计算机图形学课前简介 1课程学时总学时：48学时；其中讲课：32学时；上机：16学时2课程主要内容二维图形基础自由曲线和曲面图形变换图形裁剪几何造型真实感图形生成技术分数维图形数字图像处理技术简介 1计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)3学习成绩考核方法上机编程20%，期末考试80%。4本课程主要参考书 1 计算机图形学 纪玉波编著. 2 计算机图形学 孙家广等编著.清华大学出版社，1995 3 计算机图形学C语言版Hearn D等.影印版.清华大学出版社,1998 4 计算机图形学教程唐荣锡等编著. 科学出版社出版,1992 5网上学习本讲课内容将放入抚顺石油学院网页（ http:/www.fspu.edu.cn）网上学苑内 2计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)第一章 概论1.1计算机图形学的发展计算机图形学作为计算机科学与技术学科的一个独 立分支已经历了近40年的发展历程。现在，计算机图 形学已是一门成熟的技术，成为当代几乎所有科学和 工程技术领域用来加强信息理解和传递的技术和工具 ，广泛地用于多种领域。1950年美国麻省理工学院研制出了第一台图形显示 器，利用这台显示器，在计算机的控制下第一次显示 了一些简单图形。50年代末期，美国麻省理工学院林 肯实验室研制的SAGE空中防御系统，就已具有指挥和 控制功能。这个系统能将雷达信号转换为显示器上的 图形，操作者可以借用光笔指向屏幕上的目标图形来 获得所需要的信息，这一功能的出现预示着交互式图 形生成技术的诞生。3计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)1962年，在美国亚特兰大市召开的美国计算机会议上 ,美国麻省理工学院林肯实验室的Ivan.E.Sutherland 宣读 了他的博士论文研究内容“Sketchpad:一个人机交互的图 形系统”，文中首次使用了“Computer Graphics”这一术 语，证明交互式计算机图形学是一个可行且有用的研究领 域，从而确定了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的 地位。奠定了计算机图形学的基础。1965， Ivan.E.Sutherland 又发表著名论文 “Ultimate Display” （终极显示），提出了计算机图形学的发展方 向。因此，Ivan.E.Sutherland 被公认为是交互图形生成 技术的奠定人。他也为此荣获1988年图灵奖。4计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)在20世纪60年代，计算机图形学作为一个崭新的科学 分支得到确立和迅速发展。在70年代，由于计算机由昂贵 的大型机发展出了小型计算机及超级小型机，以及基于电 视技术的光栅扫描显示器的出现，这都极大地推动了计算 机图形学的发展，使构成计算机图形系统的价格降低，维 护使用也比较简单，是计算机图形技术进入实用化的阶段 。 但是，直到20世纪80年代初，由于计算机硬软件都较昂贵 ，限制了图形学的研究和普及应用。80年代以后，随着工 程工作站特别是微型计算机的出现，极大地促进了计算机 图形学的发展。80年代后期以来，微型计算机的性能迅速 提高，目前微机无论在主频、内存容量还是磁盘容量方面 都大大超过了六、七十年代相比之下极其昂贵的大型及小 型机。因此，微机已经成为计算机图形生成技术的主要处 理机，为计算机图形学研究和应用的高速发展创造了条件 ，使计算机图形技术的研究与应用范围日益扩大。5计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)20世纪90年代以来，虚拟现实、科学计算可视化等 应用要求促使计算机图形学向着更高阶段发展，它的 许多技术也已成为发展迅速的多媒体技术的重要组成 部分。经历了近40年的发展历程，计算机图形学在图 形基础算法、图形软件与图形硬件三方面都取得了长 足的进步,成为当代几乎所有科学和工程技术领域用来 加强信息理解和传递的技术和工具。随着计算机图形 学理论、方法的不断完善，软件、硬件技术的不断发 展，它的应用领域也必将越来越广。6计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)1.2 计算机图形学的研究内容计算机图形学主要是研究图形的计算机生成。在图形 基础研究方面可分为两个主要方向, 即建模技术和绘制 技术。建模技术又称为造型技术，又可分为两个不同分 支,即计算机辅助几何设计和自然景物建模。计算机辅助 几何设计追求建模的精确度、可靠性和建模的速度。自 然景物建模追求建模的逼真度和速度。所涉及的主要内 容包括基本图元的生成，例如线段、字符、圆、曲线等 的生成算法；区域填充算法；图形变换,如平移、旋转、 缩放、裁剪、透视和投影等。计算机图形学中的绘制技术主要是指基于光栅图形 显示技术的真实感图形绘制技术,包括各种光照模型、明 暗处理、纹理生成、透明和颜色处理，以及隐藏线和隐 藏面的消除等内容。绘制技术追求的是真实感和绘制速 度。7计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)1.3 计算机图形学的应用目前，计算机图形技术已经渗透到各行各业，广泛 地用于多种领域，如科学、工程、医药、商业、工业 、政府部门、艺术、娱乐业、广告业、教育和培训等 等。 1 计算机辅助及设计计算机辅助设计（Computer Aided Design, CAD ）一直是计算机图形学重要的应用领域，使用图形生 成技术可以进行产品的元部件和系统设计，如飞机、 汽车、船舶、宇宙飞船、计算机、大规模集成电路、 民用建筑、服装等设计。使用人机交互的计算机辅助 设计系统，不但可以对产品和零部件进行外形设计， 还可以对它们的机械性能、电性能或受力分布情况等 进行分析计算。并且，还可以使用设计数据控制加工 制造工具完成部件和系统制作，即计算机辅助制造（ CAM， Computer Aided Manufacture）和CIMS（ Computer Integrated Manufacture System)。8计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)9计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)10计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)2 统计数据及事务管理的图示化 3 办公自动化 4 图形用户接口 5 科学计算可视化科学计算可视化(Visualization in Scientific Computing,ViSC)是指运用计算机图形学和图像处理技术 ,将科学计算过程中产生的数据及计算结果转换为图形或 图像在屏幕上显示出来,并进行交互处理的理论、方法和 技术。国际上关于科学计算可视化的研究始于20世纪80 年代末,它使往日冗繁、枯燥的数据变成生动、直观的图 形或图像。目前，科学计算可视化在医学图象处理、地 质勘探、气象预报、天体物理、分子生物学、计算流体 力学、有限元分析、核科学等很多方面得到了成功地应 用。