计算机图形学概述课件.ppt

1、C version.Second Edition山东师范大学传播学院 李大锦2008.8.281.1什么计算机图形学图形与图像图形与图像图像：图像：以像素点阵来表示图像信息以像素点阵来表示图像信息图形：图形：是以图形的几何、物理属性来表示图形。是以图形的几何、物理属性来表示图形。计算机图形学计算机图形学u美国的美国的James Foley在其著作中定义：计算机在其著作中定义：计算机图形学是运用计算机图形学是运用计算机描述、输入、表示、存储、描述、输入、表示、存储、处理处理（检索（检索/变换变换/图形运算）图形运算）、显示、输出图形、显示、输出图形的的一门学科。一门学科。1.1什么计算机图形学

2、1982年，年，ISO给出的定义：研究用计算机进行数给出的定义：研究用计算机进行数据和图形之间相互转换的方法和技术据和图形之间相互转换的方法和技术。计算机图形学计算机图形学是研究利用计算机来是研究利用计算机来表示、生成、表示、生成、处理、显示处理、显示图形的学科图形的学科。表示表示（representation）：如何利用图形的几）：如何利用图形的几何和物理信息来描述图形。何和物理信息来描述图形。生成生成（create）：如何快速、有效的生成图形）：如何快速、有效的生成图形的几何和物理信息。的几何和物理信息。处理处理（manipulate）：对现有的图形信息进行）：对现有的图形信息进行存储、加

3、工、处理以满足实际的需要。存储、加工、处理以满足实际的需要。显示显示（display)：根据图形的几何和物理信息，：根据图形的几何和物理信息，如何将图形在图形设备上显示出来。如何将图形在图形设备上显示出来。1.1什么计算机图形学计算机图形学是计算机科学中，最为活跃、应计算机图形学是计算机科学中，最为活跃、应用最广泛的分支之一。用最广泛的分支之一。1.2计算机图形学的起源与发展最早使用最早使用computer graphics 一词的是波音飞机公一词的是波音飞机公司司William Fetter，于，于1960年提出年提出computer graphics 一词一词。他在研究人机工程学时利用计算

4、他在研究人机工程学时利用计算机生成最早的人体图形，被称为机生成最早的人体图形，被称为“Boeing Man”,Fetter称之为称之为 First Man.1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院（院（MIT）旋风）旋风I号（号（Whirlwind I）计算机的附件）计算机的附件诞生了。诞生了。1.2计算机图形学的起源与发展 50年代末，年代末，MIT的林肯实验室在的林肯实验室在Whirlwind计算机上计算机上开发开发SAGE空中防御体系。空中防御体系。第一次用光笔在屏幕上选第一次用光笔在屏幕上选取图形。预示着交互式图形生成技术的诞生。取图形。预

5、示着交互式图形生成技术的诞生。MITMIT的的TX-2TX-2计算机的研制成功，使交互计算成为可能，计算机的研制成功，使交互计算成为可能，使交互式图形学研究迈出了重要的一步。使交互式图形学研究迈出了重要的一步。6060年代是计算机图形学确立和兴起的年代年代是计算机图形学确立和兴起的年代 l 1962年，年，MIT林肯实验室的林肯实验室的I.E.Sutherland发表了发表了一篇题为一篇题为“Sketchpad：A man-machine graphical communication system”的博士论文。开始了图形的博士论文。开始了图形学研究的黄金年代。各大公司和高校迅速投入到计算学研

6、究的黄金年代。各大公司和高校迅速投入到计算机图形学的研究领域之中机图形学的研究领域之中。(基于基于TX-2计算机）计算机）1.2计算机图形学的起源与发展l1962年，雷诺汽车公司的工程师年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bzier 提出提出Bzier曲线、曲面的理论曲线、曲面的理论l1964年年MIT的教授的教授Steven A.Coons提出了超提出了超限插值的新思想，通过插值四条任意的边界曲限插值的新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。线来构造曲面。lIBM迅速推出了迅速推出了IBM 2250 图形终端，成为第一图形终端，成为第一个商业图形计算机。个商业图形计算机。l各种专门研

