計(jì)算機(jī)圖形學(xué)電子教案c1

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)安徽工程大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院主講：楊丹E-mail:hotman19730916@126.com/u/1051225262Tel修課程：高等數(shù)學(xué)線性代數(shù)畫法幾何與機(jī)械制圖（可選）C/C++或其它有繪圖功能的編程語(yǔ)言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)要求：了解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展概況；了解計(jì)算機(jī)繪圖系統(tǒng)的軟硬件組成；掌握計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本算法和理論；具有一定的圖形程序設(shè)計(jì)能力；了解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用概況。教學(xué)內(nèi)容二維光柵圖形學(xué)基本圖元的生成、顯示圖形變換（選學(xué)）幾何變換、坐標(biāo)變換投影自由曲線與曲面幾何造型技術(shù)簡(jiǎn)介真實(shí)感圖形學(xué)簡(jiǎn)介消隱、光照、紋理…計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的相關(guān)應(yīng)用教材或參考書：教材：孫家廣等，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)教程，清華大學(xué)出版社，2005。主要參考書：孫家廣等，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（第三版），清華大學(xué)出版社，2002。潘云鶴等，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)—原理、方法及應(yīng)用，高等教育出版社，2003。魏海濤，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，電子工業(yè)出版社，2001。杜世培，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，重慶大學(xué)出版社，2001。推薦資料圖形學(xué)的雜志和會(huì)議會(huì)議：Siggraph，Eurograph，PacificGraphics，

ComputerGraphicsInternational，

GraphicsInterface雜志:ACMTransactiononGraphicsIEEEComputerGraphicsandApplicationIEEEVisualizationandComputerGraphicsGraphicalModelsComputerGraphicsForumTheVisualComputer

中國(guó)圖形圖象學(xué)報(bào)第1章緒論1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史1.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容1.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域1.4計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1950年，第一臺(tái)圖形顯示器作為美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）旋風(fēng)I號(hào)（WhirlwindI）計(jì)算機(jī)的附件誕生了。該顯示器用一個(gè)類似于示波器的陰極射線管（CRT）來(lái)顯示一些簡(jiǎn)單的圖形。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。到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(kāi)發(fā)SAGE空中防御體系，第一次使用了具有指揮和控制功能的CRT顯示器，操作者可以用筆在屏幕上指出被確定的目標(biāo)。在整個(gè)50年代，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)處于準(zhǔn)備和醞釀時(shí)期。臺(tái)式繪圖機(jī)滾筒繪圖機(jī)五十年代麻省理工制造的超級(jí)電腦WhirlwindI

陰極射線管（CRT）臺(tái)式繪圖機(jī)滾筒繪圖機(jī)字長(zhǎng)：16bit

速度：1Mhz

主存：4K

占地：一萬(wàn)平方尺

重量：兩萬(wàn)磅

價(jià)值：450萬(wàn)美元

電力消耗：150kwh1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史60年代1963年，MIT林肯實(shí)驗(yàn)室的I.E.Sutherland發(fā)表了一篇題為“Sketchpad：一個(gè)人機(jī)交互通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文。首次使用“ComputerGraphics”這個(gè)術(shù)語(yǔ)，證明了交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一個(gè)可行的、有用的研究領(lǐng)域。提出圖形學(xué)的概念，成就“圖形學(xué)之父”的英名獲：IEEE計(jì)算機(jī)杰出成就獎(jiǎng)

“圖靈”獎(jiǎng)

Coons獎(jiǎng)1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史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(guò)插值四條任意的邊界曲線來(lái)構(gòu)造曲面。他們成為CAGD、CAD的先驅(qū)。圖形學(xué)最高獎(jiǎng)以Coons的名字命名。PierreBézierSpacewars:firstcomputergraphicsgame(MIT1961)SketchPad:firstinteractivegraphics(1961)Whirlwind:earlygraphicsusingVectorScope(1951)firstCADsystem(IBM1959)1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史70年代是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展過(guò)程中一個(gè)重要的歷史時(shí)期。光柵顯示器的產(chǎn)生，圖形學(xué)進(jìn)入了第一個(gè)興盛的時(shí)期，并開(kāi)始出現(xiàn)實(shí)用的CAD圖形系統(tǒng)。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，ACM成立圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)，制定“核心圖形系統(tǒng)”（CoreGraphicsSystem）ISO發(fā)布CGI、CGM、GKS、PHIGSGourandPhong1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史70年代，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)另外兩個(gè)重要進(jìn)展是真實(shí)感圖形學(xué)和實(shí)體造型技術(shù)的產(chǎn)生。1970年Bouknight提出了第一個(gè)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P(guān)hong

