第1章计算机图形学基础知识课件

-多媒体课件.PPT-.引言引言 计算机图形学计算机图形学(ComputerGraphics,简称简称CG)是研究计算机绘图的一门学科，经过30多年的发展，计算机图形学已成为计算机科学中最为活跃的分支之一，并得到广泛的应用。它是随着计算机硬件特别是图形显示设备的发展而逐渐产生发展起来的，并已渗入到生产、生活的各个方面。它是建立在传统的图学理论、应用数学及计算机科学基础上的一门边缘学科。特点：新兴学科 边缘性学科 与传统理论密切联系。.2024/7/122 通过本课程的学习，掌握图形图象处理的原理、方法和技术，能充分理解图形学中的各种基本算法在整个计算机图形系统中的作用，对图形系统有一个整体的概念。从而培养学生的计算机图形处理能力，熟悉计算机图形系统和应用软件的设计、使用及组织，为学生毕业后从事计算机绘图、计算机辅助设计、辅助教学、辅助工程、图形处理等方面打下良好的基础。.2024/7/123教学安排教学安排总学时：48讲课：32学时上机：16学时成绩评定办法为：总成绩成绩评定办法为：总成绩=平时平时30%+期末期末70%。（平时成绩包括：作业、课堂考勤等）（平时成绩包括：作业、课堂考勤等）.2024/7/124课程目录课程目录 n第一章第一章计算机图形学基本知识计算机图形学基本知识计算机图形学基本知识计算机图形学基本知识n第二章第二章C C语言图形程序设计基础语言图形程序设计基础语言图形程序设计基础语言图形程序设计基础 n第三章第三章基本图形的生成与计算基本图形的生成与计算基本图形的生成与计算基本图形的生成与计算 n第四章第四章曲线与曲面的生成与计算曲线与曲面的生成与计算曲线与曲面的生成与计算曲线与曲面的生成与计算 n第五章第五章图形变换技术图形变换技术图形变换技术图形变换技术.2024/7/125本章概述本章概述：本章主要介绍了计算机图形学本章主要介绍了计算机图形学的基本概念、研究内容、发展概况与应用的基本概念、研究内容、发展概况与应用领域，以及计算机图形系统的相关知识。领域，以及计算机图形系统的相关知识。1 第第章章第一章第一章 计算机图形学基础知识计算机图形学基础知识.2024/7/126本章目录1.1 计算机图形学的基本概念1.2 计算机图形学的研究内容 1.3 计算机图形学的发展概况1.4 计算机图形学应用与研究前沿1.5 计算机图形系统的组成1.6 图形输入设备1.7 图形显示设备与图形处理器1.8 图形输出设备.2024/7/127本章重点、难点本章重点本章重点1、计算机图形学的基本概念2、计算机图形学的研究内容3、计算机图形学应用与研究前沿4、计算机图形系统的组成5、图形输入、输出设备与图形显示设备本章难点本章难点1、计算机图形学的研究内容2、计算机图形学的研究前沿3、计算机图形系统的组成4、图形显示设备与图形处理器.2024/7/128本章学习目标1.充分理解计算机图形学的一些基本概念，如的定义、图形与图象的概念等。2.熟练掌握计算机图形学的研究内容。3.明确计算机图形学应用领域与研究前沿。4.掌握计算机图形系统的组成，包括系统的 结构、基本功能及其硬件性能要求。5.了解并掌握常用的图形输入与输出设备。6.了解图形显示设备与图形处理器。.2024/7/1291.1计算机图形学的基本概念本节我们主要介绍计算机图形学的一些基本概念，包括：计算机图形学的定义、图形图像的概念以及计算机图形学的相关学科。1.图形图像的概念2.计算机图形学的定义.计算机图形学的相关学科.2024/7/1210第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.1 计算机图形学的基本概念计算机图形学的基本概念 人类用来表达和交流的方式有很多：语言文字、图形人类用来表达和交流的方式有很多：语言文字、图形图像、肢体语言（手势、点头、眼神等）。图作为交流的图像、肢体语言（手势、点头、眼神等）。图作为交流的方式与语言文字相比，有一些文字无法替代的优势：方式与语言文字相比，有一些文字无法替代的优势：图形图像信息易于交流和理解。（语言受地域，国别的限制）图形图像信息精炼：一图胜于言，百闻不如一见。图形图像表达精确：用语言描述一个人的外貌，总有信息丢失，拍照就不会产生信息丢失。图形图像表达直观：形象，深刻。（书中除文字解释外还配有插图）一、图形图像的概念（一、图形图像的概念（1.1.1）.2024/7/1211第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.1 计算机图形学的基本概念计算机图形学的基本概念那在我们的现实生活中哪些是图呢？那在我们的现实生活中哪些是图呢？人类眼睛看到的实物景象。（实体物 3D）用摄像机等装置获得的图片照片。（图片 2D）用绘图仪绘制出来的工程图、设计图等。（图纸）各种人工美术绘图、雕塑等。(美术作品）用数学方法描述的图形。（y=sin(x)函数曲线）虽然有人认为图形与图像两个概念间的区别越来越模糊虽然有人认为图形与图像两个概念间的区别越来越模糊，但我，但我们认为还是有区别的。们认为还是有区别的。1）图形图像的定义）图形图像的定义（1）图形图形（Graphic）图形图形也称矢量图形矢量图形，简称矢量图矢量图。一般由计算机结合图.2024/7/1212第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.1 计算机图形学的基本概念计算机图形学的基本概念 形应用程序一起创建，通常由点、线、面、体等几何元几何元素素（图元）和灰度、色彩、线型、线宽等非几何元素非几何元素组成，内部表示为这些图元对象的集合集合。说明：1.所谓图元是最简单的图形，如点、直线、曲线、圆、矩形等。图元都由数学公式来表示，所存储的也是数学公式中的参数值，例如圆可以用圆心和半径表示等等。2.另外，图元也可以是用多个图形（简单图元）组成的一个带有一定含义的组合图元。组合图元的各个图元可以单独地除去、添加、移动或修改。3.图形含有几何属性，更强调场景的几何表示，是由场景的几何模型和景物物理属性(非几何属性)共同组成的。.2024/7/1213第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.1 计算机图形学的基本概念计算机图形学的基本概念（2）图像图像（Image）图像也称点位图点位图，一般来源于现实和虚拟世界，是用摄像机或扫描仪等输入设备捕捉实际场景画面产生的数字图像，其最小的可寻址的图像元素为像素。说明：n 1.