2020年5月11日星期一,計算機圖形學(xué),2020年5月11日星期一,2,2020年5月11日星期一,3,課程代碼：08110310學(xué)分：3.5學(xué)時分配：理論教學(xué)：40學(xué)時；周學(xué)時：4學(xué)時；實驗上機：16學(xué)時課程性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課、學(xué)位課適用專業(yè)：計算機、數(shù)學(xué)、工業(yè)設(shè)計以及信息類等相關(guān)專業(yè)先修課程：先修課是C（C+）高級語言程序設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計算方法、微機原理、高等代數(shù)、數(shù)學(xué)分析、微分幾何等。開課學(xué)期：三年級第二學(xué)期考核方式：考試成績(60%)+平時成績(10%)+上機實驗(30%),課程簡介,2020年5月11日星期一,4,目的：通過本課程的學(xué)習，使學(xué)生能夠全面地掌握圖形圖象處理的原理、方法和技術(shù)，能充分理解圖形學(xué)中的各種基本算法在整個計算機圖形系統(tǒng)中的作用，對圖形系統(tǒng)有一個整體的概念。從而培養(yǎng)學(xué)生的計算機圖形處理能力，熟悉計算機圖形系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的設(shè)計、使用及組織，為學(xué)生畢業(yè)后從事計算機繪圖、計算機輔助設(shè)計、輔助教學(xué)、輔助工程、圖形處理等方面打下良好的基礎(chǔ)。要求：要求了解計算機圖形學(xué)的基本知識，包括：研究內(nèi)容、發(fā)展歷史、應(yīng)用與研究前沿等。并掌握計算機圖形系統(tǒng)的組成、圖形輸入輸出設(shè)備、圖形顯示設(shè)備、基本圖形的生成與計算、曲線與曲面的生成與計算、圖形變換技術(shù)、圖形交互技術(shù)以及C語言圖形程序設(shè)計基礎(chǔ)等基本內(nèi)容。經(jīng)過系統(tǒng)的理論學(xué)習和上機實驗操作，提高學(xué)生對圖形圖象系統(tǒng)的研究和開發(fā)能力。,教學(xué)目的和要求,2020年5月11日星期一,5,重點：計算機圖形學(xué)的定義、圖形圖象的定義，計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容，的應(yīng)用與研究前沿，計算機圖形系統(tǒng)，圖形輸入輸出設(shè)備，圖形顯示設(shè)備，C語言圖形程序設(shè)計基礎(chǔ)，基本圖形的生成與計算，曲線曲面的生成與計算，圖形變換技術(shù)以及圖形交互技術(shù)的原理等。難點：圖形圖象的定義與區(qū)別，的研究內(nèi)容，計算機圖形系統(tǒng)的組成，陰極射線管的基本原理，圖形顯示設(shè)備的工作原理和分類，語言圖形函數(shù)的使用，直線段和圓弧的生成算法、區(qū)域填充、字符的生成、反走樣技術(shù)、圖形裁剪，Bezier、B樣條曲線技術(shù)，Bezier、B樣條曲面技術(shù)，三維圖形的變換技術(shù)以及圖形交互技術(shù)等。,教學(xué)重點、難點,2020年5月11日星期一,6,1:計算機圖形學(xué),王汝傳、鄒北驥編著,北京:人民郵電出版社,2002.7.2:計算機圖形學(xué)（第四版）,孫家廣等編著,北京:清華大學(xué)出版社,2006.43:DavidF.Rogers.ProceduralElementsforComputerGraphics(SecondEdition)M.TheMcGraw-HillCompanies.2002.4:ComputerGraphics:PrinciplesandPractice,SecondEditioninCJamesD.FoleyAndriesvanDam、StevenK.FeninerJohnF.Hughes,PearsonEducationPress,2004.3.5:配套CAI課件：計算機圖形學(xué)PPT課件西安理工大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)系胡鋼制作更新時間：2009年春.,主講教材和參考書,2020年5月11日星期一,7,本章概述：本章主要介紹了計算機圖形學(xué)的基本概念、研究內(nèi)容、發(fā)展概況與應(yīng)用領(lǐng)域，以及計算機圖形系統(tǒng)的相關(guān)知識。,1,第,章,第一章計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)知識,2020年5月11日星期一,8,本章目錄,1.1計算機圖形學(xué)的基本概念1.2計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容1.3計算機圖形學(xué)的發(fā)展概況1.4計算機圖形學(xué)應(yīng)用與研究前沿1.5計算機圖形系統(tǒng)的組成1.6圖形輸入設(shè)備1.7圖形顯示設(shè)備與圖形處理器1.8圖形輸出設(shè)備,2020年5月11日星期一,9,本章重點、難點,本章重點1、計算機圖形學(xué)的基本概念2、計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容3、計算機圖形學(xué)應(yīng)用與研究前沿4、計算機圖形系統(tǒng)的組成5、圖形輸入、輸出設(shè)備與圖形顯示設(shè)備,本章難點1、計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容2、計算機圖形學(xué)的研究前沿3、計算機圖形系統(tǒng)的組成4、圖形顯示設(shè)備與圖形處理器,2020年5月11日星期一,10,本章學(xué)習目標,1.充分理解計算機圖形學(xué)的一些基本概念，如的定義、圖形與圖象的概念等。2.熟練掌握計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容。3.明確計算機圖形學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域與研究前沿。4.掌握計算機圖形系統(tǒng)的組成，包括系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、基本功能及其硬件性能要求。5.了解并掌握常用的圖形輸入與輸出設(shè)備。6.了解圖形顯示設(shè)備與圖形處理器。,2020年5月11日星期一,11,緒論,計算機圖形學(xué)(ComputerGraphics、簡稱CG)是研究計算機繪圖的一門學(xué)科，經(jīng)過30多年的發(fā)展，計算機圖形學(xué)已成為計算機科學(xué)中最為活躍的分支之一，并得到廣泛的應(yīng)用。它是隨著計算機硬件特別是圖形顯示設(shè)備的發(fā)展而逐漸產(chǎn)生發(fā)展起來的，并已滲入到生產(chǎn)、生活的各個方面。本章將介紹計算機圖形學(xué)的一些基本概念、研究內(nèi)容、發(fā)展歷史、應(yīng)用和圖形學(xué)前沿的發(fā)展方向，同時介紹一些圖形硬件的基本原理，使讀者對圖形學(xué)的有關(guān)內(nèi)容有個概括性的了解。