計算機圖形學基礎2024/10/211緒論提出問題什么是計算機圖形學？計算機圖形學研究的對象是什么？計算機圖形處理系統的構造？2024/10/2121.1計算機圖形學及其相關概念計算機圖形學（ComputerGraphics）計算機圖形學是研究怎樣利用計算機來顯示、生成和處理圖形的原理、方法和技術的一門學科。IEEE定義：Computergraphicsistheartorscienceofproducinggraphicalimageswiththeaidofcomputer.2024/10/213計算機圖形學的研究對象——圖形通常意義下的圖形： 能夠在人的視覺系統中形成視覺印象的客觀對象都稱為圖形。2024/10/214圖形的要素幾何要素:刻畫形狀的點、線、面、體等幾何要素非幾何要素：反映物體表面屬性或材質的明暗、灰度、色彩等。計算機圖形學中所研究的圖形 從客觀世界物體中抽象出來的帶有顏色及形狀信息的圖形。2024/10/215圖形的表示點陣法是用具有顏色信息的點陣來表示圖形的一種方法，它強調圖形由哪些點組成，并具有什么灰度或色彩。參數法是以計算機中所記錄圖形的形狀參數與屬性參數來表示圖形的一種方法。通常把參數法描述的圖形叫做圖形（Graphics）

把點陣法描述的圖形叫做圖象（Image）2024/10/216與計算機圖形學相關的學科

數字圖象處理 利用計算機對圖形和圖像進行分析處理，繼而再現圖像。圖形（圖像）信息輸入計算機中，按照不同的應用要求，計算機對圖像進行各種各樣的分析和處理。

圖像的存儲、壓縮、增強（突出某些特征）、復原（使模糊圖像清晰）、分割、重建、編碼、傳輸等等，最后把經過加工處理后的結果重新輸出。

2024/10/217模式識別（PatternRecognition）

圖像的模式識別所研究的問題與計算機圖形學所研究的問題是互逆的。模式識別是由圖像來獲得對圖像本身的描述。它是以圖像為依據，將圖像變換成數據、符號或者是抽象的圖。例如，自動分檢信封上的郵件編碼、文本自動閱讀裝置、還有地圖符號的識別，都是先由掃描得到圖像，然后經識別還原為圖形或字符。2024/10/218計算幾何（ComputationalGeometry）

著重討論幾何形體在計算機內的表示、分析和綜合，研究怎樣方便靈活地建立幾何形體的數學模型，提高算法的效率，在計算機內如何更好地存儲和管理這些模型等。它的研究內容包括曲線曲面的表示、生成、拼接和造型、三維立體造型、離散數據插值等等。2024/10/219數字圖像數據模型圖像生成（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）發展特點:交叉、界線模糊、相互滲透2024/10/2110彼此的內在聯系（狹義）圖形學研究如何將數據和幾何模型變為圖形；圖像處理重點在于圖像的壓縮存儲以及去除噪音問題；模式識別討論如何從圖像中提取數據和模型；計算幾何則是上述學科的研究基石?！A2024/10/2111計算機圖形學的研究內容1、二維圖形元素的生成算法

點、直線、圓、弧、規則曲線、自由曲線、文本等圖元的生成。

2、二維圖形的基本操作和圖形處理算法

對圖形的平移、縮放、旋轉、鏡像、錯切等操作，此外還包括二維圖形的裁剪、多邊形填充以及二維圖形的布爾運算（并、交、差）等。2024/10/21123、二維圖形的輸入輸出

用圖形輸入設備實現人機交互及用戶接口技術。

4、三維幾何造型技術

包括基本體素的建立與生成，規則曲面與自由曲面的構造，以及三維形體之間的布爾運算等。

5、真實感圖形的生成算法

三維圖形的消隱算法、光照模型的建立，陰影及彩色濃淡圖的生成算法。

6、科學計算可視化技術

這是20世紀90年代計算機圖形學領域的前沿課題。研究的是，將科學計算中大量難以理解的數據通過計算機圖形顯示出來，從而加深人們對科學過程的理解。例如，有限元分析的結果，應力場、磁場的分布，各種復雜的運動學和動力學問題的圖形仿真等。2024/10/2113醞釀期（50年代）1950年，美國MIT的旋風1號(WhirlwindI)計算機配備了陰極射線管(CRT)來顯示一些簡單的圖形1.2計算機圖形學的發展1.2.1計算機圖形學的確立2024/10/2114萌芽期（60年代）1962年，美國MIT林肯實驗室的Ivan.E.Sutherland發表了一篇題為"Sketchpad：一個人－機通信的圖形系統"的博士論文，其中首次使用了“ComputerGraphics”2024/10/2115

