計算機圖形學(xué)緒論課件

計算機圖形學(xué)山東科技大學(xué)圖象工程研究所虛擬現(xiàn)實實驗室計算機圖形學(xué)山東科技大學(xué)1山東科技大學(xué)信息學(xué)院教學(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)的基本問題，掌握圖形學(xué)的基本概念、方法與算法；對與圖形相關(guān)的應(yīng)用及當(dāng)前的研究熱點有一個初步認(rèn)識；具有一定實踐體會和相關(guān)的編程能力。山東科技大學(xué)信息學(xué)院教學(xué)要求了解圖形系統(tǒng)的框架及其涉2山東科技大學(xué)信息學(xué)院教材或參考書：教材孫家廣：計算機圖形學(xué)(第三版），清華大學(xué)出版社，2002。孫家廣，胡事民：計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)教程。清華大學(xué)出版社，2005唐澤圣：計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)，清華大學(xué)出版社，1998。唐榮錫、汪嘉業(yè)：計算機圖形學(xué)教程。科學(xué)出版社，2002主要參考書：倪明田等，“計算機圖形學(xué)”，北京大學(xué)出版社，1999。DonaldHearn,M.PaulineBaker,“ComputerGraphics(CVersion)”,PrenticeHall,1997.常明、朱林。計算機圖形學(xué)。華中科技大學(xué)出版社‘2001山東科技大學(xué)信息學(xué)院教材或參考書：教材3山東科技大學(xué)信息學(xué)院第一章緒論

1.1計算機圖形學(xué)與圖象處理1.2計算機圖形學(xué)的發(fā)展歷史1.3計算機圖形學(xué)的應(yīng)用1.4計算機圖形學(xué)的發(fā)展動向山東科技大學(xué)信息學(xué)院第一章緒論1.1計算機圖4山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.1計算機圖形學(xué)與圖象處理1.1.1圖形與圖象1.1.2計算機圖形學(xué)與圖象處理的聯(lián)系與區(qū)別（見圖1-1）山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.1計算機圖形學(xué)與圖象處理5山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.1.1圖形與圖象定義：計算機圖形學(xué)是研究怎樣用數(shù)字計算機生成、處理和顯示圖形的一門學(xué)科。山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.1.1圖形與圖象定義：計6山東科技大學(xué)信息學(xué)院

計算機圖形學(xué)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(xué)的主要研究內(nèi)容。

圖形硬件、圖形標(biāo)準(zhǔn)、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(xué)計算可視化、計算機動畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實等。山東科技大學(xué)信息學(xué)院

計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容如何在計7山東科技大學(xué)信息學(xué)院圖象處理的研究內(nèi)容研究如何對一幅連續(xù)圖像取樣、量化以產(chǎn)生數(shù)字圖像，如何對數(shù)字圖像做各種變換以方便處理，如何濾去圖像中的無用噪聲，如何壓縮圖像數(shù)據(jù)以便存儲和傳輸，圖像邊緣提取，特征增強和提取。山東科技大學(xué)信息學(xué)院圖象處理的研究內(nèi)容研究如何對一幅81.1.2計算機圖形學(xué)與圖象處理的聯(lián)系與區(qū)別(圖1-1)1.1.2計算機圖形學(xué)與圖象處理的聯(lián)系與區(qū)別(圖1-1)9山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.2計算機圖形學(xué)的發(fā)展歷史1.2.1歷史追溯1.2.2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1.2.3圖形軟件及軟件標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.2計算機圖形學(xué)的發(fā)展歷史1.10山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.2.1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(xué)院（MIT）旋風(fēng)I號（WhirlwindI）計算機的附件誕生了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50年代末期，MIT的林肯實驗室在“旋風(fēng)”計算機上開發(fā)SAGE空中防御體系山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.2.1歷史追溯11山東科技大學(xué)信息學(xué)院60年代1962年，MIT林肯實驗室的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(xué)作為一個學(xué)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)…)。1962年，雷諾汽車公司的工程師PierreBézier提出Bézier曲線、曲面的理論1964年MIT的教授StevenA.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(gòu)造曲面。山東科技大學(xué)信息學(xué)院60年代12山東科技大學(xué)信息學(xué)院70年代光柵圖形學(xué)迅速發(fā)展區(qū)域填充、裁剪、消隱等基本圖形概念、及其相應(yīng)算法紛紛誕生圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化1974年，ACMSIGGRAPH的與“與機器無關(guān)的圖形技術(shù)”的工作會議ACM成立圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會，制定“核心圖形系統(tǒng)”（CoreGraphicsSystem）ISO發(fā)布CGI、CGM、GKS、PHIGS山東科技大學(xué)信息學(xué)院70年代13山東科技大學(xué)信息學(xué)院真實感圖形學(xué)1970年，Bouknight提出了第一個光反射模型1971年Gourand提出“漫反射模型＋插值”的思想，被稱為Gourand明暗處理1975年，Phong提出了著名的簡單光照模型-Phong模型實體造型技術(shù)英國劍橋大學(xué)CAD小組的Build系統(tǒng)美國羅徹斯特大學(xué)的PADL-1系統(tǒng)山東科技大學(xué)信息學(xué)院真實感圖形學(xué)14山東科技大學(xué)信息學(xué)院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(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算機圖形學(xué)中圖形硬件和各個分支均在這個時期飛速發(fā)展山東科技大學(xué)信息學(xué)院80年代15山東科技大學(xué)信息學(xué)院90年代：微機和軟件系統(tǒng)的普及使得圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化多媒體技術(shù)、人工智能、科學(xué)計算可視化、虛擬現(xiàn)實三維造型技術(shù)山東科技大學(xué)信息學(xué)院90年代：微機和軟件系統(tǒng)的普及使16山東科技大學(xué)信息學(xué)院ACMSIGGRAPH會議小知識全稱“theSpecialInterestGrouponComputerGraphicsandInteractiveTechniques”60年代中期，由Brown大學(xué)的教授AndriesvanDam(Andy)和IBM公司的SamMatsa發(fā)起1974年，在Colorado大學(xué)召開了第一屆SIGGRAPH年會，并取得了巨大的成功每年只錄取大約50篇論文山東科技大學(xué)信息學(xué)院ACMSIGGRAPH會議小知17山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.2.2硬件發(fā)展

