(計算機圖形學)1.CG概論

計算機圖形學

第一講概述InteCAD(AutoCAD),InteVue(3DView),InteDyna(ADAMS),InteCAM(MasterCAM)MWorksFlowComputerEMCS關于課程

宗旨：加強可操作性平時上機作業(yè)占50%最后的研究報告占50%作業(yè)分組，組長給成績75－95，正態(tài)分布每次6個同學報告，從每組抽出一個中上成績者，由該同學的匯報確定每組的權重分最后，組長將程序和研究報告一并提交1.1CG技術概述1.2CG發(fā)展歷程1.3CG技術應用1.4CG技術發(fā)展趨勢第一講CG概論1.1CG概述

計算機中表示圖形的方法點陣表示枚舉出圖形中所有的點(強調(diào)圖形由點構成)簡稱為圖像（數(shù)字圖像）矢量表示由圖形的形狀參數(shù)(方程或分析表達式的系數(shù)，線段的端點坐標等)+屬性參數(shù)(顏色、線型等)來表示圖形簡稱為圖形：圖形主要分為兩類：基于線條信息表示明暗圖(Shading)什么是計算機圖形學定義：計算機圖形學是研究將數(shù)據(jù)轉為圖形，并在專用設備上顯示的原理、方法和技術的一門學科。計算機圖形學是計算機科學中，最為活躍、得到廣泛應用的分支之一。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、處理和顯示的相關原理與算法，構成了計算機圖形學的主要研究內(nèi)容。圖形硬件（硬件加速、GPU）、圖形標準、圖形交互技術、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。CG:

研究物體幾何對象的計算機圖形信息的表達、輸入、存儲、顯示、輸出、檢索及運算等。以顯示效果為目標，側重研究共性的交互及顯示技術。如：科學數(shù)據(jù)可視化，物體（或場景）的渲染顯示效果。主要研究內(nèi)容：1）圖形的輸入方法2）內(nèi)部表達及數(shù)據(jù)結構3）產(chǎn)生圖形的算法4）圖形的變換及運算5）圖形描述語言6）圖形軟件的標準化計算機圖形學概念與相關學科的關系數(shù)字圖像數(shù)據(jù)模型圖像生成（計算機圖形學）模型（特征）提?。ㄓ嬎銠C視覺，模式識別）模型變換（計算幾何）圖像變換（圖像處理）特點:交叉、界線模糊、相互滲透1.2、CG發(fā)展歷程40年代計算機問世，直至50年代中期尚不普遍，主要用于計算；50年，麻省理工圖形顯示器旋風I號（WhirlwindI）誕生58年美國Calcomp公司滾筒繪圖儀50年代CG萌芽誕生，顯示器、繪圖儀出現(xiàn)（被動式圖形學）CG發(fā)展歷程63年，麻省理工IvanSutherland發(fā)明光筆，在顯示器上實現(xiàn)選擇、定位等交互功能，對交互圖形技術的發(fā)展奠定了基礎60年代圖形學迅速發(fā)展，填充、裁剪、消隱等算法誕生，進入了第一個興盛的時期，出現(xiàn)實用的二維CAD圖形系統(tǒng)64年MITCoons提出超限插值思想構造Coons曲面

60年代早期，法國雷諾汽車工程師Bézier發(fā)展Bézier曲線、曲面，并開發(fā)了汽車外形設計UNISURF系統(tǒng)60年代CG光柵圖形學快速發(fā)展，CAD系統(tǒng)出現(xiàn)，曲面造型出現(xiàn)CG發(fā)展歷程70年代圖形學重要發(fā)展時期，真實感顯示、實體造型產(chǎn)生，圖形標準出現(xiàn)70年Bouknight提出了第一個光反射模型71年Gourand提出“漫反射模型＋插值”的明暗處理思想75年Phong提出了著名的簡單光照模型-Phong模型73年開始，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)等實體造型系統(tǒng)74年美國國家標準化局（ANSI）提出制定有關標準，77年制定核心圖形系統(tǒng)（CGS）。德國85年提出圖形核心系統(tǒng)（GKS)，ISO91年發(fā)布圖形設備接口（CGI)，此外還有IGES、STEP等標準。這些標準為計算機圖形學的推廣應用起到了重要作用。80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84年，美國Cornell大學和日本廣島大學的學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從80年代中期以來，超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，為圖形學的飛速發(fā)展奠定了物質基礎。光線跟蹤算法和輻射度算法的提出，標志著真實感圖形的顯示算法已逐漸成熟80年代CG走向成熟CG發(fā)展歷程CG發(fā)展歷程90年代至今，CG獲得廣泛應用90年代，隨著計算機的運算能力的提高，PC機普及，windows技術、VR技術、OpenGL及DirectX圖形標準技術、WEB應用技術、多媒體技術等迅速發(fā)展，圖形處理速度加快，使得圖形學的各個研究方向得到充分發(fā)展，圖形學已廣泛應用于：動畫及游戲、影視娛樂等教育及訓練科學計算可視化