發展期（70年代）普及期（80年代）出現了帶有光柵圖形顯示器的個人計算機和工作站提高增強期（90年代）總體特征：技術發展、需求驅動2024/10/21161958年，滾筒式繪圖機誕生1962年，Sutherland發表重要博士論文1964年，Coons提出曲面擬合理論70年代，光柵式圖形顯示器問世1977年，提出第一個圖形標準GKS80年代，圖形工作站，PC，Macintosh90年代，互聯網迅速發展，圖形在非工業應用超過在工業方面的應用圖形學發展史上的幾件大事2024/10/21171.2.2硬件發展圖形輸入設備的發展第一階段：控制開關、穿孔紙等第二階段：鍵盤第三階段：二維定位設備，如鼠標、光筆、圖形輸入板、觸摸屏等等，語音第四階段：三維輸入設備（如空間球、數據手套、數據衣），用戶的手勢、表情等第五階段：用戶的思維圖形顯示器的發展（見下頁）

2024/10/2118圖形顯示設備的發展：畫線顯示器（矢量顯示器/隨機掃描顯示器），60年代中期存儲管式顯示器，60年代后期刷新式光柵掃描顯示器，70年代初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需要刷新，設備昂貴，限制普及。不需刷新，價格較低，不能動態修改圖形功，不適合交互式目前正向著小型化、低電壓、數字化方向發展2024/10/2119圖形硬拷貝設備打印機繪圖儀圖形輸入設備二維圖形輸入設備三維圖形輸入設備：空間球、數據手套2024/10/21201.2.3圖形軟件的發展及軟件標準的形成圖形軟件的發展開放式、高效率、標準化、集成化、智能化、學科交叉

圖形軟件標準與設備無關、與應用無關、具有較高性能2024/10/2121近二十年中，國際標準化組織ISO已經批準和正在討論的與計算機圖形有關的標準有： GKS、GKS-3D、PHIGS、CGM、 CGI、IGES、STEP事實標準 如SGI的OpenGL，微軟的DirectX，Adobe的Postscript等2024/10/21221964年

S.Coons提出Coons曲面，用小塊曲面片組合自由曲面；

1966年P.Bezier提出Bezier曲線和曲面，奠定了計算機輔助幾何設計的基礎；

1975年Versprille提出有理B樣條的理論，進而發展到NURBS；

圖形軟件發展及軟件標準形成2024/10/2123圖形軟件發展及軟件標準形成三種類型的計算機圖形軟件系統：

(1)用某種語言寫成的子程序包

如:GKS(GraphicsKernelSystem)PHIGS(Programmer’sHierarchicalInteractiveGraphicssystem)GL 便于移植和推廣、但執行速度相對較慢，效率低(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。簡練、緊湊、執行速度快，但不可移植（3）專用圖形系統：效率高，但系統開發量大，可移植性差。

2024/10/2124圖形軟件標準計算機圖形核心系統ISO的第一個圖形軟件標準GKS(GraphicsKernelSystem)(第一個官方標準，1977)程序員層次交互式圖形系統（PHIGSProgrammer’sHierarchicalInteractiveGraphicsSystem）計算機圖元文件（CGMComputerGraphicsMetafile）計算機圖形接口（CGIComputerGraphicsInterface),ISO）基本圖形轉換標準（IGES,InitialGraphicsExchangeSpecification,美國國家標準局）開放式、高效率的發展趨勢2024/10/2125常用圖形軟件標準一些非官方圖形軟件，廣泛應用于工業界，成為事實上的標準DirectX(MS)Xlib(X-Window系統)OpenGL(SGI)Adobe公司Postscript典型：開放圖形庫（OpenGL）一個開放的三維圖形軟件包，獨立于操作系統，業界中的事實標準。（Stanford大學）支持平臺：VisualC++、GLUT（

=OpenGLUtilityToolkit）等；主要功能：圖形建模圖形變換光照、材質、紋理、像素操作融合、反走樣、霧化2024/10/2126專業協會ACMSIGGRAPH-AssociationforComputingMachinerySpecialInterestGroupinGraphicsIEEE-TheInstituteofElectricalandElectronicsEngineers,TechnicalCommitteeonComputerGraphics2024/10/2127圖形標準STANDARDORGANIZATIONANSI=AmericanNationalStandardInstitute(private,nongovernment)ISO=InternationalStandardsOrganization(voluntary,nontreaty)ANSIisamemberofISO2024/10/21281.3計算機圖形學的應用一、計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）

