第1章图形学绪论

计算机图形学张冀

E-mail：xinji_09@126.comkey：jsjtxxTel学与统计学院教材：伏玉琛、周洞汝，计算机图形学——原理、方法与应用，华中科技大学出版社参考书陈元琰，张晓竟，计算机图形学实用技术，科学出版社，2000DavidF.Rogers著，石教英，彭群生等译，ProceduralElementsforComputerGraphics(SecondEdition)计算机图形学的算法基础，机械工业出版社，2002孙家广，杨长贵，计算机图形学，清华大学出版社，1995唐荣锡，汪嘉业，彭群生，汪国昭，计算机图形学教程（修订版），科学出版社，2000DonaldHearn,M.PaulineBaker,计算机图形学，电子工业出版社，1998总学时：48学时周一

第3、4节周四第1、2节（第6－17周，如遇放假另听安排）考核方法:作业、考勤--------20%期末考试---------80%目的掌握计算机图形学的理论基础知识；了解最前沿的研究与应用；培养大家对图形学兴趣。本课程的学习目的第一章绪论第1章绪论

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什么是计算机图形学

当前研究热点第1章绪论

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当前研究热点什么是计算机图形学

ComputerGraphics(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。客观世界对象模型图形显示*计算机图形学的任务是在计算机系统内“逼真”地模拟（描绘）客观世界事物模型生成图形生成计算机图形学的核心的两大方面：模型生成（客观世界建模）图形显示（输出效果处理）电影特效：阿凡达……动画：机器人瓦力……电脑游戏：魔兽世界……CAD/CAM（ComputerAidedDesign/Manufacture，计算机辅助设计/制造）医学上的CT图像三维重建实际用例*什么是图形？图形：计算机图形学的研究对象能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象包括自然景物、拍摄到的图片、用数学方法描述的图形等等图形主要分为两类：基于线条信息表示的，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等明暗图(Shading)，也就是通常所说的真实感图形。图形的构成要素广义的概念几何要素——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、线宽表示图形的方法①点阵法。枚举出图形中所有的点来表示图形，强调图形由点构成，及其点的属性（颜色）：像素图或图像。②参数法：由图形的形状参数和属性参数来表示图形，简称图形形状参数：方程或分析表达式的系数，线段的端点坐标等。属性参数：颜色、线型等。图形与图像的区别两个概念间的区别越来越模糊区别：图像纯指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息图形含有几何属性，或者说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

Graphics与Image的对比1.

数据量很少数据量很大2.

有结构，便于编辑修改无结构，不便于编辑修改3.

能准确表示3D景物，易于生成所需的不同视图3D景物的信息巳部分丢失，很难生成不同的视图4.

生成视图需要复杂的计算生成视图不需要复杂的计算5.

自然景物的表示很困难自然景物的表示不困难6.

国际标准：

GKS,PHIGS,OpenGL,WMF,VRML;

CGM,STEP,国际标准：

JBIG,JPEG,IPI/IIF;TIFF7.

编辑软件(绘图软件):

AutoCAD,CorelDRAW编辑软件(图象处理软件)：

Photoshop,Photostylergraphicsimage第1章绪论

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当前研究热点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：

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——计算几何真实感图形的生成算法三维几何造型技术山、水、花、草、树木、云、烟、火焰、雪景等模糊复杂景物的生成——分形几何三维或高维数据场的可视化图形的并行处理虚拟现实环境——实时交互式三维图形处理第1章绪论

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当前研究热点与相关学科的关系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图形学研究如何将数据和几何模型变为图形；图像处理重点在于图像的压缩存储、增强图像对比度、去除噪声等问题；模式识别讨论如何从图像中提取数据和模型；计算几何研究几何形体在计算机内的表示、分析和综合。是计算机图形学的研究基石。——基础彼此的内在联系（狭义）

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准备阶段（50年代）1950年，MIT，第一台图形显示器，旋风I号(WhirlwindI)计算机的附件，类似于示波器的阴极射线管(CRT)。1958年，美国Calcomp公司由联机的数字记录仪发展成滚筒式绘图仪，GerBer公司把数控机床发展成为平板式绘图仪。到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，光笔，交互式图形生成技术。发展简史

发展阶段（60年代）MIT林肯实验室的I.E.Sutherland发表了一篇题为“Sketchpad:一个人机通信的图形系统”的博士论文，首次使用ComputerGraphics术语。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、英国剑桥大学随机扫描显示器发展简史