提出了著名的簡(jiǎn)單光照模型—Phong模型。 這些可以算是真實(shí)感圖形學(xué)最早的開(kāi)創(chuàng)性工作。實(shí)體造型技術(shù)英國(guó)劍橋大學(xué)CAD小組的Build系統(tǒng)美國(guó)羅徹斯特大學(xué)的PADL-1系統(tǒng)1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史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，并實(shí)現(xiàn)了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，用輻射度方法成功地模擬了理想漫反射表面間的多重漫反射效果。光線跟蹤算法和輻射度算法的提出，標(biāo)志著真實(shí)感圖形的顯示算法已逐漸成熟。如何生成？建模渲染投影1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史80年代中期以來(lái)，超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，為圖形學(xué)的飛速發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。圖形工作站的出現(xiàn)，如Apollo、Sun、HP等。計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力的提高，圖形處理速度的加快，使得圖形學(xué)的各個(gè)研究方向得到充分發(fā)展。圖形學(xué)已廣泛應(yīng)用于動(dòng)畫、科學(xué)計(jì)算可視化、CAD/CAM、影視娛樂(lè)等各個(gè)領(lǐng)域。1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史90年代中期以來(lái)，PC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。圖形學(xué)已經(jīng)同模式識(shí)別、人工智能、數(shù)據(jù)庫(kù)等眾多領(lǐng)域結(jié)合，形成一些交叉學(xué)科，如多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)等。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)之所以能在它短短的40多年歷史中獲得飛速發(fā)展，其根本原因是圖形為傳遞信息的最主要媒體之一。1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史五十年代MIT旋風(fēng)一號(hào)，計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)CRT，SAGE(交互式圖形技術(shù)誕生)六十年代圖形學(xué)之父，CAD，隨機(jī)掃描顯示器光柵掃描顯示器，新型的圖形輸入設(shè)備，圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)，真實(shí)感圖形學(xué)產(chǎn)生八十年代至九十年代初圖形工作站(Apollo,Sun,Hp)，真實(shí)感圖形學(xué)發(fā)展時(shí)間特征九十年代至今PC普及，學(xué)科交叉（多媒體、VR等）七十年代至八十年代初

1.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)？是研究怎樣利用計(jì)算機(jī)表示、生成、處理和顯示圖形的(原理、算法、方法和技術(shù))一門學(xué)科。IEEE定義：Computergraphicsistheartorscienceofproducinggraphicalimageswiththeaidofcomputer.

1.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容圖形與圖像圖像指計(jì)算機(jī)內(nèi)以位圖(Bitmap)形式存在的灰度信息。圖形含有幾何屬性，更強(qiáng)調(diào)物體的幾何表示，是由物體的幾何模型(幾何參數(shù))和物理屬性(屬性參數(shù))共同組成的。1.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容定義

具體內(nèi)容圖形的輸入研究將圖形或圖形數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)中的技術(shù)和設(shè)備

鍵盤、鼠標(biāo)、圖形輸入板、掃描儀等設(shè)備的研制

圖形的表示研究在計(jì)算機(jī)中用點(diǎn)、線、面的坐標(biāo)值(幾何信息)和連接關(guān)系(拓?fù)湫畔?建立幾何模型的方法

線框模型、面模型、體模型等

圖形的存儲(chǔ)按一定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織圖形數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)在動(dòng)態(tài)或永久性介質(zhì)中

常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有線性鏈表、二叉樹、四叉樹等圖形的處理對(duì)圖形進(jìn)行幾何變換或投影變換以及并、交、差運(yùn)算等操作

圖形的顯示與輸出將計(jì)算機(jī)內(nèi)特定表示形式的圖形轉(zhuǎn)換成圖形輸出設(shè)備能夠接受的表示形式，并將圖形在計(jì)算機(jī)屏幕上或者打印機(jī)等輸出設(shè)備上顯示或繪制輸出

主要研制各種顯示器和打印、繪圖設(shè)備，如液晶顯示器、等離子顯示器以及攜帶更方便、色彩更豐富的新一代顯示器

1.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域圖形用戶界面計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM）科學(xué)計(jì)算可視化地理信息系統(tǒng)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫計(jì)算機(jī)藝術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)逆向工程1.3.1CAD/CAM以計(jì)算機(jī)為主要技術(shù)手段來(lái)生成和運(yùn)用各種數(shù)字信息與圖形信息，以進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造。CAD/CAM和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（ComputerGraphics）是緊密聯(lián)系在一起的。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)程奧迪線框圖和效果圖機(jī)械CAD系統(tǒng)所生成的零件、裝配件boeing777科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)量的與日俱增，如果能將這些數(shù)據(jù)用圖形形式表示出來(lái)，便于找到變化規(guī)律，提取特征，常常會(huì)使問(wèn)題迎刃而解?？茖W(xué)計(jì)算可視化(VisualizationinScientificComputation)綜合利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等多門學(xué)科，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形及圖像并進(jìn)行交互處理，利用人的視覺(jué)功能提高人的理解數(shù)據(jù)的能力?？茖W(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。1.3.2科學(xué)計(jì)算可視化流場(chǎng)可視化聲場(chǎng)可視化溫度場(chǎng)可視化醫(yī)學(xué)應(yīng)用地學(xué)應(yīng)用1.3.3

計(jì)算機(jī)藝術(shù)利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行藝術(shù)創(chuàng)作。可用于美術(shù)創(chuàng)作的軟件很多，如二維平面的畫筆程序(如CorelDraw，Photoshop，PaintShop)、專門的圖表繪制軟件(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，MaYa，SoftImage)等。藝術(shù)實(shí)例

