计算机图形学基础

计算机图形学基础2024/10/211绪论提出问题什么是计算机图形学？计算机图形学研究的对象是什么？计算机图形处理系统的构造？2024/10/2121.1计算机图形学及其相关概念计算机图形学（ComputerGraphics）计算机图形学是研究怎样利用计算机来显示、生成和处理图形的原理、方法和技术的一门学科。IEEE定义：Computergraphicsistheartorscienceofproducinggraphicalimageswiththeaidofcomputer.2024/10/213计算机图形学的研究对象——图形通常意义下的图形： 能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象都称为图形。2024/10/214图形的要素几何要素:刻画形状的点、线、面、体等几何要素非几何要素：反映物体表面属性或材质的明暗、灰度、色彩等。计算机图形学中所研究的图形 从客观世界物体中抽象出来的带有颜色及形状信息的图形。2024/10/215图形的表示点阵法是用具有颜色信息的点阵来表示图形的一种方法，它强调图形由哪些点组成，并具有什么灰度或色彩。参数法是以计算机中所记录图形的形状参数与属性参数来表示图形的一种方法。通常把参数法描述的图形叫做图形（Graphics）

把点阵法描述的图形叫做图象（Image）2024/10/216与计算机图形学相关的学科

数字图象处理 利用计算机对图形和图像进行分析处理，继而再现图像。图形（图像）信息输入计算机中，按照不同的应用要求，计算机对图像进行各种各样的分析和处理。

图像的存储、压缩、增强（突出某些特征）、复原（使模糊图像清晰）、分割、重建、编码、传输等等，最后把经过加工处理后的结果重新输出。

2024/10/217模式识别（PatternRecognition）

图像的模式识别所研究的问题与计算机图形学所研究的问题是互逆的。模式识别是由图像来获得对图像本身的描述。它是以图像为依据，将图像变换成数据、符号或者是抽象的图。例如，自动分检信封上的邮件编码、文本自动阅读装置、还有地图符号的识别，都是先由扫描得到图像，然后经识别还原为图形或字符。2024/10/218计算几何（ComputationalGeometry）

着重讨论几何形体在计算机内的表示、分析和综合，研究怎样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。它的研究内容包括曲线曲面的表示、生成、拼接和造型、三维立体造型、离散数据插值等等。2024/10/219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）发展特点:交叉、界线模糊、相互渗透2024/10/2110彼此的内在联系（狭义）图形学研究如何将数据和几何模型变为图形；图像处理重点在于图像的压缩存储以及去除噪音问题；模式识别讨论如何从图像中提取数据和模型；计算几何则是上述学科的研究基石。——基础2024/10/2111计算机图形学的研究内容1、二维图形元素的生成算法

点、直线、圆、弧、规则曲线、自由曲线、文本等图元的生成。

2、二维图形的基本操作和图形处理算法

对图形的平移、缩放、旋转、镜像、错切等操作，此外还包括二维图形的裁剪、多边形填充以及二维图形的布尔运算（并、交、差）等。2024/10/21123、二维图形的输入输出

用图形输入设备实现人机交互及用户接口技术。

4、三维几何造型技术

包括基本体素的建立与生成，规则曲面与自由曲面的构造，以及三维形体之间的布尔运算等。

5、真实感图形的生成算法

三维图形的消隐算法、光照模型的建立，阴影及彩色浓淡图的生成算法。

6、科学计算可视化技术

这是20世纪90年代计算机图形学领域的前沿课题。研究的是，将科学计算中大量难以理解的数据通过计算机图形显示出来，从而加深人们对科学过程的理解。例如，有限元分析的结果，应力场、磁场的分布，各种复杂的运动学和动力学问题的图形仿真等。2024/10/2113酝酿期（50年代）1950年，美国MIT的旋风1号(WhirlwindI)计算机配备了阴极射线管(CRT)来显示一些简单的图形1.2计算机图形学的发展1.2.1计算机图形学的确立2024/10/2114萌芽期（60年代）1962年，美国MIT林肯实验室的Ivan.E.Sutherland发表了一篇题为"Sketchpad：一个人－机通信的图形系统"的博士论文，其中首次使用了“ComputerGraphics”2024/10/2115

