计算机图形学绪论

计算机图形学绪论 苏小红计算机学院 sxh@hit.edu.cn

教材 • 李东、孙长嵩、苏小红 • 计算机图形学实用教程 • 人民邮电出版社，2004年8月

参考书 • 陈元琰，张晓竟，计算机图形学实用技术，科学出版社，2000 • David F. Rogers 著，石教英，彭群生等译，Procedural Elements for Computer Graphics (Second Edition)计算机图形学的算法基础，机械工业出版社，2002 • 孙家广，杨长贵，计算机图形学，清华大学出版社，1995 • 彭群生，鲍虎军，金小刚，计算机真实感图形学的算法基础，科学出版社，1999 • 齐东旭，计算机动画原理与应用，科学出版社，1998

什么是计算机图形学 • 研究内容第 1 章绪论 • 与相关学科的关系 • 发展简史 • 应用领域 • 交互式计算机图形处理系统

什么是计算机图形学 Computer Graphics (CG) 计算机图形学是研究怎样用计算机生成、处理和显示图形的一门学科。国际标准化组织(ISO)的定义：计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形，并在专门显示设备上显示的原理、方法和技术的学科。它是建立在传统的图学理论、应用数学和计算机科学基础上的一门边缘学科。

图形的构成要素 • 广义的概念 • 几何要素——几何属性 • 点、线、面、体 • 非几何要素——视觉属性 • 明暗、灰度、色彩、纹理、透明性、线型、线宽

一般说来，要在计算机上生成一幅表示物体的图形，有三个要素：一般说来，要在计算机上生成一幅表示物体的图形，有三个要素： • 造型技术： • 在计算机中建立所要生成图像的物体的模型 • 即给出表示该物体的几何数据和拓扑关系 • 绘制技术： • 按照给定的观察点及观察方向将物体模型在计算机屏幕上显示出来 • 人机交互技术： • 为造型和绘制这两个过程提供友好的人机界面研究内容

计算机对图形数据处理的硬件和软件 • 围绕着生成、表示物体的图形的准确性->真实性->实时性算法可大致分为以下几类：研究内容

研究内容 • 基于图形设备的基本图形元素的生成算法 • 图形的变换和裁剪 • 自由曲线和曲面——计算几何 • 几何造型技术 • 真实感图形的生成算法 • 自然景物的生成——分形几何 • 颜色科学及其应用 • 计算机动画技术 • 虚拟现实技术——实时交互式三维图形处理 • 热点问题探讨

图像处理 图像计算机图形学模式识别特征数据几何模型计算几何与相关学科的关系 CAD/CAM 计算机艺术计算机动画计算机视觉

发展简史 • 准备阶段（50年代） • 1950年， MIT，第一台图形显示器，旋风I号(Whirlwind I)计算机的附件 • 类似于示波器的阴极射线管 (CRT) • 50年代末期，MIT林肯实验室，在“旋风”计算机上开发SAGE空中防御系统 • 光笔，交互式图形生成技术。

发展简史 • 发展阶段（60年代） • MIT林肯实验室，I.E.Sutherland发表博士论文“Sketchpad:一个人机通信的图形系统” • 首次使用Computer Graphics术语 • 计算机图形学之父 • 60年代中期，美国MIT、通用汽车公司、贝尔电话实验室、洛克希德飞机公司、法国雷诺汽车公司、英国剑桥大学 • 随机扫描显示器

发展简史 • 推广应用阶段（ 70年代） • 基于电视技术的光栅扫描显示器的出现，图形学进入了第一个兴盛的时期，并开始出现实用的CAD图形系统。 • 众多商品化软件的出现，使图形标准化问题也被提上议程。 • 74年，美国计算机学会成立图形标准化委员会(ACM SIGGRAPH)

发展简史 • 系统实用化阶段（80年代） • 80年代，超大规模集成电路的发展，奠定了物质基础，工作站的出现，促进了图形学的发展。 • 标准化智能化阶段（90年代） • 朝着标准化、集成化和智能化的方向发展 • 国际标准化组织（ISO）公布的图形标准也越多、且更加成熟

图形用户界面 • 计算机辅助设计与制造——工业领域 • CAD/CAM是CG在工业界最广泛、最活跃的应用领域。 • 飞机、汽车、船舶、机电、轻工、服装的外形设计 • 集成电路、印刷电路板的设计 • 建筑设计 • 基于工程图纸的三维形体重建 • 孙家广 • 谭建荣应用

应用 （a）工程图（b）线框图（c）实体图

Boeing 777, 无纸设计，无纸制造 在飞机工业中，美国波音飞机公司已用有关的CAD系统实现波音777大型客机的整体设计和模拟，其中包括飞机外型、内部零部件的安装和检验。使其设计制造成本下降30%以上。

