计算机图形学 简介1

计算机图形学吴伟计算机学院E-mail:wuwei_imu@163.com2图形图像是人类相互交流和认识客观世界的主要媒体,图形图像是现代信息化社会的重要支柱。视觉系统帮助人类从外界获取3/4以上的信息；视觉信息所获得的客观作用是其它信息不能替代的。图形图像科学是理论与现代高科技相结合、系统研究各种视觉原理、技术和应用的综合性很强的交叉学科。人类基于视觉的活动是一个广阔、复杂和富有挑战性的研究领域，图形图像科学和技术是这个领域有力的工具。图形图像学科具有涉及面广，内容丰富，跨行业、跨学科特点研究方法：与数学、物理学、生理学、心理学、电子学等许多学科可以相互借鉴；研究范围：与人工智能、神经网络、遗传算法、模糊逻辑等理论和技术都有密切关系；发展应用：与医学、遥感、通讯、影视和工业自动化等许多领域不可分割的。科学史上，它代表着最活跃和令人振奋的边缘学科之一。●图形图像学科◘学科地位◘学科概略◘图形学◘图像处理◘计算几何◘计算机视觉◘图形与视觉◘学科特点◘学科方向●计算机图形学●课程内容方式3图形图像是社会生活和工业领域传递信息的最主要媒体。人类的知识和信息有80%来自于视觉，俗话说：“百闻不如一见”、“一幅画胜于千句话”。图形学是信息技术中不可缺少的重要内容和发展基石。例：人机界面的发展读卡机及控制面板上的开关、指示灯→键盘和字符终端→WIMP为特征的图形用户界面GUI

基于键盘、鼠标等输入设备＋光栅显示器→用户“临境”和“沉浸”感觉的三维虚拟现实环境。反映了计算机技术从初始到高级的发展过程；体现了计算机图形学在计算机软硬件发展过程中的推动作用和发展历程。图形学应用已渗透到社会生活和工业生产的几乎一切领域，并与这些领域自身发展相互推动、互相促进。图形学的地位和作用●图形图像学科◘学科地位◘学科概略◘图形学◘图像处理◘计算几何◘计算机视觉◘图形与视觉◘学科特点◘学科方向●计算机图形学●课程内容方式4图形图像学科概略图象查询、分类图象处理、效果增强机器视觉物体建摸、造型真实感图形动画、多媒体场景模拟虚拟现实图形用户界面模型生成图形生成计算机视觉计算机图形学图像处理计算几何客观世界(对象模型)模型变换设备环境(图形显示)图像变换●图形图像学科◘学科地位◘学科概略◘图形学◘图像处理◘计算几何◘计算机视觉◘图形与视觉◘学科特点◘学科方向●计算机图形学●课程内容方式5计算机图形学从给定几何基元(如线、圆、曲线、曲面、实体等)的几何描述来生成图像；讨论由非图像的信息(自然事物)产生“逼真”的图像，是研究自然事物的建模、表示和显示的方法。输入：客观对象表示；输出：图像显示。模型生成图元组合对象构造交互输入图形输出人机交互图形模型生成菜单输入图形显示对象模型图形显示客观世界模型生成图形生成●图形图像学科◘学科地位◘学科概略◘图形学◘图像处理◘计算几何◘计算机视觉◘图形与视觉◘学科特点◘学科方向●计算机图形学●课程内容方式交互式计算机图形系统6图像处理它所讨论的问题中输入和输出两者均为图像。主要研究：如何对一幅连续的图像量化以产生数字图像；改善图像显示质量或效果、如何对数字图像做各种变换以方便处理；如何滤除图像中无用噪声或增强图像中某些特征；如何压缩图像数据以便于存储和传输等。●图形图像学科◘学科地位◘学科概略◘图形学◘图像处理◘计算几何◘计算机视觉◘图形与视觉◘学科特点◘学科方向●计算机图形学●课程内容方式7计算几何着重讨论几何形体在计算机内的表示、分析和综合。它研究如何方便灵活地建立几何形体的数学模型，提高算法的效率；在计算机内如何更好地存储和管理这些模型等。主要研究内容：曲线曲面的表示、生成、拼接和造型；三维实体造型；散乱数据插值；计算复杂性等。●图形图像学科◘学科地位◘学科概略◘图形学◘图像处理◘计算几何◘计算机视觉◘图形与视觉◘学科特点◘学科方向●计算机图形学●课程内容方式8计算机视觉讨论对输入图像的描述或归类的方法。