计算机图形学第1章课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,计算机图形学基础,计算机学院,.,2024/8/9,1,计算机图形学基础计算机学院.2023/8/31,教学要求,了解图形系统的框架及其涉及的软件、硬件技术；,了解图形学的基本问题，掌握图形学的基本概念、方法与算法；,对与图形相关的应用及当前的研究热点有一个初步认识；,具有一定实践体会和相关的编程能力,(OpenGL).,.,2024/8/9,2,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1章 绪论（,3,学时）,第2章 计算机图形系统与图形硬件,（,3,学时）,第3章 用户接口与交互式技术（,3,学时）,第4章 图形的表示与数据结构 （1,2,学时）,第5章 基本图形生成算法*（1,5,学时）,第6章 二维图形变换及二维观察*（1,2,学时）,第7章 三维图形变换及三维观察 （2学时）,第8章 曲线和曲面 （2学时）,第9、,10,章 消隐及真实感图形显示 （2学时）,OpenGL,图形编程,（,3,学时）,.,2024/8/9,3,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，1999。,王汝传，计算机图形学，人民邮电出版社，,2002,。,容观澳，计算机图像处理，清华大学出版社，,2000,。,Donald Hearn,M.Pauline Baker,著,蔡士杰等译，计算机图形学（第三版），电子工业出版社，,2005,。,Dave Shreiner,等著，邓郑祥译，,OpenGL,编程指南（第四版），人民邮电出版社，,2005,。,陆枫、何云峰，计算机图形学基础（第二版），200,8.10,教材：,.,2024/8/9,4,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1章 概论,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？,计算机图形学的应用,.,2024/8/9,5,第1章 概论提出问题什么是计算机图形学？.2023/8/35,1.1 计算机图形学及其相关概念,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。,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）,.,2024/8/9,6,1.1 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图形,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。,.,2024/8/9,7,计算机图形学的研究对象图形.2023/8/37,两类图形要素：,1.几何要素：点，线，面，体等；,2.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：,从客观世界物体中抽象出来的带有颜色及形状信息的图和形。,.,2024/8/9,8,两类图形要素：.2023/8/38,图形的两种表示方法：,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）,.,2024/8/9,9,图形的两种表示方法：.2023/8/39,1.1计算机图形学的研究内容,计算机图形学,（,Computer Graphics）,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：,Computer graphics,is the art or science of producing graphical images with the aid of computer,.,.,2024/8/9,10,1.1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,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)。,.,2024/8/9,11,计算机图形学(computer graphics,CG)用计,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,视觉,图象信号,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,.,2024/8/9,12,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（50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,1.2.1计算机图形学的确立,.,2024/8/9,13,酝酿期（50年代）1.2 计算机图形学的发展1.2.1计算,1950年，美国,MIT,用于空中防御系统研究的旋风1号(,Whirlwind I),计算机配备了阴极射线管(,CRT),来显示一些简单的图形，它标志着交互式图形技术的诞生。,.,2024/8/9,14,1950年，美国MIT用于空中防御系统研究的旋风1号(Whi,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：,第一个人-机通信的图形系统,的博士论文，其中首次使用了“,Computer Graphics,”,术语。,他提出的,计算机图形学,、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想已被公认为对交互图形生成技术的发展奠定了基础。这些基本理论和技术至今仍是现代图形技术的基础。,.,2024/8/9,15,萌芽期（60年代）.2023/8/315,发展期（70年代）,：,IC,技术、计算机硬件性价比提高、廉价图形,IO,设备及大容量磁盘等出现;,CADCAM;,实用化;,Lockheed,.,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；,真实感图形学和实体造型技术；,.,2024/8/9,16,发展期（70年代）：.2023/8/316,普及期（80年代）,：,光栅图形,CRT,PC,WS;,大量基于图像形的应用软件出现,出现了带光栅图形显示器的个人计算机和工作站。,光线跟踪算法和辐射度算法的提出，标志着计算机真实感图形学的算法已经日渐成熟。,提高增强期（90年代）,：,性能价格比的极大提高；标准化，集成化，智能化,总体特征：,技术发展、需求驱动,.,2024/8/9,17,普及期（80年代）：.2023/8/317,1.2.2 硬设备的发展,图形显示设备,60年代中期：随机扫描的显示器,(闪烁，需刷新),60年代后期：存储管式显示器,（不能动态显示，不能局部删除）,70年代中期：光栅扫描的图形显示器（,OK）。,图形显示器正向着,小型化、低电压、数字化,方向发展,.,2024/8/9,18,1.2.2 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,：,用于把图形画在纸上，也称硬拷贝,打印机（针式，喷墨，激光，）,Epson LX-800,(1980s),EPSON Stylus Photo 950,(2005),.,2024/8/9,19,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）,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,.,2024/8/9,20,绘图仪（平板，滚筒，静电，笔式）1959年，美国Calco,图形输入设备,二维图形输入设备,（键盘，光笔，鼠标，）,三维图形输入设备,（数据手套，空间球，）,.,2024/8/9,21,图形输入设备.2023/8/321,1.2.3 图形软件的发展,随着计算机图形显示器从专用设备发展成标准化的人机通信接口，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,早期的绘图软件大都采用线框式图形数据结构，该结构特别适合于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。