計算機圖形學(xué)1

1、計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)主講教師：劉霜梅理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院 自我介紹姓 名：劉霜梅辦公地點：信息樓-208聯(lián)系電話：134-5527-9220合作愉快！緒 論學(xué)時分配：共48學(xué)時（理論38，實驗10）考試形式：理論 閉卷考試成績評定：教材計算機圖形學(xué)基礎(chǔ) 王衛(wèi)東編著西安電子科技大學(xué)出版社，2009年9月主要內(nèi)容主要內(nèi)容33 43 253 61第第1章章緒緒論論_ 應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域_ 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_ 什么是計算機圖形學(xué)什么是計算機圖形學(xué)_ 交互式計算機圖形處理系統(tǒng)交互式計算機圖形處理系統(tǒng)_ 為什么要學(xué)習(xí)計算機圖形學(xué)為什么要學(xué)習(xí)計算機圖形學(xué)為什么

2、？為什么？qDOS為什么被為什么被Windows替代？替代？ q講課為什么用講課為什么用PPT？ q文章為什么要有插圖？文章為什么要有插圖？ q q一圖勝千言一圖勝千言 qA picture is worth a thousand wordsA picture is worth a thousand words圖形！圖形！為什么？為什么？為什么？為什么？q社會已經(jīng)進入數(shù)字化時代，這個時代社會已經(jīng)進入數(shù)字化時代，這個時代的特征是的特征是“世界圖形世界圖形/圖像時代圖像時代”。 q圖形圖形/圖像的應(yīng)用表現(xiàn)在社會生活和生圖像的應(yīng)用表現(xiàn)在社會生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，各個層面上。產(chǎn)的各個領(lǐng)域，各個層面上。

3、 q計算機圖形學(xué)研究的就是用一種最直計算機圖形學(xué)研究的就是用一種最直接的形式來表示和表現(xiàn)我們生活的這接的形式來表示和表現(xiàn)我們生活的這個充滿信息的世界。個充滿信息的世界。為什么？為什么？q計算機圖形學(xué)的知識面廣計算機圖形學(xué)的知識面廣 q計算機圖形學(xué)的應(yīng)用面寬計算機圖形學(xué)的應(yīng)用面寬 （幾何計算、近似計算、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等）（幾何計算、近似計算、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等） （運動、光學(xué)及顏色等）（運動、光學(xué)及顏色等） （算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序設(shè)計、交互技術(shù)等）（算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序設(shè)計、交互技術(shù)等） （色彩等）（色彩等） 。什么是計算機圖形學(xué) Computer Graphics (CG) 計算機圖形學(xué)是研究怎樣利用計算機

4、表示、生成、處理和顯示圖形的原理、算法、方法和技術(shù)的一門學(xué)科。 計算機圖形學(xué)是計算機科學(xué)中最為活躍、得到廣泛應(yīng)用的分支之一。1、什么是計算機圖形學(xué)目前一些主流的計算機圖形學(xué)定義各大百科全書：大英百科全書（Britannica Encyclopedia）中的定義為：利用計算機生成可視圖像或圖像本身；麥格勞-希爾科技百科全書（McGraw-Hill Encyclopedia of Science and Technology）的表述為：計算機科學(xué)領(lǐng)域中利用計算機生成圖像的理論技術(shù)分支，用來支持科學(xué)信息的傳播和理解。1、什么是計算機圖形學(xué) 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)對計算機圖形學(xué)的定對計

5、算機圖形學(xué)的定義：義： 計算機圖形學(xué)是研究通過計算機將數(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)和計算機科學(xué)基礎(chǔ)上的一門邊緣學(xué)科。主要問題：將數(shù)據(jù)（Data）轉(zhuǎn)化為圖像（Image）Data-(Visualization可視化)-Image1、什么是計算機圖形學(xué)IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，美國電氣與電子工程師學(xué)會）對計算機圖形學(xué)的定義：Computer graphicsComputer graphics is the art or science of p

6、roducing graphical images with the aid of computer.計算機圖形學(xué)是借助計算機產(chǎn)生圖形影像的一門藝術(shù)或科學(xué)。IEEE是美國電氣與電子工程師學(xué)會，全稱是the Institute of Electrical and Electronics Engineers。國際上通常簡稱為IEEE，是一個頗有影響的國際性學(xué)術(shù)團體，有自己的學(xué)報，雜志、綜論等。 上述列舉的圖形學(xué)定義基本上均是將計算機圖形學(xué)看作是以“圖”為基礎(chǔ)和目標(biāo)，建立在傳統(tǒng)的圖學(xué)理論、應(yīng)用數(shù)學(xué)及計算機科學(xué)基礎(chǔ)上的一門交叉學(xué)科。事實上，簡單而抽象的說，計算機圖形學(xué)研究兩個問題：如何在計算機中“表示

