《计算机图形学》PPT课件.ppt

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1、计算机图形学Computer Graphics,金良兵 697297,从事与计算数学和应用数学相关的工作与科研的工具性学科 实验数据的显示 计算机模拟 计算机图形学是计算机能力要求的重要一项 论语曰：工欲善其事，必先利其器,课程性质,2,了解图形系统的框架、相关软件、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； 学习OpenGL编程。,教学要求和目标,3,熟练使用一门程序设计语言及其相应的编译环境： VC+ 6.0 以上 数据结构、STL（Standard Template Library） 解析几

2、何 线性代数 掌握OpenGL编程，作为图形API(Application Programming Interface, 应用程序编程接口),课程要求,4,1. 计算机图形学（第三版） Computer Graphics with openGL Donald Hearn, Pauline Baker 著 蔡士杰 吴春镕 孙正兴 等译蔡士杰审校 电子工业出版社 2. 计算机图形学原理及实践(C语言描述) James D.Foley 等 机械工业出版社 3. 交互式计算机图形学-自顶向下方法与OpenGL应用 Edward Angel 著 高等教育出版社,参考书,5,1. OpenGL编程指南 O

3、penGL Programming Guide, 6th edition 机械工业出版社翻译, 2008.8 2. OpenGL 2.0精髓 人民邮电出版社翻译 3. 网络资源 OpenGL： http:/www.opengl.org/ OpenGL+GLUT： ,软件参考资料,6,平时成绩：点名、书面作业等 10-15% 程序作业：用Visual C+编写 25-30% 期末考试：闭卷考试 60%,考核形式,7,计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形，并在专门显示设备上显示的原理、方法和技术的学科。 Computer graphics are graphics created usin

4、g computers and, more generally, the representation and manipulation of image data by a computer. (from wiki),第一章 计算机图形学综述,8,1.1 研究内容 1.2 发展历史 1.3 计算机图形学的应用 1.4 当前研究动态 1.5 图形设备与系统,本章内容,9,10,1.1 研究内容,1.1.1 图形的概念 1.1.2 图形要素 1.1.3 图形表示法 1.1.4 图形学研究内容 1.1.5 图形研究的例子 1.1.6 和相关学科的关系,11,1.1 研究内容,1.1.1 图形的概念

5、：计算机图形学的研究对象 能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象 包括自然景物、拍摄到的图片、用数学方法描述的图形等等 1.1.2 图形的要素 几何要素：刻画对象的轮廓、形状等 非几何要素：刻画对象的颜色、材质等 1.1.3 图形表示法 点阵表示 枚举出研究对象中所有的点,简称为图像。 参数表示 由研究对象的形状参数(方程或分析表达式的系数,线段的端点坐标等)+属性参数(颜色、线型等)来表示,简称为图形。,12,交互式计算机图形处理系统的组成 图形输入、输出设备以及图形显示原理 基本图形生成算法 图形变换与裁剪算法 自由曲线和曲面 三维实体造型 真实感图形显示技术 色彩科学的基本理论 计算机

6、动画显示技术 科学计算的可视化 图形的并行处理算法 交互式三维实时真实感图形显示 虚拟现实技术,1.1 研究内容,1.1.4 研究内容,13,1.1.5 图形研究的例子 图形的输入：如何开发利用图形输入设备及软件将图形输入到计算机中去，以便作各种处理。 图形的处理： 几何变换 平移,缩放,旋转 投影变换 平行投影,透视投影 运算（集合运算）交,并,差 着色 形变 图形的输出: 将图形特定的 表示形式转换成图形输出系统便 于接受的表示形式，并将图形在 显示屏或打印机等输出设备上输出,1.1 研究内容,人脸变形,14,1.1.6 与相关学科的关系,数字图像,数据模型,图像生成（计算机图形学）,模型

7、（特征）提取 （计算机视觉，模式识别）,模型变换 （计算几何）,图像变换 （图像处理）,发展特点: 交叉、界线模糊、相互渗透,1.1 研究内容,15,几何形体在计算机中的表示 分析、研究 建立几何形体的数学模型 提供高效算法 模型的存储和管理 曲线、曲面的表示、生成、拼接、数据拟合,1.1.6 与相关学科的关系,1.1 研究内容,16,对一幅连续图像取样、量化以产生 数字图像。 变换数字图像以方便处理。 滤去图像中的无用噪声。 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。,一个图象变形的例子,1.1.6 与相关学科的关系,1.1 研究内容,17,分析和识别输入的图像并从中提取二

8、维或三维的数据 模型（特征）。例如手写体识别、机器视觉。,一个模式识别的例子,1.1.6 与相关学科的关系,1.1 研究内容,18,1.2 发展历史,1.2.1 历史追溯 1.2.2 硬件发展 图形显示器的发展 图形输入设备的发展 1.2.3 图形软件及软件标准的发展 1.2.4 在我国的发展,19,1950年，MIT，旋风一号（Whirlwind I）计算机的图形显示器，类似于示波器的CRT来显示简单图形。 -CRT的出现为计算机生成和显示图形提供了可能。“被动”式图形学 20世纪50年代末期，MIT林肯实验室，在旋风计算机Whirlwind上开发SAGE空中防御系统，通过光笔在屏幕上指点与