,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,2020年5月11日星期一,12,1.1計算機圖形學(xué)的基本概念,本節(jié)我們主要介紹計算機圖形學(xué)的一些基本概念，包括：計算機圖形學(xué)的定義、圖形圖像的概念以及計算機圖形學(xué)的相關(guān)學(xué)科。,2020年5月11日星期一,13,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.1計算機圖形學(xué)的基本概念,人類用來表達和交流的方式有很多：語言文字、圖形圖象、肢體語言（手勢、點頭、眼神等）。圖作為交流與語言文字相比，有一些文字無法替代的優(yōu)勢：圖形圖像信息易于交流和理解。（語言受地域，國別的限制）圖形圖像信息精煉：一圖勝于言，百聞不如一見。圖形圖像表達精確：用語言描述一個人的外貌，總有信息丟失，拍照就不會產(chǎn)生信息丟失。圖形圖像表達直觀：形象，深刻。（書中除文字解釋外還配有插圖）,一、圖形圖像的概念（1.1.1）,2020年5月11日星期一,14,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.1計算機圖形學(xué)的基本概念,那在我們的現(xiàn)實生活中哪些是圖呢：人類眼睛看到的實物景象。（實體物3D）用攝像機等裝置獲得的圖片照片。（圖片2D）用繪圖儀繪制出來的工程圖、設(shè)計圖等。（圖紙）各種人工美術(shù)繪圖、雕塑等。(美術(shù)作品）用數(shù)學(xué)方法描述的圖形。（y=sin(x)函數(shù)曲線）雖然有人認為圖形與圖象兩個概念間的區(qū)別越來越模糊，但我們認為還是有區(qū)別的。1）圖形圖像的定義（1）圖形（Graphic）圖形也稱矢量圖形，簡稱矢量圖。一般由計算機結(jié)圖形,2020年5月11日星期一,15,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.1計算機圖形學(xué)的基本概念,應(yīng)用程序一起創(chuàng)建，通常由點、線、面、體等幾何元素（圖元）和灰度、色彩、線型、線寬等非幾何元素組成，內(nèi)部表示為這些圖元對象的集合。說明：1.所謂圖元是最簡單的圖形，如點、直線、曲線、圓、矩形等。圖元都由數(shù)學(xué)公式來表示，所存儲的也是數(shù)學(xué)公式中的參數(shù)值，例如圓可以用圓心和半徑表示等等。2.另外，圖元也可以是用多個圖形（簡單圖元）組成的一個帶有一定含義的組合圖元。組合圖元的各個圖元可以單獨地除去、添加、移動或修改。3.圖形含有幾何屬性，更強調(diào)場景的幾何表示，是由場景的幾何模型和景物物理屬性(非幾何屬性)共同組成的。,2020年5月11日星期一,16,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.1計算機圖形學(xué)的基本概念,（2）圖像（Image）圖像也稱點位圖，一般來源于現(xiàn)實和虛擬世界，是用攝像機或掃描儀等輸入設(shè)備捕捉實際場景畫面產(chǎn)生的數(shù)字圖像，其最小的可尋址的圖像元素為像素。說明：1.像素是圖像上一個個帶有亮度和顏色的的點，大量有序,2020年5月11日星期一,17,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.1計算機圖形學(xué)的基本概念,的點組成一幅離散化了的數(shù)字圖像。也就是說，圖像被分割為一個個離散的點，所以稱之為點位圖，簡稱位圖，從而圖像又可以看著是計算機內(nèi)以位圖(Bitmap)形式存在的灰度信息。2.圖像一般具有信息精煉、表達精確、表達直觀、易于交流和理解的優(yōu)點。2）矢量圖和位圖的比較及轉(zhuǎn)換（1）矢量圖和位圖的比較如下圖1-1所示，兩者之間的差異如下：,2020年5月11日星期一,18,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.1計算機圖形學(xué)的基本概念,圖1-1,2020年5月11日星期一,19,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.1計算機圖形學(xué)的基本概念,（2）矢量圖和位圖的轉(zhuǎn)化圖形和圖像之間的轉(zhuǎn)化主要包括文件在輸入/輸出設(shè)備之間的硬轉(zhuǎn)化和文件格式之間的軟轉(zhuǎn)化。硬轉(zhuǎn)化所謂硬轉(zhuǎn)化是指圖形和圖像之間通過輸入輸出設(shè)備實現(xiàn)相互之間的轉(zhuǎn)化。例如：有一張工程圖紙：如果用掃描儀將它掃描后導(dǎo)入Photoshop，那么它就變成圖像信息，因為掃描儀只能將圖紙上的畫面轉(zhuǎn)化成點位圖；如果用數(shù)字化儀輸入AutoCAD，那么它就變成圖形信息,因為數(shù)字化儀支持圖形輸入。這說明圖形和圖像間可以通過輸入設(shè)備來轉(zhuǎn)化。相同地，輸出時，如果將AutoCAD中的工程圖通過打印機,2020年5月11日星期一,20,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.1計算機圖形學(xué)的基本概念,，那么必須先對圖形進行點陣化，才能被打印機識別。這個過程就是圖形圖像間的硬轉(zhuǎn)化。如果用繪圖儀輸出，則無須轉(zhuǎn)化，因為繪圖儀支持圖形輸出。軟轉(zhuǎn)化所謂軟轉(zhuǎn)化是指利用圖形圖像處理軟件（應(yīng)用軟件）來轉(zhuǎn)化文件的格式。例如：將AutoCAD的DWG矢量圖轉(zhuǎn)化為BMP、GIF等格式點位圖就屬于圖形圖像之間的軟轉(zhuǎn)化。目前，提供圖形圖像之間軟轉(zhuǎn)化功能的應(yīng)用程序（軟件）有CorelDraw、Phot-oshop、ACDSee等。圖形圖像間的軟轉(zhuǎn)化和硬轉(zhuǎn)化在理論和實際中都是可行的，不過兩者間的轉(zhuǎn)化會造成一些細節(jié)的丟失或失真。,2020年5月11日星期一,21,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.1計算機圖形學(xué)的基本概念,二、計算機圖形學(xué)的定義（1.1.2）,什么是計算機圖形學(xué)呢？簡單地講，計算機圖形學(xué)是研究計算機繪圖的一門學(xué)科。但是這樣的定義并不科學(xué)規(guī)范，因為這樣容易使人們將計算機圖形學(xué)與計算機圖象處理（ImageProcessing）混淆。計算機圖形學(xué)所研究的圖形為從客觀世界的物體中抽象出來的帶有灰度或色彩及形狀的圖或形。根據(jù)國際標準化組織（ISO），對計算機圖形學(xué)作如下定義：計算機圖形學(xué)（ComputerGraphics、簡稱CG）是研究通過計算機將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并在專用的顯示設(shè)備上顯示的原理、方法和技術(shù)的學(xué)科，換句話說，是指利用計算機研究圖形的表示、生成、處理、顯示的學(xué)科。