1計算機圖形學概論

1、交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-81交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-82交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-83第1講 計算機圖形學概論Introduction to Computer Gr

2、aphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-84提綱n計算機圖形學的研究內容n計算機圖形學的發(fā)展簡史n計算機圖形學的應用簡介n計算機圖形學研究熱點簡介交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-85什么是圖形(Graphic)n廣義范疇：形狀與顏色的集合體n狹義的辨異： Graphics vs. images（圖象）n圖形的兩個要素：

3、n幾何信息（Geometric information）: 點（point）, 線（curve），面（surface）n非幾何信息（Non-geometric Information）:紋理（ Texture），顏色（color），等交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-86什么是計算機圖形學(Computer Graphics)n計算機圖形學是研究通過計算機將數據轉換為圖形，并在專用的圖形設備上進行顯示的原理、方法和技術的學科。ISO在其數據處理詞典中給出如下定

4、義：交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-87計算機圖形學總體研究內容n第一部分：硬件部分輸入輸出設備：與相應軟件共同完成圖形的輸入輸出n第二部分：接口部分圖形的輸入、輸出界面設計及功能實現n第三部分：軟件部分圖形處理:針對圖形幾何、非幾何要素進行的處理交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-88圖形處理研究主題圖形處理研究主題n基于圖

5、形設備的基本圖形元素的生成算法n圖形的變換和裁剪n自由曲線和曲面計算幾何n幾何造型技術n真實感圖形的生成算法n自然景物的生成分形幾何n顏色科學及其應用n計算機動畫技術n虛擬現實技術實時交互式三維圖形處理n交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-89本課程教學內容安排n第1講：概論n第2講：基本光柵圖形生成算法n第3講：圖形變換n第4講：曲線曲面n第5講：三維幾何造型n第6講：光照明模型基礎n第7講：計算機動畫技術簡介交互式計算機圖形學-Interactive Com

6、puter Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-810知識要求n程序設計和基本的數據結構方面的一些知識。n圖形學算法中用到的數學知識將在課程中加以說明。交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-811參考書目n計算機圖形學，倪明田，吳良芝，北京大學出版社，1999n孫家廣，胡事民，計算機圖形學，清華大學出版社，2005年2月n蔡士杰等譯，計算機圖形學（Computer Graphics），電子工業(yè)

7、出版社，1998n唐榮錫，汪嘉業(yè)，彭群生等編著，計算機圖形學教程，1990n彭群生等，真實感圖形的算法基礎，科學出版社，2000交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-812相關課程關聯圖image vs. graphshape vs. model +physcis vs. assumpation of .objectcomputergraphicsPatternrecognitioncomputationalgeometryimageprocessingsimul

8、ationanalysisincarnateabstract 交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-813關聯學科對象的顯示：圖象表示對象的模型 計算機圖形學(Computer Graphics)圖象處理(image process)模式識別(pattern recognition)計算幾何(computing geometry)CAD/CAM計算機藝術計算機藝術計算機動畫計算機動畫計算機視覺計算機視覺交互式計算機圖形學-Interactive Computer

9、Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-814準備階段（準備階段（5050年代）年代）1950年， MIT，第一臺圖形顯示器 ，旋風I號(Whirlwind I)計算機的附件類似于示波器的陰極射線管 (CRT) 50年代末期，MIT林肯實驗室，在“旋風”計算機上開發(fā)SAGE空中防御系統(tǒng)光筆，交互式圖形生成技術。 計算機圖形學發(fā)展簡史（1）交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-815發(fā)展階段（發(fā)展階

10、段（6060年代）年代）MIT林肯實驗室，I.E.Sutherland發(fā)表博士論文“Sketchpad:一個人機通信的圖形系統(tǒng)”首次使用Computer Graphics術語計算機圖形學之父60年代中期，美國MIT、通用汽車公司、貝爾電話實驗室、洛克希德飛機公司、法國雷諾汽車公司、英國劍橋大學隨機掃描顯示器計算機圖形學發(fā)展簡史（2）交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-816推廣應用階段（推廣應用階段（ 7070年代）年代）基于電視技術的光柵掃描顯示器的出現，圖形

