案例教案第一章绪论

1、计算机图形学计算机图形学第一章第一章 绪论绪论 信电学院信电学院 王利娟王利娟本章内容本章内容n1.1 计算机图形学的概念、发展和应用计算机图形学的概念、发展和应用n1.2 计算机图形系统计算机图形系统n1.3 计算机图形标准计算机图形标准n问题问题1：计算机图形学作为近二十年来科学：计算机图形学作为近二十年来科学技术领域中发展的一门新学科，其研究对技术领域中发展的一门新学科，其研究对象是什么？象是什么？n答案：图形答案：图形 其目的就是为了通过计算机来其目的就是为了通过计算机来设计设计和和构造构造各种图形。各种图形。与图有关的术语有：与图有关的术语有： 图形（图形（graphics）、图像（

2、）、图像（image）、）、 图片（图片（picture）、图案（）、图案（pattern）、）、 图标（图标（icon）、图表（）、图表（chart）、）、 插图（插图（figure）等等。）等等。第1章 绪论1.1 1.1 计算机图形学概念、发展和应用计算机图形学概念、发展和应用1.1.1 计算机图形学的概念计算机图形学的概念n问题问题2：图形如何通过计算机设计和构造，：图形如何通过计算机设计和构造，而不是通过摄像机或扫描仪等设备输入？而不是通过摄像机或扫描仪等设备输入？n答案：计算机图形学的知识答案：计算机图形学的知识 计算机图形学定义：研究通过计算机计算机图形学定义：研究通过计算机（利

3、（利用数学算法）用数学算法）将将数据数据转换为转换为（二维或三维）（二维或三维）图形图形，并在专门显示设备上显示的原理、，并在专门显示设备上显示的原理、方法和技术的学科。方法和技术的学科。第1章 绪论1.1 1.1 计算机图形学概念、发展和应用计算机图形学概念、发展和应用1.1.1 计算机图形学的概念计算机图形学的概念n问题问题3：“计算机图形学计算机图形学”和和“图像处理图像处理”？n 研究对象：研究对象：“图像图像”为为image，是通过摄像机或扫描仪，是通过摄像机或扫描仪等设备输入后进行数字化图像处理。等设备输入后进行数字化图像处理。图像例子：人眼所见图像例子：人眼所见 照片：单张图像照

4、片：单张图像 电视电影：图像序列电视电影：图像序列 连续的图像为连续的图像为“视频视频”-video。第1章 绪论1.1 1.1 计算机图形学概念、发展和应用计算机图形学概念、发展和应用1.1.1 计算机图形学的概念计算机图形学的概念n问题问题3：“计算机图形学计算机图形学”和和“图像处理图像处理”区区别？别？n 研究对象：研究对象：“图形图形”为为graphics ，是通过使用计算机，是通过使用计算机通过算法和程序在显示设备上构造出的。通过算法和程序在显示设备上构造出的。 图形可以是现实世界中已有的，也可以是图形可以是现实世界中已有的，也可以是完全虚构的。完全虚构的。 连续的图形为连续的图形

5、为“动画动画”-animation 。 第1章 绪论1.1 1.1 计算机图形学概念、发展和应用计算机图形学概念、发展和应用1.1.1 计算机图形学的概念计算机图形学的概念图像例子：经扫描的照片（单张图像）图像例子：经扫描的照片（单张图像）图形例子：用绘图指令图形例子：用绘图指令draw绘制的各种图形。绘制的各种图形。下表可说明图形学和图象处理的区下表可说明图形学和图象处理的区别和特点别和特点 n问题问题4 4：“计算机图形学计算机图形学”的研究内的研究内容容n硬件和软件两方面技术硬件和软件两方面技术，用计算机对图形，用计算机对图形数据进行处理数据进行处理n基础算法基础算法，保证生成、表示物体

