計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)課件

1、2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)12022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)2教材或參考書： 教材： 陳錦昌，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)，華南理工大學(xué)出版社，2009。 主要參考書： 機(jī)械CAD與仿真技術(shù) ;哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 ,2000 3D數(shù)學(xué)基礎(chǔ)圖形與游戲開發(fā)，清華大學(xué)出版社.2005 OpenGL編程權(quán)威指南 ;中國電力出版社 2001 ; 孫家廣等，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（第三版），清華大學(xué)出版社，2002。2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)3課程考核方法 平時(shí)成績10%：考勤、學(xué)習(xí)態(tài)度； 上機(jī)實(shí)驗(yàn)和作業(yè)30%； 期末筆試60%（開卷）；作業(yè)完成方式 按小組形式完成：2人一組 每次課講解習(xí)題：隨機(jī)抽4-5個(gè)

2、小組進(jìn)行講解，由同學(xué)介紹開發(fā)思路-用流程圖等；2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)4講授內(nèi)容 第1章 緒論 第2章 VB.NET繪圖基礎(chǔ) 第3章 基本圖形、圖案設(shè)計(jì) 第4章 圖形變換及圖形設(shè)計(jì) 第5章 曲線的程序設(shè)計(jì) 第8章 VB.NET動(dòng)畫技術(shù) 第9章 用VB.NET開發(fā)交互式CAD系統(tǒng) 第10章 VBA程序設(shè)計(jì)2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)5教學(xué)要求 了解圖形學(xué)的基本問題，掌握圖形學(xué)的基本概念、方法與算法； 對與圖形相關(guān)的應(yīng)用及當(dāng)前的研究熱點(diǎn)有一個(gè)初步認(rèn)識； 具有一定實(shí)踐體會(huì)和相關(guān)的編程能力。 2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)6第一章第一章2 22022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)7 什

3、么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)？什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)？ 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是利用計(jì)算機(jī)研究圖形的表示、生成、處理、顯示的學(xué)科。是建立在傳統(tǒng)的圖學(xué)理論、應(yīng)用數(shù)學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)上的一門邊緣學(xué)科。 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)中，最為活躍、得到廣泛應(yīng)用的分支之一2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)8 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與傳統(tǒng)理論關(guān)系理論關(guān)系 ： 計(jì)算幾何 計(jì)算數(shù)學(xué) 微分幾何 形態(tài)學(xué) 混沌學(xué) 小波理論第一章 緒論特征數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)模式識別計(jì)算機(jī)視覺圖象數(shù)字圖象處理圖形2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)91 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容 如何在計(jì)算機(jī)中表示圖形、以及利用計(jì)算機(jī)進(jìn)如何在計(jì)算機(jī)

4、中表示圖形、以及利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形的計(jì)算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法，行圖形的計(jì)算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法，構(gòu)成了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究內(nèi)容。構(gòu)成了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究內(nèi)容。圖形硬件、圖形標(biāo)準(zhǔn)、圖形交互技術(shù)、光柵圖形圖形硬件、圖形標(biāo)準(zhǔn)、圖形交互技術(shù)、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實(shí)體造型、真實(shí)感圖形生成算法、曲線曲面造型、實(shí)體造型、真實(shí)感圖形計(jì)算與顯示算法，以及科學(xué)計(jì)算可視化、計(jì)算機(jī)動(dòng)計(jì)算與顯示算法，以及科學(xué)計(jì)算可視化、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等。畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等。2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)10 圖形與圖象圖形與圖象 圖象純指計(jì)算機(jī)內(nèi)以位圖圖象純指計(jì)算機(jī)內(nèi)

5、以位圖(Bitmap)形式存形式存在的灰度信息。在的灰度信息。-Photoshop等軟件制作。等軟件制作。 圖形含有幾何屬性，更強(qiáng)調(diào)場景的幾何表圖形含有幾何屬性，更強(qiáng)調(diào)場景的幾何表示，是由場景的幾何模型和景物的物理屬示，是由場景的幾何模型和景物的物理屬性共同組成的。性共同組成的。-Autocad等軟件制作。等軟件制作。2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)11 圖形學(xué)與圖形學(xué)與CAD 1962年，年，MIT林肯實(shí)驗(yàn)室林肯實(shí)驗(yàn)室, I. E. Sutherland “Sketchpad：一個(gè)人機(jī)交互通信的圖形系統(tǒng)：一個(gè)人機(jī)交互通信的圖形系統(tǒng)” Coons, “CAD”的概念，的概念，Coons曲面，

6、曲面，Coons獎(jiǎng)獎(jiǎng) 圖形學(xué)與模式識別圖形學(xué)與模式識別 圖形學(xué)與視覺圖形學(xué)與視覺 基于圖像的繪制基于圖像的繪制 基于視頻的繪制基于視頻的繪制2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)121.2 發(fā)展歷史1. 歷史追溯2. 硬件發(fā)展圖形顯示器的發(fā)展圖形輸入設(shè)備的發(fā)展3. 圖形軟件及軟件標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)13歷史追溯 50年代 1950年，第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學(xué)院麻省理工學(xué)院（MIT）旋風(fēng)I號（Whirlwind I）計(jì)算機(jī)的附件誕生了2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)14歷史追溯60年代 1962年，MIT林肯實(shí)驗(yàn)室的I. E. Sutherland發(fā)表了一篇題為“

