计算机图形学技术概述

计算机图形学技术概述第1页，课件共77页，创作于2023年2月

2.1什么是计算机图形学计算机图形学是研究怎样用数字计算机产生、处理和显示图形的一门新兴学科。图形：线条图(linegraph)

浓淡图(shadinggraph)

原始数据或数学模型：工程技术人员构思的草图地形航测数据飞机的总体方案模型企业经营的月统计资料第2页，课件共77页，创作于2023年2月图像处理-------将客观世界中原来存在的物体映象处理成新的数字化图像。例如:卫星遥感中的资源勘测气象预报中的云图和海图处理人体的CT扫描工业中的射线探伤金相图谱分析图像处理中关心的问题：滤去噪声、压缩图像数据、对比度增强、图像复原、三维图像重建。

图像(Image)第3页，课件共77页，创作于2023年2月

虽然都涉及计算机处理图形，但被划分为完全不同的学科。现在这两者都采用光栅显示器，那么两学科的重叠和交叉部分就会越来越多，从两方面可以说明这一点：首先，在交互式图象处理中，当需要实时地在屏幕上转换连续色调图象时，用户在菜单以及其它图形交互技术的帮助下，输入命令控制不同的过程。如，扫描进来的照片经过电子方式粘贴、裁剪编辑后，与其它内容合成形成综合图象，然后再输出，则需要图形工具的帮助。其次，在计算机图形中，经常需要简单的图象处理操作辅助合成一个模型的图象。变换与合成图象的某些手段，在很大程度上依赖于图象处理。计算机图形学与图象处理的重叠与交叉第4页，课件共77页，创作于2023年2月模式识别--------研究怎样分析和识别输入的图象，找出其中蕴涵的内在联系和抽象模型。例如：邮件分检、汉字识别、自动化仓库等。计算几何--------讨论几何形体的计算机表示和分析、综合，研究怎样方便、灵活地建立几何形体的数学模型，提高算法效率，在计算机内怎样更好地存储和管理这些模型数据。第5页，课件共77页，创作于2023年2月图像处理计算机图形学模式识别图像计算几何特征数

据几何模型CAD/CAM计算机艺术计算机动画计算机视觉第6页，课件共77页，创作于2023年2月计算机图形学的研究内容图形的输入：研究如何把要处理的图形输入到计算机内，以便让计算机进行各种处理。图形的生成、显示和输出：如何利用计算机生成图形并在显示屏上显示或在绘图机等输出设备上输出图形。图形的变换：如何实现图形的几何变换(二维、三维)和非几何变换(色彩、灰度等)。图形的组合、分解和运算：用简单图形组成复杂图形和把复杂图形分解为简单图形；图形之间的并、交、差运算等。第7页，课件共77页，创作于2023年2月

计算机图形学所涉及的算法可分为以下几类基于图形设备的基本图形元素的生成算法，如用光栅图形显示器生成直线、圆弧、二次曲线、封闭边界内的填色、填图案、反走样等(2)基本图形元素的几何变换、投影变换、窗口裁剪(3)自由曲线和曲面的插值、拟合、拼接、分解、过渡、光顺、整体修改、局部修改等(4)图形元素(点、线、环、面、体)的求交与分类以及集合运算第8页，课件共77页，创作于2023年2月(5)隐藏线、隐藏面消除以及具有光照颜色效果的真实图形显示(6)不同字体的点阵表示，矢量中、西文字符的生成及变换(7)山、水、花、草、烟云等模糊景物的生成(8)三维或高维数据场的可视化(9)三维形体的实时显示和图形的并行处理(10)虚拟现实环境的生成及其控制算法等第9页，课件共77页，创作于2023年2月2.2计算机图形学的发展概况

