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1、2023/9/15,计算机图形学,西华大学数学与计算机学院,教师：陈红红Email：chenhonghong_,第一章概述,教学目的：本章将主要介绍计算机图形学的有关概念，发展简史，应用及发展动向。通过本章的学习，应掌握图形的概念，简单了解图形学与图象处理技术之间的区别。注：本章内容作为了解内容，属知识性的介绍,教学内容:,1.1 计算机图形学与图象处理 1.2 计算机图形学的发展简史 1.3 计算机图形学的应用 1.4 计算机图形学的发展动向,1.1 计算机图形学与图象处理,一、计算机图形学 1、概念 2、研究内容二、图形学中的基本术语 1、什么是图形？2、图形的要素及表示法 3、图形的生成
2、方式三、计算机图形学与图象处理,1、概念,计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形，并在专用设备上显示的原理、方法和技术的学科。即使用计算机通过算法和程序在显示设备上构造出图形来。也就是说，图形是人们通过计算机设计和构造出来的，而不是通过摄象机或扫描仪等设备输入的图象。所设计和构造的图形可以是现实世界中已经存在的物体的图形，也可以显示完全虚构的物体。因此，计算机图形学是真实物体或虚构物体的图形综合技术。,2、研究内容,计算机处理图形是计算机应用史上的一次重大变革，也是多媒体信息处理中以视觉为主的处理技术的重大突破。计算机图形学的初期是解决计算机处理几何图形、几何数据和数学方程等图形问题，进
3、行计算机辅助工程制图和计算机自动绘图等问题。然而，计算机图形学目前涉及的问题已今非昔比，它已经成为各个应用领域中不可或缺的技术，成为图象处理、模式识别、CAD/CAM、计算机视觉、多媒体技术等各个学科的技术基础。,研究内容,图形的输入 如何开发利用图形输入设备及软件将图形输入到计算机中去，以便作各种处理。图形的处理 包括对图形进行变换(几何变换，投影变换)和运算（集合运算）,着色，形变等图形的输出 如何将图形特定的表示形式转换成图形输出系统便于接受的表示形式，并将图形在显示屏或打印机等输出设备上输出,研究内容,1）图形的输入：研究如何把要处理的图形输入到计算机内，以便让计算机进行各种处理2）产
4、生图形的算法：研究在显示器或其它输出设备上产生图形的各种算法3）图形的数据结构：研究图形在计算机内的表示方法4）图形的变换：研究图形的各种几何变换5）图形运算：包括图形的分解组合等6）图形语言：研究具有各种图形处理功能的语言7）图形软件的标准化：研究图形软件象高级语言那样与具体设备无关,1、什么是图形？,图形学中的图形是从客观世界的物体抽象出来的带有灰度或色彩以及形状的图或形。图形的概念在计算机图形学中是一个广义的概念，它既包括了描述图形，也包括了自然图形。对于描述图形来说，这是计算机图形学早期重点解决的问题。它包括了各种几何图形，由函数式、代数方程和表达式所描述的图形，这也是人们通常称之为图
5、形的概念。然而，目前计算机图形处理的范围已经远远超过了用数学方法描述的图形，它已经从纯粹的“图”的概念进入了“形”的深度。所以，从广义的角度它还包括了自然图形，它们分别是图景、图片、图案、图象以及形体实体。这些自然图形来自各种输入媒体，如照相机、摄象机、扫描仪等。这些与“图”有关的术语有图形、图象、图片、图案、图标、图表、插图等。,图形：计算机图形学的研究对象能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象包括自然景物、拍摄到的图片、用数学方法描述的图形等等图形的要素几何要素：刻画对象的轮廓、形状等非几何要素：刻画对象的颜色、材质等图形的表示方法点阵表示枚举出图形中所有的点(强调图形由点构成)简称为图
6、像（数字图像）参数表示由图形的形状参数(方程或分析表达式的系数，线段的端点坐标等)+属性参数(颜色、线型等)来表示图形简称为图形,2、图形的要素及表示法,3、图形的生成方式,图形的生成方式有两种：被动式(passive)和交互式(interactive)。被动式图形在生成过程中，操作者无法对图形进行操纵和控制。多用于早期的计算机作图系统以及某些固定的显示程序交互式允许操作者以某种方式（对话方式或命令方式）来控制和操纵图形的生成过程，使得图形可以边生成、边显示、边修改，直到符合要求为止。是目前常用的图形系统和处理方式，因而被称为交互式图形处理。,三、计算机图形学与图象处理,目前，与图形信息的计算