7、”和“表現(xiàn)”出客觀的多彩世界。NoImageNoImage有什么？有什么？有什么？有什么？計算機圖形學(xué)計算機圖形學(xué)圖形變換圖形變換線、面裁剪線、面裁剪區(qū)域填充區(qū)域填充光柵化算法光柵化算法反反 走走 樣樣消隱算法消隱算法幾何造型幾何造型光照模型光照模型高級建高級建模交互技術(shù)交互技術(shù)曲線曲面曲線曲面圖像處理圖像處理 分分 形形動動 畫畫可可 視視 化化OpenGL等等廣度廣度有什么？有什么？光照模型光照模型基本模型基本模型透明效果透明效果陰影生成陰影生成紋理映射紋理映射光線跟蹤光線跟蹤 光輻射度光輻射度 彩色圖象量化彩色圖象量化 顏色重現(xiàn)顏色重現(xiàn) 高級繪制方法高級繪制方法 深度深度NoImageN

8、oImage教什么？教什么？q計算機生成、處理、顯示圖形的計算機生成、處理、顯示圖形的流程流程q這個流程中所涉及的數(shù)學(xué)理論知這個流程中所涉及的數(shù)學(xué)理論知識識q這個流程中所涉及的算法這個流程中所涉及的算法NoImageNoImage教什么？教什么？q基礎(chǔ)基礎(chǔ) 基本幾何、幾何變換基本幾何、幾何變換 q幾何建模幾何建模如何在計算機中構(gòu)造一個客觀世界如何在計算機中構(gòu)造一個客觀世界 二二/三維幾何造型、曲線三維幾何造型、曲線/曲面等曲面等 q幾何的視覺實現(xiàn)幾何的視覺實現(xiàn)如何將計算機中的虛擬世界如何將計算機中的虛擬世界展現(xiàn)出來展現(xiàn)出來 光柵圖形學(xué)、圖形裁剪、消隱算法、光照模型等光柵圖形學(xué)、圖形裁剪、消隱算

9、法、光照模型等 q交互技術(shù)交互技術(shù) 圖形界面、人機交互等圖形界面、人機交互等NoImageNoImage怎樣教怎樣教：q了解圖形學(xué)的基本問題了解圖形學(xué)的基本問題, ,掌握圖形學(xué)的基本掌握圖形學(xué)的基本概念、方法和算法概念、方法和算法q通過編程實踐掌握圖形學(xué)的一些基本技能通過編程實踐掌握圖形學(xué)的一些基本技能q對算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行實際的訓(xùn)練對算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行實際的訓(xùn)練q嚴(yán)格的邏輯思維能力的培養(yǎng)和提高嚴(yán)格的邏輯思維能力的培養(yǎng)和提高q計算機圖形學(xué)的應(yīng)用和進一步研究的一個計算機圖形學(xué)的應(yīng)用和進一步研究的一個入門入門NoImageNoImage怎樣教怎樣教：q數(shù)學(xué)數(shù)學(xué) u高數(shù)、線代、幾何等高數(shù)、線代、幾何

10、等 q數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) u樹結(jié)構(gòu)、鏈表結(jié)構(gòu)等樹結(jié)構(gòu)、鏈表結(jié)構(gòu)等 q專業(yè)知識專業(yè)知識 u工程知識、美術(shù)、動畫設(shè)計等工程知識、美術(shù)、動畫設(shè)計等 q計算機系統(tǒng)知識計算機系統(tǒng)知識 uC、C等等NoImageNoImage怎樣教：怎樣教：理論、算法理論、算法原理、方法和技術(shù)原理、方法和技術(shù)講解講解解決解決 NoImageNoImage怎樣教：怎樣教：基本目標(biāo)基本目標(biāo)1 具體算法的實現(xiàn)具體算法的實現(xiàn) 鞏固理論鞏固理論 實踐算法實踐算法2 給出算法描述給出算法描述 設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 編制源程序編制源程序 分析測試結(jié)果分析測試結(jié)果 一般要求一般要求NoImageNoImage怎樣教怎樣教：q給出算法的

11、描述：給出算法的描述： u包括理論、算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。包括理論、算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 q根據(jù)算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：根據(jù)算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)： u編制源程序；編制源程序；q書寫總結(jié)：書寫總結(jié)： u以說明問題為原則，不必寫得過長；以說明問題為原則，不必寫得過長； u請勿在報告中貼大段源程序，一些較為重要的算法，請勿在報告中貼大段源程序，一些較為重要的算法，可以摘抄在報告中?？梢哉趫蟾嬷?。 q以以學(xué)號學(xué)號-姓名姓名為名上交。為名上交。NoImageNoImage教材教材：孫家廣等孫家廣等. .計算機圖形學(xué)計算機圖形學(xué)( (第三版第三版).).清華大學(xué)清華大學(xué)出版社出版社,1998.9.,1998.9.David

12、F.Rogers.David F.Rogers.計算機圖形學(xué)的算法基礎(chǔ)計算機圖形學(xué)的算法基礎(chǔ)（第二版），石教英、彭群生等譯，機械工業(yè)出（第二版），石教英、彭群生等譯，機械工業(yè)出版社，版社，2002.1 .2002.1 .經(jīng)典！經(jīng)典！齊東旭齊東旭 計算機動畫原理與應(yīng)用計算機動畫原理與應(yīng)用參參 考考 書書陳元琰，張曉竟，計算機圖形學(xué)實用技術(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)計算機圖形學(xué)的算法基礎(chǔ)，機械工業(yè)出版社，2002孫家廣，楊長貴，計算

