计算机图形学CG01-综述

1、1计算机图形学计算机图形学2第第1章章 计算机图形学综述计算机图形学综述3本章目标l掌握计算机图形学基本概念及研究内容掌握计算机图形学基本概念及研究内容l掌握图形的组成和表示掌握图形的组成和表示l了解计算机图形学的发展史了解计算机图形学的发展史l初步认识与图形相关的应用及当前的研究热点初步认识与图形相关的应用及当前的研究热点4主要内容l1.1 计算机图形学的研究内容计算机图形学的研究内容l1.2 计算机图形学应用计算机图形学应用l1.3 计算机图形学发展史计算机图形学发展史l1.4 计算机图形学当前的研究热点计算机图形学当前的研究热点 51.1 计算机图形学的研究内容l计算机图形学（计算机图形

2、学（Computer Graphics）nISO定义：计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为定义：计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形图形，并在专门的显示设备上显示的原理、方法和技术，并在专门的显示设备上显示的原理、方法和技术的学科的学科 nIEEE定义：定义： Computer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer通俗地讲，计算机图形学就是应用计算通俗地讲，计算机图形学就是应用计算机技术进行图形的生成、处理和输出。机技术进行图形的生成、处理和输出。6

3、1.1 计算机图形学的研究内容l图形（图形（graphics）n计算机图形学的研究对象计算机图形学的研究对象n能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象u自然景物、拍摄到的图片自然景物、拍摄到的图片u用数学方法描述的图形用数学方法描述的图形(如如sin函数曲线函数曲线)n图形可以是现实世界中已经存在的物体，也可以是完全图形可以是现实世界中已经存在的物体，也可以是完全虚构的物体虚构的物体n本课程：是人们通过计算机设计和构造出来的，可以用本课程：是人们通过计算机设计和构造出来的，可以用计算机生成、显示、存储、处理并且输出计算机生成、显示、存储、处理并且输出71

4、.1 计算机图形学的研究内容l图形的基本要素图形的基本要素n几何要素几何要素 刻画对象的轮廓、形状等（点，线，面，体）刻画对象的轮廓、形状等（点，线，面，体）n非几何要素非几何要素 刻画对象的颜色、材质等（颜色，纹理）刻画对象的颜色、材质等（颜色，纹理）n例如例如线框线框颜色颜色纹理纹理81.1 计算机图形学的研究内容l表示方法表示方法n点阵法点阵法 枚举出图形中所有的点枚举出图形中所有的点(强调图形由点构成）强调图形由点构成） 简称为简称为图像图像（image）n参数法参数法 由图形的形状参数由图形的形状参数(方程或表达式的系数，线段的端点方程或表达式的系数，线段的端点坐标等坐标等) + 属

5、性参数属性参数(颜色、线型等颜色、线型等)来表示图形来表示图形简称为简称为图形图形（graphics）n比较（见下页）比较（见下页）9Graphics与与Image的比较的比较GraphicsImage1 1 数据量很少数据量很少数据量很大数据量很大2 2有结构，便于编辑修改有结构，便于编辑修改无结构，不便于编辑修改无结构，不便于编辑修改3 3能准确表示能准确表示3D 景物，易于生成所需的景物，易于生成所需的不同视图不同视图3D 景物的信息巳部分丢失，很难生景物的信息巳部分丢失，很难生成所需的不同视图成所需的不同视图4 4生成视图需要复杂的计算生成视图需要复杂的计算生成视图不需要复杂的计算生成

6、视图不需要复杂的计算5 5自然景物的表示很困难自然景物的表示很困难自然景物的表示不困难自然景物的表示不困难6 6国际标准：国际标准： GKS，PHIGS，OpenGL, WMF，VRML，CGM国际标准：国际标准：JPEG，TIFF等等7 7编辑软件编辑软件(绘图软件绘图软件): AutoCAD, CorelDRAW, 3D Max等等编辑软件编辑软件(图像处理软件图像处理软件)：Photoshop, Photostyler等等101.1 计算机图形学的研究内容l研究内容研究内容n图形系统（硬、软、标准化）图形系统（硬、软、标准化）n基本图形生成基本图形生成 如何显示点、线段、多边形及圆等几何

