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1、聊城大学环境与规划学院肖燕,计算机图形学,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。,教材：计算机图形学原理、方法及应用 潘云鹤 等 高等教育出版社参考书：1.计算机图形学（第二版）美Donald Hearn/M.Pauline Baker著 蔡士杰等译 电子工业出版社 2002年5月2.计算机图形学 王汝传 著 人民邮电出版社 2002年7月3.计算机图形学（第三版）孙家广 等 清华大学出版社 1999年8月4.计算机图形学基础教程 孙正
2、兴 周良 郑宏源 著 清华大学出版社 2004年2月,教材与参考书,4,计算机图形学是计算机科学领域中的一个重要而又年轻的学科，它随着计算机硬件特别是图形显示设备的发展而逐渐产生发展起来的。计算机图形学主要是研究图形。它描述的图形通常是由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、线宽等非几何属性组成。,计算机图形学的简单介绍,5,计算机图形学中有一整套描述几何元素和色彩的数据结构和算法模型，如Bresenham画线、画圆算法；反走样算法；区域填充算法；Bezier曲线、曲面算法和NURBS曲线、曲面算法；求交算法；消隐算法；明暗效应；颜色模型；纹理、光线跟踪等。,6,计算机图形学的任务首先要
3、建立被处理图形对象的数学模型并把该模型参数输入、存贮在计算机中；然后再根据人们提出的各种要求，对这一模型进行种种有效的变换和加工处理；最后图形对象被加工处理后的结果在相应设备上进行显示、打印，也可以把图形输出为点阵方式描述的图像，以供图像处理软件进行二次处理。,7,课程内容,第1章 计算机图形学基本知识（教材第1章和第11章）第2章 基本图形的生成与计算第3章 图形变换与输出第4章 图形输入与交互技术第5章 真实感图形显示（教材第7章）第6章 基本造型方法（教材第9章和第10章）第7章 自由曲线曲面（教材第8章）,8,第一章 基本知识,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
4、？计算机图形学如何发展的？计算机图形学应用如何？,9,1.1 计算机图形学及其相关概念,1、什么是计算机图形学？,计算机图形学是研究怎样利用计算机来显示、生成和处理图形的原理、方法和技术的一门学科。Computer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer（IEEE定义）,特点：新兴学科 边缘性学科 与传统理论密切联系,10,IEEE 协议的概念IEEE是Institute of Electrical and Electronics Engineers的英文缩写，它
5、的中文含义是“电器与电子工程师协会”，IEEE是国际工程界非常有名的一个组织。,11,图形：能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象。（广义的概念）图形的要素,2、计算机图形学研究的对象是什么？,12,计算机图形学所研究图形的定义：从客观世界中抽象出来的带有颜色及形状信息的图和形。,灰度或颜色信息,55图象,图形的表示：点阵法图象 参数法图形,13,3、与计算机图形学相关的概念？,1.计算机图形：用计算机表示、生成、处理和显示的对象。由几何数据和几何模型利用计算机进行存储、显示，并修改、完善后形成。2.图像处理：将客观世界中原来存在的物体的影像处理成新的数字化图像的相关技术。,14,3.模式
6、识别：对所输入的图像进行分析和识别，找出其中蕴涵的内在联系或抽象模型，如邮政分拣、地形地貌识别等。4.计算几何：研究几何模型和数据处理的学科，探讨几何形体的计算机表示、分析和综合。,15,1.2 计算机图形学的发展,计算机图形学的研究起源于美国麻省理工学院。1950年，在该校诞生了世界上第一台图形显示器，作为旋风1号计算机的输出设备。1959年，美国CALCOMP公司根据打印机原理研制出世界上第一台滚筒式绘图仪。20世纪50年代末期，麻省理工学院在旋风1号计算机上开发了SAGE空中防御系统。,16,1962年第一台光笔交互式图形显示器在美国麻省理工学院林肯实验室研制成功，Ivan E.Suth
7、erland在博士论文中首先提出“计算机图形学”术语。同年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bzier 提出Bzier曲线、曲面的理论。1964年，孔斯(Steve Coons)在麻省理工学院提出了孔斯曲面。,17,Whirlwind 1:early graphics using VectorScope(1951)旋风1号计算机 输出设备,SketchPad:first interactive graphics(1962)第一台光笔交互式图形显示器,1.2 计算机图形学的发展,第一台图形显示器诞生，类似示波器的图形显示设备，用它可以显示简单的图形,18,在美国工业界，研制交互式图形显示器的工