圖形顯示器的發(fā)展圖形顯示器是計算機圖形學(xué)中關(guān)鍵的設(shè)備

60年代中期：畫線顯示器（亦稱矢量顯示器）需要刷新。設(shè)備昂貴，限制普及

60年代后期：存儲管式顯示器不需刷新，價格較低，缺點是不具有動態(tài)修改圖形功能，不適合交互式。山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.2.2硬件發(fā)展圖形顯18山東科技大學(xué)信息學(xué)院70年代初，刷新式光柵掃描顯示器出現(xiàn)，大大地推動了交互式圖形技術(shù)的發(fā)展。以點陣形式表示圖形，使用專用的緩沖區(qū)存放點陣，由視頻控制器負(fù)責(zé)刷新掃描。山東科技大學(xué)信息學(xué)院70年代初，刷新式光柵掃描顯示器19山東科技大學(xué)信息學(xué)院

圖形顯示設(shè)備的發(fā)展：畫線顯示器（矢量顯示器/隨機掃描顯示器）存儲管式顯示器刷新式光柵掃描顯示器山東科技大學(xué)信息學(xué)院圖形顯示設(shè)備的發(fā)展：畫線顯示器20山東科技大學(xué)信息學(xué)院圖形輸入設(shè)備的發(fā)展第一階段：控制開關(guān)、穿孔紙等等第二階段：鍵盤第三階段：二維定位設(shè)備，如鼠標(biāo)、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、表情等等第五階段：用戶的思維山東科技大學(xué)信息學(xué)院圖形輸入設(shè)備的發(fā)展21山東科技大學(xué)信息學(xué)院山東科技大學(xué)信息學(xué)院22山東科技大學(xué)信息學(xué)院山東科技大學(xué)信息學(xué)院23山東科技大學(xué)信息學(xué)院發(fā)展歷程諸侯割據(jù)標(biāo)準(zhǔn)討論標(biāo)準(zhǔn)形成1.2.3圖形軟件發(fā)展及軟件標(biāo)準(zhǔn)的形成山東科技大學(xué)信息學(xué)院發(fā)展歷程諸侯割據(jù)標(biāo)準(zhǔn)討論標(biāo)準(zhǔn)形成24山東科技大學(xué)信息學(xué)院圖形軟件發(fā)展及軟件標(biāo)準(zhǔn)形成三種類型的計算機圖形軟件系統(tǒng)：

(1)用某種語言寫成的子程序包如:GKS(GraphicsKernelSystem)PHIGS(Programmer’sHerarchicalIuteractiveGraphicssystem)GL