6、的图形图，保证生成、表示物体的图形图像的准确性、真实性和实时性像的准确性、真实性和实时性计算机图形系统计算机图形系统第1章 绪论1.1 1.1 计算机图形学概念、发展和应用计算机图形学概念、发展和应用1.1.1 计算机图形学的概念计算机图形学的概念n问题问题4 4：“计算机图形学计算机图形学”的研究内的研究内容容基基础础算算法法 基于图形设备的基本图形元素的生成算法基于图形设备的基本图形元素的生成算法 图形元素的几何变换图形元素的几何变换 样条曲线和样条曲面样条曲线和样条曲面 三维几何造型技术三维几何造型技术 三维形体的实时显示三维形体的实时显示 真实感图形的生成算法真实感图形的生成算法 自然

7、景物的模拟生成算法自然景物的模拟生成算法 科学计算可视化和三维数据场的可视化科学计算可视化和三维数据场的可视化第1章 绪论1.1 1.1 计算机图形学概念、发展和应用计算机图形学概念、发展和应用1.1.1 计算机图形学的概念计算机图形学的概念n问题问题5 5：“计算机图形学计算机图形学”的发展的发展n 准备阶段：准备阶段：2020世纪世纪5050年代年代n 发展阶段：发展阶段：2020世纪世纪6060年代年代n 推广应用阶段：推广应用阶段：2020世纪世纪7070年代年代n 系统实用化阶段：系统实用化阶段：2020世纪世纪8080年代年代n 标准化智能化阶段：标准化智能化阶段：2020世纪世纪

8、9090年代年代第1章 绪论1.1 1.1 概念、发展和应用概念、发展和应用1.1.2 计算机图形学的发展计算机图形学的发展准备阶段（准备阶段（50年代）年代）19501950年，年，MATMAT，第一台图形显示器，第一台图形显示器 ，旋，旋风风I I号号(Whirlwind I)(Whirlwind I)计算机的附件计算机的附件类似于示波器的阴极射线管类似于示波器的阴极射线管 (CRT) (CRT) 5050年代末期，年代末期，MATMAT林肯实验室，在林肯实验室，在“旋旋风风”计算机上开发计算机上开发SAGESAGE空中防御系统空中防御系统光笔，交互式图形生成技术诞生。光笔，交互式图形生成

9、技术诞生。 第1章 绪论1.1 1.1 概念、发展和应用概念、发展和应用1.1.2 计算机图形学的发展计算机图形学的发展发展阶段（发展阶段（60年代年代,大型计算机和图形显示器）大型计算机和图形显示器）MATMAT林肯实验室，林肯实验室，I.E.SutherlandI.E.Sutherland发表博士论文发表博士论文首次使用首次使用Computer GraphicsComputer Graphics术语术语计算机图形学之父，计算机图形学之父，6060年代中期，美国年代中期，美国IBMIBM、通用汽车公司、贝尔电、通用汽车公司、贝尔电话实验室、洛克希德飞机公司、法国雷诺汽车公话实验室、洛克希德飞

10、机公司、法国雷诺汽车公司、英国剑桥大学司、英国剑桥大学随机扫描显示器随机扫描显示器第1章 绪论1.1 1.1 概念、发展和应用概念、发展和应用1.1.2 计算机图形学的发展计算机图形学的发展推广应用阶段（推广应用阶段（7070年代，集成电路，小年代，集成电路，小 型及超小型机）型及超小型机）基于电视技术的光栅扫描显示器的出现，基于电视技术的光栅扫描显示器的出现，图形学进入了第一个兴盛的时期，并开始图形学进入了第一个兴盛的时期，并开始出现实用的出现实用的CADCAD图形系统。图形系统。众多商品化软件的出现，使图形标准化问众多商品化软件的出现，使图形标准化问题也被提上议程。题也被提上议程。7474

11、年，美国计算机学会成立图形标准化委年，美国计算机学会成立图形标准化委员会员会(ACM SIGGRAPH)(ACM SIGGRAPH)第1章 绪论1.1 1.1 概念、发展和应用概念、发展和应用1.1.2 计算机图形学的发展计算机图形学的发展系统实用化阶段（系统实用化阶段（80年代）年代）8080年代，超大规模集成电路的发展，奠定了物年代，超大规模集成电路的发展，奠定了物质基础，质基础，促进了图形学的发展。，促进了图形学的发展。标准化智能化阶段（标准化智能化阶段（90年代）年代）朝着标准化、集成化和智能化的方向发展朝着标准化、集成化和智能化的方向发展国际标准化组织（国际标准化组织（ISOISO）

