计算机图形学第1章课件

计算机算机图形学基形学基础计算机学院.2024/7/32024/7/31 1计算机图形学基础计算机学院.2023/8/121教学要求了解了解图图形系形系统统的框架及其涉及的的框架及其涉及的软软件、硬件技件、硬件技术术；了解了解图图形学的基本形学的基本问题问题，掌握，掌握图图形学的基本概念、形学的基本概念、方法与算法；方法与算法；对对与与图图形相关的形相关的应应用及当前的研究用及当前的研究热热点有一个初步点有一个初步认识认识；具有一定具有一定实实践体会和相关的践体会和相关的编编程能力程能力(OpenGL).(OpenGL).2024/7/32024/7/32 2教学要求了解图形系统的框架及其涉及的软件、硬件技术；.20课程内容（共51学时）第第1 1章章 绪论绪论（3 3学学时时）第第2 2章章 计计算机算机图图形系形系统统与与图图形硬件形硬件（3 3学学时时）第第3 3章章 用用户户接口与交互式技接口与交互式技术术（3 3学学时时）第第4 4章章 图图形的表示与数据形的表示与数据结结构构 （1 12 2学学时时）第第5 5章章 基本基本图图形生成算法形生成算法*（1 15 5学学时时）第第6 6章章 二二维图维图形形变换变换及二及二维观维观察察*（1 12 2学学时时）第第7 7章章 三三维图维图形形变换变换及三及三维观维观察察 （2 2学学时时）第第8 8章章 曲曲线线和曲面和曲面 （2 2学学时时）第第9 9、1010章章 消消隐隐及真及真实实感感图图形形显显示示 （2 2学学时时）OpenGLOpenGL图图形形形形编编程程程程 （3 3学学时时）.2024/7/32024/7/33 3课程内容（共51学时）第1章 绪论（3学时）.20主要参考书目：孙家广，计算机图形学（第三版），清华大学出版社，孙家广，计算机图形学（第三版），清华大学出版社，19991999。王汝传，计算机图形学，人民邮电出版社，王汝传，计算机图形学，人民邮电出版社，20022002。容观澳，计算机图像处理，清华大学出版社，容观澳，计算机图像处理，清华大学出版社，20002000。Donald Hearn,M.Pauline BakerDonald Hearn,M.Pauline Baker著著,蔡士杰等译，计算机图形学（第蔡士杰等译，计算机图形学（第三版），电子工业出版社，三版），电子工业出版社，20052005。Dave ShreinerDave Shreiner等著，邓郑祥译，等著，邓郑祥译，OpenGLOpenGL编程指南（第四版），人民邮编程指南（第四版），人民邮电出版社，电出版社，20052005。陆枫、何云峰，计算机图形学基础（第二版），陆枫、何云峰，计算机图形学基础（第二版），2002008.108.10教材：教材：.2024/7/32024/7/34 4主要参考书目：孙家广，计算机图形学（第三版），清华大学出版社第第1章章 概论概论提出问题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？计算机图形学的应用.2024/7/32024/7/35 5第1章 概论提出问题什么是计算机图形学？.2023/8/121.1 计算机图形学及其相关概念计算机图形学及其相关概念计算机图形学的研究对象计算机图形学的研究对象图形图形通通常常意意义义下下的的图图形形：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。如：(1)自然景物 (2)照片和图片 (3)工程图、设计图和方框图 (4)人工美术绘画、雕塑品 (5)用数学方法描述的图形（包括几何图形、代数方程、分析表达式或列表所确定的图形）.2024/7/32024/7/36 61.1 计算机图形学及其相关概念计算机图形学的研究对象计算机图形学的研究对象计算机图形学的研究对象图形图形计算机图形学中的图形概念计算机图形学中的图形概念:是指由点、线、面、体等几何要素和明暗、灰度（亮度）、色彩等非几何要素构成的，从现实世界中抽象出来的带有灰度、色彩及形状的图或形。.2024/7/32024/7/37 7计算机图形学的研究对象图形.2023/8/127两类图形要素：两类图形要素：两类图形要素：两类图形要素：1.1.几何要素：点，线，面，体等；几何要素：点，线，面，体等；2.2.