计算机图形学第1章绪论.ppt

1、Xi工业大学计算机科学学院计算机图形学：王英会电子邮件：教材或参考书，教材：孙广佳等，计算机图形学(第三版)。清华大学出版社，1998年9月(第一次印刷)-2006年6月(第19次印刷)。实用书籍：廖多铎等。OpenGL 3D图形编程。行星地图出版社，电子版。讲座内容，第1章绪论第2章光栅设备第3章基本图形生成算法第4章自由曲线与曲面第5章图形裁剪第6章图形变换第7章计算机动画第1章绪论，1.1应用与研究前沿1.2研究内容1.3发展历史，1.1应用与研究前沿，1.2.1计算机图形学的应用，首先看一些我们自己的例子OpenGL例子虚拟社区浏览脑颅绘图例子(2 D，1.1应用与研究前沿1.2.1计

2、算机图形学的应用，人机图形用户界面：人与人之间的交流人机界面：软件和硬件。开发：由指示灯和机械开关组成的控制界面，由键盘(80年代)组成的字符界面，由各种输入设备和光栅图形显示设备(90年代)组成的图形用户界面(GUI)，所见即所得(WYSIWYG VR)技术，计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)，CAD/CAM是计算机图形学在工业中最广泛、最活跃的应用领域：设计结果直接送到后续工序进行处理，如波音777飞机的设计与加工。 发电厂和化工厂的布局、土木工程、建筑设计、电子电路和电子设备的设计、奥迪效果图和线框。 基于工程图纸的三维形状重建定义：从2D信息中提取三维信息，通过分类、合成等一系列处

3、理，在三维空间中重建与2D信息对应的三维形状，恢复形状的点、线、面和拓扑关系，从而实现形状重建的优势：装配零件的干涉检查，以及有限元分析、仿真和加工等后续操作，代表了计算机辅助设计技术的发展方向。工程图纸及其3D重建结果-1。工程图纸及其3D重建结果-2。可视化，科学可视化。海量数据使得人们分析和处理数据越来越困难，用图形表示数据的紧迫性日益增加。1986年，国家科学基金会举办了一次特别研讨会。会上指出，“科学计算可视化”广泛应用于流体力学、有限元分析、气象分析等领域。在医学领域，可视化有着广阔的发展前景，它是机械手术和远程手术的基础，将医学ct扫描的数据转化为三维图像。帮助医生识别病人身体中

4、受影响的部位；由计算机断层扫描数据生成的人体漫游图像可视化的前沿和难点；可视化硬件的研究；实时3D渲染；内部组织的识别和分割；真实感图形的实时绘制和自然景物的模拟；在计算机中再现真实世界的场景被称为真实感绘制；真实感绘制的主要任务是模拟真实物体的物理属性。简单地说，就是物体的形状、光学性质、表面纹理和粗糙度，以及物体之间的相对位置、遮挡关系等。地理信息系统是基于地理图形的各种资源的综合信息管理系统。数字地球：以地形数据为载体。军事、政府决策、旅游、资源调查。娱乐和电脑游戏的实时保真度包含先进的图形处理技术，如电视广告、节目名称、计算机辅助教学、侏罗纪公园、皇帝的新衣、古墓丽影、完美风暴玛雅(P

5、erfect Storm MAYA)、3D-MAX、软图像和多媒体。在计算机的控制下，各种媒体信息可以被生成、操作、表示、存储、通信和显示计算机处理的常见媒体：图形、文本、声音(音频)、图像(视频)、动画特征：媒体多样性、交互操作、系统集成、虚拟现实、虚拟现实或虚拟环境，是利用计算机技术创造一个逼真的视觉、听觉、触觉或嗅觉等三维感官世界，并与世界互动。1.1.2当前的研究重点，实时渲染物体网格模型与真实感图形，面片简化：对于模型所代表的网格面片，在一定的误差精度范围内，删除点，边和面，从而简化绘制场景的复杂度，加快绘制速度。IBR(基于图像的渲染):从一系列已知图像中直接生成视角未知的图像，适

6、用于野外极其复杂场景的生成和漫游。野外自然场景的模拟主要画山、水、云、树、草、火等。室外场景远比室内场景复杂，绘制难度更大，方法也更多样化，如：*绘制粒子系统)；火。*根据生长模型绘制植物的方法；*绘制云的元胞自动机方法等。近十年来，清华大学自然风景平台生成的野外场景、日本Yoshinori Dobashi绘制的真实感云、Xfrog3.0生成的挪威云杉、与计算机网络技术的紧密结合、远程医疗与诊断、远程导航与维护、远程教育、远程设计、计算机动画和计算机动画都取得了长足的进步。商业广告、影视特效/标题、动画教育、军事、飞行模拟等。已经渗透到人们生活的每个角落。二维动画图像变形形状分类，三维动画变形

7、物体动画关节动画和人体动画过程动画关键帧动画混合，基于特征的图像变形(猫变成老虎)，用户界面，用户界面是人们使用计算机的第一印象。友好的图形用户界面可以极大地提高软件的易用性。图形已经完全融入计算机的各个方面。许多软件可以根据其图形或动画界面的指令进行操作，而无需查看任何指令。目前，几家大型软件公司正在研究下一代用户界面，并为主流应用开发自然高效的多渠道用户界面。研究多渠道语义模型、多渠道集成算法及其软件结构和界面范式是当前用户界面的主流方向，而图形在其中起着主导作用。，使用计算机软件创建二维平面画笔程序(如CorelDraw、Photoshop、PaintShop)，三维建模与渲染软件包(如

