《计算机图形学》全套PPT电子课件教案-第1章计算机图形学概述.ppt

计 算 机 图 形 学 基础,浙江师范大学计算机科学与工程学院,computer graphics course,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、方法与重要算法； 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。掌握visual basic 图形编程基本技术，熟悉delphi、vc+、directx编程环境。,绪论（第1章 图形学相关概念及发展应用、研究动态） 计算机图形设备(第2章 输入、输出、显示、绘制设备) 用户接口及交互式技术(第3章 逻辑输入设备与输入处理) 图形的表示与数据结构（第4章 三维形体与非规则对象表示及图形层次结构概念、几何造型技术） 基本图形生成算法（第5章 直线、(椭)圆、多边形的扫描转换与区域填充、字符属性处理及反走样） 二维图形变换及二维观察（第6章 几何矩阵变换、复合裁剪光栅变换等。） 三维图形变换及三维观察（第7章 几何变换矩阵、复合平行投影、透视投影、三维裁剪及观察坐标系空间等。） 曲线和曲面（第8章 数学描述、插值和样条逼近、三次样条和bezier/b样条曲线曲面、有理样条曲线曲面的转换和计算等。） 高级话题：消隐和真实感图形绘制（第9、10章 区间扫描、深度排序和缓存器算法、区域细分、光线投射算法、光照模型及多边形绘制、阴影透明、纹理定义与凸凹映射、光线跟踪及反走样算法。）,主讲内容,1、本门课程主要是学习图形学的基础理论知识，学习常用的相关的图形、动画、多媒体制作软件的背后的“神秘”的图形绘制和生成算法原理。 2、至于绚丽多彩的计算机图形图像软件使用及操作技术，如3d max、maya、autocad、aftereffects、imagesoft、photoshop、morpher、paintbrush、premiere等不做进一步讨论。 3、重点集中在基本“图形”绘制、三维场景建模原理上，而不是“图像”处理。如柔化、浮雕等属于图像处理范畴（主要采用相邻象素点之间的差分算法），不做重点讨论。计算机图像处理、虚拟现实与计算机视觉属于另一课程内容，也不做深入讨论。代码举例 4、尽量从概念上讲述图形处理所需要的基础知识，让学生在学习后能够系统地掌握这个学科中涉及到的基本概念和思维方式，为进一步学习或者自学相关的软件编程新技术及应用软件操作做知识准备。 5、布置适量的上机编程作业，实现相应曲线曲面的生成绘制及真实感图形的显示算法或者调用gks、opengl、directx图形开发包函数技能，一般建议采用简单的visual basic 语言。实验技能及作业和平时表现占据期末考评30。,补充说明,陈传波、陆枫，计算机图形学基础，电子工业出版社，2001 孙家广，计算机图形学（第三版），清华大学出版社，1999。 唐荣锡(浙江大学)，计算机图形学教程（修订版），科学出版社，2000 donald hearn, m. pauline baker ,“computer graphics (c version)”, prentice hall , 1997. james d. foley, andries van dam etc., “introduction to computer graphics”, addison-wesley, 1996 倪明田等，“计算机图形学”，北京大学出版社，1999 唐泽圣，计算机图形学基础，清华大学出版社，1995 计算机图形学（第二版）,蔡士杰等(译)，电子工业出版社, 2002 计算机辅助设计与图形学学报 中国图形图像学报,教材和参考书,1.1 计算机图形学及其相关概念和研究内容 1.2 计算机图形学的发展历史 1.3 应用举例 1.4 计算机图形系统的功能和结构 1.5 当前研究动态及热门技术：如虚拟现实、gis和科学计算可视化等。,第一讲 计算机图形学概述,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。 德国的wolfgang k giloi定义：图形学由数据结构、图形算法和语言构成。 ieee定义：computer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer.,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是图形，是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。 图形（广义概念）是指能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象，它既包含了各种几何图形以及由函数式、代数方程和表达式所描述的图形，也包含了来自各种输入媒体的图景、图片、图案、图像以及形体实体等。,交叉、界线模糊、相互渗透 计算机图形学既是一门复杂的综合性新兴学科，也是建立在传统的图学理论、现代数学和计算机科学基础上的一门边缘性学科。 