像素是图像上一个个带有亮度和颜色的的点，大量有序非几何元素：反映物体表面属性或材质的明暗、灰度、色彩等几何元素：刻画形状的点、线、面、体等几何要素.2024/7/1214第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.1 计算机图形学的基本概念计算机图形学的基本概念 的点组成一幅离散化了的数字图像。也就是说，图像被分割为一个个离散的点，所以称之为点位图，简称位图，从而图像又可以看成是计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息。2.图像一般具有信息精炼、表达精确、表达直观、易于交流和理解的优点。2）矢量图和位图的比较及转换）矢量图和位图的比较及转换（1）矢量图和位图的比较矢量图和位图的比较 如下图1-1所示，两者之间的差异如下：.2024/7/1215第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.1 计算机图形学的基本概念计算机图形学的基本概念矢量图（图形）矢量图（图形）位图（图像）位图（图像）容量容量与图的复杂程度有关，一般较小与图的尺寸和颜色有关，一般较大文件内容文件内容图形指令图像点阵数据显示速度显示速度图越复杂，需要执行的指令越多，显示越慢与图的容量（含像素点多少）有关应用特点应用特点容易编辑，适合“绘制”和创建，但表现力受限适于“获取”和“复制”，表现力丰富，但编辑起来较复杂图图 1-1.2024/7/1216第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.1 计算机图形学的基本概念计算机图形学的基本概念（2）矢量图和位图的转化矢量图和位图的转化 图形和图像之间的转化主要包括文件在输入/输出设备之间的硬转化和文件格式之间的软转化。硬转化硬转化 所谓硬转化所谓硬转化是指图形和图像之间通过输入输出设备实现 相互之间的转化。例如：有一张工程图纸：例如：有一张工程图纸：如果用扫描仪将它扫描后导入Photoshop，那么它就变成 图像信息，因为扫描仪只能将图纸上的画面转化成点位图 ；如果用数字化仪输入AutoCAD，那么它就变成图形信息,因为数字化仪支持图形输入。这说明图形和图像间可以通 过输入设备来转化。相同地，输出时，如果将AutoCAD中的工程图通过打印机.2024/7/1217第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.1 计算机图形学的基本概念计算机图形学的基本概念，那么必须先对图形进行点阵化，才能被打印机识别。这个过程就是图形图像间的硬转化。如果用绘图仪输出，则无须转化，因为绘图仪支持图形输出。软转化软转化所谓软转化所谓软转化是指利用图形图像处理软件（应用软件）来转化文件的格式。例如：例如：将AutoCAD的DWG矢量图转化为BMP、GIF等格式点位图就属于图形图像之间的软转化。目前，提供图形图像之间软转化功能的应用程序（软件）有CorelDraw、Phot -oshop、ACDSee等。图形图像间的软转化和硬转化在理论和实际中都是可行的，不过两者间的转化会造成一些细节的丢失或失真。.2024/7/1218第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.1 计算机图形学的基本概念计算机图形学的基本概念 二、计算机图形学的定义（二、计算机图形学的定义（1.1.2）什么是计算机图形学呢什么是计算机图形学呢？简单地讲，计算机图形学是研？简单地讲，计算机图形学是研究计算机绘图的一门学科。但是这样的定义并不科学规究计算机绘图的一门学科。但是这样的定义并不科学规范，因为这样容易使人们将计算机图形学与计算机图像范，因为这样容易使人们将计算机图形学与计算机图像处理（处理（ImageProcessing）混淆。计算机图形学所研）混淆。计算机图形学所研究的图形为从客观世界的物体中抽象出来的带有灰度或究的图形为从客观世界的物体中抽象出来的带有灰度或色彩及形状的图或形。根据国际标准化组织（色彩及形状的图或形。根据国际标准化组织（ISO），），对计算机图形学作如下对计算机图形学作如下定义定义：n计算机图形学（计算机图形学（ComputerGraphics、简称、简称CG）是研是研究通过计算机将数据转换为图形，并在专用的显示设备究通过计算机将数据转换为图形，并在专用的显示设备上显示的原理、方法和技术的学科，换句话说，是指利上显示的原理、方法和技术的学科，换句话说，是指利用计算机研究图形的用计算机研究图形的表示、生成、处理、显示表示、生成、处理、显示的学科。的学科。.2024/7/1219n计算机中计算机中图形的表示方法：图形的表示方法：参参数数表表示示法法：图图形形用用形形状状参参数数和和属属性性参参数数来来表表示示。形形状状参参数数可可以以是是描描述述其其形形状状的的数数学学方方程程的的系系数数、线线段段的的起起始始点点及及终终止止点点等等；属属性性参参数数则则包包括括灰灰度度、色色彩彩、线线型型等等非非几几何何属属性性。这这种种方方法强调图形的法强调图形的“形形”的概念。的概念。点阵表示法点阵表示法：图形用带有灰度或色彩的点阵来：图形用带有灰度或色彩的点阵来表示。这种方法强调图形的表示。这种方法强调图形的“灰度灰度”而不是而不是“形形”。.2024/7/1220第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.1 计算机图形学的基本概念计算机图形学的基本概念图形的具体应用范围很广，但是从图形的具体应用范围很广，但是从基本的处理技基本的处理技术术看主要分为两类：看主要分为两类：(1)一类是线条式，一类是线条式，如工程图、地图、曲线图表、如工程图、地图、曲线图表、电路的原理图、曲面的线框图等；电路的原理图、曲面的线框图等；(2)另一类是明暗图另一类是明暗图(Shanding)，与照片相似，与照片相似，也就是通常所说的真实感图形，如汽车、飞机、也就是通常所说的真实感图形，如汽车、飞机、轮船等的外型设计以及各种艺术品造型设计等。轮船等的外型设计以及各种艺术品造型设计等。如下图如下图1-2所示：所示：.2024/7/1221第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.1 计算机图形学的基本概念计算机图形学的基本概念明暗图明暗图(Shanding)线条式线条式图图 1-.2024/7/1222为了生成为了生成图形图形，首先要有原始数据或数学模型，如工程，首先要有原始数据或数学模型，如工程人员构思的草图，飞机的总体方案模型，企业经营的月人员构思的草图，飞机的总体方案模型，企业经营的月统计资料等。