7、图形如何显示点、线段、多边形及圆等几何图形n图形的处理图形的处理u几何变换（图形动起来）几何变换（图形动起来）u投影变换（如何显示三维图形）投影变换（如何显示三维图形）u真实感图形真实感图形n曲线曲面曲线曲面111.1 计算机图形学的研究内容l相关学科相关学科n数字图像处理、计算几何、模式识别及计算机视觉数字图像处理、计算几何、模式识别及计算机视觉数数字字图图像像数数据据模模型型图像生成（计算机图形学）图像生成（计算机图形学）模型（特征）提取模型（特征）提取（计算机视觉，模式识别）（计算机视觉，模式识别）模型变换模型变换（计算几何）（计算几何）图像变换图像变换（图像处理）（图像处理）发展特点发

8、展特点: : 交叉、界线模糊、相互渗透交叉、界线模糊、相互渗透12计算几何lCAGD（Computer Aided Geometric Design）n几何形体在计算机中的表示几何形体在计算机中的表示n分析、研究怎样灵活方便地建立几何形体的数学模型，分析、研究怎样灵活方便地建立几何形体的数学模型，提高算法效率提高算法效率n在计算机内更好地存储和管理这些模型等在计算机内更好地存储和管理这些模型等n包括研究曲线、曲面的表示、生成、拼接、数据拟合包括研究曲线、曲面的表示、生成、拼接、数据拟合13数字图像处理lDIP（Digital Image Processing）n研究如何对一幅连续图像采样、量化

9、以产生数字图像研究如何对一幅连续图像采样、量化以产生数字图像n如何对数字图像做各种变换（如傅里叶变换），以方如何对数字图像做各种变换（如傅里叶变换），以方便处理便处理n如何滤去图像中的无用噪声如何滤去图像中的无用噪声n如何压缩图像数据以便存储和传输；图像边缘提取；如何压缩图像数据以便存储和传输；图像边缘提取；图像增强等图像增强等n图像恢复与重建图像恢复与重建恢复恢复14模式识别lPattern Recognitionn从图像中抽取的统计特性或结构信息，从而把图像分成从图像中抽取的统计特性或结构信息，从而把图像分成预定的类别预定的类别 n如印刷体文字识别、指纹识别等如印刷体文字识别、指纹识别等1

10、5计算机视觉lComputer Visionn计算机视觉就是用各种成像系统代替视觉器官作为输入计算机视觉就是用各种成像系统代替视觉器官作为输入敏感手段，由计算机来代替大脑完成处理和解释敏感手段，由计算机来代替大脑完成处理和解释n核心技术：分析和识别输入的图像并从中提取二维或三核心技术：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）维的数据模型（特征）-n如机器人的视觉系统如机器人的视觉系统 n可以看做是计算机图形学的逆过程可以看做是计算机图形学的逆过程161.2计算机图形学应用l图形用户界面（图形用户界面（GUI）l计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD）l科学可视化（科学可视化（

11、 Scientific Visualization ）l计算机艺术（计算机艺术（Computer Art）l地理信息系统地理信息系统(GIS)l计算机动画、广告及娱乐计算机动画、广告及娱乐l多媒体系统（多媒体系统（Multimedia）l虚拟现实系统虚拟现实系统(Virtual Reality)171.2.1图形用户界面图形用户界面l人机界面人机界面(HCI：Human Computer Interface)n人与计算机间的通信，由软件与硬件组成人与计算机间的通信，由软件与硬件组成n发展发展u操纵板：指示灯与机械开关操纵板：指示灯与机械开关u字符界面：字符界面：DOS。终端与键盘。终端与键盘u

12、图形用户界面：图形用户界面：Windows，XWindows等等l图形用户界面图形用户界面(GUI：Graphical User Interface)n图形直观易记，操作简捷图形直观易记，操作简捷n编程容易（如编程容易（如VC+开发环境）开发环境）l发展发展n自然、高效多通道的用户界面（语音，视觉等）自然、高效多通道的用户界面（语音，视觉等）n没有界面的用户界面（类似人与人间的交流）没有界面的用户界面（类似人与人间的交流）181.2.2计算机辅助设计计算机辅助设计lCAD：Computer Aided Designn交互式图形生成技术用来设计机械、电子设备等产品的交互式图形生成技术用来设计机械