,2020年5月11日星期一,22,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.1計算機圖形學(xué)的基本概念,說明：1.IEEE定義：Computergraphicsistheartorscienceofproducinggraphicalimageswiththeaidofcomputer。2.它是建立在傳統(tǒng)的圖學(xué)理論、應(yīng)用數(shù)學(xué)及計算機科學(xué)基礎(chǔ)上的一門邊緣學(xué)科。特點：新興學(xué)科邊緣性學(xué)科與傳統(tǒng)理論密切聯(lián)系。圖形的具體應(yīng)用范圍很廣，但是從基本的處理技術(shù)看主要分為兩類：(1)一類是線條式，如工程圖、地圖、曲線圖表、電路的原理圖、曲面的線框圖等；(2)另一類是明暗圖(Shanding)，與照片相似，也就是通常所說的真實感圖形，如汽車、飛機、輪船等的外型設(shè)計以及各種藝術(shù)品造型設(shè)計等。如下圖1-2所示：,2020年5月11日星期一,23,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.1計算機圖形學(xué)的基本概念,明暗圖(Shanding),線條式,圖1-,2020年5月11日星期一,24,為了生成圖形，首先要有原始數(shù)據(jù)或數(shù)學(xué)模型，如工程人員構(gòu)思的草圖，飛機的總體方案模型，企業(yè)經(jīng)營的月統(tǒng)計資料等。這些數(shù)字化的輸入經(jīng)過計算機處理后變成圖形輸出。,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.1計算機圖形學(xué)的基本概念,計算機圖形學(xué)一個主要的目的就是要利用計算機產(chǎn)生令人賞心悅目的真實感圖形。同時，真實感圖形計算的結(jié)果有時以數(shù)字圖像的方式提供的，計算機圖形學(xué)也就和圖像處理有著密切的關(guān)系。,2020年5月11日星期一,25,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.1計算機圖形學(xué)的基本概念,三、計算機圖形學(xué)的的相關(guān)學(xué)科（1.1.3）,圖像處理(ImageProcessing)、模式識別（Patternrecognition）和計算機圖形學(xué)(ComputerGraphics)是計算機應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展的3個分支學(xué)科，他們之間有一定的區(qū)別和聯(lián)系。所謂區(qū)別是指：計算機圖形學(xué)：用計算機生成、處理和顯示圖形的學(xué)科；由幾何數(shù)據(jù)和幾何模型，利用計算機進行顯示并存儲，并可以進行修改、完善以及有關(guān)操作的過程；圖像處理：利用計算機及其它有關(guān)數(shù)字技術(shù)對客觀物體的影像施加某種運算和處理，從而達到某種預(yù)想的目的，如圖像的數(shù)字化、增強、恢復(fù)、編碼、分割、重建、分析、壓縮、傳輸?shù)?。如人體的CT掃描、X射線探傷等；,2020年5月11日星期一,26,模式識別：對所輸入的圖象進行分析和識別，找出其中蘊涵的內(nèi)在聯(lián)系或抽象模型。如郵政分檢設(shè)備掃描信件上手寫的郵政編碼，并將編碼用圖象復(fù)原成數(shù)字等；它們之間的關(guān)系如圖1.4和表1所示。,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.1計算機圖形學(xué)的基本概念,CG與其他相關(guān)學(xué)科的關(guān)系如圖1.5所示:,2020年5月11日星期一,27,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.1計算機圖形學(xué)的基本概念,表1：三個學(xué)科領(lǐng)域的異同,2020年5月11日星期一,28,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.1計算機圖形學(xué)的基本概念,說明：圖象處理、計算機視覺、模式識別、計算幾何與計算機圖形學(xué)都是與圖形信息處理有關(guān)的學(xué)科，由于光柵掃描圖形顯示器的廣泛使用以及各學(xué)科之間的相互滲透和溝通，它們之間的關(guān)系越來越密切，但是計算機圖形學(xué)仍起著基礎(chǔ)和核心的作用。,圖1.5計算機圖形學(xué)與其他相關(guān)學(xué)科之間的關(guān)系,2020年5月11日星期一,29,1.2計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容,如何在計算機中表示圖形、以及利用計算機進行圖形的計算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法，構(gòu)成了計算機圖形學(xué)的主要研究內(nèi)容。計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容非常廣泛，大體上包括以下幾個方面：（1）：幾何模型構(gòu)造技術(shù)（GeometricModelling）（2）：圖形生成技術(shù)（ImageSynthesis）（3）：圖形的操作和處理方法(PictureManipulation)（4）：圖形信息存儲、檢索與交換技術(shù)（5）：人機交互及用戶接口技術(shù)（6）：動畫技術(shù)。研究高速動畫的各種軟硬件方法、開發(fā)工具、動畫語言等。,2020年5月11日星期一,30,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容,（7）：圖形輸出設(shè)備與輸出技術(shù)。例如各種圖形顯示器（圖形卡、圖形終端、圖形工作站等）邏輯結(jié)構(gòu)的研究。實現(xiàn)高級圖形功能的專用芯片（ASIC）的開發(fā)，圖形硬拷貝設(shè)備（特別是彩色硬拷貝設(shè)備）的研究。（8）：圖形標準與圖形軟件包的技術(shù)開發(fā)。如制定一系列國際圖形標準，以滿足多方面圖形應(yīng)用軟件開發(fā)工作的需要，并使圖形應(yīng)用軟件擺脫對硬件設(shè)備的依賴，允許在不同系統(tǒng)之間方便的進行移值。由于我們著重面向相關(guān)專業(yè)本科生，而非研究生，所以我們著重討論與圖形生成技術(shù)、幾何模型構(gòu)造技術(shù)、圖形的操作和處理方法相關(guān)的原理與算法以及人機交互及用戶接口等技術(shù)。,2020年5月11日星期一,31,1.3計算機圖形學(xué)的發(fā)展概況,計算機圖形學(xué)是隨著計算機硬件特別是圖形顯示設(shè)備的發(fā)展而逐漸產(chǎn)生、發(fā)展起來的。因此它的發(fā)展包括硬件、軟件和算法三個方面的內(nèi)容。,2020年5月11日星期一,32,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.起步階段（50年代）1950年，第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學(xué)院（MIT）旋風I號（WhirlwindI）計算機的附件誕生了。