计算机动画——商业领域 • 广告设计 • 电脑游戏 • 卡通动画片 • 影视特技应用

影视制作 计算机动画技术还被广泛用于电影电视中的特技镜头的制作，产生以假乱真而又惊险的特技效果，如模拟大楼被炸、桥梁坍塌等。影片《珍珠港》剧照。由电脑制作出的灾难景象。

计算机艺术——艺术领域 “计算机艺术是科学与艺术相结合的一门新兴的交叉学科，是计算机应用的一个崭新、富有时代气息的领域。科学和艺术是不可分割的，就像一枚硬币的两面……” ——诺贝尔物理学奖李政道

计算机艺术——艺术领域 • 含义很广 • 以计算机为工具，可以完成多种艺术品的制作和设计，如绘画（平面图形）、雕塑（立体图形）、音乐、平面构成、空间结构，还有体操舞蹈设计等等。 • 其中，美术作品占比重最大 • 因此，计算机艺术由主要指计算机美术 • 齐东旭 • 计算机动画，分形艺术 • 潘云鹤 • 智能CAD，纺织CAD

计算机艺术——艺术领域 • 计算机平面绘画艺术 • 计算机绘画（Computer Painting） • 主要指人们利用鼠标或数字压感光笔直接在屏幕或数字化板上进行的绘画 • 软件包括：Corel Painter 或 Adobe Photoshop 等 • 该类绘画最接近于传统绘画，其画风细腻、形象生动自然。但画幅一般较小，要求绘画者有较高的美术功底。 • 优势为：易于修改、效果丰富、成本较低、但对于电脑设备要求较高。 • 近期广泛应用于手绘动画和漫画创作。

计算机艺术——艺术领域 • 计算机平面合成艺术 • 计算机数字图像合成艺术（Computer Image Editing and Montage Art） • 主要指利用电脑对扫描或数字相机导入的图像素材进行编辑和合成，以及进行后期特技处理所产生的新视觉作品 • 软件包括：Corel Painter 或 Adobe Photoshop 等。 • 该类作品接近于传统摄影特技，并带有“蒙太奇艺术”的特点，许多合成图像带有荒诞、刺激、搞笑、离奇和超现实主义风格的效果。 • 优势为：易于掌握和普及、效果丰富、成本较低。 • 广泛应用于影视后期和多媒体创作。和应用美术及广告设计的关系十分密切。

非真实感绘制NPR Non-Photorealistic Rendering • 非真实感图形比真实感图形应用更广泛，如文学读物插图，其中儿童读物插图量最大； • 用数字方法对传统绘画进行模拟以掌握其规律性的东西； • 传统动画都是非真实感的，现在需要用计算机技术再现它们

钢笔画效果 钢笔素描产生于中世纪，从19世纪开始成为一门艺术，然而用计算机模拟钢笔绘画却是20世纪90年代的事情。

铅笔画效果

油画效果

水彩画效果

基于图像的NPR

过程控制 • 石油化工、金属冶炼、电网控制的工作人员根据设备关键部位的传感器送来得图像和数据，对设备运行过程进行监控 • 机场、铁路的调度人员通过计算机产生运行状态信息来调整空中交通和铁路运输应用

系统环境模拟 • 飞行模拟舱——用光栅扫描器产生驾驶员在驾驶舱中预期所能看到的景象，对飞行员进行单飞前的地面训练和飞机格斗训练等

事务和商务数据的图形显示 • 绘制表示经济信息的各类二、三维统计管理图表 • 信息可视化:信息流量，商业统计数据，股市行情应用

地形地貌和自然资源的图形显示 • 地理信息系统（GIS） • 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。 • 地理图、地形图、矿藏分布图、气象气流图、植物分布图应用

科学计算的可视化 • 不同于可视化计算 • 科学计算可视化是 • 将科学计算过程中的数据及结果数据转换为图像 • 实际上也包括了工程计算可视化和测量数据可视化 • 其核心是三维数据场的可视化。 • 可应用于气象预报、（CT）医学图象重建、流场、湍流、激波、石油地质勘探、环境保护、核爆炸模拟、计算流体力学、天体物理、分子生物学、有限元分析、等许多领域。应用

虚拟手术仿真 • 将医用CT扫描的数据转化为三维图象，并通过一定的技术生成在人体内漫游的图象，使得医生能够看到并准确地判别病人的体内的患处，然后通过碰撞检测一类的技术实现手术效果的反馈，帮助医生成功完成手术。应用

虚拟手术仿真 • 台湾pcexpert公司研制的LSVR系统逼真地模拟了腹腔手术，进行过程教学、手术成果检验等

多媒体应用 • CAI，教学娱乐。 • 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 • 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

绪论结束！

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