拓扑学、集合论、曲线曲面理论是几何造型的数学基础。 对称群理论与晶体图形学、分维几何与分维图形学、画法几何与工程绘图、微分方程与pde曲面等等，也揭示了计算机图形学与相应理论的深刻关系。 形态学、混沌学、小波压缩和dct编码理论等的引入正影响并产生新一代的图形处理技术。,计算机图形学与传统理论 之间的关系,构成图形的要素分成两类：几何要素和非几何要素 几何要素 （刻画形状的点、线、面、体等要素） 非几何要素 （反映物体表面属性或材质的明暗、灰度、色彩、颜色信息等要素） 例如： 一幅黑白照片上的图像是由不同灰度的点构成的； 方程 x2 + y2 = r2 确定的图形则是由具有一定颜色信息且满足这个方程的点所构成的。,图形的要素,点阵法 是用具有灰度或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。 通常把点阵法描述的图形叫做图象(像)（image） 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） （形状参数可以是形状的方程系数、线段的起点和终点等对几何属性的描述；属性参数则描述灰色、色彩、线型等非几何属性。）,计算机中表示图形的方法,计算机图形学试图从非图象形式的数据描述来生成（逼真的）图象。 数字图象处理旨在对图象进行各种加工以改善图象的视觉效果，如增强、分割、存储、压缩、编码、传输、复原等。 计算机视觉是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。,与计算机图形学相关的学科,图像生成（计算机图形学）,数字图像,模型（特征）提取 （计算机视觉，模式识别）,数据模型,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,几何形体在计算机中的表示，分析、研究怎样灵活方便地建立几何形体的数学模型，提高算法效率，在计算机内更好地存储和管理这些模型等。 研究曲线、曲面的表示、生成、拼接、数据拟合。举例：警用滚动指纹采集与图像拼接系统98版,计算几何,研究如何对一幅连续图像取样、量化以产生数字图像， 如何对数字图像做各种变换以方便处理， 如何滤去图像中的无用噪声， 如何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。 图像的柔化、浮雕、锐化、变形等特效处理,图像处理,图形学的逆过程，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）。手写体、印刷体汉字识别、机器视觉、图像分割等。 与中文信息处理等学科有紧密联系。,计算机视觉和模式识别,指纹、人脸面部、虹膜等识别和模式匹配算法。,1.2 计算机图形学的发展,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,1.2.1 计算机图形学的确立,酝酿期（50年代） 1950年，美国mit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。-crt的出现为计算机生成和显示图形提供了可能。 50年代末期，mit林肯实验室，在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。,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：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，从而确立了计算机图形学的学科地位。 -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)。,发展期（70年代） mit、bell lab、 通用汽车公司、剑桥大学开展大规模的研究。 普及期（80年代） 出现了带有光栅图形显示器的个人计算机和工作站，除军事、工业应用外，计算机图形学进入教育、科研、艺术和事务管理甚至家庭领域。 提高增强期（90年代） 向标准化、集成化、智能化方向发展，iso图形标准成熟。 总体特征：技术发展、需求驱动,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(画线显示器:vectorscope或矢量显示器) （为避免图形闪烁，需要刷新，30次/秒。设备昂贵，限制普及.） 60年代后期，存储管式显示器 (优点：不需刷新，价格较低，信息不闪烁； 缺点：不具有显示动态图形的能力，不能进行选择性删除，不适合交互式。) 70年代中期，光栅扫描的图形显示器。 （按象素存储，以点阵形式表示图形，使用专用的缓冲区存放点阵，由视频控制器负责刷新扫描。避免闪烁，形象逼真易于推广应用。） 目前正向着小型化、低电压、数字化方向发展。 如 液晶显示器、等离子显示器、激光显示器等。