該顯示器用一個類似于示波器的陰極射線管(CRT)來顯示一些簡單的圖形。1958年，美國Calcomp公司由聯(lián)機的數(shù)字記錄儀發(fā)展成滾筒式繪圖儀，GerBer公司把數(shù)控機床發(fā)展成為平板式繪圖儀。在整個50年代，只有電子管計算機，用機器語言編程，主要應(yīng)用于科學(xué)計算，為這些計算機配置的圖形設(shè)備僅具有輸出功能。計算機圖形學(xué)處于準備和醞釀時期，并稱之為：“被動式”圖形學(xué)。,一、計算機圖形學(xué)的發(fā)展（1.3.1）,1.3計算機圖形學(xué)的發(fā)展概況,2020年5月11日星期一,33,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,到50年代末期，MIT的林肯實驗室在“旋風”計算機上開發(fā)SAGE空中防御體系，第一次使用了具有指揮和控制功能的CRT顯示器，操作者可以用筆在屏幕上指出被確定的目標。與此同時，類似的技術(shù)在設(shè)計和生產(chǎn)過程中也陸續(xù)得到了應(yīng)用，它預(yù)示著交互式計算機圖形學(xué)的誕生。2.發(fā)展階段（60年代）1962年，MIT林肯實驗室的I.E.Sutherland發(fā)表了一篇題為“Sketchpad：一個人機交互通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文他在論文中首次使用了計算機圖形學(xué)“ComputerGraphics”這個術(shù)語，證明了交互計算機圖形學(xué)是一個可行的、有用的研究領(lǐng)域，從而確定了計算機圖形學(xué)作為一個嶄新的科學(xué)分支的獨立地位。,1.3計算機圖形學(xué)的發(fā)展概況,2020年5月11日星期一,34,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1962年，雷諾汽車公司的工程師PiBzier提出Bzier曲線、曲面的理論。成功地用于幾何外形設(shè)計，并開發(fā)了用于汽車外形設(shè)計的UNISURF系統(tǒng)。1964年MIT的教授StevenA.Coons提出了被后人稱為超限插值的新思想，通過插值四條任意的邊界曲線來構(gòu)造曲面。Coons方法和Bzier方法是CAGD最早的開創(chuàng)性工作。值得一提的是，計算機圖形學(xué)的最高獎是以Coons的名字命名的，而獲得第一屆（1983）和第二屆(1985)StevenA.Coons獎的，恰好是IvanE.Sutherland伊凡薩瑟蘭德和PierreBzier，這也算是計算機圖形學(xué)的一段佳話。,1.3計算機圖形學(xué)的發(fā)展概況,2020年5月11日星期一,35,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,3.成熟階段（70年代）光柵圖形學(xué)迅速發(fā)展70年代是計算機圖形學(xué)發(fā)展過程中一個重要的歷史時期。由于光柵顯示器的產(chǎn)生，在60年代就已萌芽的光柵圖形學(xué)算法，迅速發(fā)展起來，區(qū)域填充、裁剪、消隱等基本圖形概念、及其相應(yīng)算法紛紛誕生，圖形學(xué)進入了第一個興盛的時期，并開始出現(xiàn)實用的CAD圖形系統(tǒng)。真實感圖形學(xué)70年代，計算機圖形學(xué)另外兩個重要進展是真實感圖形學(xué)和實體造型技術(shù)的產(chǎn)生。1970年Bouknight提出了第一個光反射模型，1971年Gourand提出“漫反射模型插值”的思想，被稱為Gourand明暗處理。,1.3計算機圖形學(xué)的發(fā)展概況,2020年5月11日星期一,36,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1975年P(guān)hong提出了著名的簡單光照模型-Phong模型。這些可以算是真實感圖形學(xué)最早的開創(chuàng)性工作。實體造型技術(shù)從1973年開始，相繼出現(xiàn)了英國劍橋大學(xué)CAD小組的Build系統(tǒng)、美國羅徹斯特大學(xué)的PADL-1系統(tǒng)等一些實體造型系統(tǒng)。4.推廣階段（80年代至今）1980年Whitted提出了一個光透視模型-Whitted模型，并第一次給出光線跟蹤算法的范例，實現(xiàn)Whitted模型。1984年，美國Cornell大學(xué)和日本廣島大學(xué)的學(xué)者分別將熱輻射工程中的輻射度方法引入到計算機圖形學(xué)中;用輻射度方法成功地模擬了理想漫反射表面間的多重漫反射效果。,1.3計算機圖形學(xué)的發(fā)展概況,2020年5月11日星期一,37,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,光線跟蹤算法和輻射度算法的提出，標志著真實感圖形的顯示算法已逐漸成熟。80年代中期以來，超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，為圖形學(xué)的飛速發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。計算機運算能力的提高，圖形處理速度的加快，使得圖形學(xué)的各個研究方向得到充分發(fā)展，圖形學(xué)已廣泛應(yīng)用于動畫、科學(xué)計算可視化、CAD/CAM、影視娛樂等各個領(lǐng)域。5.ACMSIGGRAPH會議小知識全稱“theSpecialInterestGrouponComputerGraphicsandInteractiveTechniques”。60年代中期，由Brown大學(xué)的教授AndriesvanDam(Andy)和IBM公司的SamMatsa發(fā)起。1974年，在Colorado大學(xué)召開了第一屆SIGGRAPH年會，并取得了巨大的成功每年只錄取大約50篇論文。,1.3計算機圖形學(xué)的發(fā)展概況,2020年5月11日星期一,38,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.圖形軟件系統(tǒng)隨著計算機系統(tǒng)、圖形輸入、圖形輸出設(shè)備的發(fā)展，計算機圖形軟件及其生成、控制圖形的算法也有了很大的發(fā)展。近十幾年來，發(fā)展了多種不同類型的計算機圖形軟件系統(tǒng)，目前主要有以下幾種：用現(xiàn)有的某種高級語言寫成的子程序包。用戶使用該語言調(diào)用需要的子程序生成各種圖形，編程相對容易，靈活、正確使用的周期較長。在這類程序包的基礎(chǔ)上開發(fā)的圖形程序具有便于移植和推廣的優(yōu)點，但執(zhí)行速度相對較慢，效率較低。這類子程序包很多，例如圖形軟件標準化的典型規(guī)范GKS、PHIGS、OPENGLCORE文本等。,二、計算機圖形軟件及算法類型（1.3.2）,1.3計算機圖形學(xué)的發(fā)展概況,2020年5月11日星期一,39,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,將某種高級語言的功能加以擴充，使其具有圖形生成和處理功能。