非几何要素：明暗，灰度，色彩等非几何要素：明暗，灰度，色彩等计算机图形学中所研究的图形：计算机图形学中所研究的图形：计算机图形学中所研究的图形：计算机图形学中所研究的图形：从从客客观观世世界界物物体体中中抽抽象象出出来来的的带带有有颜颜色色及及形形状状信信息的图和形。息的图和形。.2024/7/32024/7/38 8两类图形要素：.2023/8/128图形的两种表示方法：图形的两种表示方法：图形的两种表示方法：图形的两种表示方法：点点点点阵阵阵阵法法法法是是用用具具有有颜颜色色信信息息的的点点阵阵来来表表示示图图形形的的一一种种方方法法，它它强强调调图图形形由由哪哪些些点点组组成成，并并具具有有什什么么灰灰度度或或色彩。色彩。参参参参数数数数法法法法是是以以计计算算机机中中所所记记录录图图形形的的形形状状参参数数与与属属性性参参数来表示图形的一种方法。数来表示图形的一种方法。通常把参数法描述的图形叫做通常把参数法描述的图形叫做图形（图形（图形（图形（GraphicsGraphics）把点阵法描述的图形叫做把点阵法描述的图形叫做图象（图象（图象（图象（ImageImage）.2024/7/32024/7/39 9图形的两种表示方法：.2023/8/1291.1计算机图形学的研究内容计算机图形学的研究内容计算机图形学计算机图形学计算机图形学计算机图形学（Computer GraphicsComputer Graphics）计算机图形学计算机图形学计算机图形学计算机图形学是研究怎样利用计算机来显示、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。生成和处理图形的原理、方法和技术的一门学科。IEEEIEEE定义：定义：Computer graphicsComputer graphics is the art or is the art or science of producing graphical images with the aid science of producing graphical images with the aid of computerof computer.2024/7/32024/7/310101.1计算机图形学的研究内容计算机图形学（Computer 计算机图形学(computer graphics,CG)用计算机生成景物的数字模型，并将它显示在计算机屏幕上，或者绘制在纸张或胶片上。它是研究如何在计算机环境下生成、处理和显示图形的一门学科。计算机图形学的主要研究对象计算机图形学的主要研究对象 景物的几何建模方法(modeling)、对模型的处理方法、几何模型的绘制技术(rendering)、图形输入和控制的人机交互界面(user interface)。.2024/7/32024/7/31111计算机图形学(computer graphics,CG)用计与计算机图形学相关的学科与计算机图形学相关的学科特征数据、结构数据计算机图计算机图形学形学计算机计算机视觉视觉图象信号数字图象处理数字图象处理试图从非图象形式的数据描述来生成（逼真的）图象旨在对图象进行各种加工以改善图象的视觉效果研究用计算机来模拟生物外显或宏观视觉功能的科学和技术.2024/7/32024/7/31212与计算机图形学相关的学科特征数据、结构数据计算机图形学计算机酝酿期（酝酿期（50年代）年代）1946年，第一台电子计算机的问世推动了许多学科的发展和新学科的建立，其中就包括现代图形学技术。1.2 计算机图形学的发展计算机图形学的发展1.2.1计算机图形学的确立计算机图形学的确立.2024/7/32024/7/31313酝酿期（50年代）1.2 计算机图形学的发展1.2.1计算19501950年年，美美国国MITMIT用用于于空空中中防防御御系系统统研研究究的的旋旋风风1 1号号(Whirlwind Whirlwind I)I)计计算算机机配配备备了了阴阴极极射射线线管管(CRT)CRT)来来显显示示一一些些简简单单的的图图形形，它它标标志志着着交交互互式式图图形形技技术术的的诞诞生。