7、究团体、学术会议、图形标准相继各种专门研究团体、学术会议、图形标准相继诞生，诞生，69年，著名的年，著名的SIGGRAPH（Special Interest Group in Graphics）诞生）诞生1.2计算机图形学的起源与发展70年代是图形学迅速发展并结出累累硕果年代是图形学迅速发展并结出累累硕果的年代。的年代。u光栅图形学迅速发展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。算法纷纷诞生。u图形软件标准化图形软件标准化1974年，年，ACM SIGGRAPH的的“与机器无关的图形与机器无关的图形技术技术”的工

8、作会议的工作会议ACM成立图形标准化委员会，制定成立图形标准化委员会，制定“核心图形系统核心图形系统”（Core Graphics System）ISO发布发布CGI、CGM、GKS、PHIGS1.2计算机图形学的起源与发展u真实感图形学真实感图形学1970年，年，Bouknight提出了第一个光反射模型提出了第一个光反射模型1971年年 Gourand提出提出“漫反射模型插值漫反射模型插值”的思想，的思想，被称为被称为Gourand明暗处理明暗处理1975年，年，Phong提出了著名的简单光照模型提出了著名的简单光照模型-Phong模型模型u实体造型技术实体造型技术英国剑桥大学英国剑桥大学C

9、AD小组的小组的Build系统系统美国罗彻斯特大学的美国罗彻斯特大学的PADL-1系统系统1.2计算机图形学的起源与发展u 在在70年代，除了传统的军事和工业领域，计算年代，除了传统的军事和工业领域，计算机图形学还被广泛的应用于教育、科研、艺术、机图形学还被广泛的应用于教育、科研、艺术、娱乐等行业。娱乐等行业。80年代是年代是计算机图形系统迅速推广应用的年代。计算机图形系统迅速推广应用的年代。计算机图形软件功能开始部分地由硬件来实现，计算机图形软件功能开始部分地由硬件来实现，微机的推广，更加进一步拓宽了图形学的应用和微机的推广，更加进一步拓宽了图形学的应用和研究。研究。graphical us

10、er interface(GUI)得到广泛的得到广泛的应用。应用。90年代年代3d图形学在游戏，动画，多媒体领域得到图形学在游戏，动画，多媒体领域得到了更广泛的应用，了更广泛的应用，95年年pixar制作了第一步完全有制作了第一步完全有计算机生成的三维动画大片计算机生成的三维动画大片-玩具总动员。玩具总动员。1.3计算机图形学的应用领域1.3.1图形用户接口（图形用户接口（GUI）通过图标或代表一定意义的图形作为人们与机器通过图标或代表一定意义的图形作为人们与机器设备的接口，通过设备的接口，通过gui人们可以更加直观、更加简人们可以更加直观、更加简单的实现人机交互。单的实现人机交互。1.3计算

11、机图形学的应用领域1.3.2 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD）CAD是计算机图形学在工业界最广泛、最是计算机图形学在工业界最广泛、最 活跃的活跃的应用领域。应用领域。机械的结构设计1.3计算机图形学的应用领域汽车外形设计1.3计算机图形学的应用领域1.3.3示例图形（示例图形（Presentation Graphics）用于研究、管理报告或消费者信息发布或其他报用于研究、管理报告或消费者信息发布或其他报告中的有关金融、统计、数学、科学、经济等数据告中的有关金融、统计、数学、科学、经济等数据的图形表示，的图形表示，1.3计算机图形学的应用领域1.3.4计算机美术计算机美术（compute

