計算機圖形學第一章圖形設(shè)備、系統(tǒng)和應(yīng)用E-MAIL:教學要求了解圖形系統(tǒng)的框架及其涉及的軟件、硬件技術(shù)；了解圖形學的基本問題，掌握圖形學的基本概念、方法與算法；對與圖形相關(guān)的應(yīng)用及當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。2023/4/72教材或參考書：教材孫家廣：計算機圖形學（第三版），清華大學出版社，1999。主要參考書：倪明田等，“計算機圖形學”，北京大學出版社，1999。DonaldHearn,M.PaulineBaker,“ComputerGraphics(CVersion)”,PrenticeHall,1997.JamesD.Foley,AndriesvanDametc.,“IntroductiontoComputerGraphics”,Addison-Wesley,19962023/4/731.1研究內(nèi)容何謂圖形構(gòu)成圖形的要素圖形的兩種表示法圖形學所研究的內(nèi)容2023/4/75圖形以及構(gòu)成圖形的要素圖形：計算機圖形學的研究對象能在人的視覺系統(tǒng)中產(chǎn)生視覺印象的客觀對象包括自然景物、拍攝到的圖片、用數(shù)學方法描述的圖形等等構(gòu)成圖形的要素幾何要素：刻畫對象的輪廓、形狀等非幾何要素：刻畫對象的顏色、材質(zhì)等2023/4/76計算機中表示圖形的方法點陣表示枚舉出圖形中所有的點(強調(diào)圖形由點構(gòu)成)簡稱為圖像（數(shù)字圖像）參數(shù)表示由圖形的形狀參數(shù)(方程或分析表達式的系數(shù)，線段的端點坐標等)+屬性參數(shù)(顏色、線型等)來表示圖形簡稱為圖形：圖形主要分為兩類：基于線條信息表示明暗圖(Shading)2023/4/77

計算機圖形學的研究內(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)成了計算機圖形學的主要研究內(nèi)容。

圖形硬件、圖形標準、圖形交互技術(shù)、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實體造型、真實感圖形計算與顯示算法，以及科學計算可視化、計算機動畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實等。2023/4/79與相關(guān)學科的關(guān)系數(shù)字圖像數(shù)據(jù)模型圖像生成（計算機圖形學）模型（特征）提取（計算機視覺，模式識別）模型變換（計算幾何）圖像變換（圖像處理）.發(fā)展特點:交叉、界線模糊、相互滲透2023/4/710CAGD（ComputerAidedGeometricDesign）幾何形體在計算機中的表示，分析、研究怎樣靈活方便地建立幾何形體的數(shù)學模型，提高算法效率，在計算機內(nèi)更好地存儲和管理這些模型等。研究曲線、曲面的表示、生成、拼接、數(shù)據(jù)擬合。2023/4/711計算機視覺和模式識別圖形學的逆過程，分析和識別輸入的圖像并從中提取二維或三維的數(shù)據(jù)模型（特征）。手寫體識別、機器視覺。2023/4/7131.2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準的發(fā)展2023/4/714歷史追溯50年代1950年，第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學院（MIT）旋風I號（WhirlwindI）計算機的附件誕生了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，MIT的林肯實驗室在“旋風”計算機上開發(fā)SAGE空中防御體系2023/4/71570年代光柵圖形學迅速發(fā)展區(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準化1974年，ACMSIGGRAPH的與“與機器無關(guān)的圖形技術(shù)”的工作會議ACM成立圖形標準化委員會，制定“核心圖形系統(tǒng)”（CoreGraphicsSystem）ISO發(fā)布CGI、CGM、GKS、PHIGS2023/4/717真實感圖形學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CAD小組的Build系統(tǒng)美國羅徹斯特大學的PADL-1系統(tǒng)2023/4/71880年代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大學和日本廣島大學的學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中圖形硬件和各個分支均在這個時期飛速發(fā)展2023/4/719ACMSIGGRAPH會議小知識全稱“theSpecialInterestGrouponComputerGraphicsandInteractiveTechniques”60年代中期，由Brown大學的教授AndriesvanDam(Andy)和IBM公司的SamMatsa發(fā)起1974年，在Colorado大學召開了第一屆SIGGRAPH年會，并取得了巨大的成功每年只錄取大約50篇論文2023/4/721硬件發(fā)展圖形顯示器的發(fā)展圖形顯示器是計算機圖形學中關(guān)鍵的設(shè)備

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。2023/4/722硬件發(fā)展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。以點陣形式表示圖形，使用專用的緩沖區(qū)存放點陣，由視頻控制器負責刷新掃描。2023/4/723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)、穿孔紙等等第二階段：鍵盤第三階段：二維定位設(shè)備，如鼠標、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、表情等等第五階段：用戶的思維2023/4/7252023/4/726發(fā)展歷程諸侯割據(jù)標準討論標準形成圖形軟件發(fā)展及軟件標準的形成2023/4/729通用的、與設(shè)備無關(guān)的圖形包，圖形標準GKS(GraphicsKernelSystem)(第一個官方標準，1977)PHIGS(Programmer’sHerarchical

IuteractiveGraphicssystem)一些非官方圖形軟件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)界，成為事實上的標準DirectX(MS)Xlib(X-Window系統(tǒng))OpenGL(SGI)Adobe公司Postscript