计算机图形学的起源和发展要追溯到50年代初期的美国战术防空系统SAGE。二次大战后美国国防部筹划建立一个实时信息控制系统监视北美的整个空域和地域。SAGE系统有很多公司参加研制，整个技术方案由麻省理工学院(MIT)林肯实验室负责。该系统在1957年投入使用，到60年代中期逐渐淘汰，整个计划并未最终完成，但这一尝试却是交互式图形显示技术的起源。第10页，课件共77页，创作于2023年2月

从50年代初到60年代中，麻省理工学院还积极从事现代计算机辅助设计/制造技术的开拓性研究，先后在这里诞生了世界上第一台数控铣床和APT数控加工自动编程语言。在这样的历史背景下，麻省理工学院的博士生IvanSutherland于1962年发表了一篇题为“Sketchpad：人--机对话图形通讯系统”的博士论文，研制出第一台光笔交互式图形显示器，这就是最初的计算机图形系统。第11页，课件共77页，创作于2023年2月

70年代：廉价的集成电路使基于电视技术的光柵图形成为可能，软件算法随之产生。提出了真实感图形学和实体造型技术的概念。

1971年Gourand提出“漫反射模型＋插值”的思想，被称为Gourand明暗处理。1975年Phong提出了著名的简单光照模型-Phong模型。第12页，课件共77页，创作于2023年2月

80年代：高分辨率，大尺寸，彩色显示设备，各种输入设备，软件标准化趋势；与设备无关的驱动程序，各种图形软件包。

Whitted光透视模型，第一次给出光线跟踪算法的范例；1984年，辐射度方法引入计算机图形学之中，成功模拟理想漫反射表面间多重漫反射效果；光线跟踪算法和辐射度算法的提出，标志着真实感图形的显示算法已逐渐成熟。

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90年代：应用急速膨胀，刺激CG的发展。功能强大的图形软件基于图形的设备图形工作站3D真实场景，准确性，真实性，和实时性与IP和PR的结合虚拟现实技术：虚拟内窥镜，虚拟演播室第14页，课件共77页，创作于2023年2月

我国开展计算机图形设备和计算机辅助几何设计方面的研究开始于60年代中后期。图形学在我国的应用从70年代起步，如今已在电子、机械、航空航天、建筑、造船、轻纺、影视等部门的产品设计、工程设计和广告影视制作中得到了广泛应用，并取得了明显的经济效益和社会效益。因此，也需要培养大批计算机图形学方面的专门人才以适应图形处理技术的飞速发展。

中科院计算所人才招聘所要求的专业知识之一就是：有计算机图形学、图象处理专业背景。第15页，课件共77页，创作于2023年2月2.3计算机图形学的应用图形用户界面介于人与计算机之间，人与机器的通信，人机界面（HCI）。

CAD/CAM图形学的主要应用领域之一。建筑、机械结构和产品设计（结构分析和外形设计）、布局（各种管道，电子线路），实现无纸设计。第16页，课件共77页，创作于2023年2月第17页，课件共77页，创作于2023年2月第18页，课件共77页，创作于2023年2月可视化科学计算可视化(ScientificVisualization)必要性：直接分析大量的测量数据或统计数据有困难目标：用图形表现抽象的数据应用领域：医学图象重建，遥感，流场、气象、核爆模拟，有限元分析……。等等信息可视化：信息流量，商业统计数据，股市行情……。第19页，课件共77页，创作于2023年2月地理信息系统（GIS）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，资源调查多媒体在计算机控制下，对多种媒体信息进行生成、操作、表现、存储、通信、或集成的信息系统，其中媒体至少应包括一种“连续媒体”及一种“离散媒体”计算机处理的常见媒体：文本、图形、图像、语音、音频、视频、动画特点：媒体的多样性、操作的交互性、系统的集成性CAI，教学娱乐第20页，课件共77页，创作于2023年2月娱乐电脑游戏实时性逼真性蕴含了先进的图形处理技术电视广告，节目片头，科教演示（CAI）QuakeIII，“古墓丽影”，“侏罗纪公园”、“皇帝的新衣”、“完美风暴”………MAYA,3DS-MAX,SOFTIMAGE…计算机艺术Coreldraw,Photoshop,金山画王笔,相片真实感模拟与自然媒体仿真技术。第21页，课件共77页，创作于2023年2月第22页，课件共77页，创作于2023年2月第23页，课件共77页，创作于2023年2月地理信息系统中的图形第24页，课件共77页，创作于2023年2月综合色彩、光照、纹理的场景第25页，课件共77页，创作于2023年2月综合色彩、光照、纹理、透明的场景第26页，课件共77页，创作于2023年2月计算机描绘的自然风景第27页，课件共77页，创作于2023年2月计算机描绘的自然风景第28页，课件共77页，创作于2023年2月计算机生成的树木真实感的树木艺术化的树木第29页，课件共77页，创作于2023年2月机械造型与设计

