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计算机图形第一讲1


计算机图形学
主讲: 卜华龙 E-mail: bhl@chu.edu.cn

巢湖学院计算机信息与工程学院

课程内容
? ? ? ? ? ? ? ? 概论 计算机图形设备 交互式技术 基本图形生成算法 几何造型技术 二维图形变换及二维观察 三维图形变换及三维观察 高级话题:曲线和曲面、真实感图形显示*

r /> 教学要求
? 了解图形系统的框架及其涉及的软件、硬件
技术; ? 了解图形学的基本问题,掌握图形学的基本 概念、方法与算法; ? 对与图形相关的应用及当前的研究热点有一

个初步认识;
? 具有一定实践体会和相关的编程能力。

主要参考书目:
? 蔡士杰等,计算机图形学(第二版),电子 工业出版社,2002。 ? 倪明田等,“计算机图形学”,北京大学出 版社,1999。 ? Donald Hearn, M. Pauline Baker ,―Computer Graphics (C Version)‖, Prentice Hall , 1997. 南京大学出版社。

课程考核方法
? 平时成绩10%:考勤、学习态度; ? 上机实验和作业30%; ? 期末笔试60%;

第一章 绪论

第一章 绪论
1、基本概念 2、发展历史

3、应用与研究前沿
4、研究内容简述 5、本章小结

第一章 绪论

第一章 绪论
提出问题
?什么是计算机图形学?

?计算机图形学研究的对象是什么?
?计算机图形处理系统的构造?

第一章 绪论

计算机图形学及其相关概念
定义:计算机图形学(Computer Graphics)是研
究怎样利用计算机来显示、生成和处理图形的原

理、方法和技术的一门学科。
IEEE 定 义 : Computer graphics is the art or

science of producing graphical images with the
aid of computer.

第一章 绪论

? 计算机图形学与传统理论关系 :
– 计算几何 – 计算数学 – 微分几何 – 形态学 – 混沌学 – 小波理论

学科交叉 界线模糊 相互渗透

第一章 绪论

? 计算机图形学的研究对象->图形:
通常意义上的图形--能够在人的视觉系统 中形成视觉印象的客观对象都称为图形,包 括自然景物、拍摄到的图片、用数学方法描 述的图形等等 计算机图形学上的图形--从客观世界物体中 抽象出来的带有颜色及形状信息的可见图形以 及不可见的数学/几何描述。

第一章 绪论

? 图形在计算机中的表示:
点阵法

是用具有颜色信息的点阵来(枚举) 表示图形的一种方法,它强调图形由哪些 点组成,并具有什 么灰度或色彩。
图像(Image)

第一章 绪论

参数法--是以计算机中所记录图形的形状参 数与属性参数来表示图形的一种方法。 ?形状参数(几何要素)--方程或分析表达 式的系数,线段的端点坐标等 ?属性参数(非几何要素)--颜色、材质、 线型等
图形(Graphics)
直线A的端点为(x1, y1), (x2, y2), 红色,实线,宽度2个象素

第一章 绪论

? 计算机图形学相关学科的比较:
计算机图形学--试图从非图像形式的图 形数据描述来生成(逼真的)图像。 图像模式识别--类似计算机图形学的逆 问题,从既有图像开始,将其变为抽象的 描述数据。

第一章 绪论

(数字)图像处理--旨在对图象进行各 种加工以改善图像的视觉效果:
图像取样、量化以产生数字图像,进行各种 图像变换; 去噪,压缩,特征增强

第一章 绪论

特征数据、结构数据 图形 计算机图 形学 模式识别 计算机视觉

图象

数字图象处理

第一章 绪论

第一章 绪论
1、基本概念 2、发展历史

3、应用与研究前沿
4、研究内容简述 5、本章小结

第一章 绪论

发展历史
?历史追溯 ?硬件发展 图形显示器的发展 图形输入设备的发展 ?图形软件及软件标准的发展

第一章 绪论

历史追溯
? 二十世纪50年代(酝酿期)
– 1950年,第一台CRT,美国麻省理工学院 (MIT)旋风I号(Whirlwind I)计算机的显示 设备. – 1958年,美国Calcomp公司由联机的数字记录 仪发展成滚筒式绘图仪,GerBer公司把数控机 床发展成为平板式绘图仪 – 50年代末期美国战术防空系统SAGE,CRT显 控台,可交互。