13、、电子设备等产品的元部件和系统以及工程建筑元部件和系统以及工程建筑u表示与显示表示与显示u性能分析计算性能分析计算u修改设计修改设计l应用应用n汽车、飞机和船体的外壳汽车、飞机和船体的外壳n模具、大规模集成电路模具、大规模集成电路n光学系统、民用建筑、服装、玩具等光学系统、民用建筑、服装、玩具等l主要软件主要软件nAutoCAD， Pro/E， 3DS，Maya,。19实例120实例2211.2.3 科学可视化 lScientific Visualizationn1986年，美国科学基金会（年，美国科学基金会（NSF）专门召开了一次研讨）专门召开了一次研讨会，会上提出了会，会上提出了“科学计算

14、可视化（科学计算可视化（Visualization in Scientific Computing）”n必要性：直接分析大量的测量数据或统计数据有困难必要性：直接分析大量的测量数据或统计数据有困难n目标：用图形表现抽象的数据目标：用图形表现抽象的数据n应用领域：医学图像重建，遥感，流场、气象、核爆模应用领域：医学图像重建，遥感，流场、气象、核爆模拟拟。l信息可视化信息可视化n信息流量信息流量n商业统计数据商业统计数据n股市行情股市行情n22实例饼图：反映饼图：反映市场份额市场份额直方图直方图:反映图像反映图像中像素亮度分布中像素亮度分布23实例l医疗：建立人体的三维模型（数字人或虚拟人），医疗

15、：建立人体的三维模型（数字人或虚拟人），可用于观察内外器官可用于观察内外器官241.2.4 计算机艺术lComputer Artn将计算机图形学与人工智能技术结合起来，可构造出丰将计算机图形学与人工智能技术结合起来，可构造出丰富多彩的艺术图象富多彩的艺术图象n根据设定的规则，可以构造出形状各异的多种图案，并根据设定的规则，可以构造出形状各异的多种图案，并实现合理的颜色配置实现合理的颜色配置n可以利用计算机图形学技术生成盆景和书法可以利用计算机图形学技术生成盆景和书法25实例261.2.5 地理信息系统lGIS（Geographical Information System）n建立在地理图形之上

16、的关于各种资源的综合信息管理系统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n人口、矿藏、森林、旅游等资源人口、矿藏、森林、旅游等资源n包含：地理图、地形图、矿藏分布图、海洋地理图、气象包含：地理图、地形图、矿藏分布图、海洋地理图、气象图，植被分布图等图，植被分布图等l应用应用n军事，政府决策，旅游，军事，政府决策，旅游，资源调查资源调查271.2.6 计算机动画、广告及娱乐l计算机动画计算机动画n计算机生成的场景可单独显示，也可以与演员及实际场计算机生成的场景可单独显示，也可以与演员及实际场景混合显示，以生成各种逼真的虚拟场景画面和特技效景混合显示，以生成各种逼真的虚拟场景画面和特技效

17、果，从而为人们提供一个充分展示个人想象力和艺术才果，从而为人们提供一个充分展示个人想象力和艺术才能的空间能的空间l电视广告，节目片头，科教演示电视广告，节目片头，科教演示l娱乐：娱乐：gameToy Story 成为第成为第一部全三维计算机一部全三维计算机动画特点的电影动画特点的电影28实例：变形效果l许多商业广告中一种常用的图形方法是变形，可以许多商业广告中一种常用的图形方法是变形，可以将一个物体转变为另一个物体将一个物体转变为另一个物体291.2.7 多媒体系统lMultimedia Systemn多媒体技术就是利用计算机技术，把多种媒体综合在一多媒体技术就是利用计算机技术，把多种媒体综合

18、在一起，使之建立起逻辑上的联系，并能对它们进行各种处起，使之建立起逻辑上的联系，并能对它们进行各种处理。（具有处理多种媒体的能力）理。（具有处理多种媒体的能力）n媒体：文本、图形、图像、声音、动画和视频媒体：文本、图形、图像、声音、动画和视频n软硬件软硬件u海量存储海量存储u高传输率高传输率u高计算能力高计算能力n交互性交互性301.2.8 虚拟现实系统lVR（Virtual Reality)n是用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、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

19、和某些设备对这一生成的虚拟世发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界进行浏览和交互考察界进行浏览和交互考察n特点：特点： 逼真的环境逼真的环境; 自然的交互自然的交互31实例：输入输出设备l主要有：头盔、数据手套、数据衣等主要有：头盔、数据手套、数据衣等321.3 计算机图形学发展史l特点：计算机硬件发展推动了图形学的研究特点：计算机硬件发展推动了图形学的研究l内容：内容：n学科发展历程学科发展历程n硬件发展硬件发展u图形显示器的发展图形显示器的发展u图形输入设备的发展图形输入设备的发展n软件及软件标准的发展软件及软件标准的发展331.3.1 学科发展历程l诞生：诞生：50年代年代n1

