计算机图形学概要

计算机图形学概要1第1页，共61页，2023年，2月20日，星期四教材和参考书教材

《计算机图形学导论》JamesD.Foley，董士海等译，机械工业出版社。主要参考书：孙家广，《计算机图形学》（第三版），清华大学出版社，1999。唐泽圣，《计算机图形学基础》清华大学出版社2001。Hill,F.S.“ComputerGraphicsUsingOpenGL”,PrenticeHall,2001.2第2页，共61页，2023年，2月20日，星期四教学要求理解交互式计算机图形学掌握2D图形学经典算法具备一定的图形应用系统开发能力

3第3页，共61页，2023年，2月20日，星期四第一章计算机图形学概述

1.1计算机图形学的应用1.2计算机图形学的基本概念1.3计算机图形学的发展历史1.4当前计算机图形学的研究热点4第4页，共61页，2023年，2月20日，星期四1.1计算机图形学应用1)GraphicalUserInterface(GUI)

W.I.M.P-Windows,icons,menu,pointersAppleiPhoneTM5第5页，共61页，2023年，2月20日，星期四

2）GIS地理信息系统

建立在地理图形之上的关于各种资源的综合信息管理系统数字地球，地形数据作为载体，全球信息化.军事，政府决策，旅游，资源调查。

1.1计算机图形学应用6第6页，共61页，2023年，2月20日，星期四3)建模（image,modelcreation）坐标系统数据生成几何-观察变换裁剪-消隐颜色纹理光照阴影绘制1.1计算机图形学应用7第7页，共61页，2023年，2月20日，星期四1.1计算机图形学应用8第8页，共61页，2023年，2月20日，星期四1.1计算机图形学应用FramefromanimationbyWilliamLatham,shownatSIGGRAPH1992.Lathamusesrulesthatgovernpatternsofnaturalformstocreatehisartwork.9第9页，共61页，2023年，2月20日，星期四CAD/CAM10第10页，共61页，2023年，2月20日，星期四4）科学计算可视化(ScientificVisualization)必要性：直接分析大量的测量数据或统计数据有困难目标：用图形表现抽象的数据应用领域：医学图象重建，遥感，流场、气象、核爆模拟，有限元分析……。1.1计算机图形学应用11第11页，共61页，2023年，2月20日，星期四1.1计算机图形学应用12第12页，共61页，2023年，2月20日，星期四医学可视化13第13页，共61页，2023年，2月20日，星期四科学可视化14第14页，共61页，2023年，2月20日，星期四5）多媒体系统在计算机控制下，对多种媒体信息进行生成、操作、表现、存储、通信、或集成的信息系统。计算机处理的常见媒体：文本、图形、图像、语音、音频、视频、动画特点：媒体多样性、操作交互性、系统集成性CAI，教学娱乐。1.1计算机图形学应用15第15页，共61页，2023年，2月20日，星期四6）数字娱乐电脑动画、电脑游戏实时性逼真性蕴含了先进的图形处理技术电影特技，电视广告，节目片头、FLASH

采用的动画工具：MAYA,3D-MAX,SOFTIMAGE…1.1计算机图形学应用16第16页，共61页，2023年，2月20日，星期四数字娱乐：电影17第17页，共61页，2023年，2月20日，星期四CG游戏与电影Pixar:Monster’sInc.Square:FinalFantasy18第18页，共61页，2023年，2月20日，星期四CG游戏19第19页，共61页，2023年，2月20日，星期四7）计算机艺术工具：Coreldraw,Photoshop等相片真实感模拟与自然媒体仿真技术分形艺术乐谱，舞谱1.1计算机图形学应用20第20页，共61页，2023年，2月20日，星期四8）VirtualReality是用计算机技术来生成一个逼真的三维视、听、触等感觉世界，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考察，如战斗机驾驶模拟系统等1.1计算机图形学应用MarsdatavisualizationElumens’VisionStation™21第21页，共61页，2023年，2月20日，星期四计算机图形学定义计算机图形学的研究内容1.2图形学基本概念22第22页，共61页，2023年，2月20日，星期四WhatisComputerGraphics?(1/2)Computergraphicsgenerallymeanscreation,storageandmanipulationofmodelsandimagesSuchmodelscomefromdiverseandexpandingsetoffieldsincludingphysical,mathematical,artistic,biological,andevenconceptual(abstract)structures计算机图形学(ComputerGraphics，简称CG)是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。随着以计算机为主要工具进行视觉设计和生产的一系列相关产业的形成,国际上习惯将利用计算机技术进行视觉设计和生产的领域通称为CG。23第23页，共61页，2023年，2月20日，星期四WilliamFettercoinedterm“computergraphics”in1960todescribenewdesignmethodshewaspursuingatBoeingCreatedaseriesofwidelyreproducedimagesonpenplotterexploringcockpitdesign,using3Dmodelofhumanbody.“Perhapsthebestwaytodefinecomputergraphicsistofindoutwhatitisnot.Itisnotamachine.Itisnotacomputer,noragroupofcomputerprograms.Itisnottheknow-howofagraphicdesigner,aprogrammer,awriter,amotionpicturespecialist,orareproductionspecialist.Computergraphicsisallthese–aconsciouslymanagedanddocumentedtechnologydirectedtowardcommunicatinginformationaccuratelyanddescriptively.”ComputerGraphics,byWilliamA.Fetter,1966WhatisComputerGraphics?(2/2)24第24页，共61页，2023年，2月20日，星期四图形的输入