12、公布的图形标准也越多、）公布的图形标准也越多、且更加成熟且更加成熟第1章 绪论1.1 1.1 概念、发展和应用概念、发展和应用1.1.2 计算机图形学的发展计算机图形学的发展n问题问题6 6：“计算机图形学计算机图形学”的应用情况？的应用情况？n用户接口用户接口( (软件人性化设计软件人性化设计) )nCAD/CAM.(CAD/CAM.(精确易修改精确易修改) )n计算机仿真与动画计算机仿真与动画( (电影特技和飞行员的太空模拟驾驶舱电影特技和飞行员的太空模拟驾驶舱) )n制图学方面制图学方面( (人口分布图人口分布图, ,气象图气象图, ,股票走势图等股票走势图等) )n过程控制过程控制(

13、(铁路铁路, ,机场调度机场调度) )n办公自动化办公自动化( (多媒体技术多媒体技术, ,可视电话可视电话, ,视频会议视频会议) )n艺术模拟艺术模拟( (艺术创作艺术创作, ,传统油画传统油画, ,中国国画中国国画, ,书法等书法等) )n科学计算可视化科学计算可视化( (科学计算结果图形化科学计算结果图形化) )n虚拟现实虚拟现实( (虚拟校园模拟虚拟校园模拟) )n教育领域教育领域第1章 绪论1.1 1.1 概念、发展和应用概念、发展和应用1.1.3 计算机图形学的应用计算机图形学的应用计算机图形学应用举例计算机图形学应用举例（1 1）用户接口）用户接口( (图形用户界面图形用户界面

14、GUI)GUI)nMacintoshMacintosh微机首先在商品化产品上用形象的图形微机首先在商品化产品上用形象的图形表示操作命令，使得普通用户也会用计算机画图、表示操作命令，使得普通用户也会用计算机画图、作日常计算，打破了人们对操作计算机所持的神作日常计算，打破了人们对操作计算机所持的神秘感。图文形式相结合大大改善了计算机交互操秘感。图文形式相结合大大改善了计算机交互操作的用户界面，开辟了计算机应用的很多新领域。作的用户界面，开辟了计算机应用的很多新领域。Fastest browser on the Mac Macintosh微机首次将图形用户界面广泛微机首次将图形用户界面广泛应用到个人

15、电脑之上应用到个人电脑之上 计算机图形学应用举例计算机图形学应用举例（2 2）计算机辅助设计与制造）计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)(CAD/CAM)n交互图形工作站在机械、电子、建筑等行业中迅交互图形工作站在机械、电子、建筑等行业中迅速取代绘图板加丁字尺的传统设计方法，担负起速取代绘图板加丁字尺的传统设计方法，担负起繁重的日常绘图任务、总体方案的优化、细节设繁重的日常绘图任务、总体方案的优化、细节设计等工作计等工作机械机械CADCAD系统所生成系统所生成的零件、装配件的零件、装配件 图图 传统的机械加工过程传统的机械加工过程快速自动成型制造快速自动成型制造(RPM-Rapid Prot

16、yping Manufacturing)系统系统AutoCAD, GHCAD, SolidWorks, Pro/E, UG, CATIA, MDTAutoCAD, GHCAD, SolidWorks, Pro/E, UG, CATIA, MDTBoeing777Boeing777无纸设计无纸设计计算机图形学应用举例计算机图形学应用举例（3 3）事物和商务数据的图形显示）事物和商务数据的图形显示多数图形程序都具有二维或三维数据的处理能多数图形程序都具有二维或三维数据的处理能力力, 二维图形包括直方图、二维图形包括直方图、 线条图、线条图、 表面图或表面图或扇形图等扇形图等; 三维图形多用于显示多

