第1章 绪论计算机图形学基础主讲： 罗棻重庆工商大学计算机学院Date1第1章 绪论教学要求 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热点有一个初步认识； 具有一定实践体会和相关的编程能力。 Date2第1章 绪论 课程内容 概论 计算机图形设备 交互式技术 几何造型技术 基本图形生成算法 二维图形变换及二维观察* 三维图形变换及三维观察* 高级话题：曲线和曲面、真实感图形显示*Date3第1章 绪论 主要参考书目 唐荣锡，汪嘉业，彭群生，汪国昭等编著，计算机图形学教 程，科学出版社，2002 孙家广，计算机图形学（第三版），清华大学出版社，1999 。 Donald Hearn, M. Pauline Baker ,“Computer Graphics with OpenGL”, 电 子工业出版社，2004. 倪明田等，“计算机图形学”，北京大学出版社，1999 计算机辅助设计与图形学学报 中国图形图象学报Date4第1章 绪论成绩评定办法 上机作业（含相应文档）：20% 笔试：80%Date5第1章 绪论 第1章 绪论提出问题什么是计算机图形学？计算机图形学研究的对象是什么？计算机图形处理系统的构造？Date6第1章 绪论1.1 计算机图形学及其相关概念 计算机图形学（Computer Graphics）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。IEEE定义：Computer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer. Date7第1章 绪论 计算机图形学的研究对象图形通常意义下的图形：能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象都称为图形。Date8第1章 绪论图形的要素几何要素:刻画形状的点、线、面、体等几何要素非几何要素：反映物体表面属性或材质的明暗、灰度、色彩等。计算机图形学中所研究的图形从客观世界物体中抽象出来的带有颜色及形状信息的图形。Date9第1章 绪论 图形的表示点阵法是用具有颜色信息的点阵来表示图形的一种方法，它强调图形由哪些点组成，并具有什么灰度或色彩。 参数法是以计算机中所记录图形的形状参数与属性参数来表示图形的一种方法。通常把参数法描述的图形叫做图形（Graphics）把点阵法描述的图形叫做图象（Image）Date10第1章 绪论 与计算机图形学相关的学科数字图象处理利用计算机对图形和图像进行分析处理，继而再现图像。图形（图像）信息输入计算机中，按照不同的应用要求，计算机对图像进行各种各样的分析和处理 。图像的存储、压缩、增强（突出某些特征）、复原（使模糊图像清晰）、分割、重建、编码、传输等等，最后把经过加工处理后的结果重新输出。 Date11第1章 绪论模式识别（Pattern Recognition） 图像的模式识别所研究的问题与计算机图 形学所研究的问题是互逆的。模式识别是由图 像来获得对图像本身的描述。它是以图像为依 据，将图像变换成数据、符号或者是抽象的图 。例如，自动分检信封上的邮件编码、文本 自动阅读装置、还有地图符号的识别，都是先 由扫描得到图像，然后经识别还原为图形或字 符。Date12第1章 绪论计算几何（Computational Geometry） 着重讨论几何形体在计算机内的表示、分 析和综合，研究怎样方便灵活地建立几何形体 的数学模型，提高算法的效率，在计算机内如 何更好地存储和管理这些模型等。它的研究内 容包括曲线曲面的表示、生成、拼接和造型、 三维立体造型、离散数据插值等等。Date13第1章 绪论Date14第1章 绪论计算机图形学的研究内容 1、二维图形元素的生成算法 点、直线、圆、弧、规则曲线、自由曲线、文本等 图元的生成。2、二维图形的基本操作和图形处理算法 对图形的平移、缩放、旋转、镜像、错切等操作， 此外还包括二维图形的裁剪、多边形填充以及二维图 形的布尔运算（并、交、差）等。Date15第1章 绪论3、二维图形的输入输出 用图形输入设备实现人机交互及用户接口技术。4、三维几何造型技术 包括基本体素的建立与生成，规则曲面与自由曲面 的构造，以及三维形体之间的布尔运算等。5、真实感图形的生成算法 三维图形的消隐算法、光照模型的建立，阴影及彩 色浓淡图的生成算法。6、科学计算可视化技术 这是20世纪90年代计算机图形学领域的前沿课题。 研究的是，将科学计算中大量难以理解的数据通过计 算机图形显示出来，从而加深人们对科学过程的理解 。例如，有限元分析的结果，应力场、磁场的分布， 各种复杂的运动学和动力学问题的图形仿真等。Date16第1章 绪论 酝酿期（50年代）1950年，美国MIT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1.2 计算机图形学的发展1.2.1计算机图形学的确立Date17第1章 绪论 萌芽期（60年代）1962年，美国MIT林肯实验室的Ivan.E.Sutherland发表了一篇题为“Sketchpad：一个人机通信的图形系统“的博士论文，其中首次使用了“Computer Graphics”Date18第1章 绪论 发展期（70年代） 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 提高增强期（90年代） 总体特征：技术发展、需求驱动Date19第1章 绪论 1958年，滚筒式绘图机诞生 1962年，Sutherland发表重要博士论文 1964年，Coons提出曲面拟合理论 70年代，光栅式图形显示器问世 1977年，提出第一个图形标准GKS 80年代，图形工作站，PC，Macintosh 90年代，互联网迅速发展，图形在非工业应用 超过在工业方面的应用图形学发展史上的几件大事Date20第1章 绪论1.2.2 硬设备的发展 图形显示设备60年代中期，随机扫描的显示器60年代后期，存储管式显示器70年代中期，光栅扫描的图形显示器。