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1、计算机图形学 导论第1页，本讲稿共35页课前导读课前导读l 课时：24+12=36课时l 考核方法：平时（20%）+实验（30%）+期末笔试（50%）l 课程内容：CH1CH7l 教学要求：掌握图形学的理论基础知识，基本概念、方法与算法。具有一定相关编程能力。l 参考书：计算机图形学基础教程 孙家广等编第2页，本讲稿共35页1.1 1.1 计算机图形学相关概念及研究内容计算机图形学相关概念及研究内容1.2 1.2 计算机图形学的发展历史计算机图形学的发展历史1.3 1.3 计算机图形学的应用及研究前沿计算机图形学的应用及研究前沿第一章第一章 导论导论第3页，本讲稿共35页 1.1 计算机图形学
2、相关概念及研究内容计算机图形学相关概念及研究内容 1.1.1 计算机图形学的定义计算机图形学的定义 1.1.2 计算机图形学的研究对象计算机图形学的研究对象 1.1.3 图形的要素图形的要素 1.1.4 图形在计算机中的表示图形在计算机中的表示 1.1.5 几个相关学科几个相关学科第4页，本讲稿共35页1.1.1 1.1.1 计算机图形学的定义计算机图形学的定义 计算机图形学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。1.1.2 1.1.2 计算机图形学的研究对象计算机图形学的研究对象图形图形 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
3、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。1.1 1.1 计算机图形学相关概念及研究内容计算机图形学相关概念及研究内容第5页，本讲稿共35页1.11.1计算机图形学相关概念及研究内容计算机图形学相关概念及研究内容1.1.3 1.1.3 图形的要素图形的要素 几何要素：刻画形状的点、线、面、体等几何要素 非几何要素：反映物体表面属性或材质的明暗、灰度、色彩等1.1.4 1.1.4 图形在计算机中的表示图形在计算机中的表示 点阵法：枚举出图形中所有的点(强调图形由点构成)，简称为图像。参
4、数法：由图形的形状参数与属性参数来表示图形的一种方法，简称为图形。第6页，本讲稿共35页1.1.5 1.1.5 几个相关学科几个相关学科特征数据、结构数据计算机图形学模式识别计算机视觉图象图形数字图象处理第7页，本讲稿共35页图象处理图象处理 输入和输出均为图象，它主要分析由摄像机拍摄的二维或三维自然图片输入和输出均为图象，它主要分析由摄像机拍摄的二维或三维自然图片,对对它进行增强、去噪、分割、重建、存储、压缩、恢复、传输等不同的处理，它进行增强、去噪、分割、重建、存储、压缩、恢复、传输等不同的处理，生成人们所需的便于识别和应用的图形或信息。生成人们所需的便于识别和应用的图形或信息。模式识别模
5、式识别 它是图形学的逆过程，分析和识别输入的图像并从中提取二维或它是图形学的逆过程，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）。如文字识别、指纹识别等。三维的数据模型（特征）。如文字识别、指纹识别等。原始Lena图像 直方图均衡后的Lena图像 第8页，本讲稿共35页 1.2 计算机图形学的发展历史计算机图形学的发展历史 1.2.1 历史追溯历史追溯 1.2.2 图形硬件的发展图形硬件的发展第9页，本讲稿共35页1.2.1历史追溯l准备阶段（20世纪50年代）麻省理工，旋风I号l发展阶段（20世纪60年代）1962，MIT林肯室验室Ivan.E.Sutherland的博士论文：
6、Sketchpad 首次使用Computer Graphics，推广应用阶段（20世纪70年代）CAD系统的应用，光栅扫描显示器，图形标准化的提出（CGS）系统使用化阶段（20世纪80年代）工作站的出现，微机的普及，进入各领域，用户界面，AutoCAD等 标准化智能化阶段（20世纪90年代）各种标准：CGI、PHIGS等。3D，智能化设计1.2 计算机图形学的发展历史计算机图形学的发展历史第10页，本讲稿共35页l图形显示器设备的发展1.2.2 图形硬件的发展画线显示器（矢量显示器/随机扫描显示器），60年代中期存储管式显示器，60年代后期刷新式光栅扫描显示器，70年代初以点阵形式表示图形，使
7、用专用的缓冲区存放点阵，由视频控制器负责刷新扫描需要刷新，设备昂贵，限制普及。不需刷新，价格较低，不能动态修改图形功，不适合交互式第11页，本讲稿共35页l 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），用户的手势等等第五阶段：用户的思维第12页，本讲稿共35页 数据手套第13页，本讲稿共35页1.3 1.3 计算机图形学的应用及研究前沿计算机图形学的应用及研究前沿 1.3.1 1.3.1 计算机图形学的应用计算机图形学的应用 1.3.2 1.3.2 计算机图形学的