13、機圖形學(xué)，清華大學(xué)出版社，1995彭群生，鮑虎軍，金小剛，計算機真實感圖形學(xué)的算法基礎(chǔ)，科學(xué)出版社，1999齊東旭，計算機動畫原理與應(yīng)用，科學(xué)出版社，1998教學(xué)內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容1 1 計算機圖形學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用計算機圖形學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用2 2 圖形設(shè)備圖形設(shè)備3 3 圖形變換圖形變換4 4 多邊形的掃描轉(zhuǎn)換與區(qū)域填充多邊形的掃描轉(zhuǎn)換與區(qū)域填充5 5 隱藏線與隱藏面的消除隱藏線與隱藏面的消除6 6 曲線、曲線、曲面的表示曲面的表示7 7 幾何造型技術(shù)幾何造型技術(shù)8 8 真實感圖形學(xué)真實感圖形學(xué)9 9 動畫技術(shù)動畫技術(shù)10 10 OpenGLOpenGL程序設(shè)計基礎(chǔ)程序設(shè)計基礎(chǔ)第第1章章 計算機圖形學(xué)的

14、發(fā)展計算機圖形學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用及應(yīng)用1 計算機圖形學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用12341.1 1.1 計算機計算機圖形學(xué)圖形學(xué)定義定義2、計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容圖形/圖像的構(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-刻畫形狀刻畫形狀 點、線、面、體、環(huán)點、線、面、體、環(huán)非幾何要素非幾何要素視覺屬性視覺屬性-反應(yīng)物體反應(yīng)物體表面屬性或材質(zhì)表面屬性或材質(zhì) 明暗、灰度、色彩、紋理、透明性、明暗、灰度、色彩、紋理、透明性、線型、線寬線型、線寬計算機圖形學(xué)的研究對象計算機圖形學(xué)的研究對象圖形圖像：2、計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容通常意義上的圖形能夠在人的視覺系統(tǒng)中形成視覺印象的客觀對象都稱為圖形，包括自然景

15、物、拍攝到的圖片、用數(shù)學(xué)方法描述的圖形等等計算機圖形學(xué)上的圖形從客觀世界物體中抽象出來的帶有顏色及形狀信息的可見圖形以及不可見的數(shù)學(xué)/幾何描述。計算機圖形學(xué)中所研究的圖形實際上可分成“圖形類”和“圖像類”兩種。圖形類：矢量圖形式呈現(xiàn)圖像類：點陣圖形式呈現(xiàn)1.1 1.1 計算機計算機圖形學(xué)圖形學(xué)圖形分圖形分類類用具有顏色信息的用具有顏色信息的點陣點陣來表示圖形，強調(diào)圖形來表示圖形，強調(diào)圖形由哪些點組成，并具有什么灰度或色彩。由哪些點組成，并具有什么灰度或色彩。記錄記錄點點及它的及它的灰度或色彩灰度或色彩。 點陣法點陣法以計算機中所記錄圖形的以計算機中所記錄圖形的形狀參數(shù)形狀參數(shù)和和屬性參數(shù)屬性參

16、數(shù)來來表示圖形。表示圖形。形狀參數(shù)形狀參數(shù)指的是描述圖形的方程或解指的是描述圖形的方程或解析表達式的系數(shù)、線段的端點坐標(biāo)等；析表達式的系數(shù)、線段的端點坐標(biāo)等；屬性參數(shù)屬性參數(shù)包括顏色、線型等。包括顏色、線型等。參數(shù)法參數(shù)法1.1 1.1 計算機計算機圖形學(xué)圖形學(xué)圖形表圖形表示方法示方法計算機中由場景的幾何模型和景物的物理計算機中由場景的幾何模型和景物的物理屬性表示的圖形。它更強調(diào)場景的幾何表屬性表示的圖形。它更強調(diào)場景的幾何表示，記錄圖形的形狀參數(shù)與屬性參數(shù)。示，記錄圖形的形狀參數(shù)與屬性參數(shù)。 圖圖 形形計算機內(nèi)以位圖形式存在的灰度信息。它強計算機內(nèi)以位圖形式存在的灰度信息。它強調(diào)圖形由哪些點

17、組成，記錄點及它的灰度或調(diào)圖形由哪些點組成，記錄點及它的灰度或色彩色彩圖圖 像像1.1 1.1 計算機計算機圖形學(xué)圖形學(xué)圖形圖形/ /圖像圖像圖形/圖像圖形圖形圖形圖形元素組合圖形元素組合圖圖形形分分解解圖形/圖像圖形圖形：圖形： 圖元圖元屬性信息屬性信息圖形/圖像圖像 圖圖像像分分解解圖形/圖像圖像（點（點/像素）像素） 點點/像素像素 1.11.1計算機圖形學(xué)計算機圖形學(xué)研究的問題計算機圖形學(xué)計算機圖形學(xué) 研究兩個問題研究兩個問題一是如何在計一是如何在計算機中構(gòu)造一算機中構(gòu)造一個客觀世界：個客觀世界：幾何建模幾何建模 二是如何將計二是如何將計算機中的虛擬算機中的虛擬世界展現(xiàn)出來：世界展現(xiàn)出