第30页，课件共77页，创作于2023年2月电脑动画场景第31页，课件共77页，创作于2023年2月电脑游戏场景第32页，课件共77页，创作于2023年2月计算机艺术作品第33页，课件共77页，创作于2023年2月计算机艺术作品第34页，课件共77页，创作于2023年2月2.4计算机图形学的发展方向1、造型技术 几何造型技术特征造型技术基于物理的造型技术不规则形体的造型技术2、真实图形生成技术 现实中的物体在光源照射下根据物体表现的不同性质产生反射，折射，阴影等，并相互影响，构造出丰富多彩的世界。为使计算机生成的图象具有真实感，必须模拟物体在现实世界中受到各种光源照射时的效果，并要使得效率高，这即真实图形生成技术的研究内容。第35页，课件共77页，创作于2023年2月3、人机交互技术

易学，易用，出错低的用户技术

虚拟环境：完全由计算机产生的环

境，却具有与真实物体同样的外表，行为和交互方式。第36页，课件共77页，创作于2023年2月2.5计算机辅助设计的定义CADComputerAidedDesignComputerAidedDrawing？ComputerAidedDrafting？手工绘图计算机绘图（电子图板）有意义，但不是CAD的全部有效的全面辅助设计第37页，课件共77页，创作于2023年2月2.6CAD技术发展历史1952：MIT伺服机构实验室完成数控铣床研究D.T.Ross,计算机辅助制造开端第38页，课件共77页，创作于2023年2月CAD技术发展历史50年代中期：USAirForce‘sSAGE@MITLincolnLaboratory–最早使用光笔第39页，课件共77页，创作于2023年2月CAD技术发展历史1962年，S.A.Coons发表：AnoutlineoftherequirementsforthecomputerAidedDesign《计算机辅助设计需求纲要》－设计者使用CRT显示器与光笔操作－从概念设计、生产设计以及制造均采用计算机辅助－仅仅是设想了计算机辅助设计的形式第40页，课件共77页，创作于2023年2月CAD技术发展历史60年代初期，IvanSutherland，SKETCHPAD－光笔实现人机交互，定位图形元素－工程图轮廓、尺寸等的分层表示－交互式图形学与计算机辅助设计的基础第41页，课件共77页，创作于2023年2月CAD技术发展历史Sutherland在1968左右发明了HMD，HeadMountedDisplay，即头盔显示器－VR应用第42页，课件共77页，创作于2023年2月CAD技术发展历史1959，DAC-1（DesignAutomatedbyComputer

）,第一个commercialCAD系统，由IBM为GeneralMotors开发Dr.PatrickJ.Hanratty于1957开发了第一个commercialnumerical-controlprogrammingsystem被称为：“theFatherofCADD/CAM”

第43页，课件共77页，创作于2023年2月CAD技术发展历史1963年，StanfordResearchInstitute的DougEnglebart发明鼠标第44页，课件共77页，创作于2023年2月CAD技术发展历史

