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计算机图形学ppt(共49张PPT)
过程动画技术
过程动画的概念
通过定义物体的运动规律或过程，由计算机自动生成动画。
过程动画的实现方法
基于物理模拟、基于过程建模、基于行为建模等。
过程动画的应用场景
自然现象的模拟（如风、雨、雪）、物体的变形和破碎效果等。
基于物理的动画技术
基于物理的动画概念
利用物理引擎模拟现实世界中的物理现象，生成逼真的动画效果 。
表面模型（Surface Model）
用多边形面片逼近三维物体的表面。
实体模型（Solid Model）
定义三维物体的内部和外部，表示物体的实体。
光线追踪（Ray Tracing）
模拟光线在三维场景中的传播，生成真实感图形。
三维图形的变换与裁剪
几何变换（Geometric Trans…
包括平移、旋转、缩放等变换，用于改变三维物体的位置和形状。
如中点画圆算法，利用圆 的八对称性，通过计算决 策参数来生成圆。
多边形的生成算法
如扫描线填充算法，通过 扫描多边形并计算交点来 生成多边形。
二维图形的变换与裁剪
二维图形的变换
包括平移（Translation）、旋转（Rotation）、 缩放（Scaling）等变换，可以通过变换矩阵来实 现。
二维图形的裁剪
Screen-Space Methods
利用屏幕空间信息进行半透明 物体的渲染，如屏幕空间环境 光遮蔽（SSAO）和屏幕空间 反射（SSR）。
06
计算机动画技术
Chapter
计算机动画概述
计算机动画的定义
01
通过计算机生成连续的动态图像，实现虚拟场景和角色的动态
表现。
计算机动画的应用领域
02
影视特效、游戏设计、虚拟现实、工业设计等。
计算机图形学课件
实时渲染技术
游戏开发中，计算机图形学还涉及实时渲染技术 ，包括OpenGL、DirectX等图形API的使用，以 及GPU加速等技术的应用。
交互体验优化
通过计算机图形学技术，游戏开发者可以优化游 戏的交互体验，例如通过动画、音效等增强游戏 的沉浸感。
影视制作中的计算机图形学应用
01
特效制作
计算机图形学广泛应用于电影、电视剧等影视作品的特效制作中。
1990年代
个人电脑的出现使得计算机图形学进入普 及阶段，各种图形软件和游戏开始广泛使 用。
互联网的出现使得计算机图形学进入新的 发展阶段，网络图像传输和浏览技术得到 了广泛应用。
计算机图形学的应用领域
娱乐产业
电影、电视、游戏等娱乐产业是计算 机图形学的最大应用领域，需要大量 的特效和动画制作。
科学可视化
计算机图形学的发展也将进一步推动艺术 和科技的结合，为艺术家提供更多的创作 工具和展示方式，同时也为科技爱好者提 供更多的探索和创新的空间。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
计算机图形学用于生成和操作科学数 据，如气象预报、医学影像、物理模 拟等。
工业设计
计算机图形学可用于产品外观设计、 机械设计等领域，提高设计效率和准 确性。
虚拟现实
计算机图形学生成虚拟环境，提供沉 浸式的体验，广泛应用于教育、培训 、娱乐等领域。
02 计算机图形学基础知识
图像的数字化
图像采样
将连续的图像转换为离散的像素集合
网格建模
使用多边形网格来表示物体的形状，这些多边形可以是由三角形组 成的简单形状，也可以是更复杂的形状。
NURBS建模
使用非均匀有理B样条曲线来表示物体的形状，这些曲线可以创建更 复杂的形状，如自由曲线和曲面。
游戏开发中，计算机图形学还涉及实时渲染技术 ，包括OpenGL、DirectX等图形API的使用，以 及GPU加速等技术的应用。
交互体验优化
通过计算机图形学技术，游戏开发者可以优化游 戏的交互体验，例如通过动画、音效等增强游戏 的沉浸感。
影视制作中的计算机图形学应用
01
特效制作
计算机图形学广泛应用于电影、电视剧等影视作品的特效制作中。
1990年代
个人电脑的出现使得计算机图形学进入普 及阶段，各种图形软件和游戏开始广泛使 用。
互联网的出现使得计算机图形学进入新的 发展阶段，网络图像传输和浏览技术得到 了广泛应用。
计算机图形学的应用领域
娱乐产业
电影、电视、游戏等娱乐产业是计算 机图形学的最大应用领域，需要大量 的特效和动画制作。
科学可视化
计算机图形学的发展也将进一步推动艺术 和科技的结合，为艺术家提供更多的创作 工具和展示方式，同时也为科技爱好者提 供更多的探索和创新的空间。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
计算机图形学用于生成和操作科学数 据，如气象预报、医学影像、物理模 拟等。
工业设计
计算机图形学可用于产品外观设计、 机械设计等领域，提高设计效率和准 确性。
虚拟现实
计算机图形学生成虚拟环境，提供沉 浸式的体验，广泛应用于教育、培训 、娱乐等领域。
02 计算机图形学基础知识
图像的数字化
图像采样
将连续的图像转换为离散的像素集合
