” a lightsensitive “film” represent images as discrete 2-D arrays of pixelsHow do we simulate the behavior of light? consider light as photons (light particles) trace straight-line motion of p

13、hotons must model interactions when light hits surfacesRendering1.1 计算机图形学的概念 几个计算机图形学的相关概念 ：图像处理 ：将客观世界中原来存在的物体的影像处理成新的数字化图像的相关技术，如CT扫描、X射线探伤等。 原始Lena图像 直方图均衡后的Lena图像 1.1 计算机图形学的概念（续） 2. 模式识别 ：对所输入的图像进行分析和识 别，找出其中蕴涵的内在联系或抽象模型， 如邮政分拣、地形地貌识别等 3. 计算几何 ：研究几何模型和数据处理的学 科，探讨几何形体的计算机表示、分析和 综合 数字图像数据模型计算机图形

14、学模式识别计算几何图像处理2001年， UC Berkeley /projects/vision/workshop01/conference.html A Workshop on the Convergence of Graphics, Vision, and Video. Image-based Rendering, Heung Yeung Shum , Yin Li , Sing Bing Kang, An introduction to image-based rendering, Integrated image and graphics technologies, Kluwer Ac

15、ademic Publishers, Norwell, MA, 2004 注意发展趋势David F. Forsyth(UC Berkeley) Jean Ponce (Univ. of Illinois at Urbana-Champaign) Computer Vision: A Modern Approach, 2003 Contents: Part1: Image Formation and Image Models Part2: Early Vision: Just One Image Part3: Early Vision: Multiple Images Part4: Mid-l

16、evel Vision Part5: High-Level Vision: Geometric Methods Part6: High-Level Vision: Probabilistic and Inferential Methods Part7: Applications1.2 计算机图形学的发展 计算机图形学的研究起源于美国麻省理工学院,从20世 纪50年代初期到60年代中期，美国麻省理工学院积极 从事现代计算机辅助设计/制造技术的开拓性研究。 1952年，在该校诞生了世界上第一台数控铣床的原型。随后，麻省理工学院发展了APT，这演变成国际上最 通用的加工编程工具。 1964年，孔斯(

17、Steve Coons)在麻省理工学院提出了用 小块曲面片组合表示自由型曲面时使曲面片边界达到 任意高次连续阶的理论，此方法得到工业界和学术界 的极大推崇，称之为孔斯曲面。 1962年第一台光笔交互式图形显示器在美国麻省理工 学院林肯实验室研制成功. 给我们的启示？1.2 计算机图形学的发展 （续）在美国工业界，研制交互式图形显示器的工作也同时 开展，其中所起作用最重要的是IBM公司 在1964年秋， IBM公司推出了IBM 2250显示器。 洛克希德飞机公司利用IBM 2250施行开发的 CADAM绘图加工系统，成为目前IBM主机上应 用最广的CAD/CAM软件。 IBM 2250在1978

18、年前后改型为IBM 3250，1984年 又改型为IBM 5080，采用光栅扫描技术 。20世纪60年代末和70年代初，美国Tektronix公司 发展了存储管技术。 由于大规模集成电路技术的发展和专用图形处理 芯片的出现，光栅扫描型显示器的质量越来越好， 价格越来越低，已成为图形显示器的常规形式。 1.2 计算机图形学的发展 （续）在图形显示技术发展的历程中，需要强调两家公司的产品， 这就是Evans & Sutherland公司的PS 300型和Silicon Graphics公司的IRIS型显示设备。 PS 300采用数据驱动式原理；图形处理中的矩阵运算 和其他基本算法使用3个位片处理机

19、组成的流水线。 三维物体轮廓线的显示亮度可以随距离远近而变化，离 眼睛越远的部分线条越淡，这样可更好地体现出立体图 的真实感。 Silicon Graphics公司的IRIS工作站采用数字成像工作原 理。此后，其他公司纷纷效仿。这种持续不断的提高显 示画面质量、加快交互速度的努力会继续进行，必将进 一步推动计算机图形学技术的飞速发展。1.2 计算机图形学的发展 （续）Spacewars: first computer graphics game (MIT 1961)SketchPad: first interactive graphics (1961)Whirlwind: early grap