便于移植和推廣、但執(zhí)行速度相對較慢，效率低

(2）擴充計算機語言，使其具有圖形生成和處理的功能如：TurboPascal、TurboC，AutoLisp等。簡練、緊湊、執(zhí)行速度快，但可移植性差（3）專用圖形系統(tǒng)：效率高，但系統(tǒng)開發(fā)量大，可移植性差。山東科技大學(xué)信息學(xué)院圖形軟件發(fā)展及軟件標(biāo)準(zhǔn)形成三種類25山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.3計算機圖形學(xué)的應(yīng)用1.3.1計算機輔助繪圖及設(shè)計1.3.2事務(wù)管理中的交互式繪圖1.3.3科學(xué)計算可視化1.3.4過程控制1.3.5計算機動畫及廣告1.3.6計算機藝術(shù)1.3.7地形地貌和自然資源的圖形顯示1.3.8辦公自動化及電子出版系統(tǒng)山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.3計算機圖形學(xué)的應(yīng)用1.3.26山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.3.1計算機輔助繪圖及設(shè)計-CAD/CAM是計算機圖形學(xué)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)計和加工過程山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.3.1計算機輔助繪圖及設(shè)27山東科技大學(xué)信息學(xué)院奧迪效果圖和線框圖山東科技大學(xué)信息學(xué)院奧迪效果圖和線框圖28山東科技大學(xué)信息學(xué)院計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）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?fù)潢P(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)展方向山東科技大學(xué)信息學(xué)院計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/C29山東科技大學(xué)信息學(xué)院工程圖及其三維重建結(jié)果1山東科技大學(xué)信息學(xué)院工程圖及其三維重建結(jié)果130山東科技大學(xué)信息學(xué)院工程圖及其三維重建結(jié)果2山東科技大學(xué)信息學(xué)院工程圖及其三維重建結(jié)果231山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.3.3科學(xué)計算可視化科學(xué)計算可視化(ScientificVisualization)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(xué)基金會（NSF）專門召開了一次研討會，會上提出了“科學(xué)計算可視化（VisualizationinScientificComputing）”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、氣象分析當(dāng)中山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.3.3科學(xué)計算可視化科學(xué)計32山東科技大學(xué)信息學(xué)院在醫(yī)學(xué)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山東科技大學(xué)信息學(xué)院在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可視化有著廣闊的發(fā)展33山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.3.5計算機動畫及廣告計算機動畫娛樂多媒體山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.3.5計算機動畫及廣告計34山東科技大學(xué)信息學(xué)院計算機動畫

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、飛行模擬等分類二維動畫 圖象變形形狀混合山東科技大學(xué)信息學(xué)院計算機動畫

計算機動畫35山東科技大學(xué)信息學(xué)院三維動畫關(guān)鍵幀動畫變形物體的動畫過程動畫關(guān)節(jié)動畫與人體動畫山東科技大學(xué)信息學(xué)院三維動畫36山東科技大學(xué)信息學(xué)院基于特征的圖象變形（貓變虎）山東科技大學(xué)信息學(xué)院基于特征的圖象變形（貓變虎）37山東科技大學(xué)信息學(xué)院娛樂●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）●

QuakeIII，“古墓麗影”，“侏羅紀(jì)公園”、“皇帝的新衣”、完美風(fēng)暴………●MAYA,3D-MAX,SOFTIMAGE…山東科技大學(xué)信息學(xué)院娛樂●電腦游戲38山東科技大學(xué)信息學(xué)院多媒體在計算機控制下，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)，其中媒體至少應(yīng)包括一種“連續(xù)媒體”及一種“離散媒體”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CAI，教學(xué)娛樂。山東科技大學(xué)信息學(xué)院多媒體在計算機控制下，對多種媒體39山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.3.6計算機藝術(shù)

計算機藝術(shù)用計算機軟件從事藝術(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畫的軟件（如Alias，Softimage）山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.3.6計算機藝術(shù)

