計算機圖形學(xué)第一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五課程內(nèi)容概論計算機圖形設(shè)備交互式技術(shù)基本圖形生成算法幾何造型技術(shù)二維圖形變換及二維觀察三維圖形變換及三維觀察高級話題：曲線和曲面、真實感圖形顯示*第二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五教學(xué)要求了解圖形系統(tǒng)的框架及其涉及的軟件、硬件技術(shù)；了解圖形學(xué)的基本問題，掌握圖形學(xué)的基本概念、方法與算法；對與圖形相關(guān)的應(yīng)用及當(dāng)前的研究熱點有一個初步認識；具有一定實踐體會和相關(guān)的編程能力。

第三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五主要參考書目：蔡士杰等，計算機圖形學(xué)（第二版），電子工業(yè)出版社，2002。倪明田等，“計算機圖形學(xué)”，北京大學(xué)出版社，1999。DonaldHearn,M.PaulineBaker,“ComputerGraphics(CVersion)”,PrenticeHall,1997.南京大學(xué)出版社。第四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五課程考核方法平時成績10%：考勤、學(xué)習(xí)態(tài)度；上機實驗和作業(yè)30%；期末筆試60%；第五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五第一章緒論1、基本概念2、發(fā)展歷史3、應(yīng)用與研究前沿4、研究內(nèi)容簡述5、本章小結(jié)第一章緒論第六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五第一章緒論提出問題什么是計算機圖形學(xué)？計算機圖形學(xué)研究的對象是什么？計算機圖形處理系統(tǒng)的構(gòu)造？第一章緒論第七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五計算機圖形學(xué)及其相關(guān)概念定義：計算機圖形學(xué)（ComputerGraphics）是研究怎樣利用計算機來顯示、生成和處理圖形的原理、方法和技術(shù)的一門學(xué)科。IEEE定義：Computergraphicsistheartorscienceofproducinggraphicalimageswiththeaidofcomputer.第一章緒論第八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五計算機圖形學(xué)與傳統(tǒng)理論關(guān)系：計算幾何計算數(shù)學(xué)微分幾何形態(tài)學(xué)混沌學(xué)小波理論學(xué)科交叉界線模糊相互滲透第一章緒論第九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五計算機圖形學(xué)的研究對象－>圖形：通常意義上的圖形－－能夠在人的視覺系統(tǒng)中形成視覺印象的客觀對象都稱為圖形，包括自然景物、拍攝到的圖片、用數(shù)學(xué)方法描述的圖形等等計算機圖形學(xué)上的圖形－－從客觀世界物體中抽象出來的帶有顏色及形狀信息的可見圖形以及不可見的數(shù)學(xué)/幾何描述。第一章緒論第十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五圖形在計算機中的表示：點陣法 是用具有顏色信息的點陣來（枚舉）表示圖形的一種方法，它強調(diào)圖形由哪些點組成，并具有什 么灰度或色彩。圖像（Image）第一章緒論第十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五參數(shù)法－－是以計算機中所記錄圖形的形狀參數(shù)與屬性參數(shù)來表示圖形的一種方法。圖形（Graphics）形狀參數(shù)（幾何要素）－－方程或分析表達式的系數(shù)，線段的端點坐標(biāo)等屬性參數(shù)（非幾何要素）－－顏色、材質(zhì)、線型等直線A的端點為(x1,y1),(x2,y2)，紅色，實線，寬度2個象素第一章緒論第十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五計算機圖形學(xué)相關(guān)學(xué)科的比較：計算機圖形學(xué)－－試圖從非圖像形式的圖形數(shù)據(jù)描述來生成（逼真的）圖像。圖像模式識別－－類似計算機圖形學(xué)的逆問題，從既有圖像開始，將其變?yōu)槌橄蟮拿枋鰯?shù)據(jù)。第一章緒論第十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五（數(shù)字）圖像處理－－旨在對圖象進行各種加工以改善圖像的視覺效果：圖像取樣、量化以產(chǎn)生數(shù)字圖像，進行各種圖像變換；去噪，壓縮，特征增強第一章緒論第十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五特征數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)計算機圖形學(xué)模式識別計算機視覺圖象數(shù)字圖象處理第一章緒論圖形第十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五第一章緒論1、基本概念2、發(fā)展歷史3、應(yīng)用與研究前沿4、研究內(nèi)容簡述5、本章小結(jié)第一章緒論第十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五發(fā)展歷史?