计算机图形学的发展简史

©2004Dept.ofComputerScienceandEngineer2020/2/12第一章图形设备、系统和应用©2004Dept.ofComputerScienceandEngineer2020/2/122/43主要内容：计算机图形学概念与研究内容计算机图形学的发展简史计算机图形学的应用常用的图形设备当前研究热点©2004Dept.ofComputerScienceandEngineer2020/2/123/43计算机图形学概念与研究内容（1）什么是计算机图形学？-利用计算机研究图形的表示、生成、处理、显示的学科；-计算机科学中，最为活跃、并得到广泛应用的分支之一；图形：计算机图形学的研究对象；-能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象；-包括自然景物、拍摄的图片、用数学方法描述的图形等等；构成图形的要素：-几何要素：刻画对象的轮廓、形状等；-非几何要素：刻画对象的颜色、材质等。©2004Dept.ofComputerScienceandEngineer2020/2/124/43计算机图形学概念与研究内容（2）计算机中表示图形的方法：-点阵表示：枚举出图形中所有的点(强调图形由点构成)；简称为图像（数字图像）；-参数表示：由图形的形状参数(方程或分析表达式的系数，线段的端点坐标等)+属性参数(颜色、线型等)来表示图形；简称为图形；计算机图形学研究内容：(输入、处理、输出）-图形的输入：如何利用图形输入设备及软件将图形输入计算机中去，并作各种处理；©2004Dept.ofComputerScienceandEngineer2020/2/125/43计算机图形学概念与研究内容（3）-图形的处理包括对图形进行变换(几何变换，投影变换)、运算（集合运算）、着色、形变等…-图形的输出将图形的表示形式转换成图形输出系统能够接受的表示形式，并将图形在显示屏或打印机等输出设备上输出。图形与图像的关系-图像纯指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息；-图形含有几何属性，更强调场景的几何表示，由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成；-图形主要分为两类：基于线条的信息表示明暗图(Shading)©2004Dept.ofComputerScienceandEngineer2020/2/126/43计算机图形学概念与研究内容（4）计算机辅助几何设计（CAGD，ComputerAidedGeometricDesign）-几何形体在计算机中的表示与分析；-研究如何灵活地建立几何形体的数学模型，提高算法效率，以更好地存储和管理模型等；-研究曲线、曲面的表示、生成、拼接、数据拟合；图像处理：-如何对一幅连续图像取样、量化以产生数字图像；-对数字图像做各种变换以方便处理；-滤去图像中的无用噪声；-压缩图像数据以便于存储和传输、图像边缘提取、特征增强和提取等；计算机视觉与模式识别-图形学的逆过程，分析和识别输入的图像并从中提取二维或三维的数据模型（特征）。手写体识别、机器视觉；©2004Dept.ofComputerScienceandEngineer2020/2/127/43计算机图形学概念与研究内容（5）其它研究内容：-三维景物表示，包括曲线曲面的造型，实体造型，以及纹理、云彩、波浪等自然景物的造型与模拟；-三维场景表示，包括光栅图形生成算法、线框图形和真实感图形的理论和算法；-图形信息的存储,检索与交换技术：包括几何和图形数据的存储，数据压缩与解压缩；-基于图像和图形的混合绘制技术；-图形的操作与处理方法;-人机交互与用户接口技术：包括可视化技术;-动画技术;-图形硬件与输出技术;-图形标准与图形软件包的研究开发;-虚拟现实技术;-......©2004Dept.ofComputerScienceandEngineer2020/2/128/43主要内容：计算机图形学概念与研究内容计算机图形学的发展简史计算机图形学的应用常用的图形设备当前研究热点©2004Dept.ofComputerScienceandEngineer2020/2/129/43计算机图形学的发展简史（1）历史追溯-1950年，MIT，旋风一号（WhirlwindI）计算机的图形显示器，类似于示波器的CRT来显示简单图形。－CRT的出现为计算机生成和显示图形提供了可能；-50年代末期，MIT林肯实验室，在Whirlwind上开发SAGE空中防御系统，通过光笔在屏幕上指点与系统交互。－标志着交互式图形技术的诞生；-1962年MIT林肯室验室Ivan.E.Sutherland的博士论文：“Sketchpad：一个人机通信的图形系统”。－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…)；-60年代：MIT、BellLab、通用汽车公司、剑桥大学开展大规模的研究。－计算机图形学被确立并得到迅速发展；©2004Dept.ofComputerScienceandEngineer2020/2/1210/43计算机图形学的发展简史（2）-70年代进入技术实用化：光栅图形学迅速发展-区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念及相应算法纷纷诞生；图形软件标准化-1974年，ACMSIGGRAPH的与“与机器无关的图形技术”的工作会议；-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、PHIGS；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”思想，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；©2004Dept.ofComputerScienceandEngineer2020/2/1211/43计算机图形学的发展简史（3）-80年代初，图形学依然是较小的学科，原因是图形硬件设备十分昂贵，且基于图形的应用相对较少。