20、hics using VectorScope (1951)first CAD system (IBM 1959)1.3 计算机图形学的应用 随着计算机图形学的不断发展，它的应用范围也日趋广泛。目前，计算机图形学应用领域主要有以下几种:3 计算机动画和艺术 1 计算机辅助设计与制造(CAD/CAM) 2 地形地貌和自然资源图 8 用户接口 (User Interface, HCI)4 分析计算及视图中的应用(Data Visualizations ) 6 游戏(Game, Digital Entertainment) 7 虚拟现实 （Virtual Reality）5 教育与训练 1.3 计算机

21、图形学的应用 1。 计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)CAD机械CAD电路CAD建筑CAD服装CAD。机械CAD系统所生成的零件、装配件 1.3 计算机图形学的应用 1 计算机辅助设计与制造(CAD/CAM) (续) 二维绘图（autoCAD）三维造型（Pro/E, UG, CATIA）CAMCAE发展方向:Computer AidedDrawing Design 概念设计三维造型虚拟装配协同设计工具1.3 计算机图形学的应用 2 地形地貌和自然资源图 我国正在筹建国土基础信息系统，此系统是国家经济信息系统的组成部分。三维的地形地貌图 网上地图1.3 计算机图形学的应用 2 地形地貌和自然

22、资源图 1.3 计算机图形学的应用 （续）计算机动画已经成为计算机图形学的一个分支，并逐步进入实用阶段。1996 IndependenceDay 因其可视效果获Oscar.3 计算机动画和艺术 Toy Story 成为第一部具有全三维计算机动画特点的电影1.3 计算机图形学的应用 （续）3 计算机动画和艺术 （有专题讲座）1.3 计算机图形学的应用 4 分析计算及视图中的应用(Data Visualization) 既可用二维曲线图表和三维模型，也有彩色高维几何表示 1.3 计算机图形学的应用 4 分析计算及视图中的应用(续) 1.3 计算机图形学的应用 4 分析计算及视图中的应用(续) 蛋白

23、质结构的可视化1.3 计算机图形学的应用 5 教育与训练 5 游戏 1.3 计算机图形学的应用 目前图形硬件发展的动力所在 。“Tekken Tag Tournament” Playstation 2 6 虚拟现实 （Virtual Reality）飞行等模拟训练 。游戏。1.3 计算机图形学的应用 1.3 计算机图形学的应用 7 用户接口 Macintosh微机首先在商品化产品上用形象的图形表示操作命令，使得普通用户也会用计算机画图、作日常计算，打破了人们对操作计算机所持的神秘感。图文形式相结合大大改善了计算机交互操作的用户界面，开辟了计算机应用的很多新领域。1.4 计算机图形硬件简介 常用

24、的图形输入设备分为两种：向量型图形输入设备 它采取跟踪轨迹、记录坐标点的方法输入图形。 常用的有数字化仪、鼠标器、光笔等。光栅扫描型图形输入设备 它采取逐行扫描、按一定密度采样的方式输入图形。 常用的有扫描仪和摄像机。 图形输入设备的功能可分为6类：确定点坐标即定位 确定一系列点的坐标即笔划 确定数值 进行选择 进行图形识别 识别字符串 1.4 计算机图形硬件简介 (续）几种主要图形输入设备键盘 鼠标 :1)光电式鼠标 2)机械式鼠标 3. 光笔 触摸屏: 电阻式和电容式 2)红外线式 3) 声表面波式 5. 扫描仪: 二维： 扫描仪通过光电转换、点阵采样的方式，将一幅画面变为数字图像 三维：

25、 三维物体的几何形状及表面颜色属性。 1.4 计算机图形硬件简介 (续）美国CALCOMP公司生产的数字化仪1.4 计算机图形硬件简介 (续）常用的图形输入设备Data GlovesUsed to grasp a “virtual object” (position or manipulate objects) in a virtual scene. DigitizersGraphics Tablet: Image Scanner1.4 计算机图形硬件简介 (续）常用的图形输出设备分为两类：向量型(Vector Display, Random-Scan Display) 向量型设备的作画机构随

