計算機圖形學第1章電子教案課件

1、計算機圖形學張玉新河北農(nóng)業(yè)大學信息科學與技術學院2022/7/291河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新教學要求了解圖形系統(tǒng)的框架及其涉及的軟件、硬件技術； 了解圖形學的基本問題，掌握圖形學的基本概念、方法與算法； 對與圖形相關的應用及當前的研究熱點有一個初步認識； 具有一定實踐體會和相關的編程能力。 2022/7/292河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新課程內(nèi)容緒論圖形設備用戶接口與交互式技術圖形表示與數(shù)據(jù)結構基本圖形生成算法二維圖形變換及二維觀察三維圖形變換及三維觀察*高級話題：曲線和曲面、消隱、真實感圖形顯示*2022/7/293河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新主要參考書目陳傳波，計算機圖形學基礎，電子工業(yè)出版社何援軍，計算機圖

2、形學，機械工業(yè)出版社李東，計算機圖形學實用教程，人民郵電出版社孫家廣，計算機圖形學（第三版），清華大學出版社王汝傳，計算機圖形學，人民郵電出版社中國圖形圖像學報等2022/7/294河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新成績評定辦法平時成績實驗筆試 2022/7/295河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新第1章 緒論提出問題什么是計算機圖形學？計算機圖形學研究的對象是什么？計算機圖形學的發(fā)展？計算機圖形學的應用？2022/7/296河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新1.1 計算機圖形學及它與其他學科的關系計算機圖形學（Computer Graphics）計算機圖形學是研究怎樣利用計算機來顯示、生成和處理圖形的原理、方法和技術的一門學科。IE

3、EE定義：Computer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer. 2022/7/297河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新計算機圖形學與傳統(tǒng)理論 ： 交叉、界線模糊、相互滲透 計算幾何 CAGD(計算機輔助幾何設計) 逼近論（計算數(shù)學） 微分幾何 形態(tài)學2022/7/298河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新圖形圖象處理的相關學科計算機圖形學試圖從非圖象形式的數(shù)據(jù)描述來生成（逼真的）圖象。數(shù)字圖象處理旨在對圖象進行各種加工以改善圖象的視覺效果。計算機視覺是研究用計算機來模擬生物外顯或宏觀視覺

4、功能的科學和技術。 2022/7/299河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新圖象識別反求工程CAGD2022/7/2910河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新通常意義下的圖形：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。1.2 計算機圖形學的研究對象圖形2022/7/2911河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新圖形的要素幾何要素和非幾何要素計算機圖形學中所研究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圖和形。2022/7/2912河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新圖形的表示點陣法是用具有顏色信息的點陣來表示圖形的一種方法，它強調(diào)圖形由哪些點組成，并具有什么灰度或色彩。 參數(shù)法是以計算機中所記錄圖形的形狀參數(shù)與屬性參數(shù)來表示圖形的一種方

5、法。 通常把參數(shù)法描述的圖形叫做圖形（Graphics） 把點陣法描述的圖形叫做圖象（Image）2022/7/2913河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新醞釀期（50年代）1950年，美國MIT的旋風1號(Whirlwind I)計算機配備了類似示波器的陰極射線管(CRT)來顯示一些簡單的圖形(僅能輸出)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，第一次使用了支持輸入輸出的CRT顯示器，操作者可以用光筆在屏幕上指出確定的目標。1.3 計算機圖形學的發(fā)展

6、簡史2022/7/2914河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新萌芽期（60年代）1962年，美國MIT林肯實驗室的Ivan.E.Sutherland發(fā)表了一篇題為“Sketchpad：一個人機通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文，其中首次使用了“Computer Graphics”。1962年，雷諾汽車公司的工程師Pierre Bzier 提出Bzier曲線、曲面的理論1964年，MIT的教授Steven A. Coons提出了超限插值的新思想，通過插值四條任意的邊界曲線來構造曲面。2022/7/2915河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新發(fā)展期（70年代）光柵圖形學迅速發(fā)展，出現(xiàn)了基于電視技術的光柵圖形掃描器區(qū)域填充、裁剪、消隱等基

7、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 Graphics System）ISO發(fā)布CGI、CGM、GKS、PHIGS2022/7/2916河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新普及期（80年代）1980年Whitted提出了一個光透視模型-Whitted模型，并第一次給出光線跟蹤算法的范例，實現(xiàn)Whitted模型1984年，美國Cornell大學和日本廣島大學的學者分別將熱輻射工程中的輻射度方法引入到計算機圖形學中用輻射度方法成功的模擬了理想漫反射表面間的多重漫反射效果圖形

8、硬件和各個分支均在這個時期飛速發(fā)展2022/7/2917河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新提高增強期（90年代）朝著標準化、集成化、智能化方向發(fā)展總體特征：技術發(fā)展、需求驅(qū)動2022/7/2918河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新1.4 圖形軟件的發(fā)展及軟件標準的形成圖形軟件的發(fā)展開放式、高效率、標準化、集成化、智能化圖形軟件標準 與設備無關、與應用無關、具有較高性能2022/7/2919河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新近二十年中，國際標準化組織ISO已經(jīng)批準和正在討論的與計算機圖形有關的標準有：GKS、GKS-3D、PHIGS、CGM、CGI、IGES、STEP等事實標準如SGI的OpenGL，微軟的Direct X，Adobe的