第一章 绪论

? 60年代(萌芽期)
– 1962年,MIT林肯实验室的I. E. Sutherland发表了一篇 题为“Sketchpad:一个人--机交互通信的图形系统” 的博士论文 ? 确定了交互图形学作为一个学科分支(提出基本交 互技术、图元分层表示概念及数据结构…)。 – 1962年,雷诺汽车公司的工程师Pierre Bézier 提出 Bézier曲线、曲面的理论 – 1964年MIT的教授S. A. Coons提出了超限插值的新思 想,通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。

第一章 绪论

? 70年代(发展期)
– 光栅图形学
? 区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其相应 算法纷纷诞生

– 图形软件标准化
? ACM成立图形标准化委员会,制定“核心图形系统” (Core Graphics System) ? ISO发布CGI、CGM、GKS-3D、PHIGS等 ? 工业界事实上的标准OpenGL,DirectX,Postscript

第一章 绪论

– 真实感图形学
? 1970年,Bouknight提出了第一个光反射模型 ? 1971年Gourand提出“漫反射模型+插值”的思想, 被称为Gourand明暗处理 ? 1975年,Phong提出了著名的简单光照模型- Phong 模型

– 实体造型技术
? 英国剑桥大学CAD小组的Build系统 ? 美国罗彻斯特大学的PADL-1系统

第一章 绪论

? 80年代(普及期)
– 1980年Whitted提出了一个光透视模型-Whitted 模型,并第一次给出光线跟踪算法的范例,实 现Whitted模型 –1984年,美国Cornell大学和日本广岛大学的 学者分别将热辐射工程中的辐射度方法引入到 计算机图形学中 –图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展, 出现了带有图形显示器的个人PC和工作站。

第一章 绪论

? 90年代(深入发展)
– 微机和软件系统的普及使得图形学的应用领域 日益广泛。 –标准化、集成化、智能化 – 多媒体技术、人工智能、科学计算可视化、虚 拟现实 – 三维造型技术

第一章 绪论

硬件发展
? 图形显示器的发展

? 60年代中期:画线显示器(亦称矢量显示 器)需要刷新。设备昂贵,限制普及 ? 60年代后期:存储管式显示器,不需刷新, 价格较低,缺点是不具有动态修改图形功 能,不适合交互式。

第一章 绪论

? 70年代初,刷新式光栅扫描显示器出现, 大大地推动了交互式图形技术的发展。 ? 特点:以点阵形式表示图形,使用专用的 缓冲区存放点阵,由视频控制器负责刷新 扫描。

第一章 绪论

画线显示器(矢量显示器/随机扫描显示器)

存储管式显示器

刷新式光栅扫描显示器

第一章 绪论

硬件发展
图形输入设备的发展
– 第一阶段:控制开关、穿孔纸等等 – 第二阶段:键盘 – 第三阶段:二维定位设备,如鼠标、光笔、 图形输入板、触摸屏等等,语音

– 第四阶段:三维输入设备(如空间球、数据 手套、数据衣),用户的手势、表情等等
– 未来发展:用户的思维

第一章 绪论

第一章 绪论

第一章 绪论

图形软件发展及软件标准形成
三种类型的计算机图形软件系统发展:
(1)用某种语言写成的子程序包,如:
GKS (Graphics Kernel System) PHIGS(Programmer’s Herarchical Graphics system ) GL,OpenGL,DirectX Interactive

特点:平台适应性较好,便于移植和推广; 但执行速度相对较慢(事实工业标准得到硬件支 持,基本上不存在这个问题);使用不方便。

第一章 绪论

图形软件发展及软件标准形成

(2)扩充计算机语言,使其具有图形生成和处理的功能, 如:
Turbo Pascal、Turbo C,AutoLisp等。

特点:简练、紧凑、执行速度快,但可移植性差。
(3)专用图形系统,如: AUTOCAD、3DS MAX 特点:效率高,但系统开发量大,可移植性差。

第一章 绪论

图形软件发展及软件标准形成
发展历程
诸侯割据 标准讨论 标准形成

第一章 绪论

第一章 绪论
1、基本概念 2、发展历史

3、应用与研究前沿
4、研究内容简述 5、本章小结

第一章 绪论

图形用户界面
? 介于人与计算机之间,人与机器的通信,人机 界面(HCI):软件+硬件 ? 发展:由指示灯和机械开关组成的操纵界面→ 由终端和键盘组成的字符界面(80年代)→由 多种输入设备和光栅图形显示设备构成的图形 用户界面(GUI)(90年代):PC,工作站, WIMP(W-windows 、 I-icons 、 M-menu 、 Ppointing devices)界面,所见即所得→VR技术 (发展方向)

第一章 绪论

计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)
-CAD/CAM是计算机图形学在工业界最广泛、 最活跃的应用领域
? ? ? ? 飞机、汽车、船舶的外形的设计 发电厂、化工厂等的布局 土木工程、建筑物的设计 电子线路、电子器件的设计

