計(jì)算機(jī)圖形學(xué)緒論

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)山東科技大學(xué)圖象工程研究所虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室山東科技大學(xué)信息學(xué)院教學(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。山東科技大學(xué)信息學(xué)院教材或參考書(shū)：教材孫家廣：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(第三版），清華大學(xué)出版社，2002。孫家廣，胡事民：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)教程。清華大學(xué)出版社，2005唐澤圣：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)，清華大學(xué)出版社，1998。唐榮錫、汪嘉業(yè)：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教程。科學(xué)出版社，2002主要參考書(shū)：倪明田等，“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”，北京大學(xué)出版社，1999。DonaldHearn,M.PaulineBaker,“ComputerGraphics(CVersion)”,PrenticeHall,1997.常明、朱林。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)。華中科技大學(xué)出版社‘2001山東科技大學(xué)信息學(xué)院第一章緒論

1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖象處理1.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史1.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用1.4計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展動(dòng)向山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖象處理1.1.1圖形與圖象1.1.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖象處理的聯(lián)系與區(qū)別（見(jiàn)圖1-1）山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.1.1圖形與圖象定義：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(mén)學(xué)科。山東科技大學(xué)信息學(xué)院

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容如何在計(jì)算機(jī)中表示圖形、以及利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形的計(jì)算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法，構(gòu)成了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容。

圖形硬件、圖形標(biāo)準(zhǔn)、圖形交互技術(shù)、光柵圖形生成算法、曲線(xiàn)曲面造型、實(shí)體造型、真實(shí)感圖形計(jì)算與顯示算法，以及科學(xué)計(jì)算可視化、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等。山東科技大學(xué)信息學(xué)院圖象處理的研究?jī)?nèi)容研究如何對(duì)一幅連續(xù)圖像取樣、量化以產(chǎn)生數(shù)字圖像，如何對(duì)數(shù)字圖像做各種變換以方便處理，如何濾去圖像中的無(wú)用噪聲，如何壓縮圖像數(shù)據(jù)以便存儲(chǔ)和傳輸，圖像邊緣提取，特征增強(qiáng)和提取。1.1.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖象處理的聯(lián)系與區(qū)別(圖1-1)山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)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(shè)備的發(fā)展1.2.3圖形軟件及軟件標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.2.1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公司由聯(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空中防御體系山東科技大學(xué)信息學(xué)院60年代1962年，MIT林肯實(shí)驗(yàn)室的I.E.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)…)。1962年，雷諾汽車(chē)公司的工程師PierreBézier提出Bézier曲線(xiàn)、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(guò)插值四條任意的邊界曲線(xiàn)來(lái)構(gòu)造曲面。山東科技大學(xué)信息學(xué)院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“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山東科技大學(xué)信息學(xué)院真實(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(chēng)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)山東科技大學(xué)信息學(xué)院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(xiàn)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)展山東科技大學(xué)信息學(xué)院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)山東科技大學(xué)信息學(xué)院ACMSIGGRAPH會(huì)議小知識(shí)全稱(chēng)“theSpecialInterestGrouponComputerGraphicsandInteractiveTechniques”60年代中期，由Brown大學(xué)的教授AndriesvanDam(Andy)和IBM公司的SamMatsa發(fā)起1974年，在Colorado大學(xué)召開(kāi)了第一屆SIGGRAPH年會(huì)，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(xué)信息學(xué)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)中關(guān)鍵的設(shè)備

60年代中期：畫(huà)線(xiàn)顯示器（亦稱(chēng)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。山東科技大學(xué)信息學(xué)院70年代初，刷新式光柵掃描顯示器出現(xiàn)，大大地推動(dòng)了交互式圖形技術(shù)的發(fā)展。以點(diǎn)陣形式表示圖形，使用專(zhuān)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。山東科技大學(xué)信息學(xué)院

圖形顯示設(shè)備的發(fā)展：畫(huà)線(xiàn)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山東科技大學(xué)信息學(xué)院圖形輸入設(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(pán)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(hù)的手勢(shì)、表情等等第五階段：用戶(hù)的思維山東科技大學(xué)信息學(xué)院山東科技大學(xué)信息學(xué)院山東科技大學(xué)信息學(xué)院發(fā)展歷程諸侯割據(jù)標(biāo)準(zhǔn)討論標(biāo)準(zhǔn)形成1.2.3圖形軟件發(fā)展及軟件標(biāo)準(zhǔn)的形成山東科技大學(xué)信息學(xué)院圖形軟件發(fā)展及軟件標(biāo)準(zhǔn)形成三種類(lèi)型的計(jì)算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)：

