計算機圖形學

緒論教材蘇小紅、李東、唐好選，《計算機圖形學實用教程（第2版）》，人民郵電出版社，2010年9月參考書DavidF.Rogers著，石教英，彭群生等譯，ProceduralElementsforComputerGraphics(SecondEdition)計算機圖形學的算法基礎，機械工業出版社，2002齊東旭，分形及其計算機生成，科學出版社，1994齊東旭，計算機動畫原理與應用，科學出版社，1998彭群生，鮑虎軍，金小剛，計算機真實感圖形學的算法基礎，科學出版社，1999鮑虎軍金小剛彭群生，《計算機動畫的算法基礎》，浙江大學出版社，2000年在線教學網站

graphics教學理念教學理念以應用為背景以理論為主線以算法為核心以能力培養和提高學習興趣為目標思維能力軟件編程能力軟件應用能力文獻檢索、綜述能力自學能力課程考核方式實驗大作業編寫算法的實現程序，提交程序源代碼，并撰寫實驗報告制作Flash動畫，提交fla和exe文件，撰寫實驗報告實驗報告詳細要求見嚴禁作弊第1章緒論應用領域與相關學科的關系發展簡史研究內容什么是計算機圖形學交互式計算機圖形處理系統什么是計算機圖形學

ComputerGraphics(CG)

計算機圖形學是研究怎樣用計算機生成、處理和顯示圖形的一門學科。

國際標準化組織(ISO)的定義：

計算機圖形學是研究通過計算機將數據轉換為圖形，并在專門顯示設備上顯示的原理、方法和技術的學科。它是建立在傳統的圖學理論、應用數學和計算機科學基礎上的一門邊緣學科。圖形的構成要素廣義的概念幾何要素——幾何屬性點、線、面、體非幾何要素——視覺屬性明暗、灰度、色彩、紋理、透明性、線型、線寬圖形與圖像的區別表示——面向對象（直線、圓、圓弧、多邊形、填充區域）的，每個對象都是一個自成一體的實體，它同時具有幾何屬性和視覺屬性來源——由代碼（算法）生成（包括圖形軟件繪制）圖形設計軟件——Illustrator，記錄每個對象的位置、大小、形狀、顏色等信息表示——點陣圖像，由稱作像素的單個點組成的來源——掃描輸入，網絡下載，數碼照相，電腦屏幕抓圖，圖像軟件繪制等圖像處理軟件——Photoshop，記錄各空間位置的顏色信息一般說來，要在計算機上生成一幅表示物體的圖形，有三個要素：造型技術：對形狀和外觀進行數學定義在計算機中建立所要生成圖像的物體的模型即給出表示該物體的幾何模型/幾何數據和拓撲關系繪制技術：按照給定的觀察點及觀察方向將物體模型在計算機屏幕上顯示出來人機交互技術：為造型和繪制這兩個過程提供友好的人機界面研究內容

計算機對圖形數據處理的硬件和軟件圍繞著生成、表示物體的圖形的

準確性->真實性->實時性算法可大致分為以下幾類：

研究內容基于圖形設備的基本圖形元素的生成算法圖形的變換和裁剪自由曲線和曲面——計算幾何幾何造型技術真實感圖形的生成算法自然景物的生成——分形幾何顏色科學及其應用計算機動畫技術虛擬現實技術——實時交互式三維圖形處理與相關學科的關系圖像處理計算機圖形學模式識別圖像計算幾何特征數據幾何模型CAD/CAM計算機藝術計算機動畫計算機視覺視頻與圖形的融合視頻與圖形的融合融合的兩個需求將交互圖形技術應用于圖像/視頻處理中提高處理的穩定性和實用性利用圖像/視頻中所蘊含的信息解決場景構造和繪制的復雜性提高真實感和效率視頻與圖形的融合融合的應用海量視頻數據的拼接與整合，實現新視頻序列的合成視頻序列與虛擬場景的無縫融合，達到真假難辨的視覺效果，增強現實基于視頻信號的三維運動驅動，視頻場景的幾何、運動和屬性重建基于視頻信號的自然交互技術電影特技、游戲，電視節目直播等發展簡史

準備階段（50年代）1950年，MIT，第一臺圖形顯示器，旋風I號(WhirlwindI)計算機的附件類似于示波器的陰極射線管(CRT)50年代末期，MIT林肯實驗室，在“旋風”計算機上開發SAGE空中防御系統光筆，交互式圖形生成技術。