? 设计结果直接送至后续工艺进行加工处理,如波 音777飞机的设计和加工过程;我国战斗机FC-1 的设计也采用了这种方法。

第一章 绪论

奥迪效果图和线框图

第一章 绪论

计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)
– 基于工程图纸的三维形体重建
? 定义:从二维信息中提取三维信息,通过对这些信 息进行分类、综合等一系列处理,在三维空间中重 新构造出二维信息所对应的三维形体,恢复形体的 点、线、面及其拓扑关系,从而实现形体的重建 ? 优势:可以做装配件的干涉检查、以及有限元分析、 仿真、加工等后续操作,代表CAD技术的发展方向

第一章 绪论

工程图及其三维重建结果1

第一章 绪论

工程图及其三维重建结果2

第一章 绪论

可视化
? 科学计算可视化(Scientific Visualization)
– 海量的数据使得人们对数据的分析和处理变得 越来越难,用图形来表示数据的迫切性与日俱 增 – 1986年,美国科学基金会(NSF)专门召开了 一次研讨会,会上提出了“科学计算可视化 (Visualization in Scientific Computing)” – 科学计算可视化广泛应用于医学、流体力学、 有限元分析、气象分析当中

第一章 绪论

? 在医学领域,可视化有着广阔的发展前途
? 是机械手术和远程手术的基础 ? 将医用CT扫描的数据转化为三维图象,帮助医生判别 病人体内的患处 ? 由CT数据产生在人体内漫游的图象

? 可视化的前沿与难点
? 可视化硬件的研究 ? 实时的三维体绘制 ? 体内组织的识别分割——Segmentation

第一章 绪论

真实感图形实时绘制与自然景物仿真
– 计算机中重现真实世界的场景叫做真实感绘制 – 真实感绘制的主要任务是模拟真实物体的物理 属性,简单的说就是物体的形状,光学性质, 表面的纹理和粗糙程度,以及物体间的相对位 置,遮挡关系等等

第一章 绪论

真实感图形实时绘制与自然景物仿真
– 光照模型
? 简单光照模型 ? 局部光照模型 ? 整体光照模型

– 绘制方法
? 光线跟踪 ? 辐射度

– 加速算法
? 包围体树、自适应八叉树等等

第一章 绪论

地理信息系统(GIS)
? 基于位置相关的地理图形的关于各种资源的综合 信息系统 ? 军事国防,决策支持,旅游,资源调查等。 ? 数字地球,地形和地理数据作为载体的全球信息 化.

第一章 绪论

地理信息系统(GIS)
数字地球: 1998年1月,美国副总统戈尔在美国地理 信息系统年会上提出了这一设想。 在数字地球技术的支持下。“一个小孩” 可以虚拟的、同时又是“真实的”对全球感兴 趣区域、感兴趣信息的进行发现和漫游。

第一章 绪论

虚拟现实(Virtual Reality简称VR)
虚拟现实是用计算机技术来生成一个逼真的 三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界,让用 户可以从自己的视点出发,利用自然的技能和某 些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交 互考察。
特点: 三维真实的虚拟场景 自然的交换方式

第一章 绪论

QuickTime技术
苹果公司开发的新一代虚拟现实技术。它是 一种基于静态图像处理的,在微机平台上能够实 现的初级虚拟现实技术。它的出现使得以往专业 实验室中成本昂贵的虚拟现实技术的应用普及有 了广阔的前景。 假定我们在一室空间进行观察,室内空间一 般有六个面,如果我们获取了这六个面的许多不 同距离,不同方位的实景照片并将它们按照相互 的关系有机连接起来,就可以在视觉上形成这个 房间整个空间的整体认识,这就是全景概念。

第一章 绪论

多媒体与娱乐
●电脑游戏
– 实时性 – 逼实性 – 蕴含了先进的图形处理技术

●电视广告,节目片头,科教演示(CAI)
●Quake III,“古墓丽影”,“侏罗纪公园”、
“皇帝的新衣”、完美风暴………

●CAI.

