计算机图形学简介2.

计算机图形学吴伟计算机学院E-mail:[e-mail]2图形学的产生与发展•计算机图形学影响着每一个使用计算机的人–以视窗操作系统(Windows)为典型代表的图形用户界面(GUI)使得每一个普通用户都可以容易地学会使用计算机。•恰如使得计算机及其应用打破时空限制而遍及世界每一个角落。•图形学的应用标志着计算机软、硬件技术的发展水平–计算机软、硬件技术的不断发展极大地推动了计算机图形学的应用和研究。•计算机图形学的诞生为计算机技术与各种应用领域架设了一座“桥梁”，从而拓展了计算机的应用范围。●图形学的历史◘发展简史◘图形学诞生◘显示技术◘光栅显示◘三维显示◘计算技术◘交互与应用◘图形标准●图形学的应用●图形学的发展3图形学的发展简史CharacterDisplays(1960's-now)VectorDisplays(1963-1980's)2DbitmaprasterdisplaysforPCsandworkstations(1972-now)3Dgraphicsworkstations(1986-now)ChipsarekeyingraphicssubsystemsClassicaltime-sharingisdeadNewformsofcomputing(1990's-)输入技术：走出实验室的廉价交互设备☆使2D和3D图形不再“专用”；☆3D(甚至包括时间维的4D)图形显示技术进化新的计算形式(1990's-)☆多媒体：文本及图形与音频和视频的综合☆超媒体：具有链接的多媒体☆DigitalConvergence：数字电视与分布计算的融合。如交互电视,、视频点播☆信息高速公路：Infobahn☆嵌入计算和PDA☆网格计算☆云计算☆物联网年代技术内容1970年代1980年代1990年代2000年代1960年代●图形学的历史◘发展简史◘图形学诞生◘显示技术◘光栅显示◘三维显示◘计算技术◘交互与应用◘图形标准●图形学的应用●图形学的发展4图形学诞生•交互式图形显示技术诞生–1950年代中期，由麻省理工学院林肯实验室主持研制的战术防空系统SAGE标志了交互式图形显示技术的诞生。•系统中包含了各地区的地理、地形信息，并能将雷达信号转换为图形在显示器上显示出来。指挥员可以通过光笔与系统交互，获取某地区更详细的信息或发出命令。•交互式图形系统诞生–1963年，美国麻省理工学院的IvanSutherland研制出了SKETCHPAD系统，由此产生了第一台光笔交互式阴极射线管显示器。•利用该系统可以用光笔在图形显示器上实现拾取、定位等交互功能，系统还能跟踪光笔在相邻的点之间画直线或者以此直线段为半径画圆。–在这个系统中，IvanSutherland引入了图元的层次表示概念和数据结构。事实上，这些方法一直被延用至今。因此，IvanSutherland被公认为开创交互式图形技术的奠基人，并于1988年获“图灵奖”。●图形学的历史◘发展简史◘图形学诞生◘显示技术◘光栅显示◘三维显示◘计算技术◘交互与应用◘图形标准●图形学的应用●图形学的发展5显示技术进化•CharacterDisplays(1960's-now)–display:textplusalphamosaicpseudo-graphics–objectandcommandspecification:commandlinetyping–controloverappearance:codingfortextformatting–applicationcontrol:singletask•VectorDisplays(1963-1980's)–display:linedrawingsandstroketext–objectandcommandspecification:•commandlinetyping,functionkeys,menus–controloverappearance:•pseudoWYSIWYG(WhatYouSeeIsWhatYouGet)–applicationcontrol:singleormultitasked,host-satellitedistributedcomputing●图形学的历史◘发展简史◘图形学诞生◘显示技术◘光栅显示◘三维显示◘计算技术◘交互与应用◘图形标准●图形学的应用●图形学的发展6显示技术进化•2Dbitmaprasterdisplays(1972-now)–display:windows:icons,legibletextandflatearthgraphics–objectandcommandspecification:•minimaltypingviaWIMP(Windows,Icons,Menus,Pointing)、•GUI(GraphicalUser-Interface):–point-and-clickselectionofmenuitemsandobjects,widgetsanddirectmanipulation(e.g.draganddrop)–controloverappearance:•WYSIWYG(andWYSIAYG)–applicationcontrol:•multi-tasking,networkedC/Scomputationandwindowmanagement(evenXterminals)●图形学的历史◘发展简史◘图形学诞生◘显示技术◘光栅显示◘三维显示◘计算技术◘交互与应用◘图形标准●图形学的应用●图形学的发展7•3Dgraphicsworkstations(1986-now)–display:•real-time,pseudo-realisticimagesof3Dscenes–objectandcommandspecification:•2D,3DandnDinputdevicesforpoint-and-click,widgets,directmanipulation–controloverappearance:•WYSIWYG(andWYSIAYG)–applicationcontrol:•multi-tasking,•networked(client/server)computationandwindowmanagement•Chipsarekeyingraphicssubsystems显示技术进化●图形学的历史◘发展简史◘图形学诞生◘显示技术◘光栅显示◘三维显示◘计算技术◘交互与应用◘图形标准●图形学的应用●图形学的发展8•Classicaltime-sharingisdead–PCsandWorkstationsmergingindistributedheterogenouscomputernetworks;1:n→n:1•Newformsofcomputing(1990's-)–multimedia:textandgraphicssynchronizedwithsound,video–hypermedia:multimediawithlinks–DigitalConvergence:mergingofdigitaltelevisionanddistributedcomputing,•consumerelectronics:set-topcomputers(e.g.,forInteractiveTV,Video-On-Demand),telecomputers–TheInformationSuperhighway/Infobahn–embeddedcomputing(PDA's)–ubiquitouscomputing计算技术进化●图形学的历史◘发展简史◘图形学诞生◘显示技术◘光栅显示◘三维显示◘计算技术◘交互与应用◘图形标准●图形学的应用●图形学的发展9•Inputtechnology:inexpensiveinteractiondevicesfromresearchlabintomarketplace–makes2Dand3Dgraphicsnolonger“special”–kidsusingcomputergraphicswithNintendoDataGlove,soonSegaVRgamewithHMDandinputdevices–3D(eventime-varying,4D)illustrationsasclipart/clipmodels•ApplicationDistinctions–2D-Paintpixelsvs.Draw(andmanipulate)objects:–Model/View/Controllerframework–3D-objectmodelingvs.imagesynthesis(rendering)交互与应用技术进化●图形学的历史◘发展简史◘图形学诞生◘显示技术◘光栅显示◘三维显示◘计算技术◘交互与应用◘图形标准●图形学的应用●图形学的发展10图形标准•第一次图形标准会议：–1974年，美国计算机协会图形学专业委员会(ACMSIGGRAPH)召开的一个主题为“与机器无关的图形技术”工作会议。–该委员会于1979年提出了3DCORE图形软件标准。•第一个图形标准：–经国际标准组织ISO和美国国家标准局ANSI批准的第一个二维图形软件包图形标准是图形核心系统GKS(GraphicalKernalSystem)。–它的三维扩充GKS-3D在1988年被批准为三维图形软件标准。•第二个图形标准：–ISO组织批准的第二个图形软件标准是“程序员层次式交互图形系统”PHIGS(Programmer’sHierarchicalInteractiveGraphicsSystem)，它支持三维图形的层次嵌套结构，一个图形结构都可以成为更复杂图形对象的组成部分。此后，PHIGS又扩充为PHIGS+。•事实标准(adhocStandard)：–在工业界被广泛应用的标准。如：SGI等公司的OpenGL；微软公司的DirectX；X财团的X-Window；Adobe公司的Postscript等。●图形学的历史◘发展简史◘图形学诞生◘显示技术◘光栅显示◘三维显示◘计算技术◘交互与应用◘图形标准●图形学的应用●图形学的发展11•计算机图形学应用源于艺术、科学、工程技术、音乐、电影制作等领域；随着计算机软、硬件性能的日趋提高和成本的逐步下降，它也反过来被广泛应用于这些领域。•实际上，计算机图形学及其应用已经渗透到科研、工程、商业、艺术等社会生活和工业生产的几乎一切领域，并与这些领域自身发展相互推动和促进，图形学的应用举例●图形学的历史●图形学的应用◘辅助设计◘计算可视化◘商业可视化◘信息可视化◘GIS系统◘教学培训◘计算机艺术◘计算机动画◘多媒体系统◘用户接口◘虚拟现实●图形学的发展12•简称为CAD的计算机辅助设计方法现已频繁地应用于大楼、汽车、飞机、轮船、宇宙飞船、计算机、纺织品和许许多多其它产品的设计中。–计算机图形学的主要应用是在设计方面尤其是工程和建筑系统，现在几乎所有的产品都由计算机来设计。–线框图可让设计者较快地对产品外形进行交互设计。–为设计者提供多窗口环境，不同的显示窗口展示放大的部分或物体的不同视图。–线框式实时动画。–立体光照效果和真实感曲面绘制技术生成产品广告图片。–建筑设计师使用交互式图形技术进行平面布局。计算机辅助设计工程图纸产品效果图建筑物设计布局●图形学的历史●图形学的应用◘辅助设计◘计算可视化◘商业可视化◘信息可视化◘GIS系统◘教学培训◘计算机艺术◘计算机动画◘多媒体系统◘用户接口◘虚拟现实●图形学的发展13•科学计算可视化–数学图形函数的图形；–分形图形、拓扑结构图形、CT数据可视化；–气象卫星数据的天气变化趋势图；–彩色编码、等值线、图表；曲面绘制、体视化。可视化技术流场的可视化体视化技术气象卫星云图可视化结构可视化结构原始数据原始数据数据表数据表数据视图数据视图数据变换可视化映射视图变换数