网格建模
使用多边形网格来表示物体的形状，这些多边形可以是由三角形组 成的简单形状，也可以是更复杂的形状。
NURBS建模
使用非均匀有理B样条曲线来表示物体的形状，这些曲线可以创建更 复杂的形状，如自由曲线和曲面。
计算机图形学_完整版 ppt课件
图元（图素） Primitive 矢量（向量）图 Vecter-based graphics 参数图 Parametric 动画 animation
▲ 图像（Image）
➢一些相关概念： 像素 Pixel 网格图 Grid 位图 Bitmap 点阵图 光栅图 Raster 图片 Picture……
计算机图形学与虚拟现实 Computer Graphics and Virtual Reality
第一章 图形学综述 第二章 图形系统概述 第三章 输出图元 第四章 图元属性 第五章 图形变换 第六章 三维对象的表示 第七章 可见面判别算法 第八章 光照模型 第九章 图形用户界面和交互输入方法 第十章 颜色模型 第十一章 虚拟现实技术
系统 存储器
CPU
DAC
图 形
GPU
帧缓存 显存
卡
接口
视频卡
系统总线
其他输入/输出设备
图形卡工作原理示意
图形处理器
GPU
✓可看作连接计算机和显示终端的纽带。不仅存储图 形，还能完成大部分图形函数，减轻了CPU的负担， 提高了显示能力和显示速度。
图形软件体系结构
专业应用系统，如MATLAB、 AutoCAD、3DSMAX、 UG……
CGM 图元文件
CGI 设备相关服务
操作系统通信接口
图形输 入设备
图形 工作站
图形输 出设备
图形输出显示设备
阴极射线管 CRT
存储管式显示器→随机扫描显示器（矢量显示器）→ 刷新式光栅扫描显示器→彩色光栅扫描显示器
平板显示器FPD 等离子体显示板 薄膜光电显示器 发光二极管LED 液晶显示器LCD
边界表示 B-reps
使用一组多边形平面或曲面——面片，来描述 三维对象。面片将对象分为内部和外部。
▲ 图像（Image）
➢一些相关概念： 像素 Pixel 网格图 Grid 位图 Bitmap 点阵图 光栅图 Raster 图片 Picture……
计算机图形学与虚拟现实 Computer Graphics and Virtual Reality
第一章 图形学综述 第二章 图形系统概述 第三章 输出图元 第四章 图元属性 第五章 图形变换 第六章 三维对象的表示 第七章 可见面判别算法 第八章 光照模型 第九章 图形用户界面和交互输入方法 第十章 颜色模型 第十一章 虚拟现实技术
系统 存储器
CPU
DAC
图 形
GPU
帧缓存 显存
卡
接口
视频卡
系统总线
其他输入/输出设备
图形卡工作原理示意
图形处理器
GPU
✓可看作连接计算机和显示终端的纽带。不仅存储图 形，还能完成大部分图形函数，减轻了CPU的负担， 提高了显示能力和显示速度。
图形软件体系结构
专业应用系统，如MATLAB、 AutoCAD、3DSMAX、 UG……
CGM 图元文件
CGI 设备相关服务
操作系统通信接口
图形输 入设备
图形 工作站
图形输 出设备
图形输出显示设备
阴极射线管 CRT
存储管式显示器→随机扫描显示器（矢量显示器）→ 刷新式光栅扫描显示器→彩色光栅扫描显示器
平板显示器FPD 等离子体显示板 薄膜光电显示器 发光二极管LED 液晶显示器LCD
边界表示 B-reps
使用一组多边形平面或曲面——面片，来描述 三维对象。面片将对象分为内部和外部。
计算机图形学完整ppt课件
工业设计
利用计算机图形学进行产品设计、仿 真和可视化，提高设计效率和质量。
建筑设计
建筑师使用计算机图形学技术创建三 维模型，进行建筑设计和规划。
计算机图形学的相关学科
计算机科学
计算机图形学是计算机科学的一个重 要分支，涉及计算机算法、数据结构、 操作系统等方面的知识。
物理学
计算机图形学中的很多技术都借鉴了 物理学的原理，如光学、力学等，用 于实现逼真的渲染效果和物理模拟。
02
03
显示器
LCD、LED、OLED等，用 于呈现图形图像。
投影仪
将计算机生成的图像投影 到大屏幕上，用于会议、 教学等场合。
虚拟现实设备
如VR头盔，提供沉浸式的 3D图形体验。
图形输入设备
键盘和鼠标
最基本的图形输入设备，用于操 作图形界面和输入命令。
触摸屏
通过触摸操作输入图形指令，常 见于智能手机和平板电脑。
多边形裁剪算法
文字裁剪算法
判断一个多边形是否与另一个多边形相交， 如果相交则求出交集部分并保留。
针对文字的特殊性质，采用特殊的裁剪算法 进行处理，以保证文字的完整性和可读性。
05
光照模型与表面绘制
光照模型概述
光照模型是计算机图形学中用于模拟光线与物体表面交互的数学模型。
光照模型能够模拟光线在物体表面的反射、折射、阴影等效果，从而增强图形的真 实感。
二维纹理映射原理
根据物体表面的顶点坐标和纹理坐标，计算出每个像素点对应的纹 理坐标，从而确定像素点的颜色值。
二维纹理映射实现方法
使用OpenGL中的纹理映射函数，将纹理图像映射到物体表面。
