计算机图形学: 计算机图形学 明子成 南方摄影学院 电教中心


教学要求: 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；


参考书：: 参考书： 苗雪兰，刘瑞新，计算机图形学理论及应用技术，机械工业出版社，2003。 陆润民：计算机图形学教程，清华大学出版社，2003。 姚海根，石利琴：《计算机图形学应用》，科学出版社，2002 （日）横枕雄一郎：图说计算机图形学应用，科学出版社，2003


成绩评定办法：: 成绩评定办法： 课堂纪律（10%） 超过三次缺课按弃修处理 手机响铃或扰乱课堂秩序一次扣10分 考勤+作业：50% 论文：50% (or:笔试)


第一讲 计算机图形学概述 : 第一讲 计算机图形学概述 计算机学科中最活跃的分支之一 人与计算机之间的信息传递； “一幅图胜过千言万语” ——拿破仑 需求推动：生活，工商业各领域的发展需要。 加强信息理解和传递的技术和工具 已发展成为一个巨大的产业,1996年总产值达500 亿美元,2000年达1000亿美元 $7 Billion Man


What is Computer Graphics?: What is Computer Graphics? Technically, it’s about the production, manipulation and display of images using computers Practically, it’s about movies, games, art, science, training, advertising, design, …


What is Computer Graphics?: What is Computer Graphics? Imaging = representing 2D images Modeling = representing 3D objects Rendering = constructing 2D images from 3D models Animation = simulating changes over time


2D Graphics: 2D Graphics Compositing in movies: images are created in layers, and then combined Sprites in games: Images are built by overlaying characters and objects on a background


Computer Graphics in Movies: Computer Graphics in Movies High quality and artistry Big budgets Complicated models and high quality rendering (adapted from MIT CS 6.837)


什么是图形？: 什么是图形？ 形成视觉印象中的客观或想象中的对象。 客观存在: 自然界中存在，绘画作品，用数字方法描述；基于规则；…. 构成图形两要素： 刻画形状的点、线、面、体等几何要素。 反映物体表面属性或材质的灰度颜色等非几何要素。


两种表示方法：: 两种表示方法： ①点阵法。枚举出图形中所有的点来表示图形，强调图形由点构成，及其点的属性（颜色）：像素图或图象。 ②参数法：由图形的形状参数和属性参数来表示图形。 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，简称图形。


研究内容: 研究内容 图形的输入 图形输入设备及软件将图形输入到计算机中，以便进行各种处理。 图形的处理 包括对图形进行变换(几何投影)和运算（集合运算）,着色，形变等…… 图形的生成和输出 将图形形式转换成图形输出系统便于接受的形式 将图形在显示屏或打印机等输出设备上显示输出。


研究内容: 研究内容


研究内容: 研究内容 两个目标：真实感和实时性 研究的问题: 复杂的对象建模 基于对象表面细节特征的计算模型 全局光照算法 硬件结构


与相关学科的关系: 与相关学科的关系 数字图像 几何模型 图像变换 （图像处理） 模型变换 （计算几何） 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）


图象处理：: 图象处理： 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 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：: 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。


计算几何: 计算几何 研究几何形体在计算机内的表示、分析和综合，怎样方便灵活地建立几何形体的数学模型，提高算法的效率，在计算机内如何更好地存储和管理这些模型等。 研究内容包括曲线曲面的表示、生成、拼接和造型，三维立体造型，散乱数据插值，计算复杂性等等。


发展特点: 发展特点 交叉、界线模糊、相互渗透 ： 例如，计算机图形学离不开曲线、曲面及立体造型技术 几何造型系统又必须用到图形生成处理技术和图像处理技术 模式识别中的许多概念和方法来自图像处理等学科。 一个较完善的应用系统通常综合利用了各个学科的技术。


1.2 发展历史: 1.2 发展历史 技术学科， 需求驱动， 计算机发展的必然产物。


1.2.1硬件发展: 1.2.1硬件发展 1950年，MIT，旋风一号（Whirlwind I ）计算机的图形显示器，类似于示波器的CRT来显示简单图形。 1958年美国Calcomp公司的滚动式绘图仪，GerBer公司平板式绘图仪。 电子管计算机，机器语言编程，科学计算。 50年代末期，MIT林肯实验室，在Whirlwind上开发SAGE空中防御系统，用光笔在屏幕上指点，交互式图形学诞生。 Whirlwind I计算机


1.2.1硬件发展(续）: 1.2.1硬件发展(续） 1962年MIT林肯室验室Ivan.E.Sutherland的博士论文： Sketchpad：人机通信的图形系统。 确定学科分支。 60年代：MIT、Bell Lab、 通用汽车公司、剑桥大学。


1.2.1硬件发展(续）: 1.2.1硬件发展(续） 60年代中期：随机扫描显示器，较高分辨率和对比度，良好的动态性能。 闪烁，需要刷新，缓冲存储器，高速处理器。 60年代后期：存储管式显示器，不需要刷新和缓存，价格较低，分辩率高 不具显示动态图形功能，不适合交互式。


