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计算机图形学

计算机图形学. 汪维华 y2002wwh@163.com 46930670 数学与计算机科学系. 参 考 书. [1] 孙家广，胡事明 . 计算机图形学基础教程 . 清华大学出版社， 2005 [2] 陈元琰，张晓竟 . 计算机图形学实用技术 . 科学出版社， 2000 [3]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

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  1. 计算机图形学 汪维华 y2002wwh@163.com 46930670 数学与计算机科学系 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  2. 参 考 书 • [1] 孙家广，胡事明.计算机图形学基础教程.清华大学出版社，2005 • [2]陈元琰，张晓竟.计算机图形学实用技术.科学出版社，2000 • [3]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 • [4]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 • [5]齐东旭.计算机动画原理与应用.科学出版社，1998 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  3. 本节课必须解决的问题 • 1、什么是计算机图形学？ • 2、计算机图形学的研究内容是什么？ • 3、图形与图像的区别是什么？ • 4、计算机图形学与图像处理和模式识别的关系是什么？ 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  4. 第一讲 绪论 • 1.1 计算机图形学的研究内容 • 1.2 计算机图形学发展的历史回顾 • 1.3 计算机图形学的应用及研究前沿 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  5. 1.1 计算机图形学的研究内容 1、什么是计算机图形学 • 计算机图形学(Computer Graphics (CG)):是利用计算机研究图形的表示、生成、处理、显示的学科。 • 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。 • 计算机图形学计算机科学中，最为活跃、得到广泛应用的分支之一 返回到练习 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  6. 图形的构成要素 • 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 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  7. 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 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  8. 2、计算机图形学的研究内容 • 如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法，构成了计算机图形学的主要研究内容。 • 具体包括：图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。 • 本课程重点讨论：光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示相关的原理与算法 返回到练习 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  9. 3、计算机图形学的主要目的 • 计算机图形学的主要目的：就是要利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形 • 生成真实感图形的步骤： • 先建立目标图形所描述场景的几何表示 • 再采用某种光照模型，计算在假想的光源、纹理、材质属性下的光照效果 • 计算机图形学与数字图像处理的关系密切：真实感图形计算的结果是以数字图像的方式提供的 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  10. 4、计算机图形学与相关学科的关系 • 图形与图像 • 图像纯指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息。 • 图形含有几何属性，更强调场景的几何表示，是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成的。 • 图形主要分为两类 • 基于线条信息表示：如工程图、等高线地图、曲面的线框图等 • 明暗图(Shading)：就是通常所说的真实感图形 返回到练习 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  11. 图形学与CAD/CAM 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  12. 图形学与模式识别 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  13. 图形学与视觉 • Harry Shum，基于图像的绘制 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  14. 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 CAD/CAM 计算机艺术 计算机动画 计算机视觉 返回到练习 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  15. 2计算机图形学的发展历史 • 准备阶段（50年代） • 1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院（MIT）旋风I号（Whirlwind I）计算机的附件诞生。 • 类似于示波器的阴极射线管 (CRT) • 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。 • 50年代末期，MIT的林肯实验室在“旋风”计算机上开发SAGE（半自动地面防空警备系统）空中防御体系。 • 光笔，交互式图形生成技术。 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  16. 发展阶段（60年代） • 1962年，MIT林肯实验室的I. E. Sutherland发表了一篇题为“Sketchpad：一个人机交互通信的图形系统”的博士论文。 • 提出图形学Computer Graphics的概念， • 成就“图形学之父”的英名 （待续） 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  17. 推广应用阶段（ 70年代）（1/3） • 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) 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  18. 推广应用阶段（ 70年代）（2/3） • 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CGI、CGM、GKS、PHIGS 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  19. 推广应用阶段（ 70年代）（3/3） • 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- Phong模型 • 实体造型技术 • 英国剑桥大学CAD小组的Build系统 • 美国罗彻斯特大学的PADL-1系统 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  20. 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 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  21. （a）工程图 （b）线框图 （c）实体图 1.3 计算机图形学的应用及研究前沿1.3.1 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中最广泛、最活跃的应用。如Boeing 777, 无纸设计，无纸制造 • 随着计算机网络发展，在网络环境下进行异地异构系统的协同设计，已经成为CAD/CAM最热门的话题 • 异构CAD系统的数据通信也是一个新的热门课题 • CAD的另一个非常重要的研究领域是基于工程图纸的三维形体重建 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  22. 1.3.2科学计算的可视化 • 可视化与可视计算 • 海量的数据的图形表示 • 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 omputing）” 科学计算可视化广泛应用于医学、 流体力学、有限元分析、气象分 析当中 • 在医学领域：机械手术和远程手 术，医用CT扫描数据的三维重建， 基于CT数据的人体内漫游 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  23. 1.3.2科学计算的可视化 • 科学计算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。 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  24. 应用实例－医学 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  25. 1.3.2科学计算的可视化 • 虚拟手术仿真 • 将医用CT扫描的数据转化为三维图像，并通过一定的技术生成在人体内漫游的图像，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。 • 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 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  26. 1.3.3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。 • 真实感绘制的研究重点 • 构造逼真的物理模型 • 研究加速算法，力求在最短的时间内绘制出最真实的场景 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  27. 应用实例－建筑 建筑、桥梁 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  28. 1.3.4 计算机动画 • 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 • 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。 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  29. 1.3.4 计算机动画 • 早期的计算机动画 • 是基于”关键帧”的动画,如: • 基于特征的动画 • 基于变形物体的动画 • 最新研究方向:是基于物理模型的计算机动画生成方法 • 该方法大量运用弹性力学和流体力学的物理方程进行计算 • 力求使动画过程最体现出最符合真实世界的运动规律 • 关节动画与人体动画 下一页 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  30. 基于特征的图像变形（猫变虎） 返回 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  31. 由三维FFD操作得到的鱼的变形图, The Visual Computer 2001. 返回 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  32. 布料与人体 动画 (PG2002) 返回 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  33. 1.3.5 用户接口 • 一个友好的图形化用户界面能够大大提高软件的易用性. • 下一一代用户界面是面向主流应用的、自然高效、多通道的用户截面,而图形学在其中起主导作用 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  34. 1.3.6 计算机艺术 “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 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  35. 艺术实例 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  36. 1.3.5 计算机艺术 • 非真实感绘制（Non-Photorealistic Rendering） • 模拟艺术效果的非真实感绘制就成为计算机图形学的前沿问题之一。 • 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 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  37. 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。 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  38. 铅笔画效果 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  39. 油画效果 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  40. 水彩画效果 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  41. 非真实感 之动画 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  42. 问题解答 • 1、什么是计算机图形学？ • 2、计算机图形学的研究内容是什么？ • 3、图形与图像的区别是什么？ • 4、计算机图形学与图像处理和模式识别的关系是什么？ 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  43. 本课程的主要内容 • 绪论 • 光栅图形学 • 扫描转换、裁减、反走样、消影 • 几何造型 • 曲线曲面造型、实体造型 • 真实感图形学 • Phong模型、光线跟踪、辐射度算法 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  44. 课程考核方式 • 作业 、出勤、课堂问题回答 20％ • 上机实验 20％ • 笔试： 60％ 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

  45. 课后练习 • P16：1、4 • 作业要求： • 每次作业自己做，不能抄袭别人的，一旦发觉0分处理 重庆文理学院数学与计算机科学系 计算机图形学

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