8、研究前沿计算机图形学的研究前沿第14页，本讲稿共35页1.3.1 1.3.1 计算机图形学的应用计算机图形学的应用1.图形用户界面l 介于人与计算机之间，完成人与机器通信工作的部件称为人机界面（HCI），它由软件部分和硬件部分组成。l 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）WIMP(W-windows、I-icons、M-menu、P-pointing devices)界面，所见即所得VR技术（发展方向）。第15页，本讲稿共35页2.计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）CAD/CA
9、M是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域l飞机、汽车、船舶的外形的设计l发电厂、化工厂等的布局l土木工程、建筑物的设计l电子线路、电子器件的设计l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第16页，本讲稿共35页 奥迪效果图和线框图奥迪效果图和线框图第17页，本讲稿共35页2.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l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。l优势：可以做装配件的干涉检查、以及有限元分
10、析、仿真、加工等后续操作，代表CAD技术的发展方向。第18页，本讲稿共35页工程图及其三维重建结果1工程图及其三维重建结果1第19页，本讲稿共35页工程图及其三维重建结果2工程图及其三维重建结果2第20页，本讲稿共35页3.可视化科学计算可视化(Scientific Visualization)l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l1986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）”l科学计算可视化广泛应用于医学、流体力学、有限元分析、
11、气象分析当中第21页，本讲稿共35页在医学领域，可视化有着广阔的发展前途l是机械手术和远程手术的基础l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l的患处l由CT数据产生在人体内漫游的图象可视化的前沿与难点l可视化硬件的研究l实时的三维体绘制l体内组织的识别分割Segmentation3.可视化第22页，本讲稿共35页4.4.虚拟现实（虚拟现实（Virtual RealityVirtual Reality简称简称VRVR）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
12、交互考察。特点：三维真实的虚拟场景 自然的交换方式第23页，本讲稿共35页电脑游戏n实时性n逼实性n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5.5.多媒体与娱乐多媒体与娱乐第24页，本讲稿共35页 1.3.2 计算机图形学的研究前沿1.真实感图形实时的绘制l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。l基于图象的绘制(IBR，Image Based Rendering)不先建立几何模型；它直接
13、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25页，本讲稿共35页n 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n主要绘制山、水、云、树、草、火等等n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。2.野外自然景物的模拟第26页，本讲稿共35页由清华大学自然景物平台生成的野外场景第27页，本讲稿共35页日本Yoshinori Dobashi等人绘制的真实感云第28页，本讲稿共35页Xfrog3.0生成的挪威云杉第29页，本讲稿共35页n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
14、的各个角落n商业、影视特技、娱乐、教育、军事、飞行模拟。n分类n二维动画（图像变形，形状混合）n三维动画：n关键帧动画n变形物体的动画n过程动画n关节动画与人体动画3.计算机动画第30页，本讲稿共35页基于特征的图象变形（猫变虎）3.计算机动画计算机动画第31页，本讲稿共35页运动中的汽车变换成奔跑中的老虎第32页，本讲稿共35页n用计算机软件从事艺术创作n二维平面的画笔程序（如CorelDraw，Photoshop，PaintShop）n图表绘制软件（如Visio）n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）4.计算机艺术计算机艺术第33页，本讲稿共35页第34页，本讲稿共35页用3DMAX与Photoshop制作室内装潢设计效果图第35页，本讲稿共35页