第部分計算機圖形學

1、2006-9-2李輝 副教授計算機圖形學R第2頁第1章 概述內(nèi) 容n計算機圖形學的研究內(nèi)容n計算機圖形學的發(fā)展歷史n計算機圖形學的典型應用第3頁第1章 概述計算機圖形學的研究內(nèi)容n計算機圖形學(Computer Graphics)n與其它技術的關系 模式識別 圖像處理 計算幾何第4頁第1章 概述與其它技術的關系圖像幾何數(shù)據(jù)圖像處理計算幾何模式識別計算機圖形學第5頁第1章 概述計算機圖形學的概念n簡單地說，計算機圖形學就是研究如何在計算機中表示圖形、以及利用計算機進行圖形的計算、處理和顯示的相關原理與算法。n圖形 基于線條信息表示的 明暗圖（真實感圖形）n圖形與圖像 界限越來越模糊。 圖像純指計

2、算機內(nèi)以位圖形式存在的信息。 圖形含有幾何屬性，由場景的幾何模型和景物的物理屬性共同組成。第6頁第1章 概述計算機圖形學的發(fā)展歷史n20世紀50年代 1950年，第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學院（MIT）旋風I號（Whirlwind I）計算機的附件誕生 1958年，美國Calcomp公司由聯(lián)機的數(shù)字記錄儀發(fā)展成滾筒式繪圖儀，GerBer公司把數(shù)控機床發(fā)展成為平板式繪圖儀 20世紀50年代末期，MIT的林肯實驗室在“旋風”計算機上開發(fā)SAGE空中防御體系第7頁第1章 概述n20世紀60年代 1962年，雷諾汽車公司的工程師Pierre Bzier 提出Bzier曲線、曲面的理論 1963年

3、，麻省理工學院的Ivan ESutherland發(fā)表了“畫板（Sketchpad）：一個人機圖形通信系統(tǒng)”的博士論文，標志著計算機圖形學作為一個全新研究領域的起步 1964年，MIT的教授Steven A. Coons提出了超限插值的新思想，通過用小塊曲面片組合來表示自由曲面，使曲面片邊界上達到任意高階連續(xù)的理論方法，稱孔斯曲面。第8頁第1章 概述n20世紀70年代 光柵圖形學迅速發(fā)展 區(qū)域填充、裁剪、消隱等基本圖形概念、及其相應算法紛紛誕生 圖形軟件標準化 1974年，ACM SIGGRAPH的與“與機器無關的圖形技術”的工作會議 ACM成立圖形標準化委員會，制定“核心圖形系統(tǒng)”（Core

4、Graphics System） ISO發(fā)布CGI、CGM、GKS、PHIGS第9頁第1章 概述 真實感圖形學 1970年，Bouknight提出了第一個光反射模型 1971年，Gourand提出“漫反射模型插值”的思想，被稱為Gourand明暗處理 1975年，Phong提出了著名的簡單光照模型- Phong模型 實體造型技術 英國劍橋大學CAD小組的Build系統(tǒng) 美國羅徹斯特大學的PADL-1系統(tǒng)第10頁第1章 概述n20世紀80年代之后 圖形硬件迅猛發(fā)展 各個分支迅猛發(fā)展第11頁第1章 概述計算機圖形學的典型應用n可視化 海量的數(shù)據(jù)使得人們對數(shù)據(jù)的分析和處理變得越來越難，用圖形來表示數(shù)

5、據(jù)的迫切性與日俱增 1986年，美國科學基金會（NSF）專門召開了一次研討會，會上提出了“科學計算可視化（Visualization in Scientific Computing）” 科學計算可視化廣泛應用于醫(yī)學、流體力學、有限元分析、氣象分析當中第12頁第1章 概述n計算機輔助設計與制造（CAD/CAM） CAD/CAM是計算機圖形學在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應用領域 飛機、汽車、船舶的外形的設計 發(fā)電廠、化工廠等的布局 土木工程、建筑物的設計 電子線路、電子器件的設計第13頁第1章 概述n計算機動畫 圖象變形 形狀混合 關鍵幀動畫 變形物體的動畫 過程動畫 關節(jié)動畫與人體動畫第14頁第1章

6、 概述n計算機藝術 用于模擬藝術效果，研究方法有別于真實感圖形學 鋼筆素描的生成 鋼筆素描產(chǎn)生于中世紀，從19世紀開始成為一門藝術20世紀90年代開始研究用計算機模擬 中國國畫與書法的生成第15頁第1章 概述素描樹(Siggraph2000)n由Oliver Deussen繪制第16頁第1章 概述計算機圖形學相關開發(fā)技術nOpenGLnDirectXnJava3DnVRML第17頁第1章 概述OpenGL簡介 OpenGL（Open Graphics Library）是圖形硬件的一個軟件接口，也是該領域的工業(yè)標準。圖形程序員利用這些指令可以創(chuàng)建高質(zhì)量的交互式的三維應用。 OpenGL的前身是S