9、系统交互。 -标志着交互式图形技术的诞生,1.2 发展历史_历史追溯,20,1962年MIT林肯室验室Ivan.E.Sutherland的博士论文：Sketchpad：一个人-机通信的图形系统 -确定了交互式计算机图形学作为一个学科分支的独立地位。 基本交互技术 图元的分层表示概念 数据结构 PS：Sutherland也是很多图形学 常用算法的创始人,1.2 发展历史_历史追溯,60年代：美国MIT、Bell Lab、 通用汽车公司、洛克希德公司、剑桥大学等开展了大规模的研究 70年代进入技术实用化 80年代初，图形学依然是较小的学科，原因是图 形硬件设备十分昂贵，且基于图形的应用相对较少 后

10、来，随着PC和工作站的出现，情况发生了变化 （位图图形学）,1.2 发展历史_历史追溯,22,画线显示器（矢量显示器/随机扫描显示器）,存储管式显示器,刷新式光栅扫描显示器,1.2 发展历史_硬件发展,图形显示器的发展 图形显示器是计算机图形学中关键的设备,23,图形显示器的发展 60年代中期：画线显示器 （亦称矢量显示器） 需要刷新。设备昂贵，限制普及。 60年代后期：存储管式显示器 不需刷新，价格较低，缺点是不具有动态修改图形功能，不适合交互式。 70年代初，刷新式光栅扫描显示器出现，大大地推动了交互式图形技术的发展。,1.2 发展历史_硬件发展,24,图形输入设备的发展 第一阶段：控制开

11、关、穿孔纸等等 第二阶段：键盘 第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏等等，语音 第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据手套、数据衣），用户的手势、表情等等 第五阶段：用户的思维,1.2 发展历史_硬件发展,25,数字手套,1.2 发展历史_硬件发展,26,三种类型的计算机图形软件系统： (1)用某种语言写成的子程序包 如:GKS (Graphics Kernel System) PHIGS （Programmers Herarchial Interactive Graphics System） OpenGL VTK (Visualization Toolkit 视觉化工具函

12、式库) 便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低 (2）扩充计算机语言，使其具有图形生成和处理的功能 如：Turbo Pascal、Turbo C，AutoLisp等。 简练、紧凑、执行速度快，但不可移植 (3）专用图形系统：效率高，但系统开发量大，可移植性差。,1.2 发展历史_软件发展及软件标准,发展历程,诸侯割据,标准讨论,标准形成,27,通用标准 GKS (第一个官方标准，1977) PHIGS 事实标准 DirectX (MS) Xlib (X-Window系统) OpenGL (SGI公司) Postscript （Adobe公司）,1.2 发展历史_软件发展及软件标准,28,开

13、始于60年代中后期，80年代以来，发展迅速: 硬件发展 软件开发和应用 学术活动 国内会议：CAD&CG 国际会议：Siggraph, Eurographics, Pacific Graphics 学术刊物 国内的应用,1.2 发展历史_在我国的发展,29,1.3 计算机图形学的应用,1.3.1 图形用户界面 1.3.2 CAD/CAM 1.3.3 科学计算可视化 1.3.4 事务管理 1.3.5 地理信息系统 1.3.6 多媒体 1.3.7 娱乐 1.3.8 计算机艺术 1.3.9 虚拟现实,30,1.3 计算机图形学的应用,1.3.1 图形用户界面 图形用户界面：介于人与计算机之间、人与机

14、器的通信。 发展过程：由指示灯和机械开关组成的操纵界面由终端和键盘组成的字符界面（80年代）由多种输入设备和光栅图形显示设备构成的图形用户界面（GUI），（90年代）PC，工作站，WIMP(W-windows、I-icons、M-menu、P-pointing devices)界面，所见即所得VR技术（发展方向）,31,由计算机发展决定： 科学计算型无处不在的计算机，人机融合，提高交互效率。,1.3 计算机图形学的应用,32,1.3.2 CAD/CAM,是图形学的主要应用领域之一。 建筑、机械结构和产品设计（结构分析和外形设计）、布局（各种管道，电子线路） 无纸设计。 产品： AutoCAD

15、Pro/E SolidWorks,1.3 计算机图形学的应用,33,1.3 计算机图形学的应用,34,1.3 计算机图形学的应用,35,1.3.3 科学计算可视化,科学计算可视化(Scientific Visualization) 必要性：直接分析大量的测量数据或统计数据有困难 目标：用图形表现抽象的数据 应用领域：医学 、遥感、流场、气象、核爆模拟、有限元分析 信息可视化：信息流量、商业统计数据、股市行情,1.3 计算机图形学的应用,36,1.3.3 科学计算可视化,1.3 计算机图形学的应用,37,1.3.3 科学计算可视化,1.3 计算机图形学的应用,38,1.3.3 科学计算可视化,1

