計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)2024/10/211緒論提出問題什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)？計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的對(duì)象是什么？計(jì)算機(jī)圖形處理系統(tǒng)的構(gòu)造？2024/10/2121.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及其相關(guān)概念計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（ComputerGraphics）計(jì)算機(jī)圖形學(xué)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。IEEE定義：Computergraphicsistheartorscienceofproducinggraphicalimageswiththeaidofcomputer.2024/10/213計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究對(duì)象——圖形通常意義下的圖形： 能夠在人的視覺系統(tǒng)中形成視覺印象的客觀對(duì)象都稱為圖形。2024/10/214圖形的要素幾何要素:刻畫形狀的點(diǎn)、線、面、體等幾何要素非幾何要素：反映物體表面屬性或材質(zhì)的明暗、灰度、色彩等。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形。2024/10/215圖形的表示點(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）2024/10/216與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)的學(xué)科

數(shù)字圖象處理 利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖形和圖像進(jìn)行分析處理，繼而再現(xiàn)圖像。圖形（圖像）信息輸入計(jì)算機(jī)中，按照不同的應(yīng)用要求，計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行各種各樣的分析和處理。

圖像的存儲(chǔ)、壓縮、增強(qiáng)（突出某些特征）、復(fù)原（使模糊圖像清晰）、分割、重建、編碼、傳輸?shù)鹊?，最后把?jīng)過加工處理后的結(jié)果重新輸出。

2024/10/217模式識(shí)別（PatternRecognition）

圖像的模式識(shí)別所研究的問題與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)所研究的問題是互逆的。模式識(shí)別是由圖像來(lái)獲得對(duì)圖像本身的描述。它是以圖像為依據(jù)，將圖像變換成數(shù)據(jù)、符號(hào)或者是抽象的圖。例如，自動(dòng)分檢信封上的郵件編碼、文本自動(dòng)閱讀裝置、還有地圖符號(hào)的識(shí)別，都是先由掃描得到圖像，然后經(jīng)識(shí)別還原為圖形或字符。2024/10/218計(jì)算幾何（ComputationalGeometry）

著重討論幾何形體在計(jì)算機(jī)內(nèi)的表示、分析和綜合，研究怎樣方便靈活地建立幾何形體的數(shù)學(xué)模型，提高算法的效率，在計(jì)算機(jī)內(nèi)如何更好地存儲(chǔ)和管理這些模型等。它的研究?jī)?nèi)容包括曲線曲面的表示、生成、拼接和造型、三維立體造型、離散數(shù)據(jù)插值等等。2024/10/219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?。ㄓ?jì)算機(jī)視覺，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2024/10/2110彼此的內(nèi)在聯(lián)系（狹義）圖形學(xué)研究如何將數(shù)據(jù)和幾何模型變?yōu)閳D形；圖像處理重點(diǎn)在于圖像的壓縮存儲(chǔ)以及去除噪音問題；模式識(shí)別討論如何從圖像中提取數(shù)據(jù)和模型；計(jì)算幾何則是上述學(xué)科的研究基石?！A(chǔ)2024/10/2111計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容1、二維圖形元素的生成算法

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

2、二維圖形的基本操作和圖形處理算法

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。2024/10/21123、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。

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)通過計(jì)算機(jī)圖形顯示出來(lái)，從而加深人們對(duì)科學(xué)過程的理解。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)問題的圖形仿真等。2024/10/2113醞釀期（50年代）1950年，美國(guó)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1.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展1.2.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的確立2024/10/2114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”2024/10/2115

發(fā)展期（70年代）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)和工作站提高增強(qiáng)期（90年代）總體特征：技術(shù)發(fā)展、需求驅(qū)動(dòng)2024/10/21161958年，滾筒式繪圖機(jī)誕生1962年，Sutherland發(fā)表重要博士論文1964年，Coons提出曲面擬合理論70年代，光柵式圖形顯示器問世1977年，提出第一個(gè)圖形標(biāo)準(zhǔn)GKS80年代，圖形工作站，PC，Macintosh90年代，互聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)展，圖形在非工業(yè)應(yīng)用超過在工業(yè)方面的應(yīng)用圖形學(xué)發(fā)展史上的幾件大事2024/10/21171.2.2硬件發(fā)展圖形輸入設(shè)備的發(fā)展第一階段：控制開關(guān)、穿孔紙等第二階段：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)、表情等第五階段：用戶的思維圖形顯示器的發(fā)展（見下頁(yè)）