12、r art)计算机美术是计算机图形学最直接、最活跃、最计算机美术是计算机图形学最直接、最活跃、最广泛的应用领域之一，计算机美术的研究主要有广泛的应用领域之一，计算机美术的研究主要有两个方面：两个方面：l 虚拟绘画工具虚拟绘画工具l 非真实感绘制技术。非真实感绘制技术。1.3计算机图形学的应用领域虚拟毛笔u虚拟绘制工具：虚拟绘制工具：通过虚拟画笔和虚拟画纸，画家可以用数字化输入设备代通过虚拟画笔和虚拟画纸，画家可以用数字化输入设备代替传统的纸和笔来创作美术作品替传统的纸和笔来创作美术作品1.3计算机图形学的应用领域u非真实感绘制技术非真实感绘制技术 非真实绘制就是将图形绘制成各种手绘的艺术效果，

13、非真实绘制就是将图形绘制成各种手绘的艺术效果，是是80年代后期兴起的计算机图形学的一个研究热点。在艺年代后期兴起的计算机图形学的一个研究热点。在艺术、娱乐和工程领域得到了广泛的应用，非真实感绘制的术、娱乐和工程领域得到了广泛的应用，非真实感绘制的研究又有两个研究内容：一个是针对三维模型通过边缘检研究又有两个研究内容：一个是针对三维模型通过边缘检测、光照处理等技术将三维模型输出为某种手绘或艺术风测、光照处理等技术将三维模型输出为某种手绘或艺术风格的图像；另一个是将一幅数字照片转化成某种艺术风格格的图像；另一个是将一幅数字照片转化成某种艺术风格的图像。的图像。左：真实感绘制 右图：手绘效果的绘制卡

14、通效果的绘制 数字照片的艺术化处理将图象转换成国画效果采用滤波技术的非真实感渲染1.3计算机图形学的应用领域1.3.5 娱乐领域（娱乐领域（entertainment)影视特校、电视片头、游戏、动画。影视特校、电视片头、游戏、动画。侏罗纪公园：逆向运动学与计算机图像技术的完美侏罗纪公园：逆向运动学与计算机图像技术的完美结合结合终结者终结者：杰出变形效果与逼真自然人运动模拟：杰出变形效果与逼真自然人运动模拟阿甘正传：反越战示威，成千上万人；与美国总统阿甘正传：反越战示威，成千上万人；与美国总统握手握手狮子王：角马奔窜惊逃，模仿角马的行为；角马运狮子王：角马奔窜惊逃，模仿角马的行为；角马运动。动。

15、星际旅行星际旅行：可汗的愤怒：可汗的愤怒中新行星的诞生以及中新行星的诞生以及吉地的返回吉地的返回中行星在空间飘浮等壮观的场面中行星在空间飘浮等壮观的场面1.3计算机图形学的应用领域1.3.6 教育和训炼（教育和训炼（education&training)将事务的运行规律通过图形展示出来可以让学习将事务的运行规律通过图形展示出来可以让学习者更直观、更感性的认识事物的内在联系。对于者更直观、更感性的认识事物的内在联系。对于一些复杂的高难度高或高危险性的操作，可以通一些复杂的高难度高或高危险性的操作，可以通过专门开发的训练系统，给受训者一个近似真实过专门开发的训练系统，给受训者一个近似真实的虚拟环境

16、，通过这个虚拟现实的环境实现复杂的虚拟环境，通过这个虚拟现实的环境实现复杂的训练操作。的训练操作。1.3计算机图形学的应用领域汽车驾驶训练1.3计算机图形学的应用领域飞行模拟1.3计算机图形学的应用领域钻机操作训练1.3计算机图形学的应用领域1.3.7可视化（可视化（visualization）可视化是运用计算机图形学的原理和方法，将科学与可视化是运用计算机图形学的原理和方法，将科学与工程计算等产生的大规模数据转换为图形工程计算等产生的大规模数据转换为图形、图象，以直、图象，以直观的形式表示出来。观的形式表示出来。随着科学的进步，借助航天航空、遥感、加速器、随着科学的进步，借助航天航空、遥感、

