计算机图形学

计算机图形学主讲：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*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。•DonaldHearn,M.PaulineBaker,“ComputerGraphics(CVersion)”,PrenticeHall,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（ComputerGraphics）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：Computergraphicsistheartorscienceofproducinggraphicalimageswiththeaidofcomputer.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。图形（Graphics）•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图形第一章绪论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•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（WhirlwindI）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。历史追溯第一章绪论•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PierreBézier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”（CoreGraphicsSystem）•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、穿孔纸等等第一章绪论–第二阶段：键盘–未来发展：用户的思维–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(GraphicsKernelSystem)PHIGS(Programmer’sHerarchicalInteractiveGraphicssystem)GL，OpenGL，DirectX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（2）扩充计算机语言，使其具有图形生成和处理的功能，如：TurboPascal、TurboC，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、3DSMAX特点：效率高，但系统开发量大，可移植性差。图形软件发展及软件标准形成第一章绪论发展历程诸侯割据标准讨论标准形成图形软件发展及软件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、P-pointingdevices)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–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技术的发展方向计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）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(ScientificVisualization)–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（VisualizationinScientificComputing）”–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–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、自适应八叉树等等真实感图形实时绘制与自然景物仿真第一章绪论•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.地理信息系统（GIS）第一章绪论数字地球：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。地理信息系统（GIS）第一章绪论虚拟现实（VirtualReality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。QuickTime技术第一章绪论●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）●QuakeIII，“古墓丽影”，“侏罗纪公园”、“皇帝的新衣”、完美风暴………●CAI.多媒体与娱乐第一章绪论当前研究热点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，ImageBasedRendering)：不先