計算機圖形學緒論

計算機圖形學山東科技大學圖象工程研究所虛擬現(xiàn)實實驗室山東科技大學信息學院教學要求了解圖形系統(tǒng)的框架及其涉及的軟件、硬件技術；了解圖形學的基本問題，掌握圖形學的基本概念、方法與算法；對與圖形相關的應用及當前的研究熱點有一個初步認識；具有一定實踐體會和相關的編程能力。山東科技大學信息學院教材或參考書：教材孫家廣：計算機圖形學(第三版），清華大學出版社，2002。孫家廣，胡事民：計算機圖形學基礎教程。清華大學出版社，2005唐澤圣：計算機圖形學基礎，清華大學出版社，1998。唐榮錫、汪嘉業(yè)：計算機圖形學教程?？茖W出版社，2002主要參考書：倪明田等，“計算機圖形學”，北京大學出版社，1999。DonaldHearn,M.PaulineBaker,“ComputerGraphics(CVersion)”,PrenticeHall,1997.常明、朱林。計算機圖形學。華中科技大學出版社‘2001山東科技大學信息學院第一章緒論

1.1計算機圖形學與圖象處理1.2計算機圖形學的發(fā)展歷史1.3計算機圖形學的應用1.4計算機圖形學的發(fā)展動向山東科技大學信息學院1.1計算機圖形學與圖象處理1.1.1圖形與圖象1.1.2計算機圖形學與圖象處理的聯(lián)系與區(qū)別（見圖1-1）山東科技大學信息學院1.1.1圖形與圖象定義：計算機圖形學是研究怎樣用數(shù)字計算機生成、處理和顯示圖形的一門學科。山東科技大學信息學院

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、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。山東科技大學信息學院圖象處理的研究內(nèi)容研究如何對一幅連續(xù)圖像取樣、量化以產(chǎn)生數(shù)字圖像，如何對數(shù)字圖像做各種變換以方便處理，如何濾去圖像中的無用噪聲，如何壓縮圖像數(shù)據(jù)以便存儲和傳輸，圖像邊緣提取，特征增強和提取。1.1.2計算機圖形學與圖象處理的聯(lián)系與區(qū)別(圖1-1)山東科技大學信息學院1.2計算機圖形學的發(fā)展歷史1.2.1歷史追溯1.2.2硬件發(fā)展 圖形顯示器的發(fā)展 圖形輸入設備的發(fā)展1.2.3圖形軟件及軟件標準的發(fā)展山東科技大學信息學院1.2.1歷史追溯50年代1950年，第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學院（MIT）旋風I號（WhirlwindI）計算機的附件誕生了1958年，美國Calcomp公司由聯(lián)機的數(shù)字記錄儀發(fā)展成滾筒式繪圖儀，GerBer公司把數(shù)控機床發(fā)展成為平板式繪圖儀50年代末期，MIT的林肯實驗室在“旋風”計算機上開發(fā)SAGE空中防御體系山東科技大學信息學院60年代1962年，MIT林肯實驗室的I.E.Sutherland發(fā)表了一篇題為“Sketchpad：一個人機交互通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文--確定了交互圖形學作為一個學科分支（提出基本交互技術、圖元分層表示概念及數(shù)據(jù)結構…)。1962年，雷諾汽車公司的工程師PierreBézier提出Bézier曲線、曲面的理論1964年MIT的教授StevenA.Coons提出了超限插值的新思想，通過插值四條任意的邊界曲線來構造曲面。山東科技大學信息學院70年代光柵圖形學迅速發(fā)展區(qū)域填充、裁剪、消隱等基本圖形概念、及其相應算法紛紛誕生圖形軟件標準化1974年，ACMSIGGRAPH的與“與機器無關的圖形技術”的工作會議ACM成立圖形標準化委員會，制定“核心圖形系統(tǒng)”（CoreGraphicsSystem）ISO發(fā)布CGI、CGM、GKS、PHIGS山東科技大學信息學院真實感圖形學1970年，Bouknight提出了第一個光反射模型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提出了著名的簡單光照模型-Phong模型實體造型技術英國劍橋大學CAD小組的Build系統(tǒng)美國羅徹斯特大學的PADL-1系統(tǒng)山東科技大學信息學院80年代1980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，實現(xiàn)Whitted模型1984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圖形硬件和各個分支均在這個時期飛速發(fā)展山東科技大學信息學院90年代：微機和軟件系統(tǒng)的普及使得圖形學的應用領域日益廣泛。標準化、集成化、智能化多媒體技術、人工智能、科學計算可視化、虛擬現(xiàn)實三維造型技術山東科技大學信息學院ACMSIGGRAPH會議小知識全稱“theSpecialInterestGrouponComputerGraphicsandInteractiveTechniques”60年代中期，由Brown大學的教授AndriesvanDam(Andy)和IBM公司的SamMatsa發(fā)起1974年，在Colorado大學召開了第一屆SIGGRAPH年會，并取得了巨大的成功每年只錄取大約50篇論文山東科技大學信息學院1.2.2硬件發(fā)展