17、种形体间或者三维图形多用于显示多种形体间或者多种参数间的关系多种参数间的关系, 如统计关系百分比图、如统计关系百分比图、 分分布关系图等。有的图形采用三维图形显示还可布关系图等。有的图形采用三维图形显示还可以表达数据的动态性质以表达数据的动态性质, 如增长速度、如增长速度、 变化趋变化趋势等。势等。图 3D直方图与构成图 (a) 直方图； (b) 构成图 图 扇形图与表面图示例(a) 扇形图； (b) 曲面的表面图计算机图形学应用举例计算机图形学应用举例（4 4）地形地貌和自然资源的图形显示）地形地貌和自然资源的图形显示应用计算机图形学生成技术产生高精度的地理图形应用计算机图形学生成技术产生高

18、精度的地理图形或自然资源的图形或自然资源的图形成三维的地形地貌图成三维的地形地貌图 图 地形地貌与海洋图(a) 一个凹坑的地貌图； (b) Oslo部分地形地貌图； (c) 海洋温度的可视化计算机图形学应用举例计算机图形学应用举例（5 5）过程控制及系统环境模拟）过程控制及系统环境模拟计算机过程控制是使用计算机系统实现生产过程计算机过程控制是使用计算机系统实现生产过程的在线监视、的在线监视、 操作指导、操作指导、 控制和管理的技术。控制和管理的技术。 计算机通过把与它连通的实时测试体、计算机通过把与它连通的实时测试体、 传感器等传感器等采集到的非图形信号采集到的非图形信号, 加工处理成图像加工

19、处理成图像, 显示在屏显示在屏幕上。幕上。 图形显示清晰明了图形显示清晰明了, 操作人员观察审视操操作人员观察审视操作过程中的各个环节状态情况作过程中的各个环节状态情况, 控制对象控制对象(如发电如发电厂、厂、 化工厂等生产过程化工厂等生产过程)操作既安全又方便操作既安全又方便, 且可且可提高工作效率。提高工作效率。图图 东风井东风井2#风机运行画面风机运行画面 图图 东风井东风井2#风机控制画面风机控制画面 计算机图形学应用举例计算机图形学应用举例（6 6）电子出版及办公室自动化）电子出版及办公室自动化办公自动化办公自动化(OA)是一种解决特定行政办公类需求是一种解决特定行政办公类需求的信息

20、系统。的信息系统。 随着科学技术的迅速发展随着科学技术的迅速发展, 在办公在办公室繁琐的日常工作中室繁琐的日常工作中, 大量杂乱无章的文件数据大量杂乱无章的文件数据分类、分类、 汇总、汇总、 加工成不同要求的文字和图形报加工成不同要求的文字和图形报告告, 以及以及“电子邮件电子邮件”通信等通信等, 都可以由价廉物美、都可以由价廉物美、 易于操作易于操作, 具有高质量的显示设备的微型计算机具有高质量的显示设备的微型计算机系统来完成。系统来完成。计算机图形学应用举例计算机图形学应用举例（7 7）计算机动画和艺术）计算机动画和艺术计算机动画已经成为计算机图形学的一个分支，并计算机动画已经成为计算机图

21、形学的一个分支，并逐步进入实用阶段。逐步进入实用阶段。1996 Independence1996 IndependenceDay Day 因其可视效果获因其可视效果获oscaroscar人脸变猫脸的过程钢钢笔笔画画效效果果 钢笔素描产生于中世纪，从钢笔素描产生于中世纪，从19世纪开始成为一门艺术世纪开始成为一门艺术 计算机模拟钢笔绘画始于计算机模拟钢笔绘画始于20世纪世纪90年代年代 油画效果油画效果水彩画效果水彩画效果计算机图形学应用举例计算机图形学应用举例（8 8）科学计算的可视化）科学计算的可视化 来自高速计算机、人造地球卫星、地震勘来自高速计算机、人造地球卫星、地震勘探、核磁共振等途径

