計(jì)算機(jī)圖形學(xué)緒論

1、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)緒論教材李東、孫長嵩、蘇小紅計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)用教程人民郵電出版社，2004年8月參參 考考 書書陳元琰，張曉竟，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)用技術(shù)，科學(xué)出版社，2000David F. Rogers 著，石教英，彭群生等譯，Procedural Elements for Computer Graphics (Second Edition)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的算法基礎(chǔ)，機(jī)械工業(yè)出版社，2002孫家廣，楊長貴，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，清華大學(xué)出版社，1995彭群生，鮑虎軍，金小剛，計(jì)算機(jī)真實(shí)感圖形學(xué)的算法基礎(chǔ)，科學(xué)出版社，1999齊東旭，計(jì)算機(jī)動(dòng)畫原理與應(yīng)用，科學(xué)出版社，1998第第1章章緒緒論論_ 應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域

2、_ 與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系_ 發(fā)展簡史發(fā)展簡史_ 研究內(nèi)容研究內(nèi)容_ 什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)_ 交互式計(jì)算機(jī)圖形處理系統(tǒng)交互式計(jì)算機(jī)圖形處理系統(tǒng)什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué) Computer Graphics (CG) 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究怎樣用計(jì)算機(jī)生成、處理和顯示圖形的一門學(xué)科。 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的定義：的定義： 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究通過計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并在專門顯示設(shè)備上顯示的原理、方法和技術(shù)的學(xué)科。 它是建立在傳統(tǒng)的圖學(xué)理論、應(yīng)用數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)上的一門邊緣學(xué)科。圖形的構(gòu)成要素廣義的概念廣義的概念幾何要素幾何要素幾何屬性幾何屬性點(diǎn)、線、面、體點(diǎn)

3、、線、面、體非幾何要素非幾何要素視覺屬性視覺屬性明暗、灰度、色彩、紋理、透明性、線型、明暗、灰度、色彩、紋理、透明性、線型、線寬線寬一般說來，要在計(jì)算機(jī)上生成一幅表示物一般說來，要在計(jì)算機(jī)上生成一幅表示物體的圖形，有三個(gè)要素：體的圖形，有三個(gè)要素：造型技術(shù)：造型技術(shù)：在計(jì)算機(jī)中建立所要生成圖像的物體的模型在計(jì)算機(jī)中建立所要生成圖像的物體的模型即給出表示該物體的幾何數(shù)據(jù)和拓?fù)潢P(guān)系即給出表示該物體的幾何數(shù)據(jù)和拓?fù)潢P(guān)系繪制技術(shù)：繪制技術(shù)：按照給定的觀察點(diǎn)及觀察方向?qū)⑽矬w模型在計(jì)算機(jī)按照給定的觀察點(diǎn)及觀察方向?qū)⑽矬w模型在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出來屏幕上顯示出來人機(jī)交互技術(shù)：人機(jī)交互技術(shù)：為造型和繪制這兩個(gè)過

4、程提供友好的人機(jī)界面為造型和繪制這兩個(gè)過程提供友好的人機(jī)界面研究內(nèi)容研究內(nèi)容研究內(nèi)容研究內(nèi)容計(jì)算機(jī)對(duì)圖形數(shù)據(jù)處理的硬件和軟件計(jì)算機(jī)對(duì)圖形數(shù)據(jù)處理的硬件和軟件圍繞著生成、表示物體的圖形的圍繞著生成、表示物體的圖形的 準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性-真實(shí)性真實(shí)性-實(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)性 算法可大致分為以下幾類：算法可大致分為以下幾類：研究內(nèi)容研究內(nèi)容基于圖形設(shè)備的基本圖形元素的生成算法圖形的變換和裁剪自由曲線和曲面計(jì)算幾何幾何造型技術(shù)真實(shí)感圖形的生成算法自然景物的生成分形幾何顏色科學(xué)及其應(yīng)用計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)時(shí)交互式三維圖形處理熱點(diǎn)問題探討與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系圖像處理圖像處理計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)圖圖形形學(xué)學(xué)模模式式識(shí)識(shí)別別圖圖