18、來：幾何的視覺實幾何的視覺實現(xiàn)現(xiàn) 一般說來，要在計算機上生成一幅表示物一般說來，要在計算機上生成一幅表示物體的圖形，有三個要素：體的圖形，有三個要素： 造型技術(shù)造型技術(shù)： 在計算機中建立所要生成圖像的物體的模型在計算機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)： 按照給定的觀察點及觀察方向?qū)⑽矬w模型在計算機按照給定的觀察點及觀察方向?qū)⑽矬w模型在計算機屏幕上顯示出來屏幕上顯示出來 人機交互技術(shù)人機交互技術(shù)： 為造型和繪制這兩個過程提供友好的人機界面為造型和繪制這兩個過程提供友好的人機界面研究內(nèi)容研究內(nèi)容研究內(nèi)容研究內(nèi)

19、容計算機對圖形數(shù)據(jù)處理的硬件和軟件計算機對圖形數(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-真實性真實性-實時性實時性 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算幾何幾何造型技術(shù)真實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)用計算機動畫技術(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)實時交互式三維圖形處理熱點問題探討計算機圖形學(xué)與傳統(tǒng)理論關(guān)系計算機圖形學(xué)與傳統(tǒng)理論關(guān)系 ： 計算幾何 計算數(shù)學(xué) 微分幾何 形態(tài)學(xué) 混沌學(xué) 小波理論學(xué)科交叉學(xué)科交叉界線模糊界線模糊相互滲透相互滲透計算機

20、圖形學(xué)相關(guān)學(xué)科的比較：計算機圖形學(xué)試圖從非圖像形式的圖形數(shù)據(jù)描述來生成（逼真的）圖像。 圖像模式識別類似計算機圖形學(xué)的逆問題，從既有圖像開始，將其變?yōu)槌橄蟮拿枋鰯?shù)據(jù)。與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系圖像處理圖像處理計計算算機機圖圖形形學(xué)學(xué)模模式式識識別別圖圖 像像計算幾何計算幾何特特 征征 數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù)幾幾 何何 模模 型型CAD/CAM計算機藝術(shù)計算機藝術(shù)計算機動畫計算機動畫計算機視覺計算機視覺（數(shù)字）圖像處理旨在對圖象進行各種加工以改善圖像的視覺效果：圖像取樣、量化以產(chǎn)生數(shù)字圖像，進行各種圖像變換；去噪，壓縮，特征增強與計算機圖形學(xué)相關(guān)的學(xué)科與計算機圖形學(xué)相關(guān)的學(xué)科 數(shù)字圖象處理數(shù)字圖象處理利用計算機對圖形

21、和圖像進行分析處理，繼而再現(xiàn)圖像。圖形（圖像）信息輸入計算機中，按照不同的應(yīng)用要求，計算機對圖像進行各種各樣的分析和處理 。圖像的存儲、壓縮、增強（突出某些特征）、復(fù)原（使模糊圖像清晰）、分割、重建、編碼、傳輸?shù)鹊?，最后把?jīng)過加工處理后的結(jié)果重新輸出。 圖像處理圖像處理模式識別（Pattern Recognition） 圖像的模式識別所研究的問題與計算機圖形學(xué)所研究的問題是互逆的。模式識別是由圖像來獲得對圖像本身的描述。它是以圖像為依據(jù)，將圖像變換成數(shù)據(jù)、符號或者是抽象的圖。例如，自動分檢信封上的郵件編碼、文本自動閱讀裝置、還有地圖符號的識別，都是先由掃描得到圖像，然后經(jīng)識別還原為圖形或字符。

22、計算幾何（Computational Geometry） 著重討論幾何形體在計算機內(nèi)的表示、分析和綜合，研究怎樣方便靈活地建立幾何形體的數(shù)學(xué)模型，提高算法的效率，在計算機內(nèi)如何更好地存儲和管理這些模型等。它的研究內(nèi)容包括曲線曲面的表示、生成、拼接和造型、三維立體造型、離散數(shù)據(jù)插值等等。特征數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)計算機圖形學(xué)模式識別計算機視覺圖象數(shù)字圖象處理第一章 緒論圖形圖像識別圖像識別“HORSE”Image processingGeometry processing, CAD/CAGDGIS, Robotics, VLSI Pattern recognitionComputervisionComp

23、utergraphics2D world2D/3D world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，第一臺圖形顯示器 ，旋風(fēng)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(fēng)”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(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林肯實驗室，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(shù)語首次使用首次使用“Computer Graphics”這個術(shù)語，證明了交這個術(shù)語，證