22、的海量数据。探、核磁共振等途径的海量数据。 科学计算可视化就是应用计算机图形生成科学计算可视化就是应用计算机图形生成技术将科学及工程计算的中间结果或最后结果技术将科学及工程计算的中间结果或最后结果以及测量数据等在计算机屏幕上以图像形式显以及测量数据等在计算机屏幕上以图像形式显示出来，使人们能观察到用常规手段难以观察示出来，使人们能观察到用常规手段难以观察到的自然现象和规律，实现科学计算环境和工到的自然现象和规律，实现科学计算环境和工具的进一步现代化。具的进一步现代化。 图 科学计算可视化的简单例子(a)二次方程5x2+10y2 +2z2+10yz+2y=c的可视化； (b)四元函数f(q)=q

23、(1-q)生成的 4D分形的3D投影；(c) Fermat大定理n=5的可视化；(d)以多种颜色混合绘制的数学函数曲线 图 可视化应用示例(a) 水库模型的裁剪； (b) 地形地貌3D图； (c) 房屋结构的可视化(a) 数字虚拟人头部横截面； (b) 由数字虚拟人重建的人体内部模型计算机图形学应用举例计算机图形学应用举例（9 9）计算机模拟与仿真）计算机模拟与仿真计算机模拟与仿真是利用计算机模拟某个系统、计算机模拟与仿真是利用计算机模拟某个系统、 某种效应和过程。某种效应和过程。 把某个物理现象经数值模拟而把某个物理现象经数值模拟而数字模型化数字模型化, 再将该模型以图像的形式显示出来再将该

24、模型以图像的形式显示出来, 通通过模型再来研究物理现象或系统，过模型再来研究物理现象或系统， 这是进行系统这是进行系统分析和仿真的有效手段。分析和仿真的有效手段。 图 计算机模拟与仿真示例(a) 气象过程的模拟； (b) F16飞行仿真 计算机图形学应用举例计算机图形学应用举例（1010）计算机辅助教学）计算机辅助教学计算机辅助教学系统利用图形显示设备或电视终计算机辅助教学系统利用图形显示设备或电视终端端, 可以有声有色地生动地演示各个不同层次的教可以有声有色地生动地演示各个不同层次的教学内容学内容, 让学生让学生(用户用户)使用人机交互手段使用人机交互手段, 进行学进行学习和研究习和研究,

25、绘图或仿真操作绘图或仿真操作, 使整个教学过程直观使整个教学过程直观形象，形象， 有利于加深理解所学的知识有利于加深理解所学的知识, 并可自我考并可自我考核打分。核打分。 图 一个计算机图形学课件示意图 1.2 计算机图形系统计算机图形系统n计算机图形系统计算机图形系统n计算机图形系统的功能计算机图形系统的功能n计算机图形设备计算机图形设备n图形输入设备图形输入设备n图形输出设备图形输出设备n图形显示设备图形显示设备n图形处理平台图形处理平台主机主机第1章 绪论1.2 1.2 计算机图形系统计算机图形系统1.2 计算机图形系统计算机图形系统图形输出设备图形输出设备输出输出计算计算输入输入图形输

26、入设备图形输入设备显示器显示器交互交互存储存储数据库数据库计算机计算机图形系统基本功能框图图形系统基本功能框图形体设计、变换、形体设计、变换、生成、求交等生成、求交等人机通信，通过显示屏幕观人机通信，通过显示屏幕观察设计的结果和图形，用鼠察设计的结果和图形，用鼠标或键盘等输入装置对不满标或键盘等输入装置对不满意的部分做出修改意的部分做出修改内存、外存中存内存、外存中存放图形数据放图形数据把用户设计过程把用户设计过程中图形的形状、中图形的形状、尺寸等参数或命尺寸等参数或命令输入计算机令输入计算机设计好的图形的显设计好的图形的显示和打印示和打印第1章 绪论1.2 1.2 计算机图形系统计算机图形系

