计算机图形学(绪论)

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计算机图形学的研究内容
在计算机环境下景物的几何建模方法(modeling) 、对模型的处理方法、几何模型的绘制技术 (rendering)、图形输入和控制的人机交互界面 (user interface)。
例如，要研究如何在计算机上表示飞机和汽车外形 、方便地对飞机和汽车外形进行修改、快速地绘制 它们的真实感图形
1984年，Cornell大学和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，成功 地模拟了理想漫反射表面间的多重漫反射效果 图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展
出现了简单易用、价格低廉的基于图形的硬件系统 带光栅扫描显示器的个人计算机和工作站的出现
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图形的概念
计算机图形学中的图 形概念
是指由点、线、面、 体等几何要素和明暗、灰 度（亮度）、色彩等非几 何要素构成的，从现实世 界中抽象出来的带有灰度、 色彩及形状的图或形。
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计算机图形学的概念
定义1（ISO)：计算机图形学是研究通过计算机将数据转 换为图形，并在专用显示设备上显示的原理、方法和技术 的学科。 定义2(IEEE)：计算机图形学是利用计算机产生图形化的 图像的艺术和科学。 定义3(D.Foley)：计算机图形学等于“图形数据结构”＋ “图形算法”＋“计算机语言”。 定义4(教材)：计算机图形学是研究如何在计算机环境下 生成、处理和显示图形的一门学科。
参考书： 《计算机图形学》，张彩明、杨兴强等编著，科学出版社 《计算机图形学》，张曦煌、杜俊俐主编，北京邮电大学出版社 《计算机图形学基础》，陆枫、何云峰编著，电子工业出版社 《 Computer graphics using OpenGL Hill 》, Francis S.，科学出 版社。
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计算机动画和艺术
计算机动画和艺术是用计算机来生成各种逼真的虚拟 场景画面和特效效果，从而为人们提供一个充分展示 个人想象力和艺术才能的空间。 可用于艺术创作的软件有二维平面的画笔程序（如 CorelDraw，Photoshop，PaintShop）、专门的图表绘 制软件（如Visio）、三维建模和渲染软件包（如 3DMAX，Maya）、以及一些专门生成动画的软件（如 Alias，Softimage） 计算机动画和艺术例子： 卡通动画：To 48 影视特技：To 49 竹, 树, 花, 海, 云, 山 To 50－52 人造演员：To 53 数字图像处理：To 54
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计算机模拟和仿真
计算机模拟和仿真已广泛应用到产品和工程设计、 航空驾驶和实验等工作中，如构造虚拟天空、地面、山 峰、树木等，并产生出巨大的经济效益。
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虚拟现实
虚拟现实是指由计算机实时生成一个虚拟的三维空间， 用户可在其中自由运动，随意观察周围的景物，并通过一 些特殊的设备与虚拟物体进行交互操作。
图形软件标准化(80年代晚期到90年代) 官方标准(ISO, ANSI)
1) 第一个图形软件标准是由德国提出的图形核心系 统GKS (Graphical Kernel System)，这是一个二维 图形软件包。 2) 1988年，GKS的三维扩充GKS-3D成为三维图形软 件标准。
GKS标准 下的图形

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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计算机图形学的发展(续)
20世纪70年代
光栅图形学 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 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
计算机图形学的发展(续)
20世纪90年代
实体造型系统得到飞速的发展 目前国际上应用较广的实体造型系统有
– – – – – – – IBM公司的CADAM Dassault System公司的CATIA SDRC公司的Geomod PT公司的Pro/Engineer SpatialTechnology公司的ACIS Solidworks公司的Solidworks 设计人员可直接在三维空间进行产品的设计、修改、 观察，从而使设计活动变得直观、简单、高效。
计算机图形学的发展(续)
非官方标准
SGI等公司开发的OpenGL，Sun公司推出的Java 3D， Microsoft公司的DirectX等。
OpenGL制作的游戏
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Java 3D制作的游戏