發展簡史

發展階段（60年代）MIT林肯實驗室，I.E.Sutherland發表博士論文“Sketchpad:一個人機通信的圖形系統”《Sketchpad:AManMachineGraphicalCommunicationSystem》首次使用ComputerGraphics術語計算機圖形學之父發展簡史

發展階段（60年代）60年代中期，美國MIT、通用汽車公司、貝爾電話實驗室、洛克希德飛機公司、法國雷諾汽車公司、英國劍橋大學隨機掃描顯示器發展簡史

推廣應用階段（70年代）基于電視技術的光柵掃描顯示器的出現，圖形學進入了第一個興盛的時期，并開始出現實用的CAD圖形系統。眾多商品化軟件的出現，使圖形標準化問題也被提上議程。74年，美國計算機學會成立圖形標準化委員會(ACMSIGGRAPH)發展簡史

系統實用化階段（80年代）80年代，超大規模集成電路的發展，奠定了物質基礎，工作站的出現，促進了圖形學的發展。標準化智能化階段（90年代）朝著標準化、集成化和智能化的方向發展國際標準化組織（ISO）公布的圖形標準也越多、且更加成熟當前流行的有：OpenGL,Direct3D,Java3D圖形應用軟件具有友好的人機界面Adobe公司的IllustratorMacromedia公司的FreehandCorel公司的Coreldraw圖形子程序庫圖形處理中的最小單元，完成圖形元素的生成、表示、變換、顯示等被各種圖形應用軟件調用圖形設備驅動程序用來控制圖形硬件設備顯示驅動程序、打印驅動程序圖形應用軟件圖形子程序庫圖形設備驅動程序圖形硬件設備圖形軟件發展及軟件標準形成

三種類型的計算機圖形軟件系統：(1)按國際標準或公司標準開發的圖形子程序庫

如:GKS，PHIGS，OpenGL 便于移植和推廣、但執行速度相對較慢，效率低(2）各種程序設計語言專用的圖形子程序庫

簡練、緊湊、執行速度快，但不可移植（3）專用圖形系統

效率高，但系統開發量大，可移植性差。

通用的、與設備無關的圖形標準GKS(GraphicsKernelSystem)(第一個官方標準，1977)PHIGS(Programmer’sHerarchicalIuteractiveGraphicssystem)一些非官方圖形軟件，廣泛應用于工業界，成為事實上的標準DirectX(MS)Xlib(X-Window系統)Adobe公司PostscriptOpenGL(SGI)——畫圖命令是軟件庫的一部分，與某種語言邦定——用戶界面軟件是獨立的實體，隨系統而不同Direct3DJava3D——與用戶界面工具包集成在一起 開放式、高效率的發展趨勢開放式的三維圖形軟件包OpenGLOpenGL是在SGI等多家世界聞名的計算機公司的倡導下，以SGI的GL三維圖形庫為基礎制定的一個通用共享的開放式三維圖形標準。目前，包括Microsoft、SGI、IBM、SUN、HP等大公司都采用了OpenGL做為三維圖形標準，許多軟件廠商也紛紛以OpenGL為基礎開發出自己的產品。其中比較著名的產品包括：動畫制作軟件Softimage和3DStudioMAX、仿真軟件OpenInventor、VR軟件WorldToolKit、CAM軟件ProEngineer、GIS軟件ARC/INFO等等。OpenGL的優越性獨立于窗口系統和操作系統以它為基礎開發的應用程序可以十分方便地在各種平臺間移植可與VisualC++緊密接口便于實現機械手的有關計算和圖形算法，可保證算法的正確性和可靠性；使用簡便，效率高OpenGL圖形庫的功能一共有100多個函數。其中核心函數有115個除了提供基本的點、線、多邊形的繪制函數外，還提供了復雜的三維物體（球、錐、多面體、茶壺等）以及復雜曲線和曲面（如Bezier、NURBS等曲線或曲面）繪制函數?；編缀巫儞Q和投影變換顏色模式設置光照和材質設置紋理映射功能位圖顯示和圖象增強：反走樣(Antialiasing)和霧(fog)的特殊圖象效果處理雙緩存(DoubleBuffering)動畫：雙緩存即前臺緩存和后臺緩存，即后臺緩存計算場景、生成畫面，前臺緩存顯示后臺緩存已畫好的畫面。計算機圖形學