发展期（70年代）普及期（80年代）出现了带有光栅图形显示器的个人计算机和工作站提高增强期（90年代）总体特征：技术发展、需求驱动2024/10/21161958年，滚筒式绘图机诞生1962年，Sutherland发表重要博士论文1964年，Coons提出曲面拟合理论70年代，光栅式图形显示器问世1977年，提出第一个图形标准GKS80年代，图形工作站，PC，Macintosh90年代，互联网迅速发展，图形在非工业应用超过在工业方面的应用图形学发展史上的几件大事2024/10/21171.2.2硬件发展图形输入设备的发展第一阶段：控制开关、穿孔纸等第二阶段：键盘第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏等等，语音第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据手套、数据衣），用户的手势、表情等第五阶段：用户的思维图形显示器的发展（见下页）

2024/10/2118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），60年代中期存储管式显示器，60年代后期刷新式光栅扫描显示器，70年代初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需要刷新，设备昂贵，限制普及。不需刷新，价格较低，不能动态修改图形功，不适合交互式目前正向着小型化、低电压、数字化方向发展2024/10/2119图形硬拷贝设备打印机绘图仪图形输入设备二维图形输入设备三维图形输入设备：空间球、数据手套2024/10/21201.2.3图形软件的发展及软件标准的形成图形软件的发展开放式、高效率、标准化、集成化、智能化、学科交叉

图形软件标准与设备无关、与应用无关、具有较高性能2024/10/2121近二十年中，国际标准化组织ISO已经批准和正在讨论的与计算机图形有关的标准有： GKS、GKS-3D、PHIGS、CGM、 CGI、IGES、STEP事实标准 如SGI的OpenGL，微软的DirectX，Adobe的Postscript等2024/10/21221964年

S.Coons提出Coons曲面，用小块曲面片组合自由曲面；

1966年P.Bezier提出Bezier曲线和曲面，奠定了计算机辅助几何设计的基础；

1975年Versprille提出有理B样条的理论，进而发展到NURBS；

图形软件发展及软件标准形成2024/10/2123图形软件发展及软件标准形成三种类型的计算机图形软件系统：

(1)用某种语言写成的子程序包

如:GKS(GraphicsKernelSystem)PHIGS(Programmer’sHierarchicalInteractiveGraphicssystem)GL 便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低(2）扩充计算机语言，使其具有图形生成和处理的功能

如：TurboPascal、TurboC、AutoLisp等。简练、紧凑、执行速度快，但不可移植（3）专用图形系统：效率高，但系统开发量大，可移植性差。

2024/10/2124图形软件标准计算机图形核心系统ISO的第一个图形软件标准GKS(GraphicsKernelSystem)(第一个官方标准，1977)程序员层次交互式图形系统（PHIGSProgrammer’sHierarchicalInteractiveGraphicsSystem）计算机图元文件（CGMComputerGraphicsMetafile）计算机图形接口（CGIComputerGraphicsInterface),ISO）基本图形转换标准（IGES,InitialGraphicsExchangeSpecification,美国国家标准局）开放式、高效率的发展趋势2024/10/2125常用图形软件标准一些非官方图形软件，广泛应用于工业界，成为事实上的标准DirectX(MS)Xlib(X-Window系统)OpenGL(SGI)Adobe公司Postscript典型：开放图形库（OpenGL）一个开放的三维图形软件包，独立于操作系统，业界中的事实标准。（Stanford大学）支持平台：VisualC++、GLUT（

=OpenGLUtilityToolkit）等；主要功能：图形建模图形变换光照、材质、纹理、像素操作融合、反走样、雾化2024/10/2126专业协会ACMSIGGRAPH-AssociationforComputingMachinerySpecialInterestGroupinGraphicsIEEE-TheInstituteofElectricalandElectronicsEngineers,TechnicalCommitteeonComputerGraphics2024/10/2127图形标准STANDARDORGANIZATIONANSI=AmericanNationalStandardInstitute(private,nongovernment)ISO=InternationalStandardsOrganization(voluntary,nontreaty)ANSIisamemberofISO2024/10/21281.3计算机图形学的应用一、计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）