如何开发利用图形输入设备及软件将图形输入到计算机中去，以便作各种处理。图形的处理包括对图形进行变换(几何变换，投影变换)和运算（集合运算）,着色，形变等……图形的输出

如何将图形格式转换、并在显示屏或打印机等输出设备上输出。计算机图形学的研究内容25第25页，共61页，2023年，2月20日，星期四图形与图像图像生成（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（计算几何）数字图像数据模型图像变换（图像处理）发展特点:交叉、界线模糊、相互渗透采样量化滤波增强26第26页，共61页，2023年，2月20日，星期四基于采样的图形（光栅，点阵)Imagesaremadeupofgridofdiscretepixels,for2D“pictureelements”MathematicalpixelgridLCDdisplayCRTbeamilluminationpatternNB:Can’tresolveadjacentpixelsonCRT1pixellightintensity27第27页，共61页，2023年，2月20日，星期四采样LetsdosomesamplingofCITbuildingAcolorvalueismeasuredateverygridpointandusedtocolorcorrespondinggridsquareNote:thispoorsamplingandimagereconstructionmethodcreatesblockyimage3Dscene0=white,5=gray,10=black28第28页，共61页，2023年，2月20日，星期四Onceimageisdefinedintermsofcolorsat(x,y)locationsongrid,canchangeimageeasilybyalteringlocationorcolorvaluesE.g.,ifwereverseourmappingaboveandmake10=whiteand0=black,theimagewouldlooklikethis:Pixelinformationfromoneimagecanbecopiedandpastedintoanother,replacingorcombiningwithpreviouslystoredpixelsWhat’stheAdvantage?29第29页，共61页，2023年，2月20日，星期四What’stheDisadvantage?WYSIAYG(WhatYouSeeIsAllYouGet):Noadditionalinformationnodepthinformationcan’texaminescenefromdifferentpointofviewatmostcanplaywiththeindividualpixelsorgroupsofpixelstochangecolors,enhancecontrast,findedges,etc.Butrecently,stronginterestinimage-basedrenderingtofake3Dscenesandarbitrarycamerapositions.Newimagesconstructedbyinterpolation,composition,warpingandotheroperations.PhotoTourism:Exploringphotocollectionsin3D(Siggraph2006)30第30页，共61页，2023年，2月20日，星期四Examplesof2DImage

Manipulation(1/3)Thenews:digitally“enhanced”imagesaremoreandmorecommon.Usuallyjustsharpening,colorbalancing,butsometimesmuchmore.To“Photoshopsomethingin”:Reuters’doctoredBeirutbombingphoto(belowright;noteclonedsmoke)else31第31页，共61页，2023年，2月20日，星期四Examplesof2DImage

Manipulation(2/3)Peoplecannowmutateintootherpeopleorobjectsthroughmorphing,andcancarryonconversationsindifferenttimesandplacesInteractiveDigitalPhotomontage,Siggraph2004

眼见为实？32第32页，共61页，2023年，2月20日，星期四Examplesof2DImage

Manipulation(3/3)InartworktheprocessesandtechniquesofphotographyandpaintingaremergingintheartofdigitalimagingMicheleTurre:theartist,herdaughter,andhermother,allat3yearsofage33第33页，共61页，2023年，2月20日，星期四基于几何的图形Geometry-basedgraphicsapplicationsstoremathematicaldescriptions,or“models,”ofgeometricelements(lines,polygons,polyhedrons…)andassociatedattributes(e.g.,color,materialproperties).Elementsareprimitivegeometricshapes,primitivesforshortImagescreatedaspixelarrays(viasamplingofgeometry)forviewing,butnotstoredaspartofmodel.ImagesofmanydifferentviewsaregeneratedfromsamemodelUserscannotusuallyworkdirectlywithindividualpixelsingeometry-basedprograms;asusermanipulatesgeometricelements,programresamplesandredisplayselementsIncreasinglyrenderingcombinesgeometricandsample-basedgraphics,bothasperformancehackandtoincreasequalityoffinalproduct34第34页，共61页，2023年，2月20日，星期四1.3发展历史历史追溯硬件发展图形显示器的发展图形输入设备的发展图形软件及软件标准的发展35第35页，共61页，2023年，2月20日，星期四历史追溯1950年，MIT，旋风一号（WhirlwindI计算机的图形显示器，类似于示波器的CRT来显示简单图形，可供照相制作硬拷贝。50年代末期，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定位识别目标。36第36页，共61页，2023年，2月20日，星期四历史追溯1963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。--确定了交互图形学作为一个学科分支。Sketchpadin1963.NoteuseofaCRTmonitor,lightpenandfunction-keypanel.37第37页，共61页，2023年，2月20日，星期四历史追溯60年代：MIT、BellLab、通用汽车公司、剑桥大学开展大规模的研究。70年代进入技术实用化但80年代初，图形学依然是较小的学科，原因是图形硬件设备十分昂贵，且基于图形的应用相对较少。38第38页，共61页，2023年，2月20日，星期四硬件发展图形显示器的发展