In1960McDonnellDouglasAutomationCompany(McAuto)的CADD是最早的CAD程序可以显示2D与3D的线条1967Dr.JasonRLemon创建了SDRCDavidEvansandIvanSutherlandfoundedin1968EvansandSutherlandIn1969Computervision成立，第一个商用CADsystem卖给了Xerox公司（施乐）

1969年，XeroxPARC成立，GUI诞生第45页，课件共77页，创作于2023年2月CAD技术发展历史Windows1995AppleMacintosh1984XeroxStar,1981GUI发展的几个主要产品第46页，课件共77页，创作于2023年2月CAD技术发展历史1969年，BellLabs建立第一个帧缓存framebuffer(3bits)1969年，SIGGRAPH成立(beganasspecialinterestcommitteein1967bySamMatsaandAndyvanDam)1969年，ARPANET诞生1970年，法国Renault公司的PierreBezier提出一种全新的数学方法，用于构造汽车自由曲面。由他领导研制的Unisurf曲面造型和UniAPT曲面加工系统，从1972年起应用于汽车外形打样和模具加工，为计算机辅助几何设计CAGD研究方向奠定了基础和发展方向。第47页，课件共77页，创作于2023年2月CAD技术发展历史美国的洛克希德公司从1974年起向市场推出了CADAM系统，成为70年代中至80年代末国际上最流行的第一代IBM主机版交互绘图系统麦道公司从1976年起开发Unigraphics系统，简称UG，目前属于EDS公司（1975年建立）法国Dassault公司1975年花一百万美元买下了CADAM源程序，学习CADAM的技术诀窍，同时又发展Bezier曲面造型方法，自主开发了CATIA飞机外形设计和数控加工系统。第48页，课件共77页，创作于2023年2月CAD技术发展历史基于对于CAD/CAE一体化技术发展的探索，SDRC公司于1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件──I-DEAS。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一CAD、CAE、CAM的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。第49页，课件共77页，创作于2023年2月CAD技术发展历史通用实体造型平台Parasolid与Acis均出自剑桥大学IanBraid于1973年的博士论文他和导师CharlesLang，以及同窗AlanGrayer都有很强的商业意识，1974年在剑桥买下了一幢小住宅楼，创办了ShapeData公司，并于1978年开发出第一代实体造型软件Romulus。1981年美国E&S公司买下ShapeData，着手开发第二代产品Parasolid,1988年并入UG第50页，课件共77页，创作于2023年2月CAD技术发展历史1986年美国SpatialTechnology公司再次找到IanBraid等合作，开发了ACISACI是AlanGrayer，CharlesLang和IanBraid的名字字首，S是Solid（实体）的字首ACIS于1989年上市由于它的技术性能好，很多CAD厂商都用它替换了自己产品中的原有模块,包括Autodesk公司的MDT等第51页，课件共77页，创作于2023年2月CAD技术发展历史进入80年代中期，CV公司内部以高级副总裁为首的一批人提出了一种参数化实体造型方法主要具有以下特点：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改ParametricTechnologyCorp.

最早推出T-FLEX1989年，PRO/Engineer的第一个版本80年代末，计算机技术迅猛发展，硬件成本大幅度下降，大大推动了中小企业对CAD技术的应用第52页，课件共77页，创作于2023年2月CAD技术发展历史SDRC的开发人员以参数化技术为蓝本，提出了一种比参数化技术更为先进的实体造型技术──变量化技术，作为今后的开发方向。经三年时间，投资一亿多美元，将软件全部重新改写，于1993年推出全新体系结构的I-DEASMasterSeries软件在早期出现的大型CAD软件中，这是唯一一家在90年代将软件彻底重写的厂家。

