计算机图形学实教程（第5版 微课版）课件 第1章 图形学绪

计算机图形学

绪论教材苏小红、李东、唐好选，《计算机图形学实用教程（第2版）》，人民邮电出版社，2010年9月参考书DavidF.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齐东旭，分形及其计算机生成，科学出版社，1994齐东旭，计算机动画原理与应用，科学出版社，1998彭群生，鲍虎军，金小刚，计算机真实感图形学的算法基础，科学出版社，1999鲍虎军金小刚彭群生，《计算机动画的算法基础》，浙江大学出版社，2000年在线教学网站

graphics教学理念教学理念以应用为背景以理论为主线以算法为核心以能力培养和提高学习兴趣为目标思维能力软件编程能力软件应用能力文献检索、综述能力自学能力课程考核方式实验大作业编写算法的实现程序，提交程序源代码，并撰写实验报告制作Flash动画，提交fla和exe文件，撰写实验报告实验报告详细要求见严禁作弊第1章绪论应用领域与相关学科的关系发展简史研究内容什么是计算机图形学交互式计算机图形处理系统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。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、线宽图形与图像的区别表示——面向对象（直线、圆、圆弧、多边形、填充区域）的，每个对象都是一个自成一体的实体，它同时具有几何属性和视觉属性来源——由代码（算法）生成（包括图形软件绘制）图形设计软件——Illustrator，记录每个对象的位置、大小、形状、颜色等信息表示——点阵图像，由称作像素的单个点组成的来源——扫描输入，网络下载，数码照相，电脑屏幕抓图，图像软件绘制等图像处理软件——Photoshop，记录各空间位置的颜色信息一般说来，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：对形状和外观进行数学定义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模型/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视频与图形的融合视频与图形的融合融合的两个需求将交互图形技术应用于图像/视频处理中提高处理的稳定性和实用性利用图像/视频中所蕴含的信息解决场景构造和绘制的复杂性提高真实感和效率视频与图形的融合融合的应用海量视频数据的拼接与整合，实现新视频序列的合成视频序列与虚拟场景的无缝融合，达到真假难辨的视觉效果，增强现实基于视频信号的三维运动驱动，视频场景的几何、运动和属性重建基于视频信号的自然交互技术电影特技、游戏，电视节目直播等发展简史

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)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，I.E.Sutherland发表博士论文“Sketchpad:一个人机通信的图形系统”《Sketchpad:AManMachineGraphicalCommunicationSystem》首次使用ComputerGraphics术语计算机图形学之父发展简史

发展阶段（60年代）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、且更加成熟当前流行的有：OpenGL,Direct3D,Java3D图形应用软件具有友好的人机界面Adobe公司的IllustratorMacromedia公司的FreehandCorel公司的Coreldraw图形子程序库图形处理中的最小单元，完成图形元素的生成、表示、变换、显示等被各种图形应用软件调用图形设备驱动程序用来控制图形硬件设备显示驱动程序、打印驱动程序图形应用软件图形子程序库图形设备驱动程序图形硬件设备图形软件发展及软件标准形成

三种类型的计算机图形软件系统：(1)按国际标准或公司标准开发的图形子程序库

如:GKS，PHIGS，OpenGL 便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低(2）各种程序设计语言专用的图形子程序库