分析和识别输入图像，并从中提取二维或三维的数据模型或特征，再将其变换到抽象的描述。这个描述比图形学数学模型更抽象，更富语义：一组数、一串符号或一个图(graph)。手写汉字、字符识别；机器人视觉；医疗自动诊断；遥感检测与分析等。●图形图像学科◘学科地位◘学科概略◘图形学◘图像处理◘计算几何◘计算机视觉◘图形与视觉◘学科特点◘学科方向●计算机图形学●课程内容方式9计算机图形学与计算机视觉计算机图形学属图像综合，计算机视觉属图像分析。简单看来，计算机图形学与计算机视觉是互逆的过程。实际上，这两个领域的早期发展没有什么联系。近年来两者的发展越来越相近：图形技术在视觉系统的人机交互和建模等过程中起很大的作用，某些图形可认为是图像分析结果的可视化；计算机真实感景物生成可看作是图像分析的逆过程，需使用计算机视觉技术，以在计算机中建立逼真的图像模型。基于图像的绘制、可视化和虚拟现实将这两个领域紧密地结合在一起。需要注意：图像理解与计算机视觉中存在许多不确定性；计算机图形学处理的多是确定性问题数学途径可解决的问题，许多情况下是在图形生成速度和精度（即实时性和逼真度）间取得某种妥协。●图形图像学科◘学科地位◘学科概略◘图形学◘图像处理◘计算几何◘计算机视觉◘图形与视觉◘学科特点◘学科方向●计算机图形学●课程内容方式10学科特点与趋势共同点：以人类视觉信息为处理对象。以图形/图像在计算机中的建模和表示为基础（数据结构、存贮以及检索、压缩）在人工智能、神经网络、遗传算法等新理论、新工具和新技术的支持下得到进一步发展。趋势：集成和融合随着科学技术的发展和应用的不断深入，学科界限越来越模糊，各学科互相联系，覆盖面有所重合、渗透和融合。例如：计算机图形学离不开曲线、曲面及实体造型技术；几何造型系统必须用到图形生成处理技术和图像处理技术；计算机视觉中的许多概念和方法来自于图像处理和图形学。●图形图像学科◘学科地位◘学科概略◘图形学◘图像处理◘计算几何◘计算机视觉◘图形与视觉◘学科特点◘学科方向●计算机图形学●课程内容方式11图形图像的融合对象模型图形显示客观世界模型生成图形生成模型生成笔画识别对象识别图元组合对象构造手绘输入交互输入图形输出人机交互图形模型生成菜单输入图形显示基于识别的人机交互(Recognition-basedHCI)●图形图像学科◘学科地位◘学科概略◘图形学◘图像处理◘计算几何◘计算机视觉◘图形与视觉◘学科特点◘学科方向●计算机图形学●课程内容方式场景图片图形输出模型生成图像分割特征识别图像量化图形显示基于图像识别模型生成模型重构基于图像的绘制(Image-basedRending)数字图像获取设备＋模式识别/机器视觉12计算机图形学定义计算机图形学形成于二十世纪六十年代，并逐渐发展成为以图形硬件设备、图形处理专用算法和图形软件系统等为研究内容的一门成熟学科。简言之，计算机图形学主要研究图形(图像)的计算机生成、处理和显示的一门学科。目前作为商品的图形软件和硬件已经能方便地生成各种线画图形和自然景物的真实感图像。随着计算机技术的不断发展，计算机图形学的研究内容也不断丰富和拓展，在新的环境下赋予了新的思想和内容。●图形图像学科●计算机图形学◘广义图形◘图形学图形◘图形特点◘图形与图像◘图像文件◘图形文件◘图形学主题◘图形学方向●课程内容方式13广义图形定义广义上，现实世界中能在人类视觉系统中形成视觉印象的客观对象都称为图形主要包括：人眼所观察到的自然界的物体和景物；用照相机、摄像机等装置获得的图片；用绘图工具绘制的工程图纸、各种人工美术绘画；用数学方法描述的图形。科学研究中，图形是对客观对象的一种抽象表示。它具有两个信息构成要素：形状：刻画图形形状构成的点、线、面和体等几何要素信息；颜色：反映物体表面属性或材质的灰度、色泽等非几何要素。