7、机处理有关的计算机分支学科有三个，即：图象处理(image processing)模式识别(pattern recognition)、计算机图形学(computer graphics)，它们之间有一定的关系和区别。,.,数字图像,数据模型,图像生成（计算机图形学）,模型（特征）提取（计算机视觉，模式识别）,模型变换（计算几何）,图像变换（图像处理）,.发展特点:交叉、界线模糊、相互渗透,与相关学科的关系,图象处理（IP）：,图象处理是利用计算机对图形和图象进行分析处理，继而再现图象，并且研究如何从图象中提取二维或三维物体的模型。（它是景物或图象的分析技术，所研究的是计算机图形学的逆过程，包括图
8、象增强、模式识别、景物分析、计算机视觉等。）研究如何对一幅连续图像取样、量化以产生数字图像，如何对数字图像做各种变换以方便处理，如何滤去图像中的无用噪声，如何压缩图像数据以便存储和传输，图像边缘提取，特征增强和提取。,计算机视觉和模式识别：,模式识别是指计算机对图形信息进行的识别和分析描述，是从图形（图象）到描述表达的过程。图形学的逆过程，分析和识别输入的图像并从中提取二维或三维的数据模型（特征）。手写体识别、机器视觉。,计算机图形学,计算机图形学（CG）则主要研究图形的计算机生成和基本图形操作。计算机根据对某一对象（实际形体或抽象事物）的描述，由这些非图形信息产生该对象的图形输出。这是从数据
9、描述到图形生成的过程。,CAGD（Computer Aided Geometric Design）,几何形体在计算机中的表示，分析、研究怎样灵活方便地建立几何形体的数学模型，提高算法效率，在计算机内更好地存储和管理这些模型等。研究曲线、曲面的表示、生成、拼接、数据拟合。,下表可说明图形学和图象处理的区别和特点,1.2 计算机图形学的发展简史,一、历史追溯二、硬件发展 1、图形显示器的发展 2、图形输入设备的发展三、图形软件及软件标准的发展,一、历史追溯,计算机图形学的发展历史应追溯到50年代末至60年代初期，到目前，已有40多年的历史了。其发展经历了四个时期，即：萌芽期；60年代发展期：70年
10、代普及期：80年代提高增强期：90年代,历史追溯,1950年，MIT，旋风一号（Whirlwind I 计算机的图形显示器，类似于示波器的CRT来显示简单图形。-CRT的出现为计算机生成和显示图形提供了可能。50年代末期，MIT林肯实验室，在Whirlwind上开发SAGE空中防御系统，通过光笔在屏幕上指点与系统交互。-标志着交互式图形技术的诞生。,历史追溯,1962年MIT林肯室验室的博士论文：Sketchpad：一个人机通信的图形系统。-确定了交互图形学作为一个学科分支（提出基本交互技术、图元分层表示概念及数据结构)。60年代：MIT、Bell Lab、通用汽车公司、剑 桥大学开展大规模的
11、研究。60年代确立并得到发展 70年代进入技术实用化 但80年代初，图形学依然是较小的学科，原因是图形硬件设备十分昂贵，且基于图形的应用相对较少。后来，情况发生了变化,1、图形显示器的发展,图形显示器是计算机图形学中关键的设备60年代中期：画线显示器（亦称矢量显示器）需要刷新。设备昂贵，限制普及60年代后期：存储管式显示器 不需刷新，价格较低，缺点是不具有动态修改图形功能，不适合交互式。70年代初:刷新式光栅扫描显示器 以点阵形式表示图形，使用专用的缓冲区存放点阵，由视频控制器负责刷新扫描。大大地推动了交互式图形技术的发展。,图形显示设备的发展,画线显示器（矢量显示器/随机扫描显示器）,存储管
12、式显示器,刷新式光栅扫描显示器,2、图形输入设备的发展,第一阶段：控制开关、穿孔纸等等第二阶段：键盘第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏等等，语音第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据手套、数据衣），用户的手势、表情等等第五阶段：用户的思维,三、图形软件发展及软件标准形成,三类计算机图形软件系统：(1)用某种语言写成的子程序包 如:GKS(Graphics Kernel System)PHIGS(ProgrammersHerarchical Iuteractive Graphics system)GL 特点：便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低(2)扩充计算机语言，使
