(计算机图形学)1.CG概论

计算机图形学

第一讲概述InteCAD(AutoCAD),InteVue(3DView),InteDyna(ADAMS),InteCAM(MasterCAM)MWorksFlowComputerEMCS关于课程

宗旨：加强可操作性平时上机作业占50%最后的研究报告占50%作业分组，组长给成绩75－95，正态分布每次6个同学报告，从每组抽出一个中上成绩者，由该同学的汇报确定每组的权重分最后，组长将程序和研究报告一并提交1.1CG技术概述1.2CG发展历程1.3CG技术应用1.4CG技术发展趋势第一讲CG概论1.1CG概述

计算机中表示图形的方法点阵表示枚举出图形中所有的点(强调图形由点构成)简称为图像（数字图像）矢量表示由图形的形状参数(方程或分析表达式的系数，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：图形主要分为两类：基于线条信息表示明暗图(Shading)什么是计算机图形学定义：计算机图形学是研究将数据转为图形，并在专用设备上显示的原理、方法和技术的一门学科。计算机图形学是计算机科学中，最为活跃、得到广泛应用的分支之一。计算机图形学的研究内容如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法，构成了计算机图形学的主要研究内容。图形硬件（硬件加速、GPU）、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。CG:

研究物体几何对象的计算机图形信息的表达、输入、存储、显示、输出、检索及运算等。以显示效果为目标，侧重研究共性的交互及显示技术。如：科学数据可视化，物体（或场景）的渲染显示效果。主要研究内容：1）图形的输入方法2）内部表达及数据结构3）产生图形的算法4）图形的变换及运算5）图形描述语言6）图形软件的标准化计算机图形学概念与相关学科的关系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（计算几何）图像变换（图像处理）特点:交叉、界线模糊、相互渗透1.2、CG发展历程40年代计算机问世，直至50年代中期尚不普遍，主要用于计算；50年，麻省理工图形显示器旋风I号（WhirlwindI）诞生58年美国Calcomp公司滚筒绘图仪50年代CG萌芽诞生，显示器、绘图仪出现（被动式图形学）CG发展历程63年，麻省理工IvanSutherland发明光笔，在显示器上实现选择、定位等交互功能，对交互图形技术的发展奠定了基础60年代图形学迅速发展，填充、裁剪、消隐等算法诞生，进入了第一个兴盛的时期，出现实用的二维CAD图形系统64年MITCoons提出超限插值思想构造Coons曲面

60年代早期，法国雷诺汽车工程师Bézier发展Bézier曲线、曲面，并开发了汽车外形设计UNISURF系统60年代CG光栅图形学快速发展，CAD系统出现，曲面造型出现CG发展历程70年代图形学重要发展时期，真实感显示、实体造型产生，图形标准出现70年Bouknight提出了第一个光反射模型71年Gourand提出“漫反射模型＋插值”的明暗处理思想75年Phong提出了著名的简单光照模型-Phong模型73年开始，英国剑桥大学CAD小组的Build系统、美国罗彻斯特大学的PADL-1系统等实体造型系统74年美国国家标准化局（ANSI）提出制定有关标准，77年制定核心图形系统（CGS）。德国85年提出图形核心系统（GKS)，ISO91年发布图形设备接口（CGI)，此外还有IGES、STEP等标准。这些标准为计算机图形学的推广应用起到了重要作用。80年Whitted提出了一个光透视模型-Whitted模型，并第一次给出光线跟踪算法的范例84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从80年代中期以来，超大规模集成电路的发展，为图形学的飞速发展奠定了物质基础。光线跟踪算法和辐射度算法的提出，标志着真实感图形的显示算法已逐渐成熟80年代CG走向成熟CG发展历程CG发展历程90年代至今，CG获得广泛应用90年代，随着计算机的运算能力的提高，PC机普及，windows技术、VR技术、OpenGL及DirectX图形标准技术、WEB应用技术、多媒体技术等迅速发展，图形处理速度加快，使得图形学的各个研究方向得到充分发展，图形学已广泛应用于：动画及游戏、影视娱乐等教育及训练科学计算可视化

CAD/CAMAssociationforComputingMachinery图形学会议ACMSIGGRAPH会议是计算机图形学最权威的国际会议，每年在美国召开，参加会议的人在50,000人左右。世界上没有第二个领域每年召开如此规模巨大的专业会议，SIGGRAPH会议很大程度上促进了图形学的发展。

