【2017年整理】计算机图形学(教案).ppt

计算机图形学Computer Graphics,徐光伟,一、本课程的性质、地位和作用,二、本课程的教学基本要求 1．了解图形系统的框架及其涉及的软件、硬件技术； 2．了解图形学基本问题，掌握基本概念、方法与算法； 3．掌握基本图形（二维）和几何实体（三维）生成技术； 4. 具有一定实践体会和相关的编程能力三、教材及参考书目 1．Donald Hearn, M. Pauline Baker ,“Computer Graphics (C Version)”, Prentice Hall , 1997. 2．计算机图形学（新版） 孙家广编 清华大学出版社 3．计算机图形学基础 唐泽圣等著清华大学出版社 4. 计算机图形学（Computer Graphics）. Donald Hearn et al. 蔡士杰译. 电子工业出版社 5. Fundamentals of Computer Graphics, Peter Shirley, second edition, AK Peters四、基础知识要求 熟练的编程能力，数据结构和算法五、每日课堂练习和作业提交,第一章 计算机图形学综述,,计算机图形学是研究用计算机表示、生成、处理和显示图形的学科。

它涉及将几何模型和数据转变为图形的各种算法和技术1,1,图形通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、线宽等非几何属性组成从处理技术上来看，图形主要分为两类，一类是由线条组成的图形，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等，另一类是类似于照片的明暗图(Shading)，也就是通常所说的真实感图形计算机图形产生的方法(1)矢量法(短折线法)任何曲线用许多首尾相连的短直线(矢量)逼近.(2)描点法(相临像素串接法)曲线由发亮的相素点串接起来.,图形与图像两个概念间的区别越来越模糊，但还是有区别的：图像纯指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息，而图形含有几何属性，或者说更强调场景的几何表示，是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成的1．1 计算机图形学的发展简史,1．1．1 硬件的发展,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）计算机的附件诞生了该显示器用一个类似于示波器的阴极射线管（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。

在整个50年代，只有电子管计算机，用机器语言编程，主要应用于科学计算，为这些计算机配置的图形设备仅具有输出功能计算机图形学处于准备和酝酿时期，并称之为：“被动式”图形学,1．1．2 软件及算法的发展,1950年代初到1960年代中，MIT开始计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM）的研究； 1964年MIT的教授Steven A. Coons提出了插值四条任意的边界曲线的Coons曲面； 1966年，法国雷诺汽车公司的工程师Pierre Bézier发展了一套自由曲线和曲面的方法； 1975年Versprille提出有理B样条的理论1．1．3 计算机图形标准,1974年，美国国家标准化局（ANSI）在ACM SIGGRAPH的一个与“与机器无关的图形技术”的工作会议上，提出了制定有关标准的基本规则 CGI(Computer Graphics Interface) ； CGM（Computer Graphics Metafile） ； GKS(Graphics Kernel system) ； PHIGS(Programmer's Hierarchical Interactive Graphics Standard) ； 1992年，美国SGI(Silicon Graphics, Inc.)推出了OpenGL 。

最后，我们以SIGGRAPH会议的情况，来结束计算机图形学的历史回顾ACM SIGGRAPH会议是计算机图形学最权威的国际会议，每年在美国召开，参加会议的人在50,000人左右世界上没有第二个领域每年召开如此规模巨大的专业会议，SIGGRAPH会议很大程度上促进了图形学的发展因为每年只录取大约50篇论文，在Computer Graphics杂志上发表，因此论文的学术水平较高，基本上代表了图形学的主流方向1．2 计算机图形学的研究内容,① 三维景物的表示； ② 三维场景的显示； ③ 基于图象和图形的的混合绘制技术； ④ 自然景物仿真； ⑤ 图形用户接口； ⑥ 虚拟现实； ⑦ 动画技术； ⑧ 可视化技术； ⑨ 几何和图形数据的存储，包括数据压缩和解压缩； ⑩ 图形硬件、图形标准、图形交互技术1．3 计算机图形学的应用,计算机辅助设计 图示图形学 如word中的各种报表计算机艺术 娱乐 教学与培训 可视化 图像处理 图形用户界面,1．4 应用及研究前沿,,1．4．1计算机辅助设计与制造,CAD/CAM是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域 ,美国波音飞机公司已用有关的CAD系统实现波音777飞机的整体设计和模拟。

随着计算机网络技术的发展，在网络环境下进行异地异构系统的协同设计，已经成为CAD领域最热门的课题之一 三维几何造型系统具有许多优点，例如，可以进行装配件的干涉检查，可以用于有限元分析、仿真、数控加工等后续操作，它基本上代表了CAD技术的发展方向1．4．2 可视化,目前科学计算可视化广泛应用于医学、流体力学、有限元分析、气象分析当中尤其在医学领域，可视化有着广阔的发展前途机械人和医学专家配合做远程手术是目前医学上很热门的课题，而这些技术的实现的基础则是可视化北京海军总医院远程会诊中心，专家正通过电脑监视延安大学附属医院手术室内的手术过程1．4．3图形实时绘制与自然景物仿真,在计算机中重现真实世界场景的过程叫做真实感绘制真实感绘制的主要任务是要模拟真实物体的物理属性，即物体的形状、光学性质、表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位置、遮挡关系等等日本Yoshinori Dobashi等人绘制的真实感云（Siggraph’2000）,基于图像的建模技术和绘制技术,艺术重构,1．4．4 计算机动画,早期的计算机动画灵感来源于传统的卡通片，在生成几幅被称做“关键帧”的画面后，由计算机对两幅关键帧进行插值生成若干“中间帧”，连续播放时两个关键帧就被有机地结合起来了。