計算機藝40山東科技大學(xué)信息學(xué)院優(yōu)點：提供多種風(fēng)格的畫筆畫刷提供多種多樣的紋理貼圖，甚至能對圖象進行霧化，變形等操作可以任意修改，取消敗筆不足：無法達到傳統(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)品山東科技大學(xué)信息學(xué)院優(yōu)點：41山東科技大學(xué)信息學(xué)院山東科技大學(xué)信息學(xué)院42山東科技大學(xué)信息學(xué)院非真實感繪制（NPR，Non-PhotorealisticRendering）用于模擬藝術(shù)效果，研究方法有別于真實感圖形學(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年代開始研究用計算機模擬中國國畫與書法的生成山東科技大學(xué)信息學(xué)院非真實感繪制（NPR，Non-P43山東科技大學(xué)信息學(xué)院GeorgesWinkenb1ach繪制的壺和碗(Siggraph’96)山東科技大學(xué)信息學(xué)院GeorgesWinkenb144山東科技大學(xué)信息學(xué)院Salisbury繪制的茶壺(Siggraph’97)山東科技大學(xué)信息學(xué)院Salisbury繪制的茶壺(S45山東科技大學(xué)信息學(xué)院Salisbury繪制的熊(Siggraph’97)山東科技大學(xué)信息學(xué)院Salisbury繪制的熊(Si46山東科技大學(xué)信息學(xué)院OliverDeussen繪制的素描樹(Siggraph’2000)山東科技大學(xué)信息學(xué)院OliverDeussen繪制47山東科技大學(xué)信息學(xué)院野外自然景物的模擬野外場景遠遠復(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、火等等繪制火的粒子系統(tǒng)（ParticleSystem），基于生理模型的繪制植物的方法，繪制云的細(xì)胞自動機方法等山東科技大學(xué)信息學(xué)院野外自然景物的模擬48山東科技大學(xué)信息學(xué)院由清華大學(xué)自然景物平臺生成的野外場景山東科技大學(xué)信息學(xué)院由清華大學(xué)自然景物平臺生成的野外49山東科技大學(xué)信息學(xué)院日本YoshinoriDobashi等人繪制的真實感云山東科技大學(xué)信息學(xué)院日本YoshinoriDoba50山東科技大學(xué)信息學(xué)院Xfrog3.0生成的挪威云杉山東科技大學(xué)信息學(xué)院Xfrog3.0生成的挪威云杉51山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.3.7地形地貌和自然資源的圖形顯示地理信息系統(tǒng)（GIS）山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.3.7地形地貌和自然資源52山東科技大學(xué)信息學(xué)院地理信息系統(tǒng)（GIS）建立在地理圖形之上的關(guān)于各種資源的綜合信息管理系統(tǒng)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。數(shù)字地球：1998年1月31日美國副總統(tǒng)戈爾在洛杉機加利福尼亞科學(xué)中心召開的地理信息系統(tǒng)年會上提出了這一設(shè)想。

山東科技大學(xué)信息學(xué)院地理信息系統(tǒng)（GIS）建立在地理53山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.4計算機圖形學(xué)的發(fā)展動向計算機圖形學(xué)是通過算法和程序在顯示設(shè)備上構(gòu)造出圖形的一種技術(shù)。要在計算機屏幕上構(gòu)造出三維物體的一幅圖象，必須在計算機中構(gòu)造出該物體的模型，這一模型是由一批幾何數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)間的拓?fù)潢P(guān)系來表示的。山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.4計算機圖形學(xué)的發(fā)展動向54為了使二維圖形具有立體感，或者盡可能逼真地顯示出該物體在現(xiàn)實世界中所觀察到的形象，就需要采用適當(dāng)?shù)墓庹漳Ｐ?，盡可能準(zhǔn)確地模擬物體在現(xiàn)實世界中受到各種光源照射時的效果，這些就是計算機圖形學(xué)中的畫面繪制技術(shù)。三維物體的造型過程、繪制過程等都需要在一個操作方便、易學(xué)易用的用戶界面下工作，這就是人機交互技術(shù)。為了使二維圖形具有立體感，或者盡可能逼真地顯示出該物體在現(xiàn)實55山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.4.1造型系統(tǒng)的發(fā)展1.4.2真實圖形生成技術(shù)的發(fā)展1.4.3人-機交互技術(shù)的發(fā)展1.4.4計算機輔助幾何設(shè)計的發(fā)展1.4.5圖形標(biāo)準(zhǔn)及其軟件的發(fā)展山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.4.1造型系統(tǒng)的發(fā)展56山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.4.1造型系統(tǒng)的發(fā)展1.4.1.1規(guī)則形體造型規(guī)則形體是可以用歐氏幾何進行描述的形體。其造型手段可分為幾何造型技術(shù)，特征造型技術(shù)，物理造型技術(shù)三種。

山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.4.1造型系統(tǒng)的發(fā)展1.457山東科技大學(xué)信息學(xué)院幾何造型技術(shù):構(gòu)造幾何模型的理論、方法和技術(shù)稱為幾何造型技術(shù)特征造型技術(shù):將特征作為產(chǎn)品描述的基本單元，并將產(chǎn)品描述成特征的集合，例如，它將一個機械產(chǎn)品用形狀特征，公差特征，技術(shù)特征三部分來表示，而形狀特征的實現(xiàn)又往往是建立在幾何造型的基礎(chǔ)之上。物理造型技術(shù):山東科技大學(xué)信息學(xué)院幾何造型技術(shù):構(gòu)造幾何模型的理58山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.4.1.2非規(guī)則形體造型非規(guī)則形體不能用歐氏幾何進行描述的形體，如云、煙、樹等。非規(guī)則形體的造型大多采用過程式模擬，即用一個簡單的模型及少量的易于調(diào)節(jié)的參數(shù)來表示一大類物體，不斷地改變參數(shù)，遞歸調(diào)用這一模型就能一步一步地產(chǎn)生數(shù)據(jù)量很大的物體，因而這一技術(shù)也稱為數(shù)據(jù)放大技術(shù)。山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.4.1.2非規(guī)則形體造型59山東科技大學(xué)信息學(xué)院

