1、計算機圖形學計算機圖形學信息科學與工程學院信息科學與工程學院 主講：程經緯主講：程經緯 講師講師引引 言言IEEE 和和ACM的的“計算機學科教學計劃計算機學科教學計劃2001”：21世紀計算機學科：世紀計算機學科：n 算法與分析（算法與分析（AL）n體系結構（體系結構（AR）n離散結構（離散結構（DS）n計算科學（計算科學（CN）n圖形學、圖形學、可視化、多可視化、多媒體（媒體（GR）n網格計算（網格計算（NC）n 人機交互（人機交互（HC）n 信息管理（信息管理（IM）n 智能系統（智能系統（IS）n 操作系統（操作系統（OS）n 程序設計基礎（程序設計基礎（PF）n 程序設計語言（程序設

2、計語言（PL）n 軟件工程軟件工程(SE)v緒論緒論v用戶接口及交互式技術用戶接口及交互式技術v圖形的表示與數據結構圖形的表示與數據結構v基本圖形生成算法基本圖形生成算法v二維圖形變換及二維觀察二維圖形變換及二維觀察v三維圖形變換及三維觀察三維圖形變換及三維觀察v曲線與曲面曲線與曲面v真實感圖形繪制真實感圖形繪制課程內容課程內容掌握計算機圖形學的基礎理論知識掌握計算機圖形學的基礎理論知識；了解圖形系統的框架及其涉及的軟件、硬了解圖形系統的框架及其涉及的軟件、硬件技術；件技術； 了解圖形學的基本問題，掌握圖形學的基了解圖形學的基本問題，掌握圖形學的基本概念、方法與算法；本概念、方法與算法； 具有

3、一定實踐體會和相關的編程能力；具有一定實踐體會和相關的編程能力；對圖形學的一些熱門研究問題有一定了解。對圖形學的一些熱門研究問題有一定了解。課課 程程 要要 求求教材：教材： 陸楓、何云峰編著. “計算機圖形學基礎”(第2版)，電子工業出版社參考資料參考資料 孫家廣等編. 計算機圖形學. 清華大學出版社, 2003. J. D. Foley, et al, Computer Graphics Principles and Practice, 2nd Ed. In C, 1999. 計算機圖形學原理及實踐C語言描述，機械工業出版社 唐榮錫等. 計算機圖形學教程. 科學出版社, 2000. 課程安

4、排課程安排 總學時：總學時：3232學時學時 周學時：上課周學時：上課 4 4 （1-81-8周）周） 最后最后1 1次課次課 考試考試 考試方式：開卷筆試考試方式：開卷筆試 考核成績：筆試考核成績：筆試+ +作業作業+ +點名點名第一章第一章 緒緒 論論1.1 1.1 圖形學相關概念及學科特點圖形學相關概念及學科特點1.2 1.2 圖形學發展歷史圖形學發展歷史1.3 1.3 計算機圖形系統計算機圖形系統1.4 1.4 圖形系統應用與發展動態圖形系統應用與發展動態1.1 1.1 圖形學相關概念及學科特點圖形學相關概念及學科特點關于計算機圖形學的不同定義：l IEEE定義：Computer gr

5、aphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer.l 德國的Wolfgang K Giloi定義:圖形學由數據結構、圖形算法和語言構成。l 美國的James Foley定義:計算機圖形學是運用計算機產生、存儲、處理物體的物理模型和它們的畫面的一門學的一門學科科。計算機圖形學（Computer Graphics） 計算機圖形學是研究怎樣利用計算機來顯示、產生、存儲和處理圖形的原理、方法和技術的一門學科。1.1.計算機圖形學的概念計算機圖形學的概念計算機圖形學的研究對象計算機圖形學

6、的研究對象圖形（廣義）圖形（廣義）對圖像、圖片、繪圖、照片、插圖等的統稱。對圖像、圖片、繪圖、照片、插圖等的統稱。從客觀世界物體中抽象出來的帶有顏色信息及形狀從客觀世界物體中抽象出來的帶有顏色信息及形狀信息的圖和型。信息的圖和型。構成圖形的要素構成圖形的要素幾何要素：刻畫對象的輪廓、形狀等幾何要素：刻畫對象的輪廓、形狀等非幾何要素：刻畫對象的顏色、材質等非幾何要素：刻畫對象的顏色、材質等1.1 1.1 相關概念及學科特點相關概念及學科特點2. 2. 圖形的概念圖形的概念點陣表示點陣表示 枚舉出圖形中所有的點枚舉出圖形中所有的點( (強調圖形由點構成強調圖形由點構成) ) 簡稱為簡稱為圖像圖像（