CAD/CAMAssociationforComputingMachinery圖形學會議ACMSIGGRAPH會議是計算機圖形學最權威的國際會議，每年在美國召開，參加會議的人在50,000人左右。世界上沒有第二個領域每年召開如此規(guī)模巨大的專業(yè)會議，SIGGRAPH會議很大程度上促進了圖形學的發(fā)展。

1.3

CG技術應用圖形用戶界面CAD/CAM/CAE科學數(shù)據(jù)可視化地理信息系統(tǒng)GIS虛擬現(xiàn)實VR計算機動畫及游戲計算機藝術1.3

CG技術應用圖形用戶界面介于人與計算機之間，人與機器的通信。人機界面（HCI）：軟件＋硬件發(fā)展：由指示燈和機械開關組成的操縱界面→由終端和鍵盤組成的字符界面（80年代）→由多種輸入設備和光柵圖形顯示設備構成的圖形用戶界面（GUI）（90年代）。PC、工作站，WIMP(W-windows、I-icons、M-menu、P-pointingdevices)界面，所見即所得→VR技術CAD應用-CAD是計算機圖形學在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應用領域飛機、汽車、船舶的外形的設計發(fā)電廠、化工廠等的布局土木工程、建筑物的設計電子線路、電子器件的設計設計結果直接送至后續(xù)工藝進行加工處理，如波音777飛機的設計和加工過程CAD應用——2D/3DCAM應用前后處理CAE應用——結構分析建模與曲線后處理CAE應用——動力學分析科學數(shù)據(jù)可視化科學計算可視化(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（VisualizationinScientificComputing）”科學計算可視化廣泛應用于醫(yī)學、流體力學、有限元分析、氣象分析當中科學數(shù)據(jù)可視化地理信息系統(tǒng)（GIS）建立在地理圖形之上的關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。Google地球，百度地圖等軍事，政府決策，旅游，資源調(diào)查。

