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哈尔滨工业大学计算机学院 唐好选,2019年6月24日,绪论,主要应用领域,与相关学科的关系,图形学发展简史,图形学的研究内容,什么是计算机图形学,什么是计算机图形学,Computer Graphics (CG),计算机图形学是研究怎样用计算机生成、处理和显示图形的一门学科。,国际标准化组织(ISO)的定义： 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。 它是建立在传统的图学理论、应用数学和计算机科学基础上的一门边缘学科,什么是计算机图像处理,计算机图像处理是研究如何按照一定的目的和要求将一种图像处理变换成另一种图像的一门学科。,主要包括：图像增强、图像复原、图像解析与理解、图像编码与数据压缩以及图像匹配等内容。,图形的构成要素,几何要素几何属性 点、线、面、体 非几何要素视觉属性 明暗、灰度、色彩、纹理、透明性、线型、线宽,一般说来，要在计算机上生成一幅表示物体的图形，有三个要素： 造型技术 在计算机中建立所要生成图像的物体的模型 即给出表示该物体的几何数据和拓扑关系 绘制技术 按照给定的观察点及观察方向将物体模型在计算机屏幕上显示出来 人机交互技术 为造型和绘制这两个过程提供友好的人机界面,研究内容,计算机对图形数据处理的硬件和软件 围绕着生成、表示物体的图形的:准确性-真实性-实时性,算法可大致分为以下几类：,研究内容,研究内容,基于图形设备的基本图形元素的生成算法 图形的变换和裁剪 自由曲线和曲面计算几何 几何造型技术 真实感图形的生成算法 自然景物的生成分形几何 颜色科学及其应用 计算机动画技术 虚拟现实技术实时交互式三维图形处理 热点问题探讨,相关学科的关系,图像处理,计算机图形学,模式识别,计算几何,CAD/CAM 计算机艺术 计算机动画 计算机视觉,准备阶段（50年代）-”被动式”图形学 1950年， MIT，第一台图形显示器 作为世界上第一台电子计算机旋风I号(Whirlwind I)计算机的输出设备问世 类似于示波器的阴极射线管 (CRT) 50年代末期，MIT林肯实验室，在“旋风”计算机上开发SAGE空中防御系统使用了具有指挥和控制功能的CRT显示器 使用了光笔，出现了交互式图形生成技术,图形学发展简史（1）,发展阶段（60年代） MIT林肯实验室，Ivan E.Sutherland发表题为“Sketchpad:一个人机通信的图形系统”的博士论文 首次使用Computer Graphics术语，奠定了交互式计算机图形学研究的基础 计算机图形学之父 60年代中期，美国MIT、通用汽车公司、贝尔电话实验室、洛克希德飞机公司、法国雷诺汽车公司、英国剑桥大学掀起了大规模图形学研究热潮 出现了随机扫描显示器,图形学发展简史（2）,推广应用阶段（70年代） 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，并开始出现实用的CAD图形系统 众多商品化软件的出现，使图形标准化问题也被提上议程，74年，美国计算机学会成立图形标准化委员会(ACM SIGGRAPH),图形学发展简史（3）,系统实用化阶段（80年代） 80年代，超大规模集成电路的发展，奠定了物质基础，工作站的出现，促进了图形学的发展,标准化智能化阶段（90年代） 朝着标准化、集成化和智能化的方向发展 国际标准化组织（ISO）公布的图形标准也越多、且更加成熟 随着多媒体技术、人工智能技术与计算机图形学的有机结合，图形学的应用领域朝着更广的方向发展,图形学发展简史（4）,计算机图形学未来的发展方向,随着图形学的应用、图形设备和软件理论的进步，一大批适应于应用需求和图形设备的图形生成算法和理论将会产生，以满足不断发展的需要 