这些数字化的输入经过计算机处理后变成统计资料等。这些数字化的输入经过计算机处理后变成图形输出。图形输出。第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.1 计算机图形学的基本概念计算机图形学的基本概念计算机图形处理系统输入信息：数据输出信息：图形图图1.3 图形处理过程计算机图形学一个主要的目的就是要利用计算机产生令计算机图形学一个主要的目的就是要利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形。同时，真实感图形计算的结人赏心悦目的真实感图形。同时，真实感图形计算的结果有时以果有时以数字图象数字图象的方式提供的，计算机图形学也就和的方式提供的，计算机图形学也就和图像处理有着密切的关系。图像处理有着密切的关系。.2024/7/1223计算机图形产生的方法有两种：计算机图形产生的方法有两种：1.矢量法（短折线法）矢量法（短折线法）2.描点法（相邻像素串接法）描点法（相邻像素串接法）第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.1 计算机图形学的基本概念计算机图形学的基本概念.2024/7/1224第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.1 计算机图形学的基本概念计算机图形学的基本概念 三三、计算机图形学的的相关学科（计算机图形学的的相关学科（1.1.3）图像处理图像处理(ImageProcessing)、模式识别模式识别（Patternrecognition）和）和计算机图形学计算机图形学(ComputerGraphics)是计算机应用领域发展的是计算机应用领域发展的3个分支学科，他们之间有一个分支学科，他们之间有一定的区别和联系。所谓区别是指：定的区别和联系。所谓区别是指：计算机图形学计算机图形学：计算机图形学是研究根据给定的描述：计算机图形学是研究根据给定的描述（如数学公式或数据等），用计算机生成相应的图形、（如数学公式或数据等），用计算机生成相应的图形、图像，和显示图形的学科；研究的是从数据描述到图形图像，和显示图形的学科；研究的是从数据描述到图形生成的过程；生成的过程；图像处理图像处理：利用计算机及其它有关数字技术对客观物：利用计算机及其它有关数字技术对客观物体的影像施加某种运算和处理，然后再现图像，从而达体的影像施加某种运算和处理，然后再现图像，从而达到某种预想的目的，如图像的数字化、增强、恢复、编到某种预想的目的，如图像的数字化、增强、恢复、编码、分割、重建、分析、压缩、传输等。如人体的码、分割、重建、分析、压缩、传输等。如人体的CT扫扫描、描、X射线探伤等；射线探伤等；.2024/7/1225模式识别模式识别：计算机对所输入的图形信息进行识别：计算机对所输入的图形信息进行识别和分析描述，找出其中蕴涵的内在联系或抽象模和分析描述，找出其中蕴涵的内在联系或抽象模型，是从图形（图形）到描述的过程。如邮政分型，是从图形（图形）到描述的过程。如邮政分检设备扫描信件上手写的邮政编码，并将编码用检设备扫描信件上手写的邮政编码，并将编码用图象复原成数字等；图象复原成数字等；它们之间的关系如图它们之间的关系如图1.4和表和表1所示。所示。第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.1 计算机图形学的基本概念计算机图形学的基本概念.2024/7/1226描述对象的几何数据或者数学特征（方程）计算机图形学所要显示出的图形图像处理处理后新的图形模式识别图图1.4 图图像像处处理理、模模式式识识别别和和计计算机图形学之间的关系算机图形学之间的关系.2024/7/1227第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.1 计算机图形学的基本概念计算机图形学的基本概念 学科学科内容内容计算机图形学计算机图形学（CG）模式识别模式识别（PR）图像处理图像处理（IP）输入输入形式描述视觉表达视觉表达输出输出视觉表达形式描述视觉表达对象对象直线、文字、像、域或其集合生成或扫描的图像扫描的图像目的目的图形生成、表达、分段、变换模式、机构分析、景物分析图像增强表表1：三个学科领域的异同：三个学科领域的异同.2024/7/1228第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.1 计算机图形学的基本概念计算机图形学的基本概念数字图像数据模型图像生成（计算机图形学计算机图形学）模型（特征）提取（计算机视觉，模式识别计算机视觉，模式识别）模型变换（计算几何）图像变换（图像处理图像处理）说明：图像处理、计算机视觉、模式识别、计算几何与计算机图形学都是与图形信息处理有关的学科，由于光栅扫描图形显示器的广泛使用以及各学科之间的相互渗透和沟通，它们之间的关系越来越密切，但是计算机图形学仍起着基础和核心的作用。图图1.5计算机图形学与其他相关学科之间的关系计算机图形学与其他相关学科之间的关系.2024/7/1229 在计算机图形学中，图形生成方式有两种，交互式绘图和被动式绘图。数据库数据库图形库图形库程序库程序库输入设备功能键输入设备功能键光笔、鼠标光笔、鼠标图形输入板图形输入板微型计算机微型计算机自动绘图仪自动绘图仪或打印机或打印机图图形形 人人 实时观察实时观察显示器显示器交互式绘图过程交互式绘图过程.2024/7/1230数据或程序计算机图形信息绘图仪显示器或图形被动式绘图过程被动式绘图过程.2024/7/12311.2 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算、处理和显示的相关原理与算法，构成了计算机图形学的的主要研究内容主要研究内容。计算机图形学的研究内容非常广泛，大。计算机图形学的研究内容非常广泛，大体上包括以下几个方面：体上包括以下几个方面：（1）：几何模型构造技术（）：几何模型构造技术（Geometric Modelling）（2）：图形生成技术（）：图形生成技术（Image Synthesis）（3）：图形的操作和处理方法）：图形的操作和处理方法(Picture Manipulation)（4）：图形信息存储、检索与交换技术）：图形信息存储、检索与交换技术（5）：人机交互及用户接口技术）：人机交互及用户接口技术（6）：动画和游戏制作技术。研究高速动画的各种软硬）：动画和游戏制作技术。