1.3

CG技术应用图形用户界面CAD/CAM/CAE科学数据可视化地理信息系统GIS虚拟现实VR计算机动画及游戏计算机艺术1.3

CG技术应用图形用户界面介于人与计算机之间，人与机器的通信。人机界面（HCI）：软件＋硬件发展：由指示灯和机械开关组成的操纵界面→由终端和键盘组成的字符界面（80年代）→由多种输入设备和光栅图形显示设备构成的图形用户界面（GUI）（90年代）。PC、工作站，WIMP(W-windows、I-icons、M-menu、P-pointingdevices)界面，所见即所得→VR技术CAD应用-CAD是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域飞机、汽车、船舶的外形的设计发电厂、化工厂等的布局土木工程、建筑物的设计电子线路、电子器件的设计设计结果直接送至后续工艺进行加工处理，如波音777飞机的设计和加工过程CAD应用——2D/3DCAM应用前后处理CAE应用——结构分析建模与曲线后处理CAE应用——动力学分析科学数据可视化科学计算可视化(ScientificVisualization)海量的数据使得人们对数据的分析和处理变得越来越难，用图形来表示数据的迫切性与日俱增1986年，美国科学基金会（NSF）专门召开了一次研讨会，会上提出了“科学计算可视化（VisualizationinScientificComputing）”科学计算可视化广泛应用于医学、流体力学、有限元分析、气象分析当中科学数据可视化地理信息系统（GIS）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。Google地球，百度地图等军事，政府决策，旅游，资源调查。

