《计算机图形学》PPT课件.ppt

计算机图形学ComputerGraphics 金良兵lbjin 697297 从事与计算数学和应用数学相关的工作与科研的工具性学科实验数据的显示计算机模拟计算机图形学是计算机能力要求的重要一项论语曰 工欲善其事 必先利其器 课程性质 2 了解图形系统的框架 相关软件 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 学习OpenGL编程 教学要求和目标 3 熟练使用一门程序设计语言及其相应的编译环境 VC 6 0以上数据结构 STL StandardTemplateLibrary 解析几何线性代数掌握OpenGL编程 作为图形API ApplicationProgrammingInterface 应用程序编程接口 课程要求 4 1 计算机图形学 第三版 ComputerGraphicswithopenGLDonaldHearn PaulineBaker著蔡士杰吴春镕孙正兴等译蔡士杰审校电子工业出版社2 计算机图形学原理及实践 C语言描述 JamesD Foley等机械工业出版社3 交互式计算机图形学 自顶向下方法与OpenGL应用EdwardAngel著高等教育出版社 参考书 5 1 OpenGL编程指南OpenGLProgrammingGuide 6thedition机械工业出版社翻译 2008 82 OpenGL2 0精髓人民邮电出版社翻译3 网络资源OpenGL http www opengl org OpenGL GLUT 软件参考资料 6 平时成绩 点名 书面作业等10 15 程序作业 用VisualC 编写25 30 期末考试 闭卷考试60 考核形式 7 计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形 并在专门显示设备上显示的原理 方法和技术的学科 Computergraphicsaregraphicscreatedusingcomputersand moregenerally therepresentationandmanipulationofimagedatabyacomputer fromwiki 第一章计算机图形学综述 8 1 1研究内容1 2发展历史1 3计算机图形学的应用1 4当前研究动态1 5图形设备与系统 本章内容 9 10 1 1研究内容 1 1 1图形的概念1 1 2图形要素1 1 3图形表示法1 1 4图形学研究内容1 1 5图形研究的例子1 1 6和相关学科的关系 11 1 1研究内容 1 1 1图形的概念 计算机图形学的研究对象能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象包括自然景物 拍摄到的图片 用数学方法描述的图形等等1 1 2图形的要素几何要素 刻画对象的轮廓 形状等非几何要素 刻画对象的颜色 材质等1 1 3图形表示法点阵表示枚举出研究对象中所有的点 简称为图像 参数表示由研究对象的形状参数 方程或分析表达式的系数 线段的端点坐标等 属性参数 颜色 线型等 来表示 简称为图形 12 交互式计算机图形处理系统的组成图形输入 输出设备以及图形显示原理基本图形生成算法图形变换与裁剪算法自由曲线和曲面三维实体造型真实感图形显示技术色彩科学的基本理论计算机动画显示技术科学计算的可视化图形的并行处理算法交互式三维实时真实感图形显示 虚拟现实技术 1 1研究内容 1 1 4研究内容 13 1 1 5图形研究的例子图形的输入 如何开发利用图形输入设备及软件将图形输入到计算机中去 以便作各种处理 图形的处理 几何变换平移 缩放 旋转 投影变换平行投影 透视投影运算 集合运算 交 并 差 着色形变 图形的输出 将图形特定的表示形式转换成图形输出系统便于接受的表示形式 并将图形在显示屏或打印机等输出设备上输出 1 1研究内容 人脸变形 14 1 1 6与相关学科的关系 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 1 1研究内容 15 几何形体在计算机中的表示分析 研究建立几何形体的数学模型提供高效算法模型的存储和管理曲线 曲面的表示 生成 拼接 数据拟合 1 1 6与相关学科的关系 1 1研究内容 16 对一幅连续图像取样 量化以产生数字图像 变换数字图像以方便处理 滤去图像中的无用噪声 压缩图像数据以便存储和传输 图像边缘提取 特征增强和提取 一个图象变形的例子 1 1 