2024/10/2129汽車曲面設計2024/10/2130奧迪效果圖和線框圖

CAD/CAM2024/10/2131

CAD/CAM2024/10/2132boeing777

CAD/CAM2024/10/2133

CAD/CAM2024/10/2134用AutoCAD軟件制作

三維實體模型(學生作品)2024/10/2135用AutoCAD軟件制作

三維模型2024/10/2136用3DMAX與Photoshop制作

室內裝潢設計效果圖2024/10/2137二、科學計算可視化

研究如何將來自科學、工程、醫學等領域的抽象數據用圖形表示的學科稱為科學計算可視化。

用圖形來表示大量數據計算的結果或中間過程。例如：

·科技工作者需要認真分析大量的計算結果以確定一個系統的描述；

·商業主管需要分析大量的統計數據以做出對未來商業行為的決策；

·醫生需要面對大量的CT數據以確定病人體內是否發生病變及何處發生病變；

·氣象人員需要處理氣象衛星傳回的大批數據以繪出未來一段時間內的天氣變化趨勢圖。2024/10/2138

三、地理信息系統與制圖

地理信息系統是建立在地理圖形之上的關于人口分布、礦藏分布、森林覆蓋、土地利用、旅游資源、海洋地理、地形地貌、山川河流分布、區域規劃、城市交通、管線管網等綜合信息管理系統。

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四、事務管理和辦公自動化

無論是企業還是事業行政管理中，都存在著大量的圖表，如作業進程表、生產產量表、庫存表、銷售統計圖、生產計劃表，以及統計分析方面的各種圖表。這些圖表都可以用計算機圖形技術產生的直方圖、餅圖和折線圖來表示。在辦公自動化方面，各國都非常重視。辦公自動化系統可以從聯網的數據庫中，取出所需要的數據，用清晰明了的圖表在屏幕上顯示或在打印機、繪圖儀上輸出。2024/10/2140五、虛擬現實系統

虛擬現實又稱為虛擬環境，是指由計算機實時生成一個虛擬的三維空間。這個空間可以是小到分子、原子的微觀世界，或是大到天體的宏觀世界，也可以是類似于真實社會的生活空間。用戶可以在這個三維空間中“自由”地走動，隨意地觀察，并可以通過一些特殊的設備與所處的虛擬景物進行交互操作。 交互是多通道的、自然的，用來傳遞的信息可以是某個操作、一個手勢、一個眼神，也可以是一個表情等。在此環境中，用戶看到的是由計算機生成的逼真圖像，聽到的是虛擬環境中的聲音，身體可以感受到虛擬環境所反饋的作用力，由此產生身臨其境的感覺。2024/10/2141虛擬現實（VirtualReality）

或虛擬環境（VirtualEnvironment)2024/10/2142在線虛擬現實：虛擬現實建模語言VRML虛擬現實（VirtualReality）2024/10/21432024/10/2144

六、過程控制和指揮系統

將各種實時過程的重要參數，如火箭的運行狀態，煉油廠、發電廠和電力系統送來的壓力、溫度、電壓、電流等數據傳送到計算機，用圖形方式進行顯示，管理人員對圖形進行監控，并對異常情況作出調整。此外，現在大量的指揮系統，軍用指揮、鐵路調度、機場指揮等系統，也用圖形進行監視與控制。2024/10/2145七、計算機動畫

為了產生連續的動畫，每秒至少需要24幀畫面。因而，一部兩小時的動畫片就需要十幾萬張畫面，如果用傳統的方式手工繪制，工作量是巨大的。 60年代制作動畫片《大鬧天宮》時，就花了幾十位動畫工作者近兩年的時間。 計算機圖形技術來制作，一方面可以利用造型工具創作出形象逼真的演員、場景，另一方面可以在關鍵畫面之間利用圖形變換技術自動插入中間畫面。八、計算機輔助教學2024/10/2146分形幾何中的自相似圖形(b)分形樹(a)Koch曲線生成雪花(c)三分康托集2024/10/2147計算機藝術Coreldraw,Photoshop,金山畫王筆,相片真實感模擬與自然媒體仿真技術分形藝術2024/10/2148OliverDeussen繪制的素描樹(Siggraph’2000)計算機藝術2024/10/2149由清華大學自然景物平臺生成的野外場景計算機仿真2024/10/2150圖案設計2024/10/2151建筑模擬2024/10/2152建筑模擬2024/10/2153列車駕駛模擬2024/10/2154列車駕駛模擬2024/10/2155運動中的汽車變換成奔跑中的老虎2024/10/21561.4