7、Sketchpad：一個(gè)人機(jī)交互通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文-確定了交互圖形學(xué)作為一個(gè)學(xué)科分支（提出基本交互技術(shù)、圖元分層表示概念及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))。2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)15歷史追溯 70年代 圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化 ACM成立圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)，制定“核心圖形系統(tǒng)”（Core Graphics System）、ISO發(fā)布CGI、CGM、GKS、PHIGS 真實(shí)感圖形學(xué) Bouknight提出了第一個(gè)光反射模型、Gourand提出“漫反射模型插值”的思想、Phong提出了著名的簡單光照模型 實(shí)體造型技術(shù) 英國劍橋大學(xué)CAD小組的Build系統(tǒng) 美國羅徹斯特大學(xué)的PADL-1系統(tǒng)2022-1-28計(jì)

8、算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)16 80年代 Whitted提出了一個(gè)光透視模型-Whitted模型，并第一次給出光線跟蹤算法的范例。圖形硬件和各個(gè)分支均在這個(gè)時(shí)期飛速發(fā)展 90年代： 微機(jī)和軟件系統(tǒng)的普及使得圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化 多媒體技術(shù)、人工智能、科學(xué)計(jì)算可視化、虛擬現(xiàn)實(shí) 三維造型技術(shù)歷史追溯2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)17硬件發(fā)展圖形輸入設(shè)備的發(fā)展 第一階段：控制開關(guān)、穿孔紙等等第一章 緒論 第二階段：鍵盤 未來發(fā)展：用戶的思維 第三階段：二維二維定位設(shè)備，如鼠標(biāo)、光筆、圖形輸入板、觸摸屏等等，語音 第四階段：三維三維輸入設(shè)備（如空間球、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣），用戶的手勢

9、、表情等等2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)18操縱桿和跟蹤球、數(shù)據(jù)手套操縱桿和跟蹤球、數(shù)據(jù)手套輸入設(shè)備輸入設(shè)備第一章第一章6161 操縱桿：手柄通過一個(gè)球形軸承半固定在底座上，在手柄運(yùn)動(dòng)時(shí)帶 動(dòng)一對電位器或電脈沖產(chǎn)生器,產(chǎn)生信號，控制屏幕上的光標(biāo)的運(yùn)動(dòng).但精度不夠桿，因此一般不用來進(jìn)行絕對坐標(biāo)的輸入。 跟蹤球：原理與操縱桿類似，只是它 是右手直接推動(dòng)一個(gè)球在任意方向滾動(dòng)，轉(zhuǎn)換成信號，進(jìn)行圖形控制。2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)19第一章 緒論 數(shù)據(jù)手套應(yīng)用2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)20一般工作過程示意圖一般工作過程示意圖l一般工作過程一般工作過程2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)

10、21應(yīng)用領(lǐng)域： 管理、技術(shù) 藝術(shù)與教育 動(dòng)漫、游戲 CAD/CAM 仿真 過程控制 ApplicationApplication2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)22管理、經(jīng)濟(jì)和技術(shù) 繪制經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)、物理的2D或者3D圖形 數(shù)據(jù)走勢圖，反應(yīng)在時(shí)間維數(shù)上的情況第一章第一章9 92022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)23藝術(shù)和教育藝術(shù)和教育 教學(xué)活動(dòng)教學(xué)活動(dòng)第一章第一章1818 藝術(shù)廣告藝術(shù)廣告視頻2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)24計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM）-CAD/CAM是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域 飛機(jī)、汽車、船舶的外形的設(shè)計(jì)、反求和加工

11、 發(fā)電廠、化工廠等的布局 土木工程、建筑物的設(shè)計(jì) 電子線路、電子器件的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)結(jié)果直接送至后續(xù)工藝進(jìn)行加工處理，如波音777飛機(jī)的設(shè)計(jì)和加工過程；我國戰(zhàn)斗機(jī)FC1的設(shè)計(jì)也采用了這種方法。 反求視頻1 反求視頻2 加工視頻3第一章 緒論2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)25奧迪效果圖和線框圖奧迪效果圖和線框圖第一章 緒論2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)26 基于工程圖紙的三維形體重建 定義：定義：從二維信息中提取三維信息，通過對這些信息進(jìn)行分類、綜合等一系列處理，在三維空間中重新構(gòu)造出二維信息所對應(yīng)的三維形體，恢復(fù)形體的點(diǎn)、線、面及其拓?fù)潢P(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)形體的重建 優(yōu)勢：可以做裝配件的干涉檢查