VirtualReality（虛擬現(xiàn)實、靈境）VirtualReality或稱虛擬環(huán)境（VirtualEnvironment)是用計算機技術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。輸入輸出設備虛擬現(xiàn)實技術虛擬現(xiàn)實技術的應用前景十分廣闊。它始于軍事和航空航天領域的需求，但近年來，虛擬現(xiàn)實技術的應用已在工業(yè)設計、建筑規(guī)劃、教育培訓、文化娛樂等方面得到廣泛應用。在軍事領域，虛擬現(xiàn)實技術用于戰(zhàn)場環(huán)境，作戰(zhàn)指揮模擬，飛機、艦船駕駛訓練等。在城市建設規(guī)劃中，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)正發(fā)揮著巨大作用。例如，許多城市都有自己的近期、中期和遠景規(guī)劃，規(guī)劃中需要考慮各個建筑同周圍環(huán)境是否和諧。虛擬現(xiàn)實技術還可用于保護文物、重現(xiàn)古建筑，把珍貴的文物用虛擬現(xiàn)實技術展現(xiàn)出來供人參觀，有利于保護真實的古文物。在產(chǎn)品開發(fā)上，虛擬現(xiàn)實可縮短開發(fā)周期，減少費用。如克萊斯勒公司1998年初利用虛擬現(xiàn)實技術設計兩種新型車，減少新車試生產(chǎn)環(huán)節(jié)，大大縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。虛擬現(xiàn)實技術還可用教育培訓、娛樂及藝術等領域。計算機動畫及游戲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 圖象變形形狀混合三維動畫關鍵幀動畫變形物體的動畫過程動畫關節(jié)動畫與人體動畫計算機藝術用計算機軟件從事藝術創(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）計算機藝術優(yōu)點：提供多種風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)繪畫中風格化的藝術效果很難得到有素描效果、油畫效果的藝術品計算機藝術非真實感繪制（NPR，Non-PhotorealisticRendering）用于模擬藝術效果，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CAD中心CAX產(chǎn)品CADCAMCAPPPDM/PLMMWorksInteDyna…InteSolidInteCADCAD中心研究開發(fā)的典型軟件產(chǎn)品InteCAPPInteCAPPInteCAMInteVSSIntePDMIntePDMInteDynaInteDyna設計變量目標變量數(shù)據(jù)類型約束輸入變量輸出變量MWorks多學科協(xié)同優(yōu)化1.4CG技術發(fā)展趨勢圖形渲染是整個圖形學發(fā)展的核心。在計算機輔助設計，影視動漫以及各類可視化應用中都對圖形渲染結果的高真實感提出了很高的要求。高清分辨率（1920x1080）。進一步要能達到數(shù)字電影所能播放的4K分辨率(4096x2060)的圖形圖像；色彩。動態(tài)范圍也希望從原來每個通道的8Bit提高到10bit及以上。提供高分辨率高動態(tài)的渲染效果，必須消耗非?？捎^的計算能力。一幀精美的高清分辨率圖像，單機渲染往往需要耗費數(shù)小時至數(shù)十小時。為此，傳統(tǒng)方法主要采用分布式系統(tǒng)，將渲染任務分配到集群渲染節(jié)點中。即使這樣，也需要使用上千臺計算機，耗費數(shù)月時間才能完成一部標準90分鐘長度的影片渲染。1）實時計算機圖形學——與圖形硬件的發(fā)展緊密結合，突破實時高真實感、高分辨率渲染的技術難點與圖形硬件的發(fā)展緊密結合，突破實時高真實感、高分辨率渲染基于GPU（GraphicProcessingUnit）的圖形硬件技術得以發(fā)展迅速，已經(jīng)能在一個GPU芯片上采用64nm工藝集成上千個采用SIMD（單指令多數(shù)據(jù)流）架構的通用計算核心。而2009年底，主流圖形硬件商nVidia和AMD以及Intel還會推出基于MIMD（多指令多數(shù)據(jù)流）計算核心的GPU芯片用于圖形加速繪制，以支持DirectX11以及OpenGL3.0圖形標準。最新的圖形學研究，采用GPU技術可以充分利用計算指令和數(shù)據(jù)的并行性，已可在單個工作站上實現(xiàn)百倍于基于CPU方法的渲染速度。然而已知的實現(xiàn)方法，其實現(xiàn)效果還較為初步，無法實現(xiàn)復雜的視覺特效，離實時的高真實感渲染還有很大差距。其主要原因是：①缺乏良好的數(shù)據(jù)組織方法，基于GPU方法由于硬件的架構原因，數(shù)據(jù)組織無法如同CPU方法一樣的組織，因此對復雜的數(shù)據(jù)結構仍無法得到很好地支持。②缺乏標準高效的GPU高層編程語言、編譯器以及相應調(diào)試工具。③無法完整地實現(xiàn)適于電影渲染制作的RenderMan標準。如何充分利用GPU的計算特性，結合分布式的集群技術，解決以上這些難題，從而來構造低功耗的渲染服務是圖形學的未來發(fā)展趨勢之一。2）研究和諧自然的三維模型建模方法三維模型建模方法是計算機圖形學的重要基礎，是生成精美的三維場景和逼真動態(tài)效果的前提。然而，傳統(tǒng)的三維模型方法，由于其主要思想方法來源于CAD中基于參數(shù)式調(diào)整的形狀構造方法，建模效率低而學習門檻高，不易于普及和讓非專業(yè)用戶使用。而隨著計算機圖形技術的普及和發(fā)展，各類用戶都提出了高效的三維建模需求，因此研究和諧自然的三維建模方法是目前發(fā)展的一個重要趨勢。采用合適的交互手段，來進行三維模型的快速構造，特別是應用于概念設計和建筑設計領域目前已引起了國際同行的廣泛關注。由于筆式或草圖交互方式，非常符合人類原有日常生活中的思考習慣，是目前研究的重點問題。其難點是根據(jù)具體的應用領域，與視覺方法相融合，如何設計合理的交互語匯以及對應的過程式“識別-構造”方法。3）利用日益增長的計算性能，實現(xiàn)具有高度物理真實的動態(tài)仿真高度物理真實感的動態(tài)模擬，包括對各種形變、水、氣、云、煙霧、燃燒、爆炸、撕裂、老化等物理現(xiàn)象的真實模擬，是計算機圖形學一直試圖達到的目標。這一技術是各類動態(tài)仿真應用的核心技術，可以極大地提高虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的沉浸感。然而高度物理真實性模擬，主要受限于目前計算機的處理能力和存儲容量限制，不能處理很高精度的模擬，也無法做到很高的響應速度。所幸的是，GPU技術帶來了革新這一技術的可能。充分利用GPU硬件內(nèi)部的并行性，研究者開始普遍關注基于GPU的各類數(shù)學物理方程求解極其相關的有限元加速計算方法。4）研究多種高精度數(shù)據(jù)獲取與處理技術，增強圖形技術的表現(xiàn)力達到現(xiàn)實中真實感的畫面與逼真動態(tài)效果，一種有效的解決途徑是采用各種高精度手段獲取所需的幾何、紋理以及動態(tài)信息。為此，研究者正在考慮對各個尺度上的信息進行獲取。小到物體表面的微結構、紋理屬性和反射屬性通過研制特殊裝置予以捕獲與處理，或采用一