8、作也同时开展，其中所起作用最重要的是IBM公司。1964年秋，IBM公司推出了IBM 2250显示器。洛克希德飞机公司利用IBM 2250施行开发的CADAM绘图加工系统，成为目前IBM主机上应用最广的CAD/CAM软件。IBM 2250在1978年前后改型为IBM 3250，1984年又改型为IBM 5080，采用光栅扫描技术。20世纪60年代末和70年代初，美国Tektronix公司发展了存储管技术。由于大规模集成电路技术的发展和专用图形处理芯片的出现，光栅扫描型显示器的质量越来越好，价格越来越低，已成为图形显示器的常规形式。,1.2 计算机图形学的发展,19,1.2 计算机图形学的发展,
9、first CAD system(IBM 1959),20,1.2 计算机图形学的发展,20世纪70年代 光栅图形学迅速发展 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GKS、PHIGS等。真实感图形学 1970年，Bouknight提出了第一个光反射模型。1971年Gourand提出“漫反射模型插值”的思想，被称为Gourand明暗处理。1975年，Phong提出了著名的简单光照模型
10、-Phong模型。,21,1.2 计算机图形学的发展,20世纪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射度方法引入到计算机图形学中。图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展。,22,1.2 计算机图形学的发展-在中国,从20世纪60年代中后期，我国开始了计算机图形设备和计算机辅助几何设计方面的研究工作。（1）1970年我国研制成功了黑白光笔图形显示器。（2）1976年研制成功了彩色光笔图形显示器。（3）计算机图形学在我国应用从20
11、世纪70年代起步，经过多年的发展，已在电子、机械、航空航天、建筑、造船、轻纺和影视等多个领域中得到了广泛的应用。,23,1.3 计算机图形学的应用及研究前沿,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）PC，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）,24,计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）,-CAD/CAM是计算
12、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、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,25,奥迪效果图和线框图,奥迪汽车的效果图和线框图,26,美国波音公司用有关的CAD系统实现波音777飞机的整体设计和模拟，包括飞机外形、内部零部件的安装和检验。,27,计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）,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，
13、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.,28,工程图及其三维重建结果1,29,工程图及其三维重建结果2,30,用AutoCAD软件制作三维模型,31,可视化,科学计算可视化(Scientific Visualization)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、流体力学、有限元分析、气
14、象分析当中,32,33,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,34,真实感图形实时绘制与自然景物仿真,计算机中重现真实世界的场景叫做真实感绘制.真实感绘制的主要任务是模拟真实物体的物理属性，简单的说就是物体的形状，光学性质，表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位置，遮挡关系等等.,35,真实感图形实时绘制与自然景物仿真,光照模型:简单光照模型;局部光照模型;整体光照模型绘制方