(1)用某種語(yǔ)言寫(xiě)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(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，但可移植性差（3）專(zhuān)用圖形系統(tǒng)：效率高，但系統(tǒng)開(kāi)發(fā)量大，可移植性差。山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用1.3.1計(jì)算機(jī)輔助繪圖及設(shè)計(jì)1.3.2事務(wù)管理中的交互式繪圖1.3.3科學(xué)計(jì)算可視化1.3.4過(guò)程控制1.3.5計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)及廣告1.3.6計(jì)算機(jī)藝術(shù)1.3.7地形地貌和自然資源的圖形顯示1.3.8辦公自動(dòng)化及電子出版系統(tǒng)山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.3.1計(jì)算機(jī)輔助繪圖及設(shè)計(jì)-CAD/CAM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(chē)、船舶的外形的設(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(xiàn)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)程山東科技大學(xué)信息學(xué)院奧迪效果圖和線(xiàn)框圖山東科技大學(xué)信息學(xué)院計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(guò)對(duì)這些信息進(jìn)行分類(lèi)、綜合等一系列處理，在三維空間中重新構(gòu)造出二維信息所對(duì)應(yīng)的三維形體，恢復(fù)形體的點(diǎn)、線(xiàn)、面及其拓?fù)潢P(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)形體的重建優(yōu)勢(shì)：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(shù)的發(fā)展方向山東科技大學(xué)信息學(xué)院工程圖及其三維重建結(jié)果1山東科技大學(xué)信息學(xué)院工程圖及其三維重建結(jié)果2山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.3.3科學(xué)計(jì)算可視化科學(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(zhuān)門(mén)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)中山東科技大學(xué)信息學(xué)院在醫(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(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)別分割——Segmentation山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.3.5計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)及廣告計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)娛樂(lè)多媒體山東科技大學(xué)信息學(xué)院計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)

計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)近十多年來(lái)取得了很大的發(fā)展，已滲透到人們生活的各個(gè)角落商業(yè)廣告、影視特技/片頭、動(dòng)畫(huà)片教育、軍事、飛行模擬等分類(lèi)二維動(dòng)畫(huà) 圖象變形形狀混合山東科技大學(xué)信息學(xué)院三維動(dòng)畫(huà)關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)變形物體的動(dòng)畫(huà)過(guò)程動(dòng)畫(huà)關(guān)節(jié)動(dòng)畫(huà)與人體動(dòng)畫(huà)山東科技大學(xué)信息學(xué)院基于特征的圖象變形（貓變虎）山東科技大學(xué)信息學(xué)院娛樂(lè)●電腦游戲?qū)崟r(shí)性逼實(shí)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（CAI）●

QuakeIII，“古墓麗影”，“侏羅紀(jì)公園”、“皇帝的新衣”、完美風(fēng)暴………●MAYA,3D-MAX,SOFTIMAGE…山東科技大學(xué)信息學(xué)院多媒體在計(jì)算機(jī)控制下，對(duì)多種媒體信息進(jìn)行生成、操作、表現(xiàn)、存儲(chǔ)、通信、或集成的信息系統(tǒng)，其中媒體至少應(yīng)包括一種“連續(xù)媒體”及一種“離散媒體”計(jì)算機(jī)處理的常見(jiàn)媒體：文本、圖形、圖像、語(yǔ)音、音頻、視頻、動(dòng)畫(huà)特點(diǎn)：媒體的多樣性、操作的交互性、系統(tǒng)的集成性CAI，教學(xué)娛樂(lè)。山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.3.6計(jì)算機(jī)藝術(shù)