24、明了交互計算機圖形學(xué)是一個可行的、有用的研究互計算機圖形學(xué)是一個可行的、有用的研究領(lǐng)域領(lǐng)域。計算機圖形學(xué)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(xué)隨機掃描顯示器計算機圖形學(xué)之父：伊萬 薩瑟蘭德MIT林肯實驗室，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(shù)語首次使用首次使用“Computer Graphics”這個術(shù)語，證明了交互計這個術(shù)語，證明了交互計算機圖形學(xué)是一個可行的、有用的研究領(lǐng)域算機圖形學(xué)是一個可行的、有用的研究領(lǐng)域。發(fā)發(fā)展展簡簡史史推廣應(yīng)用階段（推廣應(yīng)用階段

25、（ 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)進入了第一個興盛的時期，并開始出現(xiàn)實用的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，美國計算機學(xué)會成立圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會(ACM SIGGRAPH)20世紀(jì)世紀(jì)70年代，年代，真實感圖形學(xué)真實感圖形學(xué)和和實體造型技術(shù)實體造型技術(shù)的產(chǎn)的產(chǎn) 生是計算機圖形學(xué)的兩個重要進展。生是計算機圖形學(xué)的兩個重要進展。1.2.2 1.2.2 基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)理論19701970年，年，BouknightBouknight提出了第一個光反射模型提出了第一個光反射模型19711971年，年，GourandGourand提出提出“

26、漫反射模型插值漫反射模型插值”的思的思 想，被稱為想，被稱為GourandGourand明暗處理明暗處理19751975年，年，Phong Phong 提出著名的簡單光照模型提出著名的簡單光照模型PhongPhong 模型。模型。這些可以算是真實感圖形學(xué)最早的開創(chuàng)性工作。這些可以算是真實感圖形學(xué)最早的開創(chuàng)性工作。 發(fā)發(fā)展展簡簡史史系統(tǒng)實用化階段（系統(tǒng)實用化階段（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

27、更加成熟-多學(xué)科交叉融合圖形學(xué)發(fā)展史上的幾件大事1958年，滾筒式繪圖機誕生 1962年，Sutherland發(fā)表重要博士論文 1964年，Coons提出曲面擬合理論 70年代，光柵式圖形顯示器問世 1977年，提出第一個圖形標(biāo)準(zhǔn)GKS 80年代，圖形工作站，PC，Macintosh 90年代，互聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)展，圖形在非工業(yè)應(yīng)用超過在工業(yè)方面的應(yīng)用1.2.3 SIGGRAPH1.2.3 SIGGRAPHSIGGRAPH SIGGRAPH 會議會議“The Special Interest Group on The Special Interest Group on ComputerGraphic

28、s and Interactive techniques” ComputerGraphics and Interactive techniques”ACM SIGGRAPHACM SIGGRAPH會議是計算機圖形學(xué)最權(quán)威的國際會會議是計算機圖形學(xué)最權(quán)威的國際會 議，每年在美國召開，參加會議的人在議，每年在美國召開，參加會議的人在50,00050,000人左右。人左右。 世界上沒有第二個領(lǐng)域每年召開如此規(guī)模巨大的專業(yè)會世界上沒有第二個領(lǐng)域每年召開如此規(guī)模巨大的專業(yè)會 議，議，SIGGRAPHSIGGRAPH會議很大程度上促進了圖形學(xué)的發(fā)展。會議很大程度上促進了圖形學(xué)的發(fā)展。因為每年只錄取大約因為

29、每年只錄取大約5050篇論文，在篇論文，在Computer GraphicsComputer Graphics 雜志上發(fā)表，因此論文的學(xué)術(shù)水平較高，基本上代表雜志上發(fā)表，因此論文的學(xué)術(shù)水平較高，基本上代表 了圖形學(xué)的主流方向。了圖形學(xué)的主流方向。 硬件設(shè)備的發(fā)展硬件設(shè)備的發(fā)展圖形顯示設(shè)備圖形顯示設(shè)備60年代中期，隨機掃描的顯示器60年代后期，存儲管式顯示器70年代中期，光柵掃描的圖形顯示器。目前正向著小型化、低電壓、數(shù)字化方向發(fā)展圖形硬拷貝設(shè)備圖形硬拷貝設(shè)備打印機繪圖儀圖形輸入設(shè)備圖形輸入設(shè)備二維圖形輸入設(shè)備三維圖形輸入設(shè)備：空間球、數(shù)據(jù)手套圖形軟件的發(fā)展及軟件標(biāo)準(zhǔn)的形成圖形軟件的發(fā)展及軟件標(biāo)

30、準(zhǔn)的形成圖形軟件的發(fā)展圖形軟件的發(fā)展開放式、高效率、標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化、學(xué)科交叉 圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)圖形軟件標(biāo)準(zhǔn) 與設(shè)備無關(guān)、與應(yīng)用無關(guān)、具有較高性能NoImageNoImageNoImage1.3 1.3 計算機圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域計算機圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)應(yīng) 用用圖形用戶界面圖形用戶界面 計算機輔助設(shè)計與制造計算機輔助設(shè)計與制造工業(yè)領(lǐng)工業(yè)領(lǐng)域，域，CG是其理論基礎(chǔ)是其理論基礎(chǔ)CAD/CAM是CG在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域。飛機、汽車、船舶、土建、土建、機電、機械、化工機械、化工輕工、服裝的外形設(shè)計等等等。等。 集成電路、印刷電路板的設(shè)計建筑設(shè)計 化工廠、發(fā)電廠的布局基于工程圖紙的三維形體重建