7、數字圖像）（數字圖像）參數表示參數表示 由圖形的形狀參數由圖形的形狀參數( (方程或表達式的系數，線段的方程或表達式的系數，線段的端點坐標等端點坐標等)+)+屬性參數屬性參數( (顏色、線型等顏色、線型等) )來表示圖來表示圖形形 簡稱為簡稱為圖形（狹義）圖形（狹義）1.1 1.1 相關概念及學科特點相關概念及學科特點3. 3. 圖形的表示方法圖形的表示方法 綜合性綜合性 圖形學理論、現代數學、計算機科學、形態學、圖形學理論、現代數學、計算機科學、形態學、分形混沌學、小波理論等等分形混沌學、小波理論等等 學科交叉性學科交叉性計算機圖形學、計算機圖形學、 數字圖像處理數字圖像處理、計算幾何計算幾

8、何、計計算機視覺及模式識別算機視覺及模式識別等。等。相關學科之間關系相關學科之間關系1.1 1.1 相關概念及學科特點相關概念及學科特點4.4.計算機圖形學的學科特點計算機圖形學的學科特點旨在對圖像進行各種加工以改善圖像的視覺效果。旨在對圖像進行各種加工以改善圖像的視覺效果。 研究如何對一幅連續圖像取樣、量化以產生數字圖像 如何對數字圖像做各種變換以方便處理 如何濾去圖像中的無用噪聲 如何壓縮圖像數據以便存儲和傳輸，圖像邊緣提取，特征增強和提取。相關學科介紹：相關學科介紹：數字圖像處理數字圖像處理研究幾何模型和數據處理的學科。研究幾何模型和數據處理的學科。討論幾何形體的計算機表示、分析和綜合討

9、論幾何形體的計算機表示、分析和綜合研究如何方便靈活、有效地建立幾何形體的數學研究如何方便靈活、有效地建立幾何形體的數學模型模型研究如何在計算機中更好地存貯和管理這些模型研究如何在計算機中更好地存貯和管理這些模型數據數據 相關學科介紹：相關學科介紹：計算幾何計算幾何是研究用計算機來模擬生物視覺或宏觀視覺功能是研究用計算機來模擬生物視覺或宏觀視覺功能的科學和技術。的科學和技術。圖形學的逆過程圖形學的逆過程，分析和識別輸入的圖像并從中，分析和識別輸入的圖像并從中提取二維或三維的數據模型（特征）。提取二維或三維的數據模型（特征）。手寫體識別、機器視覺手寫體識別、機器視覺。相關學科介紹：相關學科介紹：計

10、算機視覺及模式識別計算機視覺及模式識別相關學科關系相關學科關系數數字字圖圖像像數數據據模模型型計算機圖形學計算機圖形學（圖像生成）（圖像生成）（模型或特征提取）（模型或特征提取）計算機視覺、模式識別計算機視覺、模式識別計算幾何計算幾何（模型變換）（模型變換）（圖像變換）（圖像變換）圖像處理圖像處理幾何形體的計算幾何形體的計算機表示、有效地機表示、有效地建立幾何形體的建立幾何形體的數學模型數學模型對圖像進行增強、對圖像進行增強、復原、分割、重復原、分割、重建、存儲、壓縮、建、存儲、壓縮、編碼編碼從非圖像形式的數據描從非圖像形式的數據描述來生成（逼真）圖像述來生成（逼真）圖像圖形學的逆過程，分析和

11、識別輸圖形學的逆過程，分析和識別輸入的圖像并從中提取二維或三維入的圖像并從中提取二維或三維的數據模型（特征）；手寫體識的數據模型（特征）；手寫體識別、機器視覺別、機器視覺1.2 1.2 圖形學發展歷史圖形學發展歷史1.1.醞釀期（醞釀期（5050年代）年代）1950年，美國年，美國MIT的旋風的旋風1號號(Whirlwind I)計算機配備了陰極射線管計算機配備了陰極射線管(CRT)來顯示來顯示一些簡單的圖形。一些簡單的圖形。 -CRT的出現為計算機生成和顯示圖形的出現為計算機生成和顯示圖形提供了可能提供了可能50年代末期，年代末期，MIT林肯實驗室，在林肯實驗室，在Whirlwind上開發上

