计算机图形学课件第0讲简介

1、中南大学地球科学与信息物理中南大学地球科学与信息物理学院地理信息系学院地理信息系计算机图形学简介1讲授：邓浩 讲师Computer GraphicslWhy?lWhat?lAbout2Computer GraphicslGraphicsnfrom Greek graphikosnderived from the word graphnExamples are photographs, drawings, Line Art, graphs, diagrams, typography, numbers, symbols, geometric designs, maps, engineering d

2、rawings, or other images.n“Graphics are visual presentations on some surface, such as a wall, canvas, screen, paper, or stone to brand, inform, illustrate, or entertain” -from wikipedian图案、图形、图样、图片图案、图形、图样、图片u【计算机计算机】图形学图形学u【建筑工程建筑工程】制图学制图学3Computer GraphicslWhy?lWhat?lAbout4Why Computer Graphics?l“

3、One picture is worth a thousand words”（一图胜（一图胜万言）万言）Why Computer Graphics?l“One picture is worth a thousand words”（一图胜（一图胜万言）万言）n脑血肿脑血肿6Why Computer Graphics?l“One picture is worth a thousand words”（一图胜（一图胜万言）万言）n刮痕症刮痕症7Why Computer Graphics?l视觉是人类最为重要的感官视觉是人类最为重要的感官l人脑中有相当区域负责处理视觉信息人脑中有相当区域负责处理视觉信息

4、Why Computer Graphics?l人脑的一个重要功能是处理视觉信息人脑的一个重要功能是处理视觉信息Why Computer Graphics?l人类的视觉好于其他大多数动物人类的视觉好于其他大多数动物Computer GraphicslWhy?lWhat?lAbout11Computer GraphicslShowing photos, picturesComputer GraphicslPresenting information 1312345010203040506012345Computer GraphicslCurves (曲线曲线)lSurfaces (曲面曲面)-0.

5、4-0.3-0.2-0.100.10.20.30.40.50.617131925313743495561677379859197Computer GraphicslMagnetic resonance tomography images(核磁共振核磁共振影像影像)15Computer GraphicslGraphics User InterfaceComputer GraphicslSynthesizing images (图像合成图像合成)Computer GraphicsComputer GraphicsComputer GraphicsComputer GraphicsComputer

6、GraphicsComputer GraphicsComputer GraphicsComputer GraphicslMovien玩具总动员玩具总动员Toy Story (1995)Computer GraphicslMovieComputer GraphicsComputer GraphicslComputer GamesComputer GraphicslSimulation (模拟与仿真模拟与仿真)Computer GraphicslCAD/CAMComputer GraphicslCAD/CAMComputer GraphicslVirtual reality (虚拟现实虚拟现实)C

7、omputer GraphicslArchitectureComputer GraphicslVisualization（可视化）（可视化）340.17 0.19 0.15 0.14 0.14 0.15 0.16 0.22 0.25 0.16 0.16 0.15 0.23 0.25 0.31 0.17 0.23 0.45 0.44 0.40 0.41 0.38 0.40 0.46 0.47 0.48 0.42 0.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.501357911 13 15 17 19 21 23 25 27 29系列1Computer Gra

8、phicsComputer GraphicsnMedicine data visualizationComputer GraphicsnSpatial data visualizationComputer GraphicslGISComputer GraphicslGISComputer Graphicsl3D Geological Modeling历史1950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（阴极（阴极射线管）的出现为计算机生成和显示图形提供了可能

9、射线管）的出现为计算机生成和显示图形提供了可能历史1958年，美国年，美国Calcomp公司由联机的数字记录仪发展成滚公司由联机的数字记录仪发展成滚筒式绘图仪，筒式绘图仪，GerBer公司把数控机床式绘图仪发展成为平公司把数控机床式绘图仪发展成为平板式绘图仪。板式绘图仪。MIT林肯实验室，在林肯实验室，在Whirlwind上开发上开发SAGE空中防御系统空中防御系统，通过光笔在屏幕上指点与系统交互。，通过光笔在屏幕上指点与系统交互。-标志着交互式图形标志着交互式图形技术的诞生技术的诞生历史计算机图形学的确立计算机图形学的确立1962年年MIT林肯室验室林肯室验室Ivan E. Sutherla

