计算机图形学第1章ppt课件

计算机图形学基础 计算机学院 * 1 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 (OpenGL). Date 2 课程内容 （共 51学时） 第 1章 绪论 （ 3 学时） 第 2章 计算机图形系统与图形硬件 （ 3学时） 第 3章 用户接口与交互式技术 （ 3 学时） 第 4章 图形的表示与数据结构 （ 12 学时） 第 5章 基本图形生成算法 * （ 15学时） 第 6章 二维图形变换及二维观察 * （ 12学 时） 第 7章 三维图形变换及三维观察 （ 2学时） 第 8章 曲线和曲面 （ 2学时） 第 9、 10章 消隐及真实感图形显示 （ 2学 时） OpenGL图形编程 （ 3 学时） Date 3 主要参考书目： 孙家广，计算机图形学（第三版），清华大学出版社， 1999。 王汝传，计算机图形学，人民邮电出版社， 2002。 容观澳，计算机图像处理，清华大学出版社， 2000。 Donald Hearn,M.Pauline Baker著 , 蔡士杰等译，计算机图形学（ 第三版），电子工业出版社， 2005。 Dave Shreiner等著，邓郑祥译， OpenGL编程指南（第四版），人 民邮电出版社， 2005。 陆枫、何云峰，计算机图形学基础（第二版）， 2008.10 教材： Date 4 第 1章 概论 提出问题 什么是计算机图形学？ 计算机图形学研究的对象是什么？ 计算机图形学的应用 Date 5 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 图形 通常意义下的图形 ： 能够在人的视觉 系统中形成视觉印象的客观对象都称 为图形。 如： (1)自然景物 (2)照片和图片 (3)工程图、设计图和方框图 (4)人工美术绘画、雕塑品 (5)用数学方法描述的图形（包括几 何图形、代数方程、分析表达式或列表 所确定的图形） Date 6 计算机图形学的研究对象 图形 计算机图形学中的图形概念 : 是指由点、线、面、体等几何 要素和明暗、灰度（亮度）、 色彩等非几何要素构成的，从 现实世界中抽象出来的带有灰 度、色彩及形状的图或形。 Date 7 两类图形要素： 1.几何要素：点，线，面，体等； 2.非几何要素：明暗，灰度，色彩等 计算机图形学中所研究的图形： 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。 Date 8 图形的两种表示方法： 点阵法点阵法 是用具有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。 参数法参数法 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） 把点阵法描述的图形叫做 图象（ Image） Date 9 1.1计算机图形学的研究内容 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。 IEEE定义： Computer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer. Date 10 计算机图形学 (computer graphics,CG)用计算机 生成景物的数字模型，并将它显示在计算机屏 幕上，或者绘制在纸张或胶片上。它是研究如 何在计算机环境下生成、处理和显示图形的一 门学科。 计算机图形学的主要研究对象 景物的几何建模方法 (modeling)、 对模型的处理 方法、几何模型的绘制技术 (rendering)、 图形 输入和控制的人机交互界面 (user interface)。 Date 11 与计算机图形学相关的学科 特征数据、结构数据 计算机图 形学 计算机 视觉 图象信号 数字图象处理 试图从非图象形式 的数据描述来生成 （逼真的）图象 旨在对图象进行各种加工以改善图象 的视觉效果 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 Date 12 酝酿期（ 50年代） 1946年，第一台电子计算机的问世推动 了许多学科的发展和新学科的建立，其中 就包括现代图形学技术。 1.2 计算机图形学的发展 1.2.1计算机图形学的确立 Date 13 1950年，美国 MIT用于空中防御系统研究的旋 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，它标志着交互式 图形技术的诞生。 Date 14 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： 第一个人 -机通信的图 形系统 “的博士论文，其中首次使用了 “Computer Graphics”术语。 他提出的 计算机图形学 、交互技术、分层存储符号 的数据结构等新思想已被公认为对交互图形生成技术 的发展奠定了基础。这些基本理论和技术至今仍是现 代图形技术的基础。 Date 15 发展期（ 70年代） ： IC技术、计算机硬件性价比提高、廉价图形 IO 设备及大容量磁盘等出现 ; CADCAM; 实用化 ; Lockheed, 计算机图形处理技术进入实用化阶 段； 区域填充、裁剪、消隐等基本图形 概念及算法； 真实感图形学和实体造型技术； Date 16 普及期（ 80年代） ： 光栅图形 CRT, PC, WS; 大量基于图像形的应用 软件出现 出现了带光栅图形显示器的个人计算 机和工作站。 光线跟踪算法和辐射度算法的提出， 标志着计算机真实感图形学的算法已经日渐 成熟。 提高增强期（ 90年代） ： 性能价格比的极大提高；标准化，集成化，智能 化 总体特征： 技术发展、需求驱动 Date 17 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 (闪烁，需刷新 ) 60年代后期：存储管式显示器 （不能动态显示，不能局部 删除） 70年代中期：光栅扫描的图形显示器（ OK）。 图形显示器正向着 小型化、低电压、数字化 方向发展 Date 18 图形绘制设备 ： 用于把图形画在纸上，也称硬拷贝 打印机 （针式，喷墨，激光， ） Epson LX-800 (1980s) EPSON Stylus Photo 950 (2005) Date 19 绘图仪 （平板，滚筒，静电，笔式） 1959年，美国 Calcomp公司研制出的世 界上第一台滚筒式绘图机，使计算机辅 助绘图仪开始代替人工绘图。 