20世纪90年代是计算机动画应用辉煌的十年Disney公司每年都要出一部制作精美的卡通动画片，好莱坞的大片屡屡大量运用计算机生成各种各样精彩绝伦的动画特技效果，广告设计、电脑游戏也频频运用计算机动画计算机动画也因这些商业应用的大力推动而有了极大的发展基于特征的图象变形（猫变虎）三维FFD得到的鱼变形图,GEORGE BORSHUKOV在“基于图像的脸部动画在Matrix中的应用”,GEORGE BORSHUKOV在‘matrix中的真实人脸渲染’论文,GEORGE BORSHUKOV在‘生成真实头发的‘技术论文,1．4．5 用户接口,目前几个大的软件公司都在研究下一代用户界面，开发面向主流应用的自然、高效多通道的用户界面研究多通道语义模型、多通道整合算法及其软件结构和界面范式是当前用户界面和接口方面研究的主流方向，而图形学在其中起主导作用1．4．6 计算机艺术,现在的美术人员、尤其是商业艺术人员都热衷于用计算机软件从事艺术创作可用于美术创作的软件很多，如二维平面的画笔程序(如CorelDraw，Photoshop， PaintShop)、专门的图表绘制软件(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(如 Alias，Softimage)等，可以说是数不胜数。

这些软件不仅提供多种风格的画笔画刷，而且提供多种多样的纹理贴图，甚至能对图象进行雾化\变形等操作很多功能是一个传统的艺术家无法实现也不可想象的Georges Winkenblach绘制的壶和碗（Siggraph’96） Salisbury绘制的茶壶（Siggraph’97）,Salisbury绘制的熊（Siggraph’97） Oliver Deussen绘制的素描树（Siggraph’2000）,1．5 图形系统设备,1．5．1 视频显示设备,（1）、刷新式CRT 在CRT结构中，灯丝、阴极、控制栅、加速电极以及聚焦系统组成了电子枪黑白CRT中仅有一支电子枪，而在彩色CRT中有三支电子枪，其发射的电子束分别轰击荧光粉层上的红、绿、蓝荧光点CRT结构示意图,电子束轰击荧光屏的荧光层产生亮点，通过快速控制电子束反复重画图象来维持荧光的亮度 分辨率（resolution）：水平和垂直方向上每厘米可绘制的点数 问题：这里的分辨率与通常说的一个显示器件的分辨率为1024*768有什么差异？ 纵横比（aspect ratio）：在屏幕的水平和垂直两个方向生成同等长度的线段所需要的垂直点数对水平点数的比值。

通常的纵横比为3/4 ,帧缓冲存储器(也叫视频存储器)，简称帧缓存，用来存放图形信息 帧缓存的地址和屏幕地址是一一对应的， 其中所存的信息就是屏幕上对应位置的图形信息，这些信息在存储器内的分布完全和屏幕上所显示图形的形状及颜色、 明暗程度相对应要在屏幕上显示图形，首先要将图形信息写入帧缓存器中，然后显示系统访问帧缓存器，再把其中的内容显示在屏幕上， 这就是我们看到的图形1、光栅扫描显示器 在光栅扫描系统中，电子束横向扫描屏幕，一次一行，从顶到底依次进行每个屏幕点作为一个像素（pixel）每个像素一位，又称为位图 2、随机扫描显示器 CRT的电子束只在屏幕的图形部分移动随机扫描显示器生成光滑线条，而光栅系统生成锯齿状线条3、彩色CRT监视器 利用能发射不同颜色光的荧光层的组合来显示彩色图形4、平板显示器 平板显示器包括两类：发射显示器和非发射显示器1．5．2 输入设备,1．键盘2．鼠标3．操纵杆,4．数据手套5．数字化仪6．图象扫描仪7. 光笔 光笔是一种能检测出屏幕上亮光的笔, 它具有拾取功能 光笔的形状和大小像一支圆珠笔，笔尖处开有一个圆孔，让荧光屏上的光通过这个孔进入光笔。

1．5．3 硬拷贝设备,(1)．打印机 图形打印机按其记录原理分类，有点阵针式打印机、喷墨打印机、激光打印机、热敏打印机、热转印打印机等目前应用较广的是前三种打印机点阵针式打印机 点阵针式打印机技术成熟，价格低，使用费用低(普通纸即可， 色带耐用且便宜)， 特别是Epson LQ-1600 系列打印机， 用量极大，几乎垄断了点阵针式打印机市场对于出图质量要求不是很高或出草图时用此打印机合算2). 绘图仪,总结： 计算机图形学怎么学，能学到什么知识,基本的直线、圆弧和曲线生成图形算法区域填充字符生成 输出图元的属性 (线型、宽度和颜色)光栅图形反走样 二维几何变换、投影变换二维观察、裁剪三维物体表示与真实感图形显示,计算机图形学中的数学,高中级别的代数和三角学 高中级别的代数和三角学也许是开始学计算机图形学中最重要的数学领域了经常需要进行简单的三角运算诸如从一些几何图形的边长和角度推导出某些边长代数和三角学是两门可以解决图形学日常问题的学科 推荐书籍：Computer Graphics: Principles and Practice James Foley, Andries van Dam, Steven Feiner, John Hughes Addison-Wesley,。