,20世纪60年代末期开始研究和发展实体造型技术，如英国剑桥大学的,I.C.Braid,的,BUILD,系统、美国罗彻斯特大学的,PADL-1,系统和日本北海道大学的,TIPS-1,系统。这些系统都在计算机内提供了对物体的完整的几何定义，可随时提取所需信息。,开放式、高效率、标准化、集成化、智能化、学科交叉,.,2024/8/9,22,1.2.3 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。,.,2024/8/9,23,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,CATIA,CATIA,系统设计的轮船,CATIA,系统设计的,MIRAGE,2000-5,.,2024/8/9,24,Dassault System公司的CATIACATIA系统,1.2.3 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、与应用无关，具有较高性能,官方标准,第一个图形软件标准是由德国提出的图形核心系统,GKS,(,Graphics Kernel System)，,这是一个二维图形软件包。,1988年，,GKS,的三维扩充,GKS-3D,成为三维图形软件,标准。,GKS,标准下的图形,.,2024/8/9,25,1.2.3 计算机图形的标准化GKS标准下的图形.2023/,1986年，,ISO,提出程序员分层交互图形系统,PHIGS,(,Programmers Hierarchical Interactive Graphics System)，,支持三维图形的层次嵌套结构。,PHIGS,标准下的图形,.,2024/8/9,26,1986年，ISO提出程序员分层交互图形系统PHIGS(P,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还有：,CGM(Computer Graphics Metafile)、,CGI(Computer Graphics Interface)、,IGES(Initial Graphics Exchange Specification),事实标准(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。,.,2024/8/9,27,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,OpenGL,1,st,environment for developing portable,interactive,2D and 3D graphics applications(1992),Industrys most widely used and supported 2D and 3D graphics application programming interface(API),a wide variety of computer platforms.,.,2024/8/9,28,OpenGL.2023/8/328,Direct X,An advanced suite of,multimedia,application programming interfaces(APIs)built into Microsoft Windows(1995),Provides a standard development platform for Windows-based PCs without having to write hardware-specific code.,.,2024/8/9,29,Direct X.2023/8/329,PostScript,A programming language optimized for,printing,graphics and text(whether on paper,film,or CRT)(1985),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.,.,2024/8/9,30,PostScript.2023/8/330,1.,3,计算机图形学的应用,计算机辅助设计与制造（,CAD/CAM）,计算机辅助绘图,计算机辅助教学（,CAI）,办公自动化和电子出版技术,计算机艺术设计,在工业控制及交通方面的应用,在医疗卫生方面的应用,图形用户界面(,GUI:Windows,Menu,Icon),。,.,2024/8/9,31,1.3 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,。,.,2024/8/9,32,（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。,.,2024/8/9,33,（2）地理信息系统(Geographical Informa,（3）科学计算可视化（,Visualization in Scientific Computing）,可视化技术广泛应用于流体力学、有限元分析、医学、天气预报、海洋和空间探测等领域。已成为一种从海量的计算数据和测量数据中发掘其蕴含的自然、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。,.,2024/8/9,34,（3）科学计算可视化（Visualization in Sc,（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面，其中当前帧画面是对前一帧画面的部分修改。,.,2024/8/9,35,（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,.,2024/8/9,36,36刚体动画计算机动画的分类.2023/8/336,（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设计、航空驾驶和实验等工作中，如构造虚拟天空、地面、山峰、树木等，并产生出巨大的经济效益。,由清华大学自然景物平台生成的野外场景,.,2024/8/9,37,（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,.,2024/8/9,38,日本Yoshinori Dobashi等人绘制的真实感云计算,（6）虚拟现实(,Virtual-reality，VR),虚拟现实是指由计算机实时生成一个虚拟的三维空间，用户可在其中自由运动，随意观察周围的景物，并通过一些特殊的设备与虚拟物体进行交互操作，使用户产生一种身临其境的感觉。,.,2024/8/9,39,（6）虚拟现实(Virtual-reality，VR),40,沉浸,（,Immersion,）：全方位投入，使用户产生身临其景的感觉。,交互（,Interaction,）：响应用户的各种输入手势、语言命令以及身体动作。,构想（,Imagination,）：生动形象地反映设计者的思想。,虚拟现实技术,.,2024/8/9,40,40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。,能对用户的动作产生力反馈,。,虚拟现实的关键技术,.,2024/8/9,41,41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,