计算机图形学Chapter1.ppt

计算机图形学ComputerGraphics 杭后俊hjhang 2015 2 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 1 孙家广 计算机图形学 第三版 清华大学出版社 19982 蔡士杰 宋继强 蔡敏译 ComputerGraphicswithOpenGL ThirdEdition 电子工业出版社 20053 孙家广胡事民 计算机图形学基础教程 清华大学出版社 20054 ZhigangXiang ComputerGraphicswithOpenGL TsinghuaUniversityPress 20055 倪明田 吴良芝 计算机图形学 北京大学出版社 19996 潘云鹤 董金祥 陈德人 计算机图形学 原理 方法及应用 修订版 高等教育出版社 20007 和平鸽工作室 OpenGL三维图形系统开发与实用技术 清华大学出版社 2003 主要参考书 使用教材 徐文鹏等 计算机图形学基础 清华大学出版社 2014 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 本课程学习要求 掌握各种基本的图形算法 完成一定数量 7次左右 的作业 完成3次相关的实验 要求用VC对图形算法进行实现 并提交实验报告 对OpenGL三维图形系统的实用技术有初步的掌握 较熟练使用3DMAX进行三维图形建模与渲染 本课程主要内容 绪论 第一章 图形系统 第二章 基本光栅图形生成算法 基本图形的光栅扫描转换 区域填充 字符生成技术等 第三章 图形变换 图形的几何变换 坐标变换 投影变换 图形裁剪 三维图形流水线等 第四 五 六章 几何建模概述 三维实体表示 曲线曲面造型初步 三次参数曲线 面 Bezier曲线 面 B样条曲线 面 NURBS曲线 面 等 第七章 真实感图形学初步 图形反走样技术 常见的消隐算法 简单的光照模型 纹理映射技术等 第八章 交互绘图技术 第九章 计算机动画 第十章 穿插学习 VC 的图形处理功能 OpenGL图形系统的基本开发技术 3DMAX的基本建模技术 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 本课程实验安排 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 本课程考核 平时 考勤 平时作业 实验期中考核 分组大作业期末考核 卷面考试 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 什么是计算机图形学 ComputerGraphics 使用计算机建立 存储 处理某个具体的或抽象的对象的模型 并根据该模型产生该对象的图形输出的有关理论 方法和技术叫做计算机图形学 是计算机科学中最为活跃 得到广泛应用的分支之一 第1章绪论 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 建模 Modeling 物体特性的几何表示以及和光的相互作用 渲染 Rendering 在给定视觉条件下 刻画被表示物体的图像的创建过程 3D 2D CG的基本任务表示 将客观世界用二维或三维的方式表示 绘制 如何将计算机中的对象用一种直观形象的图形图像方式表现出来 交互 通过计算机输入 输出设备 以有效的方式实现表示与绘制的技术 9 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 CG的内容体系1 基础模块 第2 4章 数学基础 向量 矩阵 齐次坐标和几何变换等 第四章 软 硬件基础知识 常见图形API如OpenGL Direct3D等 高级语言如VC等 图形输出设备与输出技术的简单基础知识 如光栅显示器基本原理 颜色处理与颜色模型等 第二章 11 2 建模 第七章 研究如何用图形方式表示现实或虚拟世界中的对象与信息 如一座房子 一辆汽车 一个电影角色等 在计算机内部是通过坐标 连接关系所对应的几何信息与属性信息来表示二维或三维物体 12 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 计算机中如何表示三维物体 线框模型 只通过顶点和棱边描述物体 只有点 线 无面的信息无法表达真实感图形 二义性 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 表面模型 用面的集合来描述物体 将物体的表面表示出来多边形面片模型曲面表示采用参数化曲面等表示物体表面 没有体的信息 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 实体模型含有体的信息 能够唯一地完整表示物体的所有信息 有多种实体表示方法 下面的是用八叉树方法表示物体的例子 给定包围物体的长方体空间将此空间划分为小的立方体单元 称为体素 voxel 记录每个体素的信息 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 如何创建物体的三维模型 建模工具 3DSMax Maya AutoCAD等 三维扫描仪 得到点云数据PCD使用微软的Kinect生成点云数据基于图像的建模 Imagebasedmodeling 几何处理 3 绘制 第3 5 6 8 10章 将计算机中对象的数字几何模型转换为直观形象的图形或图像形式 是数字几何模型的视觉可视化过程 由计算机系统的图形流水线实现 17 三维图形流水线 4 交互 第9章 图形系统要为用户提供友好的人机界面 和合适的输入方法 操作方法 交互技术 从而高效地完成模型的创建 交互技术典型的人机交互技术 定位技术 菜单技术 拾取技术 定值技术 橡皮筋技术 拖拽技术 网格与捕捉技术等图形用户界面 Windows窗口 Icon图标 Menu菜单 Pointers指标 18 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 定位技术之一 键入坐标进行定位 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 定位技术之二 网格技术 橡皮筋技术 