目前,科学计算可视化已成为计算机图形学的一个重 要研究方向。11计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)12计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)13计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)14计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)6 虚拟现实虚拟现实(Virtual Reality，VR) 是一门近年来发展 十分迅速的计算机图形和图象应用技术。它是由计算机生 成图形和图象构成一个与客观世界十分相似的、逼真的虚 拟环境，同时由计算机把虚拟环境转换成视觉、听觉和其 它感觉信号, 并输出给用户，使用户产生身处真实场景中 的感觉。虚拟现实系统的重要特性是具有一种身临其境的 临场感。计算机场景的生动表现形式依赖于计算机图形的 效果，如精致的纹理图像等。 已开发的VR应用涉及从各种驾驶培训系统、娱乐游戏系统 到建筑学和商业规划等广泛的领域。许多应用中的虚拟世 界与现实世界十分类似, 如CAD和建筑造型。而另外的一 些应用则提供了现实世界不可能提供的更为方便的观察事 物的方法, 例如科学仿真和遥现系统，空中交通控制系统 等。15计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)16计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)17计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)18计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)7 地理和自然资源的图形显示计算机图形学的另一个重要的应用领域是产生高精度 的地理图形或其它自然资源的图形。例如各种地理图、 地形图、矿藏分布图、海洋地理图、气象图、植被分布 图、人口分布图等。目前，地理信息管理系统（GIS）已 经得到广泛的应用，它是由图形技术、遥感技术、数据 库技术以及管理信息相结合形成的新技术，其中图形技 术起着核心和控制作用。使用地理信息管理系统可以方 便地实现地理和自然资源的三维信息管理。19计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)长江三峡地区图120计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)长江三峡地区图221计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)喜马拉雅山数字地面高程模型22计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)23计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)24计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)8 计算机动画与娱乐现在计算机图形方法常用于制作动画片、音乐录 象带和计算机游戏。同传统的制作方法相比较，计算 机制作方法具有时间短、成本低、形象生动逼真、重 用性强等优点。为了避免画面闪烁，放映一秒钟的动画，就需制 作多于24幅画面，因而制作较长时间的动画，工作量 是相当大的，而用计算机来做，这些重复性的资料可 存储在计算机内，需要时直接调出来，再稍加改变就 成了下一幅图，从而大大节约了时间，提高了动画制 作的效率。25计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)9 计算机艺术将计算机图形学与人工智能技术结合起来，可构造 出丰富多彩的艺术图象，为创作艺术和商品艺术的应 用开创了更广阔的前景。美术师可以使用各种计算机 方法，包括专用硬件，艺术家画笔程序及其它绘图软 件包和动画软件包来设计物体的外形及描述物体的运 动。26计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)27计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)28计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)29计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)30计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)31计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)32计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)10 教学与培训目前，计算机辅助教学（CAI）正在改变着传统的 教学方式。CAI课件的使用，远程教育的实现，计算机 图形技术都在其中起着重要作用。计算机生成的各种模 型和图形被用作教学的辅助工具。有些方面的培训要设 计专门的系统，象飞行员、汽车驾驶员、大型设备操作 员和航空控制人员的实习和培训模拟系统就是这样一种 专用系统。33计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)34计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)35计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)36计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)1.4 计算机图形学与图象处理计算机图形学（Computer Graphics）和图象处理（ Image Processing）是计算机应用领域以各自独立形式 发展形成的两个分支学科，它们之间有一定的关系和区 别。它们共同之处就是计算机所处理的信息都是与图有 关的信息，但本质上却是不同的。计算机图形学是研究根据给定的描述（如数学公式或 数据等）使用计算机通过算法和程序构造出图形来，如 直线，二次曲线面，自由曲线面的生成，图形变换，图 形消隐，真实图形生成方法等。与此相反，图象处理是景物或图象的分析技术，它所 研究的是计算机图形学的逆过程。是利用计算机对原来 存在的物体映象进行分析处理，然后再现图象。图象信 息经过数字化后输入到计算机中按照不同的应用要求， 用计算机对数据作加工处理，如图象增强，图象分析与 识别，三维图象重建等。 37计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)1.5 计算机图形学当前研究的一些方向1几何造型技术 2真实图形生成技术 3科学计算可视化 4计算机动画 5 虚拟现实 6 地理信息系统38计算机图形学演示稿 纪玉波制作 (C)