分形圖案藝術(shù)實(shí)例1.3.3

計(jì)算機(jī)藝術(shù)影視制作游戲動(dòng)畫…基于特征的圖象變形（貓變虎）1.3.4計(jì)算機(jī)藝術(shù)用戶接口是人們使用計(jì)算機(jī)的第一觀感。一個(gè)友好的圖形化的用戶界面能夠大大提高軟件的易用性，在DOS時(shí)代，計(jì)算機(jī)的易用性很差，編寫一個(gè)圖形化的界面要費(fèi)去大量的勞動(dòng)，過(guò)去軟件中有60％的程序是用來(lái)處理與用戶接口有關(guān)的問(wèn)題和功能的。進(jìn)入80年代后，隨著Xwindow標(biāo)準(zhǔn)的面世，蘋果公司圖形化操作系統(tǒng)的推出，特別是微軟公司W(wǎng)indows操作系統(tǒng)的普及，標(biāo)志著圖形學(xué)已經(jīng)全面融入計(jì)算機(jī)的方方面面。人機(jī)交互技術(shù)通常是以WIMP為特征的圖形用戶界面。1.3.4

圖形用戶界面1.3.5真實(shí)感圖形繪制與自然景物仿真計(jì)算機(jī)中重現(xiàn)真實(shí)世界的場(chǎng)景叫做真實(shí)感繪制；真實(shí)感繪制的主要任務(wù)是模擬真實(shí)物體的物理屬性。簡(jiǎn)單的說(shuō)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(duì)位置，遮擋關(guān)系等等。經(jīng)典的真實(shí)感圖形學(xué)光照模型簡(jiǎn)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算法、輻射度算法加速算法及其他包圍體樹、自適應(yīng)八叉樹等陰影算法、紋理合成1.3.5真實(shí)感圖形繪制與自然景物仿真1.3.5真實(shí)感圖形繪制與自然景物仿真經(jīng)典的真實(shí)感圖形學(xué)真實(shí)感圖形實(shí)時(shí)繪制物體網(wǎng)格模型的面片簡(jiǎn)化1.3.5真實(shí)感圖形繪制與自然景物仿真真實(shí)感圖形實(shí)時(shí)繪制基于圖象的繪制（IBR，ImageBasedRending）畫中游1.3.5真實(shí)感圖形繪制與自然景物仿真自然景物的模擬：山、水、云、樹、草、火等1.3.5真實(shí)感圖形繪制與自然景物仿真日本YoshinoriDobashi等人繪制的真實(shí)感云建筑、橋梁應(yīng)用實(shí)例－建筑1.3.5真實(shí)感圖形繪制與自然景物仿真ACMSIGGRAPH會(huì)議小知識(shí)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(kāi)了第一屆SIGGRAPH年會(huì)，并取得了巨大的成功每年只錄取大約50篇論文GeorgesWinkenb1ach繪制的壺和碗(Siggraph’96)Salisbury繪制的茶壺(Siggraph’97)Salisbury繪制的熊(Siggraph’97)OliverDeussen繪制的素描樹(Siggraph’2000)1.3.6

虛擬現(xiàn)實(shí)簡(jiǎn)單地說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是利用計(jì)算機(jī)生成一個(gè)逼真的三維虛擬環(huán)境，通過(guò)自然技能使用傳感設(shè)備與之相互作用的新技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)起源于可視化，是多媒體技術(shù)的延伸，反映了人機(jī)關(guān)系的演化過(guò)程，是一種多維信息的人機(jī)界面。它在計(jì)算機(jī)中構(gòu)造出一種具有三維世界效果的模擬環(huán)境(如飛機(jī)駕駛艙、操作現(xiàn)場(chǎng)等)。同時(shí)還可以通過(guò)各種傳感設(shè)備，使用戶“投入”到該環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)用戶與該環(huán)境進(jìn)行直接交互操作，并產(chǎn)生與現(xiàn)實(shí)世界中相同的反饋信息，使人們得到與在現(xiàn)實(shí)世界中同樣的感受。虛擬現(xiàn)實(shí)是一門涉及眾多學(xué)科的新技術(shù)。它集計(jì)算機(jī)、傳感與測(cè)量、仿真和微電子技術(shù)于一體。在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，又特別依賴于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)及計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。而這些技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)步，也推動(dòng)了其在教育、醫(yī)療、娛樂(lè)、科技、工業(yè)制造、建筑和商業(yè)等領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用。1.3.7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(guó)副總統(tǒng)戈?duì)栐诼迳紮C(jī)加利福尼亞科學(xué)中心召開(kāi)的地理信息系統(tǒng)年會(huì)上提出了這一設(shè)想。比如，可以設(shè)想一個(gè)小孩來(lái)到地方博物館的一個(gè)數(shù)字地球陳列室，當(dāng)他戴上頭盔顯示器，她將看到就象是出現(xiàn)在空中的地球。使用“數(shù)據(jù)手套”，她開(kāi)始放大景物，伴隨越來(lái)越高的分辨率，她會(huì)看到大洲，隨之是區(qū)域