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(ACMSIGGRAPH)发展简史

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、且更加成熟图形硬设备的发展

图形显示器的发展60年代中期：画线显示器（亦称矢量显示器）需要刷新。设备昂贵，限制普及。60年代后期：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。70年代初，刷新式光栅扫描显示器出现，大大地推动了交互式图形技术的发展。特点：以点阵形式表示图形，使用专用的缓冲区存放点阵，由视频控制器负责刷新扫描。画线显示器（矢量显示器/随机扫描显示器）存储管式显示器刷新式光栅扫描显示器第一阶段：控制开关、穿孔纸等等第二阶段：键盘第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏等等，语音第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据手套、数据衣），用户的手势、表情等等第五阶段：用户的思维图形输入设备的发展三种类型的计算机图形软件系统发展：

1、用某种语言写成的子程序包，如：

GKS(GraphicsKernelSystem)

PHIGS(Programmer’s

HerarchicalInteractiveGraphicssystem)GL，OpenGL，DirectX

特点：平台适应性较好，便于移植和推广；但执行速度相对较慢（事实工业标准得到硬件支持，基本上不存在这个问题）；使用不方便。图形软件及软件标准发展

2、扩充计算机语言，使其具有图形生成和处理的功能，如：

TurboPascal、TurboC，AutoLisp等。

特点：简练、紧凑、执行速度快，但可移植性差。3、专用图形系统，如：

AUTOCAD、3DSMAX

特点：效率高，但系统开发量大，可移植性差。发展历程诸侯割据标准讨论标准形成图形软件发展及软件标准形成第1章绪论

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什么是计算机图形学当前研究热点应用图形用户界面

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奥迪效果图和线框图基于工程图纸的三维形体重建定义：从二维信息中提取三维信息，通过对这些信息进行分类、综合等一系列处理，在三维空间中重新构造出二维信息所对应的三维形体，恢复形体的点、线、面及其拓扑关系，从而实现形体的重建。优势：可以做装配件的干涉检查、以及有限元分析、仿真、加工等后续操作，代表CAD技术的发展方向。计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）工程图及其三维重建结果1工程图及其三维重建结果2应用

科学计算的可视化不同于可视化计算（CT）医学图象重建，流场、湍流、激波、核爆模拟，有限元分析、气象分析、天体物理、分子生物学可视化科学计算可视化(ScientificVisualization)海量的数据使得人们对数据的分析和处理变得越来越难，用图形来表示数据的迫切性与日俱增1986年，美国科学基金会（NSF）专门召开了一次研讨会，会上提出了“科学计算可视化（VisualizationinScientificComputing）”科学计算可视化广泛应用于医学、流体力学、有限元分析、气象分析当中在医学领域，可视化有着广阔的发展前途是机械手术和远程手术的基础将医用CT扫描的数据转化为三维图象，帮助医生判别病人体内的患处由CT数据产生在人体内漫游的图象可视化的前沿与难点可视化硬件的研究实时的三维体绘制体内组织的识别分割——Segmentation应用

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，（70％）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、植物分布图计算机动画近十多年来取得了很大的发展，已渗透到人们生活的各个角落商业、影视特技、娱乐、教育、军事、飞行模拟。分类二维动画（图像变形，形状混合）三维动画：关键帧动画变形物体的动画过程动画关节动画与人体动画计算机动画应用基于特征的图象变形（猫变虎）我国第一部利用计算机辅助摄制的动画片是《咪咪钓鱼》，1991年由北方工业大学和北京电视台合作制作，以二维动画为主。用386微机和C语言编程，利用数字化仪和摄象机产生关键帧，再由计算机在相邻两幅关键帧之间内插生成中间帧，并自动跟踪上色。多层画面叠加在一起，形成完整的画面。10分钟的片子，5人小组花了10个月时间。用户接口界面是人们使用计算机的第一观感。一个友好的图形化的用户界面能够大大提高软件的易用性图形学已经全面融入计算机的方方面面，很多软件几乎可以不看任何说明书，而根据它的图形、或动画界面的指示进行操作人机界面（HCI)目前几个大的软件公司都在研究下一代用户界面，开发面向主流应用的、自然、高效多通道的用户界面。研究多通道语义模型、多通道整合算法及其软件结构和界面范式是当前用户界面和接口方面研究的主流方向，而图形学在其中起主导作用。

用计算机软件从事艺术创作二维平面的画笔程序（如CorelDraw，Photoshop，PaintShop）图表绘制软件（如Visio）三维建模和渲染软件包（如3DMAX，Maya）、以及一些专门生成动画的软件（如Alias，Softimage）计算机艺术日本YoshinoriDobashi等人绘制的真实感云优点：提供多种风格的画笔画刷提供多种多样的纹理贴图，甚至能对图象进行雾化，变形等操作可以任意修改，取消败笔不足：无法达到传统绘画中风格化的艺术效果很难得到有素描效果、油画效果的艺术品应用