目前具有圖形生成和處理功能的高級語言很多，如TurboPascal、BASIC、TurboC、BorlandC+、Java等，即在相應(yīng)的高級語言中擴充了圖形生成及控制的語句或函數(shù)。這中方法的缺點是：實現(xiàn)起來工作量較大，難以移植；其優(yōu)點是：系統(tǒng)比較簡練、緊湊、執(zhí)行速度快。專用的圖形系統(tǒng)。對于某一種類型的設(shè)備，可以配置專用的圖形生成語言。其優(yōu)點是：功能強，執(zhí)行速度快，效率更高；缺點是：系統(tǒng)開發(fā)工作量大，功能差異大，難以移植。目前大多數(shù)繪圖儀都配備了相應(yīng)的圖形生成語言，如著名的有GL(GraphicsLanguage)語言、PL(PlotingLanguage)語言和Dxy語言,這些語言都是與設(shè)備有關(guān)，因此難以在不同的設(shè)備上使用。,1.3計算機圖形學(xué)的發(fā)展概況,2020年5月11日星期一,40,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,2.圖形的標準化為了克服上述矛盾，就要求產(chǎn)生一種可以通用的與設(shè)備無關(guān)的圖形軟件，即圖形軟件標準化問題。1974年，美國國家標準化局ANSI在ACMSIGGRAPH的一個與“與機器無關(guān)的圖形技術(shù)”的工作會議上，提出了制定有關(guān)標準的基本規(guī)則。此后ACM專門成立了一個圖形標準化委員會，開始制定有關(guān)標準。1977年美國計算機協(xié)會ACM提出了核心圖形系統(tǒng)CGS（CoreGraphicsSystem）規(guī)范。即原西德提出的圖形核心系統(tǒng)GKS（GraphicsKernelSystem）。ISO發(fā)布CGI、CGM、GKS、PHIGS等。制定標準的目的是考慮到程序的可移植性。當使用具體圖形設(shè)備時只要和這個“標準”的圖形系統(tǒng)做一個“接口”即可。,1.3計算機圖形學(xué)的發(fā)展概況,2020年5月11日星期一,41,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,3.圖形算法的分類計算機圖形學(xué)所涉及的算法十分豐富，圍繞著生成、表示物體的圖形圖形的準確性、真實性和實時性，其算法大致可以分為以下幾類。（1）基本圖形元素的生成（2）基本圖形元素的幾何變換、投影變換、窗口裁減（3）自由曲線和曲面（如擬和、拼接、分解、整體和局部修改等）（4）圖形元素（點、線、環(huán)、面、體）的求交及分類（5）隱藏線及隱藏面的消除與真實感的圖形顯示（6）中西文字型生成及變換（7）分形景物的生成（如山水、花草、煙霧等模糊景物的生成）（8）三維或高維數(shù)據(jù)場的可視化及虛擬現(xiàn)實（9）三維圖形的實時顯示及并行算法（10）虛擬現(xiàn)實環(huán)境的生成及其控制算法等。,1.3計算機圖形學(xué)的發(fā)展概況,2020年5月11日星期一,42,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,我國開展計算機設(shè)備和計算機輔助幾何設(shè)計方面的研究開始于20世紀年代中后期。到80年代以來，計算機圖形學(xué)無論在理論研究，還是在實際應(yīng)用的深度和廣度方面都取得了可喜的成績。在圖形設(shè)備方面：研制繪圖儀、數(shù)字化儀、圖形顯示器、鼠標等；如1970年我國成功研制了黑白光筆圖形顯示器75-1型，1976年又成功研制了彩色光筆圖形顯示器75-2型。軟件方面：有國家攻關(guān)、高技術(shù)項目及國家自然科學(xué)基金中的關(guān)于計算機圖形軟件研究的課題（如二維交互繪圖系統(tǒng)已進入商品化階段，三維幾何造型系統(tǒng)在國內(nèi)也有幾個比較實用的版本）；,三、計算機圖形學(xué)在我國的發(fā)展（1.3.3）,1.3計算機圖形學(xué)的發(fā)展概況,2020年5月11日星期一,43,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,學(xué)術(shù)刊物方面:在我國與計算機圖形學(xué)有關(guān)的學(xué)術(shù)刊物有計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報、工程圖學(xué)學(xué)報、計算機輔助工程、中國圖形圖象學(xué)報等。,1.3計算機圖形學(xué)的發(fā)展概況,2020年5月11日星期一,44,1.4計算機圖形學(xué)應(yīng)用與研究前沿,本節(jié)我們主要介紹計算機圖形學(xué)的一些基本應(yīng)用領(lǐng)域和研究前沿。,2020年5月11日星期一,45,計算機圖形學(xué)有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是近年來隨著對計算機圖形學(xué)原理的不斷研究和新技術(shù)的不斷產(chǎn)生，使得它深入到生產(chǎn)、科研、教學(xué)及生活等領(lǐng)域，目前主要應(yīng)用在如下領(lǐng)域：,1.計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）2.可視化3.圖形實時繪制與自然景物仿真4.計算機動畫5.用戶接口6.計算機藝術(shù)7.地理信息系統(tǒng)8.辦公自動化與電子印刷9.科學(xué)、技術(shù)及事物管理中的交互式繪圖10.過程控制及系統(tǒng)模擬11計算機輔助教學(xué),第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,一、計算機圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域（1.4.1）,2020年5月11日星期一,46,1.計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,CAD/CAM是計算機圖形學(xué)在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域。計算機圖形學(xué)被用來進行土建工程、機械結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的設(shè)計，包括：飛機、汽車、船舶的外形的設(shè)計發(fā)電廠、化工廠等的布局土木工程、建筑物的設(shè)計電子線路、電子器件的設(shè)計等。有時，著眼于產(chǎn)生工程和產(chǎn)品相應(yīng)結(jié)構(gòu)的精確圖形。然而更常用的是對所設(shè)計的系統(tǒng)、產(chǎn)品和工程的相關(guān)圖形進行人-機交互設(shè)計和修改，經(jīng)過反復(fù)的迭代設(shè)計，便可利用結(jié)果數(shù)據(jù)輸出零件表、材料單、加工流程和工藝卡，或者數(shù)據(jù)加工代碼的指令。,2020年5月11日星期一,47,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,在電子工業(yè)中，計算機圖形學(xué)應(yīng)用到集成電路、印刷電路板、電子線路和網(wǎng)絡(luò)分析等方面的優(yōu)勢是十分明顯的。