8、3DMAX、Maya)，以及一些特殊的动画软件(如Alias、software image)，计算机艺术、计算机艺术(续)，优点：提供多种风格的画笔笔触，提供多种纹理贴图，甚至雾化和变形图像，可以随意修改，从而消除了失败的缺陷：很难获得具有素描效果和油画效果的艺术作品而不达到传统绘画中风格化的艺术效果。计算机艺术(续)、非真实感渲染NPR(非照片真实感渲染)用于模拟艺术效果(不同于真实感图形)。钢笔素描诞生于中世纪，从19世纪开始成为一门艺术。20世纪90年代，开始用计算机研究中国传统书画的产生。乔治温肯贝拉赫(siggraph 96)画的壶和碗，索尔兹伯里画的茶壶(siggraph 97)，

9、索尔兹伯里画的熊(siggraph 97)，奥利弗德乌森画的草图树(Siggraph2000)，第一章导论，1.1应用和研究前沿1.2研究内容1.3发展历史，1.2研究内容，什么是图形？组成图形的元素？图形表示(两种)。图形的研究内容是什么？计算机图形学的研究对象。在人类视觉系统中能够产生视觉印象的客观物体包括自然景物、拍摄的图片、用数学方法描述的图形等。几何特征：描述物体的轮廓和形状不是几何特征：描述物体的颜色和纹理，在计算机中表示图形，用点阵枚举图形中的所有点(强调图形是由点组成的)简称为图像(数字图像)。参数是指形状参数(方程或解析表达式的系数，线段的端点坐标等)。)和属性参数(颜色、线

10、型等。)表示图表的简称。图形主要分为两类。表示基于线条信息的着色。什么是计算机图形学？定义：计算机图形学是一门研究如何用计算机生成、处理和显示图形的学科。计算机图形学是计算机科学中最活跃和应用最广泛的分支之一。计算机图形学的研究内容以及如何在计算机中表示、计算、处理和显示图形的相关原理和算法构成了计算机图形学的主要研究内容。图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线和曲面建模、实体建模、真实感图形计算和显示算法、科学计算可视化、计算机动画、自然景物模拟、虚拟现实等。与相关学科的关系、数字图像、数据模型、发展特征：交叉、边界模糊、相互渗透，第一章绪论，1.1应用与研究前1.2研究内

11、容1.3发展历史，1.3发展历史，历史溯源？硬件开发？*开发图形显示(输出)*开发图形输入设备；图形软件和软件标准的发展？在20世纪50年代(支持硬件的出现和发展)，1950年，第一个图形显示器作为麻省理工学院旋风一号计算机的附件诞生了。1958年，美国Calcomp公司从一台在线数字记录仪发展成为一台辊式绘图仪，GerBer公司将一台数控机床发展成为一台平板绘图仪。1962年，麻省理工学院林肯实验室的萨瑟兰发表了一篇名为画板：人机交互的图形系统的博士论文，确认交互图形是一个学科分支(提出了基本交互技术、图元的层次表示概念和数据结构)。1962年，雷诺汽车公司工程师皮埃尔贝塞尔提出了贝塞尔曲线

12、曲面理论。1964年，麻省理工学院教授史蒂文库恩斯(Steven A. Coons)提出了超限插值的新概念，并通过插值四条任意边界曲线来构造曲面。从历史上看，光栅图形在20世纪70年代发展迅速(真实感绘制和标准)，区域填充、裁剪和消隐等基本图形概念及其相应算法相继诞生。图形软件标准化在1974年，美国计算机学会的工作会议“独立于机器的图形技术”美国计算机学会成立了图形标准化委员会。1970年，鲍奈特提出了第一个光反射模型，古兰在1971年提出了“漫反射模型插值”的思想，1975年被称为古兰明暗处理，冯格提出了著名的简单光模型冯格模型实体建模技术，英国剑桥大学计算机辅助设计团队的构建系统美国罗彻

13、斯特大学PADL 1系统，历史轨迹，20世纪80年代并首次给出了一个光线跟踪算法实现Whitted模型的例子。1984年，美国康奈尔大学和日本广岛大学的学者分别将热辐射工程的辐射测量方法引入计算机图形学。图形硬件和各种分支在这一时期发展迅速，其历史可以追溯到。20世纪90年代，随着微机和软件系统的普及，图形的应用领域越来越广泛。标准化、集成化、智能多媒体技术、人工智能、科学计算可视化、虚拟现实3D建模技术、历史追溯。ACM SIGGRAPH会议(小知识)的全称是20世纪60年代中期的“计算机图形与交互技术特别兴趣小组”。1974年，由布朗大学教授安德烈斯范达姆(Andy)和IBM公司的萨姆马萨

14、(Sam Matsa)发起，在科罗拉多大学召开了第一届SIGGRAPH年会，并取得了巨大成功。每年只有大约50篇论文被录取。图形显示(输出)的发展图形显示是计算机图形学中的关键设备。画线显示(矢量显示/随机扫描显示)，60年代中期、60年代后期和70年代初期的硬件发展，第一阶段：控制开关、穿孔纸等。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。语音的第四阶段：三维输入设备(如空间球、数据手套、数据服装)、用户的手势、表情等。第五阶段：用户思维、图形输入设备开发、附庸分裂、标准讨论、标准形成、标准形成过程、图形软件开发和软件标准形成。计算机图形软件系统有三种类型：(1)以某种语言编写的子程序，如： gks(图形内核系统)phigs(程序交互图形系统)，易于移植和推广，但执行速度相对较慢，效率较低。(2)扩展计算机语言，使其具有图形生成和处理功能，如Turbo Pascal、Turbo C、AutoLisp等。简洁、紧凑、执行速度快，但可移植性差。(3)专用图形系统开发规模小，但执行速度慢，可移植性差。通用标准：通用图形软件包，图形标准GKS(图形内核系统)(第一个官方标准，1977) Phigs(程序员科学图形系统