计算机图形学基础

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,2011.3,10/7/2024,1,教材或参考书：,教材：,陈锦昌，计算机图形学基础，华南理工大学出版社，2009。,主要参考书：,机械CAD与仿真技术 ;哈尔滨工业大学出版社 ,2000,3D数学基础图形与游戏开发，清华大学出版社.2005,OpenGL编程权威指南 ;中国电力出版社 2001 ;,孙家广等，计算机图形学（第三版），清华大学出版社，2002。,10/7/2024,2,课程考核方法,平时成绩10%：考勤、学习态度；,上机实验和作业30%；,期末笔试60%（开卷）；,作业完成方式,按小组形式完成：2人一组,每次课讲解习题：随机抽4-5个小组进行讲解，由同学介绍开发思路-用流程图等；,10/7/2024,3,讲授内容,第1章 绪论,第2章 VB.NET绘图基础,第3章 基本图形、图案设计,第4章 图形变换及图形设计,第5章 曲线的程序设计,第8章 VB.NET动画技术,第9章 用VB.NET开发交互式CAD系统,第10章 VBA程序设计,10/7/2024,4,教学要求,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。,10/7/2024,5,第一章,2,第1章 绪论,1.1 基本概念1.2 发展过程1.3 应用领域,10/7/2024,6,什么是计算机图形学？,计算机图形学,是利用计算机研究图形的表示、生成、处理、显示的学科。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。,计算机图形学,计算机科学中，最为活跃、得到广泛应用的分支之一,10/7/2024,7,计算机图形学与传统理论关系,：,计算几何,计算数学,微分几何,形态学,混沌学,小波理论,第一章 绪论,特征数据、结构数据,计算机图,形学,模式识别,计算机视觉,图象,数字图象处理,图形,10/7/2024,8,1 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、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。,10/7/2024,9,图形与图象,图象纯指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息。,-Photoshop等软件制作。,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的物理属性共同组成的。,-Autocad等软件制作。,10/7/2024,10,图形学与CAD,1962年，MIT林肯实验室, I. E. Sutherland,“Sketchpad：一个人机交互通信的图形系统”,Coons, “CAD”的概念，Coons曲面，Coons奖,图形学与模式识别,图形学与视觉,基于图像的绘制,基于视频的绘制,10/7/2024,11,1.2 发展历史,1. 历史追溯,2. 硬件发展,图形显示器的发展,图形输入设备的发展,3. 图形软件及软件标准的发展,10/7/2024,12,历史追溯,50年代,1950年，第一台图形显示器作为美国,麻省理工学院,（MIT）旋风I号（Whirlwind I）计算机的附件诞生了,10/7/2024,13,历史追溯,60年代,1962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,-,确定了交互图形学作为一个学科分支（提出基本交互技术、图元分层表示概念及数据结构)。,10/7/2024,14,历史追溯,70年代,图形软件标准化,ACM成立图形标准化委员会，制定,“,核心图形系统,”,（Core Graphics System）、ISO发布CGI、CGM、GKS、PHIGS,真实感图形学,Bouknight提出了第一个光反射模型、Gourand提出“漫反射模型插值”的思想、Phong提出了著名的简单光照模型,实体造型技术,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,10/7/2024,15,80年代,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。,图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展,90年代：,微机和软件系统的普及使得图形学的应用领域日益广泛。,标准化、集成化、智能化,多媒体技术、人工智能、科学计算可视化、虚拟现实,三维造型技术,历史追溯,10/7/2024,16,硬件发展,图形输入设备的发展,第一阶段：控制开关、穿孔纸等等,第一章 绪论,第二阶段：键盘,未来发展：用户的思维,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、表情等等,10/7/2024,17,操纵杆和跟踪球、数据手套,输入设备,第一章,61,操纵杆：,手柄通过一个球形轴承半固定在底座上，在手柄运动时带 动一对电位器或电脉冲产生器,产生信号，控制屏幕上的光标的运动.但精度不够杆，因此一般不用来进行绝对坐标的输入。,跟踪球：,原理与操纵杆类似，只是它是右手直接推动一个球在任意方向滚动，转换成信号，进行图形控制。