12、開發SAGE空中防御系統，通空中防御系統，通過光筆在屏幕上指點與系統交互。過光筆在屏幕上指點與系統交互。-標志著交互式圖形技術的誕生標志著交互式圖形技術的誕生1.2 1.2 圖形學發展歷史圖形學發展歷史2.2.萌芽期（萌芽期（6060年代）年代）v1962年年MIT林肯室驗室林肯室驗室Ivan.E.Sutherland的的博士論文博士論文Sketchpad：一個人機通信的圖形系：一個人機通信的圖形系統統中首次使用術語中首次使用術語“Computer Graphics”。 -確立了計算機圖形學的學科地位確立了計算機圖形學的學科地位v硬件設備的發展硬件設備的發展60年代中期年代中期隨機掃描的顯示器

13、，需要刷隨機掃描的顯示器，需要刷新新,設備昂貴，限制普及。設備昂貴，限制普及。60年代后期年代后期存儲管式顯示器，不需刷新存儲管式顯示器，不需刷新,價格較低；但不具有動態顯示圖形功能，不價格較低；但不具有動態顯示圖形功能，不適合交互。適合交互。1.2 1.2 圖形學發展歷史圖形學發展歷史3.3.發展期（發展期（7070年代）年代）v7070年代，美國洛克德飛機公司用于飛機設計的交互年代，美國洛克德飛機公司用于飛機設計的交互式圖形處理系統式圖形處理系統 （CADAM） 應用計算機顯示技術和交互技術的時期到來應用計算機顯示技術和交互技術的時期到來。v 硬件設備的發展硬件設備的發展基于電視技術的光柵

14、掃描顯示器出現極大地推動了基于電視技術的光柵掃描顯示器出現極大地推動了計算機圖形學的發展。計算機圖形學的發展。以點陣形式表示圖形，使用專用的緩沖區存放點陣，以點陣形式表示圖形，使用專用的緩沖區存放點陣，由視頻控制器負責刷新掃描由視頻控制器負責刷新掃描v軟件的發展軟件的發展 眾多商品化圖形軟件出現，眾多商品化圖形軟件出現，CAD成為工業設計部門成為工業設計部門不可缺少的工具和技術不可缺少的工具和技術1.2 1.2 圖形學發展歷史圖形學發展歷史4.4.普及期（普及期（8080年代）年代）v80年代，出現了帶有光柵圖形顯示器的個年代，出現了帶有光柵圖形顯示器的個人計算機和工作站人計算機和工作站極大地

15、促進了計算機圖形學的發展。極大地促進了計算機圖形學的發展。v軟件發展軟件發展圖形軟件和支持圖形應用的操作系統全面圖形軟件和支持圖形應用的操作系統全面出現，如出現，如Windows、AutoCAD、CorelDRAW、3DStudio等等1.2 1.2 圖形學發展歷史圖形學發展歷史1.2 1.2 圖形學發展歷史圖形學發展歷史5.5.提高增強期（提高增強期（9090年代）年代）v9090年代，多媒體技術、人工智能及專家系統年代，多媒體技術、人工智能及專家系統技術的結合技術的結合v科學計算的可視化、虛擬現實環境的應用提科學計算的可視化、虛擬現實環境的應用提出了更多更新的要求，使得三維乃至高維計出了更

16、多更新的要求，使得三維乃至高維計算機圖形學在真實性和實時性方面有飛速發算機圖形學在真實性和實時性方面有飛速發展。展。技術上：朝著標準化、集成化和智能化的方技術上：朝著標準化、集成化和智能化的方向發展向發展1.3 1.3 計算機圖形系統計算機圖形系統計算機圖形學的基本任務計算機圖形學的基本任務研究如何用計算機來顯示、存儲和處理圖形研究如何用計算機來顯示、存儲和處理圖形具體包括以下幾個方面具體包括以下幾個方面：v如何用適當的硬件來實現圖形處理功能如何用適當的硬件來實現圖形處理功能v如何設計好的圖形軟件如何設計好的圖形軟件v圖形處理所需的數學處理方法和算法圖形處理所需的數學處理方法和算法v如何解決實