后来，情况发生了变化……；1980年Whitted提出了一个光透视模型：Whitted模型，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；图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展；©2004Dept.ofComputerScienceandEngineer2020/2/1212/43计算机图形学的发展简史（4）硬件发展之......-图形显示器的发展：图形显示器是计算机图形学中关键设备；60年代中期：画线显示器（亦称矢量显示器）：缺点：需要刷新，设备昂贵，限制普及；60年代后期：存储管式显示器：优点：不需刷新，价格较低，缺点：图形不具有动态修改功能，不适合交互；70年代初，出现刷新式光栅扫描显示器-以点阵形式表示图形，采用专用缓冲区存放点阵，由视频控制器负责刷新扫描；-极大推动了交互式图形技术的发展：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©2004Dept.ofComputerScienceandEngineer2020/2/1213/43计算机图形学的发展简史（5）硬件发展之......-图形输入设备的发展：（五个阶段）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;第五阶段：用户的思维;©2004Dept.ofComputerScienceandEngineer2020/2/1214/43计算机图形学的发展简史（6）图形软件发展及软件标准形成-计算机图形软件系统的种类：三种1)用某种语言写成的子程序包：GKS(GraphicsKernelSystem)、PHIGS(Programmer’sHierarchicalInteractiveGraphicssystem)、OpenGL......；2)扩充计算机语言，使其具有图形生成和处理的功能:TurboPascal,TurboC,AutoLisp等。特点：简练、紧凑、执行速度快，但不可移植；3)专用图形系统：效率高，但系统开发量大，可移植性差；发展历程：诸侯割据标准讨论标准形成©2004Dept.ofComputerScienceandEngineer2020/2/1215/43计算机图形学的发展简史（7）-通用、与设备无关的图形包，图形标准：GKS(GraphicsKernelSystem)(第一个官方标准，1977)PHIGS(Programmer’sHerarchicalInteractiveGraphicssystem)一些非官方图形软件，广泛应用于工业界，成为事实上的标准：-DirectX(MS)-Xlib(X-Window系统)-OpenGL(SGI)-Postscript（Adobe）-发展趋势:开放、高效©2004Dept.ofComputerScienceandEngineer2020/2/1216/43主要内容：计算机图形学概念与研究内容计算机图形学的发展简史计算机图形学的应用常用的图形设备当前研究热点©2004Dept.ofComputerScienceandEngineer2020/2/1217/43计算机图形学的应用（1）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）：PC，工作站，WIMP(W-windows、I-icons、M-menu、P-pointingdevices)界面，所见即所得→虚拟现实（VR）技术（发展方向）;-由计算机发展决定：科学计算型→无处不在的计算机，人机溶合，提高交互效率；-专门学科：“人机交互技术”©2004Dept.ofComputerScienceandEngineer2020/2/1218/43计算机图形学的应用（2）计算机辅助设计与制造CAD/CAM（1）-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;......©2004Dept.ofComputerScienceandEngineer2020/2/1219/43计算机图形学的应用（3）计算机辅助设计与制造CAD/CAM（2）-网络环境下进行异地异构系统的协同设计现代产品设计不再是设计领域内孤立的技术问题，而是综合了产品各个相关领域、相关过程、相关技术资源和相关组织形式的系统化工程;从设计开始就考虑产品生命周期的全部因素，以达到快速响应市场需求的目的；协同设计使企业生产的时空观发生了根本的变化；异地设计、异地制造、异地装配为企业在市场竞争中赢得了宝贵的时间；-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，通过信息进行分类、综合等处理，在三维空间中重新构造出二维信息对应的三维形体，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；©2004Dept.ofComputerScienceandEngineer2020/2/1220/43计算机图形学的应用（4）可视化-海量数据使得人们对数据的分析和处理变得越来越难，用图形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