计算机图形学基础优选ppt资料.ppt

计算机图形学基础(jch)第一页，共73页。2课程内容课程内容绪论绪论计算机图形计算机图形(txng)(txng)设备设备交互式技术交互式技术几何造型技术几何造型技术基本图形基本图形(txng)(txng)生成算法生成算法二维图形二维图形(txng)(txng)变换及二维观察变换及二维观察三维图形三维图形(txng)(txng)变换及三维观察变换及三维观察OpenGLOpenGL图形图形(txng)(txng)编程编程第二页，共73页。3主要主要(zhyo)参考书目参考书目孙家广，计算机图形学（第三版），清华孙家广，计算机图形学（第三版），清华大学出版社，大学出版社，1999。Donald Hearn,M.Pauline Baker著著,蔡士蔡士杰等译，计算机图形学（第三版），电子杰等译，计算机图形学（第三版），电子工业工业(gngy)出版社，出版社，2005。Dave Shreiner等著，邓郑祥译，等著，邓郑祥译，OpenGL编程指南（第四版），人民邮电出版社，编程指南（第四版），人民邮电出版社，2005。第三页，共73页。第四页，共73页。5第一章第一章 绪论绪论(xln)(xln)计算机图形学的概念计算机图形学的概念计算机图形学研究的对象计算机图形学研究的对象计算机图形学的应用计算机图形学的应用计算机图形学的研究动态计算机图形学的研究动态视觉系统与颜色视觉系统与颜色(yns)模型模型第五页，共73页。61.1计算机图形学的概念计算机图形学的概念(ginin)计算机图形学（计算机图形学（CGCG，Computer GraphicsComputer Graphics）是研究）是研究怎样利用计算机来显示、生成和处理怎样利用计算机来显示、生成和处理(chl)(chl)图形的图形的原理、方法和技术的一门学科。原理、方法和技术的一门学科。Computer graphics is the art or science of Computer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of producing graphical images with the aid of puter.第六页，共73页。7能能够够在在人人的的视视觉觉系系统统中中形形成成视视觉觉印印象象的的客客观观对象都称为对象都称为(chnwi)图形。图形。计算机图形学研究(ynji)的对象通常(tngchng)的图形几何图形、图片图像、图形实体方程、函数第七页，共73页。8图形的要素：图形的要素：几何要素和非几何要素。几何要素和非几何要素。计算机图形学中所研究的图形计算机图形学中所研究的图形从从 客客 观观 世世 界界 物物 体体 中中 抽抽 象象(chuxing)出出来来的的带带有有颜颜色色及及形形状状信信息息的图和形。的图和形。计算机图形学研究(ynji)的对象第八页，共73页。9点点阵阵法法是是用用具具有有颜颜色色信信息息的的点点阵阵来来表表示示图图形形的的一一种种方方法法，它强调图形由哪些点组成，并具有什么灰度或色彩。它强调图形由哪些点组成，并具有什么灰度或色彩。参参数数法法是是以以计计算算机机中中所所记记录录图图形形的的形形状状(xngzhun)(xngzhun)参参数数与属性参数来表示图形的一种方法。与属性参数来表示图形的一种方法。通常把参数法描述的图形叫做图形（通常把参数法描述的图形叫做图形（GraphicsGraphics）把点阵法描述的图形叫做图象（把点阵法描述的图形叫做图象（ImageImage）图形(txng)的表示第九页，共73页。10计算算机机图形形学学（CG）试图从从非非图象象形形式式的的数据描述来生成（逼真的）数据描述来生成（逼真的）图象。象。数数字字图象象处理理(Digital Image Processing)旨旨在在对图象象进行行各各种种加加工工以以改改善善图象象的的视觉效果。效果。计算算机机视觉(Computer Vision)是是研研究究用用计算算机机来来模模拟(mn)生生物物外外显或或宏宏观视觉功功能能的科学和技的科学和技术。与计算机图形学相关(xinggun)的学科第十页，共73页。特征数据(shj)、结构数据(shj)图像(t xin)信号计算机图形学计算机视觉(shju)数字图像处理图1.1 图形图像处理各学科间的关系第十一页，共73页。12计算机图形计算机图形(txng)学的确立学的确立图形图形(txng)硬件的发展硬件的发展图形图形(txng)软件的发展软件的发展1.2 计算机图形学的发展(fzhn)第十二页，共73页。13酝酿期（酝酿期（5050年代年代(nindi)(nindi)）19501950年年，麻麻省省理理工工学学院院（MITMIT）的的旋旋风风1 1号号(Whirlwind(Whirlwind I)I)计计算算机机配配备备了了阴阴极射线管极射线管(CRT)(CRT)来显示一些简单的图形。