計(jì)算機(jī)圖形學(xué)第一講

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)ComputerGraphics

趙雅群計(jì)算機(jī)圖形學(xué)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(wèn)題，掌握?qǐng)D形學(xué)的基本概念、方法與算法；對(duì)與圖形相關(guān)的應(yīng)用及當(dāng)前的研究熱點(diǎn)有一個(gè)初步認(rèn)識(shí)；具有一定實(shí)踐體會(huì)和相關(guān)的編程能力。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教材及主要參考書教材計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)用教程蘇小紅

主要參考書孫家廣，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（第三版），清華大學(xué)出版社。郭啟全，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教程，機(jī)械工業(yè)出版社。張曦煌等，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)教程，機(jī)械工業(yè)出版社。第一講計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)科學(xué)最活躍的分支之一，它伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)之所以能獲得飛速發(fā)展，其根本原因是圖形為傳遞信息的最主要媒體之一。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)1.1研究?jī)?nèi)容1.2發(fā)展歷史1.3應(yīng)用舉例1.4當(dāng)前研究動(dòng)態(tài)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)1.1研究?jī)?nèi)容什么是圖形？構(gòu)成圖形的要素是什么？圖形有哪兩種表示法？圖形學(xué)所研究的內(nèi)容是什么？

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容涉及到用計(jì)算機(jī)對(duì)圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的硬件和軟件兩方面的技術(shù)，以及與圖形生成、顯示密切相關(guān)的基礎(chǔ)算法：

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點(diǎn)、直線、圓、弧、規(guī)則曲線、自由曲線、文本等圖元的生成。

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對(duì)圖形的平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、鏡像、錯(cuò)切等操作，此外還包括二維圖形的裁剪、多邊形填充以及二維圖形的布爾運(yùn)算（并、交、差）等。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)3、二維圖形的輸入輸出

用圖形輸入設(shè)備實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互及用戶接口技術(shù)。

4、三維幾何造型技術(shù)

包括基本體素的建立與生成，規(guī)則曲面與自由曲面的構(gòu)造，以及三維形體之間的布爾運(yùn)算等。5、真實(shí)感圖形的生成算法

三維圖形的消隱算法、光照模型的建立，陰影及彩色濃淡圖的生成算法。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)6、科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)

這是20世紀(jì)90年代計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域的前沿課題。研究的是，將科學(xué)計(jì)算中大量難以理解的數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形顯示出來(lái)，從而加深人們對(duì)科學(xué)過(guò)程的理解。例如，有限元分析的結(jié)果，應(yīng)力場(chǎng)、磁場(chǎng)的分布，各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的圖形仿真等。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在大學(xué)本科階段，應(yīng)著重了解前面三個(gè)內(nèi)容，而后面三個(gè)涉及三維圖形的內(nèi)容可留待研究生階段去研究。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)正以很快的速度向前發(fā)展，當(dāng)前這一領(lǐng)域研究的前沿課題有：（1）圖形軟件與開(kāi)發(fā)環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)化（2）提高算法的可靠性和效率消隱算法、真實(shí)感彩色圖像、明暗圖、體素拼合中的曲面求交和拓?fù)涮幚淼葐?wèn)題上。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（3）用并行處理技術(shù)提高真實(shí)感圖像的生成速度如采用多處理器，將一幅光柵圖像的512×512或更多個(gè)象素用幾十個(gè)甚至幾百個(gè)處理器并行計(jì)算，可以明顯提高圖像的生成速度。（4）探討自然景象的模擬方法采用紋理映射、分維技術(shù)、粒子系統(tǒng)等方法再現(xiàn)景物表面的色彩和紋理細(xì)節(jié)，體現(xiàn)山巒的粗糙巖面，重現(xiàn)云、火、水等飄忽不定的景色。（5）科學(xué)可視化計(jì)算機(jī)圖形學(xué)圖形以及構(gòu)成圖形的要素圖形：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究對(duì)象能在人的視覺(jué)系統(tǒng)中產(chǎn)生視覺(jué)印象的客觀對(duì)象包括自然景物、拍攝到的圖片、用數(shù)學(xué)方法描述的圖形等等構(gòu)成圖形的要素幾何要素：刻畫對(duì)象的輪廓、形狀等非幾何要素：刻畫對(duì)象的顏色、灰度等計(jì)算機(jī)圖形學(xué)計(jì)算機(jī)中表示圖形的方法點(diǎn)陣表示枚舉出圖形中所有的點(diǎn)(強(qiáng)調(diào)圖形由點(diǎn)構(gòu)成)簡(jiǎn)稱為圖像（像素圖）參數(shù)表示由圖形的形狀參數(shù)(方程或分析表達(dá)式的系數(shù)，線段的端點(diǎn)坐標(biāo)等)+屬性參數(shù)(顏色、線型等)來(lái)表示圖形簡(jiǎn)稱為圖形（參數(shù)圖）計(jì)算機(jī)圖形學(xué)什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)？定義：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究怎樣用數(shù)字計(jì)算機(jī)生成、處理和顯示圖形的一門學(xué)科。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)科學(xué)中，最為活躍、得到廣泛應(yīng)用的分支之一。分成兩大類：非交互式和交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容圖形的輸入

