图形学第1章(孔令德编)

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80年代初，平板显示器
液晶显示器：体积小，辐射弱 等离子显示器:平板式、透明。显示图形 无锯齿现象；不需要刷新缓冲存储器。
90 90 LCD显示器的基本指标
可视角度
视线与屏幕中心法向成一定角度时，人们就不能清晰地看到屏 幕图象，而那个能看到清晰图象的最大角度被我们称为可视角 度。一般所说的可视角度是指左右两边的最大角度相加。工业 上有CR10（Contrast Ratio）、CR5两种标准来判断液晶显示 器的可视角度
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几何造型平台
ACIS Parasolid
多数著名的CAD/CAM软件是基于ACIS和Parasolid
起源于英国剑桥大学
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CAD/CAM
AutoCAD: 是世界第四大PC软件公司Autodesk的主导产品。 Unigraphics(UG)：是Unigraphics Solutions公司的产品，最 早源于美国麦道飞机公司，以Parasolid几何造型核心为基础。 采用参数化和变量化技术。 I-DEAS：是美国SDRC公司的产品，是全世界制造业广泛应 用的大型CAD/CAE/CAM软件。采用变量化技术。
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课程的学习要求


不可以迟到早退，考勤记入平时成绩 上课认真听讲，认真记笔记 上机操作要按机房上课要求做，在机房不能吃东 西等 认真完成作业 机房上课听从教师要求
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关于考核
1、不缺勤
2、期末考试成绩占70% 3、实验、作业占30%
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教材及参考书目
教材：
《计算机图形学基础教程》，孔令德，清华大学出版社
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逆向工程
逆向工程(Reverse Engineering,也称反求工程、 反向工程)是一种现代化新产品开发技术，解
决了由产品实物模型到产品数字模型，进而
作修改和详细设计，快速开发出新产品的过
程，为现代设计方法和快速原型制造等提供
了技术支持。
逆向产品设计实例
测量得到的数据点云 风 扇 叶 片 表面重构
点距与分辨率
液晶屏幕的点距就是两个液晶颗粒（光点）之间的距离，一般 0.28~0.32mm就能得到较好的显示效果 通常所说的液晶显示器的分辨率是指其真实分辨率，表示水平 方向的像素点数与垂直方向的像素点数的乘积
三维显示器
不需要佩 戴任何3D眼 镜就可以观 察到具有三 维立体效果 的图像
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三维显示器
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※计算机视觉与模式识别
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。
模式识别 （Pattern
Recognition，PR）
把点阵图像进行特征抽取，然 后用统计学方法给出图形描述的学 科。 如带手写功能的手机就是模式 识别的一个典型应用。
苹果图形工作站
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五、标准化智能化阶段（20世纪90年代）
图形学标准化、智能化和集成化的发展阶段 计算机图形接口标准CGI 计算机图形元文件标准CGM
图形核心系统GKS
三维图形核心系统GKS-3D
程序员层次交互式图形系统PHIGS
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3 计算机图形学的应用领域
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图形用户界面
计算机辅助设计(CAD/CAM)
Pro/Engineer：是美国参数技术公司的产品。1985年于波士 顿成立，是世界第一大CAD/CAE/CAM软件公司。基于特征造 型。
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图形输入设备发展过程
第一阶段：控制开关、纸带输入机等等
94 第二阶段：键盘
闻名遐迩的微软人体工学键盘
95 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
96 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
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第五阶段：用户的思维
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输出设备
内存
外存
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图形的处理
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图形的显示与输出
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★计算机图形学算法研究的发展
1、光栅扫描图形的生成
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★计算机图形学算法研究的发展
2、图形变换
原始图
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★计算机图形学算法研究的发展
3、真实感图形生成
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由清华大学自然景物平台生成的野外场景
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日本Yoshinori Dobashi等人绘制的真实感云
该环境直接进行交互的技术。在虚拟现
实中，看到的是全彩色的景象，听到的
是虚拟环境中的声响，感受到的是虚拟
环境设备反馈的作用力，从而产生身临 其境的感觉。
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Virtual Reality（虚拟现实、虚拟环境）
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Virtual Reality（虚拟现实、虚拟环境）
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计算机模拟和仿真
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三、推广应用阶段（20世纪70年代）
光栅扫描显示器出现 计算机图形生成技术在计算机辅助设计、 事务管理、过程控制等领域得到了比较广 泛的应用，出现了专门开发图形软件的公 司及商品化图形软件， CAD 成为工业设 计部门不可缺少的工具和热门技术
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四、系统实用化阶段（20世纪80年代）
工作站的出现促进了图形学的发展
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★计算机图形学算法研究的发展
6、图形学应用算法
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2、计算机图形学的发展
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一、起源（准备阶段）
计算机图形学的准备和酝酿时期
第一台图形显示器
第一台滚筒式绘图仪
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二、发展阶段（20世纪60年代）
交互式计算机图形学的诞生
计算机图形 学之父
创始人：Ivan E.Sutherland
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首次使用了计算机图 形学"Computer Graphics"这个术语 引入了用于存储由标 准组件简单复制构成 的多层符号的数据结 构 开发了利用键盘和光 笔实现选择、定位和 绘图等交互技术 提出了许多沿用至今 的基本原理和技术。
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采用UG进行再设计 产品快速原型
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文物修复
化石建模
建立植物动物计算机模型
马王堆辛追夫人像
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1.2 计算机图形系统
硬件：图形输入、处理、显示、
存储、输出等设备
软件：图形生成、显示、处理算 法以及图形数据存储、交换格式等
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硬件设备的发展
图形显示器是计算机图形学中的关键设备
（ 矢 量 显 示 器 随 机 扫 描 显 示 器 ）