Ploter HP 3500CP Date 20 图形输入设备 二维图形输入设备 （键盘，光笔，鼠标， ） 三维图形输入设备 （数据手套，空间球， ） Date 21 1.2.3 图形软件的发展 随着计算机图形显示器从专用设备发展成标准化的人机通 信接口，图形显示及应用软件必然应有相应的发展。 图形软件的发展 早期的绘图软件大都采用线框式图形数据结构，该结构特别适合 于图形的几何变换和交互显示，但无法在计算机内完整地定义三维 物体。 20世纪 60年代末期开始研究和发展实体造型技术，如英国剑桥 大学的 I.C.Braid的 BUILD系统、美国罗彻斯特大学的 PADL-1系统和 日本北海道大学的 TIPS-1系统。这些系统都在计算机内提供了对物 体的完整的几何定义，可随时提取所需信息。 开放式、高效率、标准化、集成化、智能化、学科交叉 Date 22 IBM公司的 CADAM系统 目前国际上应用较广的实体造型系统有 IBM公司的 CADAM、 Dassault System公司的 CATIA、 SDRC公司的 Geomod、 PT公司的 Pro/Engineer、 SpatialTechnology公司的 ACIS、 Solidworks公 司的 Solidworks等。设计人员可直接在三维空间进行产品的设 计、修改、观察，从而使设计活动变得直观、简单、高效。 Date 23 Dassault System公司的 CATIA CATIA系统设计的轮船 CATIA系统设计的系统设计的 MIRAGE 2000-5 Date 24 1.2.3 计算机图形的标准化 图形显示软件由底层次的与设备有关的软件包转变为高 层次的与设备无关的软件包，就是图形软件的标准化过程。 与设备无关、与应用无关，具有较高性能 官方标准 第一个图形软件标准是由德国提出的图形核心系统 GKS (Graphics Kernel System)， 这是一个二维图形软件包 。 1988年， GKS的三维扩充 GKS-3D成为三维图形软件 标准。 GKS标准 下的图形 Date 25 1986年， ISO提出程序员分层交互图形系统 PHIGS (Programmers Hierarchical Interactive Graphics System)， 支持三维图形的层次嵌套结构。 PHIGS标准下的图形 Date 26 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还有： CGM (Computer Graphics Metafile)、 CGI (Computer Graphics Interface)、 IGES (Initial Graphics Exchange Specification) 事实标准 (非官方标准 ) 如 SGI的 OpenGL， 微软的 Direct X， Adobe的 Postscript等 这些标准包括面向图形设备的驱动程序包、面向用户的图 形生成及管理程序包等，其主要作用是为实现程序的可移植 性等。 Date 27 OpenGL 1st environment for developing portable, interactive 2D and 3D graphics applications(1992) Industrys most widely used and supported 2D and 3D graphics application programming interface (API), a wide variety of computer platforms. Date 28 Direct X 1. An advanced suite of multimedia application programming interfaces (APIs) built into Microsoft Windows(1995) 2. Provides a standard development platform for Windows- based PCs without having to write hardware-specific code. Date 29 PostScript 1. A programming language optimized for printing graphics and text (whether on paper, film, or CRT) (1985) 2. Provide a convenient language in which to describe images in a device independent manner: the image is described without reference to any specific device features . Date 30 1.3 计算机图形学的应用 1. 计算机辅助设计与制造（ CAD/CAM） 2. 计算机辅助绘图 3. 计算机辅助教学（ CAI） 4. 办公自动化和电子出版技术 5. 计算机艺术设计 6. 在工业控制及交通方面的应用 7. 在医疗卫生方面的应用 8. 图形用户界面 (GUI: Windows, Menu, Icon) 9. 。 Date 31 （ 1）计算机辅助设计与制造 计算机辅助设计 (CAD)已广泛应用于飞机、汽车、 船舶的外形设计、超大规模集成电路设计，以及建筑、 服装、印染、玩具设计等领域。 CAD技术使得工程、 雪佛莱敞篷轿车曲面造型 产品设计 和施工图 纸不必再 由人工绘 制，可大 大缩短设 计周期 。 Date 32 （ 2）地理信息系统 (Geographical Information System,GIS) 地理信息系统记录着关于人口、城镇乡村、高山平 原地形、矿藏、森林、旅游等大量信息。利用地理系统 中的图形软件可绘制出地理、地质的以及其他自然现象 的高精度勘探、测量图形，如地理图、人口分布图、水 资源分布图等。 * 33 （ 3）科学计算可视化（ Visualization in Scientific Computing） 可视化技术广泛应用于流体力学、有限元 分析、医学、天气预报、海洋和空间探测等领域。已 成为一种从海量的计算数据和测量数据中发掘其蕴含 的自然、物理现象和规律的新的通用手段。 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 。 Date 34 （ 4）计算机动画和技术