基于分形理論的隨機插值模型、基于文法的模型以及粒子系統(tǒng)模型等都是應(yīng)用這一技術(shù)的非規(guī)則形體造型方法。山東科技大學(xué)信息學(xué)院基于分形理論的隨機插值模型、60山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.4.2真實感圖形生成技術(shù)的發(fā)展計算機中重現(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)系等等山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.4.2真實感圖形生成技術(shù)的61山東科技大學(xué)信息學(xué)院光照模型簡單光照模型局部光照模型整體光照模型繪制方法光線跟蹤輻射度加速算法包圍體樹、自適應(yīng)八叉樹等等山東科技大學(xué)信息學(xué)院光照模型62山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.4.3人-機交互技術(shù)的發(fā)展用戶接口用戶接口是人們使用計算機的第一觀感。一個友好的圖形化的用戶界面能夠大大提高軟件的易用性圖形學(xué)已經(jīng)全面融入計算機的方方面面，很多軟件幾乎可以不看任何說明書，而根據(jù)它的圖形、或動畫界面的指示進行操作山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.4.3人-機交互技術(shù)的發(fā)展用63山東科技大學(xué)信息學(xué)院目前幾個大的軟件公司都在研究下一代用戶界面，開發(fā)面向主流應(yīng)用的、自然、高效多通道的用戶界面。研究多通道語義模型、多通道整合算法及其軟件結(jié)構(gòu)和界面范式是當(dāng)前用戶界面和接口方面研究的主流方向，而圖形學(xué)在其中起主導(dǎo)作用。山東科技大學(xué)信息學(xué)院目前幾個大的軟件公司都在研究下一64山東科技大學(xué)信息學(xué)院VirtualReality（虛擬現(xiàn)實、靈境）VirtualReality或稱虛擬環(huán)境（VirtualEnvironment)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。輸入輸出設(shè)備山東科技大學(xué)信息學(xué)院VirtualReality（65計算機圖形學(xué)山東科技大學(xué)圖象工程研究所虛擬現(xiàn)實實驗室計算機圖形學(xué)山東科技大學(xué)66山東科技大學(xué)信息學(xué)院教學(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)的基本問題，掌握圖形學(xué)的基本概念、方法與算法；對與圖形相關(guān)的應(yīng)用及當(dāng)前的研究熱點有一個初步認(rèn)識；具有一定實踐體會和相關(guān)的編程能力。山東科技大學(xué)信息學(xué)院教學(xué)要求了解圖形系統(tǒng)的框架及其涉67山東科技大學(xué)信息學(xué)院教材或參考書：教材孫家廣：計算機圖形學(xué)(第三版），清華大學(xué)出版社，2002。孫家廣，胡事民：計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)教程。清華大學(xué)出版社，2005唐澤圣：計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)，清華大學(xué)出版社，1998。唐榮錫、汪嘉業(yè)：計算機圖形學(xué)教程。科學(xué)出版社，2002主要參考書：倪明田等，“計算機圖形學(xué)”，北京大學(xué)出版社，1999。DonaldHearn,M.PaulineBaker,“ComputerGraphics(CVersion)”,PrenticeHall,1997.常明、朱林。計算機圖形學(xué)。華中科技大學(xué)出版社‘2001山東科技大學(xué)信息學(xué)院教材或參考書：教材68山東科技大學(xué)信息學(xué)院第一章緒論

1.1計算機圖形學(xué)與圖象處理1.2計算機圖形學(xué)的發(fā)展歷史1.3計算機圖形學(xué)的應(yīng)用1.4計算機圖形學(xué)的發(fā)展動向山東科技大學(xué)信息學(xué)院第一章緒論1.1計算機圖69山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.1計算機圖形學(xué)與圖象處理1.1.1圖形與圖象1.1.2計算機圖形學(xué)與圖象處理的聯(lián)系與區(qū)別（見圖1-1）山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.1計算機圖形學(xué)與圖象處理70山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.1.1圖形與圖象定義：計算機圖形學(xué)是研究怎樣用數(shù)字計算機生成、處理和顯示圖形的一門學(xué)科。山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.1.1圖形與圖象定義：計71山東科技大學(xué)信息學(xué)院