如何開(kāi)發(fā)利用圖形輸入設(shè)備及軟件將圖形輸入到計(jì)算機(jī)中去，以便作各種處理。圖形的處理包括對(duì)圖形進(jìn)行變換(幾何變換，投影變換)和運(yùn)算（如圖形的并、交、差運(yùn)算）,著色，形變等。圖形的輸出如何將圖形特定的表示形式轉(zhuǎn)換成圖形輸出系統(tǒng)便于接受的表示形式，并將圖形在顯示屏或打印機(jī)等輸出設(shè)備上輸出。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系數(shù)字圖像數(shù)據(jù)模型圖像生成（計(jì)算機(jī)圖形學(xué)）模型（特征）提取（計(jì)算機(jī)視覺(jué)，模式識(shí)別）模型變換（計(jì)算幾何）圖像變換（圖像處理）發(fā)展特點(diǎn):交叉、界線模糊、相互滲透計(jì)算機(jī)圖形學(xué)CAGD（ComputerAidedGeometricDesign）（計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)）

討論幾何形體在計(jì)算機(jī)中的表示、分析，研究怎樣靈活方便地建立幾何形體的數(shù)學(xué)模型，提高算法效率，在計(jì)算機(jī)內(nèi)更好地存儲(chǔ)和管理這些模型等。研究?jī)?nèi)容包括曲線、曲面的表示、生成、拼接，數(shù)據(jù)擬合，計(jì)算復(fù)雜性等等。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)圖像處理研究如何對(duì)一幅連續(xù)圖像取樣、量化以產(chǎn)生數(shù)字圖像。研究如何對(duì)數(shù)字圖像做各種變換以方便處理。研究如何濾去圖像中的無(wú)用噪聲。研究如何壓縮圖像數(shù)據(jù)以便存儲(chǔ)和傳輸。研究如何提取圖像邊緣，增強(qiáng)特征等。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)計(jì)算機(jī)視覺(jué)和模式識(shí)別圖形學(xué)的逆過(guò)程，主要討論如何分析和識(shí)別輸入的數(shù)字圖像并從中提取二維或三維的數(shù)據(jù)模型（特征）。舉例：手寫漢字的識(shí)別、機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)1.2發(fā)展歷史?歷史追溯?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?圖形軟件及軟件標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展計(jì)算機(jī)圖形學(xué)歷史追溯50年代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。1958年，美國(guó)Calcomp公司把聯(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。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。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)60年代1963年，MIT林肯實(shí)驗(yàn)室的I.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--確定了交互圖形學(xué)作為一個(gè)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))。同時(shí)，雷諾汽車公司的工程師PierreBézier

提出Bézier曲線、曲面的理論。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。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)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“與機(jī)器無(wú)關(guān)的圖形技術(shù)”的工作會(huì)議。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、PHIGS。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)真實(shí)感圖形學(xué)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，Phong提出了著名的簡(jiǎn)單光照模型-Phong模型。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)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)80年代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，實(shí)現(xiàn)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。圖形硬件和各個(gè)分支均在這個(gè)時(shí)期飛速發(fā)展。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)90年代微機(jī)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(jì)算可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)。三維造型技術(shù)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)硬件發(fā)展圖形顯示器的發(fā)展

圖形顯示器是計(jì)算機(jī)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(chǔ)管式顯示器不需刷新，價(jià)格較低，缺點(diǎn)是不具有動(dòng)態(tài)修改圖形功能，不適合交互式。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)70年代初：刷新式光柵掃描顯示器大大地推動(dòng)了交互式圖形技術(shù)的發(fā)展。