图形软件标准化将向前推进一大步，向组件化的方向发展 图形系统实现高质量化，向平面化、大屏幕和高分辨率发展，有望使用4096*4096的平板大屏幕显示器，处理速度将达到几千万MIPS，实现大量的CPU并行，产生高质量的动态画面,计算机图形学未来的发展方向,图形设备和图形系统实现智能化,图形显示立体化（VR技术普及） 图形系统将更加多媒体化，支持图形、图像、声音和文本的多媒体数据将会成为图形系统的数据管理中心,图形学的应用是发展的原动力，图形设备是发展的物质基础，而图形学的理论和技术是发展的理论基础，三者相互促进，相辅相成，缺一不可，忽视或过分强调某一个方面都是不可取的,图形用户界面,计算机辅助设计与制造工业领域 CAD/CAM是CG在工业界最广泛、最活跃的应用领域 飞机、汽车、船舶、机电、轻工、服装的外形设计 集成电路、印刷电路板的设计 建筑设计 基于工程图纸的三维形体重建,应用（1）,（a）工程图,（b）线框图,（c）实体图,计算机动画 广告设计 电脑游戏 卡通动画片 动漫艺术 影视特技,应用（2）,计算机艺术 “计算机艺术是科学与艺术相结合的一门新的交叉学科，科学和艺术是不可分割的，就像一枚硬币的两面” 诺贝尔物理学奖 李政道,应用（3）,计算机艺术,含义很广 以计算机为工具，可以完成多种艺术品的制作和设计，如绘画（平面图形）、雕塑（立体图形）、音乐、平面构成、空间结构，还有体操舞蹈设计等 其中美术作品占比重最大 因此，计算机艺术又主要指计算机美术 齐东旭 计算机动画，分形艺术 潘云鹤 智能CAD，纺织CAD,计算机艺术,计算机平面绘画艺术 计算机绘画（Computer Painting） 主要指人们利用鼠标或数字压感光笔直接在屏幕或数字化板上进行的绘画，该类绘画最接近于传统绘画 优势为：易于修改、效果丰富、成本较低 广泛应用于手绘动画和漫画创作,计算机艺术,计算机平面合成艺术 计算机数字图像合成艺术（Computer Image Editing and Montage Art） 主要指利用电脑对扫描或数字相机导入的图像素材进行编辑和合成，以及进行后期特技处理所产生的新视觉作品 该类作品接近于传统摄影特技，并带有“蒙太奇艺术”的特点，许多合成图像带有荒诞、刺激、搞笑、离奇和超现实主义风格的效果 广泛应用于影视后期和多媒体创作，和应用美术及广告设计的关系十分密切,非真实感绘制（NPR） Non-Photorealistic Rendering,非真实感图形比真实感图形应用更广泛，如文学读物插图、漫画，卡通图片等 用数字方法对传统绘画进行模拟以掌握其规律,用计算机技术进行再现,钢笔画,铅笔画,油画效果,水彩画效果,过程控制 石油化工、金属冶炼、电网控制的工作人员可根据设备关键部位传感器送来的图像和数据，对设备运行过程进行监控 机场、铁路的调度人员通过计算机产生运行状态信息来调整空中交通和铁路运输,应用（4）,系统环境模拟 飞行模拟舱用光栅扫描器产生驾驶员在驾驶舱中预期所能看到的景象，对飞行员进行待飞前的地面训练,应用（5）,事务和商务数据的图形显示 绘制表示经济信息的各类二、三维统计管理图表 信息可视化:信息流量，商业统计数据，股市行情,应用（6）,地形地貌和自然资源的图形显示 地理信息系统（GIS） 数字地球，地形数据作为载体，全球信息化 军事，政府决策，旅游，资源调查。 地理图、地形图、矿藏分布图、气象气流图、植物分布图,应用（7）,科学计算的可视化 不同于可视化计算,科学计算可视化是将科学计算过程中的数据及结果数据转换为图像,实际上也包括了工程计算可视化和测量数据可视化,其核心是三维数据场的可视化 可应用于气象预报、（CT）医学图象重建、流场、湍流、石油地质勘探、环境保护、核爆炸模拟、计算流体力学、天体物理、分子生物学、有限元分析、等许多领域,应用（8）,虚拟现实技术 虚拟手术：将医用CT扫描的数