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1、计算机图形学,张玉新河北农业大学信息科学与技术学院,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,2,教学要求,了解图形系统的框架及其涉及的软件、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；对与图形相关的应用及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。,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,3,课程内容,绪论图形设备用户接口与交互式技术图形表示与数据结构基本图形生成算法二维图形变换及二维观察三维图形变换及三维观察*高级话题：曲线和曲面、消隐、真实感图形显示*,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,4,主要参考书目,陈传波，计算机图形学基础，电子工
2、业出版社何援军，计算机图形学，机械工业出版社李东，计算机图形学实用教程，人民邮电出版社孙家广，计算机图形学（第三版），清华大学出版社王汝传，计算机图形学，人民邮电出版社中国图形图像学报等,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,5,成绩评定办法,平时成绩实验笔试,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,6,第1章 绪论,提出问题,什么是计算机图形学？计算机图形学研究的对象是什么？计算机图形学的发展？计算机图形学的应用？,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,7,1.1 计算机图形学及它与其他学科的关系,计算机图形学（Computer Graphics）计算机图形学是研究怎样利用计算机来
3、显示、生成和处理图形的原理、方法和技术的一门学科。IEEE定义：Computer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer.,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,8,计算机图形学与传统理论：交叉、界线模糊、相互渗透 计算几何 CAGD(计算机辅助几何设计)逼近论（计算数学）微分几何 形态学,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,9,图形图象处理的相关学科计算机图形学试图从非图象形式的数据描述来生成（逼真的）图象。数字图象处理旨在对图象进行各种加工以改善图象
4、的视觉效果。计算机视觉是研究用计算机来模拟生物外显或宏观视觉功能的科学和技术。,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,10,图象识别反求工程,CAGD,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,11,通常意义下的图形：能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象都称为图形。,1.2 计算机图形学的研究对象图形,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,12,图形的要素几何要素和非几何要素计算机图形学中所研究的图形从客观世界物体中抽象出来的带有颜色及形状信息的图和形。,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,13,图形的表示点阵法是用具有颜色信息的点阵来表示图形的一种方法，它强调图形由哪些点
5、组成，并具有什么灰度或色彩。参数法是以计算机中所记录图形的形状参数与属性参数来表示图形的一种方法。通常把参数法描述的图形叫做图形（Graphics）把点阵法描述的图形叫做图象（Image）,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,14,酝酿期（50年代）1950年，美国MIT的旋风1号(Whirlwind I)计算机配备了类似示波器的阴极射线管(CRT)来显示一些简单的图形(仅能输出)1958年，美国Calcomp公司由联机的数字记录仪发展成滚筒式绘图仪，GerBer公司把数控机床发展成为平板式绘图仪20世纪50年代末期，MIT的林肯实验室在“旋风”计算机上开发SAGE空中防御体系，第一次使
6、用了支持输入输出的CRT显示器，操作者可以用光笔在屏幕上指出确定的目标。,1.3 计算机图形学的发展简史,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,15,萌芽期（60年代）1962年，美国MIT林肯实验室的发表了一篇题为“Sketchpad：一个人机通信的图形系统”的博士论文，其中首次使用了“Computer Graphics”。1962年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bzier 提出Bzier曲线、曲面的理论1964年，MIT的教授Steven A.Coons提出了超限插值的新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,16,发展期（70年代
7、）光栅图形学迅速发展，出现了基于电视技术的光栅图形扫描器区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其相应算法纷纷诞生图形软件标准化1974年，ACM SIGGRAPH的与“与机器无关的图形技术”的工作会议ACM成立图形标准化委员会，制定“核心图形系统”（Core Graphics System）ISO发布CGI、CGM、GKS、PHIGS,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,17,普及期（80年代）1980年Whitted提出了一个光透视模型-Whitted模型，并第一次给出光线跟踪算法的范例，实现Whitted模型1984年，美国Cornell大学和日本广岛大学的学者分别将热辐射工程中的辐
8、射度方法引入到计算机图形学中用辐射度方法成功的模拟了理想漫反射表面间的多重漫反射效果图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,18,提高增强期（90年代）朝着标准化、集成化、智能化方向发展总体特征：技术发展、需求驱动,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,19,1.4 图形软件的发展及软件标准的形成,图形软件的发展开放式、高效率、标准化、集成化、智能化图形软件标准 与设备无关、与应用无关、具有较高性能,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,20,近二十年中，国际标准化组织ISO已经批准和正在讨论的与计算机图形有关的标准有：GKS、GKS-3D、P
9、HIGS、CGM、CGI、IGES、STEP等事实标准如SGI的OpenGL，微软的Direct X，Adobe的Postscript，SUN的Java3D，ACIS等,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,21,1.5 计算机图形系统,1.5.1 计算机图形系统的功能,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,22,(1)计算功能形体设计、分析，图形描述，基本几何元素（点、线、面等）的表示、求交运算、分类、几何变换，光、色模型的建立和计算，干涉检测等。,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,23,(2)存储功能存放图形数据、几何元素之间的拓扑关系，几何信息和属性信息，并可对有关的信息