生。.2024/7/32024/7/314141950年，美国MIT用于空中防御系统研究的旋风1号(Whi萌芽期（萌芽期（萌芽期（萌芽期（6060年代）年代）年代）年代）19621962年年，美美国国MITMIT林林肯肯实实验验室室的的Ivan.E.SutherlandIvan.E.Sutherland发发表表了了一一篇篇题题为为 SketchpadSketchpad：第第一一个个人人-机机通通信信的的图图形形系系统统 的的 博博 士士 论论 文文，其其 中中 首首 次次 使使 用用 了了“Computer Computer GraphicsGraphics”术语。术语。他他提提出出的的计计计计算算算算机机机机图图图图形形形形学学学学、交交互互技技术术、分分层层存存储储符符号号的的数数据据结结构构等等新新思思想想已已被被公公认认为为对对交交互互图图形形生生成成技技术术的的发发展展奠奠定定了了基基础础。这这些些基基本本理理论论和和技技术术至至今今仍仍是是现现代代图形技术的基础。图形技术的基础。.2024/7/32024/7/31515萌芽期（60年代）.2023/8/1215发展期（发展期（发展期（发展期（7070年代）年代）年代）年代）：ICIC技技术术、计计算算机机硬硬件件性性价价比比提提高高、廉廉价价图图形形IOIO设设备备及及大大容容量量磁磁盘盘等等出出现现;CADCAM;CADCAM;实实用用化化;Lockheed,.Lockheed,.计算机图形处理技术进入实用化阶段；计算机图形处理技术进入实用化阶段；区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念及算法；区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念及算法；真实感图形学和实体造型技术；真实感图形学和实体造型技术；.2024/7/32024/7/31616发展期（70年代）：.2023/8/1216普及期（普及期（普及期（普及期（8080年代）年代）年代）年代）：光光栅栅图图形形CRT,CRT,PC,PC,WS;WS;大大量量基基于于图图像像形形的的应应用用软软件件出现出现出现了带光栅图形显示器的个人计算机和工作站。出现了带光栅图形显示器的个人计算机和工作站。光光线线跟跟踪踪算算法法和和辐辐射射度度算算法法的的提提出出，标标志志着着计计算算机真实感图形学的算法已经日渐成熟。机真实感图形学的算法已经日渐成熟。提高增强期（提高增强期（提高增强期（提高增强期（9090年代）年代）年代）年代）：性能价格比的极大提高；标准化，集成化，智能化性能价格比的极大提高；标准化，集成化，智能化总体特征：总体特征：总体特征：总体特征：技术发展、需求驱动技术发展、需求驱动技术发展、需求驱动技术发展、需求驱动.2024/7/32024/7/31717普及期（80年代）：.2023/8/12171.2.2 硬设备的发展硬设备的发展图形显示设备图形显示设备图形显示设备图形显示设备6060年代中期：随机扫描的显示器年代中期：随机扫描的显示器(闪烁，需刷新闪烁，需刷新)6060年代后期：存储管式显示器年代后期：存储管式显示器（不能动态显示，不能局部删除）（不能动态显示，不能局部删除）7070年代中期：光栅扫描的图形显示器（年代中期：光栅扫描的图形显示器（OKOK）。）。图形显示器正向着小型化、低电压、数字化方向发展.2024/7/32024/7/318181.2.2 硬设备的发展图形显示设备图形显示器正向着小型化 图形绘制设备图形绘制设备图形绘制设备图形绘制设备：用于把图形画在纸上，也称硬拷贝用于把图形画在纸上，也称硬拷贝打印机打印机 （针式，喷墨，激光，（针式，喷墨，激光，）Epson LX-800(1980s)EPSON Stylus Photo 950(2005).2024/7/32024/7/31919图形绘制设备：用于把图形画在纸上，也称硬拷贝Epson LX绘图仪 （平板，滚筒，静电，笔式）（平板，滚筒，静电，笔式）1959年，美国Calcomp公司研制出的世界上第一台滚筒式绘图机，使计算机辅助绘图仪开始代替人工绘图。Ploter HP 3500CP.2024/7/32024/7/32020绘图仪（平板，滚筒，静电，笔式）1959年，美国Calco图形输入设备图形输入设备二维图形输入设备（键盘，光笔，鼠标，（键盘，光笔，鼠标，）三维图形输入设备（数据手套，空间球，（数据手套，空间球，）.2024/7/32024/7/32121图形输入设备.2023/8/12211.2.3 图形软件的发展图形软件的发展随随着着计计算算机机图图形形显显示示器器从从专专用用设设备备发发展展成成标标准准化化的的人人机机通通信信接接口口，图形显示及应用软件必然应有相应的发展。