过程控制石油化工、金属冶炼、电网控制的工作人员根据设备关键部位的传感器送来得图像和数据，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，对飞行员进行单飞前的地面训练和飞机格斗训练等应用应用

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，股市行情第1章绪论

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当前研究热点当前研究热点物体网格模型的面片简化：对网格面片表示的模型，在一定误差的精度范围内，删除对结果图像贡献小的点、边、面，从而简化所绘制场景的复杂层度，加快图形绘制速度；基于图象的绘制(IBR，ImageBasedRendering)：不先建立几何模型；它直接从一系列已知的图象中生成未知视角的图象，适用于野外极其复杂场景的生成漫游真实感图形实时绘制野外场景远远复杂于室内场景，绘制难度更大，方法更趋多样化主要绘制山、水、云、树、草、火等等绘制火的粒子系统（ParticleSystem），基于生理模型的绘制植物的方法，绘制云的细胞自动机方法等野外自然景物的模拟由清华大学自然景物平台生成的野外场景Xfrog3.0生成的挪威云杉用于模拟艺术效果，研究方法有别于真实感图形学钢笔素描的生成钢笔素描产生于中世纪，从19世纪开始成为一门艺术20世纪90年代开始研究用计算机模拟中国国画与书法的生成非真实感绘制（NPR，Non-PhotorealisticRendering）GeorgesWinkenb1ach绘制的壶和碗(Siggraph’96)第一章绪论Salisbury绘制的茶壶(Siggraph’97)第一章绪论Salisbury绘制的熊(Siggraph’97)第一章绪论OliverDeussen绘制的素描树(Siggraph’2000)第一章绪论本章小结1、基本概念：图形图像、其表示方法、计算机图形学与其他学科之间的关系等。2、发展历史以及相关的图形标准3、计算机图形学的应用领域、各个领域的研究前沿。课后作业1.名词解释：图形、图像。比较二者的优缺点2.阐述计算机图形学、数字图象处理和计算机视觉学科间的关系。3.试列举说出几种图形学的应用领域？名人故事之IvanEdwardSutherland计算机图形学之父

1988年，享有“计算机图形学之父”美誉的伊凡•苏泽兰特（IvanEdwardSutherland）成为当年的图灵奖获得者。除了图灵奖以外，他还是美国工程院兹沃里金奖的第一位得主;1975年他被系统、管理与控制论学会授予“杰出成就奖”;1986年IEEE授予他皮奥尔奖;ACM除授予他图灵奖以外，1994年又授予他软件系统奖，并早在1983年为纪念计算机图形学的先驱考恩斯而建立以他的名字命名的奖项时，就把第一个考恩斯奖授予了苏泽兰特。

如同计算机行业其他大师一样，苏泽兰特很早就对计算机产生了浓厚的兴趣。早在上个世纪50年代计算机刚问世不久，上中学的苏泽兰特就被计算机这种神秘而又令人向往的机器所深深吸引。继而，他依靠对计算机的狂热兴趣自己动手设计并装配了一些用继电器工作的计算装置，从而积累了最基本的计算机知识和感性的认识。

真正让苏泽兰特在计算机图形学上崭露头角的是在MIT攻读博士学位的时期。凭借先后在电气工程和计算机专业方面都有很高水平的卡内基•梅隆大学和加州理工学院攻读学士和硕士学位所打下的坚实的专业基础，以及假期前往IBM公司打工的实践经验，苏泽兰特通过勤奋工作，用3年时间完成了在TX2计算机上开发出3维交互式图形系统（当时2维图形系统已经问世）这个艰巨而复杂的任务——这就是著名的Sketchpad系统。Sketchpad的成功最后成为苏泽兰特作为“计算机图形学之父”的基础，并为计算机仿真、飞行模拟器、CAD/CAM、电子游戏机等重要应用的发展起到了重大的推动作用。

有意思的是，为了在论文答辩时充分展示Sketchpad系统的功能和特点以获得最佳效果，苏泽兰特这位平时看上去似乎只懂得工作的勤恳严谨的学者，制作了一部名为《Sketchpad：人机图形通信系统》的影片。在博士论文答辩时，他谈吐风趣幽默，配合影片对Sketchpad的讲解丝丝入扣，特殊的方式和出色的表现深深打动并征服了包括信息论创始人——香农、有“人工智能之父”之称的明斯基等著名学者组成的答