開放式、高效率的發(fā)展趨勢2023/4/7301.3計算機圖形學的應(yīng)用及研究前沿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）2023/4/731計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）-CAD/CAM是計算機圖形學在工業(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2023/4/732奧迪效果圖和線框圖2023/4/733計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）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2023/4/734工程圖及其三維重建結(jié)果12023/4/735工程圖及其三維重建結(jié)果22023/4/736可視化科學計算可視化(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，美國科學基金會（NSF）專門召開了一次研討會，會上提出了“科學計算可視化（VisualizationinScientificComputing）”科學計算可視化廣泛應(yīng)用于醫(yī)學、流體力學、有限元分析、氣象分析當中2023/4/737在醫(yī)學領(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——Segmentation2023/4/738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2023/4/739真實感圖形實時繪制與自然景物仿真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2023/4/740地理信息系統(tǒng)（GIS）建立在地理圖形之上的關(guān)于各種資源的綜合信息管理系統(tǒng)數(shù)字地球，地形數(shù)據(jù)作為載體，（70％）全球信息化.軍事，政府決策，旅游，資源調(diào)查。

2023/4/741數(shù)字地球：1998年1月31日美國副總統(tǒng)戈爾在洛杉機加利福尼亞科學中心召開的地理信息系統(tǒng)年會上提出了這一設(shè)想。比如，可以設(shè)想一個小孩來到地方博物館的一個數(shù)字地球陳列室，當他戴上頭盔顯示器，她將看到就象是出現(xiàn)在空中的地球。使用“數(shù)據(jù)手套”，她開始放大景物，伴隨越來越高的分辨率，她會看到大洲，隨之是區(qū)域、國家、城市、最后是房屋、樹木以及其它各種自然和人造物體。在發(fā)現(xiàn)自己特別感興趣的某地塊時，她可乘上“魔毯”，即通過地面三維圖象顯示去深入查看。當然，地塊信息只是她可以了解的多種信息中的一種。使用數(shù)字地球系統(tǒng)的聲音識別裝置，小孩還可以詢問有關(guān)的土地覆蓋、植物和動物種類的分布、實時的氣候、道路、行政區(qū)線，以及人口等方面的信息。在這里，她還可以看到自己以及世界各地的學生們?yōu)椤叭蝽椖俊笔占沫h(huán)境信息。這些信息可以無縫地融入數(shù)字地圖或地面數(shù)據(jù)里。用數(shù)據(jù)手套向超連接部分敲擊，她還可以獲得更多的有關(guān)她所見物體的信息。比如，為了準備全家去國家黃石公園渡假，她策劃一個完美的步行旅游，去觀看剛從書中讀到的噴泉、北美野牛和巨角巖羊。甚至在離開她家鄉(xiāng)的地方博物館之前，她就可以把要去步行旅游的地方從頭到尾地瀏覽一遍。2023/4/742娛樂●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”、“阿凡達”………●MAYA,3D-MAX,SOFTIMAGE…2023/4/743多媒體在計算機控制下，對多種媒體信息進行生成、操作、表現(xiàn)、存儲、通信、或集成的信息系統(tǒng)，其中媒體至少應(yīng)包括一種“連續(xù)媒體”及一種“離散媒體”計算機處理的常見媒體：文本、圖形、圖像、語音、音頻、視頻、動畫特點：媒體的多樣性、操作的交互性、系統(tǒng)的集成性CAI，教學娛樂。2023/4/744VirtualReality（虛擬現(xiàn)實、靈境）VirtualReality或稱虛擬環(huán)境（VirtualEnvironment)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。輸入輸出設(shè)備2023/4/745虛擬現(xiàn)實（VirtualReality簡稱VR）虛擬現(xiàn)實是指用立體眼鏡、傳感手套等一系列傳感輔助設(shè)施來實現(xiàn)的一種三維現(xiàn)實，人們通過這些設(shè)施以自然的方式（如頭的轉(zhuǎn)動、手的運動等）向計算機送入各種動作信息，并且通過視覺、聽覺以及觸覺設(shè)施使人們得到三維的視覺、聽覺等感覺世界。隨著人們不同的動作，這些感覺也隨之改變。2023/4/746QuickTime技術(shù)簡介QuickTime是蘋果公司開發(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。2023/4/747當前研究熱點當前研究熱點真實感圖形實時繪制物體網(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)：完全摒棄傳統(tǒng)的先建模，然后確定光源的繪制的方法。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2023/4/748野外自然景物的模擬野外場景遠遠復(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2023/4/749由清華大學自然景物平臺生成的野外場景2023/4/750日本YoshinoriDobashi等人繪制的真實感云2023/4/751Xfrog3.0生成的挪威云杉2023/4/752與計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的緊密結(jié)合遠程醫(yī)療與診斷遠程導(dǎo)航與維修遠程教育2023/4/753計算機動畫

計算機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商業(yè)廣告、影視特技/片頭、動畫片教育、軍事、飛行模擬等分類二維動畫 圖象變形形狀混合2023/4/754三維動畫關(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2023/4/755基于特征的圖象變形（貓變虎）2023/4/756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。2023/4/757用戶接口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圖形學已經(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2023/4/758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