计算机图形学概论,计算机科学与工程学院,任课教师,郑永果 办公地点 J-13-304 电话 57712 zhengyg206,主要参考书：,孙家广、胡事民：计算机图形学基础教程，清华大学出版社，2012。 孙家广：计算机图形学（第3版），清华大学出版社，2009。 计算机图形学（OpenGL版）第3版（世界著名计算机教材精选）（美）希尔，（美）克雷 著，胡事民 等译 清华大学出版社 2009-2-1 出版 计算机图形学（OpenGL版）第4版（世界著名计算机教材精选,计算机图形学及其应用,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,为什么学习图形学,电影 CG 已广泛应用于电影业,游戏:视频游戏是计算机图形学的一项创新驱动,仿真 图形仿真，典型例子-飞行仿真 (Evan& Sutherland),CAD/CAM/CAE，设计和分析结果，必须通过使用计算机图形显示,建筑 图形也广泛应用于建筑设计,可视化 可视化可以视为扩展的计算机图形学,第一章 绪论,1.1计算机图形学的研究内容 1.2计算机图形学与相关学科 1.3计算机图形学的发展历史 1.4计算机图形学的应用,1 计算机图形学的研究内容,基础： 图形硬件、图形标准、图形交互技术 光栅图形学：图形生成算法、 三维图形学：曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法， 分支：科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。 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,2计算机图形学与相关学科,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。 研究如何对一幅连续图像取样、量化以产生数字图像，如何对数字图像做各种变换以方便处理， 如何滤去图像中的无用噪声，如何压缩图像数据以便存储和传输，图像边缘提取，特征增强和提取。,计算机图形学与图象处理的联系与区别,图形学与CAD 1962年，MIT林肯实验室, I. E. Sutherland “Sketchpad：一个人机交互通信的图形系统”, 图形学之父 Coons, “CAD”的概念，Coons曲面，Coons奖,3 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。 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。,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。 提出图形学的概念， 成就“图形学之父” 的英名,获“图灵”奖，1988 IEEE 计算机杰出成就奖 Coons奖，1983 I. E. Sutherland，38年生，美国人，CMU学士、Catech硕士、MIT博士，59年博士毕业，参军，26岁担任国防部高级研究计划署（DARPA）信息处理技术局局长(仅中尉衔)，该局曾组织Internet前身ARPANet等重大项目。1964年起，先后在哈佛、Utah、Catech工作。 为博士论文答辩，制作一部电影，答辩时，边放映，边见解，大获成功，该电影广为流传。,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。现在用于大多数 CAD 和计算机图形系统中， UNISUR 系统已用在雷诺公司 汽车设中。于 1985 年获ACM Coons 奖 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。 58年提出“CAD”概念 图形学最高奖以他名字命名。,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,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,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,Conferences and Journals,Conferences ACM Siggraph, Eurograph, Pacific Graphics Computer Graphics International, CASA, Graphics Interface, Rendering workshop, SGP,Journals,ACM Transaction on Graphics IEEE Computer Graphics and Application IEEE Visualization and Computer Graphics CAD, CAGD, Computer Graphics Forum Graphical Models The Visual Computer,ACM SIGGRAPH Special Interest Group for Computer Graphics and Interactive Techniques,计算机图形学及交互技术特别兴趣小组 由Brown大学教授Andries van Dam和IBM公司的Sam Masta发起，成立于1967年 从1974年开始，SIGGRAPH每年都会举办一次年会，是图形学界最权威的国际会议。 在SCI会议上中的论文，全文发表在ACM Transactions On Graphics(ACM TOG)，影响因子达到5.0+ SIGGRAPH、EuroGraphics、SIGGRAPH Asia号称是图形界三大顶级会议 http:/www.siggraph.org ,4计算机图形学的应用及研究前沿,模型的投影和变换, Bezier曲线 (Bezie Curves) B-样条曲线（B-Spline Curves） 三角网（Triangle Mesh） 变形 （Deformation）,Bezier Curve/Surface,Bezier曲线和曲面的 定义和算法,B-Spline Curve/Surface,B样条曲线和曲面的 定义和算法,三角网Triangle Mesh,三角网格模型是计算机图形学中的三维模型 ，它包括一组 (通常在三个维度) 由其共同的边缘连接的三角形。,变形Deformation,变形被指从一个 3D 模型变形到另一个,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。,经典的真实感图形学 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 加速算法及其他 包围体树、自适应八叉树等 阴影算法、纹理合成,渲染，绘制Rendering,基本概念： Lighting （光照） Ray Tracing （光线跟踪） Acceleration of Ray Tracing （光线跟踪加速） Texture （纹理） Shadow （阴影） Radiosity （辐射度）,Color 颜色模型 OpenGL Open GL Library,光照Lighting,照明和阴影是生成图形图像显示重要内容,光线跟踪Ray Tracing,射线追踪加速方法,射线追踪的最大缺点是速度太慢，所以需要加速的技术，如层次结构,纹理Texture,阴影Shadow,逼真的图像 对象的位置,辐射度Radiosity,辐射度方法是一种跟踪周围场景的漫射光的传播的照明方法,热点问题, 渲染Rendering 计算机动画Computer Animation 几何建模Geometry 基于视频的绘制Video-based rendering,基于多层阴影翼的软影绘制,渲染：网格简化,研究热点 真实感图形实时绘制 物体网格模型的面片简化，LOD, Occlusion culling 吴建华的牛头,Wei 2009,基于图像/视频的绘制,glTIP(画中游),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 山 水,由清华大学自然景物平台生成的野外场景1999,模拟雪,Xfrog3.0生成的挪威云杉,日本Yoshinori Dobashi等人绘制的真实感云,王希的树皮 VDM （Siggraph 03）,纹理与 表面细节 VDM,基于物理的光照 Physically-Based Rendering of Gemstones (SIGGRAPH 2004),球面分段常数基函数（spcbfs-Spherical Piecewise Constant Basis Functions）,支持所有频率的阴影实时绘制 任意的对象刚体变换,Result Videos of SPCBFs,实时半透明材料编辑,Results of Real-time Editing,大规模复杂场景的点绘制,Point Z-Buffer http:/www.gris.uni-tuebingen.de/areas/large/xrendering/ Video: http:/www.gris.uni-tuebingen.de/areas/large/xrendering/video.mpg,计算机动画 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 基于视频(Video)的动画,基于特征的图象变形（猫变虎）,由三维FFD操作得到的鱼的变形图, The Visual Computer 2001.,布料与人体 动画 (PG2002),基于连续力学 的变形 ,智能生命 之人工鱼 http:/www.dgp.toronto.edu/people/tu/animations.html,基于video 的动画 (Siggraph04),网格技术 网格参数化 (Math of surface, 03),几何纹理的迁移与合成(ACM SPM05, MIT),基于几何优化的注册算法,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,Georges