31、 程（a）工程圖工程圖應(yīng)應(yīng) 用用（b）線框圖線框圖 （c）實體圖實體圖 Boeing 777, 無紙設(shè)計，無紙設(shè)計，無紙制造 在飛機工業(yè)中，美國波音飛機公司已用有關(guān)的CAD系統(tǒng)實現(xiàn)波音777大型客機的整體設(shè)計和模擬，其中包括飛機外型、內(nèi)部零部件的安裝和檢驗。使其設(shè)計制造成本下降30%以上 。 計算機動畫計算機動畫商業(yè)領(lǐng)域商業(yè)領(lǐng)域廣告設(shè)計廣告設(shè)計電腦游戲電腦游戲卡通動畫片卡通動畫片影視特技影視特技 “古墓麗影古墓麗影”“”“ 侏羅紀(jì)公園侏羅紀(jì)公園”等等應(yīng)應(yīng) 用用影視制作影視制作 計算機動畫技術(shù)還被廣泛用于電影電視中的特技計算機動畫技術(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的

32、特技效果，鏡頭的制作，產(chǎn)生以假亂真而又驚險的特技效果，如模擬大樓被炸、橋梁坍塌等。如模擬大樓被炸、橋梁坍塌等。計算機藝術(shù)計算機藝術(shù)藝術(shù)領(lǐng)域藝術(shù)領(lǐng)域 “計算機藝術(shù)是科學(xué)與藝術(shù)相結(jié)合的一門計算機藝術(shù)是科學(xué)與藝術(shù)相結(jié)合的一門新興的交叉學(xué)科，是計算機應(yīng)用的一個嶄新、新興的交叉學(xué)科，是計算機應(yīng)用的一個嶄新、富有時代氣息的領(lǐng)域。富有時代氣息的領(lǐng)域。 科學(xué)和藝術(shù)是不可分割的，就像一枚硬幣科學(xué)和藝術(shù)是不可分割的，就像一枚硬幣的兩面的兩面” 諾貝爾物理學(xué)獎諾貝爾物理學(xué)獎 李政道李政道 計算機藝術(shù)計算機藝術(shù)藝術(shù)領(lǐng)域藝術(shù)領(lǐng)域含義很廣含義很廣 以計算機為工具，可以完成多種藝術(shù)品的制作和設(shè)以計算機為工具，可以完成多種藝

33、術(shù)品的制作和設(shè)計，如繪畫（平面圖形）、雕塑（立體圖形）、音計，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)計等等。樂、平面構(gòu)成、空間結(jié)構(gòu)，還有體操舞蹈設(shè)計等等。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，計算機藝術(shù)由主要指計算機美術(shù)因此，計算機藝術(shù)由主要指計算機美術(shù) 齊東旭 計算機動畫，分形藝術(shù) 潘云鶴 智能CAD，紡織CAD計算機藝術(shù)計算機藝術(shù)藝術(shù)領(lǐng)域藝術(shù)領(lǐng)域計算機平面繪畫藝術(shù)計算機平面繪畫藝術(shù)計算機繪畫（計算機繪畫（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

34、板上進行的繪畫數(shù)字化板上進行的繪畫 軟件包括：軟件包括：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、形象生動自然。但畫幅一般較小，要求繪畫者有較高的美動自然。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)勢為：易于修改、效果豐富、成本較低、但對于優(yōu)勢為：易于修改、效果豐富、成本較低、但對于電腦設(shè)備要求較高。電腦設(shè)備要求較高。 近期廣泛應(yīng)用于手繪動畫和漫畫創(chuàng)作。近期廣泛應(yīng)用于手繪動畫和漫畫創(chuàng)作。計算機藝術(shù)計算機藝術(shù)藝術(shù)領(lǐng)域藝術(shù)領(lǐng)域計算機平面合成藝術(shù)計算機平面合成藝術(shù) 計算機數(shù)字

35、圖像合成藝術(shù)（計算機數(shù)字圖像合成藝術(shù)（Computer Image Editing and Montage Art） 主要指利用電腦對掃描或數(shù)字相機導(dǎo)入的圖像素材主要指利用電腦對掃描或數(shù)字相機導(dǎo)入的圖像素材進行編輯和合成，以及進行后期特技處理所產(chǎn)生的進行編輯和合成，以及進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，許多合成圖像帶有荒誕、刺激、搞笑、的特點，許多合成圖像帶有荒誕、刺激、搞笑、離奇和超現(xiàn)實

36、主義風(fēng)格的效果。離奇和超現(xiàn)實主義風(fēng)格的效果。 優(yōu)勢為：易于掌握和普及、效果豐富、成本較低。優(yōu)勢為：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)計的關(guān)系十分密切。術(shù)及廣告設(shè)計的關(guān)系十分密切。非真實感繪制NPR Non-Photorealistic Rendering 非真實感圖形比真實感圖形應(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)字方法對傳統(tǒng)繪畫進行模擬以掌握其規(guī)律性的東西；傳統(tǒng)動畫都是非真實感的，現(xiàn)在需要用計算機技術(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