圖形顯示器的發(fā)展圖形顯示器是計算機圖形學中關鍵的設備

60年代中期：畫線顯示器（亦稱矢量顯示器）需要刷新。設備昂貴，限制普及

60年代后期：存儲管式顯示器不需刷新，價格較低，缺點是不具有動態(tài)修改圖形功能，不適合交互式。山東科技大學信息學院70年代初，刷新式光柵掃描顯示器出現(xiàn)，大大地推動了交互式圖形技術的發(fā)展。以點陣形式表示圖形，使用專用的緩沖區(qū)存放點陣，由視頻控制器負責刷新掃描。山東科技大學信息學院

圖形顯示設備的發(fā)展：畫線顯示器（矢量顯示器/隨機掃描顯示器）存儲管式顯示器刷新式光柵掃描顯示器山東科技大學信息學院圖形輸入設備的發(fā)展第一階段：控制開關、穿孔紙等等第二階段：鍵盤第三階段：二維定位設備，如鼠標、光筆、圖形輸入板、觸摸屏等等，語音第四階段：三維輸入設備（如空間球、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣），用戶的手勢、表情等等第五階段：用戶的思維山東科技大學信息學院山東科技大學信息學院山東科技大學信息學院發(fā)展歷程諸侯割據(jù)標準討論標準形成1.2.3圖形軟件發(fā)展及軟件標準的形成山東科技大學信息學院圖形軟件發(fā)展及軟件標準形成三種類型的計算機圖形軟件系統(tǒng)：

(1)用某種語言寫成的子程序包如:GKS(GraphicsKernelSystem)PHIGS(Programmer’sHerarchicalIuteractiveGraphicssystem)GL

便于移植和推廣、但執(zhí)行速度相對較慢，效率低

(2）擴充計算機語言，使其具有圖形生成和處理的功能如：TurboPascal、TurboC，AutoLisp等。簡練、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)開發(fā)量大，可移植性差。山東科技大學信息學院1.3計算機圖形學的應用1.3.1計算機輔助繪圖及設計1.3.2事務管理中的交互式繪圖1.3.3科學計算可視化1.3.4過程控制1.3.5計算機動畫及廣告1.3.6計算機藝術1.3.7地形地貌和自然資源的圖形顯示1.3.8辦公自動化及電子出版系統(tǒng)山東科技大學信息學院1.3.1計算機輔助繪圖及設計-CAD/CAM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山東科技大學信息學院奧迪效果圖和線框圖山東科技大學信息學院計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）基于工程圖紙的三維形體重建定義：從二維信息中提取三維信息，通過對這些信息進行分類、綜合等一系列處理，在三維空間中重新構造出二維信息所對應的三維形體，恢復形體的點、線、面及其拓撲關系，從而實現(xiàn)形體的重建優(yōu)勢：可以做裝配件的干涉檢查、以及有限元分析、仿真、加工等后續(xù)操作，代表CAD技術的發(fā)展方向山東科技大學信息學院工程圖及其三維重建結果1山東科技大學信息學院工程圖及其三維重建結果2山東科技大學信息學院1.3.3科學計算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、氣象分析當中山東科技大學信息學院在醫(yī)學領域，可視化有著廣闊的發(fā)展前途是機械手術和遠程手術的基礎將醫(yī)用CT掃描的數(shù)據(jù)轉化為三維圖象，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)漫游的圖象可視化的前沿與難點可視化硬件的研究實時的三維體繪制體內(nèi)組織的識別分割——Segmentation山東科技大學信息學院1.3.5計算機動畫及廣告計算機動畫娛樂多媒體山東科技大學信息學院計算機動畫

計算機動畫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 圖象變形形狀混合山東科技大學信息學院三維動畫關鍵幀動畫變形物體的動畫過程動畫關節(jié)動畫與人體動畫山東科技大學信息學院基于特征的圖象變形（貓變虎）山東科技大學信息學院娛樂●電腦游戲實時性逼實性蘊含了先進的圖形處理技術●電視廣告，節(jié)目片頭，科教演示（CAI）●