歷史追溯?硬件發(fā)展 圖形顯示器的發(fā)展 圖形輸入設(shè)備的發(fā)展?圖形軟件及軟件標(biāo)準的發(fā)展第一章緒論第十七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五二十世紀50年代（醞釀期）1950年，第一臺CRT，美國麻省理工學(xué)院（MIT）旋風(fēng)I號（WhirlwindI）計算機的顯示設(shè)備.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50年代末期美國戰(zhàn)術(shù)防空系統(tǒng)SAGE，CRT顯控臺，可交互。歷史追溯第一章緒論第十八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五60年代（萌芽期）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)”的博士論文確定了交互圖形學(xué)作為一個學(xué)科分支（提出基本交互技術(shù)、圖元分層表示概念及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)…)。1962年，雷諾汽車公司的工程師PierreBézier提出Bézier曲線、曲面的理論1964年MIT的教授S.A.Coons提出了超限插值的新思想，通過插值四條任意的邊界曲線來構(gòu)造曲面。第一章緒論第十九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五70年代（發(fā)展期）光柵圖形學(xué)區(qū)域填充、裁剪、消隱等基本圖形概念、及其相應(yīng)算法紛紛誕生圖形軟件標(biāo)準化ACM成立圖形標(biāo)準化委員會，制定“核心圖形系統(tǒng)”（CoreGraphicsSystem）ISO發(fā)布CGI、CGM、GKS-3D、PHIGS等工業(yè)界事實上的標(biāo)準OpenGL，DirectX，Postscript第一章緒論第二十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五真實感圖形學(xué)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1975年，Phong提出了著名的簡單光照模型-Phong模型實體造型技術(shù)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)第一章緒論第二十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五80年代（普及期）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)中圖形硬件和各個分支均在這個時期飛速發(fā)展，出現(xiàn)了帶有圖形顯示器的個人PC和工作站。第一章緒論第二十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五90年代（深入發(fā)展）微機和軟件系統(tǒng)的普及使得圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。標(biāo)準化、集成化、智能化多媒體技術(shù)、人工智能、科學(xué)計算可視化、虛擬現(xiàn)實三維造型技術(shù)第一章緒論第二十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五硬件發(fā)展圖形顯示器的發(fā)展60年代中期：畫線顯示器（亦稱矢量顯示器）需要刷新。設(shè)備昂貴，限制普及60年代后期：存儲管式顯示器，不需刷新，價格較低，缺點是不具有動態(tài)修改圖形功能，不適合交互式。第一章緒論第二十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五70年代初，刷新式光柵掃描顯示器出現(xiàn)，大大地推動了交互式圖形技術(shù)的發(fā)展。特點：以點陣形式表示圖形，使用專用的緩沖區(qū)存放點陣，由視頻控制器負責(zé)刷新掃描。第一章緒論第二十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五畫線顯示器（矢量顯示器/隨機掃描顯示器）存儲管式顯示器刷新式光柵掃描顯示器第一章緒論第二十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五硬件發(fā)展圖形輸入設(shè)備的發(fā)展第一階段：控制開關(guān)、穿孔紙等等第一章緒論第二階段：鍵盤未來發(fā)展：用戶的思維第三階段：二維定位設(shè)備，如鼠標(biāo)、光筆、圖形輸入板、觸摸屏等等，語音第四階段：三維輸入設(shè)備（如空間球、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣），用戶的手勢、表情等等第二十七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五第一章緒論第二十八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五第一章緒論第二十九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五

圖形軟件發(fā)展及軟件標(biāo)準形成三種類型的計算機圖形軟件系統(tǒng)發(fā)展：（1）用某種語言寫成的子程序包，如： GKS(GraphicsKernelSystem)PHIGS(Programmer’sHerarchicalInteractiveGraphicssystem)GL，OpenGL，DirectX

