计算机图形学cs1-20141

第一章 导论
本章学习目标： •计算机图形学的应用领域
•计算机图形学的定义
•计算机图形学的提出者 •图形显示器的工作原理
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本章内容

1.1 计算机图形学的应用领域 1.2 计算机图形学的概念 1.3 计算机图形学的相关学科 1.4 计算机图形学的确立和发展 1.5 图形显示器的发展及其工作原理 1.6 图形软件标准的形成 1.7 计算机图形学的最新技术


各种手写输入软件，可用于移动设备， PC等等。
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计算机图形学、模式识别、图像处理 三者的关系
图形学
数学模型
图像显示
图像处理
模式识别
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1.4 计算机图形学的确立和发展

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）计算机的附件诞生了。 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 在整个50年代，计算机图形学处于准备和酝酿时期，并称 之为：“被动式”图形学 50年代末期，MIT的林肯实验室在“旋风”计算机上开发 SAGE空中防御体系。第一次使用了具有指挥和控制功能的 CRT显示器 ，预示着交互式图形学的诞生
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1.3 计算机图形学的相关学科
计算机处理图形信息的方式分为: • 计算机图形学（CG） • 图像处理（Image Processing,IP） • 模式识别（Pattern Recognition,PR）
是研究如何利用计算机把描述图形的数学模型通过指定 的算法转化为图像显示的一门学科。
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1.3 - 图像处理 （Image Processing，IP）
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1.4 计算机图形学的确立和发展

70年代 1. 光栅图形学迅速发展（光栅显示器和数字化仪） 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 2. 图形软件标准化 1974年，美国国家标准化局（ANSI）在一个 与“与机器无关的图形技术”的工作会议上， 提出了制定有关标准的基本规则 ACM成立图形标准化委员会，制定“核心图 形系统”CGS（Core Graphics System） ISO发布CGI、CGM、GKS、PHIGS
加速结构

聚集后的电子束达到轰击激发荧光屏应有的速度 加正的高压电（几万伏），使电子束高速运动。
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偏转系统

控制电子束，产生偏转，使电子束能轰击荧光屏 的任意一点。 分静电场偏转或磁偏转两种。 电子束要到达屏幕的边缘时，偏转角度就会增大。 到达屏幕最边缘的偏转角度被称为最大偏转角。 灵敏度:反映了偏转信号所能产生的偏转角度的大 小。


Computer Aided Instruction是利用计算机图形 学技术展示抽象原理或不可见过程的一种新的教 学方法。 在多媒体教室，教师使用集图、文、声、像为一 体的多媒体课件，形象、生动地进行教学，有助 于学生理解和接受深奥枯燥的理论。同时在网络 化学习（E-Learning）时代，网络多媒体课件使 得受教育者不必进入传统的课堂也能接受到优质 的培训，分享全世界范围内的优质教育资源。
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1.4 计算机图形学的确立和发展
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
4.
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
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奥迪的效果图和线框图
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用AutoCAD软件制作三维实体模型(学 生作品)
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用AutoCAD软件制作三维实体模型
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3DS MAX




另外一个常用的设计软件是3DS MAX。《侏罗纪 公园》、《玩具总动员》等影片均是典型的3DS 技术产品。 AutoCAD对二维图形和三维实体有强大的创建和 修改能力。 较之3DS MAX，它精于二维图形的创建和修改， 而三维实体的创建及修改和渲染能力不如3DS MAX强大。 故在模型制作过程中，通常用AutoCAD完成图纸 的绘制，再输入3DSMAX中进行三维模型的创建， 从而达到快速、准确的目的。
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1.4 计算机图形学的确立和发展

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—奠定了交互 式图形学作为一个学科的基础（提出计算机 图形学、基本交互技术、图元分层表示等术 语及数据结构…)。 1962年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bé zier 提出Bé zier曲线、曲面的理论。 Ivan E.Sutherland 1964 年MIT 的教授Steven A. Coons提出了超 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。
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交互式图形系统组成
软件部分
人
硬件部分
图形软件 数据库 高级语言 应用程序
输入设备
输出设备 显示器 绘图仪 打印机
键 盘
鼠 标 数字化仪 光 笔
主机
一个典型的交互式计算机图形系统
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1.5.1 阴极射线管CRT