来显示一些简单的图形。计算机图形学的确立计算机图形学的确立(qul)第十三页，共73页。14计算机图形学的确立计算机图形学的确立(qul)萌芽期（萌芽期（6060年代）年代）1962 1962年，年，MIT MIT林肯实验室的林肯实验室的Ivan.E.Ivan.E.SutherlandSutherland发表发表(fbio)(fbio)了一篇题为了一篇题为“Sketchpad“Sketchpad：一个人：一个人机通信的图形系统机通信的图形系统”的博士论文，其中首次使用了的博士论文，其中首次使用了“Computer Graphics”“Computer Graphics”。第十四页，共73页。15计算机图形学的确立计算机图形学的确立(qul)发展期（发展期（70年代）年代）计计算算机机图图形形(txng)处处理理技技术术进进入入实实用用化阶段；化阶段；区区域域填填充充、裁裁剪剪、消消隐隐等等基基本本图图形形(txng)概念及算法；概念及算法；真实感图形真实感图形(txng)学和实体造型技术；学和实体造型技术；第十五页，共73页。16计算机图形学的确立计算机图形学的确立(qul)普及期（普及期（80年代）年代）出出现现了了带带有有光光栅栅图图形形显显示示器器的的个个人人计计算算机机和工作站。和工作站。光光线线跟跟踪踪算算法法和和辐辐射射度度算算法法的的提提出出，标标志志着着计计算算机机真真实实感感图图形形学学的的算算法法已已经经日日渐渐成成熟熟(chngsh)。提高增强期（提高增强期（90年代）年代）标准化、集成化、智能化方向发展。标准化、集成化、智能化方向发展。第十六页，共73页。17图形显示设备图形显示设备6060年代中期，随机扫描的显示器；年代中期，随机扫描的显示器；6060年代后期，存储年代后期，存储(cn ch)(cn ch)管式显示器；管式显示器；7070年代中期，光栅扫描的图形显示器。年代中期，光栅扫描的图形显示器。目目前前正正向向着着小小型型化化、低低电电压压、数数字字化化方方向发展。向发展。图形(txng)硬件的发展第十七页，共73页。图形图形(txng)硬拷贝设备硬拷贝设备打印机打印机绘图仪绘图仪图形图形(txng)输入设备输入设备二二维维图图形形(txng)输输入设备入设备三三维维图图形形(txng)输输入设备入设备第十八页，共73页。19图形软件的发展图形软件的发展 开开放放式式、高高效效率率、标标准准化化、集集成成化、智能化、学科交叉。化、智能化、学科交叉。图形软件标准图形软件标准 与与设设备备(shbi)(shbi)无无关关、与与应应用用无无关、具有较高性能。关、具有较高性能。图形软件图形软件(runjin)的发展及软的发展及软件件(runjin)标准的形成标准的形成第十九页，共73页。近近二二十十年年中中，国国际际标标准准化化组组织织ISO已已经经批批准准(pzhn)和正在和正在讨论讨论的与的与计计算机算机图图形有关的形有关的标标准有：准有：GKS、GKS-3D、PHIGS、CGM、CGI、IGES、STEP。事事实标实标准准SGI的的OpenGL，微微软软的的DirectX，Adobe的的Postscript等。等。图形软件的发展图形软件的发展(fzhn)及软件及软件标准的形成标准的形成第二十页，共73页。211.3计算机图形学的应用计算机图形学的应用(yngyng)p计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）pCAD通过交互式的图形设备对部件进行设计和描述，产生工程略图（线框图）或者更接近实际物体的透视图等，通过迅速地将各种修改信息进行组合，用户可以自由、灵活地对图形进行实验性改动和形体显示(xinsh)。pCAM技术在各种工业制造业中得到广泛的应用。第二十一页，共73页。奥迪效果图和线框图奥迪效果图和线框图(kungt)第二十二页，共73页。第二十三页，共73页。boeing777第二十四页，共73页。CAD/CAM第二十五页，共73页。26计算机图形学的应用计算机图形学的应用(yngyng)p计算机辅助绘图p图形、图表(tbio)和模型图等的绘制；p商务事务领域分析财政、数学和经济等方面数据。第二十六页，共73页。第二十七页，共73页。用用AutoCAD软件制作软件制作(zhzu)三维模型三维模型第二十八页，共73页。用用3DMAX与与Photoshop制作制作(zhzu)室内装潢设计效果图室内装潢设计效果图第二十九页，共73页。30计算机图形学的应用计算机图形学的应用(yngyng)p计算机辅助教学p 计算机图形显示与处理(chl)技术已广泛地应用于计算机辅助教学系统中，它可以使教学过程，特别是基础学科的教学过程形象、直观和生动。第三十页，共73页。