20、950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院（MIT）旋风）旋风I号（号（Whirlwind I）计算机的附件诞生）计算机的附件诞生- CRT的出现为计算机生成和显示图形提供了可能。的出现为计算机生成和显示图形提供了可能。n1958年，美国年，美国Calcomp公司由联机的数字记录仪发展成公司由联机的数字记录仪发展成滚筒式绘图仪，滚筒式绘图仪，GerBer公司把数控机床式绘图仪发展成公司把数控机床式绘图仪发展成为平板式绘图仪。为平板式绘图仪。nMIT林肯实验室，在林肯实验室，在Whirlwind上开发上开发SAGE空中防御系空中防御系统，通过光笔在屏幕

21、上指点与系统交互。统，通过光笔在屏幕上指点与系统交互。-标志着交互标志着交互式图形技术的诞生式图形技术的诞生341.3.1 学科发展历程l确立：确立： 60年代年代n1962年年MIT林肯室验室林肯室验室Ivan E. Sutherland的博士论文：的博士论文：Sketchpad：一个人机通信的图形系统。首次提出：一个人机通信的图形系统。首次提出“Computer Graphics”一词一词n1962年，雷诺汽车公司的工程师年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bzier 提出提出Bzier曲线、曲面的理论曲线、曲面的理论n1964年年MIT的教授的教授Steven A. Coons提出了超

22、限插值的新提出了超限插值的新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。n大公司开展大规模研究（通用、大公司开展大规模研究（通用、AT&T、BELL）351.3.1 学科发展历程l理论发展及标准化：理论发展及标准化：70年代年代n光栅图形学迅速发展光栅图形学迅速发展u区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其相应算法纷纷诞区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其相应算法纷纷诞生生n真实感图形学真实感图形学u1970年，年，Bouknight提出了第一个光反射模型提出了第一个光反射模型u1971年年Gourand提出提出“漫反射模型插值漫反射模型

23、插值”的思想，被称为的思想，被称为Gourand明暗处理明暗处理u1975年，年，Phong提出了著名的简单光照模型提出了著名的简单光照模型- Phong模型模型361.3.1 学科发展历程l理论发展及标准化：理论发展及标准化：70年代年代n实体造型技术实体造型技术u英国剑桥大学英国剑桥大学CAD小组的小组的Build系统系统u美国罗彻斯特大学的美国罗彻斯特大学的PADL-1系统系统n图形软件标准化图形软件标准化u1974年，年，ACM SIGGRAPH的与的与“与机器无关的图形技术与机器无关的图形技术”的的工作会议工作会议uACM成立图形标准化委员会，制定成立图形标准化委员会，制定“核心图形

24、系统核心图形系统”（Core Graphics System）uISO发布发布CGI、CGM、GKS、PHIGS371.3.1 学科发展历程l实用化：实用化：80年代年代n更完备的硬件系统，个人计算机、工作站系统更完备的硬件系统，个人计算机、工作站系统n大量图形应用软件出现大量图形应用软件出现n图形硬件设备十分昂贵，且基于图形的应用相对较少图形硬件设备十分昂贵，且基于图形的应用相对较少l广泛应用：广泛应用：90年代后年代后n标准化、集成化、智能化标准化、集成化、智能化n多媒体技术、人工智能、科学计算可视化、虚拟现实多媒体技术、人工智能、科学计算可视化、虚拟现实n三维造型技术三维造型技术n硬件集

25、成化大幅提高：硬件集成化大幅提高：GPU（nVidia 和和 ATI图形加速硬图形加速硬件公司）件公司）381.3.2 图形显示设备的发展l60年代中期年代中期n画线显示器（亦称矢量显示器）需要刷新。较高分辨率和对比度，画线显示器（亦称矢量显示器）需要刷新。较高分辨率和对比度，良好的动态性能。设备昂贵，限制普及。良好的动态性能。设备昂贵，限制普及。l60年代后期年代后期n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。形功能，不适合交互式。l70年代初年代初n刷新式光栅扫描显示器。以点阵形式表示图形，使用