1.2.1硬件发展(续）: 1.2.1硬件发展(续） 70年代：实用化。军事、工业、开始进入教育、科研……（上万套） 图形设备昂贵，功能简单，基于图形的应用软件缺乏。 70年代中期：廉价的固体电路 随机存储器出现。


1.2.1硬件发展(续): 1.2.1硬件发展(续) 80年代：光栅显示器出现，工作站，迅速发展，数百万套图形系统. 基于电视技术的光栅图形显示器，按像素存储于缓存器，按光栅扫描方式对存储器读写。 图形处理与图像处理结合。 90年代：标准化，集成化、智能化、学科交叉、图形学的各个分支出现。 图形加速卡。


1.2.2 软件发展: 1.2.2 软件发展 专用图形系统：效率高，但系统开发量大，可移植性差。 扩充计算机语言，如Turbo C，AutoLisp等。 不可移植。 通用的、与设备无关的图形包，图形标准。 OpenGL(SGI), DirectX (MS), X-Window系统，Adobe公司Postscript。


图形软件的分类: 图形软件的分类 画图类 绘图类：可以用数学公式来表示直线或圆 照片处理类：图像处理，图像格式转换 3D 使用虚拟的三维空间制成几何图形，可以通过不同角度的摄影制作映像。可用于动画制作 Web动画 制作在因特网上运动的映象，也可用于游戏性构图 Web3D软件，用于在浏览器上显示三维运动物体 CAD/模拟 根据建筑、机械、电力、工业产品等不同作用目的，各具特点 演示类 PowerPoint等


1.2.3我国现状：: 1.2.3我国现状： 发展迅速，图形算法水平高，硬件采用国外最新元器件。 应用有差距，商品化软件产品国际竞争力低。 不是技术问题，市场占有率低。 游戏、CAD. 人才缺乏。


1.3.4 计算机艺术: 1.3.4 计算机艺术 是近年来计算机图形学的又一个重要应用领域。 通过适当的图形输入设备(如触摸屏、光笔、鼠标)和绘图软件，可以直接在屏幕上作画。 能够以人工智能或数学方法，利用专家系统中设定的规则，构造出形状各异的图案，并实现合理的颜色配置。


1.3.4 计算机艺术: 1.3.4 计算机艺术 设计软件：Coreldraw, Photoshop，用绘图软件绘图有两个好处： 修改画面或取消上次的“败笔”十分方便； 通过系统调色板来调色比用实际的颜料调色更容易。 绘图软件还提供剪切、拼贴、过滤、雾化、变形等功能，使得作画相对容易。 剪切喜爱的景物，轻松产生特技效果。 应用： 艺术品设计、制作，可设计各种图案、花纹、可模拟传统的国画、书法和油画；


计算机图形学的应用: 计算机图形学的应用 图像处理: 修改图像, 去除噪声


应用: 应用


应用---混成建模（Blending of the modeling）: 应用---混成建模 （Blending of the modeling）


1.3.5 动画制作与系统模拟: 1.3.5 动画制作与系统模拟 动画技术： 广泛应用于影视、广告等领域 系统模拟： 可以模拟各种反应过程（如核反应，化学反应） 可模拟和测试汽车碰撞、地震破坏等过程 模拟人体的运动过程 ，以科学地训练运动员 军事上，可用于环境模拟、飞行模拟、战场模拟，以训练指挥员和战斗员 模拟外太空飞行


计算机动画: 计算机动画 产生连续的动画，每秒至少24帧画面。一部2h左右的动画片就需十几万张画面。 传统手工绘制动画片： 1960年代《大闹天宫》，花了几十位动画工作者近两年时间。 计算机动画： 只要在关键时间点上设计好画面内容并将画面指定为关键帧，关键帧间的动画由计算机自动生成


应用: 应用 娱乐: 电影 Pixar: Monster’s Inc. Square: Final Fantasy


娱乐: 娱乐


娱乐: 娱乐


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1.3.8虚拟现实、灵境（ Virtual Reality ）: 1.3.8虚拟现实、灵境 （ Virtual Reality ） 虚拟现实(Virtual Reality) 由计算机实时生成一个虚拟的三维空间。 空间可以小到原子，或大到天体 也可以是类似于真实社会的生活空间。 用户可通过设备与虚拟景物进行交互: 交互是多通道的，自然的，用以传递信息的可以是一个手势，或一个表情等。 用户看到的是由计算机生成的逼真图像 听到的是虚拟环境中的声音 身体感受到的是虚拟环境所反馈的作用力，有身临其境之感。 应用： Boeing 777 军事、仿真、训练（飞行员）。 飞行模拟器 Boeing 777


虚拟现实系统: 虚拟现实系统 涉及多学科知识，对三维图形处理技术的要求特别高。 1970年代，VR系统便被应用于军事领域，训练驾驶员。 97年7月，美国旅行者号火星车着陆距地球约1.9亿公里的火星上，小车在火星表面缓慢爬行，操纵是由地球上的工程师通过VR系统实现的。


计算机图形学的应用: 计算机图形学的应用 显示模拟: 飞行模拟器, 虚拟世界


Slide43: 虚拟现实


虚拟现实: 虚拟现实


仿真/训练: 仿真/训练