計算機圖形學(xué)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(xué)的主要研究內(nèi)容。

圖形硬件、圖形標(biāo)準(zhǔn)、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(xué)計算可視化、計算機動畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實等。山東科技大學(xué)信息學(xué)院

計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容如何在計72山東科技大學(xué)信息學(xué)院圖象處理的研究內(nèi)容研究如何對一幅連續(xù)圖像取樣、量化以產(chǎn)生數(shù)字圖像，如何對數(shù)字圖像做各種變換以方便處理，如何濾去圖像中的無用噪聲，如何壓縮圖像數(shù)據(jù)以便存儲和傳輸，圖像邊緣提取，特征增強和提取。山東科技大學(xué)信息學(xué)院圖象處理的研究內(nèi)容研究如何對一幅731.1.2計算機圖形學(xué)與圖象處理的聯(lián)系與區(qū)別(圖1-1)1.1.2計算機圖形學(xué)與圖象處理的聯(lián)系與區(qū)別(圖1-1)74山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.2計算機圖形學(xué)的發(fā)展歷史1.2.1歷史追溯1.2.2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1.2.3圖形軟件及軟件標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.2計算機圖形學(xué)的發(fā)展歷史1.75山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.2.1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(xué)院（MIT）旋風(fēng)I號（WhirlwindI）計算機的附件誕生了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50年代末期，MIT的林肯實驗室在“旋風(fēng)”計算機上開發(fā)SAGE空中防御體系山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.2.1歷史追溯76山東科技大學(xué)信息學(xué)院60年代1962年，MIT林肯實驗室的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(xué)作為一個學(xué)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)…)。1962年，雷諾汽車公司的工程師PierreBézier提出Bézier曲線、曲面的理論1964年MIT的教授StevenA.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(gòu)造曲面。山東科技大學(xué)信息學(xué)院60年代77山東科技大學(xué)信息學(xué)院70年代光柵圖形學(xué)迅速發(fā)展區(qū)域填充、裁剪、消隱等基本圖形概念、及其相應(yīng)算法紛紛誕生圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化1974年，ACMSIGGRAPH的與“與機器無關(guān)的圖形技術(shù)”的工作會議ACM成立圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會，制定“核心圖形系統(tǒng)”（CoreGraphicsSystem）ISO發(fā)布CGI、CGM、GKS、PHIGS山東科技大學(xué)信息學(xué)院70年代78山東科技大學(xué)信息學(xué)院真實感圖形學(xué)1970年，Bouknight提出了第一個光反射模型1971年Gourand提出“漫反射模型＋插值”的思想，被稱為Gourand明暗處理1975年，Phong提出了著名的簡單光照模型-Phong模型實體造型技術(shù)英國劍橋大學(xué)CAD小組的Build系統(tǒng)美國羅徹斯特大學(xué)的PADL-1系統(tǒng)山東科技大學(xué)信息學(xué)院真實感圖形學(xué)79山東科技大學(xué)信息學(xué)院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(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算機圖形學(xué)中圖形硬件和各個分支均在這個時期飛速發(fā)展山東科技大學(xué)信息學(xué)院80年代80山東科技大學(xué)信息學(xué)院90年代：微機和軟件系統(tǒng)的普及使得圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化多媒體技術(shù)、人工智能、科學(xué)計算可視化、虛擬現(xiàn)實三維造型技術(shù)山東科技大學(xué)信息學(xué)院90年代：微機和軟件系統(tǒng)的普及使81山東科技大學(xué)信息學(xué)院ACMSIGGRAPH會議小知識全稱“theSpecialInterestGrouponComputerGraphicsandInteractiveTechniques”60年代中期，由Brown大學(xué)的教授AndriesvanDam(Andy)和IBM公司的SamMatsa發(fā)起1974年，在Colorado大學(xué)召開了第一屆SIGGRAPH年會，并取得了巨大的成功每年只錄取大約50篇論文山東科技大學(xué)信息學(xué)院ACMSIGGRAPH會議小知82山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.2.2硬件發(fā)展

圖形顯示器的發(fā)展圖形顯示器是計算機圖形學(xué)中關(guān)鍵的設(shè)備

60年代中期：畫線顯示器（亦稱矢量顯示器）需要刷新。設(shè)備昂貴，限制普及

60年代后期：存儲管式顯示器不需刷新，價格較低，缺點是不具有動態(tài)修改圖形功能，不適合交互式。山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.2.2硬件發(fā)展圖形顯83山東科技大學(xué)信息學(xué)院70年代初，刷新式光柵掃描顯示器出現(xiàn)，大大地推動了交互式圖形技術(shù)的發(fā)展。以點陣形式表示圖形，使用專用的緩沖區(qū)存放點陣，由視頻控制器負(fù)責(zé)刷新掃描。山東科技大學(xué)信息學(xué)院70年代初，刷新式光柵掃描顯示器84山東科技大學(xué)信息學(xué)院