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的表示 法从参数法转换到点阵法的一门学科。

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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※图像处理概念
图像处理研究对象是数字图像
图像处理 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。
DrawLine(A, B)算法: • Turn beam off, • move to A. • Turn beam on, • move to B.
A B
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60年代后期：存储管式显示器
特点：不需刷新，价格较低，缺点是不具 有动态修改 图形功能，不适合交互式
70年代初，刷新式光栅扫描显示器
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、计算机辅 助教学等领域。
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计算机艺术
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远古的回声
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虚拟现实（VR）
虚拟现实（Virtual Reality）用计
算机生成一种虚拟环境，用户“沉浸”
到该环境中，并可通过一些特殊设备与
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※计算机图形的概念
计算机图形是通过计算机利用算法在专 用显示设备上设计和构造出来的。
特点：
客观
抽象
计算机图形学中图形的表示方法 参数法 参数法是在设计阶段采用几何方法建立数 学模型时，用形状参数和属性参数描述图形 的一种方法 形状参数可以是线段的起始点和终止点等 几何参数 属性参数则包括线段的颜色、线型、宽度 等非几何参数 一般用参数法描述的图形依旧称为图形。
刷 新 式 光 栅 扫 描 显 示 器 液 晶 显 示 器 和 等 离 子 显 示 器
画 线 显 示 器
存 储 管 式 显 示 器
/
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60年代中期：随机扫描显示器
由电子束的随机运动产生光点（像素点） 随机扫描方式指屏幕上的图形是按矢量线段一 笔一笔画出的，其顺序完全按用户的绘图指令 来决定。又称为画线式显示器、矢量式显示器
计 算 机 辅 助 设 计 （ Computer Aided
Design，CAD）和计算机辅助制造（Computer
Aided Manufacture，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、
打印机
喷墨打印机（便宜）
激光打印机（出图质量较高）
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输出设备
绘图仪
平板式 滚筒式
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计算机图形软件
计算机图形软件的分类
通用编程软件包：常常是图形库，提供了生 成各种图形、实现图形的处理和输入输出操 作、控制和处理各种图形设备以及交互过程 中的各种事件，如OpenGL。 专业应用图形软件包：专业应用图形软件包 是具有图形处理能力的交互式图形软件系统， 为非程序员提供的而且往往应用于某个或某 些领域，如AutoCAD、3DS MAX等。
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可视化应用
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流场可视化
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温度场可视化 应力场可视化
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声场可视化
电磁场可视化
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医学应用
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娱乐
wenku.baidu.com
OpenGL制作的游戏
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娱乐
Java 3D制作的游戏
娱乐
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DirectX制作的游戏
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计算机动画和技术
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影视特技
《泰坦尼克号》剧照
计算机艺术（CA）
计算机图形学广泛应用于美术设计中，称
电子器件等产品的开发几乎都使用AutoCAD进
行设计。
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计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)
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雪佛莱敞篷轿车曲面造型
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事务和商务数据的图形显示
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地理信息系统GIS
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长江三峡地区图
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过程控制及系统环境模拟
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电子出版及办公自动化
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科学计算可视化
see the unseen
参考书目：
《计算机图形学的算法基础》 [美]D.F. 罗杰斯 著 石教英 彭群生译 科学出版社
注：计算机图形学教材均可作为参考
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第一章 绪论
•1.1 计算机图形学的概念、发展和应用
•1.2 计算机图形系统
•1.3 计算机图形标准
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1.1 计算机图形学的概念、发展和应用
1．计算机图形学的概念 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。
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实用计算机图形学
翟红英
电话：64217711-1502
E－mail:sfthongying@buu.com.cn
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课程目的

了解计算机图形学的基本概念 掌握二维及三维计算机图形学的基本算法 对与图形相关的应用及当前的研究热点有一个初步认识 掌握如何用C/C++进行图形学程序设计
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教学大纲（主要内容）
彩色图像
二值图像
灰度图像
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图像处理研究内容是：
•如何对一幅连续图像采样、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
•如何压缩图像数据以便于存储和传输
•如何从图像中提取二维或三维物体的模型
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※计算几何概念
•研究几何形体在计算机内的表示、 分析与综合。
•研究怎样方便灵活地建立几何形体 的数学模型，提高算法效率。 •研究在计算机内如何更好地存储和 管理这些模型等。
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计算机图形学与其相关学科的关系
图像变换 （图像处理）
数 字 图 像
图像生成（计算机图形学）
模型（特征）提取 （计算机视觉，模式识别）
数 据 模 型
模型变换 （计算几何）
发展特点: 交叉、界线模糊、相互渗透
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★计算机图形学的研究内容
图形的输入
?
数
据
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★计算机图形学的研究内容
图形的表示（存储）
计算机图形学及图形系统综述 基本光栅图形生成技术
图形变换、裁剪 曲线与曲面 三维几何造型 真实感图形生成技术
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教学进度安排




教学周15周，每周3节课，共45学时。 30学时用于理论知识教学 13学时用于上机编程训练 2学时用于期末考试，具体安排见教学计划 上机时间明显不足，在保证理论教学的基础上， 用家庭作业形式补足
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王希的树皮VDM（Siggraph 03）
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纹理与表面细节VDM
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基于物理的光照
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大规模复杂场景的点绘制
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★计算机图形学算法研究的发展
4、建模技术
面模型
线框模型
体模型
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★计算机图形学算法研究的发展
5、曲线曲面生成方法
• 参数三次方程
• Bé zier曲线曲面
• B样条曲线曲面 1991年国际标准组织(ISO)正式颁布了工业 产品几何定义的STEP标准，将NURBS作为 唯一的一种自由型曲线曲面。