27、统n计算机图形系统硬件的基本组成计算机图形系统硬件的基本组成显示器件显示器件显示处理器显示处理器主机主机硬拷贝装置硬拷贝装置刷新存储器刷新存储器交互装置交互装置第1章 绪论1.2 1.2 计算机图形系统计算机图形系统1.2.1 计算机图形系统硬件计算机图形系统硬件（1 1）图形输入设备）图形输入设备n向量型图形输入设备向量型图形输入设备p采取跟踪轨迹、记录坐标点的方法输入图形采取跟踪轨迹、记录坐标点的方法输入图形p常用的有数字化仪、鼠标器、光笔等。常用的有数字化仪、鼠标器、光笔等。n光栅扫描型图形输入设备光栅扫描型图形输入设备p采取逐行扫描、按一定密度采样的方式输入采取逐行扫描、按一定密度采样

28、的方式输入图形图形p常用的有扫描仪和摄像机。常用的有扫描仪和摄像机。 第1章 绪论1.2 1.2 计算机图形系统计算机图形系统1.2.1 计算机图形系统硬件计算机图形系统硬件n图形输入设备的功能可分为图形输入设备的功能可分为6 6类：类：p确定点坐标即定位确定点坐标即定位 p确定一系列点的坐标即笔划确定一系列点的坐标即笔划 p确定数值确定数值 p进行选择进行选择 p进行图形识别进行图形识别 p识别字符串识别字符串 第1章 绪论1.2 1.2 计算机图形系统计算机图形系统1.2.1 计算机图形系统硬件计算机图形系统硬件p键盘键盘 p鼠标鼠标u光电式、机械式鼠标光电式、机械式鼠标 p坐标数字化仪坐

29、标数字化仪: :u机械式、超声波式、全电子式坐标数字化仪、三维数机械式、超声波式、全电子式坐标数字化仪、三维数字化仪字化仪 p光笔光笔p触摸屏触摸屏u电阻式和电容式、红外线式、声表面波式电阻式和电容式、红外线式、声表面波式 p图形扫描仪图形扫描仪 扫描仪通过光电转换、点阵采样的方式，将一幅画面变为扫描仪通过光电转换、点阵采样的方式，将一幅画面变为数字图像数字图像 n几种主要图形输入设备几种主要图形输入设备第1章 绪论1.2 1.2 计算机图形系统计算机图形系统美国美国CALCOMP公公司生产的数字化仪司生产的数字化仪第1章 绪论1.2 1.2 计算机图形系统计算机图形系统常用的图形输出设备分为

30、两类：常用的图形输出设备分为两类：n向量型向量型p向量型设备的作画机构随着图形的输出形状向量型设备的作画机构随着图形的输出形状而移动并成像而移动并成像n光栅扫描型光栅扫描型p光栅扫描型设备的作画机构按光栅矩阵方式光栅扫描型设备的作画机构按光栅矩阵方式扫描整张图面，并按输出内容对图形成像。扫描整张图面，并按输出内容对图形成像。（2 2）图形输出设备）图形输出设备第1章 绪论1.2 1.2 计算机图形系统计算机图形系统1.2.1 计算机图形系统硬件计算机图形系统硬件p图像显示设备图像显示设备u各种显示器各种显示器p图形绘制设备图形绘制设备u打印机和绘图仪打印机和绘图仪n几种主要图形输出设备几种主要

31、图形输出设备n 操作系统操作系统：与一般计算机系统基本上没有差别：与一般计算机系统基本上没有差别n 程序设计语言程序设计语言：要求具有较强的图形图像处理能力，：要求具有较强的图形图像处理能力，首选首选C/C+C/C+语言语言n 应用软件应用软件：多种，：多种，代表性的产品有：代表性的产品有： AutoCAD、 3D Studio和和3DS MAX、 Freehand、 CorelDRAW、MAYA等。等。 第1章 绪论1.2 1.2 计算机图形系统计算机图形系统1.2.2 计算机图形系统软件计算机图形系统软件1.3 计算机图形标准计算机图形标准n计算机图形的标准是指图形系统及其相关应用系统计算机图形的标准是指图形系统及其相关应用系统中各界面之间进行数据传送和通信的中各界面之间进行数据传送和通信的接口标准接口标准，以及，以及供图形应用程序调用的供图形应用程