7、GI（Silicon Graphics）公司為其圖形工作站開發(fā)的IRIS GL。IRIS GL雖然功能強大但是移植性不好，于是SGI公司便在IRIS GL的基礎上開發(fā)了OpenGL。 OpenGL是一個與硬件無關的軟件接口。可以在不同的平臺如Windows 95、Windows NT、Unix、Linux、MacOS、OS/2之間進行移植。 OpenGL是網(wǎng)絡透明的，具有網(wǎng)絡功能。即便客戶機和服務器是不同類型的計算機OpenGL程序也可以在網(wǎng)絡上運行。第18頁第1章 概述DirectX簡介 DirectX 首次出現(xiàn)在 1995 年，當時稱為“GameSDK”。在其原始形式中，針對的目標是使用

8、C 和 C+ 的開發(fā)人員。 DirectX 能增強計算機的多媒體功能。使用 DirectX 可訪問顯卡與聲卡的功能，從而使程序可提供逼真的3D)圖形與聲音效果。DirectX 是一組底層“應用程序接口 (API)”，可為 Windows 程序提供高性能的硬件加速多媒體支持。 DirectX 包含一組 API，通過它能訪問高性能硬件的高級功能，如三維圖形加速芯片和聲卡。第19頁第1章 概述 DirectX 支持以下底層功能： Microsoft DirectDraw API 支持快速訪問計算機視頻適配器的加速硬件功能。它支持在所有視頻適配器上顯示圖形的標準方法，并且使用加速驅(qū)動程序時可以更快更直

9、接地訪問。 Microsoft Direct3D API (Direct3D) 為大多數(shù)新視頻適配器內(nèi)置的 3-D 調(diào)色功能提供界面。Direct3D 包含專用 CPU 指令集支持，從而可為新型計算機提供進一步加速支持。 Microsoft DirectSound API 為多媒體軟件程序提供低延遲混合、硬件加速以及直接訪問聲音設備等功能。第20頁第1章 概述 Microsoft DirectInput API 為游戲提供高級輸入功能并能處理游戲桿以及包括鼠標、鍵盤和反饋游戲控制器在內(nèi)的設備輸入。 Microsoft DirectMusic API 是 DirectX 的交互式音頻組件。與捕獲

10、和播放數(shù)字聲音樣本的 DirectSound API 不同，DirectMusic 處理數(shù)字音頻以及基于消息的音樂數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是通過聲卡或其內(nèi)置的軟件合成器轉換成數(shù)字音頻的。DirectMusic API 支持以“樂器數(shù)字界面 (MIDI)”格式進行輸入，也支持壓縮與未壓縮的數(shù)字音頻格式。第21頁第1章 概述 Microsoft DirectPlay API 支持通過調(diào)制解調(diào)器、Internet 或局域網(wǎng)連接游戲。DirectPlay的新功能支持通過網(wǎng)絡進行語音通信，從而可大大提高游戲的娛樂性，同時該組件還通過提供與玩游戲的其他人對話的功能而使游戲更具魅力。 Microsoft Direct

11、Show API 提供可在計算機與 Internet 服務器上進行高品質(zhì)捕獲與回放多媒體文件的功能。DirectShow 支持各種音頻與視頻格式，包括ASF、AVI、DV、MPEG、MP3、 以及 WAV 文件。DirectShow 還具有視頻捕獲、DVD 回放、視頻編輯與混合、硬件加速視頻解碼以及調(diào)諧廣播模擬與數(shù)字電視信號等功能。第22頁第1章 概述Java3D簡介 Java3D API是Sun定義的用于實現(xiàn)3D顯示的接口。3D技術是底層的顯示技術，Java3D提供了基于Java的上層接口。 Java3D把OpenGL和DirectX這些底層技術包裝在Java接口中。 Java3D建立在Ja

12、va2基礎之上，J2SE在其標準開發(fā)包中并不提供Java3D的API，Java3D是一個獨立的可選組件，可以單獨下載。第23頁第1章 概述 Java3D實現(xiàn)了以下功能： 生成簡單或復雜的形體（也可以調(diào)用現(xiàn)有的三維形體） 使形體具有顏色、透明效果、貼圖。 在三維環(huán)境中生成燈光、移動燈光。 具有行為的處理判斷能力（鍵盤、鼠標、定時等）。 生成霧、背景、聲音。 使形體變形、移動、生成三維動畫。 編寫非常復雜的應用程序，用于各種領域如VR（虛擬現(xiàn)實）。 第24頁第1章 概述VRML簡介 VRML ( Virtual Reality Modeling Language)是一種模型語言， 用來描述一個目標對象是如何呈現(xiàn)在 Web 上的。 和HTML一樣， VRML也是可由瀏覽器解釋的描述語言， 只不過VRML 不是