三维纹理映射技术
三维纹理坐标
定义在三维空间中的坐标，表示纹理图像上的位置。
计算机图形学PPT课件
三维图形投影方法
正投影
平行光线垂直投射到投影面上 ，形成物体的正投影。
斜投影
平行光线与投影面成一定角度 投射，形成物体的斜投影。
透视投影
从视点出发，通过透视变换将 三维物体投影到二维平面上。
阴影生成
根据光源位置和物体形状，计 算阴影的位置和形状。
05
真实感图形绘制技术
Chapter
消隐技术
消隐算法分类
计算机图形学PPT课件
目录
• 引言 • 图形系统基础 • 基本图形生成算法 • 三维图形变换与观察 • 真实感图形绘制技术 • 曲线与曲面绘制技术 • 计算机动画技术 • 计算机图形学前沿技术
01
引言
Chapter
计算机图形学概述
01
02
03
计算机图形学定义
研究计算机生成、处理和 显示图形的一门科学。
平移变换 旋转变换 缩放变换 镜像变换
将三维图形沿x、y、z方向移动一 定距离，不改变图形形状和大小 。
在x、y、z方向分别进行缩放，可 改变图形的大小和形状。
三维图形复合变换
变换顺序
先进行缩放、旋转，再进行平移，注意变换顺序对结果的影响。
变换矩阵
将各种基本变换表示为矩阵形式，便于进行复合变换的计算。
医学诊断
通过计算机图形学技术，医生可以更 直观地了解病人病情，进行更准确的 诊断和治疗。
军事模拟
计算机图形学在军事模拟和训练中发 挥重要作用，提高训练效果和作战能 力。
THANKS
感谢观看
通过模拟自然现象或物理过程，生成具有真实感的动画效 果。
过程动画制作流程
建立自然现象或物理过程的数学模型，利用计算机图形学 技术模拟模型的运动和变化过程，生成具有真实感的动画 效果。
计算机图形学基本知识PPT课件
仿射变换
通过仿射变换矩阵对图像进行变换，可以处理更复杂的几何变换。
04 计算机图形学高级技术
光照模型与材质贴图
光照模型
描述物体表面如何反射光线的数 学模型，包括漫反射、镜面反射 和环境光等。
材质贴图
通过贴图技术将纹理映射到物体 表面，增强物体的真实感和细节 表现。
纹理映射
纹理映射技术
将图像或纹理图案映射到三维物体表 面，增强物体的表面细节和质感。
总结
计算机图形学在游戏设计、电影与动 画制作、虚拟现实与仿真等领域有着 广泛的应用。
计算机图形学的发展历程
起步阶段
20世纪50年代，计算机图形 学开始起步，主要应用于几 何形状的生成和简单图形的 处理。
发展阶段
20世纪80年代，随着计算机 性能的提高，计算机图形学 开始广泛应用于电影、游戏 等领域。
总结
计算机图形学利用计算机 技术生成、处理和显示图 形，实现真实世界的模拟 和再现。
计算机图形学的应用领域
游戏设计
游戏中的角色、场景和特效都需要用 到计算机图形学技术。
电影与动画制作
电影特效、角色建模和动画制作都离 不开计算机图形学。
虚拟现实与仿真
虚拟现实技术、军事仿真、工业设计 等领域都广泛应用计算机图形学。
向量图
向量图是矢量图的一种，通常用于描 述二维图形，如几何图形和图表。
图像的分辨率与质量
分辨率
分辨率是指图像中像素的数量， 通常以像素每英寸（PPI）或像素
每厘米（PPC）为单位。
质量
图像质量取决于分辨率、颜色深度 和压缩等因素。
压缩
图像压缩是一种减少图像文件大小 的方法，常见的图像压缩格式有 JPEG和PNG等。
通过仿射变换矩阵对图像进行变换，可以处理更复杂的几何变换。
04 计算机图形学高级技术
光照模型与材质贴图
光照模型
描述物体表面如何反射光线的数 学模型，包括漫反射、镜面反射 和环境光等。
材质贴图
通过贴图技术将纹理映射到物体 表面，增强物体的真实感和细节 表现。
纹理映射
纹理映射技术
将图像或纹理图案映射到三维物体表 面，增强物体的表面细节和质感。
总结
计算机图形学在游戏设计、电影与动 画制作、虚拟现实与仿真等领域有着 广泛的应用。
计算机图形学的发展历程
起步阶段
20世纪50年代，计算机图形 学开始起步，主要应用于几 何形状的生成和简单图形的 处理。
发展阶段
20世纪80年代，随着计算机 性能的提高，计算机图形学 开始广泛应用于电影、游戏 等领域。
总结
计算机图形学利用计算机 技术生成、处理和显示图 形，实现真实世界的模拟 和再现。
计算机图形学的应用领域
游戏设计
游戏中的角色、场景和特效都需要用 到计算机图形学技术。
电影与动画制作
电影特效、角色建模和动画制作都离 不开计算机图形学。
虚拟现实与仿真
虚拟现实技术、军事仿真、工业设计 等领域都广泛应用计算机图形学。
向量图
向量图是矢量图的一种，通常用于描 述二维图形，如几何图形和图表。
图像的分辨率与质量
分辨率
分辨率是指图像中像素的数量， 通常以像素每英寸（PPI）或像素
每厘米（PPC）为单位。
质量
图像质量取决于分辨率、颜色深度 和压缩等因素。
压缩
图像压缩是一种减少图像文件大小 的方法，常见的图像压缩格式有 JPEG和PNG等。