10、nd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lIvan E. Sutherland (1938-)nPhD MITnMS CITnBachelor Carnegie n1988年图灵奖年图灵奖n美国两院院士美国两院院士nCAD之之父父n曾为美国国防部信息处理办公室领导人曾为美国国防部信息处理办公室领导人n1964年起，先后在哈佛年起，先后在哈佛、Utah、Catech工作。并创办工作。并创办Evan & Sutherland公司公司历史1962年，雷诺汽车公司的工程师年，雷诺汽车

11、公司的工程师Pierre Bzier 总结提出总结提出Bzier曲线、曲面的理论曲线、曲面的理论至今最常用的曲线曲面至今最常用的曲线曲面历史l1970年代年代l光栅图形学快速发展，相应算法纷纷诞生光栅图形学快速发展，相应算法纷纷诞生nscan conversion(扫描转化扫描转化)nclipping (裁减裁减) nhidden surface removal (消除隐藏面消除隐藏面)历史l1970年代年代l真实感图形学真实感图形学n1970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n1971年年Gourand提出提出“漫反射模型插值漫反射模型插值”的思想，被的思

12、想，被称为称为Gourand明暗处理明暗处理n1975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模型模型历史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召开与召开与“与机器无关的图形技术与机器无关的图形技术”的工作会议的工作会议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“核心图形系统核心图形系统”（Core Graph

13、ics System）uISO发布发布CGI、CGM、GKS、PHIGS历史l80年代（光线跟踪和辐射度模型）年代（光线跟踪和辐射度模型）n1980年，年，Whitted 提出了首个光线跟踪模型，包括光的提出了首个光线跟踪模型，包括光的反射和折射效果反射和折射效果n在图形学中具有的里程碑意义在图形学中具有的里程碑意义历史l尽管光线跟踪算法成功地模拟了景物表面间的镜面尽管光线跟踪算法成功地模拟了景物表面间的镜面反射、规则透射及阴影等整体光照效果，但却无法反射、规则透射及阴影等整体光照效果，但却无法很好到模拟物体相互辉映效果很好到模拟物体相互辉映效果l1984年，美国年，美国Cornell大学和日

14、本广岛大学的学者大学和日本广岛大学的学者分别将热辐射工程中的辐射度方法引入到计算机图分别将热辐射工程中的辐射度方法引入到计算机图形学中，用辐射度方法成功地模拟了理想漫反射表形学中，用辐射度方法成功地模拟了理想漫反射表面间的多重漫反射效果。面间的多重漫反射效果。l辐射度方法是继光线跟踪算法后，真实感图形绘制辐射度方法是继光线跟踪算法后，真实感图形绘制技术的一个重要进展。技术的一个重要进展。历史历史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

15、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硬件集成化大幅提高：硬件集成化大幅提高：GPU（nVidia 、ATI、3DFX图图形加速硬件公司）形加速硬件公司）图形设备53VideoControllerMonitorCPUFrame bufferSystemmemoryPeripheral devicesSystem busDisplay processor图形设备lGraphic Car

16、d (Video Card)图形显示设备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，良画线显示器（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。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形存储管式显示器。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。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，使用专用的缓冲区存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

17、刷新扫描。大大地推动了交互式图形技术放点阵，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。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l当前当前n移动设备移动设备n小型化：眼镜？小型化：眼镜？图形显示设备图形输入设备l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：三维输入设备n如空间球、数据手套、数据衣，用户的手势、表情等如空间球、数据手套、数

18、据衣，用户的手势、表情等l第五阶段：用户的思维第五阶段：用户的思维(将来将来)图形输入设备图形输入设备图形输入设备标准lISO标准标准nGKS (Graphics Kernel System) (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；Windows平台平台nXlib (X财团

19、财团)：XWindowsnPostscript (Adobe)：印刷业：印刷业计算机图形学l计算机图形学（计算机图形学（Computer Graphics）nISO定义：计算机图形学是研究通过计算机将数据转换定义：计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为为图形图形，并在专门的显示设备上显示的原理、方法和技，并在专门的显示设备上显示的原理、方法和技术的学科术的学科 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