31计算机图形学的应用计算机图形学的应用(yngyng)p办公自动化和电子出版技术p图形显示技术在办公自动化和事务处理中的应用，有助于数据及其相互关系的有效(yuxio)表达，因而有利于人们进行正确的决策；p图文并茂的电子排版系统代替了传统的铅字排版，这是印刷史上的一次革命。第三十一页，共73页。32计算机图形学的应用计算机图形学的应用(yngyng)p计算机艺术p 计算机图形技术已广泛应用于各种图案、花纹、工艺外形及传统的油画、中国(zhn u)国画和书法等艺术品的制作，为创作艺术和商品艺术提供了更为广阔的空间。第三十二页，共73页。由清华大学(qn hu d xu)自然景物平台生成的野外场景计算机仿真计算机仿真(fnzhn)第三十三页，共73页。Yoshinori Dobashi等人绘制(huzh)的真实感云计算机仿真计算机仿真(fnzhn)第三十四页，共73页。生成(shn chn)的挪威云杉计算机仿真计算机仿真(fnzhn)第三十五页，共73页。36计算机图形学的应用计算机图形学的应用(yngyng)p工业控制及交通p在过程控制中，用户利用计算机图形处理和显示技术实现与其控制或管理对象间的相互作用；p用于石油化工、金属(jnsh)冶炼过程中的监视和控制；p铁路系统和公路系统的管制与监视。第三十六页，共73页。第三十七页，共73页。第三十八页，共73页。39计算机图形学的应用计算机图形学的应用(yngyng)p医疗卫生p显示病历，显示各种药物的剂量、性能；p对某种病的治愈率作统计分析；p医学图像处理(t xin ch l)技术；p计算机辅助手术（Computer-Aided Surgery）。第三十九页，共73页。40计算机图形学的应用计算机图形学的应用(yngyng)p图形用户界面（GUI,Graphical User Interface）p 典型的图形用户界面包含一个窗口管理程序、菜单(ci dn)显示和图符等。第四十页，共73页。第四十一页，共73页。42计算机图形学的研究计算机图形学的研究(ynji)动动态态p计算机动画：计算机动画是指用程序生成(shn chn)一系列的景物画面，其中当前帧画面是对前一帧画面的部分修改。第四十二页，共73页。43p刚体动画刚体动画p变形动画变形动画p基于物理基于物理(wl)的动画（运动动画）的动画（运动动画）p粒子动画粒子动画p关节动画关节动画p行为动画行为动画计算机动画的分类计算机动画的分类(fnli)第四十三页，共73页。变形(bin xng)动画第四十四页，共73页。基于(jy)物理的动画第四十五页，共73页。粒子(lz)动画第四十六页，共73页。关节(gunji)动画第四十七页，共73页。行为(xngwi)动画第四十八页，共73页。49计算机图形学的研究计算机图形学的研究(ynji)动动态态p地理信息系统p 地理信息系统（GIS，Geographic Information System）是一种(y zhn)用于采集、模拟、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机信息系统，是社会经济与环境保护协同持续发展中，信息集成和分析的先进工具。第四十九页，共73页。50计算机图形学的研究计算机图形学的研究(ynji)动动态态p人机交互p 人机交互学（Human-Computer Interface）是一门关于设计、评估(pn)和执行交互式计算机系统以及研究由此而发生的相关现象的学科。它是伴随着计算机的出现而出现，伴随着计算机技术发展而发展的。第五十页，共73页。51计算机图形学的研究计算机图形学的研究(ynji)动动态态p真实感图形显示p真实感图形的生成：p 场景造型p 取景变换p 视域裁剪p 消除隐藏(yncng)面p 可见面光亮度计算 第五十一页，共73页。52计算机图形学的研究计算机图形学的研究(ynji)动动态态p虚拟现实（Virtual reality）p 由计算机生成的一个实时三维空间。用户在其间可以“自由”地运动，随意观察(gunch)周围的景物，并可以通过一些特殊的设备与虚拟物体进行交互操作，使用户产生一种身临其境的感觉。第五十二页，共73页。53p沉浸（Immersion）：全方位投入，使用户产生身临其景的感觉。p交互（Interaction）：响应用户的各种输入手势、语言命令以及身体动作。p构想（Imagination）：生动形象(xngxing)地反映设计者的思想。虚拟现实(x n xin sh)技术第五十三页，共73页。54p能以实时的速度生成有逼真感的景物图形。p能高精度的跟踪用户的头和手。p头戴显示器能产生高分辨率图象和较大的视角。p能对用户的动作(dngzu)产生力反馈。p链接虚拟现实(x n xin sh)的关键技术第五十四页，共73页。第五十五页，共73页。