图形显示及应用软件必然应有相应的发展。图形软件的发展图形软件的发展图形软件的发展图形软件的发展 早早期期的的绘绘图图软软件件大大都都采采用用线线框框式式图图形形数数据据结结构构，该该结结构构特特别别适适合合于于图图形的几何变换和交互显示，但无法在计算机内完整地定义三维物体。形的几何变换和交互显示，但无法在计算机内完整地定义三维物体。2020世世纪纪6060年年代代末末期期开开始始研研究究和和发发展展实实体体造造型型技技术术，如如英英国国剑剑桥桥大大学学的的I.C.BraidI.C.Braid的的BUILDBUILD系系统统、美美国国罗罗彻彻斯斯特特大大学学的的PADL-1PADL-1系系统统和和日日本本北北海海道道大大学学的的TIPS-1TIPS-1系系统统。这这些些系系统统都都在在计计算算机机内内提提供供了了对对物物体体的的完完整整的的几几何何定义，可随时提取所需信息。定义，可随时提取所需信息。开放式、高效率、开放式、高效率、标标准化、集成化、智能化、学科交叉准化、集成化、智能化、学科交叉.2024/7/32024/7/322221.2.3 图形软件的发展随着计算机图形显示器从专用设备发 IBM公司的CADAM系统目前国际上应用较广的实体造型系统有IBM公司的CADAM、Dassault System公司的CATIA、SDRC公司的Geomod、PT公司的Pro/Engineer、SpatialTechnology公司的ACIS、Solidworks公司的Solidworks等。设计人员可直接在三维空间进行产品的设计、修改、观察，从而使设计活动变得直观、简单、高效。.2024/7/32024/7/32323 IBM公司的CADAM系统目前国际上应用较广的实体造型系Dassault System公司的CATIACATIA系统设计的轮船CATIACATIA系统设计的系统设计的MIRAGE MIRAGE 2000-52000-5.2024/7/32024/7/32424Dassault System公司的CATIACATIA系统1.2.3 1.2.3 1.2.3 1.2.3 计算机图形的标准化计算机图形的标准化计算机图形的标准化计算机图形的标准化图形显示软件由底层次的与设备有关的软件包转变为高层次的图形显示软件由底层次的与设备有关的软件包转变为高层次的与设备无关的软件包，就是图形软件的标准化过程。与设备无关的软件包，就是图形软件的标准化过程。与设备无与设备无与设备无与设备无关、与应用无关，具有较高性能关、与应用无关，具有较高性能关、与应用无关，具有较高性能关、与应用无关，具有较高性能 官方标准官方标准官方标准官方标准1)1)第一个图形软件标准是由德国提出的图形核心系统第一个图形软件标准是由德国提出的图形核心系统GKS GKS(Graphics Graphics Kernel System)Kernel System)，这是一个二维图形软件包。这是一个二维图形软件包。2)2)19881988年，年，GKSGKS的三维扩充的三维扩充 GKS-3D GKS-3D成为三维图形软件成为三维图形软件 标准。标准。GKS标准下的图形.2024/7/32024/7/325251.2.3 计算机图形的标准化GKS标准下的图形.2023/3)3)19861986年，年，ISOISO提出程序员分层交互图形系统提出程序员分层交互图形系统PHIGS PHIGS(Programmers Programmers Hierarchical Interactive Graphics System)Hierarchical Interactive Graphics System)，支持三维图形的层支持三维图形的层次嵌套结构。次嵌套结构。