17、加速器、CT（computed tomography ）、）、MRI（magnetic resonance imaging ）、计算机模拟（如核爆炸）等手）、计算机模拟（如核爆炸）等手段，人类获取数据的能力飞速提高，面对海量的数据，及段，人类获取数据的能力飞速提高，面对海量的数据，及时解读，获取有用的信息成为人类面临的巨大挑战。通过时解读，获取有用的信息成为人类面临的巨大挑战。通过可视化技术人们可以快速解读这些信息，可视化技术，成可视化技术人们可以快速解读这些信息，可视化技术，成为了为了“科学技术之眼科学技术之眼”，它是科学发现和工程设计的工它是科学发现和工程设计的工具。具。1.3计算机图形学

18、的应用领域 科学计算、工程、医学等领域的数据可视化叫科学计算、工程、医学等领域的数据可视化叫科学可视化，商业等领域的可视化叫商业可视化。科学可视化，商业等领域的可视化叫商业可视化。通过有限元分析法对汽车的不均匀相撞可视化1.3计算机图形学的应用领域南非大火燃烧湍流1.3计算机图形学的应用领域1.3.8 计算机动画计算机动画(comouter animation)计算机动画是计算机图形学的一个延伸和发计算机动画是计算机图形学的一个延伸和发展，是计算机图形学的一个重要研究分支。同时展，是计算机图形学的一个重要研究分支。同时又是一个多学科交叉的研究领域，涉及到计算机又是一个多学科交叉的研究领域，涉及

19、到计算机科学、数学、美术、物理学、心理学等领域。科学、数学、美术、物理学、心理学等领域。计算机动画的产生给传统动画带来了新的革计算机动画的产生给传统动画带来了新的革命，采用计算机动画技术不仅提高了传统的动画命，采用计算机动画技术不仅提高了传统的动画制作效率，还能创造出传统动画没法创造的特殊制作效率，还能创造出传统动画没法创造的特殊效果，展现出独特的艺术魅力。效果，展现出独特的艺术魅力。1.3计算机图形学的应用领域关键贞动画关键贞动画 运动学、逆运动学、变形动画，基于物理的动运动学、逆运动学、变形动画，基于物理的动画。画。表演动画表演动画1.3计算机图形学的应用领域过程动画过程动画 粒子系统粒子

20、系统 表现各种不表现各种不 规则物体，规则物体，如水、云、如水、云、雾等的动画雾等的动画1.3计算机图形学的应用领域 L系统系统 表现植表现植物体的物体的生长动生长动画画1.3计算机图形学的应用领域L系统生成的植物1.3计算机图形学的应用领域 群体动画群体动画 结合人工智能，表现动物群体的行为，也叫行结合人工智能，表现动物群体的行为，也叫行为动画。为动画。动画制作软件动画制作软件 Animator Studio、flash、softimage、3dsmax、lightwave、maya、Wavefront .关于本课程的学习关于本课程的学习 计算机图形学是一门建立在其它多学科基础上的学科，他计

21、算机图形学是一门建立在其它多学科基础上的学科，他涉及到计算机技术、数学、物理学、数字图像处理等，在涉及到计算机技术、数学、物理学、数字图像处理等，在学习中尤其要注重数学知识的补充。学习中尤其要注重数学知识的补充。通过本课程的学习，除了掌握计算机图形学的一些基本知通过本课程的学习，除了掌握计算机图形学的一些基本知识，重点要学习计算机图形学的基本理论和研究方法。识，重点要学习计算机图形学的基本理论和研究方法。必修课、考核分三部分：论文必修课、考核分三部分：论文55%、讲课、讲课30%、出勤、出勤15%。期末要求提交一篇论文，论文内容自选，可针对计算机图期末要求提交一篇论文，论文内容自选，可针对计算机图形学的某个研究方向或问题作较详细的论述。论文格式按形学的某个研究方向或问题作较详细的论述。论文格式按公开发表论文的形式要求。公开发表论文的形式要求。