圖形顯示設(shè)備的發(fā)展：畫線顯示器（矢量顯示器/隨機掃描顯示器）存儲管式顯示器刷新式光柵掃描顯示器山東科技大學(xué)信息學(xué)院圖形顯示設(shè)備的發(fā)展：畫線顯示器85山東科技大學(xué)信息學(xué)院圖形輸入設(shè)備的發(fā)展第一階段：控制開關(guān)、穿孔紙等等第二階段：鍵盤第三階段：二維定位設(shè)備，如鼠標(biāo)、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、表情等等第五階段：用戶的思維山東科技大學(xué)信息學(xué)院圖形輸入設(shè)備的發(fā)展86山東科技大學(xué)信息學(xué)院山東科技大學(xué)信息學(xué)院87山東科技大學(xué)信息學(xué)院山東科技大學(xué)信息學(xué)院88山東科技大學(xué)信息學(xué)院發(fā)展歷程諸侯割據(jù)標(biāo)準(zhǔn)討論標(biāo)準(zhǔn)形成1.2.3圖形軟件發(fā)展及軟件標(biāo)準(zhǔn)的形成山東科技大學(xué)信息學(xué)院發(fā)展歷程諸侯割據(jù)標(biāo)準(zhǔn)討論標(biāo)準(zhǔn)形成89山東科技大學(xué)信息學(xué)院圖形軟件發(fā)展及軟件標(biāo)準(zhǔn)形成三種類型的計算機圖形軟件系統(tǒng)：

(1)用某種語言寫成的子程序包如:GKS(GraphicsKernelSystem)PHIGS(Programmer’sHerarchicalIuteractiveGraphicssystem)GL

便于移植和推廣、但執(zhí)行速度相對較慢，效率低

(2）擴充計算機語言，使其具有圖形生成和處理的功能如：TurboPascal、TurboC，AutoLisp等。簡練、緊湊、執(zhí)行速度快，但可移植性差（3）專用圖形系統(tǒng)：效率高，但系統(tǒng)開發(fā)量大，可移植性差。山東科技大學(xué)信息學(xué)院圖形軟件發(fā)展及軟件標(biāo)準(zhǔn)形成三種類90山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.3計算機圖形學(xué)的應(yīng)用1.3.1計算機輔助繪圖及設(shè)計1.3.2事務(wù)管理中的交互式繪圖1.3.3科學(xué)計算可視化1.3.4過程控制1.3.5計算機動畫及廣告1.3.6計算機藝術(shù)1.3.7地形地貌和自然資源的圖形顯示1.3.8辦公自動化及電子出版系統(tǒng)山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.3計算機圖形學(xué)的應(yīng)用1.3.91山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.3.1計算機輔助繪圖及設(shè)計-CAD/CAM是計算機圖形學(xué)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)計和加工過程山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.3.1計算機輔助繪圖及設(shè)92山東科技大學(xué)信息學(xué)院奧迪效果圖和線框圖山東科技大學(xué)信息學(xué)院奧迪效果圖和線框圖93山東科技大學(xué)信息學(xué)院計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）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?fù)潢P(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)展方向山東科技大學(xué)信息學(xué)院計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/C94山東科技大學(xué)信息學(xué)院工程圖及其三維重建結(jié)果1山東科技大學(xué)信息學(xué)院工程圖及其三維重建結(jié)果195山東科技大學(xué)信息學(xué)院工程圖及其三維重建結(jié)果2山東科技大學(xué)信息學(xué)院工程圖及其三維重建結(jié)果296山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.3.3科學(xué)計算可視化科學(xué)計算可視化(ScientificVisualization)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(xué)基金會（NSF）專門召開了一次研討會，會上提出了“科學(xué)計算可視化（VisualizationinScientificComputing）”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、氣象分析當(dāng)中山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.3.3科學(xué)計算可視化科學(xué)計97山東科技大學(xué)信息學(xué)院在醫(yī)學(xué)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山東科技大學(xué)信息學(xué)院在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可視化有著廣闊的發(fā)展98山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.3.5計算機動畫及廣告計算機動畫娛樂多媒體山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.3.5計算機動畫及廣告計99山東科技大學(xué)信息學(xué)院計算機動畫