特點：平臺適應(yīng)性較好，便于移植和推廣；但執(zhí)行速度相對較慢（事實工業(yè)標(biāo)準得到硬件支持，基本上不存在這個問題）；使用不方便。第一章緒論第三十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五（2）擴充計算機語言，使其具有圖形生成和處理的功能，如：

TurboPascal、TurboC，AutoLisp等。

特點：簡練、緊湊、執(zhí)行速度快，但可移植性差。（3）專用圖形系統(tǒng)，如：AUTOCAD、3DSMAX特點：效率高，但系統(tǒng)開發(fā)量大，可移植性差。

圖形軟件發(fā)展及軟件標(biāo)準形成第一章緒論第三十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五發(fā)展歷程諸侯割據(jù)標(biāo)準討論標(biāo)準形成圖形軟件發(fā)展及軟件標(biāo)準形成第一章緒論第三十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五第一章緒論1、基本概念2、發(fā)展歷史3、應(yīng)用與研究前沿4、研究內(nèi)容簡述5、本章小結(jié)第一章緒論第三十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五圖形用戶界面介于人與計算機之間，人與機器的通信，人機界面（HCI）：軟件＋硬件發(fā)展：由指示燈和機械開關(guān)組成的操縱界面→由終端和鍵盤組成的字符界面（80年代）→由多種輸入設(shè)備和光柵圖形顯示設(shè)備構(gòu)成的圖形用戶界面（GUI）（90年代）：PC，工作站，WIMP(W-windows、I-icons、M-menu、P-pointingdevices)界面，所見即所得→VR技術(shù)（發(fā)展方向）第一章緒論第三十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）-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)計設(shè)計結(jié)果直接送至后續(xù)工藝進行加工處理，如波音777飛機的設(shè)計和加工過程；我國戰(zhàn)斗機FC－1的設(shè)計也采用了這種方法。第一章緒論第三十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五奧迪效果圖和線框圖第一章緒論第三十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五基于工程圖紙的三維形體重建定義：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：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)展方向計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）第一章緒論第三十七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五工程圖及其三維重建結(jié)果1第一章緒論第三十八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五工程圖及其三維重建結(jié)果2第一章緒論第三十九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五可視化科學(xué)計算可視化(ScientificVisualization)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）”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(dāng)中第一章緒論第四十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可視化有著廣闊的發(fā)展前途是機械手術(shù)和遠程手術(shù)的基礎(chǔ)將醫(yī)用CT掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維圖象，幫助醫(yī)生判別病人體內(nèi)的患處由CT數(shù)據(jù)產(chǎn)生在人體內(nèi)漫游的圖象可視化的前沿與難點可視化硬件的研究實時的三維體繪制體內(nèi)組織的識別分割——Segmentation第一章緒論第四十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五真實感圖形實時繪制與自然景物仿真計算機中重現(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)系等等第一章緒論第四十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五光照模型簡單光照模型局部光照模型整體光照模型繪制方法光線跟蹤輻射度加速算法包圍體樹、自適應(yīng)八叉樹等等真實感圖形實時繪制與自然景物仿真第一章緒論第四十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五基于位置相關(guān)的地理圖形的關(guān)于各種資源的綜合信息系統(tǒng)軍事國防，決策支持，旅游，資源調(diào)查等。數(shù)字地球，地形和地理數(shù)據(jù)作為載體的全球信息化.地理信息系統(tǒng)（GIS）第一章緒論第四十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五數(shù)字地球：1998年1月，美國副總統(tǒng)戈爾在美國地理信息系統(tǒng)年會上提出了這一設(shè)想。在數(shù)字地球技術(shù)的支持下。“一個小孩”可以虛擬的、同時又是“真實的”對全球感興趣區(qū)域、感興趣信息的進行發(fā)現(xiàn)和漫游。地理信息系統(tǒng)（GIS）第一章緒論第四十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五虛擬現(xiàn)實（VirtualReality簡稱VR）虛擬現(xiàn)實是用計算機技術(shù)來生成一個逼真的三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺等感覺世界，讓用戶可以從自己的視點出發(fā)，利用自然的技能和某些設(shè)備對這一生成的虛擬世界客體進行瀏覽和交互考察。特點：