26、专用的缓冲区刷新式光栅扫描显示器。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。大大地推动了交互式图形存放点阵，由视频控制器负责刷新扫描。大大地推动了交互式图形技术的发展。技术的发展。l90年代后年代后n液晶和等离子显示器液晶和等离子显示器n新的显示设备新的显示设备39实例l立体眼镜立体眼镜40l第一阶段：控制开关、穿孔纸等等第一阶段：控制开关、穿孔纸等等l第二阶段：键盘第二阶段：键盘l第三阶段：二维定位设备第三阶段：二维定位设备n鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏等等，语音鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏等等，语音n操纵杆操纵杆l第四阶段：三维输入设备第四阶段：三维输入设

27、备n如空间球、数据手套、数据衣，用户的手势、表情等等如空间球、数据手套、数据衣，用户的手势、表情等等(将来将来)l第五阶段：用户的思维第五阶段：用户的思维(将来将来)1.3.3 图形输入设备的发展41l数据手套（主要部件是传感器）数据手套（主要部件是传感器）实例42l数据衣（主要部件是传感器）数据衣（主要部件是传感器）实例43l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n用某种语言写成的子程序包用某种语言写成的子程序包uGKS (Graphics Kernel System) uPHIGS(Programmers Hierarchical Interactive Graphics

28、 system )uGL (Graphics Language )u便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低n扩充计算机语言，使其具有图形生成和处理的功能扩充计算机语言，使其具有图形生成和处理的功能uTurbo Pascal、Turbo C，Visual C（GDI）等。）等。 u简练、紧凑、执行速度快，但不可移植简练、紧凑、执行速度快，但不可移植n专用图形系统：效率高，但系统开发量大，可移植性差专用图形系统：效率高，但系统开发量大，可移植性差1.3.4 图形软件及软件标准44lISO标准标准nGKS (Graphics Kernel System)

29、 (第一个官方标准，第一个官方标准，1977)nGKS-3DnPHIGS(Programmers Hierarchical Iuteractive Graphics system)nCGM、 CGI、IGES、STEP（讨论中）（讨论中）l行业标准行业标准nOpenGL (SGI)：工业界；平台无关：工业界；平台无关nDirectX (MS)：娱乐界；：娱乐界；Widows平台平台nXlib (X财团财团)：XWidowsnPostscript (Adobe)：印刷业：印刷业1.3.4 图形软件及软件标准45l造型技术造型技术l真实感图形绘制技术真实感图形绘制技术l人机交互技术人机交互技术l与

30、计算机网络技术的紧密结合与计算机网络技术的紧密结合1.4 计算机图形学当前的研究热点46l规则形体：欧氏几何方法规则形体：欧氏几何方法l不规则形体：不规则形体：n分形几何方法分形几何方法n粒子系统粒子系统n纹理映射纹理映射n实体造型实体造型n基于物理的造型基于物理的造型n基于图像的造型基于图像的造型1.4.1 造型（建模）技术计算机生成计算机生成的挪威云杉的挪威云杉47l奥迪汽车效果图和线框图奥迪汽车效果图和线框图实例48实例l基于视觉的实体建模基于视觉的实体建模Wojciech MatusikMIT Laboratory for Computer Science49实例l基于视觉的实体建模原

31、理基于视觉的实体建模原理50l光照明模型光照明模型n简单光照模型简单光照模型; 局部光照模型局部光照模型; 整体光照模型整体光照模型l绘制算法绘制算法n光线跟踪光线跟踪; 辐射度辐射度l快速算法快速算法n包围体树、自适应八叉树等等包围体树、自适应八叉树等等l例子例子1.4.2 真实感图形绘制技术51实例52lHuman-Computer Interaction Techniquesn是指通过计算机输入、输出设备，以有效的方式实现人是指通过计算机输入、输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话的技术与计算机对话的技术l 包括包括n机器通过输出或显示设备给人提供大量有关信息及提示机器通过输出或显示设备给人提供大量有关信息及提示请示等请示等n人通过输入设备给机器输入有关信息等人通过输入设备给机器输入有关信息等l发展发展n多通道交互（利用人的视觉、听觉、触觉、运动等）多通道交互（利用人的视觉、听觉、触觉、运动等）n交互的精确性（计算机的理解能力）交互的精确性（计算机的理解能力）1.4.3 人机交互技术人机交互技术53l远程医疗与诊断远程医疗与诊断l远程导航与维修远程导航与维修l远程教育远程教育lVRML（虚拟现实建模语言：（虚拟现实建模语言：Virtual Reality Modeling Language）1.4.4 与计算机网络技术的紧密结合与计算机网络技术的紧密结合54l机构机构n中