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– 1962年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bézier 提出 Bézier曲线、曲面的理论
– 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。
• 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
如: GKS (Graphics Kernel System)
PHIGS(Programmer’sHerarchical Iuteractive Graphics system ) GL 便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低
(2）扩充计算机语言，使其具有图形生成和处理的功能
如：Turbo Pascal、Turbo C，AutoLisp等。 简练、紧凑、执行速度快，但可移植性差
– 绘制方法
• 光线跟踪 • 辐射度
– 加速算法
• 包围体树、自适应八叉树等等
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。
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。
模型变换 （计算几何）
CAGD（Computer Aided Geometric Design）
• 几何形体在计算机中的表示，分析、研究 怎样灵活方便地建立几何形体的数学模型， 提高算法效率，在计算机内更好地存储和 管理这些模型等。研究曲线、曲面的表示、 生成、拼接、拟合。
图象处理
• 研究如何对一幅连续图像取样、量化以产生数字 图像，如何对数字图像做各种变换以方便处理，
奥迪效果图和线框图
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，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
什么是计算机图形学
• 定义：计算机图形学是研究怎样用数字 计算机生成、处理和显示图形的一门学 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
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。
工程图及其三维重建结果1
工程图及其三维重建结果2
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）”
计算机中表示图形的方法
– 点阵表示 • 枚举出图形中所有的点(强调图形由点构成) • 简称为图像（数字图像）
– 参数表示 • 由图形的形状参数(方程或分析表达式的系数，线段的端点 坐标等)+属性参数(颜色、线型等)来表示图形 • 简称为图形： • 图形主要分为两类： • 基于线条信息表示 • 明暗图(Shading)
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
图形输入设备的发展
– 第一阶段：控制开关、穿孔纸等等 – 第二阶段：键盘 – 第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、
图形输入板、触摸屏等等，语音 – 第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据
手套、数据衣），用户的手势、表情等等 – 第五阶段：用户的思维
图形软件发展及软件标准形成
三种类型的计算机图形软件系统： (1)用某种语言写成的子程序包
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
真实感图形实时绘制与自然 景物仿真
– 光照模型
• 简单光照模型 • 整体光照模型
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 、 Ppointing devices)界面，所见即所得→VR技术 （发展方向）
– 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。
与相关学科的关系
图像变换 （图像处理）
图像生成（计算机图形学）
数
数
字
据
图
模
像
型
模型（特征）提取 （计算机视觉，模式识别）
.发展特点: 交叉、界线模糊、相互渗透
–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
• 90年代：微机和软件系统的普及使得图形学的 应用领域日益广泛。
– 标准化、集成化、智能化
– 多媒体技术、人工智能、科学计算可视化、 虚拟现实
– 三维造型技术
计算机图形学
河海大学计算机学院
主讲：刘惠义 E-mail: hyliu@ 课件下载：学院网站/教学体系/下载区