緒論應用圖形用戶界面

計算機輔助設計與制造——工業領域CAD/CAM是CG在工業界最廣泛、最活躍的應用領域。用三維計算機建模軟件包設計出機械零件，再用這些虛擬設計指導生產過程，由計算機控制的生產設備生產出零件飛機、汽車、船舶、機電、輕工、服裝的外形設計集成電路、印刷電路板的設計建筑設計基于工程圖紙的三維形體重建孫家廣，譚建榮Boeing777,無紙設計，無紙制造在飛機工業中，美國波音飛機公司已用有關的CAD系統實現波音777大型客機的整體設計和模擬，其中包括飛機外型、內部零部件的安裝和檢驗。使其設計制造成本下降30%以上。

建筑和環境設計

計算機動畫——商業領域廣告設計視頻游戲（仿真——精確的視頻游戲）卡通動畫片影視特技應用視頻游戲使用復雜的三維模型和繪制算法由世界著名的游戲公司暴雪出品的3D網絡游戲《魔獸世界》自其先后在北美、歐洲和韓國上市以來，打破了多項紀錄，更被中國游戲玩家公認為“2005年最受期待的游戲”。據悉，在《魔獸世界》限量公開測試報名首日的第一個小時內，就有10萬玩家激情參與！獅子王《玩具總動員》美女與野獸精靈鼠小弟卡通動畫片影視特效鏡頭的制作現代電影幾乎都用到了數字合成技術，添加背景，生成前景等。產生以假亂真而又驚險的特技效果，如模擬大樓被炸、橋梁坍塌等。影片《珍珠港》劇照。由電腦制作出的災難景象。侏羅紀公園計算機藝術——藝術領域

“計算機藝術是科學與藝術相結合的一門新興的交叉學科，是計算機應用的一個嶄新、富有時代氣息的領域?？茖W和藝術是不可分割的，就像一枚硬幣的兩面……”——諾貝爾物理學獎李政道計算機藝術——藝術領域含義很廣以計算機為工具，可以完成多種藝術品的制作和設計，如繪畫（平面圖形）、雕塑（立體圖形）、音樂、平面構成、空間結構，還有體操舞蹈設計等等。其中，美術作品占比重最大因此，計算機藝術由主要指計算機美術齊東旭計算機動畫，分形藝術潘云鶴智能CAD，紡織CAD計算機藝術——藝術領域計算機平面繪畫藝術計算機繪畫（ComputerPainting）主要指人們利用鼠標或數字壓感光筆直接在屏幕或數字化板上進行的繪畫軟件包括：CorelPainter或AdobePhotoshop等該類繪畫最接近于傳統繪畫，其畫風細膩、形象生動自然。但畫幅一般較小，要求繪畫者有較高的美術功底。優勢為：易于修改、效果豐富、成本較低、但對于電腦設備要求較高。近期廣泛應用于手繪動畫和漫畫創作。計算機藝術——藝術領域計算機平面合成藝術計算機數字圖像合成藝術（ComputerImageEditingandMontageArt）主要指利用電腦對掃描或數字相機導入的圖像素材進行編輯和合成，以及進行后期特技處理所產生的新視覺作品軟件包括：CorelPainter或AdobePhotoshop等。該類作品接近于傳統攝影特技，并帶有“蒙太奇藝術”的特點，許多合成圖像帶有荒誕、刺激、搞笑、離奇和超現實主義風格的效果。優勢為：易于掌握和普及、效果豐富、成本較低。廣泛應用于影視后期和多媒體創作。和應用美術及廣告設計的關系十分密切。計算機藝術——藝術領域計算機數字圖像合成藝術計算機藝術——藝術領域計算機圖形設計藝術

計算機藝術計算機圖形設計藝術

計算機藝術——藝術領域工業產品設計

計算機藝術——藝術領域廣告設計

計算機藝術——藝術領域紡織品和服裝設計

非真實感繪制

NPRNon-PhotorealisticRendering

非真實感圖形比真實感圖形應用更廣泛，如文學讀物插圖，其中兒童讀物插圖量最大；用數字方法對傳統繪畫進行模擬以掌握其規律性的東西；傳統動畫都是非真實感的，現在需要用計算機技術再現它們鋼筆畫效果鋼筆素描產生于中世紀，從19世紀開始成為一門藝術，然而用計算機模擬鋼筆繪畫卻是20世紀90年代的事情。

油畫效果水彩畫效果銅版畫效果雕塑藝術中國畫與書法藝術Brushes應用

過程控制石油化工、金屬冶煉、電網控制的工作人員根據設備關鍵部位的傳感器送來得圖像和數據，對設備運行過程進行監控機場、鐵路的調度人員通過計算機產生運行狀態信息來調整空中交通和鐵路運輸系統環境模擬飛行模擬艙、飛