56p科学计算可视化p 运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中及计算结果的数据转换为图形及图像在屏幕(pngm)上显示出来并进行交互处理的理论、方法和技术。计算机图形学的研究(ynji)动态第五十六页，共73页。用PGS Tigress软件(run jin)显示的油藏三维图第五十七页，共73页。国家海洋和大气局预报的北克拉(kl)罗多的天气数据的三维图象第五十八页，共73页。59p并行图形(txng)处理p多计算机的并行图形(txng)处理p多图形(txng)显示子系统（显卡）实现并行计算p多GPU/VPU的并行处理计算机图形学的研究(ynji)动态第五十九页，共73页。60p视觉系统(xtng)p人眼结构p视觉原理视觉(shju)系统与颜色模型第六十页，共73页。when the eye is properly focused,light from an object outside the eye is iamged on the retina第六十一页，共73页。Pattern vision is afforded by the distribution of discrete light receptors over the surface of the retina.第六十二页，共73页。There are two classes of receptors:rods and cones.个数：6 and 7 million分布：视网膜中央感光：对彩色光极度敏感cone vision称为(chn wi)明亮视觉个数：75 to 150 million分布：整个视网膜感光：对泛光敏感rod vision称为(chn wi)暗视觉第六十三页，共73页。The number of rods is much larger:Some 75 to 150 million are distributed over the retina surface.Rods serve to give a general,overall picture of the field of view.They are not involved in color vision and are sensitive to low levels of illumination.Objects that appear brightly colored in day-light when seen by moonlight appear as colorless forms because only the rods are stimulated.This phenomenon is known as scotopic or dim-light vision.第六十四页，共73页。典型的图形用户界面包含一个窗口管理程序、菜单(ci dn)显示和图符等。第四十四页，共73页。计算机图形技术已广泛应用于各种图案、花纹、工艺外形及传统的油画、中国(zhn u)国画和书法等艺术品的制作，为创作艺术和商品艺术提供了更为广阔的空间。第二十八页，共73页。第六十一页，共73页。1950年，麻省理工学院（MIT）的旋风1号(Whirlwind I)计算机配备了阴极射线管(CRT)来显示一些简单的图形。特征数据(shj)、结构数据(shj)图形(txng)硬件的发展运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中及计算结果的数据转换为图形及图像在屏幕(pngm)上显示出来并进行交互处理的理论、方法和技术。关节(gunji)动画CMYK颜色(yns)模型沉浸（Immersion）：全方位投入，使用户产生身临其景的感觉。计算机图形学的研究动态计算机图形学的研究动态第四十四页，共73页。第五十二页，共73页。盲视第六十五页，共73页。66p颜色(yns)模型pRGB颜色(yns)模型pCMY颜色(yns)模型pCMYK颜色(yns)模型pHSI颜色(yns)模型视觉系统与颜色(yns)模型第六十六页，共73页。cones中约有65%对红色敏感(mngn)33%对绿色敏感(mngn)2%对蓝色敏感(mngn)但是blue cones最敏感(mngn)。三基色(js)：R G B；二次色：C M Y第六十七页，共73页。R G B 颜色(yns)模型第六十八页，共73页。CIE 色度图注：R G B的组合(zh)并不能对应所有的颜色第六十九页，共73页。颜料(ynlio)三基色：CMYCMY和CMYK 颜色模型：应用于彩色(cis)打印和RGB 颜色模型(mxng)的关系第七十页，共73页。HSI 颜色(yns)模型H色度S饱和度I亮度应用于机器(j q)视觉第七十一页，共73页。RGB 2 HSI第七十二页，共73页。HSI 2 RGB可以(ky)推得第七十三页，共73页。