QuakeIII，“古墓麗影”，“侏羅紀公園”、“皇帝的新衣”、完美風暴………●MAYA,3D-MAX,SOFTIMAGE…山東科技大學信息學院多媒體在計算機控制下，對多種媒體信息進行生成、操作、表現(xiàn)、存儲、通信、或集成的信息系統(tǒng)，其中媒體至少應包括一種“連續(xù)媒體”及一種“離散媒體”計算機處理的常見媒體：文本、圖形、圖像、語音、音頻、視頻、動畫特點：媒體的多樣性、操作的交互性、系統(tǒng)的集成性CAI，教學娛樂。山東科技大學信息學院1.3.6計算機藝術

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）山東科技大學信息學院優(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、油畫效果的藝術品山東科技大學信息學院山東科技大學信息學院非真實感繪制（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山東科技大學信息學院GeorgesWinkenb1ach繪制的壺和碗(Siggraph’96)山東科技大學信息學院Salisbury繪制的茶壺(Siggraph’97)山東科技大學信息學院Salisbury繪制的熊(Siggraph’97)山東科技大學信息學院OliverDeussen繪制的素描樹(Siggraph’2000)山東科技大學信息學院野外自然景物的模擬野外場景遠遠復雜于室內(nèi)場景，繪制難度更大，方法更趨多樣化主要繪制山、水、云、樹、草、火等等繪制火的粒子系統(tǒng)（ParticleSystem），基于生理模型的繪制植物的方法，繪制云的細胞自動機方法等山東科技大學信息學院由清華大學自然景物平臺生成的野外場景山東科技大學信息學院日本YoshinoriDobashi等人繪制的真實感云山東科技大學信息學院Xfrog3.0生成的挪威云杉山東科技大學信息學院1.3.7地形地貌和自然資源的圖形顯示地理信息系統(tǒng)（GIS）山東科技大學信息學院地理信息系統(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，（70％）全球信息化.軍事，政府決策，旅游，資源調(diào)查。數(shù)字地球：1998年1月31日美國副總統(tǒng)戈爾在洛杉機加利福尼亞科學中心召開的地理信息系統(tǒng)年會上提出了這一設想。

山東科技大學信息學院1.4計算機圖形學的發(fā)展動向計算機圖形學是通過算法和程序在顯示設備上構造出圖形的一種技術。要在計算機屏幕上構造出三維物體的一幅圖象，必須在計算機中構造出該物體的模型，這一模型是由一批幾何數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)間的拓撲關系來表示的。為了使二維圖形具有立體感，或者盡可能逼真地顯示出該物體在現(xiàn)實世界中所觀察到的形象，就需要采用適當?shù)墓庹漳Ｐ?，盡可能準確地模擬物體在現(xiàn)實世界中受到各種光源照射時的效果，這些就是計算機圖形學中的畫面繪制技術。三維物體的造型過程、繪制過程等都需要在一個操作方便、易學易用的用戶界面下工作，這就是人機交互技術。山東科技大學信息學院1.4.1造型系統(tǒng)的發(fā)展1.4.2真實圖形生成技術的發(fā)展1.4.3人-機交互技術的發(fā)展1.4.4計算機輔助幾何設計的發(fā)展1.4.5圖形標準及其軟件的發(fā)展山東科技大學信息學院1.4.1造型系統(tǒng)的發(fā)展1.4.1.1規(guī)則形體造型規(guī)則形體是可以用歐氏幾何進行描述的形體。其造型手段可分為幾何造型技術，特征造型技術，物理造型技術三種。

山東科技大學信息學院幾何造型技術:構造幾何模型的理論、方法和技術稱為幾何造型技術特征造型技術:將特征作為產(chǎn)品描述的基本單元，并將產(chǎn)品描述成特征的集合，例如，它將一個機械產(chǎn)品用形狀特征，公差特征，技術特征三部分來表示，而形狀特征的實現(xiàn)又往往是建立在幾何造型的基礎之上。物理造型技術:山東科技大學信息學院1.4.1.2非規(guī)則形體造型非規(guī)則形體不能用歐氏幾何進行描述的形體，如云、煙、樹等。非規(guī)則形體的造型大多采用過程式模擬，即用一個簡單的模型及少量的易于調(diào)節(jié)的參數(shù)來表示一大類物體，不斷