一個復(fù)雜的大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路版圖根本不可能用手工設(shè)計和繪制，用計算機圖形系統(tǒng)不僅能進行設(shè)計和畫圖，而且可以在較短的時間內(nèi)完成，把其結(jié)果直接送至后續(xù)工藝進行加工處理。在飛機工業(yè)中，例如美國波音飛機公司已用有關(guān)的CAD系統(tǒng)實現(xiàn)波音777飛機的整體設(shè)計和模擬（無紙設(shè)計），其中包括飛機外型、內(nèi)部零部件的安裝和檢驗。在CAD/CAM中，常用軟件有AutoCAD,GHCAD,Pro/E,SolidWorks,UG,CATIA,MDT等。,2020年5月11日星期一,48,圖1.7奧迪效果圖和線框圖,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,2020年5月11日星期一,49,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,圖1.8,2020年5月11日星期一,50,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,圖1.9,2020年5月11日星期一,51,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進行異地異構(gòu)系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計，已經(jīng)成為CAD領(lǐng)域最熱門的課題之一。現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計已不再是一個設(shè)計領(lǐng)域內(nèi)孤立的技術(shù)問題，而是綜合了產(chǎn)品各個相關(guān)領(lǐng)域、相關(guān)過程、相關(guān)技術(shù)資源和相關(guān)組織形式的系統(tǒng)化工程。它要求設(shè)計團隊在合理的組織結(jié)構(gòu)下，采用群體工作方式來協(xié)調(diào)和綜合設(shè)計者的專長，并且從設(shè)計一開始就考慮產(chǎn)品生命周期的全部因素，從而達到快速響應(yīng)市場需求的目的，協(xié)同設(shè)計的出現(xiàn)使企業(yè)生產(chǎn)的時空觀發(fā)生了根本的變化。異地設(shè)計、異地制造、異地裝配成為可能，從而為企業(yè)在市場競爭中贏得了寶貴的時間。,2020年5月11日星期一,52,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,CAD領(lǐng)域另一個非常重要的研究領(lǐng)域是基于工程圖紙的三維形體重建。定義:三維形體重建就是從二維信息中提取三維信息，通過對這些信息進行分類、綜合等一系列處理，在三維空間中重新構(gòu)造出二維信息所對應(yīng)的三維形體，恢復(fù)形體的點、線、面及其拓撲關(guān)系，從而實現(xiàn)形體的重建。優(yōu)勢:三維幾何造型系統(tǒng)，因為可以做裝配件的干涉檢查、以及有限元分析、仿真、加工等后續(xù)操作，代表CAD技術(shù)的發(fā)展方向。說明：目前主要的三維形體重建算法是針對多面體和對主軸方向有嚴格限制的二次曲面體的。任意曲面體的三維形體重建，至今仍是一個未解決的世界難題。,2020年5月11日星期一,53,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,圖1.10-工程圖及其三維重建結(jié)果1,2020年5月11日星期一,54,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,圖1.11-工程圖及其三維重建結(jié)果2,2020年5月11日星期一,55,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,2.可視化,科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，海量的數(shù)據(jù)使得人們對數(shù)據(jù)的分析和處理變得越來越難，用圖形來表示數(shù)據(jù)的迫切性與日俱增。1986年，美國科學(xué)基金會（NSF）專門召開了一次研討會，會上提出了“科學(xué)計算可視化（VisualizationinScientificComputing）”的概念。第二年，美國計算機成像專業(yè)委員會向NSF提交了“科學(xué)計算可視化的研究報告”后，VISC就迅速發(fā)展起來了。目前科學(xué)計算可視化廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、流體力學(xué)、有限元分析、氣象分析當中。尤其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可視化有著廣闊的發(fā)展前途。依靠精密機械做腦部手術(shù)已經(jīng)由機械人和醫(yī)學(xué)專家配合做遠程手術(shù)是目前醫(yī)學(xué)上很熱門的課題，而這些技術(shù)的實現(xiàn)的基礎(chǔ)則是可視化。,2020年5月11日星期一,56,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,可視化技術(shù)將醫(yī)用CT掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維圖象，并通過一定的技術(shù)生成在人體內(nèi)漫游的圖象，使得醫(yī)生能夠看到并準確地判別病人體內(nèi)的患處，然后通過碰撞檢測一類的技術(shù)實現(xiàn)手術(shù)效果的反饋，幫助醫(yī)生成功完成手術(shù)。從目前的研究狀況來看，這項技術(shù)還遠未成熟，離實用還有一定的距離。主要難點在于生成人體內(nèi)漫游圖象的三維體繪制技術(shù)還沒有達到實時的程度，而且現(xiàn)在大多體繪制技術(shù)是基于平行投影的，而漫游則需要真實感更強的透視投影技術(shù)，然而體繪制的透視投影技術(shù)到還沒有很好地解決。另外在漫游當中還要根據(jù)CT圖象區(qū)分出不同的體內(nèi)組織，這項技術(shù)叫Segmentation。目前的Segmentation主要是靠人機交互來完成，遠未達到自動實時的地步。,2020年5月11日星期一,57,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,圖1.12-腦外科手術(shù)導(dǎo)航,2020年5月11日星期一,58,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,圖1.13-骨科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的實時顯示,2020年5月11日星期一,59,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,3.真實感圖形實時繪制與自然景物仿真,在計算機中重現(xiàn)真實世界的場景叫做真實感繪制。