研究高速动画的各种软硬件方法、开发工具、动画语言等。件方法、开发工具、动画语言等。.2024/7/1232第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.计算机图形学的研究内容计算机图形学的研究内容（7）：图形输出设备与输出技术。）：图形输出设备与输出技术。例如各种图形显示器例如各种图形显示器（图形卡、图形终端、图形工作站等）逻辑结构的研究。（图形卡、图形终端、图形工作站等）逻辑结构的研究。实现高级图形功能的专用芯片（实现高级图形功能的专用芯片（ASIC）的开发，图形硬）的开发，图形硬拷贝设备（特别是彩色硬拷贝设备）的研究。拷贝设备（特别是彩色硬拷贝设备）的研究。（8）：图形标准与图形软件包的技术开发。）：图形标准与图形软件包的技术开发。如制定一系列如制定一系列国际图形标准，以满足多方面图形应用软件开发工作的需国际图形标准，以满足多方面图形应用软件开发工作的需要，并使图形应用软件摆脱对硬件设备的依赖，允许在不要，并使图形应用软件摆脱对硬件设备的依赖，允许在不同系统之间方便的进行移值。同系统之间方便的进行移值。我们着重讨论与我们着重讨论与图形生成技术图形生成技术、几何模型构造技术几何模型构造技术、图形图形的操作和处理方法相关的原理与算法的操作和处理方法相关的原理与算法以及以及人机交互及用户人机交互及用户接口接口等技术。等技术。.2024/7/1233（9）：计算机图形学、计算机辅助设计和计算机辅助制造）：计算机图形学、计算机辅助设计和计算机辅助制造三者一体化。三者一体化。（10）：虚拟现实环境的生成。）：虚拟现实环境的生成。（11）：科学计算可视化。）：科学计算可视化。.2024/7/12341.3计算机图形学的发展概况计算机图形学是随着计算机硬件特别是图形显示设备的发计算机图形学是随着计算机硬件特别是图形显示设备的发展而逐渐产生、发展起来的。因此它的发展包括展而逐渐产生、发展起来的。因此它的发展包括硬件硬件、软件软件和和算法算法三个方面的内容。三个方面的内容。1.计算机图形学的发展2.计算机图形软件及算法类型.计算机图形学在我国的发展.2024/7/1235第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.起步阶段（起步阶段（50年代）年代）n1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院（MIT）旋风）旋风I号（号（WhirlwindI）计算机的附件诞生）计算机的附件诞生了。该显示器用一个类似于示波器的阴极射线管了。该显示器用一个类似于示波器的阴极射线管(CRT)来显示一些简单的图形。来显示一些简单的图形。一、计算机图形学的发展（一、计算机图形学的发展（1.3.1）1.3 计算机图形学的发展概况计算机图形学的发展概况2.发展阶段（发展阶段（60年代）年代）n1962年，MIT林肯实验室的I.E.Sutherland发表了一篇题为“Sketchpad：一个人机交互通信的图形系统”的博士论文他在论文中首次使用了计算机图形学“Computer Graphics”这个术语，证明了交互计算机图形学是一个可行的、有用的研究领域，从而确定了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的独立地位。.2024/7/1236第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识3.成熟阶段（成熟阶段（70年代）年代）n n光栅图形学迅速发展光栅图形学迅速发展光栅图形学迅速发展光栅图形学迅速发展 70年代是计算机图形学发展过程中一个重要的历史时期。由于光栅显示器的产生，在60年代就已萌芽的光栅图形学算法，迅速发展起来，区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其相应算法纷纷诞生，图形学进入了第一个兴盛的时期，并开始出现实用的CAD图形系统。n n真实感图形学真实感图形学真实感图形学真实感图形学 70年代，计算机图形学另外两个重要进展是真实感图形学和实体造型技术的产生。1970年Bouknight提出了第一个光反射模型，1971年Gourand提出“漫反射模型插值”的思想，被称为Gourand明暗处理。1.3 计算机图形学的发展概况计算机图形学的发展概况.2024/7/1237第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识 1975年Phong提出了著名的简单光照模型-Phong模型。这些可以算是真实感图形学最早的开创性工作。n n实体造型技术实体造型技术实体造型技术实体造型技术 从1973年开始，相继出现了英国剑桥大学CAD小组的Build系统、美国罗彻斯特大学的PADL-1系统等一些实体造型系统。4.推广阶段（推广阶段（80年代至今）年代至今）n1980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，实现Whitted模型。n1984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。1.3 计算机图形学的发展概况计算机图形学的发展概况.2024/7/1238第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识n 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。计算机运算能力的提高，图形处理速度的加快，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、科学计算可视化、CAD/CAM、影视娱乐等各个领域。5.ACMSIGGRAPH会议小知识会议小知识n 全称“the Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques”。60年代中期，由Brown 大学的教授Andries van Dam(Andy)和IBM公司的Sam Matsa发起。1974年，在Colorado大学召开了第一届SIGGRAPH 年会，并取得了巨大的成功每年只录取大约50篇论文。1.3 计算机图形学的发展概况计算机图形学的发展概况.2024/7/1239第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.