DirectX制作的游戏
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科学计算可视化
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）” 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、海洋和空间探测等领域当中To 46－47，已成 为一种从海量的计算数据和测量数据中发掘其蕴含的自然、 物理现象和规律的新的通用手段。
《计算机图形学》，何援军主编，机械工业出版社
《计算机图形学基础教程》，孙家广，胡事民编著. 清华大学出版社 其它
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拟涉及主要内容
计算机图形学概述（第一章） 计算机图形系统及设备（第二章） 基本光栅图形算法（第三章） 几何变换、裁剪和投影（第四、五章） 人机交互绘图技术*（第六章）
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地理信息系统
地理信息系统记录着关于人口、城镇乡村、高山平 原地形、矿藏、森林、旅游等大量信息。利用地理系统 中的图形软件可绘制出地理、地质的以及其他自然现象 的高精度勘探、测量图形，如地理图、人口分布图、水 资源分布图等。
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计算机图形学的发展
20世纪60年代(交互式图形学显示技术的应用) 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，并将其成功地 用于几何外形设计，开发了用于汽车外形设 计的UNISURF系统。
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图形的概念
广义的图形概念
凡是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。如：
(1)自然景物 (2)照片和图片 (3)工程图、设计图和方框图 (4)人工美术绘画、雕塑品 (5)用数学方法描述的图形（包括几 何图形、代数方程、分析表达式或 列表所确定的图形）
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地理信息系统 (geographical information system,GIS) 科学计算可视化 (visualization in scientific computing) 计算机动画和艺术 (computer animation and art) 计算机模拟和仿真 (computer simulation) 虚拟现实 (virtual reality, VR)
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计算机图形学的发展(续)
3) 1986年，ISO提出程序员分层交互图形系统PHIGS (Programmer’s Hierarchical Interactive Graphics System)， 支持三维图形的层次嵌套结构。
PHIGS标准下的图形
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IBM公司的 CADAM系统
Dassault System公司的CATIA
CATIA系统设计的轮船
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PT公司的Pro/Engineer系统
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计算机图形学的发展(续)
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计算机图形学的发展历史
计算机图形学的诞生 计算机图形学的发展 计算机图形学的未来
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计算机图形学的诞生
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 20世纪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 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
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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计算机图形学的发展(续)
20世纪80年代
真实感图形学已逐渐成熟
1980年，Whitted提出了一个光透视模型，并第一次给 出光线跟踪算法的范例，实现了Whitted模型
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计算机辅助设计与制造
计算机辅助设计(CAD)已广泛应用于飞机、汽车、船 舶的外形设计、超大规模集成电路设计，以及建筑、服 装、印染、玩具设计等领域。
电子CAD: 电路设计，线路图，布线图，安装图 集成电路设计 To 36 机械CAD: 汽车 飞机(波音777) To 37-38 零件设计、模具设计 To 39-40 曲面设计 To 41 建筑CAD: 平面图, 大样图, 外形图 To 42-44 轻 工 CAD: 服 装 : 2D 排 料 设 计 , 3D 款 式 设 计 图案设计: 墙纸, 地毯, 花布„ To 45
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计算机图形学的研究内容
计算机图形学产生真实感图形的过程
通过绘制过程生成物体 的真实感图形
绘制
对物体做一系列的变换，以 反映观察者和物体的位置关系
处理
建立对物体完整的几何描述
建模
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计算机图形学的研究内容
交互式计算机图形输入、输出技术
计算机图形学
教学目标
• 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；
• 具有一定实践体会和相关的编程能力。
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教材与参考书
教材：
《计算机图形学简明教程》，张彩明编著，高等教育出版社
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计算机图形学的未来
科学计算的可视化和虚拟现实的更新课题 的研究
三维乃至更高维计算机图形学在真实感和 实时性更新课题的研究 分形图形学的研究
计算机图形学会朝着智能化、网络化的方 向继续发展
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计算机图形学的应用
计算机辅助设计与制造 (computer aided design and manufactory)
曲线曲面*（第九章）
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概 述
计算机图形学的相关概念


计算机图形学的发展历史
计算机图形学的应用


计算机图形学的研究内容
计算机图形学与相关学科的关系
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计算机图形学的相关概念
图形的概念
计算机图形学的概念
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