6与相关学科的关系 1 1研究内容 17 分析和识别输入的图像并从中提取二维或三维的数据模型 特征 例如手写体识别 机器视觉 一个模式识别的例子 1 1 6与相关学科的关系 1 1研究内容 18 1 2发展历史 1 2 1历史追溯1 2 2硬件发展图形显示器的发展图形输入设备的发展1 2 3图形软件及软件标准的发展1 2 4在我国的发展 19 1950年 MIT 旋风一号 WhirlwindI 计算机的图形显示器 类似于示波器的CRT来显示简单图形 CRT的出现为计算机生成和显示图形提供了可能 被动 式图形学20世纪50年代末期 MIT林肯实验室 在旋风计算机Whirlwind上开发SAGE空中防御系统 通过光笔在屏幕上指点与系统交互 标志着交互式图形技术的诞生 1 2发展历史 历史追溯 20 1962年MIT林肯室验室Ivan E Sutherland的博士论文 Sketchpad 一个人 机通信的图形系统 确定了交互式计算机图形学作为一个学科分支的独立地位 基本交互技术图元的分层表示概念数据结构PS Sutherland也是很多图形学常用算法的创始人 1 2发展历史 历史追溯 60年代 美国MIT BellLab 通用汽车公司 洛克希德公司 剑桥大学等开展了大规模的研究70年代进入技术实用化80年代初 图形学依然是较小的学科 原因是图形硬件设备十分昂贵 且基于图形的应用相对较少后来 随着PC和工作站的出现 情况发生了变化 位图图形学 1 2发展历史 历史追溯 22 画线显示器 矢量显示器 随机扫描显示器 存储管式显示器 刷新式光栅扫描显示器 1 2发展历史 硬件发展 图形显示器的发展图形显示器是计算机图形学中关键的设备 23 图形显示器的发展60年代中期 画线显示器 亦称矢量显示器 需要刷新 设备昂贵 限制普及 60年代后期 存储管式显示器不需刷新 价格较低 缺点是不具有动态修改图形功能 不适合交互式 70年代初 刷新式光栅扫描显示器出现 大大地推动了交互式图形技术的发展 1 2发展历史 硬件发展 24 图形输入设备的发展第一阶段 控制开关 穿孔纸等等第二阶段 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 表情等等第五阶段 用户的思维 1 2发展历史 硬件发展 25 数字手套 1 2发展历史 硬件发展 26 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 sHerarchialInteractiveGraphicsSystem OpenGLVTK VisualizationToolkit视觉化工具函式库 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 1 2发展历史 软件发展及软件标准 发展历程 诸侯割据 标准讨论 标准形成 27 通用标准GKS 第一个官方标准 1977 PHIGS事实标准DirectX MS Xlib X Window系统 OpenGL SGI公司 Postscript Adobe公司 1 2发展历史 软件发展及软件标准 28 开始于60年代中后期 80年代以来 发展迅速 硬件发展软件开发和应用学术活动国内会议 CAD CG国际会议 Siggraph Eurographics PacificGraphics学术刊物国内的应用 1 2发展历史 在我国的发展 29 1 3计算机图形学的应用 1 3 1图形用户界面1 3 2CAD CAM1 3 3科学计算可视化1 3 4事务管理1 3 5地理信息系统1 3 6多媒体1 3 7娱乐1 3 8计算机艺术1 3 9虚拟现实 30 1 3计算机图形学的应用 1 3 1图形用户界面图形用户界面 介于人与计算机之间 人与机器的通信 发展过程 由指示灯和机械开关组成的操纵界面 由终端和键盘组成的字符界面 80年代 由多种输入设备和光栅图形显示设备构成的图形用户界面 GUI 90年代 PC 工作站 WIMP W windows I icons M menu P pointingdevices 界面 所见即所得 VR技术 发展方向 31 由计算机发展决定 科学计算型 无处不在的计算机 人机融合 提高交互效率 1 3计算机图形学的应用 32 1 3 2CAD CAM 是图形学的主要应用领域之一 建筑 机械结构和产品设计 结构分析和外形设计 布局 各种管道 电子线路 无纸设计 产品 AutoCADPro ESolidWorks 1 3计算机图形学的应用 