计算机图形学课件第0讲简介汇编

1、计算机图形学简介1讲授：邓浩 讲师haodengComputer GraphicsWhy?What?About2Computer GraphicsGraphicsfrom Greek graphikosderived from the word graphExamples are photographs, drawings, Line Art, graphs, diagrams, typography, numbers, symbols, geometric designs, maps, engineering drawings, or other images.“Graphics are v

2、isual presentations on some surface, such as a wall, canvas, screen, paper, or stone to brand, inform, illustrate, or entertain” -from wikipedia图案、图形、图样、图片【计算机】图形学【建筑工程】制图学3Computer GraphicsWhy?What?About4Why Computer Graphics?“One picture is worth a thousand words”（一图胜万言）Why Computer Graphics?“One

3、picture is worth a thousand words”（一图胜万言）脑血肿6Why Computer Graphics?“One picture is worth a thousand words”（一图胜万言）刮痕症7Why Computer Graphics?视觉是人类最为重要的感官人脑中有相当区域负责处理视觉信息Why Computer Graphics?人脑的一个重要功能是处理视觉信息Why Computer Graphics?人类的视觉好于其他大多数动物Computer GraphicsWhy?What?About11Computer GraphicsShowing p

4、hotos, picturesComputer GraphicsPresenting information 13Computer GraphicsCurves (曲线)Surfaces (曲面)Computer GraphicsMagnetic resonance tomography images(核磁共振影像)15Computer GraphicsGraphics User InterfaceComputer GraphicsSynthesizing images (图像合成)Computer GraphicsComputer GraphicsComputer GraphicsCompu

5、ter GraphicsComputer GraphicsComputer GraphicsComputer GraphicsComputer GraphicsMovie玩具总动员Toy Story (1995)Computer GraphicsMovieComputer GraphicsComputer GraphicsComputer GamesComputer GraphicsSimulation (模拟与仿真)Computer GraphicsCAD/CAMComputer GraphicsCAD/CAMComputer GraphicsVirtual reality (虚拟现实)Co

6、mputer GraphicsArchitectureComputer GraphicsVisualization（可视化）340.17 0.19 0.15 0.14 0.14 0.15 0.16 0.22 0.25 0.16 0.16 0.15 0.23 0.25 0.31 0.17 0.23 0.45 0.44 0.40 0.41 0.38 0.40 0.46 0.47 0.48 0.42 0.31 0.24 0.29 Computer GraphicsComputer GraphicsMedicine data visualizationComputer GraphicsSpatial

7、data visualizationComputer GraphicsGISComputer GraphicsGISComputer Graphics3D Geological Modeling历史1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院（MIT）旋风I号（Whirlwind I）计算机的附件诞生 CRT（阴极射线管）的出现为计算机生成和显示图形提供了可能历史1958年，美国Calcomp公司由联机的数字记录仪发展成滚筒式绘图仪，GerBer公司把数控机床式绘图仪发展成为平板式绘图仪。MIT林肯实验室，在Whirlwind上开发SAGE空中防御系统，通过光笔在屏幕上指点与系统交互。-标

8、志着交互式图形技术的诞生历史计算机图形学的确立1962年MIT林肯室验室Ivan E. Sutherland的博士论文：Sketchpad：一个人机通信的图形系统。首次提出“Computer Graphics”一词Ivan E. Sutherland (1938-)PhD MITMS CITBachelor Carnegie 1988年图灵奖美国两院院士CAD之父曾为美国国防部信息处理办公室领导人1964年起，先后在哈佛、Utah、Catech工作。并创办Evan & Sutherland公司历史1962年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bzier 总结提出Bzier曲线、曲面的理论至今最

9、常用的曲线曲面历史1970年代光栅图形学快速发展，相应算法纷纷诞生scan conversion(扫描转化)clipping (裁减) hidden surface removal (消除隐藏面)历史1970年代真实感图形学1970年，Bouknight提出了第一个光反射模型1971年Gourand提出“漫反射模型插值”的思想，被称为Gourand明暗处理1975年，Phong提出了著名的简单光照模型- Phong模型历史理论发展及标准化：70年代实体造型技术英国剑桥大学CAD小组的Build系统美国罗彻斯特大学的PADL-1系统图形软件标准化1974年，ACM SIGGRAPH召开与“与机器

10、无关的图形技术”的工作会议ACM成立图形标准化委员会，制定“核心图形系统”（Core Graphics System）ISO发布CGI、CGM、GKS、PHIGS历史80年代（光线跟踪和辐射度模型）1980年，Whitted 提出了首个光线跟踪模型，包括光的反射和折射效果在图形学中具有的里程碑意义历史尽管光线跟踪算法成功地模拟了景物表面间的镜面反射、规则透射及阴影等整体光照效果，但却无法很好到模拟物体相互辉映效果1984年，美国Cornell大学和日本广岛大学的学者分别将热辐射工程中的辐射度方法引入到计算机图形学中，用辐射度方法成功地模拟了理想漫反射表面间的多重漫反射效果。辐射度方法是继光线跟