10、进行实时的检索、修改、增加和删除。(3)输入功能输入有关进行图形设计的命令和参数等。,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,24,(4)输出功能对于设计的中间结果、最终结果或档案，可以以文字、图形或图像等形式输出。(5)交互功能进行选择、拾取和修改，对操作步骤的追踪和提示，显示出错信息等。,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,25,1.5.2 计算机图形系统的结构,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,26,1.6 计算机图形学的应用和研究热点,计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）CAD/CAM是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应 用领域飞机、汽车、船舶的外形的设计发电厂、
11、化工厂等的布局土木工程、建筑物的设计电子线路、电子器件的设计设计结果直接送至后续工艺进行加工处理，如波音777飞 机的设计和加工过程,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,27,奥迪效果图和线框图,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,28,基于工程图纸的三维形体重建定义：从二维信息中提取三维信息，通过对这些信息进行分类、综合等一系列处理，在三维空间中重新构造出二维信息所对应的三维形体，恢复形体的点、线、面及其拓扑关系，从而实现形体的重建优势：可以做装配件的干涉检查、以及有限元分析、仿真、加工等后续操作，代表CAD技术的发展方向,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,29,工程图及
12、其三维重建结果1,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,30,工程图及其三维重建结果2,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,31,2.科学计算可视化（Visualization in Scientific Computing）,“科学家们不仅需要分析由计算机得出的计算数据，而且需要了解在计算过程中数据的变化”,海量的数据使得人们对数据的分析和处理变得越来越难，用图形来表示数据的迫切性与日俱增1986年，美国科学基金会（NSF）专门召开了一次研讨会，会上提出了“科学计算可视化（Visualization in Scientific Computing）”科学计算可视化广泛应用于医学、流
13、体力学、有限元分析、气象分析当中,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,32,2.科学计算可视化,在医学领域，可视化有着广阔的发展前途是机械手术和远程手术的基础将医用CT扫描的数据转化为三维图象，帮助医生判别病人体内的患处由CT数据产生在人体内漫游的图象可视化的前沿与难点可视化硬件的研究实时的三维体绘制体内组织的识别分割Segmentation,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,33,3.计算机艺术,计算机艺术用计算机软件从事艺术创作二维平面的画笔程序（如CorelDraw，Photoshop，PaintShop）图表绘制软件（如Visio）三维建模和渲染软件包（如3DMAX，Ma
14、ya）、以及一些专门生成动画的软件（如Alias，Softimage）,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,34,优点：提供多种风格的画笔画刷提供多种多样的纹理贴图，甚至能对图象进行雾化，变形等操作可以任意修改，取消败笔不足：无法达到传统绘画中风格化的 艺术效果很难得到有素描效果、油画效果的艺术品,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,35,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,36,4.非真实感绘制,用于模拟艺术效果，研究方法有别于真实感图形学钢笔素描的生成钢笔素描产生于中世纪，从19世纪开始成为一门艺术20世纪90年代开始研究用计算机模拟中国国画与书法的生成,2023/9/1
15、5,河北农业大学 张玉新,37,Georges Winkenb1ach绘制的壶和碗,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,38,Salisbury绘制的茶壶,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,39,Salisbury绘制的熊,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,40,Oliver Deussen绘制的素描树,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,41,5.地理信息系统,强调对图形和图象的空间分析和管理。,主要研究热点：遥感图象信息的自动提取地理系统建模地理信息的智能分析地表系统的仿真,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,42,6.真实感图形显示,真实感图形的生成：场
16、景造型 取景变换 视域裁剪 消除隐藏面 可见面光亮度计算,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,43,由清华大学自然景物平台生成的野外场景,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,44,计算机绘制的真实感云,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,45,Xfrog3.0生成的挪威云杉,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,46,7.虚拟现实(Virtual-reality),由计算机生成的一个实时三维空间。使用户产生一种身临其境的感觉。,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,47,8.计算机动画,计算机动画近十多年来取得了很大的发展，已渗透到人们生活的各个角落商业广告、影视特技
17、/片头、动画片教育、军事、飞行模拟等,基于特征的图象变形（猫变虎）,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,48,由于计算机图形技术能生成丰富的图形，可用于辅助教学，使教学过程变得形象、直观和生动，有助于提高学生的学习兴趣和注意力，增强教学效果。,9.计算机辅助教学（CAI）,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,49,10.人机交互,HCI是未来的计算机科学。我们已经花费了至少50年的时间来学习如何制造计算机以及如何编写计算机程序。下一个新领域自然是让计算机服务并适应于人类的需要，而不是强迫人类去适应计算机。,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,50,习题,1.名词解释：图形、图象、点阵法、参数法、2.图形包括哪两方面的要素，在计算机中如何表示它们？3.什么叫计算机图形学？分析计算机图形学、数字图象处理和计算机视觉学科间的关系。4.有关计算机图形学的软件标准有哪些？,2023/9/15,河北农业大学 张玉新,51,5.一个交互性计算机图形系统必须具有哪几种功能？其结构如何？6.试列举你所知道的图形输入与输出设备。7.你用过哪些图形软件包？对比它们的功能和特点。,