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；
• 如何滤去图像中的无用噪声，如何压缩图像数据 以便存储和传输，图像边缘提取，特征增强和提 取。
计算机视觉和模式识别
• 图形学的逆过程，分析和识别输入的图 像并从中提取二维或三维的数据模型 （特征）。手写体识别、机器视觉。
第一章 绪论
1.1 研究内容 1.2 发展历史 1.3 计算机图形学的应用及研究前沿
• ACM SIGGRAPH会议小知识
– 全称 “the Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques”
– 60年代中期，由Brown 大学的教授Andries van Dam (Andy) 和IBM公司的Sam Matsa发 起
1.1 研究内容
?何谓图形 ?构成图形的要素 ?图形的两种表示法 ?图形学所研究的内容
图形以及构成图形的要素
• 图形：计算机图形学的研究对象 – 能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对 象 – 包括自然景物、拍摄到的图片、用数学方法 描述的图形等等
• 构成图形的要素
– 几何要素：刻画对象的轮廓、形状等 – 非几何要素：刻画对象的颜色、材质等
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
• 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
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， 当他戴上头盔显示器，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，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。
一些非官方图形软件，广泛应用于工业界，成为事实上的标准 DirectX (MS) Xlib(X-Window系统) OpenGL(SGI) Adobe公司Postscript
开放式、高效率的发展趋势
第一章 绪论
1.1 研究内容 1.2 发展历史 1.3 计算机图形学的应用及研究前沿
1.3计算机图形学的应用及研究前沿
改 图形功能，不适合交互式。
硬件发展
• 70年代初，刷新式光栅扫描显示器出现， 大大地推动了交互式图形技术的发展。
• 以点阵形式表示图形，使用专用的缓冲区 存放点阵，由视频控制器负责刷新扫描。
– 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。
• 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
如: GKS (Graphics Kernel System)
PHIGS(Programmer’sHerarchical Iuteractive Graphics system ) GL 便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低
(2）扩充计算机语言，使其具有图形生成和处理的功能
如：Turbo Pascal、Turbo C，AutoLisp等。 简练、紧凑、执行速度快，但可移植性差
– 绘制方法
• 光线跟踪 • 辐射度
– 加速算法
• 包围体树、自适应八叉树等等
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。
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。
模型变换 （计算几何）
CAGD（Computer Aided Geometric Design）
• 几何形体在计算机中的表示，分析、研究 怎样灵活方便地建立几何形体的数学模型， 提高算法效率，在计算机内更好地存储和 管理这些模型等。研究曲线、曲面的表示、 生成、拼接、拟合。
图象处理
• 研究如何对一幅连续图像取样、量化以产生数字 图像，如何对数字图像做各种变换以方便处理，
奥迪效果图和线框图
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，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
什么是计算机图形学
• 定义：计算机图形学是研究怎样用数字 计算机生成、处理和显示图形的一门学 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
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。
工程图及其三维重建结果1
工程图及其三维重建结果2
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）”