三維真實的虛擬場景

自然的交換方式第一章緒論第四十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五

蘋果公司開發(fā)的新一代虛擬現(xiàn)實技術(shù)。它是一種基于靜態(tài)圖像處理的，在微機平臺上能夠?qū)崿F(xiàn)的初級虛擬現(xiàn)實技術(shù)。它的出現(xiàn)使得以往專業(yè)實驗室中成本昂貴的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用普及有了廣闊的前景。假定我們在一室空間進行觀察，室內(nèi)空間一般有六個面，如果我們獲取了這六個面的許多不同距離，不同方位的實景照片并將它們按照相互的關(guān)系有機連接起來，就可以在視覺上形成這個房間整個空間的整體認識，這就是全景概念。QuickTime技術(shù)第一章緒論第四十七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五●電腦游戲?qū)崟r性逼實性蘊含了先進的圖形處理技術(shù)●電視廣告，節(jié)目片頭，科教演示（CAI）●QuakeIII，“古墓麗影”，“侏羅紀公園”、“皇帝的新衣”、完美風(fēng)暴………●CAI.多媒體與娛樂第一章緒論第四十八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五當(dāng)前研究熱點物體網(wǎng)格模型的面片簡化：對網(wǎng)格面片表示的模型，在一定誤差的精度范圍內(nèi)，刪除對結(jié)果圖像貢獻小的點、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；基于圖象的繪制(IBR，ImageBasedRendering)：不先建立幾何模型；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)雜場景的生成漫游真實感圖形實時繪制第一章緒論第四十九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五野外場景遠遠復(fù)雜于室內(nèi)場景，繪制難度更大，方法更趨多樣化主要繪制山、水、云、樹、草、火等等繪制火的粒子系統(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野外自然景物的模擬第一章緒論第五十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五由清華大學(xué)自然景物平臺生成的野外場景第一章緒論第五十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五日本YoshinoriDobashi等人繪制的真實感云第一章緒論第五十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五Xfrog3.0生成的挪威云杉第一章緒論第五十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五用于模擬藝術(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中國國畫與書法的生成非真實感繪制（NPR，Non-PhotorealisticRendering）第一章緒論第五十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五GeorgesWinkenb1ach繪制的壺和碗(Siggraph’96)第一章緒論第五十五頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五Salisbury繪制的茶壺(Siggraph’97)第一章緒論第五十六頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五Salisbury繪制的熊(Siggraph’97)第一章緒論第五十七頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五OliverDeussen繪制的素描樹(Siggraph’2000)第一章緒論第五十八頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五遠程醫(yī)療與診斷遠程導(dǎo)航與維修遠程教育與計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的緊密結(jié)合研究第一章緒論第五十九頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五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商業(yè)、影視特技、娛樂、教育、軍事、飛行模擬。分類二維動畫（圖像變形，形狀混合）三維動畫：關(guān)鍵幀動畫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第一章緒論第六十頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五基于特征的圖象變形（貓變虎）第一章緒論第六十一頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五我國第一部利用計算機輔助攝制的動畫片是《咪咪釣魚》，1991年由北方工業(yè)大學(xué)和北京電視臺合作制作，以二維動畫為主。用386微機和C語言編程，利用數(shù)字化儀和攝象機產(chǎn)生關(guān)鍵幀，再由計算機在相鄰兩幅關(guān)鍵幀之間內(nèi)插生成中間幀，并自動跟蹤上色。多層畫面疊加在一起，形成完整的畫面。10分鐘的片子，5人小組花了10個月時間。第一章緒論第六十二頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五用戶接口界面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圖形學(xué)已經(jīng)全面融入計算機的方方面面，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人機界面（HCI)第一章緒論第六十三頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五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(dāng)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。第一章緒論第六十四頁，共七十三頁，編輯于2023年，星期五用計算機軟件從事藝術(shù)創(chuàng)作二維平面的畫筆程序（如CorelDraw，Photo