计算机图形学第一章.ppt

清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,第一章 绪论,什么是计算机图形学？计算机图形学是利用计算机研究图形的表示、生成、处理、显示的学科计算机图形学计算机科学中，最为活跃、得到广泛应用的分支之一,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,1.1 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、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,,图形与图象图象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，是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成的图形主要分为两类基于线条信息表示明暗图(Shading),清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,1.2 计算机图形学的发展历史,50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）计算机的附件诞生了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,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,,60年代1962年，MIT林肯实验室的I. E. Sutherland发表了一篇题为“Sketchpad：一个人机交互通信的图形系统”的博士论文1962年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bézier 提出Bézier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。

清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,,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”（Core Graphics System）ISO发布CGI、CGM、GKS、PHIGS,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,,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,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,,80年代1980年Whitted提出了一个光透视模型-Whitted模型，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图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,,ACM SIGGRAPH会议小知识全称 “the Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques”60年代中期，由Brown 大学的教授Andries van Dam (Andy) 和IBM公司的Sam Matsa发起1974年，在Colorado大学召开了第一届SIGGRAPH 年会，并取得了巨大的成功每年只录取大约50篇论文,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,1.3 计算机图形学的应用及研究前沿,计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）CAD/CAM是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,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,,网络环境下进行异地异构系统的协同设计现代产品设计已不再是一个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一开始就考虑产品生命周期的全部因素，从而达到快速响应市场需求的目的协同设计的出现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,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,,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,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,工程图及其三维重建结果1,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,工程图及其三维重建结果2,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,,可视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医学、流体力学、有限元分析、气象分析当中,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,,在医学领域，可视化有着广阔的发展前途是机械手术和远程手术的基础将医用CT扫描的数据转化为三维图象，帮助医生判别病人体内的患处由CT数据产生在人体内漫游的图象可视化的前沿与难点可视化硬件的研究实时的三维体绘制体内组织的识别分割——Segmentation,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,,真实感图形实时绘制与自然景物仿真计算机中重现真实世界的场景叫做真实感绘制真实感绘制的主要任务是模拟真实物体的物理属性，简单的说就是物体的形状，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,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,,光照模型简单光照模型局部光照模型整体光照模型绘制方法光线跟踪辐射度加速算法包围体树、自适应八叉树等等,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,,当前研究热点真实感图形实时绘制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，加快图形绘制速度基于图象的绘制(IBR，Image Based Rendering)：完全摒弃传统的先建模，然后确定光源的绘制的方法。

它直接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和漫游,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,,野外自然景物的模拟野外场景远远复杂于室内场景，绘制难度更大，方法更趋多样化主要绘制山、水、云、树、草、火等等绘制火的粒子系统（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,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,由清华大学自然景物平台生成的野外场景,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,日本Yoshinori Dobashi等人绘制的真实感云,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,Xfrog3.0生成的挪威云杉,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,,计算机动画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,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,,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,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,基于特征的图象变形（猫变虎）,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,由三维FFD操作得到的鱼的变形图,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,,用户接口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,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,,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清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,,计算机艺术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）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）,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,,优点：提供多种风格的画笔画刷提供多种多样的纹理贴图，甚至能对图象进行雾化，变形等操作可以任意修改，取消败笔不足：无法达到传统绘画中风格化的 艺术效果很难得到有素描效果、油画效果的艺术品,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,,非真实感绘制（NPR，Non-Photorealistic Rendering）用于模拟艺术效果，研究方法有别于真实感图形学钢笔素描的生成钢笔素描产生于中世纪，从19世纪开始成为一门艺术20世纪90年代开始研究用计算机模拟中国国画与书法的生成,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,Georges Winkenb1ach绘制的壶和碗(Siggraph’96),清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,Salisbury绘制的茶壶(Siggraph’97),清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,Salisbury绘制的熊(Siggraph’97),清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,Oliver Deussen绘制的素描树(Siggraph’2000),清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,1.4 图形设备,图形显示设备图形输出包括图形的显示和图形的绘制，图形显示指的是在屏幕上输出图形图形绘制通常指把图形画在纸上，也称硬拷贝，打印机和绘图仪是两种最常用的硬拷贝设备,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,,彩色CRT显示器CRT（CRT Cathode－Ray Tube，阴极射线管）组成电子枪聚焦系统加速系统磁偏转系统,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,CRT显示器的简易结构图,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,,工作原理高速的电子束由电子枪发出，经过聚焦系统、加速系统和磁偏转系统就会到达荧光屏的特定位置。

由于荧光物质在高速电子的轰击下会发生电子跃迁，即电子吸收到能量从低能态变为高能态由于高能态很不稳定，在很短的时间内荧光物质的电子会从高能态重新回到低能态，这时将发出荧光，屏幕上的那一点就会亮了要保持显示一幅稳定的画面，必须不断地发射电子束,清华大学计算机科学与技术系 计算机图形学基础,,电平控制器是用来控制电子束的强弱的，当加上正电压时，电子束就会大量通过，将会在屏幕上形成较亮的点，当控制电平加上负电压时，依据所加电压的大小，电子束被部分或全部阻截，通过的电子很少，屏幕上的点也就比较暗聚焦系统是一个电透镜，能使众多的电子聚集于一点加速阳极使电子达到轰击激发荧光屏应有的速度最后由磁偏转系统来达到指定位置,。