16、.3 计算机图形学的应用,39,1.3.3 科学计算可视化,1.3 计算机图形学的应用,40,1.3.3 科学计算可视化,1.3 计算机图形学的应用,41,1.3.3 科学计算可视化,1.3 计算机图形学的应用,42,1.3.4 事务管理,绘制事务管理中的各种图形也是计算机图形学技术应用得最为广泛的领域之一。,1.3 计算机图形学的应用,43,1.3.4 事务管理,1.3 计算机图形学的应用,44,1.3.5 地理信息系统（GIS）,建立在地理图形之上的关于各种资源的综合信息管理系统. 数字地球，地形数据作为载体，（70）全球信息化. 军事，政府决策，旅游，资源调查。 计算机处理的常见媒体：文

17、本、图形、图像、语音、 音频、视频、动画。 在计算机控制下，对多种媒体信息进行生成、操作、 表现、存储、通信、或集成的信息系统。 特点：媒体的多样性、操作的交互性、系统的集成性。 CAI， 教学娱乐。,1.3 计算机图形学的应用,1.3.6 多媒体,45,1.3.7 娱乐,电脑游戏 实时性 逼实性 蕴含了先进的图形处理技术 电视广告、节目片头、科教演示（CAI） 3D-MAX 、 SOFTIMAGE 、 MAYA, 电视电影 动画片、泰坦尼克号、阿凡达,1.3 计算机图形学的应用,46,1.3.7 娱乐,1.3 计算机图形学的应用,47,1.3.7 娱 乐,1.3 计算机图形学的应用,48,1

18、.3.8 计算机艺术,Coreldraw, Photoshop 分形艺术 相片真实感模拟与自然媒体仿真技术 计算机动画,1.3 计算机图形学的应用,49,1.3.8 计算机艺术,1.3 计算机图形学的应用,50,1.3 计算机图形学的应用,1.3.8 计算机艺术,51,1.3.8 计算机艺术,1.3 计算机图形学的应用,52,1.3.8 计算机艺术,1.3 计算机图形学的应用,53,1.3.9 虚拟现实(Virtual Reality),Virtual Reality 或称虚拟环境（Virtual Environment) 是用计算机技术来生成一个 逼真的三维视觉、听觉、触觉 或嗅觉等感觉世界

19、，让用户可 以从自己的视点出发，利用自 然的技能和某些设备对这一生 成的虚拟世界客体进行浏览和 交互考察。 输入输出设备,1.3 计算机图形学的应用,54,在线虚拟现实：虚拟现实建模语言VRML,1.3 计算机图形学的应用,55,1.3 计算机图形学的应用,56,用粒子系统建立的火,造型技术 规则形体：欧氏几何方法 不规则形体： 分形几何方法 粒子系统 纹理映射,1.4 当前的研究动态,57,造型技术 (续) 实体造型 基于物理的造型 基于图像的造型 真实感图形绘制技术 光照明模型 绘制算法 快速算法 基于图像的绘制,1.4 当前的研究动态,58,人机交互技术 与计算机网络技术的紧密结合 远程

20、医疗与诊断 远程导航与维修 远程教育,1.4 当前的研究动态,59,1.5 图形系统与设备,1.5.1 图形输入设备 1.5.2 图形输出设备 1.5.3 图形绘制设备 1.5.4 图形处理器 1.5.5 图形系统与工作站 1.3.6 虚拟现实系统,按逻辑分为六种： 定位、笔划、数值、选择、拾取、字符串 常用设备： 鼠标器 光笔 触摸屏 坐标数字化仪 图形扫描仪,1.5.1 图形输入设备,60,阴极射线管（CRT） 彩色阴极射线管 随机扫描的图形显示器 存储管式的图形显示器 光栅扫描式图形显示器 液晶显示器（LCD：Liquid Crystal Display） 等离子显示器,1.5.2 图形

21、输出设备,61,喷墨打印机 压电式 气泡式 静电式 固体式 激光打印机 静电绘图仪 笔式绘图仪,1.5.3 图形绘制设备,62,简单图形处理器 单片图像处理器 个人计算机图形卡 XGA VGA 图形并行处理器 美国的J. Clark的几何驱动器GE,1.5.4 图形处理器,63,基本功能： 计算功能 存储功能 对话功能 输入功能 输出功能 个人计算机图形系统 工作站,1.5.5 图形系统与工作站,64,又称之为虚拟现实环境，是指由计算机生成的一个实时三维空间 系统构成 三维输入设备 跟踪器 头盔显示器 应用前景 军事、设计、医疗、远程教学、可视化,1.5.6 虚拟现实系统,65,小 结,1.1 研究内容 1.2 发展历史 1.3 计算机图形学的应用 1.4 当前研究动态 1.5 图形系统与设备,66,