26、着图形的输出形状而移动 并成像 光栅扫描型（Raster-Scan Display） 光栅扫描型设备的作画机构按光栅矩阵方式扫描整 张图面，并按输出内容对图形成像。几种图形输出设备介绍 1. 阴极射线管 阴极射线管通常利用电磁场产生高速的、经过聚焦的电 子束，使其偏转到屏幕的不同位置以轰击屏幕表面的荧 光材料而产生可见图形 。其主要组成部分如下： 阴极 当它被加热时，发射电子。 控制栅 控制电子束偏转的方向和运动速度。 加速结构 用以产生高速的电子束。 聚焦系统 保证电子束在轰击屏幕时，汇聚成很细的点。 偏转系统 控制电子束在屏幕上的运动轨迹。 荧光屏 当它被电子轰击时，发出亮光。 所有这些部

27、件都封闭在一个真空的圆锥形玻璃壳内， 其结构如图所示:1.4 计算机图形硬件简介 (续）阴极射线管的组成 1.4 计算机图形硬件简介 (续）2. 显示器 随机扫描显示器 逻辑框图如图所示:随机扫描图形显示器的逻辑框图 彩色阴极射线管 通过把发出不同颜色的荧光物质进行组合而实现的。 通常用射线穿透法和影孔板法实现彩色显示。 1.4 计算机图形硬件简介 (续） 存储管式图形显示器 随机扫描图形显示器使用一个独立的存储器来存储图形 信息，然后不断地取出这些信息来刷新屏幕。由于存取 信息速度的限制，使得显示稳定图形时的画线的长度受 到限制，且造价较高。针对这些问题，20世纪70年代后 期发展了利用管子

28、本身来存储信息的技术，这就是存储 管技术 存储管式显示器的一般结构如图所示:1.4 计算机图形硬件简介 (续） 光栅扫描式图形显示器 光栅扫描式图形显示器(简称光栅显示器)是画点设备， 可看作是一个点阵单元发生器，并可控制每个点阵单 元的亮度。 光栅扫描式图形显示器的直线显示效果 它不能直接从单元阵列中的一个可编址的像素画一条直线到另一个可编址的像素，只能用尽可能靠近这条直线路径的像素点集来近似地表示这条直线。 1.4 计算机图形硬件简介 (续）一个黑白光栅显示器的工作状况图 :在光栅图形显示器中，需要有足够的位面和帧缓冲存储器结合才能反映图形的颜色和灰度等级。具有颜色查找表的N位面灰度等级帧

29、缓冲存储器 1.4 计算机图形硬件简介 (续）为了限制帧缓冲存储器的增加，可采用颜色查找表来提高灰度级别，如图所示: 具有颜色查找表的N位面灰度等级帧缓冲存储器 1.4 计算机图形硬件简介 (续）彩色光栅显示器的工作状况图: 1.4 计算机图形硬件简介 (续）全色光栅显示器工作状况图: 1.4 计算机图形硬件简介 (续）配有颜色查找表的全色帧缓冲存储器 :1.4 计算机图形硬件简介 (续）具有3个位面的帧缓冲存储器的颜色表 :红(R)绿(G)蓝(B)黑(Black)000红(Red)100绿(Green)010蓝(Blue)001黄(Yellow)110青(Cyan)011紫(Magenta)

30、101白(White)111平板式显示(Flat-Panel Display)设备, 其最大的特点是: 比CRT薄(可以挂于墙上, 或戴于手腕之上).正在取代CRT.可以分为两类: Emissive(发光的) Displays: 如: Plasma(等离子) panels, Non-emissive Displays: 如LCD. 液晶显示器(LCD) 液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display)与其他显示器不 同，它是由6层薄板组成的平板式显示器。 等离子显示器 等离子显示器是用许多小氖气灯泡构成的平板阵列， 每个灯泡处于“开”或“关”状态。 1.4 计算机图形硬件简介 (续）等离子显示器的结构 1.4 计算机图形硬件简介 (续） 几种显示技术的比较如表所示:性质阴极射线管等离子显示器液晶显示器性质阴极射线管等离子显示器液晶显示器功耗大中小对比度中好差屏幕大中小灰度等级好差差厚度大小小视角大中一般平面度一般中好色彩丰富中中亮度好好适中价格低中低分辨率中好一般 图形绘制设备 图形显示设备只能在屏幕上产生各种图形，但