,10/7/2024,18,第一章 绪论,数据手套,应用,10/7/2024,19,Chapter 1,35,一般工作过程示意图,数据结构,应用程序,图形子程序包,交互装置,主机,显示处理器,输出通道,一般工作过程,10/7/2024,20,应用领域,：,管理、技术,艺术与教育,动,漫,、游戏,CAD/CAM,仿真,过程控制,Chapter 1,8,Application,10/7/2024,21,管理、经济和技术,绘制经济数据的数学、物理的2D或者3D图形,数据走势图，反应在时间维数上的情况,第一章,9,10/7/2024,22,艺术和教育,教学活动,第一章,18,蝉（线框图）,艺术广告,视频,10/7/2024,23,计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）,-CAD/CAM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、反求和加工,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；我国战斗机FC1的设计也采用了这种方法。,反求视频1,反求视频2,加工视频3,第一章 绪论,10/7/2024,24,奥迪效果图和线框图,第一章 绪论,10/7/2024,25,基于工程图纸的三维形体重建,定义：,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：,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,计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）,第一章 绪论,10/7/2024,26,工程图及其三维重建结果1,第一章 绪论,10/7/2024,27,可视化,科学计算可视化(Scientific Visualization),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（Visualization in Scientific Computing）”,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,第一章 绪论,10/7/2024,28,在医学领域，可视化有着广阔的发展前途,是机械手术和远程手术的基础,将医用CT扫描的数据转化为三维图象，帮助医生判别病人体内的患处,由CT数据产生在人体内漫游的图象,可视化的前沿与难点,可视化硬件的研究,实时的三维体绘制,体内组织的识别分割Segmentation,第一章 绪论,10/7/2024,29,基于位置相关的地理图形的关于各种资源的综合信息系统,军事国防，决策支持，旅游，资源调查等。,数字地球,，地形和地理数据作为载体的全球信息化.,地理信息系统（GIS）,第一章 绪论,10/7/2024,30,虚拟现实（Virtual Reality简称VR）,虚拟现实,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。,特点：,三维真实,的虚拟场景,自然,的交互方式,第一章 绪论,车辆人机研究视频,10/7/2024,31,电脑游戏,实时性,逼实性,蕴含了先进的图形处理技术,电视广告，节目片头，科教演示（CAI）,Quake III，“古墓丽影”，“侏罗纪公园”、“皇帝的新衣”、完美风暴,多媒体与娱乐,第一章 绪论,视频,游戏制作视频,10/7/2024,32,物体网格模型的面片简化：,对网格面片表示的模型，在一定误差的精度范围内，删除对结果图像贡献小的点、边、面，从而简化所绘制场景的复杂层度，加快图形绘制速度；,基于图象的绘制(IBR，Image Based Rendering)：,不先建立几何模型；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漫游,真实感图形实时绘制,第一章 绪论,10/7/2024,33,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,主要绘制山、水、云、树、草、火等等,绘制火的粒子系统（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,野外自然景物的模拟,第一章 绪论,10/7/2024,34,由清华大学自然景物平台生成的野外场景,第一章 绪论,10/7/2024,35,日本Yoshinori Dobashi等人绘制的真实感云,第一章 绪论,10/7/2024,36,Xfrog3.0生成的挪威云杉,第一章 绪论,10/7/2024,37,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,非真实感绘制（NPR，Non-Photorealistic Rendering）,第一章 绪论,10/7/2024,38,Georges Winkenb1ach绘制的壶和碗(Siggraph96),第一章 绪论,10/7/2024,39,Salisbury绘制的茶壶(Siggraph97),第一章 绪论,10/7/2024,40,Salisbury绘制的熊(Siggraph97),第一章 绪论,10/7/2024,41,Oliver Deussen绘制的素描树(Siggraph2000),第一章 绪论,10/7/2024,42,钢笔画效果,钢笔素描产生于中世纪，从19世纪开始成为一门艺术，然而用计算机模拟钢笔绘画却是20世纪90年代的事情。,10/7/2024,43,油画效果,10/7/2024,44,水彩画效果,10/7/2024,45,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、影视特技、娱乐、教育、军事、飞行模拟。,分类,二维动画（图像变形，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,计算机动画,第一章 绪论,10/7/2024,46,基于特征的图象变形（猫变虎）,第一章 绪论,10/7/2024,47,由三维FFD操作得到的鱼的变形图,10/7/2024,48,