第一章 绪论

当前研究热点
真实感图形实时绘制
物体网格模型的面片简化:对网格面片表示的 模型,在一定误差的精度范围内,删除对结 果图像贡献小的点、边、面,从而简化所绘 制场景的复杂层度,加快图形绘制速度; 基于图象的绘制(IBR,Image Based Rendering):不先建立几何模型;它直接从 一系列已知的图象中生成未知视角的图象, 适用于野外极其复杂场景的生成漫游

第一章 绪论

野外自然景物的模拟
野外场景远远复杂于室内场景,绘制难度 更大,方法更趋多样化 主要绘制山、水、云、树、草、火等等 绘制火的粒子系统(Particle System), 基于生理模型的绘制植物的方法,绘制云 的细胞自动机方法等

第一章 绪论

由清华大学自然景物平台生成的野外场景

第一章 绪论

日本Yoshinori Dobashi等人绘制的真实感云

第一章 绪论

Xfrog3.0生成的 挪威云杉

第一章 绪论

非真实感绘制(NPR,Non-Photorealistic Rendering) 用于模拟艺术效果,研究方法有别于真实感图形 学 钢笔素描的生成
? 钢笔素描产生于中世纪,从19世纪开始成为一门艺 术20世纪90年代开始研究用计算机模拟

中国国画与书法的生成

第一章 绪论

Georges Winkenb1ach绘制的壶和碗 (Siggraph’96)

第一章 绪论

Salisbury绘制的茶壶(Siggraph’97)

第一章 绪论

Salisbury绘制的熊(Siggraph’97)

第一章 绪论

Oliver Deussen绘制的素描树 (Siggraph’2000)

第一章 绪论

与计算机网络技术的紧密结合研究
– 远程医疗与诊断 – 远程导航与维修 – 远程教育

第一章 绪论

计算机动画
– 计算机动画近十多年来取得了很大的发展,已 渗透到人们生活的各个角落
? 商业、影视特技、娱乐、教育、军事、飞行模拟。

– 分类
? 二维动画(图像变形,形状混合) ? 三维动画:
– – – – 关键帧动画 变形物体的动画 过程动画 关节动画与人体动画

第一章 绪论

基于特征的图象变形(猫变虎)

第一章 绪论

我国第一部利用计算机辅助摄制的动画片是《咪 咪钓鱼》,1991年由北方工业大学和北京电视台 合作制作,以二维动画为主。用386微机和C语言 编程,利用数字化仪和摄象机产生关键帧,再由 计算机在相邻两幅关键帧之间内插生成中间帧, 并自动跟踪上色。多层画面叠加在一起,形成完 整的画面。10分钟的片子,5人小组花了10个月时 间。

第一章 绪论

人机界面(HCI)
– 用户接口界面是人们使用计算机的第一观感。 一个友好的图形化的用户界面能够大大提高软 件的易用性 – 图形学已经全面融入计算机的方方面面,很多 软件几乎可以不看任何说明书,而根据它的图 形、或动画界面的指示进行操作

第一章 绪论

– 目前几个大的软件公司都在研究下一代用户界 面,开发面向主流应用的、自然、高效多通道 的用户界面。研究多通道语义模型、多通道整 合算法及其软件结构和界面范式是当前用户界 面和接口方面研究的主流方向,而图形学在其 中起主导作用。

第一章 绪论

计算机艺术
– 用计算机软件从事艺术创作
? 二维平面的画笔程序(如CorelDraw,Photoshop, PaintShop)

? 图表绘制软件(如Visio)
? 三维建模和渲染软件包(如3DMAX,Maya)、以 及一些专门生成动画的软件(如Alias,Softimage)

第一章 绪论

第一章 绪论

? 优点: –提供多种风格的画笔画刷 –提供多种多样的纹理贴图,甚至能对图象 进行雾化,变形等操作 –可以任意修改,取消败笔 ? 不足: –无法达到传统绘画中风格化的 艺术效果 –很难得到有素描效果、油画效果的艺术品

第一章 绪论

第一章 绪论
1、基本概念 2、发展历史

3、应用与研究前沿
4、研究内容简述 5、本章小结

第一章 绪论

计算机图形学的研究内容 ? 在计算机中表示图形、以及利用计算 机进行图形的计算、处理和显示的相 关原理与算法。
– 图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图
形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实 感图形计算与显示算法,以及科学计算可视化、 计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。

本章小结
? 1、基本概念:图形图像、其表示方法、计 算机图形学与其他学科之间的关系等。 ? 2、发展历史以及相关的图形标准 ? 3、计算机图形学的应用领域、各个领域的 研究前沿。

第一章 绪论

课后作业
1.名词解释:图形、点阵法、参数法 2.图形包括哪两方面的要素,在计算机中 如何表示它们? 3.阐述计算机图形学、数字图象处理和计 算机视觉学科间的关系。 4.试列举出几种图形学的软件标准?

第一章 绪论

5. 试发挥你的想象力,举例说明计算机图形学有哪 些应用范围,解决的问题是什么? 6. 试说明你认为计算机图形学将来的发展方向,并 进行设计和分析。

The End


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