图形软件系统图形软件系统n随着计算机系统、图形输入、图形输出设备的发展，计算机图形软件及其生成、控制图形的算法也有了很大的发展。近十几年来，发展了多种不同类型的计算机图形软件系统，目前主要有以下几种：用现有的某种高级语言写成的子程序包。用户使用该语言调用需要的子程序生成各种图形，编程相对容易，灵活、正确使用的周期较长。在这类程序包的基础上开发的图形程序具有便于移植和推广的优点，但执行速度相对较慢，效率较低。这类子程序包很多，例如图形软件标准化的典型规范GKS、PHIGS、OPENGL CORE文本等。二二、计算机图形软件及算法类型（计算机图形软件及算法类型（1.3.2）1.3 计算机图形学的发展概况计算机图形学的发展概况.2024/7/1240第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识将某种高级语言的功能加以扩充，使其具有图形生成和处理功能。目前具有图形生成和处理功能的高级语言很多，如Turbo Pascal、BASIC、Turbo C、Borland C+、Java等，即在相应的高级语言中扩充了图形生成及控制的语句或函数。这中方法的缺点缺点是：实现起来工作量较大，难以移植；其优点优点是：系统比较简练、紧凑、执行速度快。专用的图形系统。对于某一种类型的设备，可以配置专用的图形生成语言。其优点优点是：功能强，执行速度快，效率更高；缺点是：系统开发工作量大，功能差异大，难以移植。目前大多数绘图仪都配备了相应的图形生成语言，如著名的有GL(Graphics Language)语言、PL(Ploting Language)语言和Dxy语言,这些语言都是与设备有关，因此难以在不同的设备上使用。1.3 计算机图形学的发展概况计算机图形学的发展概况.2024/7/1241第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识2.图形的标准化图形的标准化 为了克服上述矛盾，就要求产生一种可以通用的与设备无关的图形软件，即图形软件标准化问题。n1974年，美国国家标准化局ANSI在ACM SIGGRAPH的一个与“与机器无关的图形技术”的工作会议上，提出了制定有关标准的基本规则。此后ACM专门成立了一个图形标准化委员会，开始制定有关标准。n1977年美国计算机协会ACM 提出了核心图形系统CGS（Core Graphics System）规范。即原西德提出的图形核心系统GKS（Graphics Kernel System）。nISO发布CGI、CGM、GKS、PHIGS等。制定标准的目的是考虑到程序的可移植性。当使用具体图形设备时只要和这个“标准”的图形系统做一个“接口”即可。1.3 计算机图形学的发展概况计算机图形学的发展概况.2024/7/1242第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识3.3.图形算法的分类图形算法的分类 计算机图形学所涉及的算法十分丰富，围绕着生成、表示物体的图形图形的准确性、真实性和实时性，其算法大致可以分为以下几类。（1 1）基本图形元素的生成基本图形元素的生成 （2 2）基本图形元素的几何变换、投影变换、窗口裁减基本图形元素的几何变换、投影变换、窗口裁减 （3 3）自由曲线和曲面（如拟和、拼接、分解、整体和局部修改等）自由曲线和曲面（如拟和、拼接、分解、整体和局部修改等）（4 4）图形元素（点、线、环、面、体）的求交及分类图形元素（点、线、环、面、体）的求交及分类 （5 5）隐藏线及隐藏面的消除与真实感的图形显示隐藏线及隐藏面的消除与真实感的图形显示 （6 6）中西文字型生成及变换中西文字型生成及变换 （7 7）分形景物的生成（如山水、花草、烟雾等模糊景物的生成）分形景物的生成（如山水、花草、烟雾等模糊景物的生成）（8 8）三维或高维数据场的可视化及虚拟现实三维或高维数据场的可视化及虚拟现实 （9 9）三维图形的实时显示及并行算法三维图形的实时显示及并行算法 （1010）虚拟现实环境的生成及其控制算法等）虚拟现实环境的生成及其控制算法等。1.3 计算机图形学的发展概况计算机图形学的发展概况.2024/7/1243第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识 我国开展计算机设备和计算机辅助几何设计方面的研究开始于20世纪年代中后期。到80年代以来，计算机图形学无论在理论研究，还是在实际应用的深度和广度方面都取得了可喜的成绩。在图形设备方面在图形设备方面：研制绘图仪、数字化仪、图形显示器、鼠标等；如1970年我国成功研制了黑白光笔图形显示器75-1型，1976年又成功研制了彩色光笔图形显示器75-2型。软件方面软件方面：有国家攻关、高技术项目及国家自然科学基金中的关于计算机图形软件研究的课题（如二维交互绘图系统已进入商品化阶段，三维几何造型系统在国内也有几个比较实用的版本）；三、计算机图形学在我国的发展三、计算机图形学在我国的发展（1.3.3）1.3 计算机图形学的发展概况计算机图形学的发展概况.2024/7/1244第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识学术刊物方面学术刊物方面:n在我国与计算机图形学有关的学术刊物有计算机辅助设计与图形学学报、工程图学学报、计算机辅助工程、中国图形图象学报等。1.3 计算机图形学的发展概况计算机图形学的发展概况.2024/7/12451.4计算机图形学应用与研究前沿本节我们主要介绍计算机图形学的一些基本应用领域和研究前沿。2.计算机图形学的应用领域.计算机图形学的研究前沿.2024/7/1246 计算机图形学有着广泛的应用领域，特别是近年来随着对计算机图形学原理的不断研究和新技术的不断产生，使得它深入到生产、科研、教学及生活等领域，目前主要应用在如下领域：1.计算机辅助设计与制造（计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）2.可视化可视化3.图形实时绘制与自然景物仿真图形实时绘制与自然景物仿真4.计算机动画计算机动画5.用户接口用户接口6.计算机艺术计算机艺术7.地理信息系统地理信息系统8.办公自动化与电子印刷办公自动化与电子印刷9.科学、技术及事物管理中的交互式绘图科学、技术及事物管理中的交互式绘图10.过程控制及系统模拟过程控制及系统模拟11计算机辅助教学计算机辅助教学第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4 计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿 一、计算机图形学的应用领域（一、计算机图形学的应用领域（1.4.1）.2024/7/12471.1.