画圆的切线 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 图象纯指计算机内以位图 Bitmap 形式存在的灰度信息 是由像素点阵组成 包含像素位置及颜色 灰度 信息 图形含有丰富的几何属性 更强调场景的几何表示 是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成的 图形主要分为两类基于线条信息表示 如工程图 等高线地图 曲面的线框图等 明暗图 Shading 即是通常所说的真实感图形 图形与图像 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 图形 矢量图 图像 位图 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 计算机图形学与相关学科 数字图像 数据模型 图像生成 计算机图形学 模型 特征 提取 计算机视觉 模式识别 模型变换 计算几何 图像变换 图像处理 2D 3D 2D 3D 发展特点 交叉 界线模糊 相互渗透 图像处理实例 图像去噪 图像边缘检测 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 计算机图形学课程 主要学习的是三维图形流水线的原理 方法 最基本的问题是各种图形算法 并不是专门介绍关于某一款图形软件的 本课程为各种图形软件提供理论指导 使我们在使用各种图形软件时对其工作流程原理有一个较为清晰的理解 本课程与高等数学中的许多分支联系很紧密 如微积分 矩阵理论 空间 解析几何 微分几何 计算几何 样条函数 以及逼近论等 本课程与各种图形软件 计算机图形学的发展历史 计算机图形学硬件系统的发展计算机图形学软件系统的发展诞生 1950 1960线框图形学 1960 1970光栅图形学 1970 1980真实感图形学 1980 1990实时图形学 1990 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 见教材P12 17 计算机图形学的应用领域 计算机辅助设计 CAD 与制造 CAM 计算机辅助教学 CAI 可视化 Visualization 用户接口 GUI 交互绘图 IneractivePainting 虚拟现实环境 VRE 计算机动画 Computeranimation 计算机艺术 Computerart 逆向工程 RE 等等 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 CAD CAM 工程图 线框图 实体图 汽车效果图和线框图 科学计算的可视化VisualizationinscientificComputing运用计算机图形学的原理和方法 将科学与工程计算等产生的大规模数据转换为图形 图像形式 直观表示出来 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 图形用户接口 GUI 真实感图形实时绘制与自然景物仿真计算机中重现真实世界的场景叫做真实感绘制真实感绘制的主要任务是模拟真实物体的物理属性 简单的说就是物体的形状 光学性质 表面的纹理和粗糙程度 以及物体间的相对位置 遮挡关系等等 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 由清华大学自然景物平台生成的野外场景 计算机绘制的真实感云 Xfrog3 0生成的挪威云杉 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 自然景物仿真 非真实感绘制 Non PhotorealisticRendering 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 GeorgesWinkenb1ach绘制的壶和碗 Siggraph 96 非真实感绘制 钢笔画效果 安徽师范大学数学计算机科学学院计算机图形学 OliverDeussen绘制的素描树 Siggraph 2000 分形造型技术生成的图案 计算机艺术 地理信息系统 GIS 虚拟现实 VR 虚拟现实 VirtualReality 就是研究一种计算机技术 把人们想象中的东西转化为一种虚拟境界和虚拟存在 而这种虚拟境界和虚拟存在对我们的感觉器官就象真的客观存在一样 虚拟现实系统中的 现实 即所虚拟的环境 大致可分为三种情况 第一种情况是模仿真实世界中的环境 第二种情况是人类主观构造的环境 例如 用于影视制作或电子游戏的三维动画 环境是虚构的 几何模型和物理模型可以完全虚构 魔兽世界场景 第三种情况是模仿真实世界中的人类不可见的环境 例如 分子的结构 空气中速度 温度 压力的分布等 一个蛋白质分子的示例 虚拟现实的3I特点 1 构想性 Inmagination 计算机生成一个给人多种感官刺激的虚拟环境 视觉感知 听觉感知 力觉感知 触觉感知 运动感知 甚至包括味觉感知 嗅觉感知等2 交互性 Interaction 指人能以自然方式与虚拟世界进行交互操作专用交互设备 如数据手套 跟踪器 触觉和力反馈装置3 沉浸感 Immersion 存在感 临场感 它是指虚拟现实系统对介入者的刺激在物理上和认知上符合人的已有经验 从而使介入者感到自己作为主角存在于模拟环境中的真实程度 cctv5 豪门盛宴 增强现实3D球场 Google眼镜 动画Animation 利用图像序列 产生物体运动的视觉效果的一种技术 55 逆向工程 RE 逆向工程 reverseengineering 也称反求工程或反向工程 是根据已存在的产品或零件原型构造产品或零件的工程设计模型 并在此基础上对已有的产品进行剖析 理解和改进 是对已有设计的二次设计 点云获取 点云数据处理 逆向工程的工作流程 1 数据采集 2 对获取的点云数据进行处理 3 重新建模 第一章作业 1 什么是计算机图形学 计算机图形学的基本任务有哪些 2 计算机中表示三维物体有哪三种模型 1 线框模型 只通过顶点和棱边描述物体 该模型只有点 线信息 无表面的信息 无法表达真实感图形 具有二义性 2 表面模型 用面的集合来描述物体 将物体的表面用多边形面片和曲面片表示 具有色彩 浓淡和明暗层次效应 适合表现客观