2024/10/2118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），60年代中期存儲(chǔ)管式顯示器，60年代后期刷新式光柵掃描顯示器，70年代初以點(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)刷新掃描需要刷新，設(shè)備昂貴，限制普及。不需刷新，價(jià)格較低，不能動(dòng)態(tài)修改圖形功，不適合交互式目前正向著小型化、低電壓、數(shù)字化方向發(fā)展2024/10/2119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：空間球、數(shù)據(jù)手套2024/10/21201.2.3圖形軟件的發(fā)展及軟件標(biāo)準(zhǔn)的形成圖形軟件的發(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2024/10/2121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) 如SGI的OpenGL，微軟的DirectX，Adobe的Postscript等2024/10/21221964年

S.Coons提出Coons曲面，用小塊曲面片組合自由曲面；

1966年P(guān).Bezier提出Bezier曲線和曲面，奠定了計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)；

1975年Versprille提出有理B樣條的理論，進(jìn)而發(fā)展到NURBS；

圖形軟件發(fā)展及軟件標(biāo)準(zhǔn)形成2024/10/2123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(GraphicsKernelSystem)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、AutoLisp等。簡(jiǎn)練、緊湊、執(zhí)行速度快，但不可移植（3）專用圖形系統(tǒng)：效率高，但系統(tǒng)開發(fā)量大，可移植性差。

2024/10/2124圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)圖形核心系統(tǒng)ISO的第一個(gè)圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)GKS(GraphicsKernelSystem)(第一個(gè)官方標(biāo)準(zhǔn)，1977)程序員層次交互式圖形系統(tǒng)（PHIGSProgrammer’sHierarchicalInteractiveGraphicsSystem）計(jì)算機(jī)圖元文件（CGMComputerGraphicsMetafile）計(jì)算機(jī)圖形接口（CGIComputerGraphicsInterface),ISO）基本圖形轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)（IGES,InitialGraphicsExchangeSpecification,美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局）開放式、高效率的發(fā)展趨勢(shì)2024/10/2125常用圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)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)Xlib(X-Window系統(tǒng))OpenGL(SGI)Adobe公司Postscript典型：開放圖形庫(kù)（OpenGL）一個(gè)開放的三維圖形軟件包，獨(dú)立于操作系統(tǒng)，業(yè)界中的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。（Stanford大學(xué)）支持平臺(tái)：VisualC++、GLUT（

=OpenGLUtilityToolkit）等；主要功能：圖形建模圖形變換光照、材質(zhì)、紋理、像素操作融合、反走樣、霧化2024/10/2126專業(yè)協(xié)會(huì)ACMSIGGRAPH-AssociationforComputingMachinerySpecialInterestGroupinGraphicsIEEE-TheInstituteofElectricalandElectronicsEngineers,TechnicalCommitteeonComputerGraphics2024/10/2127圖形標(biāo)準(zhǔn)STANDARDORGANIZATIONANSI=AmericanNationalStandardInstitute(private,nongovernment)ISO=InternationalStandardsOrganization(voluntary,nontreaty)ANSIisamemberofISO2024/10/21281.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用一、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM）

2024/10/2129汽車曲面設(shè)計(jì)2024/10/2130奧迪效果圖和線框圖

CAD/CAM2024/10/2131

CAD/CAM2024/10/2132boeing777

CAD/CAM2024/10/2133

CAD/CAM2024/10/2134用AutoCAD軟件制作

三維實(shí)體模型(學(xué)生作品)2024/10/2135用AutoCAD軟件制作

三維模型2024/10/2136用3DMAX與Photoshop制作

室內(nèi)裝潢設(shè)計(jì)效果圖2024/10/2137二、科學(xué)計(jì)算可視化

研究如何將來(lái)自科學(xué)、工程、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的抽象數(shù)據(jù)用圖形表示的學(xué)科稱為科學(xué)計(jì)算可視化。

用圖形來(lái)表示大量數(shù)據(jù)計(jì)算的結(jié)果或中間過程。例如：

·科技工作者需要認(rèn)真分析大量的計(jì)算結(jié)果以確定一個(gè)系統(tǒng)的描述；

·商業(yè)主管需要分析大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以做出對(duì)未來(lái)商業(yè)行為的決策；

·醫(yī)生需要面對(duì)大量的CT數(shù)據(jù)以確定病人體內(nèi)是否發(fā)生病變及何處發(fā)生病變；

·氣象人員需要處理氣象衛(wèi)星傳回的大批數(shù)據(jù)以繪出未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的天氣變化趨勢(shì)圖。2024/10/2138