原理：以點(diǎn)陣形式表示圖形，使用專用的緩沖區(qū)存放點(diǎn)陣，由視頻控制器負(fù)責(zé)刷新掃描。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)

圖形顯示設(shè)備的發(fā)展畫線顯示器（矢量顯示器/隨機(jī)掃描顯示器）存儲(chǔ)管式顯示器刷新式光柵掃描顯示器計(jì)算機(jī)圖形學(xué)圖形輸入設(shè)備的發(fā)展第一階段：控制開(kāi)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(yǔ)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(shì)、表情等等第五階段：用戶的思維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)

圖形軟件發(fā)展及軟件標(biāo)準(zhǔn)形成三種類型的計(jì)算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)（1）用某種語(yǔ)言寫成的子程序包如：GKS(GraphicalKernelSystem)1977年引入的低級(jí)計(jì)算機(jī)圖形PHIGS(Programmer’sHierarchicalInteractiveGraphicssystem)GL

便于移植和推廣、但執(zhí)行速度相對(duì)較慢，效率低（2）擴(kuò)充計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，使其具有圖形生成和處理的功能

如：TurboPascal、TurboC等簡(jiǎn)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(kāi)發(fā)量大，可移植性差

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)諸侯割據(jù)標(biāo)準(zhǔn)討論標(biāo)準(zhǔn)形成計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展歷程通用的、與設(shè)備無(wú)關(guān)的圖形包，圖形標(biāo)準(zhǔn)GKS(GraphicalKernelSystem)(第一個(gè)官方標(biāo)準(zhǔn))PHIGS(Programmer’sHierarchicalInteractiveGraphicssystem)一些非官方圖形軟件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)界，成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)DirectX(MS)X-Window系統(tǒng)

(Xlib)OpenGL(SGI)Adobe公司Postscript

開(kāi)放式、高效率的發(fā)展趨勢(shì)1.3應(yīng)用舉例（1）圖形用戶界面介于人與計(jì)算機(jī)之間，人與機(jī)器的通信，人機(jī)界面（HCI）：軟件＋硬件發(fā)展：由指示燈和機(jī)械開(kāi)關(guān)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(shè)備和光柵圖形顯示設(shè)備構(gòu)成的圖形用戶界面（GUI），（90年代）PC，工作站，所見(jiàn)即所得→VR技術(shù)（發(fā)展方向）計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（2）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD）

CAD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)程計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（2）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD）計(jì)算機(jī)圖形學(xué)奧迪效果圖和線框圖計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（3）可視化科學(xué)計(jì)算可視化(ScientificVisualization)海量的數(shù)據(jù)使得人們對(duì)數(shù)據(jù)的分析和處理變得越來(lái)越難，用圖形來(lái)表示數(shù)據(jù)的迫切性與日俱增。1986年，美國(guó)科學(xué)基金會(huì)（NSF）專門召開(kāi)了一次研討會(huì)，會(huì)上提出了“科學(xué)計(jì)算可視化（VisualizationinScientificComputing）”。科學(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。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可視化有著廣闊的發(fā)展前途是機(jī)械手術(shù)和遠(yuǎn)程手術(shù)的基礎(chǔ)。將醫(yī)用CT掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維圖像，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)漫游的圖像?？梢暬那把嘏c難點(diǎn)可視化硬件的研究。實(shí)時(shí)的三維體繪制。體內(nèi)組織的識(shí)別。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（4）計(jì)算機(jī)藝術(shù)用計(jì)算機(jī)軟件從事藝術(shù)創(chuàng)作二維平面的畫筆程序（如Coreldraw，Photoshop，Paintbrush）。圖表繪制軟件（如Visio）。三維建模和渲染軟件包、以及一些專門生成動(dòng)畫的軟件（如3DMAX）。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)優(yōu)點(diǎn)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(duì)圖像進(jìn)行霧化，變形等操作可以任意修改，取消敗筆不足無(wú)法達(dá)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)品計(jì)算機(jī)圖形學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（5）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，全球信息化；軍事，政府決策，旅游，資源調(diào)查。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（6）娛樂(lè)●電腦游戲?qū)崟r(shí)性逼真性蘊(yùn)含了先進(jìn)的圖形處理技術(shù)●電視廣告，節(jié)目片頭，科教演示