图形显示器是计算机图形学中关键的设备60年代中期：画线显示器（亦称矢量显示器）

需要刷新。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。39第39页，共61页，2023年，2月20日，星期四Vector显示器40第40页，共61页，2023年，2月20日，星期四硬件发展70年代初，刷新式光栅扫描显示器出现，大大地推动了交互式图形技术的发展。

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。41第41页，共61页，2023年，2月20日，星期四

图形显示设备的发展画线显示器（矢量显示器/随机扫描显示器）存储管式显示器刷新式光栅扫描显示器42第42页，共61页，2023年，2月20日，星期四VersusDatePriceCPUMemoryStorageMonitorDevicesGUI19842008$2500$22008MHz3.06GHz(Dual)128KBRAM2.0GBDDR2SDRAM400KBFloppy500GBHardDisk9”Black&White24”Color512x34268dpi1920x1200100dpiMouseKeyboardMouseKeyboardDesktopWIMPDesktopWIMP+24x.88x382.5x15625x1250000x2.6x13.2x1.5samesamesameOriginalMacintoshNewiMac24”43第43页，共61页，2023年，2月20日，星期四ArchitectureVectorvs.Raster44第44页，共61页，2023年，2月20日，星期四1950~60：计算机以批处理方式执行，主要的人机交互设备是控制开关、打孔机和读卡机1960~80：计算机以分时方式执行，人机交互主要是命令行界面：键盘1970~：图形用户界面：二维定位设备，如鼠标、光笔、图形输入板等第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据手套、数据衣），触摸屏、手势、表情、语音等第五阶段：用户的思维图形输入设备的发展据英国《每日邮报》9月2日报道,美国科学家日前发明了一种可以帮助盲人和视力低下的人“重见光明”的电子装置,它是让人通过舌头“看见”眼前的景象.

45第45页，共61页，2023年，2月20日，星期四图形输入设备的发展46第46页，共61页，2023年，2月20日，星期四GKS(GraphicsKernelSystem)(第一个官方标准，1977)PHIGS(Programmer’sHerarchicalInteractiveGraphicssystem)非官方图形软件，成为工业界事实上的标准OpenGL(SGI、Intel、IBM等)DirectX(Microsoft)Xlib(X-Window系统)Postscript（Adobe）设备无关

通用图形标准的发展47第47页，共61页，2023年，2月20日，星期四

1.4当前的研究动态造型技术规则形体：欧氏几何方法基于物理的造型基于特征的造型不规则形体：分形几何方法纹理映射48第48页，共61页，2023年，2月20日，星期四真实感图形绘制技术光照明模型绘制算法快速算法易于图像的绘制人机交互技术界面简单易用色彩搭配、比例尺寸符合人的审美规律；吸引用户交互操作。49第49页，共61页，2023年，2月20日，星期四国际会议动态第24届计算机图形国际会议(CGI2006)在浙江大学举行①结合图形硬件实现实时绘制；②基于数据采集进行真实感建模；③绘制与建模任务相结合;④随着数字多媒体、虚拟现实、系统仿真以及网络技术的发展和广泛应用，以电子游戏、教育娱乐、数字视听等软件及其相关硬件设备制作、销售及服务为代表的数字娱乐产业获得蓬勃发展。50第50页，共61页，2023年，2月20日，星期四CGI2006设立了22个Section研讨的内容包括：真实感绘制、计算几何、图形新技术、可视化、图像与视频、纹理合成、基于图像的建模、图形检索、虚拟现实、图形硬件等51第51页，共61页，2023年，2月20日，星期四CGI2006计算机图形绘制与动画日本东京大学的ＹｏｓｈｉｎｏｒｉＤｏｂａｓｈｉ教授介绍了水的实时绘制韩国Ｂｙｕｎｇ－ＳｅｏｋＲｏｈ博士报告了可控的烟雾动画澳门大学吴恩华教授则重点研讨了水的波光效果生成德国的ＯｌｉｖｅｒＤｅｕｓｓｅｎ教授则发表了采用ＷａｎｇＴｉｌｅ拼图方法生成大规模植物竞争生长场景的模拟方法52第52页，共61页，2023年，2月20日，星期四CGI2006计算机图形建模清华大学胡事民教授提出基于骨架变形的新方法浙江大学几何处理研究小组所提出的材质相关变形方法将目前国际上热门的微分域网格处理方法又往前推进了一步台湾的Ｂｉｎｇ－ＹｕＣｈｅｎ教授领导的研究团队则侧重于卡通动画中的变形迁移技术。53第53页，共61页，2023年，2月20日，星期四基于骨架的地图生成54第54页，共61页，2023年，2月20日，