VirtualReality（虚拟现实、灵境）VirtualReality或称虚拟环境（VirtualEnvironment)是用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界，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。输入输出设备虚拟现实技术虚拟现实技术的应用前景十分广阔。它始于军事和航空航天领域的需求，但近年来，虚拟现实技术的应用已在工业设计、建筑规划、教育培训、文化娱乐等方面得到广泛应用。在军事领域，虚拟现实技术用于战场环境，作战指挥模拟，飞机、舰船驾驶训练等。在城市建设规划中，虚拟现实系统正发挥着巨大作用。例如，许多城市都有自己的近期、中期和远景规划，规划中需要考虑各个建筑同周围环境是否和谐。虚拟现实技术还可用于保护文物、重现古建筑，把珍贵的文物用虚拟现实技术展现出来供人参观，有利于保护真实的古文物。在产品开发上，虚拟现实可缩短开发周期，减少费用。如克莱斯勒公司1998年初利用虚拟现实技术设计两种新型车，减少新车试生产环节，大大缩短产品研发周期。虚拟现实技术还可用教育培训、娱乐及艺术等领域。计算机动画及游戏计算机动画近十多年来取得了很大的发展，已渗透到人们生活的各个角落商业广告、影视特技/片头、动画片教育、军事、飞行模拟等分类二维动画 图象变形形状混合三维动画关键帧动画变形物体的动画过程动画关节动画与人体动画计算机艺术用计算机软件从事艺术创作二维平面的画笔程序（如CorelDraw，Photoshop，PaintShop）图表绘制软件（如Visio）三维建模和渲染软件包（如3DMAX，Maya）、以及一些专门生成动画的软件（如Alias，Softimage）计算机艺术优点：提供多种风格的画笔画刷提供多种多样的纹理贴图，甚至能对图象进行雾化，变形等操作可以任意修改，取消败笔不足：无法达到传统绘画中风格化的艺术效果很难得到有素描效果、油画效果的艺术品计算机艺术非真实感绘制（NPR，Non-PhotorealisticRendering）用于模拟艺术效果，研究方法有别于真实感图形学钢笔素描的生成钢笔素描产生于中世纪，从19世纪开始成为一门艺术20世纪90年代开始研究用计算机模拟中国国画与书法的生成CAD中心CAX产品CADCAMCAPPPDM/PLMMWorksInteDyna…InteSolidInteCADCAD中心研究开发的典型软件产品InteCAPPInteCAPPInteCAMInteVSSIntePDMIntePDMInteDynaInteDyna设计变量目标变量数据类型约束输入变量输出变量MWorks多学科协同优化1.4CG技术发展趋势图形渲染是整个图形学发展的核心。在计算机辅助设计，影视动漫以及各类可视化应用中都对图形渲染结果的高真实感提出了很高的要求。高清分辨率（1920x1080）。进一步要能达到数字电影所能播放的4K分辨率(4096x2060)的图形图像；色彩。动态范围也希望从原来每个通道的8Bit提高到10bit及以上。提供高分辨率高动态的渲染效果，必须消耗非常可观的计算能力。一帧精美的高清分辨率图像，单机渲染往往需要耗费数小时至数十小时。为此，传统方法主要采用分布式系统，将渲染任务分配到集群渲染节点中。即使这样，也需要使用上千台计算机，耗费数月时间才能完成一部标准90分钟长度的影片渲染。1）实时计算机图形学——与图形硬件的发展紧密结合，突破实时高真实感、高分辨率渲染的技术难点与图形硬件的发展紧密结合，突破实时高真实感、高分辨率渲染基于GPU（GraphicProcessingUnit）的图形硬件技术得以发展迅速，已经能在一个GPU芯片上采用64nm工艺集成上千个采用SIMD（单指令多数据流）架构的通用计算核心。而2009年底，主流图形硬件商nVidia和AMD以及Intel还会推出基于MIMD（多指令多数据流）计算核心的GPU芯片用于图形加速绘制，以支持DirectX11以及OpenGL3.0图形标准。最新的图形学研究，采用GPU技术可以充分利用计算指令和数据的并行性，已可在单个工作站上实现百倍于基于CPU方法的渲染速度。然而已知的实现方法，其实现效果还较为初步，无法实现复杂的视觉特效，离实时的高真实感渲染还有很大差距。其主要原因是：①缺乏良好的数据组织方法，基于GPU方法由于硬件的架构原因，数据组织无法如同CPU方法一样的组织，因此对复杂的数据结构仍无法得到很好地支持。②缺乏标准高效的GPU高层编程语言、编译器以及相应调试工具。③无法完整地实现适于电影渲染制作的RenderMan标准。如何充分利用GPU的计算特性，结合分布式的集群技术，解决以上这些难题，从而来构造低功耗的渲染服务是图形学的未来发展趋势之一。2）研究和谐自然的三维模型建模方法三维模型建模方法是计算机图形学的重要基础，是生成精美的三维场景和逼真动态效果的前提。然而，传统的三维模型方法，由于其主要思想方法来源于CAD中基于参数式调整的形状构造方法，建模效率低而学习门槛高，不易于普及和让非专业用户使用。而随着计算机图形技术的普及和发展，各类用户都提出了高效的三维建模需求，因此研究和谐自然的三维建模方法是目前发展的一个重要趋势。采用合适的交互手段，来进行三维模型的快速构造，特别是应用于概念设计和建筑设计领域目前已引起了国际同行的广泛关注。由于笔式或草图交互方式，非常符合人类原有日常生活中的思考习惯，是目前研究的重点问题。其难点是根据具体的应用领域，与视觉方法相融合，如何设计合理的交互语汇以及对应的过程式“识别-构造”方法。3）利用日益增长的计算性能，实现具有高度物理真实的动态仿真高度物理真实感的动态模拟，包括对各种形变、水、气、云、烟雾、燃烧、爆炸、撕裂、老化等物理现象的真实模拟，是计算机图形学一直试图达到的目标。这一技术是各类动态仿真应用的核心技术，可以极大地提高虚拟现实系统的沉浸感。然而高度物理真实性模拟，主要受限于目前计算机的处理能力和存储容量限制，不能处理很高精度的模拟，也无法做到很高的响应速度。所幸的是，GPU技术带来了革新这一技术的可能。充分利用GPU硬件内部的并行性，研究者开始普遍关注基于GPU的各类数学物理方程求解极其相关的有限元加速计算方法。4）研究多种高精度数据获取与处理技术，增强图形技术的表现力达到现实中真实感的画面与逼真动态效果，一种有效的解决途径是采用各种高精度手段获取所需的几何、纹理以及动态信息。为此，研究者正在考虑对各个尺度上的信息进行获取。小到物体表面的微结构、纹理属性和反射属性通过研制特殊装置予以捕获与处理，或采用一