11、學進入了第一個興盛的時期，并開始出現實用的CAD圖形系統(tǒng)。眾多商品化軟件的出現，使圖形標準化問題也被提上議程。74年，美國計算機學會成立圖形標準化委員會(ACM SIGGRAPH)計算機圖形學發(fā)展簡史（3）交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-817系統(tǒng)實用化階段（系統(tǒng)實用化階段（8080年代）年代）80年代，超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，奠定了物質基礎，工作站的出現，促進了圖形學的發(fā)展。標準化智能化階段（標準化智能化階段（9090年代）年代）朝著標準化、集成化和智能化

12、的方向發(fā)展國際標準化組織（ISO）公布的圖形標準也越多、且更加成熟計算機圖形學發(fā)展簡史（4）交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-818計算機圖形學的應用n圖形用戶界面（GUI：HCI的重要方式）n交互式繪圖n辦公自動化及電子印刷n計算機輔助設計與制造（CAD：應用廣泛）n科學計算可視化n藝術和商業(yè)n過程模擬n輔助教學n虛擬現實（VR）n計算機動畫交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactiv

13、e Computer Graphics2022-5-819應用舉例應用舉例IBR（Image Based Rendering)CAD人臉重構與編輯人臉重構與編輯VR真實感圖形真實感圖形非真實感圖形非真實感圖形交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-820CAD技術發(fā)展歷史n第一代：二維繪圖軟件第一代：二維繪圖軟件n第二代：第二代：n分離的數據結構與多個數據庫的集合分離的數據結構與多個數據庫的集合n其設計范疇局限于詳細設計階段的繪圖、造型和分析工作其設計范疇局限于詳細

14、設計階段的繪圖、造型和分析工作n第三代：第三代：n使用單一的數據結構和唯一的公用數據庫集成系統(tǒng)使用單一的數據結構和唯一的公用數據庫集成系統(tǒng)n允許工程師在一個數據結構上動態(tài)地與其它部門的工程師進行通信，允許工程師在一個數據結構上動態(tài)地與其它部門的工程師進行通信，使初步設計階段的使初步設計階段的CAD成為可能成為可能n1989年美國國家工程學院將年美國國家工程學院將CAD/CAM技術評為當代十項最杰出的工技術評為當代十項最杰出的工程技術成就之一程技術成就之一交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer G

15、raphics2022-5-821計算機圖形學應用舉例 計算機輔助設計與制造交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-822交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-823曲面重構(surface recontstructiong)交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interac

16、tive Computer Graphics2022-5-824交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-826人臉重構與編輯人臉重構與編輯Reconstruction and Edit of Human Faces交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-827人臉重構的過程人臉重構的過程3D人臉模型與人臉模型與2D人臉圖像進行匹配人臉圖像

17、進行匹配3D人臉的參數化人臉的參數化模型模型3D 人臉模型人臉模型采樣采樣3D 人臉數據庫人臉數據庫交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-828人臉編輯示例交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-829算法交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Compu

18、ter Graphics2022-5-830交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-831虛擬現實虛擬現實Virtual Reality交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-832沉浸式 VR系統(tǒng)交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer G

19、raphics2022-5-833Cave Painting交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-834增強的（augmented） VR交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-835真實感圖形交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Gr

20、aphics2022-5-836交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-837交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-838真實感圖形交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-839交互式計算機圖形學-Inter

21、active Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-840幾何（Geometry）信息？n點、線、面、體交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-841交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-842非幾何信息光照(illumination) &

22、紋理(texture)明暗、灰度、色彩、紋理、透明性、線型、線寬交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-843光照效果圖交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-844紋理合成效果圖交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics20

23、22-5-845非真實感圖形交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-846鋼鋼筆筆畫畫效效果果 鋼筆素描產生于中世紀，從鋼筆素描產生于中世紀，從19世紀開始成為一門藝術世紀開始成為一門藝術 計算機模擬鋼筆繪畫始于計算機模擬鋼筆繪畫始于20世紀世紀90年代年代 交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-847鉛筆畫效果鉛筆畫效果交互式計算機圖

24、形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-848油畫效果油畫效果交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-849水彩畫效果水彩畫效果交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-850交互式計算機圖形學-Interactive Com

25、puter Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-851虛擬生命交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-852其它其它交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-853計算機動畫交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics2022-5-854較為活躍的研究方向（1）n造型技術方面n幾何造型技術n實體造型技術n基于物理的造型技術n真實感圖形生成算法研究n裁剪、消隱、光照明模型等n基于圖象的繪制技術交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphics交互式計算機圖形學-Interactive Computer Graphic