简练、紧凑、执行速度快，但不可移植（3）专用图形系统

效率高，但系统开发量大，可移植性差。

通用的、与设备无关的图形标准GKS(GraphicsKernelSystem)(第一个官方标准，1977)PHIGS(Programmer’sHerarchicalIuteractiveGraphicssystem)一些非官方图形软件，广泛应用于工业界，成为事实上的标准DirectX(MS)Xlib(X-Window系统)Adobe公司PostscriptOpenGL(SGI)——画图命令是软件库的一部分，与某种语言邦定——用户界面软件是独立的实体，随系统而不同Direct3DJava3D——与用户界面工具包集成在一起 开放式、高效率的发展趋势开放式的三维图形软件包OpenGLOpenGL是在SGI等多家世界闻名的计算机公司的倡导下，以SGI的GL三维图形库为基础制定的一个通用共享的开放式三维图形标准。目前，包括Microsoft、SGI、IBM、SUN、HP等大公司都采用了OpenGL做为三维图形标准，许多软件厂商也纷纷以OpenGL为基础开发出自己的产品。其中比较著名的产品包括：动画制作软件Softimage和3DStudioMAX、仿真软件OpenInventor、VR软件WorldToolKit、CAM软件ProEngineer、GIS软件ARC/INFO等等。OpenGL的优越性独立于窗口系统和操作系统以它为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植可与VisualC++紧密接口便于实现机械手的有关计算和图形算法，可保证算法的正确性和可靠性；使用简便，效率高OpenGL图形库的功能一共有100多个函数。其中核心函数有115个除了提供基本的点、线、多边形的绘制函数外，还提供了复杂的三维物体（球、锥、多面体、茶壶等）以及复杂曲线和曲面（如Bezier、NURBS等曲线或曲面）绘制函数。基本几何变换和投影变换颜色模式设置光照和材质设置纹理映射功能位图显示和图象增强：反走样(Antialiasing)和雾(fog)的特殊图象效果处理双缓存(DoubleBuffering)动画：双缓存即前台缓存和后台缓存，即后台缓存计算场景、生成画面，前台缓存显示后台缓存已画好的画面。计算机图形学

绪论应用图形用户界面

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。用三维计算机建模软件包设计出机械零件，再用这些虚拟设计指导生产过程，由计算机控制的生产设备生产出零件飞机、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孙家广，谭建荣Boeing777,无纸设计，无纸制造在飞机工业中，美国波音飞机公司已用有关的CAD系统实现波音777大型客机的整体设计和模拟，其中包括飞机外型、内部零部件的安装和检验。使其设计制造成本下降30%以上。

建筑和环境设计

计算机动画——商业领域广告设计视频游戏（仿真——精确的视频游戏）卡通动画片影视特技应用视频游戏使用复杂的三维模型和绘制算法由世界著名的游戏公司暴雪出品的3D网络游戏《魔兽世界》自其先后在北美、欧洲和韩国上市以来，打破了多项纪录，更被中国游戏玩家公认为“2005年最受期待的游戏”。据悉，在《魔兽世界》限量公开测试报名首日的第一个小时内，就有10万玩家激情参与！狮子王《玩具总动员》美女与野兽精灵鼠小弟卡通动画片影视特效镜头的制作现代电影几乎都用到了数字合成技术，添加背景，生成前景等。产生以假乱真而又惊险的特技效果，如模拟大楼被炸、桥梁坍塌等。影片《珍珠港》剧照。由电脑制作出的灾难景象。侏罗纪公园计算机艺术——艺术领域

“计算机艺术是科学与艺术相结合的一门新兴的交叉学科，是计算机应用的一个崭新、富有时代气息的领域。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计算机艺术——艺术领域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等。其中，美术作品占比重最大因此，计算机艺术由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——艺术领域计算机平面绘画艺术计算机绘画（ComputerPainting）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软件包括：CorelPainter或AdobePhotoshop等该类绘画最接近于传统绘画，其画风细腻、形象生动自然。但画幅一般较小，要求绘画者有较高的美术功底。优势为：易于修改、效果丰富、成本较低、但对于电脑设备要求较高。近期广泛应用于手绘动画和漫画创作。计算机艺术——艺术领域计算机平面合成艺术计算机数字图像合成艺术（ComputerImageEditingandMontageArt）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软件包括：CorelPainter或AdobePhotoshop等。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。优势为：易于掌握和普及、效果丰富、成本较低。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。计算机艺术——艺术领域计算机数字图像合成艺术计算机艺术——艺术领域计算机图形设计艺术

计算机艺术计算机图形设计艺术

计算机艺术——艺术领域工业产品设计

计算机艺术——艺术领域广告设计

计算机艺术——艺术领域纺织品和服装设计

非真实感绘制

NPRNon-PhotorealisticRendering

非真实感图形比真实感图形应用更广泛，如文学读物插图，其中儿童读物插图量最大；用数字方法对传统绘画进行模拟以掌握其规律性的东西；传统动画都是非真实感的，现在需要用计算机技术再现它们钢笔画效果钢笔素描产生于中世纪，从19世纪开始成为一门艺术，然而用计算机模拟钢笔绘画却是20世纪90年代的事情。

油画效果水彩画效果铜版画效果雕塑艺术中国画与书法艺术Brushes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、飞