9、Postscript，SUN的Java3D，ACIS等 2022/7/2920河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新1.5 計算機圖形系統(tǒng)1.5.1 計算機圖形系統(tǒng)的功能 2022/7/2921河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新( 1 )計算功能形體設計、分析，圖形描述，基本幾何元素（點、線、面等）的表示、求交運算、分類、幾何變換，光、色模型的建立和計算，干涉檢測等。2022/7/2922河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新( 2 )存儲功能存放圖形數(shù)據(jù)、幾何元素之間的拓撲關系，幾何信息和屬性信息，并可對有關的信息進行實時的檢索、修改、增加和刪除。( 3 )輸入功能輸入有關進行圖形設計的命令和參數(shù)等。2022/7/2923河北農(nóng)業(yè)大學 張玉

10、新( 4 )輸出功能對于設計的中間結果、最終結果或檔案，可以以文字、圖形或圖像等形式輸出。( 5 )交互功能進行選擇、拾取和修改，對操作步驟的追蹤和提示，顯示出錯信息等。2022/7/2924河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新1.5.2 計算機圖形系統(tǒng)的結構2022/7/2925河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新1.6 計算機圖形學的應用和研究熱點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、電子器件的設計設計結果直接送至后續(xù)工藝進行加工處理，如波音777飛 機的設計和加工過程2022/

11、7/2926河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新奧迪效果圖和線框圖2022/7/2927河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新基于工程圖紙的三維形體重建定義：從二維信息中提取三維信息，通過對這些信息進行分類、綜合等一系列處理，在三維空間中重新構造出二維信息所對應的三維形體，恢復形體的點、線、面及其拓撲關系，從而實現(xiàn)形體的重建優(yōu)勢：可以做裝配件的干涉檢查、以及有限元分析、仿真、加工等后續(xù)操作，代表CAD技術的發(fā)展方向2022/7/2928河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新工程圖及其三維重建結果12022/7/2929河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新工程圖及其三維重建結果22022/7/2930河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新2.科學計算可視化（Visualizati

12、on in Scientific Computing）“科學家們不僅需要分析由計算機得出的計算數(shù)據(jù)，而且需要了解在計算過程中數(shù)據(jù)的變化”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)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2022/7/2931河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新2.科學計算可視化在醫(yī)學領域，可視化有著廣闊的發(fā)展前途是機械手術和遠程手術的基礎將醫(yī)用CT掃描的數(shù)據(jù)轉化為三維圖

13、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可視化硬件的研究實時的三維體繪制體內(nèi)組織的識別分割Segmentation2022/7/2932河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新3.計算機藝術計算機藝術用計算機軟件從事藝術創(chuàng)作二維平面的畫筆程序（如CorelDraw，Photoshop，PaintShop）圖表繪制軟件（如Visio）三維建模和渲染軟件包（如3DMAX，Maya）、以及一些專門生成動畫的軟件（如Alias，Softimage）2022/7/2933河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新優(yōu)點：提供多種風格的畫筆畫刷提供多種多樣的紋理貼圖，甚至能對圖象進行霧化，變形等操作可以任意修

14、改，取消敗筆不足：無法達到傳統(tǒng)繪畫中風格化的 藝術效果很難得到有素描效果、油畫效果的藝術品2022/7/2934河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新2022/7/2935河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新4.非真實感繪制用于模擬藝術效果，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2022/7/2936河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新Georges Winkenb1ach繪制的壺和碗2022/7/2937河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新Salisbury繪制的茶壺2022/7/2938河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新Salisbury繪制的熊2022/7/29

15、39河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新Oliver Deussen繪制的素描樹2022/7/2940河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新5. 地理信息系統(tǒng)強調(diào)對圖形和圖象的空間分析和管理。 主要研究熱點：遙感圖象信息的自動提取地理系統(tǒng)建模地理信息的智能分析地表系統(tǒng)的仿真2022/7/2941河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新6. 真實感圖形顯示真實感圖形的生成： 場景造型 取景變換 視域裁剪 消除隱藏面 可見面光亮度計算 2022/7/2942河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新由清華大學自然景物平臺生成的野外場景2022/7/2943河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新計算機繪制的真實感云2022/7/2944河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新Xfrog3.0生成的挪威云杉202

16、2/7/2945河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新7. 虛擬現(xiàn)實(Virtual-reality)由計算機生成的一個實時三維空間。使用戶產(chǎn)生一種身臨其境的感覺。2022/7/2946河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新8.計算機動畫 計算機動畫近十多年來取得了很大的發(fā)展，已滲透到人們生活的各個角落商業(yè)廣告、影視特技/片頭、動畫片教育、軍事、飛行模擬等基于特征的圖象變形（貓變虎）2022/7/2947河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新 由于計算機圖形技術能生成豐富的圖形，可用于輔助教學，使教學過程變得形象、直觀和生動，有助于提高學生的學習興趣和注意力，增強教學效果。9.計算機輔助教學（CAI）2022/7/2948河北農(nóng)業(yè)大學 張玉新10. 人機交互 HCI是未來的計算機科學。我們已經(jīng)花費了至少50年的時間來學習如何制造計算機以及如何編寫計算機程序。下一個新領域自然是讓計算機服務并適應于人類的需要，而不