PHIGS标准下的图形.2024/7/32024/7/326261986年，ISO提出程序员分层交互图形系统PHIGS(P 近近二二十十年年中中，国国际际标标准准化化组组织织ISOISO已已经经批批准准和和正正在在讨讨论论的的与计算机图形有关的标准还有：与计算机图形有关的标准还有：CGM(Computer Graphics Metafile)CGM(Computer Graphics Metafile)、CGI(Computer Graphics Interface)CGI(Computer Graphics Interface)、IGES(Initial Graphics Exchange Specification)IGES(Initial Graphics Exchange Specification)事实标准事实标准(非官方标准非官方标准)如SGI的OpenGL，微软的Direct X，Adobe的Postscript等 这些标准包括面向图形设备的驱动程序包、面向用户的图形生成及管理程序包等，其主要作用是为实现程序的可移植性等。.2024/7/32024/7/32727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OpenGL1.1.1 1stst environment environment for for developing developing portable,portable,interactiveinteractive 2D 2D and and 3D 3D graphics applications(1992)graphics applications(1992)2.2.Industrys Industrys most most widely widely used used and and supported supported 2D 2D and and 3D 3D graphics graphics application application programming programming interface interface(API),(API),a a wide wide variety variety of of computer puter platforms.2024/7/32024/7/32828OpenGL.2023/8/1228Direct X1.An advanced suite of multimedia application programming interfaces(APIs)built into Microsoft Windows(1995)2.Provides a standard development platform for Windows-based PCs without having to write hardware-specific code.2024/7/32024/7/32929Direct X.2023/8/1229PostScript1.A programming language optimized for printing graphics and text(whether on paper,film,or CRT)(1985)2.Provide a convenient language in which to describe images in a device independent manner:the image is described without reference to any specific device features.2024/7/32024/7/33030PostScript.2023/8/12301.3 计算机图形学的应用计算机图形学的应用1.1.计算机辅助设计与制造（计算机辅助设计与制造（CAD/CAMCAD/CAM）2.2.计算机辅助绘图计算机辅助绘图3.3.计算机辅助教学（计算机辅助教学（CAICAI）4.4.办公自动化和电子出版技术办公自动化和电子出版技术5.5.计算机艺术设计计算机艺术设计6.6.在工业控制及交通方面的应用在工业控制及交通方面的应用7.7.在医疗卫生方面的应用在医疗卫生方面的应用8.8.图形用户界面图形用户界面(GUI:Windows,Menu,Icon)GUI:Windows,Menu,Icon)9.9.。.2024/7/32024/7/331311.3 计算机图形学的应用计算机辅助设计与制造（CAD/C（1）计算机辅助设计与制造 计算机辅助设计(CAD)已广泛应用于飞机、汽车、船舶的外形设计、超大规模集成电路设计，以及建筑、服装、印染、玩具设计等领域。