例：半径为R、圆心在原点的“圆”图形包括两方面信息：形状信息：由多个点组成的、符合X2+Y2=R2的圆；颜色信息：圆周线和圆的内部具有一定颜色（设定）。●图形图像学科●计算机图形学◘广义图形◘图形学图形◘图形特点◘图形与图像◘图像文件◘图形文件◘图形学主题◘图形学方向●课程内容方式14计算机图形学中的图形是图形广义与抽象定义的结合。能采用数学表示方法表示；能在计算机内表示和存储；能在图形输出设备上显示。计算机图形学的任务是：在计算机系统内“逼真”地模拟（描绘）各种客观世界的对象（事物）。计算机图形学中的图形与数学学科中的图形区别在于：它比数学学科中的图形更具体、更接近它所表示的客观对象。数学学科中的图形是采用几何和代数方程或分析表达式等抽象方法所确定的图形；计算机图形学中的图形除了数学方法所描述的形状等几何信息外，还包括颜色、材质等非几何信息。图形学中的图形定义●图形图像学科●计算机图形学◘广义图形◘图形学图形◘图形特点◘图形与图像◘图像文件◘图形文件◘图形学主题◘图形学方向●课程内容方式15通过计算机图形学中的图形能够具体了解它所表示的物体，但它仍是一种抽象。它只能“逼真”地“模拟”这个物体，图形的“真实感”程度随着显示设备的性能和图形处理技术的不同而变化。尤其是对许多无法用颜色、纹理等显式（图形化）表示的非几何信息的处理是个难点。例如：杯子的图形显示

“形状相同+颜色相同+透明度相同”的两个杯子→两个相同的杯子？→杯子的材质？→玻璃杯？塑料杯？金属杯？陶瓷杯？图形学中的图形特点●图形图像学科●计算机图形学◘广义图形◘图形学图形◘图形特点◘图形与图像◘图像文件◘图形文件◘图形学主题◘图形学方向●课程内容方式16图形”和“图像”在计算机图形学中，图形和图像的主要区别在于：图形主要是用矢量表示的：对客观世界的建模结果。图像则是由点阵表示的：对象模型在设备的输出结果。它们存储时就形成两种文件：矢量文件和点阵文件。矢量文件是一种存储生成图形所需坐标、形状、颜色等几何和非几何数据的集合。这些数据反映图形的内在联系；点阵文件只是存储图的各个像素点的颜色值。它从外表上反映了图。扫描转换：点阵和矢量又可以相互转化，矢量文件经过扫描转换可在光栅显示器上产生点阵图像；图像通过识别和处理可转化为矢量表示的图形形式。图形和图像之间的界限有时是模糊不清的。例如：图形扫描仪和图像扫描仪实际上指的是同一种设备；图形文件格式和图像文件格式讨论的内容也无实质区别，而且可在同一环境中同时处理图形和图像；动画画面中究竟是图形还是图像是无关紧要的。●图形图像学科●计算机图形学◘广义图形◘图形学图形◘图形特点◘图形与图像◘图像文件◘图形文件◘图形学主题◘图形学方向●课程内容方式17点阵图形文件格式◆

点阵图形文件格式：PCX格式基于PC绘图程序TIFF(TaggedImageFileFormat)台式排版类应用以及其它应用之间进行数据交换GIF(GraphicsInterchangeFormat)用于在CompuServe网上进行图形在线传输的格式PNG(PortableNetworkGraphics)用于WWW网络上传输图像数据DIB(Device-IndependentBitmap)/BMP(Bitmap)Window系统下显示或者保存图像JPEG(JointPhotographicExpertsGroup)用于保存或者显示照片类图像AVI(AudioVideoInterleave)文件用于保存视频/音频序列的。●图形图像学科●计算机图形学◘广义图形◘图形学图形◘图形特点◘图形与图像◘图像文件◘图形文件◘图形学主题◘图形学方向●课程内容方式18矢量图形文件格式◆