目前正向着小型化、低电压、数字化方向发展Date21第1章 绪论 图形硬拷贝设备打印机绘图仪 图形输入设备二维图形输入设备三维图形输入设备：空间球、数据手套Date22第1章 绪论1.2.3 图形软件的发展及软件标准的形成 图形软件的发展开放式、高效率、标准化、集成化、智能化、学科交叉 图形软件标准与设备无关、与应用无关、具有较高性能Date23第1章 绪论 近二十年中，国际标准化组织ISO已经批准和正在讨论的与计算机图形有关的标准有：GKS、GKS-3D、PHIGS、CGM、CGI、IGES、STEP 事实标准如SGI的OpenGL，微软的Direct X，Adobe的Postscript等 Date24第1章 绪论1.3 计算机图形学的应用一、计算机辅助设计与制造（CAD/CAM） Date25第1章 绪论二、科学计算可视化 研究如何将来自科学、工程、医学等领域的抽象数据用图形 表示的学科称为科学计算可视化。 用图形来表示大量数据计算的结果或中间过程。例如：科技工作者需要认真分析大量的计算结果以确定一个系统的描述；商业主管需要分析大量的统计数据以做出对未来商业行为的决策；医生需要面对大量的CT数据以确定病人体内是否发生病变及何处发 生病变；气象人员需要处理气象卫星传回的大批数据以绘出未来一段时间内 的天气变化趋势图。Date26第1章 绪论三、地理信息系统与制图 地理信息系统是建立在地理图形之上的关于人口分 布、矿藏分布、森林覆盖、土地利用、旅游资源、海 洋地理、地形地貌、山川河流分布、区域规划、城市 交通、管线管网等综合信息管理系统。 Date27第1章 绪论四、事务管理和办公自动化 无论是企业还是事业行政管理中，都存在着 大量的图表，如作业进程表、生产产量表、库 存表、销售统计图、生产计划表，以及统计分 析方面的各种图表。这些图表都可以用计算机 图形技术产生的直方图、饼图和折线图来表示 。在办公自动化方面，各国都非常重视。办公 自动化系统可以从联网的数据库中，取出所需 要的数据，用清晰明了的图表在屏幕上显示或 在打印机、绘图仪上输出。Date28第1章 绪论五、虚拟现实系统 虚拟现实又称为虚拟环境，是指由计算机实时生 成一个虚拟的三维空间。这个空间可以是小到分子、 原子的微观世界，或是大到天体的宏观世界，也可以 是类似于真实社会的生活空间。用户可以在这个三维 空间中“自由”地走动，随意地观察，并可以通过一 些特殊的设备与所处的虚拟景物进行交互操作。 交互是多通道的、自然的，用来传递的信息可以 是某个操作、一个手势、一个眼神，也可以是一个表 情等。在此环境中，用户看到的是由计算机生成的逼 真图像，听到的是虚拟环境中的声音，身体可以感受 到虚拟环境所反馈的作用力，由此产生身临其境的感 觉。Date29第1章 绪论Date30第1章 绪论六、过程控制和指挥系统 将各种实时过程的重要参数，如火箭的运行 状态，炼油厂、发电厂和电力系统送来的压力 、温度、电压、电流等数据传送到计算机，用 图形方式进行显示，管理人员对图形进行监控 ，并对异常情况作出调整。此外，现在大量的指挥系统，军用指挥、铁 路调度、机场指挥等系统，也用图形进行监视 与控制。Date31第1章 绪论七、计算机动画 为了产生连续的动画，每秒至少需要24帧画面。因 而，一部两小时的动画片就需要十几万张画面，如果 用传统的方式手工绘制，工作量是巨大的。 60年代制作动画片大闹天宫时，就花了几十 位动画工作者近两年的时间。 计算机图形技术来制作，一方面可以利用造型工 具创作出形象逼真的演员、场景，另一方面可以在关 键画面之间利用图形变换技术自动插入中间画面。 八、计算机辅助教学Date32第1章 绪论图案设计图案设计Date33第1章 绪论建筑模拟Date34第1章 绪论建筑模拟Date35第1章 绪论汽车曲面设计Date36第1章 绪论列车驾驶模拟Date37第1章 绪论列车驾驶模拟Date38第1章 绪论运动中的汽车变换成奔跑中的老虎 Date39第1章 绪论 1.5 计算机图形学的发展方向造型技术真实感生成技术人机交互技术实时图形生成技术Date40第1章 绪论 1.4 计算机图形系统1.4.1 计算机图形系统的功能 Date41第1章 绪论1.4.2 计算机图形系统的结构Date42第1章 绪论 1.5 计算机图形学研究动态 计算机动画中的运动 计算机动画的制作1.5.1 计算机动画 1.5.2 地理信息系统强调对图形和图象的空间分析和管理。 Date43第1章 绪论1.5.3 人机交互HCI是未来的计算机科学。我们已经花费了至少50年的时间来学习如何制造计算机以及如何编写计算机程序。下一个新领域自然是让计算机服务并适应于人类的需要，而不是强迫人类去适应计算机。-Dan R. Olsen(CMU)Date44第1章 绪论1.5.4 真实感图形显示真实感图形的生成：场景造型取景变换视域裁剪消除隐藏面可见面光亮度计算 Date45第1章 绪论1.5.5 虚拟(Virtual-reality)现实由计算机生成的一个实时三维空间。使用户产生一种身临其境的感觉。1.5.6 科学计算可视化（Visualization in Scientific Computing）“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”Date46第1章 绪论1.5.7 并行图形处理工作站网络（NOW，Network of Workstation）工作站机群（worksation cluster