計算機圖形學基礎

計算機圖形學基礎第1頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四2課程內(nèi)容緒論計算機圖形設備交互式技術幾何造型技術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OpenGL圖形編程第2頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四3主要參考書目孫家廣，計算機圖形學（第三版），清華大學出版社，1999。DonaldHearn,M.PaulineBaker著,蔡士杰等譯，計算機圖形學（第三版），電子工業(yè)出版社，2005。DaveShreiner等著，鄧鄭祥譯，OpenGL編程指南（第四版），人民郵電出版社，2005。第3頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四第4頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四5第一章緒論計算機圖形學的概念計算機圖形學研究的對象計算機圖形學的應用計算機圖形學的研究動態(tài)視覺系統(tǒng)與顏色模型第5頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四61.1計算機圖形學的概念計算機圖形學（CG，ComputerGraphics）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。Computergraphicsistheartorscienceofproducinggraphicalimageswiththeaidofcomputer.第6頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四7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。計算機圖形學研究的對象通常的圖形幾何圖形、圖片圖像、圖形實體方程、函數(shù)第7頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四8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。計算機圖形學研究的對象第8頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四9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）圖形的表示第9頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四10計算機圖形學（CG）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(DigitalImageProcessing)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(ComputerVision)是研究用計算機來模擬生物外顯或宏觀視覺功能的科學和技術。與計算機圖形學相關的學科第10頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四特征數(shù)據(jù)、結構數(shù)據(jù)圖像信號計算機圖形學計算機視覺數(shù)字圖像處理圖1.1圖形圖像處理各學科間的關系第11頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四12計算機圖形學的確立圖形硬件的發(fā)展圖形軟件的發(fā)展1.2計算機圖形學的發(fā)展第12頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四13醞釀期（50年代）

1950年，美國麻省理工學院（MIT）的旋風1號(WhirlwindI)計算機配備了陰極射線管(CRT)來顯示一些簡單的圖形。計算機圖形學的確立第13頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四14計算機圖形學的確立萌芽期（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“ComputerGraphics”。第14頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四15計算機圖形學的確立

發(fā)展期（70年代）計算機圖形處理技術進入實用化階段；區(qū)域填充、裁剪、消隱等基本圖形概念及算法；真實感圖形學和實體造型技術；第15頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四16計算機圖形學的確立

普及期（80年代）出現(xiàn)了帶有光柵圖形顯示器的個人計算機和工作站。光線跟蹤算法和輻射度算法的提出，標志著計算機真實感圖形學的算法已經(jīng)日漸成熟。提高增強期（90年代） 標準化、集成化、智能化方向發(fā)展。第16頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四17圖形顯示設備60年代中期，隨機掃描的顯示器；60年代后期，存儲管式顯示器；70年代中期，光柵掃描的圖形顯示器。目前正向著小型化、低電壓、數(shù)字化方向發(fā)展。圖形硬件的發(fā)展第17頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四圖形硬拷貝設備打印機繪圖儀圖形輸入設備二維圖形輸入設備三維圖形輸入設備第18頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四19圖形軟件的發(fā)展開放式、高效率、標準化、集成化、智能化、學科交叉。

圖形軟件標準與設備無關、與應用無關、具有較高性能。圖形軟件的發(fā)展及軟件標準的形成第19頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四近二十年中，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。事實標準 SGI的OpenGL，微軟的DirectX，Adobe的Postscript等。圖形軟件的發(fā)展及軟件標準的形成第20頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四211.3計算機圖形學的應用計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）CAD通過交互式的圖形設備對部件進行設計和描述，產(chǎn)生工程略圖（線框圖）或者更接近實際物體的透視圖等，通過迅速地將各種修改信息進行組合，用戶可以自由、靈活地對圖形進行實驗性改動和形體顯示。CAM技術在各種工業(yè)制造業(yè)中得到廣泛的應用。第21頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四奧迪效果圖和線框圖第22頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四第23頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四boeing777第24頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四

CAD/CAM第25頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四26計算機圖形學的應用計算機輔助繪圖圖形、圖表和模型圖等的繪制；商務事務領域分析財政、數(shù)學和經(jīng)濟等方面數(shù)據(jù)。第26頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四第27頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四用AutoCAD軟件制作

三維模型第28頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四用3DMAX與Photoshop制作

室內(nèi)裝潢設計效果圖第29頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四30計算機圖形學的應用計算機輔助教學計算機圖形顯示與處理技術已廣泛地應用于計算機輔助教學系統(tǒng)中，它可以使教學過程，特別是基礎學科的教學過程形象、直觀和生動。第30頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四31計算機圖形學的應用辦公自動化和電子出版技術圖形顯示技術在辦公自動化和事務處理中的應用，有助于數(shù)據(jù)及其相互關系的有效表達，因而有利于人們進行正確的決策；圖文并茂的電子排版系統(tǒng)代替了傳統(tǒng)的鉛字排版，這是印刷史上的一次革命。第31頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四32計算機圖形學的應用計算機藝術