CRT（Cathode Ray Tube），是光栅扫描 显示器的显示部件，其功能与电视机的显像 管类似。 单色CRT组成：包括电子枪、加速结构、聚 焦系统、偏转系统、荧光屏
图形：计算机图形学的研究对象 通常意义上的图形
能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象都称 为图形，包括自然景物、拍摄到的图片、用数学方法 描述的图形等等
计算机图形学中的图形
从客观世界物体中抽象出来的带有颜色及形状信息的 可见图形以及不可见的数学/几何描述。
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1.2.1 - 计算机图形学中图形的分类


利用计算机对原图像进行处理，然后再现图像 主要是指数字图像处理，是对基于点阵图像进 行增强、去噪、复原、分割、重建、编码、存 储、压缩和恢复等不同处理方法的学科。

如Photoshop就是著名的图像处理软件。
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1.3 - 模式识别
（Pattern Recognition，PR）
计算机对图像信息进行分析扫描和识别， 是从图形（图像）到数据的过程 以图像为依据，将图像转换为数据、符号 或者抽象的图 与计算机图形学研究的问题互逆 例如：自动分拣信封上的邮政编码
1.8 本章小结
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1.1计算机图形学的应用领域

CG： 计算机图形学（Computer Graphics）。利用计
算机技术进行视觉设计和生产的领域统称CG。

计算机图形学的发展水平代表一个国家计算机工业的 发展水平。

计算机图形学是计算机技术与电视技术、图形图像处 理技术相互融合的结果。

近年来，计算机图形学已经在科学、艺术、电影、商 业、广告、教学和培训等领域获得广泛的应用。
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1.4 计算机图形学的确立和发展
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
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办公室效果图
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学生宿舍
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家装
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卧室
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1.1.2 计算机艺术（CA）
计算机图形学广泛应用于美术设计
中，称为计算机艺术（Computer Art，
CA），动画设计是其典型代表。目前,计
算机动画已经广泛应用于影视特技、商
业广告、游戏等领域。
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许多商业广告中还用到变形 （Morph）的图形处理方法，可以将一 个人的脸变成另一个人的脸。
2.
点阵法
点阵法是在实现阶段用具有颜色信息的像素点阵来表 示图形的一种方法，描述的图形常称为图像。
计算机图形学就是研究将图形从参数法转换到点 阵法的一门学科。
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用直线y=kx+b表示 的图形
用直线y=kx+b表 示的图像
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1.2.3 - 计算机图形学的研究方向
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、 真实感图形的生成算法，以及科学计算可视化、 计算机动漫、自然景物仿真、虚拟现实等。
单色CRT中只有一支电子枪。 彩色CRT中有红绿蓝三支电子枪。
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电子枪

灯丝，阴极和控制栅组成。
灯丝：用于加电 阴极：在灯丝加热下发出电子流 控制栅：控制电子束的强弱。通过调节电压高低来控制 电子数量，即控制荧光屏上相应点的亮度。
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聚焦系统

电透镜。作用：电子枪发射出来的分散的电子聚 集于一点。
CAM）是计算机图形学最早应用的领域，也是当前计算
机图形学最成熟的应用领域，典型的代表产品为
AutoCAD系统软件。现在建筑、机械、飞机、汽车、轮
船、电子器件等产品的开发几乎都使用AutoCAD进行设 计。
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AutoCAD 提供了多窗 口环境，不 同的窗口用 于显示不同 的视图。
图1-1 旋耕刀辊设计图
பைடு நூலகம்21

1.1.2 - 分形艺术举例

谢尔宾斯基（Sierpinski）海绵的生成原 理为：将一个立方体沿其各个面等分为27 个小立方体，舍弃位于立方体面心的六个
小立方体，以及位于体心的一个小立方体。