第53页，课件共77页，创作于2023年2月CAD技术发展历史约束求解标准模块DCM支持参数化特征造型系统剑桥大学，JohnOwenD-Cubed公司DCM2D，DCM3D第54页，课件共77页，创作于2023年2月CAD技术发展历史组件式开发的典型例子：SolidWorks利用PARASOLID作为实体几何建模器D-Cubed公司的DCM作为尺寸约束管理器LightworkDesign公司的Lightworks作为带真实感的浓淡处理器Microsoft的FoundationClass作为其基于Windows应用的接口开发工具其他如有限元分析模块第55页，课件共77页，创作于2023年2月CAD技术发展历史微机平台CAD系统：Autodesk公司16个人于1982年合办JohnWalker：PC运行的$1000以内的CAD软件第一版的AutoCAD基于1981年由MikeRiddle写的名为MicroCAD的软件（Interact）AutoCAD是当今最流行的二维绘图软件，它在二维绘图领域拥有广泛的用户群MDT、Inventor三维设计第56页，课件共77页，创作于2023年2月CAD技术发展历史其它微机平台CAD系统Bentley：MicrostationSolidworks－DassaultSolidedge－EDSCimatron：以色列Cimatron公司的CAD/CAM/PDM产品，是较早在微机平台上实现三维CAD/CAM全功能的系统IronCAD－创新式协同设计韩道暘先生第57页，课件共77页，创作于2023年2月CAD技术发展历史国产CAD系统高华CAD－清华CAXA电子图板－北航GS-CAD98－浙大金银花系统－广州红地技术有限公司开目CAD－华中理工大学机械学院二维较成熟，三维开始起步绘图技术较为成熟，全面整合较欠缺第58页，课件共77页，创作于2023年2月2.7CAD技术发展趋势参数化智能化三维化集成化网络化标准化第59页，课件共77页，创作于2023年2月CAD技术发展趋势硬件大型主机智能终端小型机（TurnKeySystem）工作站微机网络化软件线框系统曲线曲面造型实体造型技术参数化特征造型变量化创新协同设计模块化，专业分工PLM：产品生命周期管理第60页，课件共77页，创作于2023年2月

PLM:产品全生命周期管理PLM不是一种现成的工具，而是面向产品创新的一种知识管理和流程优化的理念，同时又通过各种工具得以实现核心是协同与创新产品生命周期管理包括三个阶段产品创新和新产品的开发阶段生产组装和规划变更管理阶段维护管理阶段第61页，课件共77页，创作于2023年2月

2.8CAD系统选型应用软件选择软硬件运行环境选择依据工作需求分析价格策略技术支持第62页，课件共77页，创作于2023年2月

CAD系统应用软件满足需要模块化易用性开放性二次开发能力文件接口丰富常用外设支持公司背景技术支持第63页，课件共77页，创作于2023年2月

CAD系统软件运行环境Unix系列高端专用Windows系列WindowsNT、2000、XP为主Linux具有潜力第64页，课件共77页，创作于2023年2月

CAD系统硬件运行环境计算机硬件性能的提高已经超过了一般CAD软件对硬件的需求增长不同的模块对硬件的要求各有区别图形能力CPU计算能力存储能力网络带宽数据采集图形输出设备第65页，课件共77页，创作于2023年2月

CAD系统选型－步骤需求分析、筹措经费市场调研、专家咨询信息整理、确定候选方案考察背景、走访现有用户主题测试用户试用第66页，课件共77页，创作于2023年2月

CAD系统选型－步骤征求配置建议方案与价格预算研究制定配置／价格一揽子提案进行技术磋商与商务谈判确定方案，签定合同与技术协议履行合同，启动CAD应用第67页，课件共77页，创作于2023年2月

CAD系统选型－原则了解发展趋势分模块规划，避免一枝独秀合理分配资金，达到最优配置专业咨询？顾问公司？信息工程监理？第68页，课件共77页，创作于2023年2月

2.9CAD系统与管理过程真正达到计算机辅助“设计”计算机人员工程设计人员真正带动技术创新管理数据信息化业务流程信息化第69页，课件共77页，创作于2023年2月

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