矢量图形文件格式：DXF(DataexchangeFile)用于交换CAD绘图数据的文件、PostScriptEPS格式用于打印机输出及对象存储和交换的、HPGL格式用于控制笔式绘图仪以及激光打印机的、WMF格式用于在Window系统下保存和交换图像的、WPG格式用于保存WordPerfect软件中图像图形的、UnixPlot用于Unix图像绘制程序的通用格式，SVG(ScalableVectorGraphics)用于网络传输的可缩放矢量图形，等等。●图形图像学科●计算机图形学◘广义图形◘图形学图形◘图形特点◘图形与图像◘图像文件◘图形文件◘图形学主题◘图形学方向●课程内容方式19图形学的研究主题四个方面主要问题：图形输入：将图形输入到计算机中图形设备/图形操作/图形用户界面；图形表示：计算机内如何表示、存储和交换图形信息图形建模；图形处理：保证显示设备上有效地显示图形的预处理几何变换、观察变换、裁剪和消隐等处理；图形生成和输出：在显示设备上如何“逼真”地显示图形模型构造与生成，如扫描、填充、造型、光照等生成和效果处理。研究主题包括：造型技术（NURBS曲线曲面和实体造型技术）真实感图形显示计算机动画技术可视化技术人机交互与虚拟现实技术●图形图像学科●计算机图形学◘广义图形◘图形学图形◘图形特点◘图形与图像◘图像文件◘图形文件◘图形学主题◘图形学方向●课程内容方式20ACM计算机图形学含义Creation，storageandmanipulationofgeometricobjects(modeling)andtheirimages(rendering).Displayofthoseimagesonscreensandhardcopydevices。Usercontrolscontents,structureandappearanceofobjectsandimages。Syntheticgraphics:model→image,canbecombinedwith：video:pre-storedonCD-ROM,(video)diskorreal-timegenerated(e.g.,fromacamera,ordecompressedstream)。audio:pre-storedorsynthesized。Hapticinput/output(tactile,e.g.,forcefeedback)。Imageprocessing:intensitydata(pixels)-->filteredimages,features,ormodels。●图形图像学科●计算机图形学◘广义图形◘图形学图形◘图形特点◘图形与图像◘图像文件◘图形文件◘图形学主题◘图形学方向●课程内容方式21教学目的计算机图形学是计算机科学中最活跃的分支之一，计算机图形学及其应用在计算机技术的发展中有着十分重要的作用。计算机图形学及应用已经渗透到科研、工程、商业、艺术等社会生活和工业生产的几乎一切领域，并与这些领域自身发展相互推动和促进。国内外大学对此非常重视，纷纷为本科生和研究生开设“计算机图形学”课程，并将它放在十分重要的位置，作为计算机应用的主干课程。本课程5学分，上机实习50+学时。旨在使学生能理解计算机图形学基本概念、原理和方法，全面了解图形学及其应用内容，并掌握图形学的应用和开发。●图形图像学科●计算机图形学●课程内容方式◘教学目的◘学习方式◘教学要求◘课程内容◘课程考核◘参考资料22学习方式计算机图形学是一门有用的、有趣的课程，也是难教和难学的课程。“难”体现在两个方面：学科发展的动态性：整个学科发展日新月异，应用领域不断拓展。课程内容的选取难以把握和区分。知识交叉的繁杂性：图形学涉及的内容和应用很广，相关学科相互重叠和渗透，难以形成一个简单、独立和明确的知识体系。计算机图形学有其自身的规律性，掌握其规律并加强实践环节的训练对学习这门课有极大的帮助。计算机图形学的研究发展目标是“逼真”地模拟现实世界的物体，所以，其概念和处理方法具有相当好的一致性。例如“扫描线”这个概念在图元生成、消隐和真实感图形中具有同样的作用和方式，学习时只要注意“前后联想”，能达到“一通百通”的效果。●图形图像学科●计算机图形学●课程内容方式