真實感繪制的主要任務(wù)是模擬真實物體的物理屬性，簡單的說就是物體的形狀、光學(xué)性質(zhì)、表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對位置、遮擋關(guān)系等等。其中光照和表面屬性是最難模擬的。為了模擬光照，已有各種各樣的光照模型。從簡單到復(fù)雜排列分別是：簡單光照模型、局部光照模型和整體光照模型。繪制方法有:1.模擬光實際傳播過程的光線跟蹤法，2.模擬能量交換的輻射度方法。除了建造計算機可實現(xiàn)的逼真物理模型外，真實感繪制還有一個研究重點是研究加速算法，力求能在最短時間內(nèi)繪制出最真實的場景。,2020年5月11日星期一,60,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,加速算法有:求交算法的加速、光線跟蹤的加速、包圍體樹、自適應(yīng)八叉樹等等。實時真實感繪制已經(jīng)成為當前真實感繪制的研究熱點，而當前真實感圖形實時繪制的兩個熱點問題則是物體網(wǎng)格模型的面片簡化和基于圖像的繪制（IBRImageBasedRendering）。1.網(wǎng)格模型的面片簡化：就是指對網(wǎng)格面片表示的模型，在一定誤差的精度范圍內(nèi)刪除點、邊、面，從而簡化所繪制場景的復(fù)雜層度，加快圖形繪制速度。2.基于圖象的繪制IBR：完全摒棄傳統(tǒng)的先建模，然后確定光源的繪制方法，它直接從一系列已知的圖象中生成未知視角的圖象，適用于野外極其復(fù)雜場景的生成和漫游。,2020年5月11日星期一,61,圖1.14-綜合色彩、光照、紋理的場景,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,2020年5月11日星期一,62,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,室內(nèi)場景的繪制,圖1.15,2020年5月11日星期一,63,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,野外自然景物的模擬。真實感繪制已經(jīng)從最初繪制簡單的室內(nèi)場景發(fā)展到現(xiàn)在大量模擬野外自然景物，比如繪制山、水、云、樹、火等等。特點：野外場景遠遠復(fù)雜于室內(nèi)場景，繪制難度更大，方法更趨多樣化。人們提出了多種方法來繪制這些自然景物，比如：繪制火和草的粒子系統(tǒng)（ParticleSystem），基于生理模型的繪制植物的方法，繪制云的細胞自動機方法等。也出現(xiàn)了一些自然景物仿真繪制的綜合平臺，如德國Lintermann和Deussen的繪制植物的平臺Xforg，以及清華大學(xué)自主開發(fā)的自然景物設(shè)計平臺。,2020年5月11日星期一,64,圖1.16-由清華大學(xué)自然景物平臺生成的野外場景,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,2020年5月11日星期一,65,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,圖1.17,室外自然景觀的繪制,2020年5月11日星期一,66,圖1.18-日本YoshinoriDobashi等人繪制的真實感云,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,2020年5月11日星期一,67,圖1.19-Xfrog3.0,生成的挪威云杉,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,2020年5月11日星期一,68,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,4.計算機動畫,隨著計算機圖形學(xué)和計算機硬件的不斷發(fā)展，人們已經(jīng)不滿足于僅僅生成高質(zhì)量的靜態(tài)場景，于是計算機動畫就應(yīng)運而生。事實上計算機動畫也只是生成一幅幅靜態(tài)的圖象，但是每一幅都是對前一幅做一小部分修改（如何修改便是計算機動畫的研究內(nèi)容），這樣，當這些畫面連續(xù)播放時，整個場景就動起來了。計算機動畫內(nèi)容豐富多彩，生成動畫的方法也多種多樣，比如:基于特征的圖象變形，二維形狀混合，軸變形方法、三維自由形體變形(FFD,Free-FormDeformation)等。,2020年5月11日星期一,69,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,計算機動畫的分類：二維動畫:-圖象變形-形狀混合-軸變形方法三維動畫:-關(guān)鍵幀動畫-自由變形物體的動畫-過程動畫-關(guān)節(jié)動畫與人體動畫計算機動畫近十多年來取得了很大的發(fā)展，已滲透到人們生活的各個角落。20世紀90年代是計算機動畫應(yīng)用輝煌的十年。Disney公司每年都要出一部制作精美的卡通動畫片，好萊塢的大片屢屢大量運用計算機生成各種各樣精彩絕倫的特技效果，廣告設(shè)計、電腦游戲、教育、軍事、飛行模擬也頻頻運用計算機動畫。計算機動畫也因這些商業(yè)應(yīng)用的大力推動而有了極大的發(fā)展。制作軟件：MAYA,3D-MAX,SOFTIMAGE,Flash,2020年5月11日星期一,70,圖1.20-基于特征的圖象變形（貓變虎）,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,2020年5月11日星期一,71,1,2,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,圖1.21-利用參數(shù)關(guān)鍵幀技術(shù)動化生成的小狗動態(tài)圖,2020年5月11日星期一,72,3,4,5,6,7,8,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,2020年5月11日星期一,73,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,圖1.22-由三維FFD操作得到的魚的變形圖,注：FFD表示自由形體變形,2020年5月11日星期一,74,3D射擊游戲例子,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,2020年5月11日星期一,75,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,計算機動畫視頻,2020年5月11日星期一,76,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,5.用戶接口,用戶接口是人們使用計算機的第一觀感。一個友好的圖形化的用戶界面能夠大大提高軟件的易用性。在DOS時代，計算機的易用性很差，編寫一個圖形化的界面要費去大量的勞動，過去傳統(tǒng)的軟件中有60的程序是用來處理與用戶接口有關(guān)的問題和功能的。進入80年代后，隨著Xwindow標準的提出，蘋果公司圖形化操作系統(tǒng)的推出，特別是微軟公司W(wǎng)indows操作系統(tǒng)的普及，標志著圖形學(xué)已經(jīng)全面融入計算機的方方面面。