20、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。图形（graphics）l计算机图形学的研究对象计算机图形学的研究对象l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l自然景物、拍摄到的图片自然景物、拍摄到的图片l用数学方法描述的图形用数学方法描述的图形l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图形（graphics）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

21、、形状等（点，线，面，体）n非几何要素非几何要素 刻画对象的颜色刻画对象的颜色(color)、材质、材质(material) 、纹理纹理(texture)等等n例如例如线框线框颜色颜色纹理纹理图形（graphics）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）u如如GIS栅格数据栅格数据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，线段的端点坐方程或表达式的系数，线段的端点坐标等标等) + 属性参数属性参数(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

22、形图形（graphics）u如如GIS矢量数据矢量数据图形（graphics）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 景物的信息已部分丢失，很难景物的信息已部分丢失，很难生成所需的不同视图生成所需的不同视图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

23、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等等计算机图形学l建模建模与与绘制绘制！n建模建模u图形变换图形变换u实体造型实体造型u几何处理几何处理un显示显示u基本几何图形显示基本几何图形显示(直线、圆直线、圆)/裁剪裁剪/消隐消隐u真实感图形真实感图形l光照光照l阴影阴影l纹理纹理u计算机图形学l实体造型实体

24、造型68计算机图形学l几何处理（配准）几何处理（配准）69l几何处理（网格化）几何处理（网格化）70计算机图形学l几何处理（图形形变）几何处理（图形形变）71计算机图形学l几何处理（参数化）几何处理（参数化）72计算机图形学l几何处理（图形分割）几何处理（图形分割）73计算机图形学l图形变换图形变换74l基本几何图形的绘制基本几何图形的绘制75计算机图形学l绘制（光照明）绘制（光照明）76计算机图形学l绘制（阴影）绘制（阴影）77计算机图形学l绘制（纹理）绘制（纹理）78计算机图形学l绘制（光照明）绘制（光照明）79计算机图形学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

25、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（计算机图形学）（计算机图形学）（计算几何）（计算几何）图像变换图像变换（图像处理）（图像处理）发展特点发展特点: : 交叉、界线模糊、相互渗透交叉、界线模糊、相互渗透计算机图形学 VS 地理信息系统l计算机图形学计算机图形学是利用计算机研究图形的是利用计算机研究图形的表示、生成表示、生成、处理和显示、处理和显示的学科（孙家广、胡事民，的学科（孙家广、胡事民，2009）l地理信息

26、系统地理信息系统是在计算机硬、软件系统支持下，对是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、地理分布数据进行采集、储存、管理管理、运算运算、分析、分析、显示显示和和描述描述的技术系统的技术系统l从与计算机软件的角度来说从与计算机软件的角度来说 经典经典地理信息系统地理信息系统 =（空间）数据库（空间）数据库 + 计算机计算机图形图形（图像）（图像）系统系统 + 空间分析功能（地图投影功能）空间分析功能（地图投影功能）学术活动l机构机构n美国计算机学会（美国计算机学会（ACM）图形学专业委员会

27、）图形学专业委员会nIEEE：Technical Committee on Computer Graphicsn中国计算机协会计算机辅助设计与图形学中国计算机协会计算机辅助设计与图形学 专业委员会专业委员会n中国图形图像学会中国图形图像学会学术活动l会议会议nACM Siggraph, Eurographics, Pacific GraphicsnSymposium on Geometric Processing, Eurographics Symposium on RenderingnComputer Graphics International, CASA,Graphics Interfa

28、ce, Rendering workshop, l期刊期刊nACM Transaction on GraphicsnIEEE Transaction on Visualization and Computer GraphicsnComputer Graphics Forum nIEEE Computer Graphics and ApplicationnCAD, CAGD, nGraphical Models nThe Visual Computer学术活动lACM SIGGRAPHFull: ”the Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques”In 1967, professor van Dam at Brown Unversity and Sam Masta of IBM Corporation co-founded SIGGRAPHIn 1974, the first SIGGRAPH annual confer