CAD技术使得工程、雪佛莱敞篷轿车曲面造型产品设计和施工图纸不必再由人工绘制，可大大缩短设计周期。.2024/7/32024/7/33232（1）计算机辅助设计与制造 雪佛莱敞篷轿车曲面造型产品设计和（2）地理信息系统(Geographical Information System,GIS)地理信息系统记录着关于人口、城镇乡村、高山平原地形、矿藏、森林、旅游等大量信息。利用地理系统中的图形软件可绘制出地理、地质的以及其他自然现象的高精度勘探、测量图形，如地理图、人口分布图、水资源分布图等。.2024/7/32024/7/33333（2）地理信息系统(Geographical Informa（3 3）科学计算可视化（）科学计算可视化（Visualization in Scientific Visualization in Scientific ComputingComputing）可可视视化化技技术术广广泛泛应应用用于于流流体体力力学学、有有限限元元分分析析、医医学学、天天气气预预报报、海海洋洋和和空空间间探探测测等等领领域域。已已成成为为一一种种从从海海量量的的计计算算数数据据和和测测量量数数据据中中发发掘掘其其蕴蕴含含的的自然、物理现象和规律的新的通用手段。自然、物理现象和规律的新的通用手段。运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中及计算结果的数据转换为图形及图像在屏幕上显示出来并进行交互处理的理论、方法和技术。.2024/7/32024/7/33434（3）科学计算可视化（Visualization in Sc（4 4）计算机动画和技术）计算机动画和技术计算机动画是指用程序生成一系列的景物画面，计算机动画是指用程序生成一系列的景物画面，其中当前帧画面是对前一帧画面的部分修改。其中当前帧画面是对前一帧画面的部分修改。.2024/7/32024/7/33535（4）计算机动画和技术计算机动画是指用程序生成一系列的景物画36刚体动画变形动画基于物理的动画（运动动画）粒子动画关节动画行为动画计算机动画的分类计算机动画的分类.2024/7/32024/7/3363636刚体动画计算机动画的分类.2023/8/1236（5 5）计算机模拟和仿真）计算机模拟和仿真计算机模拟和计算机模拟和仿真已广泛应仿真已广泛应用到产品和工用到产品和工程设计、航空程设计、航空驾驶和实验等驾驶和实验等工作中，如构工作中，如构造虚拟天空、造虚拟天空、地面、山峰、地面、山峰、树木等，并产树木等，并产生出巨大的经生出巨大的经济效益。济效益。由清华大学自然景物平台生成的野外场景.2024/7/32024/7/33737（5）计算机模拟和仿真计算机模拟和仿真已广泛应用到产品和工程日本Yoshinori Dobashi等人绘制的真实感云计算机仿真.2024/7/32024/7/33838日本Yoshinori Dobashi等人绘制的真实感云计算（6 6）虚拟现实）虚拟现实(Virtual-realityVirtual-reality，VR)VR)虚拟现实是指虚拟现实是指由计算机实时生成一由计算机实时生成一个虚拟的三维空间，个虚拟的三维空间，用户可在其中自由运用户可在其中自由运动，随意观察周围的动，随意观察周围的景物，并通过一些特景物，并通过一些特殊的设备与虚拟物体殊的设备与虚拟物体进行交互操作，使用进行交互操作，使用户产生一种身临其境户产生一种身临其境的感觉。的感觉。.2024/7/32024/7/33939（6）虚拟现实(Virtual-reality，VR)40沉浸沉浸（Immersion）：全方位投入，使用户产）：全方位投入，使用户产生身临其景的感觉。生身临其景的感觉。交互（交互（Interaction）：响应用户的各种输入手）：响应用户的各种输入手势、语言命令以及身体动作。势、语言命令以及身体动作。构想（构想（Imagination）：生动形象地反映设计者）：生动形象地反映设计者的思想。的思想。虚虚拟现实技技术.2024/7/32024/7/3404040沉浸（Immersion）：全方位投入，使用户产生身临其41能以实时的速度生成有逼真感的景物图形。能以实时的速度生成有逼真感的景物图形。能高精度的跟踪用户的头和手。能高精度的跟踪用户的头和手。头戴显示器能产生高分辨率图象和较大的视角。头戴显示器能产生高分辨率图象和较大的视角。能对用户的动作产生力反馈能对用户的动作产生力反馈。虚虚拟现实的关的关键技技术.2024/7/32024/7/3414141能以实时的速度生成有逼真感的景物图形。虚拟现实的关键技术