计算机辅助设计与制造（计算机辅助设计与制造（CAD/CAMCAD/CAM）第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4 计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿CAD/CAM是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域。计算机图形学被用来进行土建工程、机械结构和产品的设计，包括：飞机、汽车、船舶的外形的设计飞机、汽车、船舶的外形的设计发电厂、化工厂等的布局发电厂、化工厂等的布局土木工程、建筑物的设计土木工程、建筑物的设计电子线路、电子器件的设计等。电子线路、电子器件的设计等。n有时，着眼于产生工程和产品相应结构的精确图形。然而更常用的是对所设计的系统、产品和工程的相关图形进行人-机交互设计和修改，经过反复的迭代设计，便可利用结果数据输出零件表、材料单、加工流程和工艺卡，或者数据加工代码的指令。.2024/7/1248第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4 计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿n在电子工业中，计算机图形学应用到集成电路、印刷电路板、电子线路和网络分析等方面的优势是十分明显的。n一个复杂的大规模或超大规模集成电路版图根本不可能用手工设计和绘制，用计算机图形系统不仅能进行设计和画图，而且可以在较短的时间内完成，把其结果直接送至后续工艺进行加工处理。n在飞机工业中，例如美国波音飞机公司已用有关的CAD系统实现波音777飞机的整体设计和模拟（无纸设计），其中包括飞机外型、内部零部件的安装和检验。n在CAD/CAM中，常用软件有 AutoCAD,GHCAD,Pro/E,SolidWorks,UG,CATIA,MDT等。.2024/7/1249图图1.71.7奥迪效奥迪效果图和果图和线框图线框图第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4 计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿.2024/7/1250第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4 计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿图图1.81.8.2024/7/1251第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4 计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿图图1.91.9.2024/7/1252第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4 计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿n随着计算机网络的发展，在网络环境下进行异地异构系统的协同设计，已经成为CAD领域最热门的课题之一。n现代产品设计已不再是一个设计领域内孤立的技术问题，而是综合了产品各个相关领域、相关过程、相关技术资源和相关组织形式的系统化工程。它要求设计团队在合理的组织结构下，采用群体工作方式来协调和综合设计者的专长，并且从设计一开始就考虑产品生命周期的全部因素，从而达到快速响应市场需求的目的，协同设计的出现使企业生产的时空观发生了根本的变化。n异地设计、异地制造、异地装配成为可能，从而为企业在市场竞争中赢得了宝贵的时间。.2024/7/1253第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4 计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿nCADCAD领域另一个非常重要的研究领域是基于工程图纸的领域另一个非常重要的研究领域是基于工程图纸的三三维形体重建维形体重建。定义定义:三维形体重建就是从二维信息中提取三维信息，通过对这些信息进行分类、综合等一系列处理，在三维空间中重新构造出二维信息所对应的三维形体，恢复形体的点、线、面及其拓扑关系，从而实现形体的重建。优势优势:三维几何造型系统，因为可以做装配件的干涉检查、以及有限元分析、仿真、加工等后续操作，代表CAD技术的发展方向。说明：说明：目前主要的三维形体重建算法是针对多面体和对主轴方向有严格限制的二次曲面体的。任意曲面体的三维形体重建，至今仍是一个未解决的世界难题。.2024/7/1254第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4 计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿图图1.10-工程图及其三维重建结果工程图及其三维重建结果1.2024/7/1255第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4 计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿图图1.11-工程图及其三维重建结果工程图及其三维重建结果2.2024/7/1256第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿2.2.可视化可视化科学技术的迅猛发展，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。n19861986年，美国科学基金会（年，美国科学基金会（NSFNSF）专门召开了一次研讨会，）专门召开了一次研讨会，会上提出了会上提出了“科学计算可视化（科学计算可视化（Visualization in Visualization in Scientific ComputingScientific Computing）”的概念。第二年，美国计算的概念。第二年，美国计算机成像专业委员会向机成像专业委员会向NSFNSF提交了提交了“科学计算可视化的研究科学计算可视化的研究报告报告”后，后，VISCVISC就迅速发展起来了。