11、踪算法后，真实感图形绘制技术的一个重要进展。历史历史实用化：80年代更完备的硬件系统，个人计算机、工作站系统大量图形应用软件出现图形硬件设备十分昂贵，且基于图形的应用相对较少广泛应用：90年代后标准化、集成化、智能化多媒体技术、人工智能、科学计算可视化、虚拟现实三维造型技术硬件集成化大幅提高：GPU（nVidia 、ATI、3DFX图形加速硬件公司）图形设备53VideoControllerMonitorCPUFrame bufferSystemmemoryPeripheral devicesSystem busDisplay processor图形设备Graphic Card (Video

12、Card)图形显示设备60年代中期画线显示器（亦称矢量显示器）需要刷新。较高分辨率和对比度，良好的动态性能。设备昂贵，限制普及。60年代后期存储管式显示器。不需刷新，价格较低，缺点是不具有动态修改图形功能，不适合交互式。70年代初刷新式光栅扫描显示器。以点阵形式表示图形，使用专用的缓冲区存放点阵，由视频控制器负责刷新扫描。大大地推动了交互式图形技术的发展。90年代后液晶和等离子显示器当前移动设备小型化：眼镜？图形显示设备图形输入设备第一阶段：控制开关、穿孔纸等等第二阶段：键盘第三阶段：二维定位设备鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏等等，语音操纵杆第四阶段：三维输入设备如空间球、数据手套、数据衣，用

13、户的手势、表情等第五阶段：用户的思维(将来)图形输入设备图形输入设备图形输入设备标准ISO标准GKS (Graphics Kernel System) (第一个官方标准，1977)GKS-3DPHIGS (Programmers Hierarchical Iuteractive Graphics system)CGM、 CGI、IGES、STEP（讨论中）行业标准OpenGL (SGI)：工业界；平台无关DirectX (MS)：娱乐界；Windows平台Xlib (X财团)：XWindowsPostscript (Adobe)：印刷业计算机图形学计算机图形学（Computer Graphic

14、s）ISO定义：计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形，并在专门的显示设备上显示的原理、方法和技术的学科 IEEE定义： Computer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer通俗地讲，计算机图形学就是应用计算机技术进行图形的生成、处理和输出。图形（graphics）计算机图形学的研究对象能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象自然景物、拍摄到的图片用数学方法描述的图形图形可以是现实世界中已经存在的物体，也可以是完全虚构的物体图形（graphics）图形的

15、基本要素几何要素 刻画对象的轮廓、形状等（点，线，面，体）非几何要素 刻画对象的颜色(color)、材质(material) 、纹理(texture)等例如线框颜色纹理图形（graphics）表示方法点阵法 枚举出图形中所有的点(强调图形由点构成） 简称为图像（image）如GIS栅格数据参数法 由图形的形状参数(方程或表达式的系数，线段的端点坐标等) + 属性参数(颜色、线型等)来表示图形简称为图形（graphics）如GIS矢量数据图形（graphics）GraphicsImage1 数据量很少数据量很大2有结构，便于编辑修改无结构，不便于编辑修改3能准确表示3D 景物，易于生成所需的不同

16、视图3D 景物的信息已部分丢失，很难生成所需的不同视图4生成视图需要复杂的计算生成视图不需要复杂的计算5自然景物的表示很困难自然景物的表示不困难6国际标准： GKS，PHIGS，OpenGL, WMF，VRML，CGM国际标准：JPEG，TIFF等7编辑软件(绘图软件): AutoCAD, CorelDRAW, 3D Max等编辑软件(图像处理软件)：Photoshop, Photostyler等计算机图形学建模与绘制！建模图形变换实体造型几何处理显示基本几何图形显示(直线、圆)/裁剪/消隐真实感图形光照阴影纹理计算机图形学实体造型68计算机图形学几何处理（配准）69几何处理（网格化）70计算

17、机图形学几何处理（图形形变）71计算机图形学几何处理（参数化）72计算机图形学几何处理（图形分割）73计算机图形学图形变换74基本几何图形的绘制75计算机图形学绘制（光照明）76计算机图形学绘制（阴影）77计算机图形学绘制（纹理）78计算机图形学绘制（光照明）79计算机图形学相关学科数字图像处理、计算几何、模式识别及计算机视觉数字图像数据模型图像生成（计算机图形学）模型（特征）提取（计算机视觉，模式识别）模型变换（计算机图形学）（计算几何）图像变换（图像处理）发展特点: 交叉、界线模糊、相互渗透计算机图形学 VS 地理信息系统计算机图形学是利用计算机研究图形的表示、生成、处理和显示的学科（孙家

18、广、胡事民，2009）地理信息系统是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统从与计算机软件的角度来说 经典地理信息系统 =（空间）数据库 + 计算机图形（图像）系统 + 空间分析功能（地图投影功能）学术活动机构美国计算机学会（ACM）图形学专业委员会IEEE：Technical Committee on Computer Graphics中国计算机协会计算机辅助设计与图形学 专业委员会中国图形图像学会学术活动会议ACM Siggraph, Eurographics, Pacific Graphi

19、csSymposium on Geometric Processing, Eurographics Symposium on RenderingComputer Graphics International, CASA,Graphics Interface, Rendering workshop, 期刊ACM Transaction on GraphicsIEEE Transaction on Visualization and Computer GraphicsComputer Graphics Forum IEEE Computer Graphics and ApplicationCAD, CAGD, Graphical Models The Visual Computer学术活动ACM SIGGRAPHFull: ”the Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques”In 1967, professor van Dam at Brown Unversity and Sam Masta of IBM Corporation co-founded SIGGRAPHI