2024/10/2129汽车曲面设计2024/10/2130奥迪效果图和线框图

CAD/CAM2024/10/2131

CAD/CAM2024/10/2132boeing777

CAD/CAM2024/10/2133

CAD/CAM2024/10/2134用AutoCAD软件制作

三维实体模型(学生作品)2024/10/2135用AutoCAD软件制作

三维模型2024/10/2136用3DMAX与Photoshop制作

室内装潢设计效果图2024/10/2137二、科学计算可视化

研究如何将来自科学、工程、医学等领域的抽象数据用图形表示的学科称为科学计算可视化。

用图形来表示大量数据计算的结果或中间过程。例如：

·科技工作者需要认真分析大量的计算结果以确定一个系统的描述；

·商业主管需要分析大量的统计数据以做出对未来商业行为的决策；

·医生需要面对大量的CT数据以确定病人体内是否发生病变及何处发生病变；

·气象人员需要处理气象卫星传回的大批数据以绘出未来一段时间内的天气变化趋势图。2024/10/2138

三、地理信息系统与制图

地理信息系统是建立在地理图形之上的关于人口分布、矿藏分布、森林覆盖、土地利用、旅游资源、海洋地理、地形地貌、山川河流分布、区域规划、城市交通、管线管网等综合信息管理系统。

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四、事务管理和办公自动化

无论是企业还是事业行政管理中，都存在着大量的图表，如作业进程表、生产产量表、库存表、销售统计图、生产计划表，以及统计分析方面的各种图表。这些图表都可以用计算机图形技术产生的直方图、饼图和折线图来表示。在办公自动化方面，各国都非常重视。办公自动化系统可以从联网的数据库中，取出所需要的数据，用清晰明了的图表在屏幕上显示或在打印机、绘图仪上输出。2024/10/2140五、虚拟现实系统

虚拟现实又称为虚拟环境，是指由计算机实时生成一个虚拟的三维空间。这个空间可以是小到分子、原子的微观世界，或是大到天体的宏观世界，也可以是类似于真实社会的生活空间。用户可以在这个三维空间中“自由”地走动，随意地观察，并可以通过一些特殊的设备与所处的虚拟景物进行交互操作。 交互是多通道的、自然的，用来传递的信息可以是某个操作、一个手势、一个眼神，也可以是一个表情等。在此环境中，用户看到的是由计算机生成的逼真图像，听到的是虚拟环境中的声音，身体可以感受到虚拟环境所反馈的作用力，由此产生身临其境的感觉。2024/10/2141虚拟现实（VirtualReality）

或虚拟环境（VirtualEnvironment)2024/10/2142在线虚拟现实：虚拟现实建模语言VRML虚拟现实（VirtualReality）2024/10/21432024/10/2144

六、过程控制和指挥系统

将各种实时过程的重要参数，如火箭的运行状态，炼油厂、发电厂和电力系统送来的压力、温度、电压、电流等数据传送到计算机，用图形方式进行显示，管理人员对图形进行监控，并对异常情况作出调整。此外，现在大量的指挥系统，军用指挥、铁路调度、机场指挥等系统，也用图形进行监视与控制。2024/10/2145七、计算机动画

为了产生连续的动画，每秒至少需要24帧画面。因而，一部两小时的动画片就需要十几万张画面，如果用传统的方式手工绘制，工作量是巨大的。 60年代制作动画片《大闹天宫》时，就花了几十位动画工作者近两年的时间。 计算机图形技术来制作，一方面可以利用造型工具创作出形象逼真的演员、场景，另一方面可以在关键画面之间利用图形变换技术自动插入中间画面。八、计算机辅助教学2024/10/2146分形几何中的自相似图形(b)分形树(a)Koch曲线生成雪花(c)三分康托集2024/10/2147计算机艺术Coreldraw,Photoshop,金山画王笔,相片真实感模拟与自然媒体仿真技术分形艺术2024/10/2148OliverDeussen绘制的素描树(Siggraph’2000)计算机艺术2024/10/2149由清华大学自然景物平台生成的野外场景计算机仿真2024/10/2150图案设计2024/10/2151建筑模拟2024/10/2152建筑模拟2024/10/2153列车驾驶模拟2024/10/2154列车驾驶模拟2024/10/2155运动中的汽车变换成奔跑中的老虎2024/10/21561.4