15、法:光线跟踪;辐射度加速算法:包围体树、自适应八叉树等等,36,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。,37,地形地貌和自然源图,38,娱乐,电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）“古墓丽影”，“侏罗纪公园”、“皇帝的新衣”、“完美风暴”,39,图形学在电影中的应用（1/4）,1977Star Wars 因其特殊效果获得了oscar.,1978Superman因其特殊效果获得了oscar.,40,图形学在电影中的应用（2/4）,1995
16、Quake Released by Id SoftwareToy Story 成为第一部全三维计算机动画特点的电影；,41,图形学在电影中的应用（3/4）,2000Sony Playstation IIWalking with DinosaursDreamworkss Shrek,与恐龙同行怪物史莱克,42,计算机动画（4/4）,43,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
17、娱乐。,44,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考察。输入输出设备,45,虚拟现实（Virtual Reality简称VR）,虚拟现实是指用立体眼镜、传感手套等一系列传感辅助设施来实现的一种三维现实，人们通过这些设施以自然的方式（如头的转动、手的运动等）向计算机送入各种动作信息，并且通过视觉、听觉以及触觉设施使人们得到三维的视觉、听觉等感
18、觉世界。随着人们不同的动作，这些感觉也随之改变。,46,QuickTime技术简介,QuickTime是苹果公司开发的新一代虚拟现实技术。它是一种基于静态图像处理的，在微机平台上能够实现的初级虚拟现实技术。它的出现使得以往专业实验室中成本昂贵的虚拟现实技术的应用普及有了广阔的前景。假定我们在一室空间进行观察，室内空间一般有六个面，如果我们获取了这六个面的许多不同距离，不同方位的实景照片并将它们按照相互的关系有机连接起来，就可以在视觉上形成这个房间整个空间的整体认识，这就是全景概念。,视频文件播放程序,47,真实感图形实时绘制物体网格模型的面片简化：对网格面片表示的模型，在一定误差的精度范围内，
19、删除点、边、面，从而简化所绘制场景的复杂层度，加快图形绘制速度。基于图象的绘制(IBR，Image Based Rendering)：完全摒弃传统的先建模，然后确定光源的绘制的方法。它直接从一系列已知的图象中生成未知视角的图象，适用于野外极其复杂场景的生成和漫游。,当前研究热点,48,野外自然景物的模拟野外场景远远复杂于室内场景，绘制难度更大，方法更趋多样化主要绘制山、水、云、树、草、火等等绘制火的粒子系统（Particle System），基于生理模型的绘制植物的方法，绘制云的细胞自动机方法等,49,由清华大学自然景物平台生成的野外场景,50,日本Yoshinori Dobashi等人绘制的
20、真实感云,51,Xfrog3.0生成的挪威云杉,Vb6.0编程生成的树形图案,52,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,53,计算机动画,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/片头、动画片教育、军事、飞行模拟等分类二维动画图象变形形状混合,54,三维动画关键帧动画变形物体的动画过程动画关节动画与人体动画,55,基于特征的图像变形（猫变老虎）,计算机动画也只是生成一幅幅静态的图象，但是每一幅都是对前一幅做一小部分修改（如何修改便是计算机动画的研究内容），这样，当这些画面连续播放时，整个场景就动起来了。,56,我
21、国第一部利用计算机辅助摄制的动画片是咪咪钓鱼，1991年由北方工业大学和北京电视台合作制作，以二维动画为主。用386微机和C语言编程，利用数字化仪和摄象机产生关键帧，再由计算机在相邻两幅关键帧之间内插生成中间帧，并自动跟踪上色。多层画面叠加在一起，形成完整的画面。10分钟的片子，5人小组花了10个月时间。,小插曲,57,用户接口,用户接口用户接口是人们使用计算机的第一观感。一个友好的图形化的用户界面能够大大提高软件的易用性图形学已经全面融入计算机的方方面面，很多软件几乎可以不看任何说明书，而根据它的图形、或动画界面的指示进行操作,58,目前几个大的软件公司都在研究下一代用户界面，开发面向主流应
22、用的、自然、高效多通道的用户界面。研究多通道语义模型、多通道整合算法及其软件结构和界面范式是当前用户界面和接口方面研究的主流方向，而图形学在其中起主导作用。,59,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:微软出品的流程图制作软件）三维建模和渲染软件包（如3DMAX，Maya:The Lord of the Rings）、以及一些专门生成动画的软件（如Softimage）见11章,60,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