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、飛行模擬等分類二維動畫 圖象變形形狀混合山東科技大學(xué)信息學(xué)院計算機動畫

計算機動畫100山東科技大學(xué)信息學(xué)院三維動畫關(guān)鍵幀動畫變形物體的動畫過程動畫關(guān)節(jié)動畫與人體動畫山東科技大學(xué)信息學(xué)院三維動畫101山東科技大學(xué)信息學(xué)院基于特征的圖象變形（貓變虎）山東科技大學(xué)信息學(xué)院基于特征的圖象變形（貓變虎）102山東科技大學(xué)信息學(xué)院娛樂●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）●

QuakeIII，“古墓麗影”，“侏羅紀(jì)公園”、“皇帝的新衣”、完美風(fēng)暴………●MAYA,3D-MAX,SOFTIMAGE…山東科技大學(xué)信息學(xué)院娛樂●電腦游戲103山東科技大學(xué)信息學(xué)院多媒體在計算機控制下，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)，其中媒體至少應(yīng)包括一種“連續(xù)媒體”及一種“離散媒體”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CAI，教學(xué)娛樂。山東科技大學(xué)信息學(xué)院多媒體在計算機控制下，對多種媒體104山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.3.6計算機藝術(shù)

計算機藝術(shù)用計算機軟件從事藝術(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畫的軟件（如Alias，Softimage）山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.3.6計算機藝術(shù)

計算機藝105山東科技大學(xué)信息學(xué)院優(yōu)點：提供多種風(fēng)格的畫筆畫刷提供多種多樣的紋理貼圖，甚至能對圖象進行霧化，變形等操作可以任意修改，取消敗筆不足：無法達到傳統(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)品山東科技大學(xué)信息學(xué)院優(yōu)點：106山東科技大學(xué)信息學(xué)院山東科技大學(xué)信息學(xué)院107山東科技大學(xué)信息學(xué)院非真實感繪制（NPR，Non-PhotorealisticRendering）用于模擬藝術(shù)效果，研究方法有別于真實感圖形學(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年代開始研究用計算機模擬中國國畫與書法的生成山東科技大學(xué)信息學(xué)院非真實感繪制（NPR，Non-P108山東科技大學(xué)信息學(xué)院GeorgesWinkenb1ach繪制的壺和碗(Siggraph’96)山東科技大學(xué)信息學(xué)院GeorgesWinkenb1109山東科技大學(xué)信息學(xué)院Salisbury繪制的茶壺(Siggraph’97)山東科技大學(xué)信息學(xué)院Salisbury繪制的茶壺(S110山東科技大學(xué)信息學(xué)院Salisbury繪制的熊(Siggraph’97)山東科技大學(xué)信息學(xué)院Salisbury繪制的熊(Si111山東科技大學(xué)信息學(xué)院OliverDeussen繪制的素描樹(Siggraph’2000)山東科技大學(xué)信息學(xué)院OliverDeussen繪制112山東科技大學(xué)信息學(xué)院野外自然景物的模擬野外場景遠遠復(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、火等等繪制火的粒子系統(tǒng)（ParticleSystem），基于生理模型的繪制植物的方法，繪制云的細(xì)胞自動機方法等山東科技大學(xué)信息學(xué)院野外自然景物的模擬113山東科技大學(xué)信息學(xué)院由清華大學(xué)自然景物平臺生成的野外場景山東科技大學(xué)信息學(xué)院由清華大學(xué)自然景物平臺生成的野外114山東科技大學(xué)信息學(xué)院日本YoshinoriDobashi等人繪制的真實感云山東科技大學(xué)信息學(xué)院日本YoshinoriDoba115山東科技大學(xué)信息學(xué)院Xfrog3.0生成的挪威云杉山東科技大學(xué)信息學(xué)院Xfrog3.0生成的挪威云杉116山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.3.7地形地貌和自然資源的圖形顯示地理信息系統(tǒng)（GIS）山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.3.7地形地貌和自然資源117山東科技大學(xué)信息學(xué)院地理信息系統(tǒng)（GIS）建立在地理圖形之上的關(guān)于各種資源的綜合信息管理系統(tǒng)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。數(shù)字地球：1998年1月31日美國副總統(tǒng)戈爾在洛杉機加利福尼亞科學(xué)中心召開的地理信息系統(tǒng)年會上提出了這一設(shè)想。

山東科技大學(xué)信息學(xué)院地理信息系統(tǒng)（GIS）建立在地理118山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.4計算機圖形學(xué)的發(fā)展動向計算機圖形學(xué)是通過算法和程序在顯示設(shè)備