计算机图形学1(陈永强).ppt

1,计算机图形学,武汉纺织大学数学与计算机学院,授课教师：陈永强 教授 博士,2,教学目标,着重介绍计算机图形学的基本内容，逐渐掌握和熟悉该学科涉及的基本概念和思维方式尽量给出计算机图形学最新发展所需要的基础知识 坚持理论与实践相结合，尽可能多地采用现有的成熟知识，提高学生的实践动手能力,3,课程特点,课程内容偏重于理论，部分算法较抽象且不易理解 课程内容涉及面广 基础算法或理论是几十年来固定不变的经典理论的作用隐藏于日常的计算机使用中，虽然无处不在，但体现为用户透明的状态新算法与理论能快速地转换为商业应用,两个图形学商业应用的代表人物,史蒂夫保罗乔布斯（1955.2.242011.10.5，美国苹果公司联合创办人）被认为是计算机业界与娱乐业界的标志性人物，经历了苹果公司几十年的起落与兴衰，先后领导和推出了麦金塔计算机（Macintosh）、iMac、iPod、iPhone、iPad等风靡全球的电子产品，深刻地改变了现代通讯、娱乐、生活方式。乔布斯同时也是前Pixar动画公司的董事长及行政总裁。詹姆斯卡梅隆（1954-，加拿大电影导演）擅长拍摄动作及科幻电影，执导了电影票房史上最卖座的两部电影，“世界最伟大的20位导演之一”。,两个里程碑式的电影代表,1997年泰坦尼克号（詹姆斯卡梅隆执导）拍摄成本高达2亿美元，并广泛采用了计算机特技，是当时成本最昂贵的电影，但全球票房超过18亿美元，是1997年至2010年间票房最高的电影，并获得第70届奥斯卡金像奖最佳影片、最佳导演奖等11项大奖。泰坦尼克号在2012年4月4日以3D版形式重新发布，纪念泰坦尼克号沉船事件100周年。详细见百度文库http:/,2009年阿凡达（詹姆斯卡梅隆执导）投资5亿美元，27亿美元票房，成功主要应归功于其震撼的视觉效果和完美的观影体验。炫目的外太空景色、美轮美奂的植物、凶猛的野兽、悬浮在空中的山以及高空俯冲的快感等，通过IMAX和3D技术完美的展现在了观众的面前。60%的画面是由计算机图形学的相关技术来完成的，包括：场景渲染技术、动作和表情捕捉技术以及基于虚拟现实的拍摄技术。详细见网页中科院计算所http:/百度文库http:/,教材,课本计算机图形学基础（第2版）陆枫，何云峰编著电子工业出版社，2011,课程学时安排,总学时：48 周四3-5节理论学时：32 1-10周实验学时：16 11-16周,9,理论课内容,绪论计算机图形设备交互式技术几何造型技术基本图形生成算法*二维图形变换及二维观察*三维图形变换及三维观察*OpenGL图形编程,10,实验课内容,实验1：直线与圆的生成算法实验2：直线的2D变换实验3：三角形的绘制与2D变换实验4：长方体的绘制实验5：球的绘制实验6：球和长方体的颜色设置,11,主要参考书目,Donald Hearn,M.Pauline Baker著,蔡士杰等译，计算机图形学（第三版），电子工业出版社，2005。孙家广，计算机图形学基础教程（第2版），清华大学出版社，2009。向世明，OpenGL编程与实例，电子工业出版社，1999。Dave Shreiner等著，OpenGL编程指南（原书第7版），机械工业出版社，2010。,12,主要参考网站,武汉纺织大学计算机图形学精品课程华中科技大学http:/http:/http:/,相关课件资料,百度文库计算机图形学1-10(陈永强).PPTftp:/122.204.83.250 用户名：chenyongqiang密码：chenyongqiang,14,学习要求,课前请做好预习，课后请做好复习保持课堂安静，头脑清醒，思维活跃重视上机实践，有效利用宝贵的上机时间成绩构成平时考勤：10%实验报告：30%闭（开）卷考试：60%,15,第一章 绪论,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的应用计算机图形学的研究动态,16,1.1 计算机图形学的概念,计算机图形学（CG，Computer Graphics）是研究怎样利用计算机来显示、生成和处理图形的原理、方法和技术的一门学科。Computer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer.,17,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。,计算机图形学研究的对象,通常的图形,几何图形、图片图像、图形实体,方程、函数,18,图形的要素：几何要素和非几何要素。计算机图形学中所研究的图形 从客观世界物体中抽象出来的带有颜色及形状信息的图和形。,计算机图形学研究的对象,19,点阵法是用具有颜色信息的点阵来表示图形的一种方法，它强调图形由哪些点组成，并具有什么灰度或色彩。参数法是以计算机中所记录图形的形状参数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（Graphics）把点阵法描述的图形叫做图象（Image）,图形的表示,20,计算机图形学（CG）试图从非图象形式的数据描述来生成（逼真的）图象。数字图象处理(Digital Image Processing)旨在对图象进行各种加工以改善图象的视觉效果。计算机视觉(Computer Vision)是研究用计算机来模拟生物外显或宏观视觉功能的科学和技术。,与计算机图形学相关的学科,特征数据、结构数据,图像信号,计算机图形学,计算机视觉,数字图像处理,图1.1 图形图像处理各学科间的关系,22,计算机图形学的确立图形硬件的发展图形软件的发展,1.2 计算机图形学的发展,23,酝酿期（50年代）1950年，美国麻省理工学院（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。