12、、以及有限元分析、仿真、加工等后續(xù)操作，代表CAD技術(shù)的發(fā)展方向計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM）第一章 緒論2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)27工程圖及其三維重建結(jié)果1第一章 緒論2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)28可視化可視化科學(xué)計(jì)算可視化(Scientific Visualization) 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)據(jù)的迫切性與日俱增 1986年，美國科學(xué)基金會(huì)（NSF）專門召開了一次研討會(huì)，會(huì)上提出了“科學(xué)計(jì)算可視化（Visualization in Scientific Computing）” 科學(xué)計(jì)算可視化廣泛應(yīng)用

13、于醫(yī)學(xué)、流體力學(xué)、有限元分析、氣象分析當(dāng)中第一章 緒論2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)29 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可視化有著廣闊的發(fā)展前途 是機(jī)械手術(shù)和遠(yuǎn)程手術(shù)的基礎(chǔ) 將醫(yī)用CT掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維圖象，幫助醫(yī)生判別病人體內(nèi)的患處 由CT數(shù)據(jù)產(chǎn)生在人體內(nèi)漫游的圖象 可視化的前沿與難點(diǎn) 可視化硬件的研究 實(shí)時(shí)的三維體繪制 體內(nèi)組織的識別分割Segmentation第一章 緒論2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)30 基于位置相關(guān)的地理圖形的關(guān)于各種資源的綜合信息系統(tǒng) 軍事國防，決策支持，旅游，資源調(diào)查等。 數(shù)字地球，地形和地理數(shù)據(jù)作為載體的全球信息化.地理信息系統(tǒng)（GIS）第一章 緒論2022-1-28計(jì)

14、算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)31 虛擬現(xiàn)實(shí)是用計(jì)算機(jī)技術(shù)來生成一個(gè)逼真的三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺等感覺世界，讓用戶可以從自己的視點(diǎn)出發(fā)，利用自然的技能和某些設(shè)備對這一生成的虛擬世界客體進(jìn)行瀏覽和交互考察。特點(diǎn)： 三維真實(shí)三維真實(shí)的虛擬場景 自然自然的交互方式第一章 緒論車輛人機(jī)研究視頻2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)32電腦游戲 實(shí)時(shí)性 逼實(shí)性 蘊(yùn)含了先進(jìn)的圖形處理技術(shù)電視廣告，節(jié)目片頭，科教演示（CAI）Quake III，“古墓麗影”，“侏羅紀(jì)公園”、“皇帝的新衣”、完美風(fēng)暴第一章 緒論視頻游戲制作視頻2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)33物體網(wǎng)格模型的面片簡化：對網(wǎng)格面片表示的模型，在一定誤差的精

15、度范圍內(nèi)，刪除對結(jié)果圖像貢獻(xiàn)小的點(diǎn)、邊、面，從而簡化所繪制場景的復(fù)雜層度，加快圖形繪制速度；基于圖象的繪制(IBR，Image Based Rendering)：不先建立幾何模型；它直接從一系列已知的圖象中生成未知視角的圖象，適用于野外極其復(fù)雜場景的生成漫游第一章 緒論2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)34野外場景遠(yuǎn)遠(yuǎn)復(fù)雜于室內(nèi)場景，繪制難度更大，方法更趨多樣化主要繪制山、水、云、樹、草、火等等繪制火的粒子系統(tǒng)（Particle System），基于生理模型的繪制植物的方法，繪制云的細(xì)胞自動(dòng)機(jī)方法等第一章 緒論2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)35由清華大學(xué)自然景物平臺生成的野外場景第一章 緒

16、論2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)36日本Yoshinori Dobashi等人繪制的真實(shí)感云第一章 緒論2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)37Xfrog3.0生成的挪威云杉第一章 緒論2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)38用于模擬藝術(shù)效果，研究方法有別于真實(shí)感圖形學(xué)鋼筆素描的生成 鋼筆素描產(chǎn)生于中世紀(jì)，從19世紀(jì)開始成為一門藝術(shù)20世紀(jì)90年代開始研究用計(jì)算機(jī)模擬中國國畫與書法的生成非真實(shí)感繪制（NPR，Non-Photorealistic Rendering）第一章 緒論2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)39Georges Winkenb1ach繪制的壺和碗(Siggraph96)第一章 緒論2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)40Salisbury繪制的茶壺(Siggraph97)第一章 緒論2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)41Salisbury繪制的熊(Siggraph97)第一章 緒論2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)42Oliver Deussen繪制的素描樹(Siggraph2000)第一章 緒論2022-1-28計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)43鋼鋼筆筆畫畫效效果果鋼筆素描產(chǎn)生于中世紀(jì)，從鋼筆素描產(chǎn)生于中世紀(jì)，從19世紀(jì)開始成為一門藝術(shù)，然而用計(jì)算世紀(jì)開始成為一門藝術(shù)，然而用計(jì)算機(jī)模擬鋼筆繪畫卻是機(jī)模擬鋼筆繪畫卻是20世紀(jì)世紀(jì)90年代的事情。年代的事情