1、哈爾濱工業大學計算機學院唐好選2022年9月23日緒論主要應用領域 與相關學科的關系 圖形學發展簡史 圖形學的研究內容 什么是計算機圖形學什么是計算機圖形學Computer Graphics (CG) 計算機圖形學是研究怎樣用計算機生成、處理和顯示圖形的一門學科。 國際標準化組織(ISO)的定義： 計算機圖形學是研究通過計算機將數據轉換為圖形，并在專門顯示設備上顯示的原理、方法和技術的學科。 它是建立在傳統的圖學理論、應用數學和計算機科學基礎上的一門邊緣學科什么是計算機圖像處理 計算機圖像處理是研究如何按照一定的目的和要求將一種圖像處理變換成另一種圖像的一門學科。 主要包括：圖像增強、圖像復原

2、、圖像解析與理解、圖像編碼與數據壓縮以及圖像匹配等內容。一般說來，要在計算機上生成一幅表示物體的圖形，有三個要素：造型技術在計算機中建立所要生成圖像的物體的模型即給出表示該物體的幾何數據和拓撲關系繪制技術按照給定的觀察點及觀察方向將物體模型在計算機屏幕上顯示出來人機交互技術為造型和繪制這兩個過程提供友好的人機界面研究內容計算機對圖形數據處理的硬件和軟件圍繞著生成、表示物體的圖形的:準確性-真實性-實時性,算法可大致分為以下幾類：研究內容相關學科的關系圖像處理計算機圖形學模式識別圖 像計算幾何特 征 數 據幾 何 模 型CAD/CAM計算機藝術計算機動畫計算機視覺準備階段（50年代）-”被動式”

3、圖形學1950年， MIT，第一臺圖形顯示器 作為世界上第一臺電子計算機旋風I號(Whirlwind I)計算機的輸出設備問世類似于示波器的陰極射線管 (CRT) 50年代末期，MIT林肯實驗室，在“旋風”計算機上開發SAGE空中防御系統使用了具有指揮和控制功能的CRT顯示器使用了光筆，出現了交互式圖形生成技術圖形學發展簡史（1）發展階段（60年代）MIT林肯實驗室，Ivan E.Sutherland發表題為“Sketchpad:一個人機通信的圖形系統”的博士論文首次使用Computer Graphics術語，奠定了交互式計算機圖形學研究的基礎計算機圖形學之父60年代中期，美國MIT、通用汽車

4、公司、貝爾電話實驗室、洛克希德飛機公司、法國雷諾汽車公司、英國劍橋大學掀起了大規模圖形學研究熱潮出現了隨機掃描顯示器圖形學發展簡史（2）推廣應用階段（70年代）基于電視技術的光柵掃描顯示器的出現，圖形學進入了第一個興盛的時期，并開始出現實用的CAD圖形系統眾多商品化軟件的出現，使圖形標準化問題也被提上議程，74年，美國計算機學會成立圖形標準化委員會(ACM SIGGRAPH)圖形學發展簡史（3）系統實用化階段（80年代）80年代，超大規模集成電路的發展，奠定了物質基礎，工作站的出現，促進了圖形學的發展標準化智能化階段（90年代）朝著標準化、集成化和智能化的方向發展國際標準化組織（ISO）公布的

5、圖形標準也越多、且更加成熟隨著多媒體技術、人工智能技術與計算機圖形學的有機結合，圖形學的應用領域朝著更廣的方向發展圖形學發展簡史（4）計算機圖形學未來的發展方向隨著圖形學的應用、圖形設備和軟件理論的進步，一大批適應于應用需求和圖形設備的圖形生成算法和理論將會產生，以滿足不斷發展的需要圖形軟件標準化將向前推進一大步，向組件化的方向發展圖形系統實現高質量化，向平面化、大屏幕和高分辨率發展，有望使用4096*4096的平板大屏幕顯示器，處理速度將達到幾千萬MIPS，實現大量的CPU并行，產生高質量的動態畫面圖形用戶界面計算機輔助設計與制造工業領域CAD/CAM是CG在工業界最廣泛、最活躍的應用領域飛

6、機、汽車、船舶、機電、輕工、服裝的外形設計集成電路、印刷電路板的設計建筑設計基于工程圖紙的三維形體重建應用（1）（a）工程圖（b）線框圖 （c）實體圖 計算機藝術“計算機藝術是科學與藝術相結合的一門新的交叉學科，科學和藝術是不可分割的，就像一枚硬幣的兩面” 諾貝爾物理學獎 李政道 應用（3）計算機藝術含義很廣以計算機為工具，可以完成多種藝術品的制作和設計，如繪畫（平面圖形）、雕塑（立體圖形）、音樂、平面構成、空間結構，還有體操舞蹈設計等其中美術作品占比重最大因此，計算機藝術又主要指計算機美術齊東旭計算機動畫，分形藝術潘云鶴智能CAD，紡織CAD計算機藝術計算機平面繪畫藝術計算機繪畫（Compu

7、ter Painting）主要指人們利用鼠標或數字壓感光筆直接在屏幕或數字化板上進行的繪畫，該類繪畫最接近于傳統繪畫優勢為：易于修改、效果豐富、成本較低廣泛應用于手繪動畫和漫畫創作計算機藝術計算機平面合成藝術 計算機數字圖像合成藝術（Computer Image Editing and Montage Art）主要指利用電腦對掃描或數字相機導入的圖像素材進行編輯和合成，以及進行后期特技處理所產生的新視覺作品該類作品接近于傳統攝影特技，并帶有“蒙太奇藝術”的特點，許多合成圖像帶有荒誕、刺激、搞笑、離奇和超現實主義風格的效果廣泛應用于影視后期和多媒體創作，和應用美術及廣告設計的關系十分密切非真實感

8、繪制（NPR）Non-Photorealistic Rendering 非真實感圖形比真實感圖形應用更廣泛，如文學讀物插圖、漫畫，卡通圖片等用數字方法對傳統繪畫進行模擬以掌握其規律,用計算機技術進行再現鋼筆畫油畫效果水彩畫效果系統環境模擬飛行模擬艙用光柵掃描器產生駕駛員在駕駛艙中預期所能看到的景象，對飛行員進行待飛前的地面訓練應用（5）事務和商務數據的圖形顯示繪制表示經濟信息的各類二、三維統計管理圖表信息可視化:信息流量，商業統計數據，股市行情應用（6）地形地貌和自然資源的圖形顯示地理信息系統（GIS）數字地球，地形數據作為載體，全球信息化軍事，政府決策，旅游，資源調查。地理圖、地形圖、礦藏分布圖、氣象氣流圖、植物分布圖應用（7）科學計算的可視化不同于可視化計算,科學計算可視化是將科學計算過程中的數據及結果數據轉換為圖像,實際上也包括了工程計算可視化和測量數據可視化,其核心是三維數據場的可視化可應用于氣象預報、（CT）醫學圖象重建、流場、湍流、石油地質勘探、環境保護、核爆炸模擬、計算流體力學、天體物理、分子生物學、有限元分析、等許多領域應用（8）虛擬現實技術虛擬手術：將醫用CT掃描的數據轉化為三維圖象，并通過一定的技術生成在人體內