,计算机图形学的确立,24,计算机图形学的确立,萌芽期（60年代）1962年，美国MIT林肯实验室的Ivan.E.Sutherland发表了一篇题为“Sketchpad：一个人机通信的图形系统”的博士论文，其中首次使用了“Computer Graphics”。,25,计算机图形学的确立,发展期（70年代）计算机图形处理技术进入实用化阶段；区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念及算法；真实感图形学和实体造型技术；,26,计算机图形学的确立,普及期（80年代）出现了带有光栅图形显示器的个人计算机和工作站。光线跟踪算法和辐射度算法的提出，标志着计算机真实感图形学的算法已经日渐成熟。提高增强期（90年代）标准化、集成化、智能化方向发展。,27,图形显示设备60年代中期，随机扫描的显示器；60年代后期，存储管式显示器；70年代中期，光栅扫描的图形显示器。目前正向着小型化、低电压、数字化方向发展。,图形硬件的发展,图形硬拷贝设备 打印机 绘图仪图形输入设备 二维图形输入设备 三维图形输入设备,29,图形软件的发展 开放式、高效率、标准化、集成化、智能化、学科交叉。图形软件标准 与设备无关、与应用无关、具有较高性能。,图形软件的发展及软件标准的形成,近二十年中，国际标准化组织ISO已经批准和正在讨论的与计算机图形有关的标准有：GKS、GKS-3D、PHIGS、CGM、CGI、IGES、STEP。事实标准 SGI的OpenGL，微软的Direct X，Adobe的Postscript等。,图形软件的发展及软件标准的形成,31,1.3 计算机图形学的应用,计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）CAD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。CAM技术在各种工业制造业中得到广泛的应用。,32,计算机图形学的应用,计算机辅助绘图图形、图表和模型图等的绘制；商务事务领域分析财政、数学和经济等方面数据。,33,计算机图形学的应用,计算机辅助教学 计算机图形显示与处理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。,34,计算机图形学的应用,办公自动化和电子出版技术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表达，因而有利于人们进行正确的决策；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。,35,计算机图形学的应用,计算机艺术 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。,36,计算机图形学的应用,工业控制及交通在过程控制中，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；用于石油化工、金属冶炼过程中的监视和控制；铁路系统和公路系统的管制与监视。,37,计算机图形学的应用,医疗卫生显示病历，显示各种药物的剂量、性能；对某种病的治愈率作统计分析；医学图像处理技术；计算机辅助手术（Computer-Aided Surgery）。,38,计算机图形学的应用,图形用户界面（GUI,Graphical User Interface）典型的图形用户界面包含一个窗口管理程序、菜单显示和图符等。,39,1.4计算机图形学的研究动态,计算机动画：计算机动画是指用程序生成一系列的景物画面，其中当前帧画面是对前一帧画面的部分修改。,40,刚体动画变形动画基于物理的动画（运动动画）粒子动画关节动画行为动画,计算机动画的分类,41,计算机图形学的研究动态,地理信息系统 地理信息系统（GIS，Geographic Information System）是一种用于采集、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。,42,计算机图形学的研究动态,人机交互 人机交互学（Human-Computer Interface）是一门关于设计、评估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。,43,计算机图形学的研究动态,真实感图形显示真实感图形的生成：场景造型 取景变换 视域裁剪 消除隐藏面 可见面光亮度计算,44,计算机图形学的研究动态,虚拟现实（Virtual reality）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。,45,沉浸（Immersion）：全方位投入，使用户产生身临其景的感觉。交互（Interaction）：响应用户的各种输入手势、语言命令以及身体动作。构想（Imagination）：生动形象地反映设计者的思想。,虚拟现实技术,46,能以实时的速度生成有逼真感的景物图形。能高精度的跟踪用户的头和手。头戴显示器能产生高分辨率图象和较大的视角。能对用户的动作产生力反馈。实例（VRML，虚拟现实建模语言）,虚拟现实的关键技术,47,科学计算可视化 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动态,48,并行图形处理多计算机的并行图形处理多图形显示子系统（显卡）实现并行计算多GPU/VPU的并行处理,计算机图形学的研究动态,