計(jì)算機(jī)圖形學(xué)第1章電子教案課件

1、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)張玉新河北農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022/7/291河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新教學(xué)要求了解圖形系統(tǒng)的框架及其涉及的軟件、硬件技術(shù)； 了解圖形學(xué)的基本問(wèn)題，掌握?qǐng)D形學(xué)的基本概念、方法與算法； 對(duì)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(shí)； 具有一定實(shí)踐體會(huì)和相關(guān)的編程能力。 2022/7/292河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新課程內(nèi)容緒論圖形設(shè)備用戶接口與交互式技術(shù)圖形表示與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(jí)話題：曲線和曲面、消隱、真實(shí)感圖形顯示*2022/7/293河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新主要參考書目陳傳波，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)，電子工業(yè)出版社何援軍，計(jì)算機(jī)圖

2、形學(xué)，機(jī)械工業(yè)出版社李東，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)用教程，人民郵電出版社孫家廣，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（第三版），清華大學(xué)出版社王汝傳，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，人民郵電出版社中國(guó)圖形圖像學(xué)報(bào)等2022/7/294河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新成績(jī)?cè)u(píng)定辦法平時(shí)成績(jī)實(shí)驗(yàn)筆試 2022/7/295河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新第1章 緒論提出問(wèn)題什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)？計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的對(duì)象是什么？計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展？計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用？2022/7/296河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及它與其他學(xué)科的關(guān)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（Computer Graphics）計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究怎樣利用計(jì)算機(jī)來(lái)顯示、生成和處理圖形的原理、方法和技術(shù)的一門學(xué)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(xué) 張玉新計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與傳統(tǒng)理論 ： 交叉、界線模糊、相互滲透 計(jì)算幾何 CAGD(計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)) 逼近論（計(jì)算數(shù)學(xué)） 微分幾何 形態(tài)學(xué)2022/7/298河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新圖形圖象處理的相關(guān)學(xué)科計(jì)算機(jī)圖形學(xué)試圖從非圖象形式的數(shù)據(jù)描述來(lái)生成（逼真的）圖象。數(shù)字圖象處理旨在對(duì)圖象進(jìn)行各種加工以改善圖象的視覺效果。計(jì)算機(jī)視覺是研究用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬生物外顯或宏觀視覺

4、功能的科學(xué)和技術(shù)。 2022/7/299河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新圖象識(shí)別反求工程CAGD2022/7/2910河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 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(duì)象都稱為圖形。1.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究對(duì)象圖形2022/7/2911河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新圖形的要素幾何要素和非幾何要素計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中所研究的圖形從客觀世界物體中抽象出來(lái)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(xué) 張玉新圖形的表示點(diǎn)陣法是用具有顏色信息的點(diǎn)陣來(lái)表示圖形的一種方法，它強(qiáng)調(diào)圖形由哪些點(diǎn)組成，并具有什么灰度或色彩。 參數(shù)法是以計(jì)算機(jī)中所記錄圖形的形狀參數(shù)與屬性參數(shù)來(lái)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(diǎn)陣法描述的圖形叫做圖象（Image）2022/7/2913河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新醞釀期（50年代）1950年，美國(guó)MIT的旋風(fēng)1號(hào)(Whirlwind I)計(jì)算機(jī)配備了類似示波器的陰極射線管(CRT)來(lái)顯示一些簡(jiǎn)單的圖形(僅能輸出)1958年，美國(guó)Calcomp公司由聯(lián)機(jī)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(jī)床發(fā)展成為平板式繪圖儀20世紀(jì)50年代末期，MIT的林肯實(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(biāo)。1.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展

6、簡(jiǎn)史2022/7/2914河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新萌芽期（60年代）1962年，美國(guó)MIT林肯實(shí)驗(yàn)室的Ivan.E.Sutherland發(fā)表了一篇題為“Sketchpad：一個(gè)人機(jī)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(guò)插值四條任意的邊界曲線來(lái)構(gòu)造曲面。2022/7/2915河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新發(fā)展期（70年代）光柵圖形學(xué)迅速發(fā)展，出現(xiàn)了基于電視技術(shù)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(yīng)算法紛紛誕生圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化1974年，ACM SIGGRAPH的與“與機(jī)器無(wú)關(guān)的圖形技術(shù)”的工作會(huì)議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、PHIGS2022/7/2916河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新普及期（80年代）1980年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，實(shí)現(xiàn)Whitted模型1984年，美國(guó)Cornell大學(xué)和日本廣島大學(xué)的學(xué)者分別將熱輻射工程中的輻射度方法引入到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)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(gè)分支均在這個(gè)時(shí)期飛速發(fā)展2022/7/2917河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新提高增強(qiáng)期（90年代）朝著標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化方向發(fā)展總體特征：技術(shù)發(fā)展、需求驅(qū)動(dòng)2022/7/2918河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新1.4 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)展開放式、高效率、標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化圖形軟件標(biāo)準(zhǔn) 與設(shè)備無(wú)關(guān)、與應(yīng)用無(wú)關(guān)、具有較高性能2022/7/2919河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新近二十年中，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO已經(jīng)批準(zhǔn)和正在討論的與計(jì)算機(jī)圖形有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有：GKS、GKS-3D、PHIGS、CGM、CGI、IGES、STEP等事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)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(xué) 張玉新1.5 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)1.5.1 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的功能 2022/7/2921河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新( 1 )計(jì)算功能形體設(shè)計(jì)、分析，圖形描述，基本幾何元素（點(diǎn)、線、面等）的表示、求交運(yùn)算、分類、幾何變換，光、色模型的建立和計(jì)算，干涉檢測(cè)等。2022/7/2922河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新( 2 )存儲(chǔ)功能存放圖形數(shù)據(jù)、幾何元素之間的拓?fù)潢P(guān)系，幾何信息和屬性信息，并可對(duì)有關(guān)的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢索、修改、增加和刪除。( 3 )輸入功能輸入有關(guān)進(jìn)行圖形設(shè)計(jì)的命令和參數(shù)等。2022/7/2923河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉

10、新( 4 )輸出功能對(duì)于設(shè)計(jì)的中間結(jié)果、最終結(jié)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(jìn)行選擇、拾取和修改，對(duì)操作步驟的追蹤和提示，顯示出錯(cuò)信息等。2022/7/2924河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新1.5.2 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2022/7/2925河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新1.6 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用和研究熱點(diǎn)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)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(guò)程2022/

11、7/2926河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新奧迪效果圖和線框圖2022/7/2927河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 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(guò)對(duì)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(duì)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(shì)：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(shù)的發(fā)展方向2022/7/2928河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新工程圖及其三維重建結(jié)果12022/7/2929河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新工程圖及其三維重建結(jié)果22022/7/2930河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新2.科學(xué)計(jì)算可視化（Visualizati

12、on in Scientific Computing）“科學(xué)家們不僅需要分析由計(jì)算機(jī)得出的計(jì)算數(shù)據(jù)，而且需要了解在計(jì)算過(guò)程中數(shù)據(jù)的變化”海量的數(shù)據(jù)使得人們對(duì)數(shù)據(jù)的分析和處理變得越來(lái)越難，用圖形來(lái)表示數(shù)據(jù)的迫切性與日俱增1986年，美國(guó)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)用于醫(yī)學(xué)、流體力學(xué)、有限元分析、氣象分析當(dāng)中2022/7/2931河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新2.科學(xué)計(jì)算可視化在醫(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

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(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(shí)別分割Segmentation2022/7/2932河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新3.計(jì)算機(jī)藝術(shù)計(jì)算機(jī)藝術(shù)用計(jì)算機(jī)軟件從事藝術(shù)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(dòng)畫的軟件（如Alias，Softimage）2022/7/2933河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新優(yōu)點(diǎn)：提供多種風(fēng)格的畫筆畫刷提供多種多樣的紋理貼圖，甚至能對(duì)圖象進(jìn)行霧化，變形等操作可以任意修

14、改，取消敗筆不足：無(wú)法達(dá)到傳統(tǒng)繪畫中風(fēng)格化的 藝術(shù)效果很難得到有素描效果、油畫效果的藝術(shù)品2022/7/2934河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新2022/7/2935河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新4.非真實(shí)感繪制用于模擬藝術(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(guó)國(guó)畫與書法的生成2022/7/2936河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新Georges Winkenb1ach繪制的壺和碗2022/7/2937河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新Salisbury繪制的茶壺2022/7/2938河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新Salisbury繪制的熊2022/7/29

15、39河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新Oliver Deussen繪制的素描樹2022/7/2940河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新5. 地理信息系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)對(duì)圖形和圖象的空間分析和管理。 主要研究熱點(diǎn)：遙感圖象信息的自動(dòng)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(xué) 張玉新6. 真實(shí)感圖形顯示真實(shí)感圖形的生成： 場(chǎng)景造型 取景變換 視域裁剪 消除隱藏面 可見面光亮度計(jì)算 2022/7/2942河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新由清華大學(xué)自然景物平臺(tái)生成的野外場(chǎng)景2022/7/2943河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新計(jì)算機(jī)繪制的真實(shí)感云2022/7/2944河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 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(xué) 張玉新7. 虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual-reality)由計(jì)算機(jī)生成的一個(gè)實(shí)時(shí)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(xué) 張玉新8.計(jì)算機(jī)動(dòng)畫 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫近十多年來(lái)取得了很大的發(fā)展，已滲透到人們生活的各個(gè)角落商業(yè)廣告、影視特技/片頭、動(dòng)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(xué) 張玉新 由于計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)能生成豐富的圖形，可用于輔助教學(xué)，使教學(xué)過(guò)程變得形象、直觀和生動(dòng)，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和注意力，增強(qiáng)教學(xué)效果。9.計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（CAI）2022/7/2948河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張玉新10. 人機(jī)交互 HCI是未來(lái)的計(jì)算機(jī)科學(xué)。我們已經(jīng)花費(fèi)了至少50年的時(shí)間來(lái)學(xué)習(xí)如何制造計(jì)算機(jī)以及如何編寫計(jì)算機(jī)程序。下一個(gè)新領(lǐng)域自然是讓計(jì)算機(jī)服務(wù)并適應(yīng)于人類的需要，而不