計算機圖形技術已廣泛應用于各種圖案、花紋、工藝外形及傳統(tǒng)的油畫、中國國畫和書法等藝術品的制作，為創(chuàng)作藝術和商品藝術提供了更為廣闊的空間。第32頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四由清華大學自然景物平臺生成的野外場景計算機仿真第33頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四日本YoshinoriDobashi等人繪制的真實感云計算機仿真第34頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四Xfrog3.0生成的挪威云杉計算機仿真第35頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四36計算機圖形學的應用工業(yè)控制及交通在過程控制中，用戶利用計算機圖形處理和顯示技術實現(xiàn)與其控制或管理對象間的相互作用；用于石油化工、金屬冶煉過程中的監(jiān)視和控制；鐵路系統(tǒng)和公路系統(tǒng)的管制與監(jiān)視。第36頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四第37頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四第38頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四39計算機圖形學的應用醫(yī)療衛(wèi)生顯示病歷，顯示各種藥物的劑量、性能；對某種病的治愈率作統(tǒng)計分析；醫(yī)學圖像處理技術；計算機輔助手術（Computer-AidedSurgery）。第39頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四40計算機圖形學的應用圖形用戶界面（GUI,GraphicalUserInterface）

典型的圖形用戶界面包含一個窗口管理程序、菜單顯示和圖符等。第40頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四第41頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四42計算機圖形學的研究動態(tài)計算機動畫：計算機動畫是指用程序生成一系列的景物畫面，其中當前幀畫面是對前一幀畫面的部分修改。第42頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四43剛體動畫變形動畫基于物理的動畫（運動動畫）粒子動畫關節(jié)動畫行為動畫計算機動畫的分類第43頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四變形動畫第44頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四基于物理的動畫第45頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四粒子動畫第46頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四關節(jié)動畫第47頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四行為動畫第48頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四49計算機圖形學的研究動態(tài)地理信息系統(tǒng) 地理信息系統(tǒng)（GIS，GeographicInformationSystem）是一種用于采集、模擬、處理、檢索、分析和表達地理空間數(shù)據(jù)的計算機信息系統(tǒng)，是社會經(jīng)濟與環(huán)境保護協(xié)同持續(xù)發(fā)展中，信息集成和分析的先進工具。第49頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四50計算機圖形學的研究動態(tài)人機交互人機交互學（Human-ComputerInterface）是一門關于設計、評估和執(zhí)行交互式計算機系統(tǒng)以及研究由此而發(fā)生的相關現(xiàn)象的學科。它是伴隨著計算機的出現(xiàn)而出現(xiàn)，伴隨著計算機技術發(fā)展而發(fā)展的。第50頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四51計算機圖形學的研究動態(tài)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→可見面光亮度計算第51頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四52計算機圖形學的研究動態(tài)虛擬現(xiàn)實（Virtualreality）

由計算機生成的一個實時三維空間。用戶在其間可以“自由”地運動，隨意觀察周圍的景物，并可以通過一些特殊的設備與虛擬物體進行交互操作，使用戶產(chǎn)生一種身臨其境的感覺。第52頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四53沉浸（Immersion）：全方位投入，使用戶產(chǎn)生身臨其景的感覺。交互（Interaction）：響應用戶的各種輸入手勢、語言命令以及身體動作。構想（Imagination）：生動形象地反映設計者的思想。虛擬現(xiàn)實技術第53頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四54能以實時的速度生成有逼真感的景物圖形。能高精度的跟蹤用戶的頭和手。頭戴顯示器能產(chǎn)生高分辨率圖象和較大的視角。能對用戶的動作產(chǎn)生力反饋。鏈接/programs/view/RZpazoRiQt8/虛擬現(xiàn)實的關鍵技術第54頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四第55頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四56科學計算可視化運用計算機圖形學和圖像處理技術，將科學計算過程中及計算結果的數(shù)據(jù)轉換為圖形及圖像在屏幕上顯示出來并進行交互處理的理論、方法和技術。計算機圖形學的研究動態(tài)第56頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四用PGSTigress有限公司軟件顯示的油藏三維圖第57頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四美國國家海洋和大氣局預報的北克拉羅多的天氣數(shù)據(jù)的三維圖象第58頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四59并行圖形處理多計算機的并行圖形處理多圖形顯示子系統(tǒng)（顯卡）實現(xiàn)并行計算多GPU/VPU的并行處理計算機圖形學的研究動態(tài)第59頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四60視覺系統(tǒng)人眼結構視覺原理視覺系統(tǒng)與顏色模型第60頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四whentheeyeisproperlyfocused,lightfromanobjectoutsidetheeyeisiamgedontheretina第61頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四Patternvisionisaffordedbythedistributionofdiscretelightreceptorsoverthesurfaceoftheretina.第62頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四Therearetwoclassesofreceptors:rodsandcones.個數(shù)：6and7million分布：視網(wǎng)膜中央感光：對彩色光極度敏感conevision稱為明亮視覺個數(shù)：75to150million分布：整個視網(wǎng)膜感光：對泛光敏感rodvision稱為暗視覺第63頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四Thenumberofrodsismuchlarger:Some75to150millionaredistributedovertheretinasurface.Rodsservetogiveageneral,overallpictureofthefieldofview.Theyarenotinvolvedincolorvisionandaresensitivetolowlevelsofillumination.Objectsthatappear