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1、计算机图形学第一章第1页，本讲稿共36页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领域有一个初步认识；具有一定实践体会和相关的编程能力。第2页，本讲稿共36页课程内容计算机图形学综述及其应用计算机图形系统计算机基本图形生成算法几何造型技术图形几何变换真实感图形显示第3页，本讲稿共36页采用的教材：计算机图形学，电子工业出版社，第三版，Donald Hearn,M.Pauline Baker著，蔡士杰，宋继强，蔡敏等译第4页，本讲稿共36页主要参考目录孙家广，计算机图形学（第三版），清华大学出版社，1
2、999。唐荣锡，计算机图形学教程（修订版），科学出版社，2000唐泽圣，计算机图形学基础，清华大学出版社，1995计算机辅助设计与图形学学报中国图形图像学报SIGGRAPH(Special Interest Group on Computer Graphics(美国计算机协会)计算机绘图专业组)第5页，本讲稿共36页第1章绪论-计算机图形学综述及其应用第6页，本讲稿共36页内容：1、计算机图形学定义2、计算机图形学的发展历史3、计算机图形学的应用第7页，本讲稿共36页1、计算机图形学定义图形：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、用数学方法描述的图形等。构
3、成图形的要素几何要素：刻画对象的轮廓、形状等,点、线、面、体等。非几何要素：刻画对象的颜色、材质等。第8页，本讲稿共36页计算机图形学（COMPUTER GRAPHICS）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。第9页，本讲稿共36页IEEE(美国电气与电子工程（IEEE）)定义：Computer graphicsis the art or science of producing graphical images with the aid of computer.美国电气和电子工程师协会(IEEE)是一个国际性的电子技术与信息科学工程师的协会
4、，是世界上最大的专业技术组织之一第10页，本讲稿共36页图像处理（IMAGE PROCESSING）定义：用计算机对图像进行分析，以达到所需结果的技术。又称影像处理。第11页，本讲稿共36页模式识别(PATTERN RECOGNITION)定义：是指对表征事物或现象的各种形式的(数值的、文字的和逻辑关系的)信息进行处理和分析,以对事物或现象进行描述、辨认、分类和解释的过程,是信息科学和人工智能的重要组成部分。第12页，本讲稿共36页计算几何（COMPUTATIONAL GEOMETRY）定义：由函数逼近论、微分几何、代数几何、计算数学等形成的边缘学科，研究几何形体的计算机表示、分析和综合。它是
5、计算机辅助设计（即CAGD）的数学基础。第13页，本讲稿共36页2、计算机图形学发展历史酝酿期（50年代）-1950年，美国MIT（麻省理工学院）的旋风1号(Whirlwind I)计算机配备了阴极射线管(CRT)来显示一些简单的图形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，MIT的林肯实验室在“旋风”计算机上开发SAGE空中防御体系第14页，本讲稿共36页萌芽期（6060年代）年代）1962年，美国MIT（麻省理工学院）林肯实验室的Ivan.E.Sutherland发表了一篇题为Sketchpad：一个
6、人机通信的图形系统的博士论文，其中首次使用了“Computer Graphics”1962年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bzier提出Bzier曲线、曲面的理论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。第15页，本讲稿共36页发展期（70年代）光栅图形学迅速发展区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其相应算法纷纷诞生图形软件标准化1974年，ACM SIGGRAPH举办了与“与机器无关的图形技术”的工作会议。ACM（美国计算机协会-Association for Computing Machinery）成立图形标准化