如今在任何一臺普通計算機上都可以看到圖形學(xué)在用戶接口方面的應(yīng)用。操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件中的圖形、動畫比比皆是，程序直觀易用。很多軟件幾乎可以不看任何說明書，而根據(jù)它的圖形、或動畫界面的指示進行操作。,2020年5月11日星期一,77,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,目前幾個大的軟件公司都在研究下一代用戶界面，開發(fā)面向主流應(yīng)用的自然、高效多通道的用戶界面。研究多通道語義模型、多通道整合算法及其軟件結(jié)構(gòu)和界面范式是當前用戶界面和接口方面研究的主流方向，而圖形學(xué)在其中起主導(dǎo)作用。計算機軟件從事藝術(shù)創(chuàng)作。可用于美術(shù)創(chuàng)作的軟件很多，例如：1）二維平面的畫筆程序（如CorelDraw，Photoshop，PaintShop）；2）專門的圖表繪制軟件（如Visio）；3）三維建模和渲染軟件包（如3DMAX，Maya）、以及一些專門生成動畫的軟件（如Alias，Softimage）等。,6.計算機藝術(shù),2020年5月11日星期一,78,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,優(yōu)點：提供多種風格的畫筆畫刷。提供多種多樣的紋理貼圖，甚至能對圖象進行霧化，變形等操作。可以任意修改，取消敗筆。不足：無法達到傳統(tǒng)繪畫中風格化的藝術(shù)效果。很難得到有素描效果、油畫效果的藝術(shù)品。比如鋼筆素描的效果，中國毛筆書法的效果，而且在傳統(tǒng)繪畫中有許多個人風格化的效果也是上述軟件所無法企及的。然而圖形學(xué)工作者們是不甘失敗的，就在真實感圖形學(xué)如火如荼發(fā)展的同時，模擬藝術(shù)效果的非真實感繪制（NPRNon-PhotorealisticRendering）也在逐漸發(fā)展。,2020年5月11日星期一,79,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,非真實感繪制。鋼筆素描是非真實感繪制的一個重要內(nèi)容，目前仍然是一個非常活躍的研究領(lǐng)域。用于模擬藝術(shù)效果，研究方法有別于真實感圖形學(xué)。鋼筆素描的生成：鋼筆素描產(chǎn)生于中世紀，從19世紀開始成為一門藝術(shù)，20世紀90年代開始研究用計算機模擬鋼筆素描。由于鋼筆素描與傳統(tǒng)圖形學(xué)繪制方法差別很大，所以研究起來難度頗大，但很多學(xué)者已經(jīng)在這方面做了卓有成效的工作，如華盛頓大學(xué)的GeorgesWinkenbach，MichaelP.Salisbury，德國Magdeburg大學(xué)的OliverDeussen等人都在Siggraph(SpecialInterestGrouponComputerGraphics)會議上發(fā)表了高水平的論文。中國國畫與書法的生成。,2020年5月11日星期一,80,圖1.23-GeorgesWinkenb1ach繪制的壺和碗(Siggraph96),第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,2020年5月11日星期一,81,圖1.24-Salisbury繪制的茶壺(Siggraph97),第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,2020年5月11日星期一,82,圖1.25-Salisbury繪制的熊(Siggraph97),第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,2020年5月11日星期一,83,圖1.26-OliverDeussen繪制的素描樹(Siggraph2000),第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,2020年5月11日星期一,84,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,計算機藝術(shù)圖片,2020年5月11日星期一,85,地理信息系統(tǒng)是建立在地理圖形基礎(chǔ)上的信息管理系統(tǒng),目前已經(jīng)在許多國家得到廣泛的應(yīng)用。在圖形技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及管理信息相結(jié)合的地理信息系統(tǒng)（GIS）中，圖形學(xué)起著核心和控制的作用。,圖形顯示技術(shù)在辦公自動化和事物處理中的使用，有助于數(shù)據(jù)及其相互關(guān)系的有效表達，因而有利于人們進行正確的決策。,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,7.地理信息系統(tǒng),8.辦公自動化與電子印刷,2020年5月11日星期一,86,應(yīng)用圖形學(xué)最多的領(lǐng)域之一是繪制事務(wù)管理中的各種圖形，如統(tǒng)計數(shù)據(jù)的二維及三維圖形、直方圖、線條圖、表示百分比的扇形圖等等，還可以繪制工作進程圖、庫存和生產(chǎn)進程圖以及大量的其它圖形。所有這些都以簡明的形式呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)的模型和趨勢以增加對復(fù)雜現(xiàn)象的理解，并促進決策的制定。,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,9.科學(xué)、技術(shù)及事物管理中的交互式繪圖,2020年5月11日星期一,87,用戶利用計算機圖形學(xué)實現(xiàn)與其控制或管理對象間的相互作用。例如石油化工、金屬冶煉、電網(wǎng)控制的有關(guān)人員可以根據(jù)設(shè)備關(guān)鍵部位的傳感器送來的圖形和數(shù)據(jù)，對設(shè)備運行過程進行有效的監(jiān)視和控制；機場的飛行控制人員和鐵路的調(diào)度人員可通過計算機產(chǎn)生運行狀態(tài)信息來有效、迅速、準確地調(diào)度，調(diào)整空中交通和鐵路運輸。,計算機圖形學(xué)已廣泛地應(yīng)用與計算機輔助教學(xué)系統(tǒng)中，它可以使教學(xué)過程形象、直觀、生動，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習興趣和教學(xué)效果。隨著微型計算機在家庭的普及，計算機輔助教學(xué)將深入到家庭和幼兒教育，并得到迅猛發(fā)展。,第1章計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識,1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用與研究前沿,10.過程控制及系統(tǒng)模擬,11.計算機輔助教學(xué),2020年5月11日星期一,88,計算機圖形學(xué)研究的內(nèi)容很多，當前這一領(lǐng)域主要研究的前沿課題有如下幾個方面：（）造型技術(shù)