33 1 3计算机图形学的应用 34 1 3计算机图形学的应用 35 1 3 3科学计算可视化 科学计算可视化 ScientificVisualization 必要性 直接分析大量的测量数据或统计数据有困难目标 用图形表现抽象的数据应用领域 医学 遥感 流场 气象 核爆模拟 有限元分析 信息可视化 信息流量 商业统计数据 股市行情 1 3计算机图形学的应用 36 1 3 3科学计算可视化 1 3计算机图形学的应用 37 1 3 3科学计算可视化 1 3计算机图形学的应用 38 1 3 3科学计算可视化 1 3计算机图形学的应用 39 1 3 3科学计算可视化 1 3计算机图形学的应用 40 1 3 3科学计算可视化 1 3计算机图形学的应用 41 1 3 3科学计算可视化 1 3计算机图形学的应用 42 1 3 4事务管理 绘制事务管理中的各种图形也是计算机图形学技术应用得最为广泛的领域之一 1 3计算机图形学的应用 43 1 3 4事务管理 1 3计算机图形学的应用 44 1 3 5地理信息系统 GIS 建立在地理图形之上的关于各种资源的综合信息管理系统 数字地球 地形数据作为载体 70 全球信息化 军事 政府决策 旅游 资源调查 计算机处理的常见媒体 文本 图形 图像 语音 音频 视频 动画 在计算机控制下 对多种媒体信息进行生成 操作 表现 存储 通信 或集成的信息系统 特点 媒体的多样性 操作的交互性 系统的集成性 CAI 教学娱乐 1 3计算机图形学的应用 1 3 6多媒体 45 1 3 7娱乐 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 3D MAX SOFTIMAGE MAYA 电视电影动画片 泰坦尼克号 阿凡达 1 3计算机图形学的应用 46 1 3 7娱乐 1 3计算机图形学的应用 47 1 3 7娱乐 1 3计算机图形学的应用 48 1 3 8计算机艺术 Coreldraw Photoshop分形艺术相片真实感模拟与自然媒体仿真技术计算机动画 1 3计算机图形学的应用 49 1 3 8计算机艺术 1 3计算机图形学的应用 50 1 3计算机图形学的应用 1 3 8计算机艺术 51 1 3 8计算机艺术 1 3计算机图形学的应用 52 1 3 8计算机艺术 1 3计算机图形学的应用 53 1 3 9虚拟现实 VirtualReality VirtualReality或称虚拟环境 VirtualEnvironment 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 输入输出设备 1 3计算机图形学的应用 54 在线虚拟现实 虚拟现实建模语言VRML 1 3计算机图形学的应用 55 1 3计算机图形学的应用 56 用粒子系统建立的火 造型技术规则形体 欧氏几何方法不规则形体 分形几何方法粒子系统纹理映射 1 4当前的研究动态 57 造型技术 续 实体造型基于物理的造型基于图像的造型真实感图形绘制技术光照明模型绘制算法快速算法基于图像的绘制 1 4当前的研究动态 58 人机交互技术与计算机网络技术的紧密结合远程医疗与诊断远程导航与维修远程教育 1 4当前的研究动态 59 1 5图形系统与设备 1 5 1图形输入设备1 5 2图形输出设备1 5 3图形绘制设备1 5 4图形处理器1 5 5图形系统与工作站1 3 6虚拟现实系统 按逻辑分为六种 定位 笔划 数值 选择 拾取 字符串常用设备 鼠标器光笔触摸屏坐标数字化仪图形扫描仪 1 5 1图形输入设备 60 阴极射线管 CRT 彩色阴极射线管随机扫描的图形显示器存储管式的图形显示器光栅扫描式图形显示器液晶显示器 LCD LiquidCrystalDisplay 等离子显示器 1 5 2图形输出设备 61 喷墨打印机压电式气泡式静电式固体式激光打印机静电绘图仪笔式绘图仪 1 5 3图形绘制设备 62 简单图形处理器单片图像处理器个人计算机图形卡XGAVGA图形并行处理器美国的J Clark的几何驱动器GE 1 5 4图形处理器 63 基本功能 计算功能存储功能对话功能输入功能输出功能个人计算机图形系统工作站 1 5 5图形系统与工作站 64 又称之为虚拟现实环境 是指由计算机生成的一个实时三维空间系统构成三维输入设备跟踪器头盔显示器应用前景军事 设计 医疗 远程教学 可视化 1 5 6虚拟现实系统 65 小结 1 1研究内容1 2发展历史1 3计算机图形学的应用1 4当前研究动态1 5图形系统与设备 66