課計算機圖形學基礎(chǔ)演示文稿

1、課計算機圖形學基礎(chǔ)演示文稿2022/9/281第一頁，共四十六頁。2022/9/282優(yōu)選課計算機圖形學基礎(chǔ)第二頁，共四十六頁。課程考核方法平時成績10%：考勤、學習態(tài)度；上機實驗和作業(yè)30%； 期末筆試60%（開卷）；作業(yè)完成方式按小組形式完成：2人一組每次課講解習題：隨機抽4-5個小組進行講解，由同學介紹開發(fā)思路-用流程圖等；第三頁，共四十六頁。講授內(nèi)容第1章 緒論第2章 VB.NET繪圖基礎(chǔ)第3章 基本圖形、圖案設(shè)計第4章 圖形變換及圖形設(shè)計第5章 曲線的程序設(shè)計第8章 VB.NET動畫技術(shù)第9章 用VB.NET開發(fā)交互式CAD系統(tǒng)第10章 VBA程序設(shè)計第四頁，共四十六頁。教學要求了解

2、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(guān)的應(yīng)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(guān)的編程能力。 第五頁，共四十六頁。第一章2第1章 緒論1.1 基本概念1.2 發(fā)展過程1.3 應(yīng)用領(lǐng)域第六頁，共四十六頁。什么是計算機圖形學？計算機圖形學是利用計算機研究圖形的表示、生成、處理、顯示的學科。是建立在傳統(tǒng)的圖學理論、應(yīng)用數(shù)學及計算機科學基礎(chǔ)上的一門邊緣學科。計算機圖形學計算機科學中，最為活躍、得到廣泛應(yīng)用的分支之一第七頁，共四十六頁。計算機圖形學與傳統(tǒng)理論關(guān)系 ：計算幾何計算數(shù)學微分幾何形態(tài)學混沌學小波理論第一章 緒論特征數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)計算機圖形學模式識

3、別計算機視覺圖象數(shù)字圖象處理圖形第八頁，共四十六頁。1 計算機圖形學的研究內(nèi)容如何在計算機中表示圖形、以及利用計算機進行圖形的計算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法，構(gòu)成了計算機圖形學的主要研究內(nèi)容。圖形硬件、圖形標準、圖形交互技術(shù)、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實體造型、真實感圖形計算與顯示算法，以及科學計算可視化、計算機動畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實等。第九頁，共四十六頁。圖形與圖象圖象純指計算機內(nèi)以位圖(Bitmap)形式存在的灰度信息。-Photoshop等軟件制作。圖形含有幾何屬性，更強調(diào)場景的幾何表示，是由場景的幾何模型和景物的物理屬性共同組成的。-Autocad等軟件制作。第十頁，共四

4、十六頁。圖形學與CAD1962年，MIT林肯實驗室, I. E. Sutherland “Sketchpad：一個人機交互通信的圖形系統(tǒng)”Coons, “CAD”的概念，Coons曲面，Coons獎圖形學與模式識別圖形學與視覺基于圖像的繪制基于視頻的繪制第十一頁，共四十六頁。1.2 發(fā)展歷史1. 歷史追溯2. 硬件發(fā)展圖形顯示器的發(fā)展圖形輸入設(shè)備的發(fā)展3. 圖形軟件及軟件標準的發(fā)展第十二頁，共四十六頁。歷史追溯50年代1950年，第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學院（MIT）旋風I號（Whirlwind I）計算機的附件誕生了第十三頁，共四十六頁。歷史追溯60年代1962年，MIT林肯實驗室的

5、I. E. Sutherland發(fā)表了一篇題為“Sketchpad：一個人機交互通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文-確定了交互圖形學作為一個學科分支（提出基本交互技術(shù)、圖元分層表示概念及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))。第十四頁，共四十六頁。歷史追溯70年代圖形軟件標準化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、PHIGS真實感圖形學Bouknight提出了第一個光反射模型、Gourand提出“漫反射模型插值”的思想、Phong提出了著名的簡單光照模型實體造型技術(shù)英國劍橋大學CAD小組的Build系統(tǒng)美國羅徹斯特大學的PADL-1系統(tǒng)第十

6、五頁，共四十六頁。80年代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。圖形硬件和各個分支均在這個時期飛速發(fā)展90年代： 微機和軟件系統(tǒng)的普及使得圖形學的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。標準化、集成化、智能化多媒體技術(shù)、人工智能、科學計算可視化、虛擬現(xiàn)實三維造型技術(shù)歷史追溯第十六頁，共四十六頁。硬件發(fā)展圖形輸入設(shè)備的發(fā)展第一階段：控制開關(guān)、穿孔紙等等第一章 緒論第二階段：鍵盤未來發(fā)展：用戶的思維第三階段：二維定位設(shè)備，如鼠標、光筆、圖形輸入板、觸摸屏等等，語音第四階段：三維輸入設(shè)備（如空間球、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣），用戶的手勢、表情等等第十七頁，共四十六頁。操縱桿和跟蹤