5、 像像計(jì)算幾何計(jì)算幾何特特 征征 數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù)幾幾 何何 模模 型型CAD/CAM計(jì)算機(jī)藝術(shù)計(jì)算機(jī)藝術(shù)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫計(jì)算機(jī)動(dòng)畫計(jì)算機(jī)視覺計(jì)算機(jī)視覺發(fā)發(fā)展展簡簡史史準(zhǔn)備階段（準(zhǔn)備階段（50年代）年代）1950年， MIT，第一臺(tái)圖形顯示器 ，旋風(fēng)I號(hào)(Whirlwind I)計(jì)算機(jī)的附件類似于示波器的陰極射線管 (CRT) 50年代末期，MIT林肯實(shí)驗(yàn)室，在“旋風(fēng)”計(jì)算機(jī)上開發(fā)SAGE空中防御系統(tǒng)光筆，交互式圖形生成技術(shù)。 發(fā)發(fā)展展簡簡史史發(fā)展階段（發(fā)展階段（60年代）年代）MIT林肯實(shí)驗(yàn)室，發(fā)表博士論文林肯實(shí)驗(yàn)室，發(fā)表博士論文“Sketchpad:一個(gè)人機(jī)通信的圖形系統(tǒng)一個(gè)人機(jī)通信的圖形系統(tǒng)”首次使

6、用首次使用Computer Graphics術(shù)語術(shù)語計(jì)算機(jī)圖形學(xué)之父計(jì)算機(jī)圖形學(xué)之父60年代中期，美國年代中期，美國MIT、通用汽車公、通用汽車公司、貝爾司、貝爾 實(shí)驗(yàn)室、洛克希德飛機(jī)公司、實(shí)驗(yàn)室、洛克希德飛機(jī)公司、法國雷諾汽車公司、英國劍橋大學(xué)法國雷諾汽車公司、英國劍橋大學(xué)隨機(jī)掃描顯示器隨機(jī)掃描顯示器發(fā)發(fā)展展簡簡史史推廣應(yīng)用階段（推廣應(yīng)用階段（ 70年代）年代）基于電視技術(shù)的光柵掃描顯示器的出現(xiàn)，圖形學(xué)進(jìn)入了第一個(gè)興盛的時(shí)期，并開始出現(xiàn)實(shí)用的CAD圖形系統(tǒng)。眾多商品化軟件的出現(xiàn)，使圖形標(biāo)準(zhǔn)化問題也被提上議程。74年，美國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)成立圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(ACM SIGGRAPH)發(fā)發(fā)展展簡簡史

7、史系統(tǒng)實(shí)用化階段（系統(tǒng)實(shí)用化階段（80年代）年代）80年代，超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)，工作站的出現(xiàn)，促進(jìn)了圖形學(xué)的發(fā)展。標(biāo)準(zhǔn)化智能化階段（標(biāo)準(zhǔn)化智能化階段（90年代）年代）朝著標(biāo)準(zhǔn)化、集成化和智能化的方向發(fā)展國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）公布的圖形標(biāo)準(zhǔn)也越多、且更加成熟應(yīng)應(yīng) 用用圖形用戶界面圖形用戶界面 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)與制造工業(yè)領(lǐng)工業(yè)領(lǐng)域域CAD/CAM是CG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、機(jī)電、輕工、服裝的外形設(shè)計(jì)集成電路、印刷電路板的設(shè)計(jì)建筑設(shè)計(jì)基于工程圖紙的三維形體重建 孫家廣譚建榮（a）工程圖工程圖應(yīng)應(yīng) 用用（b）線框圖線框圖 （c）實(shí)體

8、圖實(shí)體圖 Boeing 777, 無紙?jiān)O(shè)計(jì)，無紙?jiān)O(shè)計(jì)，無紙制造 在飛機(jī)工業(yè)中，美國波音飛機(jī)公司已用有關(guān)的CAD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)波音777大型客機(jī)的整體設(shè)計(jì)和模擬，其中包括飛機(jī)外型、內(nèi)部零部件的安裝和檢驗(yàn)。使其設(shè)計(jì)制造成本下降30%以上 。 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫計(jì)算機(jī)動(dòng)畫商業(yè)領(lǐng)域商業(yè)領(lǐng)域廣告設(shè)計(jì)廣告設(shè)計(jì)電腦游戲電腦游戲卡通動(dòng)畫片卡通動(dòng)畫片影視特技影視特技應(yīng)應(yīng) 用用影視制作影視制作 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)還被廣泛用于電影電視中的特技計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)還被廣泛用于電影電視中的特技鏡頭的制作，產(chǎn)生以假亂真而又驚險(xiǎn)的特技效果，鏡頭的制作，產(chǎn)生以假亂真而又驚險(xiǎn)的特技效果，如模擬大樓被炸、橋梁坍塌等。如模擬大樓被炸、橋梁坍塌等。影片影片