,图形硬拷贝设备 打印机：针式、喷墨、激光 绘图仪：静电式、笔式 刻字机：激光/机械雕刻机、割字机、切割刻绘机 图形输入设备 二维图形输入设备、三维图形输入设备：键盘、 鼠标、扫描仪、光笔、触摸屏、图形输入板、操纵杆、跟踪球、空间球、拇指轮、灵境头盔、压感手套等。,vectorscope 随机矢量扫描显示器,存储管显示器,crt显示器,未来窗显示器(flatron),液晶显示器(lcd),等离子液晶显示器,10.6 cm超薄、16：9宽屏幕 多种画面选择、超水准画质 全方位视听娱乐享受 24.5分贝超静音、自动省电,今年，全球显示器市场出百花齐放的盛况，薄膜晶体管液晶显示器（tft）仍是显示器面板的霸主，但后起之秀的低温多晶硅（tft ltps）、新一代显示器的有机发光平面显示器（oled）、等离子显示器（pdp）及液晶电视（lcd tv）也大鸣大放。特别是近几年来，迅速崛起的等离子显示器真正的平面超薄、环保无辐射、亮度更高、色彩还原性好、对迅速变化的画面响应速度快。使得它在企业、政府、证券、银行、医疗、军队、大型试算表、自动监视系统和公共场所的大屏幕等等方面应用发挥得游刃有余。,型 号 ： fd-60x30 显示频率 ： 水平为15.73khz- 60khz,50hz-70hz(v) 画 面 ： drp(数字真实画面),数字三维梳状滤波器, lti/cti, 声 音 ： a2立体声, 杜比虚拟, avl, 2x10wrms(s-低音喇叭:选用) 遥 控 ： 有(统一) 外部控制 ： d-sub 25-针接头 电 源 ： 220v / 50hz 耗电量 ： 340 w(最大音频: 370w) 屏尺寸 ： 对角线60英寸 /152cm 宽高比 ： 16 :9 (宽:高) 分辨率 ： 1280 x 720 像素(高密度级) 峰值亮度 ： 270cd/m2 (带 50%的滤波器) 对比度 ： 300:1(暗室并带50%滤波器) 视 角 ： 水平和垂直160 可显示色彩 ： 1千6百70万种 重 量 ： 64公斤 寿 命 ： 20,000小时(经过的时间至50%的初始亮度) 尺寸(mnt) ： 930cm 宽, 71.1cm高, 7.8cm 深 扬声器 ： 145.5cm 宽, 85.3cm 高, 9.9cm 深 输入终端 ： (射频终端(ntsc) (机顶盒) 综合视频输入(rca) x 2 左/右间频输入(rca) x 2 s-视频 dvd为分视频(y,cb,cr) + 左/右 hdtv机顶盒为分视频 (y,pb,pr)+ 左/右 hdtv机顶盒为rgb-sub15针(兼容 480p/720p /1080i=输出方式:480p(sd) 模拟 rgb-sub 15针(兼容pcvga xga) pc音频立体声输入 输出终端 ： 模拟 rgb-sub 15 针 ( 兼容pc vga xga) (机顶盒) 机顶盒为rgb-sub 25 针(rgb/hv 输入与控制) hdtv机顶盒与dvd播放器为分视频 (y/y,pb/cb,pr/cr) +左/右 综合视频输出+ 左/右输出 输入终端 ： 左/右音频输入(rca) x 2 (mnt) 机顶盒为rgb-sub 25 针(rgb/hv 输入与控制) (y/y,pb/cb,pr/cr) +左/右 综合视频输入及 s-视频 显示频率 ： 左/右音频输入(rca) x 2 画 面 ： 水平为15.73千赫至60千赫, 50赫兹至75赫兹(v) 声 音 ： drp (数字真实画面),数字三维梳状滤波器, lti/cti, 遥 控 ： a2立体声,杜比虚拟, avl, 2x10wrms(s-低音喇叭:选用) 外部控制 ： 有(统一) 电 源 ： d-sub 25-针接头 耗电量 ： 220v / 50赫兹 700 瓦( 最大间起源 : 750瓦),打印机,epson（爱普生） lq-1600k4,大幅面打印机=,激光打印机=,喷墨打印机=,针式打印机=,雕刻机,刻字机,适用于不干胶等橱窗展板文字刻绘,1.2.3 图形软件的发展及软件标准的形成,图形软件的发展 开放式、高效率、标准化、集成化、智能化、学科交叉 图形软件标准 优点：与设备无关、与应用无关、具有较高性能，应用程序能以较高起点进行开发。,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有： gks(计算机图形核心系统及其语言联编)、gks-3d(三维图形核心系统及其语言联编)、phigs(程序员层次交互式图形系统及其语言联编)、cgm（计算机图形元文件）、cgi（计算机图形接口）、iges（基本图形转换规范）、step（产品数据转换规范） 事实标准 如sgi的opengl，微软的direct x，adobe的postscript等,采用图形软件标准的优点,在采用了图形软件标准如phigs gks cgi等之后，图形应用软件的开发将得到如下三个方面的好处：,与设备无关 即在图形软件标准基础上开发的各种图形应用软件，不必关系具体设备的物理性能和参数，它们可以在不同硬件系统之间方便的进行移植和运行。 (2) 与应用无关 即图形软件标准的各种图形输入输出处理功能综合考虑了多种应用的不同要求，因此有很好的适应性； (3) 具有较高性能 即图形软件标准能够提供多种图形输出原语和函数，如线段、圆弧、折线、曲线、标志、填充区域、图像、文字等，能处理各种类型的图形输入设备的操作，可以允许对图形分段，也可以对图形进行种种变换。因此，应用程序能以较高的起点进行开发。,面向图形设备的接口标准： 计算机图形元文件(cgm)，(crt,mouse,) 计算机图形接口(cgi).设备驱动程序。 面向应用软件的标准： 程序员层次交互式图形系统（phigs）,gl (图形程序包) （三维）图形核心系统（3d-)gks opengl directx 面向图形应用系统中工程和产品数据模型及其文件格式： 基本图形转换规范（iges） 产品数据转换规范（step）,图形系统标准分类,三种类型的计算机图形软件系统：,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 (graphics kernel system) phigs(programmers hierarchical interactive graphics system ) 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：turbo pascal/turbo c/autolisp/vb/vc/bcb/delphi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。 如：directx opengl,cgi（iso dp 9636),提供控制图形硬件的一种与设备无关的方法。 也可看作图形设备驱动程序的一种标准。 在用户程序和虚拟设备之间，以一种独立于设备的方式提供图形信息的描述和通信。,cgm（iso is8632),- 与设备无关的语义、词法定义的图形文件格式。 - 规定了生成、存储、传送图形信息的格式。 - 面向系统和系统开发者，和cgi配套提供。 - 通用性是其关键属性。,gks,提供了在应用程序和图形输入输出设备之间的功能接口。 与语言无关。 gks提供了一个称为元文件的顺序文件接口 应用程序的所有图形资源由gks控制（通过gks元文件-gksm） gksm用于:图形信息存档；系统传送图形信息； 在gks应用程序间传送图形信息； 与图形信息相关的非图形信息的存储和复用。,phigs（iso is9592）,向应用程序员提供的控制图形设备的图形系统接口； 图形数据按层次结构组织； 提供动态修改和绘制显示图形数据的手段。是一个高度动态化和交互式图形系统。,gl,图形程序库， unix下运行， opengl微机，sgi irix图形工作站 分类：基本图素；坐标变换；设置属性和显示方式；i/o 处理；真实图形显示。,iges（基本图形转换规范）,initial graphics exchange specification 作用：不同的cad/cam系统之间交换数据。 文件格式是ascii码，五节：开始节，目录入口(de)，参数(dp)节，整体节和结束节。,step（产品模型数据转换标准）,standard for the exchange of product model data. 覆盖产品整个生命周期 强调建立能存入数据库中的一个产品模型的完整表示。 克服iges中的问题和缺点。,计算机辅助设计与制造（cad/cam）demo1 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）， 计算机辅助绘图 计算机辅助教学（cai）、远程教育 科学计算可视化 办公自动化和电子出版技术(electronic publication) 计算机艺术、电影特技等 1 2 vrml虚拟现实、灵境技术和环境漫游 1 2 3 4 5 vr gis地理信息系统、数字地图 1 在工业控制及交通方面的应用 如：车牌识别 在医疗卫生方面的应用 电脑游戏，电视广告，节目片头，科教演示(premiere, maya, 3d-max, softimage)诗云 vcd演示 图形用户界面(gui hci),1.3 计算机图形学的应用,可视化,科学计算可视化(scientific visualization)（visualization in scientific computing） 是指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。 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ct/mri图象重建，遥感，流场、气象、核爆模拟，有限元分析。 等等 信息可视化：信息流量，商业统计数据，股市行情。,“科学家们不仅需要分析由计算机得出的计算数据，而且需要了解在计算过程中数据的变化”,当前的研究动态,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,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 易于图像的绘制 人