三、地理信息系統(tǒng)與制圖

地理信息系統(tǒng)是建立在地理圖形之上的關(guān)于人口分布、礦藏分布、森林覆蓋、土地利用、旅游資源、海洋地理、地形地貌、山川河流分布、區(qū)域規(guī)劃、城市交通、管線管網(wǎng)等綜合信息管理系統(tǒng)。

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四、事務(wù)管理和辦公自動(dòng)化

無(wú)論是企業(yè)還是事業(yè)行政管理中，都存在著大量的圖表，如作業(yè)進(jìn)程表、生產(chǎn)產(chǎn)量表、庫(kù)存表、銷售統(tǒng)計(jì)圖、生產(chǎn)計(jì)劃表，以及統(tǒng)計(jì)分析方面的各種圖表。這些圖表都可以用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)產(chǎn)生的直方圖、餅圖和折線圖來(lái)表示。在辦公自動(dòng)化方面，各國(guó)都非常重視。辦公自動(dòng)化系統(tǒng)可以從聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，取出所需要的數(shù)據(jù)，用清晰明了的圖表在屏幕上顯示或在打印機(jī)、繪圖儀上輸出。2024/10/2140五、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實(shí)又稱為虛擬環(huán)境，是指由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)生成一個(gè)虛擬的三維空間。這個(gè)空間可以是小到分子、原子的微觀世界，或是大到天體的宏觀世界，也可以是類似于真實(shí)社會(huì)的生活空間。用戶可以在這個(gè)三維空間中“自由”地走動(dòng)，隨意地觀察，并可以通過一些特殊的設(shè)備與所處的虛擬景物進(jìn)行交互操作。 交互是多通道的、自然的，用來(lái)傳遞的信息可以是某個(gè)操作、一個(gè)手勢(shì)、一個(gè)眼神，也可以是一個(gè)表情等。在此環(huán)境中，用戶看到的是由計(jì)算機(jī)生成的逼真圖像，聽到的是虛擬環(huán)境中的聲音，身體可以感受到虛擬環(huán)境所反饋的作用力，由此產(chǎn)生身臨其境的感覺。2024/10/2141虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality）

或虛擬環(huán)境（VirtualEnvironment)2024/10/2142在線虛擬現(xiàn)實(shí)：虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言VRML虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality）2024/10/21432024/10/2144

六、過程控制和指揮系統(tǒng)

將各種實(shí)時(shí)過程的重要參數(shù)，如火箭的運(yùn)行狀態(tài)，煉油廠、發(fā)電廠和電力系統(tǒng)送來(lái)的壓力、溫度、電壓、電流等數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)，用圖形方式進(jìn)行顯示，管理人員對(duì)圖形進(jìn)行監(jiān)控，并對(duì)異常情況作出調(diào)整。此外，現(xiàn)在大量的指揮系統(tǒng)，軍用指揮、鐵路調(diào)度、機(jī)場(chǎng)指揮等系統(tǒng)，也用圖形進(jìn)行監(jiān)視與控制。2024/10/2145七、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫

為了產(chǎn)生連續(xù)的動(dòng)畫，每秒至少需要24幀畫面。因而，一部?jī)尚r(shí)的動(dòng)畫片就需要十幾萬(wàn)張畫面，如果用傳統(tǒng)的方式手工繪制，工作量是巨大的。 60年代制作動(dòng)畫片《大鬧天宮》時(shí)，就花了幾十位動(dòng)畫工作者近兩年的時(shí)間。 計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)來(lái)制作，一方面可以利用造型工具創(chuàng)作出形象逼真的演員、場(chǎng)景，另一方面可以在關(guān)鍵畫面之間利用圖形變換技術(shù)自動(dòng)插入中間畫面。八、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)2024/10/2146分形幾何中的自相似圖形(b)分形樹(a)Koch曲線生成雪花(c)三分康托集2024/10/2147計(jì)算機(jī)藝術(shù)Coreldraw,Photoshop,金山畫王筆,相片真實(shí)感模擬與自然媒體仿真技術(shù)分形藝術(shù)2024/10/2148OliverDeussen繪制的素描樹(Siggraph’2000)計(jì)算機(jī)藝術(shù)2024/10/2149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2024/10/2150圖案設(shè)計(jì)2024/10/2151建筑模擬2024/10/2152建筑模擬2024/10/2153列車駕駛模擬2024/10/2154列車駕駛模擬2024/10/2155運(yùn)動(dòng)中的汽車變換成奔跑中的老虎2024/10/21561.4