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(huà)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(zhuān)門(mén)生成動(dòng)畫(huà)的軟件（如Alias，Softimage）山東科技大學(xué)信息學(xué)院優(yōu)點(diǎn)：提供多種風(fēng)格的畫(huà)筆畫(huà)刷提供多種多樣的紋理貼圖，甚至能對(duì)圖象進(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(huà)中風(fēng)格化的藝術(shù)效果很難得到有素描效果、油畫(huà)效果的藝術(shù)品山東科技大學(xué)信息學(xué)院山東科技大學(xué)信息學(xué)院非真實(shí)感繪制（NPR，Non-PhotorealisticRendering）用于模擬藝術(shù)效果，研究方法有別于真實(shí)感圖形學(xué)鋼筆素描的生成鋼筆素描產(chǎn)生于中世紀(jì)，從19世紀(jì)開(kāi)始成為一門(mén)藝術(shù)20世紀(jì)90年代開(kāi)始研究用計(jì)算機(jī)模擬中國(guó)國(guó)畫(huà)與書(shū)法的生成山東科技大學(xué)信息學(xué)院GeorgesWinkenb1ach繪制的壺和碗(Siggraph’96)山東科技大學(xué)信息學(xué)院Salisbury繪制的茶壺(Siggraph’97)山東科技大學(xué)信息學(xué)院Salisbury繪制的熊(Siggraph’97)山東科技大學(xué)信息學(xué)院OliverDeussen繪制的素描樹(shù)(Siggraph’2000)山東科技大學(xué)信息學(xué)院野外自然景物的模擬野外場(chǎng)景遠(yuǎn)遠(yuǎn)復(fù)雜于室內(nèi)場(chǎng)景，繪制難度更大，方法更趨多樣化主要繪制山、水、云、樹(shù)、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(xì)胞自動(dòng)機(jī)方法等山東科技大學(xué)信息學(xué)院由清華大學(xué)自然景物平臺(tái)生成的野外場(chǎng)景山東科技大學(xué)信息學(xué)院日本YoshinoriDobashi等人繪制的真實(shí)感云山東科技大學(xué)信息學(xué)院Xfrog3.0生成的挪威云杉山東科技大學(xué)信息學(xué)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(xué)信息學(xué)院地理信息系統(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，（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(guó)副總統(tǒng)戈?duì)栐诼迳紮C(jī)加利福尼亞科學(xué)中心召開(kāi)的地理信息系統(tǒng)年會(huì)上提出了這一設(shè)想。

山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.4計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展動(dòng)向計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是通過(guò)算法和程序在顯示設(shè)備上構(gòu)造出圖形的一種技術(shù)。要在計(jì)算機(jī)屏幕上構(gòu)造出三維物體的一幅圖象，必須在計(jì)算機(jī)中構(gòu)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?fù)潢P(guān)系來(lái)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(shí)世界中所觀察到的形象，就需要采用適當(dāng)?shù)墓庹漳Ｐ?，盡可能準(zhǔn)確地模擬物體在現(xiàn)實(shí)世界中受到各種光源照射時(shí)的效果，這些就是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的畫(huà)面繪制技術(shù)。三維物體的造型過(guò)程、繪制過(guò)程等都需要在一個(gè)操作方便、易學(xué)易用的用戶(hù)界面下工作，這就是人機(jī)交互技術(shù)。山東科技大學(xué)信息學(xué)院1.4.1造型系統(tǒng)的發(fā)展1.4.2真實(shí)圖形生成技術(shù)的發(fā)展1.4.3人-機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展1.4.4計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)的發(fā)展1.4.5圖形標(biāo)準(zhǔn)及其軟件的發(fā)展山東科技大學(xué)信息學(xué)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(jìn)行描述的形體。其造型手段可分為幾何造型技術(shù)，特征造型技術(shù)，物理造型技術(shù)三種。

山東科技大學(xué)信息學(xué)院幾何造型技術(shù):構(gòu)造幾何模型的理論、方法和技術(shù)稱(chēng)為幾何造型技術(shù)特征造型技術(shù):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(gè)機(jī)械產(chǎn)品用形狀特征，公差特征，技術(shù)特征三部分來(lái)表示，而形狀特征的實(shí)現(xiàn)又往往是建立在幾何造型的基礎(chǔ)之上。物理造型技術(shù):山東科技大學(xué)信息學(xué)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(jìn)行描述的形體，如云、煙、樹(shù)等。非規(guī)則形體的造型大多采用過(guò)程式模擬，即用一個(gè)簡(jiǎn)單的模型及少量的易于調(diào)節(jié)的參數(shù)來(lái)表示一大類(lèi)物體，不斷