計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)第1頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2課程內(nèi)容緒論計(jì)算機(jī)圖形設(shè)備交互式技術(shù)幾何造型技術(shù)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(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3主要參考書目孫家廣，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（第三版），清華大學(xué)出版社，1999。DonaldHearn,M.PaulineBaker著,蔡士杰等譯，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（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(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第4頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四5第一章緒論計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的概念計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的對(duì)象計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究動(dòng)態(tài)視覺(jué)系統(tǒng)與顏色模型第5頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四61.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的概念計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（CG，ComputerGraphics）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。Computergraphicsistheartorscienceofproducinggraphicalimageswiththeaidofcomputer.第6頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四7能夠在人的視覺(jué)系統(tǒng)中形成視覺(jué)印象的客觀對(duì)象都稱為圖形。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的對(duì)象通常的圖形幾何圖形、圖片圖像、圖形實(shí)體方程、函數(shù)第7頁(yè)，共73頁(yè)，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(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。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的對(duì)象第8頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四9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）圖形的表示第9頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四10計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（CG）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(DigitalImageProcessing)旨在對(duì)圖象進(jìn)行各種加工以改善圖象的視覺(jué)效果。計(jì)算機(jī)視覺(jué)(ComputerVision)是研究用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬生物外顯或宏觀視覺(jué)功能的科學(xué)和技術(shù)。與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)的學(xué)科第10頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四特征數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)圖像信號(hào)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)計(jì)算機(jī)視覺(jué)數(shù)字圖像處理圖1.1圖形圖像處理各學(xué)科間的關(guān)系第11頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四12計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的確立圖形硬件的發(fā)展圖形軟件的發(fā)展1.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展第12頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四13醞釀期（50年代）

1950年，美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的旋風(fēng)1號(hào)(WhirlwindI)計(jì)算機(jī)配備了陰極射線管(CRT)來(lái)顯示一些簡(jiǎn)單的圖形。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的確立第13頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四14計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的確立萌芽期（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“ComputerGraphics”。第14頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四15計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的確立

發(fā)展期（70年代）計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)進(jìn)入實(shí)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(shí)感圖形學(xué)和實(shí)體造型技術(shù)；第15頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四16計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的確立

普及期（80年代）出現(xiàn)了帶有光柵圖形顯示器的個(gè)人計(jì)算機(jī)和工作站。光線跟蹤算法和輻射度算法的提出，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)真實(shí)感圖形學(xué)的算法已經(jīng)日漸成熟。提高增強(qiáng)期（90年代） 標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化方向發(fā)展。第16頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四17圖形顯示設(shè)備60年代中期，隨機(jī)掃描的顯示器；60年代后期，存儲(chǔ)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(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四圖形硬拷貝設(shè)備打印機(jī)繪圖儀圖形輸入設(shè)備二維圖形輸入設(shè)備三維圖形輸入設(shè)備第18頁(yè)，共73頁(yè)，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(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化、學(xué)科交叉。

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。圖形軟件的發(fā)展及軟件標(biāo)準(zhǔn)的形成第19頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四近二十年中，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。事實(shí)標(biāo)準(zhǔn) SGI的OpenGL，微軟的DirectX，Adobe的Postscript等。圖形軟件的發(fā)展及軟件標(biāo)準(zhǔn)的形成第20頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四211.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM）CAD通過(guò)交互式的圖形設(shè)備對(duì)部件進(jìn)行設(shè)計(jì)和描述，產(chǎn)生工程略圖（線框圖）或者更接近實(shí)際物體的透視圖等，通過(guò)迅速地將各種修改信息進(jìn)行組合，用戶可以自由、靈活地對(duì)圖形進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性改動(dòng)和形體顯示。CAM技術(shù)在各種工業(yè)制造業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。第21頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四奧迪效果圖和線框圖第22頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第23頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四boeing777第24頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

CAD/CAM第25頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四26計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助繪圖圖形、圖表和模型圖等的繪制；商務(wù)事務(wù)領(lǐng)域分析財(cái)政、數(shù)學(xué)和經(jīng)濟(jì)等方面數(shù)據(jù)。第26頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第27頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四用AutoCAD軟件制作

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

室內(nèi)裝潢設(shè)計(jì)效果圖第29頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四30計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)計(jì)算機(jī)圖形顯示與處理技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)中，它可以使教學(xué)過(guò)程，特別是基礎(chǔ)學(xué)科的教學(xué)過(guò)程形象、直觀和生動(dòng)。第30頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四31計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用辦公自動(dòng)化和電子出版技術(shù)圖形顯示技術(shù)在辦公自動(dòng)化和事務(wù)處理中的應(yīng)用，有助于數(shù)據(jù)及其相互關(guān)系的有效表達(dá)，因而有利于人們進(jìn)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(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四32計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)藝術(shù)