计算机中表示图形的方法
– 点阵表示 • 枚举出图形中所有的点(强调图形由点构成) • 简称为图像（数字图像）
– 参数表示 • 由图形的形状参数(方程或分析表达式的系数，线段的端点 坐标等)+属性参数(颜色、线型等)来表示图形 • 简称为图形： • 图形主要分为两类： • 基于线条信息表示 • 明暗图(Shading)
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
图形输入设备的发展
– 第一阶段：控制开关、穿孔纸等等 – 第二阶段：键盘 – 第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、
图形输入板、触摸屏等等，语音 – 第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据
手套、数据衣），用户的手势、表情等等 – 第五阶段：用户的思维
图形软件发展及软件标准形成
三种类型的计算机图形软件系统： (1)用某种语言写成的子程序包
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
真实感图形实时绘制与自然 景物仿真
– 光照模型
• 简单光照模型 • 整体光照模型
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 、 Ppointing devices)界面，所见即所得→VR技术 （发展方向）
– 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。
与相关学科的关系
图像变换 （图像处理）
图像生成（计算机图形学）
数
数
字
据
图
模
像
型
模型（特征）提取 （计算机视觉，模式识别）
.发展特点: 交叉、界线模糊、相互渗透
–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
• 90年代：微机和软件系统的普及使得图形学的 应用领域日益广泛。
– 标准化、集成化、智能化
– 多媒体技术、人工智能、科学计算可视化、 虚拟现实
– 三维造型技术
计算机图形学
河海大学计算机学院
主讲：刘惠义 E-mail: hyliu@ 课件下载：学院网站/教学体系/下载区
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；
• 如何滤去图像中的无用噪声，如何压缩图像数据 以便存储和传输，图像边缘提取，特征增强和提 取。
计算机视觉和模式识别
• 图形学的逆过程，分析和识别输入的图 像并从中提取二维或三维的数据模型 （特征）。手写体识别、机器视觉。
第一章 绪论
1.1 研究内容 1.2 发展历史 1.3 计算机图形学的应用及研究前沿
• ACM SIGGRAPH会议小知识
– 全称 “the Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques”
– 60年代中期，由Brown 大学的教授Andries van Dam (Andy) 和IBM公司的Sam Matsa发 起
1.1 研究内容
?何谓图形 ?构成图形的要素 ?图形的两种表示法 ?图形学所研究的内容
图形以及构成图形的要素
• 图形：计算机图形学的研究对象 – 能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对 象 – 包括自然景物、拍摄到的图片、用数学方法 描述的图形等等
• 构成图形的要素
– 几何要素：刻画对象的轮廓、形状等 – 非几何要素：刻画对象的颜色、材质等
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
• 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
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， 当他戴上头盔显示器，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，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。
一些非官方图形软件，广泛应用于工业界，成为事实上的标准 DirectX (MS) Xlib(X-Window系统) OpenGL(SGI) Adobe公司Postscript
开放式、高效率的发展趋势
第一章 绪论
1.1 研究内容 1.2 发展历史 1.3 计算机图形学的应用及研究前沿
1.3计算机图形学的应用及研究前沿
改 图形功能，不适合交互式。
硬件发展
• 70年代初，刷新式光栅扫描显示器出现， 大大地推动了交互式图形技术的发展。
• 以点阵形式表示图形，使用专用的缓冲区 存放点阵，由视频控制器负责刷新扫描。