就迅速发展起来了。n目前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。尤其在医学领域，可视化有着广阔的发展前途。依靠精密机械做脑部手术已经由机械人和医学专家配合做远程手术是目前医学上很热门的课题，而这些技术的实现的基础则是可视化可视化。.2024/7/1257第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4 计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿n可视化技术将医用CT扫描的数据转化为三维图象，并通过一定的技术生成在人体内漫游的图象，使得医生能够看到并准确地判别病人体内的患处，然后通过碰撞检测一类的技术实现手术效果的反馈，帮助医生成功完成手术。n从目前的研究状况来看，这项技术还远未成熟，离实用还有一定的距离。主要难点主要难点在于生成人体内漫游图象的三维体绘制技术还没有达到实时的程度，而且现在大多体绘制技术是基于平行投影的，而漫游则需要真实感更强的透视投影技术，然而体绘制的透视投影技术到还没有很好地解决。另外在漫游当中还要根据CT图象区分出不同的体内组织，这项技术叫Segmentation。目前的Segmentation主要是靠人机交互来完成，远未达到自动实时的地步。.2024/7/1258第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4 计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿图图1.12-1.12-脑外科手术导航脑外科手术导航.2024/7/1259第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4 计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿图图图图1.13-1.13-骨科手术导航系统的实时显示骨科手术导航系统的实时显示骨科手术导航系统的实时显示骨科手术导航系统的实时显示.2024/7/1260第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4 计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿3.真实感图形实时绘制与自然景物仿真真实感图形实时绘制与自然景物仿真在计算机中重现真实世界的场景叫做真实感绘制真实感绘制。n真实感绘制的主要任务是模拟真实物体的物理属性，简单的说就是物体的形状、光学性质、表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位置、遮挡关系等等。n其中光照和表面属性是最难模拟的。为了模拟光照，已有各种各样的光照模型。从简单到复杂排列分别是：简单光照模型、局部光照模型和整体光照模型。n绘制方法绘制方法有:1.模拟光实际传播过程的光线跟踪法，2.模拟能量交换的辐射度方法。除了建造计算机可实现的逼真物理模型外，真实感绘制还有一个研究重点是研究加速算法加速算法，力求能在最短时间内绘制出最真实的场景。.2024/7/1261第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4 计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿n加速算法加速算法有:求交算法的加速、光线跟踪的加速、包围体树、自适应八叉树等等。n 实时真实感绘制已经成为当前真实感绘制的研究热点，而当前真实感图形实时绘制的两个热点问题则是物体网格模型的面片简化和基于图象的绘制（IBR Image Based Rendering）。n1.网格模型的面片简化：就是指对网格面片表示的模型，在一定误差的精度范围内删除点、边、面，从而简化所绘制场景的复杂层度，加快图形绘制速度。n2.基于图象的绘制IBR：完全摒弃传统的先建模，然后确定光源的绘制方法，它直接从一系列已知的图象中生成未知视角的图象，适用于野外极其复杂场景的生成和漫游。.2024/7/1262图图图图1.14-1.14-1.14-1.14-综合色彩、光照、纹理的场景综合色彩、光照、纹理的场景综合色彩、光照、纹理的场景综合色彩、光照、纹理的场景第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4 计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿.2024/7/1263第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4 计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿室室室室内内内内场场场场景景景景的的的的绘绘绘绘制制制制图图1.151.15.2024/7/1264第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4 计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿n野外自然景物的模拟野外自然景物的模拟。真实感绘制已经从最初绘制简单的室内场景发展到现在大量模拟野外自然景物，比如绘制山、水、云、树、火等等。n特点：特点：野外场景远远复杂于室内场景，绘制难度更大，方法更趋多样化。人们提出了多种方法来绘制这些自然景物，比如：绘制火和草的粒子系统（Particle System），基于生理模型的绘制植物的方法，绘制云的细胞自动机方法等。