7、委员会，制定“核心图形系统”（Core Graphics System）ISO发布CGI、CGM、GKS、PHIGS、GL图形软件标准第16页，本讲稿共36页真实感图形学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17页，本讲稿共36页普及期（80年代）-出现了带有光栅图形显示器的个人计算机和工作站1980年Whitted提出了一个光透视模型-Whitted模
8、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,成功模拟了理想漫反射表面间的多重漫反射效果图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展第18页，本讲稿共36页提高增强期（90年代）-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19页，本讲稿共36页持续发展期（21世纪）渗透到各个行业的各个方面促进计算机硬件的进一步发展总体特征：技术发展、需求驱动第20页，本讲稿共36页3、计算机图形学的应用计算机图
9、形学技术近年来主要的应用领域：（1）计算机辅助设计、制造（CAD/CAM）。这是计算机图形学最重要的一个应用领域，包括机械、电子、建筑、航空航天等方面。相关（2）地形地貌和自然资源图。（3）科学技术及事务管理。（4）过程控制及系统环境模拟。（5）计算机辅助教学。相关（6）电子印刷及办公自动化。（7）艺术模拟。相关（8）科学计算的可视化。相关下一内容第21页，本讲稿共36页图和表主要用来形成报告、插图应用于财政、统计、数学、科学和经济数据 返回第22页，本讲稿共36页第23页，本讲稿共36页三维图线框图三维实体消影图 返回第24页，本讲稿共36页计算机辅助设计（CAD-Computer Aid
10、Design 返回机械、建筑、电子线路等图形设计建筑、机械等二维制图和三维实体造型）平面制图（二维）第25页，本讲稿共36页计算机艺术主要用于美术和商业艺术中用计算机软件从事艺术创作二维平面的画笔程序（如CorelDraw，Photoshop，PaintShop）、视频编辑软件（Premier）图表绘制软件（如Visio）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）第26页，本讲稿共36页计算机艺术的例子第27页，本讲稿共36页娱乐与计算机动画主要用于制作动画、音乐录像片、电视片计算机动画近十多年来取得了很大的发展，已渗透到人们
11、生活的各个角落商业广告、影视特技/片头、动画片、教育、军事、飞行模拟等分类二维动画图象变形形状混合三维动画关键帧动画变形物体的动画过程动画关节动画与人体动画返回第28页，本讲稿共36页科学计算可视化“科学家们不仅需要分析由计算机得出的计算数据，而且需要了解在计算过程中数据的变化”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（Visualization in Scientific Computing）”科学计算可视化广泛应用于地质、医学、流体力学、有限元分析、气象分析当中第2
12、9页，本讲稿共36页CT照片返回第30页，本讲稿共36页4.与计算机图形学相关的学科计算机图形学计算机图形学试图从非图象形式的数据描述来生成（逼真的）图象。数字图象处理数字图象处理旨在对图象进行各种加工以改善现有图片质量和视觉效果。计算机视觉计算机视觉是研究用计算机来模拟生物外显或宏观视觉功能的科学和技术。第31页，本讲稿共36页第32页，本讲稿共36页图像处理主要应用1)改善图片质量2)机器视觉第33页，本讲稿共36页图形和图像有什么区别？图形和图像实质是矢量图与点位图的关系矢量图是用一系列计算机指令来描述一幅图，这种方法实际是用数学方法来描述一幅图，是许多的数学表达式通过语言表达出来。点位
13、图是把彩色图分成许许多多的象素，每个象素用若干个二进制位来指定该象素的颜色、亮度和属性。第34页，本讲稿共36页除了在构成原理上的区别之外，还具有以下区别：1、图的获取方式不同2、图的存储空间不同，图像的数据量相对较大，图形的数据量相对较少。3、图的显示速度不同4、图像的像点之间没有内在的联系，在放大与缩小时，部分像点被丢失或被重复添加，导致图像的清晰度受影响，而图形由运算关系支配，放大与缩小不会影响图形的各种特征。5、图像的表现力较强，层次和色彩较丰富，适合表现自然的、细节的事物；图形则适于表现变化的曲线、简单的图案、运算的结果等。第35页，本讲稿共36页图形用户界面用户接口是人们使用计算机的第一观感。一个友好的图形化的用户界面能够大大提高软件的易用性图形学已经全面融入计算机的方方面面，很多软件几乎可以不看任何说明书，而根据它的图形、或动画界面的指示进行操作第36页，本讲稿共36页