17、際應用中的圖形處理問題如何解決實際應用中的圖形處理問題1.3 1.3 計算機圖形系統計算機圖形系統1.1.計算機圖形系統的構成計算機圖形系統的構成計計算算機機圖圖形形系系統統計算機硬件計算機硬件圖形輸入輸出設備計算機系統軟件圖形軟件2.2.計算機圖形系統的硬件組成計算機圖形系統的硬件組成圖形顯示終端圖形顯示終端圖形圖形輸入板輸入板計算機計算機繪圖儀繪圖儀磁帶機磁帶機硬盤硬盤鼠標器鼠標器1.3 1.3 計算機圖形系統計算機圖形系統1.3 1.3 計算機圖形系統計算機圖形系統3.3.計算機圖形系統的功能計算機圖形系統的功能計算計算輸入輸入交互交互存儲存儲輸出輸出圖形輸出設備圖形輸出設備圖形輸入設備

18、圖形輸入設備顯示器顯示器1.3 1.3 計算機圖形系統計算機圖形系統3.3.計算機圖形系統的功能計算機圖形系統的功能計算計算輸入輸入交互交互存儲存儲輸出輸出圖形輸出設備圖形輸出設備圖形輸入設備圖形輸入設備顯示器顯示器計算：包括形體計算：包括形體設計、分析的方設計、分析的方法程序庫和有關法程序庫和有關描述形體的圖形描述形體的圖形數據庫。數據庫。例如：例如：l坐標的幾何變換坐標的幾何變換l曲線、曲面的生曲線、曲面的生成成l圖形交點的計算圖形交點的計算1.3 1.3 計算機圖形系統計算機圖形系統3.3.計算機圖形系統的功能計算機圖形系統的功能計算計算輸入輸入交互交互存儲存儲輸出輸出圖形輸出設備圖形輸

19、出設備圖形輸入設備圖形輸入設備顯示器顯示器存儲：n在計算機的內存、外存中存放圖形數據以及圖形數據之間的相互關系。1.3 1.3 計算機圖形系統計算機圖形系統3.3.計算機圖形系統的功能計算機圖形系統的功能計算計算輸入輸入交互交互存儲存儲輸出輸出圖形輸出設備圖形輸出設備圖形輸入設備圖形輸入設備顯示器顯示器交互：交互：允許用戶允許用戶實時地、直觀地實時地、直觀地對系統的命令、對系統的命令、工具、程序及其工具、程序及其對話框等內容進對話框等內容進行調節和控制。行調節和控制。l操作者通過顯操作者通過顯示屏幕觀察設計示屏幕觀察設計的結果和圖形并的結果和圖形并加以修改。加以修改。l系統給出必要系統給出必要

20、的錯誤提示和跟的錯誤提示和跟蹤。蹤。1.3 1.3 計算機圖形系統計算機圖形系統3.3.計算機圖形系統的功能計算機圖形系統的功能計算計算輸入輸入交互交互存儲存儲輸出輸出圖形輸出設備圖形輸出設備圖形輸入設備圖形輸入設備顯示器顯示器輸入：輸入：圖形數據進入計算機的過程。包括把設計過程中圖形的形狀、尺寸等必要的參數和命令輸入到計算機中去。1.3 1.3 計算機圖形系統計算機圖形系統3.3.計算機圖形系統的功能計算機圖形系統的功能計算計算輸入輸入交互交互存儲存儲輸出輸出圖形輸出設備圖形輸出設備圖形輸入設備圖形輸入設備顯示器顯示器輸出：輸出：將圖形特定的表示形式轉換成輸出設備能夠接受的形式的過程。3.3.計算機圖形系統結構計算機圖形系統結構圖形系統圖形系統圖形軟件圖形軟件圖形硬件圖形硬件圖形應用數據結構圖形應用數據結構圖形應用軟件圖形應用軟件圖形支撐軟件圖形支撐軟件圖形計算機平臺圖形計算機平臺圖形設備圖形設備圖案模型圖案模型幾何描述數據幾何描述數據圖形工具軟件圖形工具軟件圖形處理軟件圖形處