23、，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,61,62,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,非真实感绘制（NPR，Non-Photorealistic Rendering）,Georges Winkenblach绘制的壶和碗（Siggraph96）,Salisbury绘制的茶壶（Siggraph97）,Oliver Deussen绘制的素描树,分形图,64,科学计算可视化,既可用二维曲线图表和三维模型，也有彩色高维几何表示
24、,65,谢谢大家，下课了，出去散散心吧,66,CT扫描的工作原理是什么？,X射线围绕着人体扫描，在穿过人体之后，X线投射在随X线球管一起运动或静止不动的一系列探测器上，对扫描的体积断面所采集X线信息，通过先进的计算技术（Fourier转换，反投射法）转换成二维的图像。尽管CT技术较X线平片复杂，基本原理是一样的，即高密度的物质阻挡X射线的穿透。,数字地球：1998年1月31日美国副总统戈尔在洛杉机加利福尼亚科学中心召开的地理信息系统年会上提出了这一设想。比如，可以设想一个小孩来到地方博物馆的一个数字地球陈列室，当她戴上头盔显示器，她将看到就象是出现在空中的地球。使用“数据手套”，她开始放大景物
25、，伴随越来越高的分辨率，她会看到大洲，随之是区域、国家、城市、最后是房屋、树木以及其它各种自然和人造物体。在发现自己特别感兴趣的某地块时，她可乘上“魔毯”，即通过地面三维图象显示去深入查看。当然，地块信息只是她可以了解的多种信息中的一种。使用数字地球系统的声音识别装置，小孩还可以询问有关的土地覆盖、植物和动物种类的分布、实时的气候、道路、行政区线，以及人口等方面的信息。在这里，她还可以看到自己以及世界各地的学生们为“全球项目”收集的环境信息。这些信息可以无缝地融入数字地图或地面数据里。用数据手套向超连接部分敲击，她还可以获得更多的有关她所见物体的信息。比如，为了准备全家去国家黄石公园渡假，她策
26、划一个完美的步行旅游，去观看刚从书中读到的喷泉、北美野牛和巨角岩羊。甚至在离开她家乡的地方博物馆之前，她就可以把要去步行旅游的地方从头到尾地浏览一遍。,68,数字地球 数字地球，实际上就是信息化的地球一个完整的地球虚拟对照体。数字地球将有关地球上每一点的全部信息，按地球的地理坐标加以整理，然后构成一个全球的信息模型。这样，人们就可以快速、形象、完整地了解地球上的任何点、任何方面的信息，从而实现“信息就在指尖上”的梦想。数字地球的核心思想有两点，一是用数字化手段统一性地处理地球问题，另一点是最大限度地利用信息资源。它可从两个层次进行构建：1将地球表面每一点上的固有信息（即与空间位置直接有关的相对
27、固定的信息，如地形、地貌、植被、建筑、水文等）数字化，按地理坐标组织一个三维的数字地球，全面、详尽地描述我们居住的这个星球。2在三维数字地球的基础上再嵌入与空间位置有关的相对变动的信息，如人文、经济、政治、军事、科技乃至历史等组成一个意义更加广泛的多维的数字地球，全方位地为人类服务。,数字地球是一个庞大而复杂的系统，其建立需要一系列高超的技术：卫星遥感技术通过大地资源卫星的遥感遥测，对整个地球进行完整的扫描，将地球上任何地点的自然、人造景观都“疏而不漏”地拍摄下来。超强计算技术对整个地球的数据进行加工处理，并通过虚拟现实技术将其形象地表现出来。当前，超级计算机的运算水平已达每秒数万亿次，200
28、4年时可达100万亿次，因此将地球数字视像化已不成问题。巨量存储技术要将数字地球上所有信息都存储起来，需要存储器容量达到1000万亿字节级。目前，硬盘、光盘等的存储容量为10亿字节级，利用纳米技术可使硬盘容量达到1万亿字节级，而且激光全息存储、蛋白质存储等方面的研究已获得巨大进展。要存储数字地球的所有信息，可采用分布存储的方式，把大量的数据分散在成千上万个的数据库里。高速网络技术数字地球上的数据分散在成千上万个机构的数据库里，就要求当某一个服务器要利用这些数据时，能迅速地把所要数据从四面八方调来。因此需要用高速网络把各个节点连接起来。当前正在试验每秒能传输10亿比特的宽带网络，未来的信息高速公路其传输速率可达每秒1万亿1000万亿比特。,71,数字地球中包含有高分辨率的卫星图像、数字化地图以及社会、经济和人口方面的信息，因而具有极高的应用价值。例如，利用数字地球的数据，可掌握各地的治安状况，有助于恰当部署警力打击犯罪；可模拟环境变化对濒危物种的影响，以便于采取有效措施保护生态多样性；掌握作物病虫害及其生长情况，可以科学施药、施肥、灌水，可以提高作物产量。另外，学者们可以利用数字地球开展学术研究，包括了解人类和环境之间的相互依赖的关系等。,