也出现了一些自然景物仿真绘制的综合平台，如德国Lintermann 和 Deussen的绘制植物的平台Xforg，以及清华大学自主开发的自然景物设计平台。.2024/7/1265图图1.16-由清华大学自然景物平台生成的野外场景由清华大学自然景物平台生成的野外场景第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4 计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿.2024/7/1266第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4 计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿图图图图1.171.171.171.17室室室室外外外外自自自自然然然然景景景景观观观观的的的的绘绘绘绘制制制制.2024/7/1267图图图图1.18-1.18-日本日本日本日本YoshinoriDobashiYoshinoriDobashi等人绘制的真实感云等人绘制的真实感云等人绘制的真实感云等人绘制的真实感云第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4 计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿.2024/7/1268图图1.19-Xfrog3.0生生生生成成成成的的的的挪挪挪挪威威威威云云云云杉杉杉杉第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4 计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿.2024/7/1269第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4 计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿4.计算机动画计算机动画 随着计算机图形学和计算机硬件的不断发展，人们已经不满足于仅仅生成高质量的静态场景，于是计算机动画就应运而生。n事实上计算机动画也只是生成一幅幅静态的图像，但是每一幅都是对前一幅做一小部分修改（如何修改便是计算机动画的研究内容），这样，当这些画面连续播放时，整个场景就动起来了。n计算机动画内容丰富多彩，生成动画的方法也多种多样，比如:基于特征的图象变形，二维形状混合，轴变形方法、三维自由形体变形(FFD,Free-Form Deformation)等。.2024/7/1270第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4 计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿n计算机动画的分类：二维动画:-图像变形-形状混合-轴变形方法 三维动画:-关键帧动画-自由变形物体的动画-过程动 画-关节动画与人体动画n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。20世纪90年代是计算机动画应用辉煌的十年。Disney公司每年都要出一部制作精美的卡通动画片，好莱坞的大片屡屡大量运用计算机生成各种各样精彩绝伦的特技效果，广告设计、电脑游戏、教育、军事、飞行模拟也频频运用计算机动画。计算机动画也因这些商业应用的大力推动而有了极大的发展。n制作软件：制作软件：MAYA,3D-MAX,SOFTIMAGE,Flash.2024/7/1271图图1.20-基于特征的图像变形（猫变虎）基于特征的图像变形（猫变虎）第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4 计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿.2024/7/127212第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4 计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿图图1.21-利用参数关键帧技术动化生成的利用参数关键帧技术动化生成的小狗动态图小狗动态图.2024/7/1273345678第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4 计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿.2024/7/1274第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4 计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿图图1.22-由三维由三维FFD操作得到的鱼的变形图操作得到的鱼的变形图注：FFD表示自由形体变形.2024/7/1275第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4 计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿计计计计算算算算机机机机动动动动画画画画视视视视频频频频.2024/7/1276第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4 计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿5.用户接口用户接口 用户接口是人们使用计算机的第一观感。一个友好的图形化的用户界面能够大大提高软件的易用性。n在DOS时代，计算机的易用性很差，编写一个图形化的界面要费去大量的劳动，过去传统的软件中有60的程序是用来处理与用户接口有关的问题和功能的。n进入80年代后，随着Xwindow标准的提出，苹果公司图形化操作系统的推出，特别是微软公司Windows操作系统的普及，标志着图形学已经全面融入计算机的方方面面。n如今在任何一台普通计算机上都可以看到图形学在用户接口方面的应用。操作系统和应用软件中的图形、动画比比皆是，程序直观易用。很多软件几乎可以不看任何说明书，而根据它的图形、或动画界面的指示进行操作。.2024/7/1277第第1章章 计算机图形学的基础知识计算机图形学的基础知识1.4 计算机图形学的应用与研究前沿计算机图形学的应用与研究前沿n目前几个大的软件公司都在研究下一代用户界面，开发面向主流应用的自然、高效多通道的用户界面。研究多通道语义模型、多通道整合算法及其软件结构和界面范式是当前用户界面和接口方面研究的主流方向，而图形学在其中起主导作用。n计算机软件从事艺术创作计算机软件从事艺术创作。可用于美术创作的软件很多，例如：O二维平面的画笔程序（如CorelDraw，Photoshop，PaintShop）O专门的图表绘制软件（如Visio）O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，Sof