計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各種圖案、花紋、工藝外形及傳統(tǒng)的油畫、中國(guó)國(guó)畫和書法等藝術(shù)品的制作，為創(chuàng)作藝術(shù)和商品藝術(shù)提供了更為廣闊的空間。第32頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四由清華大學(xué)自然景物平臺(tái)生成的野外場(chǎng)景計(jì)算機(jī)仿真第33頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四日本YoshinoriDobashi等人繪制的真實(shí)感云計(jì)算機(jī)仿真第34頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四Xfrog3.0生成的挪威云杉計(jì)算機(jī)仿真第35頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四36計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用工業(yè)控制及交通在過(guò)程控制中，用戶利用計(jì)算機(jī)圖形處理和顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)與其控制或管理對(duì)象間的相互作用；用于石油化工、金屬冶煉過(guò)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(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第37頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第38頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四39計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用醫(yī)療衛(wèi)生顯示病歷，顯示各種藥物的劑量、性能；對(duì)某種病的治愈率作統(tǒng)計(jì)分析；醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)；計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)（Computer-AidedSurgery）。第39頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四40計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用圖形用戶界面（GUI,GraphicalUserInterface）

典型的圖形用戶界面包含一個(gè)窗口管理程序、菜單顯示和圖符等。第40頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第41頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四42計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究動(dòng)態(tài)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫：計(jì)算機(jī)動(dòng)畫是指用程序生成一系列的景物畫面，其中當(dāng)前幀畫面是對(duì)前一幀畫面的部分修改。第42頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四43剛體動(dòng)畫變形動(dòng)畫基于物理的動(dòng)畫（運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫）粒子動(dòng)畫關(guān)節(jié)動(dòng)畫行為動(dòng)畫計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的分類第43頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四變形動(dòng)畫第44頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四基于物理的動(dòng)畫第45頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四粒子動(dòng)畫第46頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四關(guān)節(jié)動(dòng)畫第47頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四行為動(dòng)畫第48頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四49計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究動(dòng)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(dá)地理空間數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)，是社會(huì)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境保護(hù)協(xié)同持續(xù)發(fā)展中，信息集成和分析的先進(jìn)工具。第49頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四50計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究動(dòng)態(tài)人機(jī)交互人機(jī)交互學(xué)（Human-ComputerInterface）是一門關(guān)于設(shè)計(jì)、評(píng)估和執(zhí)行交互式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及研究由此而發(fā)生的相關(guān)現(xiàn)象的學(xué)科。它是伴隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)而出現(xiàn)，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展而發(fā)展的。第50頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四51計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究動(dòng)態(tài)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(jiàn)面光亮度計(jì)算第51頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四52計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究動(dòng)態(tài)虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtualreality）

由計(jì)算機(jī)生成的一個(gè)實(shí)時(shí)三維空間。用戶在其間可以“自由”地運(yùn)動(dòng)，隨意觀察周圍的景物，并可以通過(guò)一些特殊的設(shè)備與虛擬物體進(jìn)行交互操作，使用戶產(chǎn)生一種身臨其境的感覺(jué)。第52頁(yè)，共73頁(yè)，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(jué)。交互（Interaction）：響應(yīng)用戶的各種輸入手勢(shì)、語(yǔ)言命令以及身體動(dòng)作。構(gòu)想（Imagination）：生動(dòng)形象地反映設(shè)計(jì)者的思想。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)第53頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四54能以實(shí)時(shí)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(duì)用戶的動(dòng)作產(chǎn)生力反饋。鏈接/programs/view/RZpazoRiQt8/虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)第54頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第55頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四56科學(xué)計(jì)算可視化運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將科學(xué)計(jì)算過(guò)程中及計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形及圖像在屏幕上顯示出來(lái)并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究動(dòng)態(tài)第56頁(yè)，共73頁(yè)，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(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局預(yù)報(bào)的北克拉羅多的天氣數(shù)據(jù)的三維圖象第58頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四59并行圖形處理多計(jì)算機(jī)的并行圖形處理多圖形顯示子系統(tǒng)（顯卡）實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算多GPU/VPU的并行處理計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究動(dòng)態(tài)第59頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四60視覺(jué)系統(tǒng)人眼結(jié)構(gòu)視覺(jué)原理視覺(jué)系統(tǒng)與顏色模型第60頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四whentheeyeisproperlyfocused,lightfromanobjectoutsidetheeyeisiamgedontheretina第61頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四Patternvisionisaffordedbythedistributionofdiscretelightreceptorsoverthesurfaceoftheretina.第62頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四Therearetwoclassesofreceptors:rodsandcones.個(gè)數(shù)：6and7million分布：視網(wǎng)膜中央感光：對(duì)彩色光極度敏感conevision稱為明亮視覺(jué)個(gè)數(shù)：75to150million分布：整個(gè)視網(wǎng)膜感光：對(duì)泛光敏感rodvision稱為暗視覺(jué)第63頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期四Thenumberofrodsismuchlarger:Some75to150millionaredistributedovertheretinasurface.Rodsservetogiveageneral,overallpictureofthefieldofview.Theyarenotinvolvedincolorvisionandaresensitivetolowlevelsofillumination.Objectsthatappear