37、紀(jì)開始成為一門藝術(shù)，然世紀(jì)開始成為一門藝術(shù)，然而用計算機模擬鋼筆繪畫卻是而用計算機模擬鋼筆繪畫卻是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NPRXfrog3.0生成的挪威云杉應(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)，對設(shè)備運行過程進行監(jiān)控機場、鐵路的調(diào)度人員通過計算機產(chǎn)生運行狀態(tài)信息來調(diào)整空中交通和鐵路運輸系統(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，對飛行員進行單飛前的地面訓(xùn)練和飛機格斗訓(xùn)練等應(yīng)應(yīng) 用用 事務(wù)和

38、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)濟信息的各類二、三維統(tǒng)計管理圖表信息可視化:信息流量，商業(yè)統(tǒng)計數(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)計算的可視化科學(xué)計算的可視化Visualization in Scientific Computing,ViSC)不同于可視化計算科學(xué)計算可視化是指運用計算機圖形學(xué)指運用計算機圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)和圖像處理技術(shù),將科學(xué)計算過程中產(chǎn)生的產(chǎn)

39、生的的數(shù)據(jù)及結(jié)果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形或圖形或圖像在屏幕上顯示在屏幕上顯示出來出來,并進行交互處理的理論、方法和技并進行交互處理的理論、方法和技術(shù)。術(shù)。實際上也包括了工程計算可視化和測量數(shù)據(jù)可視化其核心是三維數(shù)據(jù)場的可視化?？蓱?yīng)用于氣象預(yù)報、（CT）醫(yī)學(xué)圖象重建、流場、湍流、激波、石油地質(zhì)勘探、環(huán)境保護、核爆炸模擬、計算流體力學(xué)、天體物理、分子生物學(xué)、有限元分析、等許多領(lǐng)域。 q科學(xué)計算可視化廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、流體科學(xué)計算可視化廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、流體力學(xué)、有限元分析、氣象分析、地質(zhì)勘力學(xué)、有限元分析、氣象分析、地質(zhì)勘測等當(dāng)中。測等當(dāng)中。 q目前目前, ,科學(xué)計算可視化已成為計算機圖形科學(xué)計算可視化已成為計

40、算機圖形學(xué)的一個重要研究方向?qū)W的一個重要研究方向。天氣云圖天氣云圖科學(xué)計算的可視化研究如何將來自科學(xué)、工程、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的抽象數(shù)據(jù)用圖形表示的學(xué)科稱為科學(xué)計算可視化。 用圖形來表示大量數(shù)據(jù)計算的結(jié)果或中間過程。例如：科技工作者需要認(rèn)真分析大量的計算結(jié)果以確定一個系統(tǒng)的描述；商業(yè)主管需要分析大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)以做出對未來商業(yè)行為的決策；醫(yī)生需要面對大量的CT數(shù)據(jù)以確定病人體內(nèi)是否發(fā)生病變及何處發(fā)生病變；氣象人員需要處理氣象衛(wèi)星傳回的大批數(shù)據(jù)以繪出未來一段時間內(nèi)的天氣變化趨勢圖。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) 虛擬現(xiàn)實又稱為虛擬環(huán)境，是指由計算機實時生成一個虛擬的三維空間。這個空間可以是小到分子、原子的微觀世界，或是大到

41、天體的宏觀世界，也可以是類似于真實社會的生活空間。用戶可以在這個三維空間中“自由”地走動，隨意地觀察，并可以通過一些特殊的設(shè)備與所處的虛擬景物進行交互操作。交互是多通道的、自然的，用來傳遞的信息可以是某個操作、一個手勢、一個眼神，也可以是一個表情等。在此環(huán)境中，用戶看到的是由計算機生成的逼真圖像，聽到的是虛擬環(huán)境中的聲音，身體可以感受到虛擬環(huán)境所反饋的作用力，由此產(chǎn)生身臨其境的感覺。NoImageNoImageq簡單地說，虛擬現(xiàn)實技術(shù)就是利用計算簡單地說，虛擬現(xiàn)實技術(shù)就是利用計算機生成一個逼真的三維虛擬環(huán)境，通過機生成一個逼真的三維虛擬環(huán)境，通過自然技能使用傳感設(shè)備與之相互作用的自然技能使用傳

42、感設(shè)備與之相互作用的新技術(shù)。新技術(shù)。 v它與傳統(tǒng)的模擬技術(shù)完全不同，是將它與傳統(tǒng)的模擬技術(shù)完全不同，是將模擬環(huán)境模擬環(huán)境、視景視景系統(tǒng)系統(tǒng)和和仿真系統(tǒng)仿真系統(tǒng)合三為一，利用頭盔顯示器、圖形眼合三為一，利用頭盔顯示器、圖形眼鏡、數(shù)據(jù)服、立體聲耳機、數(shù)據(jù)手套及腳踏板等傳感鏡、數(shù)據(jù)服、立體聲耳機、數(shù)據(jù)手套及腳踏板等傳感裝置，把操作者與計算機生成的三維虛擬環(huán)境連結(jié)在裝置，把操作者與計算機生成的三維虛擬環(huán)境連結(jié)在一起。一起。 q虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)具有三個重要特征：虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)具有三個重要特征：臨境臨境性性、交互性交互性、想象性想象性。 幾種常用的虛擬現(xiàn)實設(shè)備：幾種常用的虛擬現(xiàn)實設(shè)備： 高性能圖形計算機環(huán)形屏幕