9、珍珠港珍珠港劇照。劇照。由電腦制作出的災(zāi)難由電腦制作出的災(zāi)難景象。景象。計(jì)算機(jī)藝術(shù)計(jì)算機(jī)藝術(shù)藝術(shù)領(lǐng)域藝術(shù)領(lǐng)域 “計(jì)算機(jī)藝術(shù)是科學(xué)與藝術(shù)相結(jié)合的一門新興計(jì)算機(jī)藝術(shù)是科學(xué)與藝術(shù)相結(jié)合的一門新興的交叉學(xué)科，是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個(gè)嶄新、富有時(shí)代的交叉學(xué)科，是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個(gè)嶄新、富有時(shí)代氣息的領(lǐng)域。氣息的領(lǐng)域。 科學(xué)和藝術(shù)是不可分割的，就像一枚硬幣的科學(xué)和藝術(shù)是不可分割的，就像一枚硬幣的兩面兩面” 諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 李政道李政道 計(jì)算機(jī)藝術(shù)計(jì)算機(jī)藝術(shù)藝術(shù)領(lǐng)域藝術(shù)領(lǐng)域含義很廣含義很廣以計(jì)算機(jī)為工具，可以完成多種藝術(shù)品的制作和設(shè)以計(jì)算機(jī)為工具，可以完成多種藝術(shù)品的制作和設(shè)計(jì)，如繪畫（平面圖形）、雕

10、塑（立體圖形）、音計(jì)，如繪畫（平面圖形）、雕塑（立體圖形）、音樂、平面構(gòu)成、空間結(jié)構(gòu)，還有體操舞蹈設(shè)計(jì)等等。樂、平面構(gòu)成、空間結(jié)構(gòu)，還有體操舞蹈設(shè)計(jì)等等。其中，美術(shù)作品占比重最大其中，美術(shù)作品占比重最大因此，計(jì)算機(jī)藝術(shù)由主要指計(jì)算機(jī)美術(shù)因此，計(jì)算機(jī)藝術(shù)由主要指計(jì)算機(jī)美術(shù)齊東旭計(jì)算機(jī)動(dòng)畫，分形藝術(shù)潘云鶴智能CAD，紡織CAD計(jì)算機(jī)藝術(shù)計(jì)算機(jī)藝術(shù)藝術(shù)領(lǐng)域藝術(shù)領(lǐng)域計(jì)算機(jī)平面繪畫藝術(shù)計(jì)算機(jī)平面繪畫藝術(shù)計(jì)算機(jī)繪畫（計(jì)算機(jī)繪畫（Computer Painting）主要指人們利用鼠標(biāo)或數(shù)字壓感光筆直接在屏幕或主要指人們利用鼠標(biāo)或數(shù)字壓感光筆直接在屏幕或數(shù)字化板上進(jìn)行的繪畫數(shù)字化板上進(jìn)行的繪畫軟件包括：軟件包

11、括：Corel Painter 或或 Adobe Photoshop 等等該類繪畫最接近于傳統(tǒng)繪畫，其畫風(fēng)細(xì)膩、形象生該類繪畫最接近于傳統(tǒng)繪畫，其畫風(fēng)細(xì)膩、形象生動(dòng)自然。但畫幅一般較小，要求繪畫者有較高的美動(dòng)自然。但畫幅一般較小，要求繪畫者有較高的美術(shù)功底。術(shù)功底。優(yōu)勢(shì)為：易于修改、效果豐富、成本較低、但對(duì)于優(yōu)勢(shì)為：易于修改、效果豐富、成本較低、但對(duì)于電腦設(shè)備要求較高。電腦設(shè)備要求較高。 近期廣泛應(yīng)用于手繪動(dòng)畫和漫畫創(chuàng)作。近期廣泛應(yīng)用于手繪動(dòng)畫和漫畫創(chuàng)作。計(jì)算機(jī)藝術(shù)計(jì)算機(jī)藝術(shù)藝術(shù)領(lǐng)域藝術(shù)領(lǐng)域計(jì)算機(jī)平面合成藝術(shù)計(jì)算機(jī)平面合成藝術(shù) 計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像合成藝術(shù)（計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像合成藝術(shù)（Computer

12、Image Editing and Montage Art）主要指利用電腦對(duì)掃描或數(shù)字相機(jī)導(dǎo)入的圖像素材主要指利用電腦對(duì)掃描或數(shù)字相機(jī)導(dǎo)入的圖像素材進(jìn)行編輯和合成，以及進(jìn)行后期特技處理所產(chǎn)生的進(jìn)行編輯和合成，以及進(jìn)行后期特技處理所產(chǎn)生的新視覺作品新視覺作品軟件包括：軟件包括：Corel Painter 或或 Adobe Photoshop 等。等。該類作品接近于傳統(tǒng)攝影特技，并帶有該類作品接近于傳統(tǒng)攝影特技，并帶有“蒙太奇藝蒙太奇藝術(shù)術(shù)”的特點(diǎn)，許多合成圖像帶有荒誕、刺激、搞笑、的特點(diǎn)，許多合成圖像帶有荒誕、刺激、搞笑、離奇和超現(xiàn)實(shí)主義風(fēng)格的效果。離奇和超現(xiàn)實(shí)主義風(fēng)格的效果。優(yōu)勢(shì)為：易于掌握和

