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1、计算机图形学概述计算机图形学概述 什么是计算机图形学？什么是计算机图形学？ 计算机图形学研究的对象是什么？计算机图形学研究的对象是什么？ 计算机图形学发展简史计算机图形学发展简史 应用领域应用领域 计算机图形处理系统的构造计算机图形处理系统的构造 一、什么是计算机图形学一、什么是计算机图形学 什么是计算机图形学？ “计算机图形学”这个术语，在不 同的背景下具有不同的含义。简单来说，计算机图形是计 算机产生的图像。 “图形”是人类最早的文明体现。它和文字、声音等一样， 是承载信息进行交流的重要媒体 计算机图形学的历史并不长，但对现代科学技术的影 响很大。可以说，计算机图形技术已经渗透到几乎个 各
2、领域，它已经深深地影响了我们的生活！ IEEE定义：Computer graphicsComputer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer 计算机图形学就是研究如何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 计算机图形学的发展和应用在某种意义上已成为计算 机软、硬件发展水平的标志 它已成为一门成熟的学科，是信息技术中不可缺少的 重要内容和发展基石。计算机图形学课程也已成为大 学许多相关学科尤其是理工科专业的一门主干课程 在美
3、国，图形学、数据库、人工智能、计算机网络是被计 算机界公认为最热门的几个专业之一。图形学是计算机领 域中20多年来对人类生活影响最大的一个学科之一。 计算机图形学在美国已经形成一个完整的产业链：科研， 游戏，电影，娱乐，教育，艺术，工业界. 中国急需计算机图形学的人才！广阔天地，大有作为！ 二、计算机图形学的研究内容二、计算机图形学的研究内容 如何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，构 成了计算机图形学的主要研究内容。 图形硬件：研究图形要有基本的支撑硬件，包括 图形加速卡，显示器、图形输出设备等等。 一般来说，要在计算机上生成一 幅表示物体的图形，
4、有三个步骤： 比如教室里有桌子、椅 子、墙等，这些模型可 以用圆柱啊、平面等表 示出来 （1 1）造型技术）造型技术 在计算机中建立所要生成图像的物体的模型，即给出表示该 物体的几何数据和拓扑关系 需要用一些非规则的造 型工具表示这些山、林、 树、草等。所以造型是 三步曲的第一步。 （2 2）光照模型）光照模型 自然光照现象是由一些物理学定律所决定的，而这些物理 学定律又非常复杂 所以希望用一些简单的数学模型来近似、代替那些物理学 的模型，为模拟物体表面的光照物理现象的数学模型叫光 照模型 （3 3）绘制（渲染）技术）绘制（渲染）技术 第三步是选择适当的绘制算法来把这个场景画（渲染）出 来。就
5、是将模型真实性（或艺术性）的显示在屏幕上 渲染一幅三维物体图像所涉及的知识，实际上就是计算机 图形中每个像素看上去应该是什么颜色的问题。这很大程 度上取决于不同的光照模型。 计算机屏幕是由像素构成的，像素作为构成图形的基本单位。 为了在屏幕上显示一幅图形，就必须研究在哪些像素上生成 图形，就必须有一套针对光栅显示器生成图形的算法。 如何画有许多方法，如光线跟踪、 辐射度算法、纹理映射、阴影等 围绕着生成、表示物体图形的准确性-真实性-实时性，算 法可大致分为以下几类： 基本图形元素的生成算法 图形的变换和裁剪 自由曲线和曲面生成算法 几何造型技术 真实感图形的生成算法 自然景物的生成 计算机动
6、画技术 虚拟现实技术 交互式三维图形处理 热点问题探讨 五十年代： 1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院 （MIT）旋风I号（Whirlwind I）计算机的附件诞生 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 50年代末期，MIT的林肯实验室在“旋风”计算机上开 发SAGE空中防御体系 三、计算机图形学的发展历史三、计算机图形学的发展历史 六十年代： 1963年，MIT林肯实验室的I.E.Sutherland发表了一篇 题为Sketchpad: A Man Machine Graphical Communication System” “Sketch
7、pad：一个人机交 互通信的图形系统”的博士论文 这篇博士论文提出了图形学一些最基本的概念、原理和想 法，第一次提出了graphics这个词。Sutherland被公认为 开创交互式图形技术的奠基人，被称为“计算机图形学” 之父”。并于1988年获“图灵奖” 1962年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bzier 提出 Bzier曲线、曲面的理论，而成为CAGD的先驱 1964年MIT的教授Steven 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 七十年代： 光栅显示器出现了。光栅显示器屏幕是由像素组成的 在这样一个基本的前提下，必须发展大量、配套的图形算
8、 法来帮助在光栅显示器上显示、处理图形。在这个期间， 很多大量的算法就诞生了。如区域填充、裁剪、消隐等基 本图形概念、及其相应算法 图形软件标准化：大量图形系统出现以后，计算机本身也有 配置问题。不同厂商生产的显卡要兼容，这就提出了图形标 准化问题。 70年代对图形学来说是个非常了不起的年代，大量的概念、 算法出现了，真实感图形（像照片一样逼真的图形学）和 几何造型技术这个时候也开始出现了。 1975年，Phong提出了著名的简单光照模型- Phong模型 （标志着真实感图形的出现和实用化，到现在为止， Phong模型还被大量的采用） 八十年代： Phong模型只能刻画物体表面的明暗，但不能模
9、拟透明 效果，比如玻璃杯、窗户做不出来。 1980年Whitted提出了一个光透视模型-Whitted模型。 第一次提出了光线跟踪算法的范例。光线跟踪是图形学 当中最重要、最著名的算法之一 1984年，美国Cornell大学的Greenberg和日本广岛大学的 Nishita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，实现了另一种三维真实感图形绘制技术 和倾向于只在一个表面上模拟一次光的反射的直接光照算 法(例如光线跟踪)不同，像辐射度算法这样的全局光照算 法模拟光在一个场景里的多次反射，通常会导致更柔和更 自然的影子和反射 几何造型技术：通俗地讲，该技术就像小孩搭积木， 用简单的一些体素来构建复杂的模型 九十年代： 80年代真实感图形基本上成熟了。图形硬件和各个分 支均在这个时期飞速发展。 到了90年代，图像学就 开始了大量的应用。