43、頭盔眼鏡三維顯示器三維鼠標(biāo)手套應(yīng)應(yīng) 用用 虛擬手術(shù)仿真臺灣臺灣pcexpertpcexpert公司研制的公司研制的LSVRLSVR系統(tǒng)逼真地模擬了系統(tǒng)逼真地模擬了腹腔手術(shù)，進行過程教學(xué)、手術(shù)成果檢驗等腹腔手術(shù)，進行過程教學(xué)、手術(shù)成果檢驗等 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，然后通過碰撞檢測一類的的體內(nèi)的患處，然后通過碰撞檢測一類的技術(shù)實現(xiàn)手術(shù)效果的反饋，幫助醫(yī)生成功技術(shù)實現(xiàn)手術(shù)效果的反饋，幫助醫(yī)生成功

44、完成手術(shù)。完成手術(shù)。 多媒體應(yīng)用多媒體應(yīng)用CAI， 教學(xué)娛樂。在計算機控制下，對多種媒體信息進行生成、操作、表現(xiàn)、存儲、通信、或集成的信息系統(tǒng)計算機處理的常見媒體：文本、圖形、圖像、語音、音頻、視頻、動畫特點：媒體的多樣性、操作的交互性、系統(tǒng)的集成性幾種虛擬現(xiàn)實虛擬環(huán)境虛擬房間虛擬汽車虛擬人我國第一個虛擬節(jié)目主持人比爾-鄧出現(xiàn)在電視節(jié)目科技新聞周刊 由一虛擬主持人Tilde 介紹最新及有趣的科技和互聯(lián)網(wǎng)的資訊 NoImageNoImage 將計算機圖形學(xué)與人工智能技術(shù)結(jié)合將計算機圖形學(xué)與人工智能技術(shù)結(jié)合起來，可構(gòu)造出豐富多彩的藝術(shù)圖象，為起來，可構(gòu)造出豐富多彩的藝術(shù)圖象，為創(chuàng)作藝術(shù)和商品藝術(shù)的

45、應(yīng)用開創(chuàng)了更廣闊創(chuàng)作藝術(shù)和商品藝術(shù)的應(yīng)用開創(chuàng)了更廣闊的前景。的前景。 以計算機為工具，完成多種藝術(shù)品的以計算機為工具，完成多種藝術(shù)品的制作和設(shè)計，如繪畫（平面圖形）、雕塑制作和設(shè)計，如繪畫（平面圖形）、雕塑（立體圖形）、音樂、平面構(gòu)成、空間結(jié)（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)計等等構(gòu)，還有體操舞蹈設(shè)計等等, ,其中美術(shù)作品其中美術(shù)作品占比重最大占比重最大. .NoImageNoImageNoImage p計算機動畫是計算機圖形學(xué)和藝術(shù)相結(jié)合計算機動畫是計算機圖形學(xué)和藝術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它綜合利用計算機科學(xué)、藝術(shù)、的產(chǎn)物，它綜合利用計算機科學(xué)、藝術(shù)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)和其它相關(guān)學(xué)科的

46、知識在計數(shù)學(xué)、物理學(xué)和其它相關(guān)學(xué)科的知識在計算機上生成絢麗多彩的連續(xù)的虛擬真實畫算機上生成絢麗多彩的連續(xù)的虛擬真實畫面，給人們提供了一個充分展示個人想象面，給人們提供了一個充分展示個人想象力和藝術(shù)才能的新天地。力和藝術(shù)才能的新天地。p電腦游戲、卡通動畫片、廣告設(shè)計、影視電腦游戲、卡通動畫片、廣告設(shè)計、影視特技特技基于特征的圖像變形的貓變虎基于特征的圖像變形的貓變虎三維自由形體變形（三維自由形體變形（FFD）得到的魚變形）得到的魚變形勝利十一人勝利十一人動畫動畫Intel公司中央處理器推廣廣告影視特技泰坦尼克號劇照 在計算機中重現(xiàn)真實世界的場景叫做真實感繪制。真實感繪制的主要任務(wù)是模擬真實物體的物理屬性，簡單的說就是物體的形狀、光學(xué)性質(zhì)、表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對位置、遮擋關(guān)系等等。這其中光照和表面屬性是最難模擬的。 日本Yoshinori Dobashi等人繪制的真實感云由清華大學(xué)自然景物平臺生成的野外場景天空和海洋的真實模擬生物仿真模擬室外建筑效果圖室外建筑效果圖室內(nèi)裝飾效果圖 計算機圖形學(xué)的另一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域是計算機圖形學(xué)