13、普及、效果豐富、成本較低。優(yōu)勢(shì)為：易于掌握和普及、效果豐富、成本較低。廣泛應(yīng)用于影視后期和多媒體創(chuàng)作。和應(yīng)用美廣泛應(yīng)用于影視后期和多媒體創(chuàng)作。和應(yīng)用美術(shù)及廣告設(shè)計(jì)的關(guān)系十分密切。術(shù)及廣告設(shè)計(jì)的關(guān)系十分密切。非真實(shí)感繪制NPR Non-Photorealistic Rendering 非真實(shí)感圖形比真實(shí)感圖形應(yīng)用更廣泛，如文學(xué)讀物插圖，其中兒童讀物插圖量最大；用數(shù)字方法對(duì)傳統(tǒng)繪畫進(jìn)行模擬以掌握其規(guī)律性的東西；傳統(tǒng)動(dòng)畫都是非真實(shí)感的，現(xiàn)在需要用計(jì)算機(jī)技術(shù)再現(xiàn)它們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)，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

14、畫卻是然而用計(jì)算機(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。 鉛筆畫效果鉛筆畫效果油畫效果油畫效果水彩畫效果水彩畫效果基于圖像的基于圖像的NPR應(yīng)應(yīng) 用用 過程控制過程控制石油化工、金屬冶煉、電網(wǎng)控制的工作人員根據(jù)設(shè)備關(guān)鍵部位的傳感器送來得圖像和數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)控機(jī)場(chǎng)、鐵路的調(diào)度人員通過計(jì)算機(jī)產(chǎn)生運(yùn)行狀態(tài)信息來調(diào)整空中交通和鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)環(huán)境模擬系統(tǒng)環(huán)境模擬飛行模擬艙用光柵掃描器產(chǎn)生駕駛員在駕駛艙中預(yù)期所能看到的景象，對(duì)飛行員進(jìn)行單飛前的地面訓(xùn)練和飛機(jī)格斗訓(xùn)練等應(yīng)應(yīng) 用用 事務(wù)和商務(wù)數(shù)據(jù)的圖形顯示事務(wù)和商務(wù)數(shù)據(jù)的圖形顯示繪制表示經(jīng)濟(jì)信息的各類二、三維統(tǒng)計(jì)管理圖表信息可視化

15、:信息流量，商業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，股市行情應(yīng)應(yīng) 用用 地形地貌和自然資源的圖形顯示地形地貌和自然資源的圖形顯示地理信息系統(tǒng)（GIS）數(shù)字地球，地形數(shù)據(jù)作為載體，（70）全球信息化.軍事，政府決策，旅游，資源調(diào)查。地理圖、地形圖、礦藏分布圖、氣象氣流圖、植物分布圖應(yīng)應(yīng) 用用 科學(xué)計(jì)算的可視化科學(xué)計(jì)算的可視化不同于可視化計(jì)算科學(xué)計(jì)算可視化是將科學(xué)計(jì)算過程中的數(shù)據(jù)及結(jié)果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像實(shí)際上也包括了工程計(jì)算可視化和測(cè)量數(shù)據(jù)可視化其核心是三維數(shù)據(jù)場(chǎng)的可視化?？蓱?yīng)用于氣象預(yù)報(bào)、（CT）醫(yī)學(xué)圖象重建、流場(chǎng)、湍流、激波、石油地質(zhì)勘探、環(huán)境保護(hù)、核爆炸模擬、計(jì)算流體力學(xué)、天體物理、分子生物學(xué)、有限元分析、等許多領(lǐng)域。 應(yīng)應(yīng) 用用 虛擬手術(shù)仿真虛擬手術(shù)仿真將醫(yī)用將醫(yī)用CTCT掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維圖象，掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維圖象，并通過一定的技術(shù)生成在人體內(nèi)漫游的圖并通過一定的技術(shù)生成在人體內(nèi)漫游的圖象，使得醫(yī)生能夠看到并準(zhǔn)確地判別病人象，使得醫(yī)生能夠看到并準(zhǔn)確地判別病人的體內(nèi)的患處，然后通過碰撞檢測(cè)一類的的體內(nèi)的患處，然后通過碰撞檢測(cè)一類的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手術(shù)效果的反饋，幫助