13、其具有图形生成和处理的功能 如：Turbo Pascal、Turbo C，AutoLisp等。特点：简练、紧凑、执行速度快，但不可移植(3)专用图形系统 特点：效率高，但系统开发量大，可移植性差。,发展历程,诸侯割据,标准讨论,标准形成,图形软件发展及软件标准的形成,通用的、与设备无关的图形包，图形标准:GKS(Graphics Kernel System)(第一个官方标准，1977)PHIGS(Programmers Herarchical Iuteractive Graphics system)一些非官方图形软件，广泛应用于工业界，成为事实上的标准DirectX(MS)Xlib(X-Win
14、dow系统)OpenGL(SGI)Adobe公司Postscript开放式、高效率的发展趋势,1.3计算机图形学的应用,目前，已经应用于工业、科技、教育、管理、商业、艺术、娱乐等多个领域，其中，比较有代表性的应用有：计算机辅助绘图和设计事务管理中的交互式绘图科学计算可视化过程控制计算机动画及广告计算机艺术办公自动化及电子出版系统等地形地貌和自然资源的图形显示,应用举例,图形用户界面介于人与计算机之间，人与机器的通信，人机界面（HCI）：软件硬件发展：由指示灯和机械开关组成的操纵界面由终端和键盘组成的字符界面（80年代）由多种输入设备和光栅图形显示设备构成的图形用户界面（GUI），（90年代）P
15、C，工作站，WIMP(W-windows、I-icons、M-menu、P-pointing devices)界面，所见即所得VR技术（发展方向）由计算机发展决定：科学计算型无处不在的计算机，人机溶合，提高交互效率。,CAD/CAM,图形学的主要应用领域之一。建筑、机械结构和产品设计（结构分析和外形设计）、布局（各种管道，电子线路）Boeing 777,无纸设计。AutoCAD,GHCAD,SolidWorks,Pro/E,UG,CATIA,MDT,Teapot,Blending of the modeling,可视化,科学计算可视化(Scientific Visualization)必要性：
16、直接分析大量的测量数据或统计数据有困难目标：用图形表现抽象的数据应用领域：医学图象重建，遥感，流场、气象、核爆模拟，有限元分析信息可视化：信息流量，商业统计数据，股市行情,地理信息系统（GIS）,建立在地理图形之上的关于各种资源的综合信息管理系统数字地球，地形数据作为载体，（70）全球信息化军事，政府决策，旅游，资源调查 多媒体在计算机控制下，对多种媒体信息进行生成、操作、表现、存储、通信、或集成的信息系统，其中媒体至少应包括一种“连续媒体”及一种“离散媒体”计算机处理的常见媒体：文本、图形、图像、语音、音频、视频、动画特点：媒体的多样性、操作的交互性、系统的集成性CAI，教学娱乐。,娱乐,电
17、脑游戏实时性逼实性蕴含了先进的图形处理技术电视广告，节目片头，科教演示（CAI）Quake III，“古墓丽影”，“侏罗纪公园”、“皇帝的新衣”、完美风暴 MAYA,3D-MAX,SOFTIMAGE,计算机艺术,Coreldraw,Photoshop,金山画王笔相片真实感模拟与自然媒体仿真技术 分形艺术,Virtual Reality（虚拟现实、灵境）,Virtual Reality 或称虚拟环境（Virtual Environment)是用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互
18、考察。输入输出设备,在线虚拟现实：虚拟现实建模语言VRML,1.4 计算机图形学的发展动向,造型技术画面绘制技术人机交互技术 与计算机网络技术的紧密结合远程医疗与诊断远程导航与维修远程教育多年来，前三方面构成了计算机图形学的主要研究内容，目前，仍然在这三方面不断地向前发展。,规则形体：欧氏几何方法不规则形体：分形几何方法粒子系统纹理映射,一、造型技术,造型技术,实体造型基于物理的造型基于图像的造型要生成图形，首先必须在计算机中构造出该物体的模型，这一模型是由一批几何数据以及数据之间的拓扑关系来表示的。,二、画面绘制技术,有了三维物体的模型，在给定了观察点和观察方向以后，就可以通过一系列的几何变换和投影变换在屏幕上显示出该三维物体的二维图象。为了使二维图象具有立体感，或者尽可能逼真地显示出该物体在观察世界中所观察到的形象；就需要采用适当的光照模型，尽可能准确地模拟物体在现实世界中受到各种光源照射时的效果。,画面绘制技术,（真实感图形绘制技术）光照明模型绘制算法快速算法易于图像的绘制例子,