7、球、數(shù)據(jù)手套輸入設(shè)備第一章61操縱桿：手柄通過一個球形軸承半固定在底座上，在手柄運動時帶 動一對電位器或電脈沖產(chǎn)生器,產(chǎn)生信號，控制屏幕上的光標的運動.但精度不夠桿，因此一般不用來進行絕對坐標的輸入。跟蹤球：原理與操縱桿類似，只是它是右手直接推動一個球在任意方向滾動，轉(zhuǎn)換成信號，進行圖形控制。第十八頁，共四十六頁。第一章 緒論數(shù)據(jù)手套應(yīng)用第十九頁，共四十六頁。Chapter 135一般工作過程示意圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用程序圖形子程序包交互裝置主機顯示處理器輸出通道一般工作過程第二十頁，共四十六頁。應(yīng)用領(lǐng)域：管理、技術(shù)藝術(shù)與教育動漫、游戲 CAD/CAM仿真過程控制 Chapter 18Applicat

8、ion第二十一頁，共四十六頁。管理、經(jīng)濟和技術(shù)繪制經(jīng)濟數(shù)據(jù)的數(shù)學、物理的2D或者3D圖形數(shù)據(jù)走勢圖，反應(yīng)在時間維數(shù)上的情況第一章9第二十二頁，共四十六頁。藝術(shù)和教育教學活動第一章18蟬（線框圖）藝術(shù)廣告視頻第二十三頁，共四十六頁。計算機輔助設(shè)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(yīng)用領(lǐng)域飛機、汽車、船舶的外形的設(shè)計、反求和加工發(fā)電廠、化工廠等的布局土木工程、建筑物的設(shè)計電子線路、電子器件的設(shè)計設(shè)計結(jié)果直接送至后續(xù)工藝進行加工處理，如波音777飛機的設(shè)計和加工過程；我國戰(zhàn)斗機FC1的設(shè)計也采用了這種方法。反求視頻1 反求視頻2 加工視頻3第一章 緒論第二

9、十四頁，共四十六頁。奧迪效果圖和線框圖第一章 緒論第二十五頁，共四十六頁。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(gòu)造出二維信息所對應(yīng)的三維形體，恢復(fù)形體的點、線、面及其拓撲關(guān)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(shù)的發(fā)展方向計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）第一章 緒論第二十六頁，共四十六頁。工程圖及其三維重建結(jié)果1第一章 緒論第二十七頁，共四十六頁?？梢暬茖W計算可視化(Scientific Visualization)海量的數(shù)據(jù)使得人們對數(shù)據(jù)的分

10、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(yīng)用于醫(yī)學、流體力學、有限元分析、氣象分析當中第一章 緒論第二十八頁，共四十六頁。在醫(yī)學領(lǐng)域，可視化有著廣闊的發(fā)展前途是機械手術(shù)和遠程手術(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Segmentation第一章 緒論第二十九頁，共四十六頁

11、?；谖恢孟嚓P(guān)的地理圖形的關(guān)于各種資源的綜合信息系統(tǒng)軍事國防，決策支持，旅游，資源調(diào)查等。數(shù)字地球，地形和地理數(shù)據(jù)作為載體的全球信息化.地理信息系統(tǒng)（GIS）第一章 緒論第三十頁，共四十六頁。虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality簡稱VR） 虛擬現(xiàn)實是用計算機技術(shù)來生成一個逼真的三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺等感覺世界，讓用戶可以從自己的視點出發(fā)，利用自然的技能和某些設(shè)備對這一生成的虛擬世界客體進行瀏覽和交互考察。特點： 三維真實的虛擬場景 自然的交互方式第一章 緒論車輛人機研究視頻第三十一頁，共四十六頁。電腦游戲?qū)崟r性逼實性蘊含了先進的圖形處理技術(shù)電視廣告，節(jié)目片頭，科教演示（CAI）Quak

12、e III，“古墓麗影”，“侏羅紀公園”、“皇帝的新衣”、完美風暴多媒體與娛樂第一章 緒論視頻游戲制作視頻第三十二頁，共四十六頁。物體網(wǎng)格模型的面片簡化：對網(wǎng)格面片表示的模型，在一定誤差的精度范圍內(nèi)，刪除對結(jié)果圖像貢獻小的點、邊、面，從而簡化所繪制場景的復(fù)雜層度，加快圖形繪制速度；基于圖象的繪制(IBR，Image Based Rendering)：不先建立幾何模型；它直接從一系列已知的圖象中生成未知視角的圖象，適用于野外極其復(fù)雜場景的生成漫游真實感圖形實時繪制第一章 緒論第三十三頁，共四十六頁。野外場景遠遠復(fù)雜于室內(nèi)場景，繪制難度更大，方法更趨多樣化主要繪制山、水、云、樹、草、火等等繪制火的

13、粒子系統(tǒng)（Particle System），基于生理模型的繪制植物的方法，繪制云的細胞自動機方法等野外自然景物的模擬第一章 緒論第三十四頁，共四十六頁。由清華大學自然景物平臺生成的野外場景第一章 緒論第三十五頁，共四十六頁。日本Yoshinori Dobashi等人繪制的真實感云第一章 緒論第三十六頁，共四十六頁。Xfrog3.0生成的挪威云杉第一章 緒論第三十七頁，共四十六頁。用于模擬藝術(shù)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(shù)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非真實感繪制（NPR，Non-Photorealistic Rendering）第一章 緒論第三十八頁，共四十六頁。Georges Winkenb1ach繪制的壺和碗(Siggraph96)第一章 緒論第三十九頁，共四十六頁。Salisbury繪制的茶壺(Siggraph97)第一章 緒論第四十頁，共四十六頁。Salisbury繪制的熊(Siggraph97)第一章 緒論第四十一頁，共四十六頁。Oliver Deussen繪制的素描樹(Siggraph2000)第一章 緒論第四十二頁，共四十六頁。鋼筆畫效果鋼筆素描