《计算机图形学基础》课件第1章.ppt

1、第1章计算机图形学的发展及应用 第1章计算机图形学的发展及应用 1.1概述概述 1.2计算机图形学的发展计算机图形学的发展 1.3计算机图形学的应用计算机图形学的应用 1.4计算机图形学的研究热点计算机图形学的研究热点习题习题1 第1章计算机图形学的发展及应用 1.1概述概述1963年，I.E.Sutherland发表了一篇题为Sketchpad：一个人机交互通信的图形系统的博士论文，正式提出了计算机图形学的概念。计算机图形学(Computer Graphics，CG)是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示的栅格形式的科学。计算机图形学中所指的图形通常由点、线、面、体等几何元素和灰

2、度、色彩、线型、线宽等非几何属性组成。从处理技术上来看，图形主要分为两类：一类是基于线条信息表示的，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等；另一类是明暗图，也就是通常所说的真实感图形。第1章计算机图形学的发展及应用 计算机图形学的主要内容就是研究如何在计算机中表示图形以及利用计算机进行图形计算、处理和显示的相关原理与算法。计算机图形学一个主要的目的就是要利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形。为此，必须建立图形所描述的场景的几何表示，再用某种光照模型，计算在假想的光源、纹理、材质属性下的光照效果，所以计算机图形学与另一门学科计算机辅助几何设计有着密切的关系。事实上，图形学也把可以表示几何场景的曲

3、线、曲面造型技术和实体造型技术作为其主要的研究内容。同时，真实感图形计算的结果是以数字图像的方式提供的，计算机图形学也就和图像处理有着密切的关系。第1章计算机图形学的发展及应用 计算机图形学的研究对象是能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象。图形对象的表示方法可以分为两类：点阵法和参数法。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像(Image)。参数图形的参数可以分为两大类：形状参数和属性参

4、数。形状参数可以是线段的起点和终点等对图形几何属性的描述；属性参数则是描述灰度、色彩、线型等非几何属性的。第1章计算机图形学的发展及应用 严格来说，图形与图像是两个概念，虽然它们之间的区别越来越模糊，但还是有区别的：图像指计算机内以位图形式存在的灰度信息，而图形含有几何属性，或者说更强调场景的几何表示，是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成的。近年来，计算机图形学和图像处理的结合日益紧密，并相互渗透。例如，将计算机生成的图形与扫描输入的图像结合在一起，构造计算机动画。三维动画在场景设计、环境处理及三维模型表面处理过程中，要用到大量的贴图，这些贴图就是计算机图像。模式识别是指用计算机对输入图

5、形进行识别的技术，图形信息输入计算机后，先进行特征抽取等预处理，然后用统计判定方法或语法分析方法对图形作出识别，最后按照使用的要求给出图形的分类或描述。第1章计算机图形学的发展及应用 各种中西文字符及工程图样的自动阅读装置，就是模式识别技术的应用实例。此外，计算几何学与计算机图形学也有着密切的关系。计算几何学研究几何模型和数据处理，通过几何模型可以建立描述物体形状的数据集合与数据结构。而在计算机中描述复杂形体和相应的数据结构是非常困难的，例如二维、三维物体及曲线、曲面的描述等，因此这些几何问题的算法设计与分析，都成为计算几何学研究的内容。计算机图形学、图像处理和模式识别的关系见图1-1。第1章

6、计算机图形学的发展及应用 图1-1计算机图形学、图像处理和模式识别相互关系的示意图第1章计算机图形学的发展及应用 计算机图形学的研究内容非常广泛，如图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法、非真实感绘制，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。第1章计算机图形学的发展及应用 1.2计算机图形学的发展计算机图形学的发展1.2.1计算机图形学的发展简史计算机图形学的发展简史最早的图形系统出现在20世纪50年代，麻省理工学院(MIT)的Whirlwind计算机的显示器产生了简单的图形，这台显示器使用了类似电视机使用的阴极射

7、线管(CRT)，可以说是世界上最早的计算机图形显示设备。20世纪50年代末期，MIT的林肯实验室在Whirlwind计算机上开发SAGE空中防御体系，第一次使用了具有指挥和控制功能的CRT显示器，操作者可以在屏幕上指出被确定的目标。第1章计算机图形学的发展及应用 随着计算机图形学学科的建立，20世纪60年代人们开始利用图形学的思想解决实际的问题。为了解决产品的外型设计中的曲线、曲面问题，1964年MIT的教授Steven A.Coons提出了被后人称为超限插值的新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。法国雷诺汽车公司的工程师Pierre Bezier研究了被后人称为Bezier曲线、曲面

8、的理论，并将其成功地应用于几何外形设计中，开发出了用于汽车外形设计的UNISURF系统。Coons的方法和Bezier的方法是计算机辅助设计与制图最早的开创性工作。20世纪60年代随着这些基础研究工作的进展，很多系统中开始广泛地应用了交互式图形显示技术。第1章计算机图形学的发展及应用 20世纪70年代，由于光栅显示器的产生，在60年代就已萌芽的光栅图形学算法迅速发展起来，区域填充、裁剪、消隐等基本概念及其相应算法纷纷诞生，图形学进入了第一个兴盛的时期，并开始出现实用的CAD图形系统。70年代，计算机图形学的另外两个重要进展是真实感图形学和实体造型技术的产生。1970年Bouknight提出了第

9、一个光反射模型，1971年Gourand提出“漫反射模型+插值”的思想，被称为Gourand明暗处理，1975年Phong提出了著名的简单光照模型，这些都是真实感图形学最早的开创性工作。另外，从1973年开始，相继出现了英国剑桥大学CAD小组的Build系统、美国罗彻斯特大学的PADL-1系统等实体造型系统。第1章计算机图形学的发展及应用 1980年Whitted提出了一个光透视模型，又叫Whitted模型，并第一次给出光线跟踪算法的范例，实现了Whitted模型；1984年美国Cornell大学和日本广岛大学的学者分别将热辐射工程中的辐射度方法引入到计算机图形学中，用辐射度方法成功地模拟了理

10、想漫反射表面间的多重漫反射效果。光线跟踪算法和辐射度算法的提出，标志着真实感图形的显示算法已逐渐成熟。20世纪80年代中期以来，超大规模集成电路的发展，加上带有光栅扫描显示器的个人计算机和工作站的出现，使得计算机图形学的应用深度和广度得到了前所未有的发展，大量简单易用、价格低廉的基于图形的硬件系统的出现，为图形学应用的大发展铺平了道路，第1章计算机图形学的发展及应用 为图形学的飞速发展奠定了物质基础，使得图形学的各个研究方向得到充分发展，图形学已广泛应用于动画、科学计算可视化、CAD/CAM、影视娱乐等各个领域。20世纪90年代，随着计算机及其外围设备的发展，计算机图形学的功能有了很大的发展和

11、提高，计算机图形学的软件功能不断加强，图形学自身也朝着标准化、集成化和智能化方向不断进步。国际标准化组织推出了许多关于图形学方面的标准，并得到了广泛的认同和应用。这对于实现图形软件与设备的独立性，提高图形软件的可重用性带来很大的益处。图形学国际化标准的推出，降低了图形系统的价格，推动了图形系统的应用。第1章计算机图形学的发展及应用 进入21世纪，计算机图形系统更以其高性价比和优良完善的功能进入到社会的各个领域。随着多媒体技术、人工智能与专家系统技术和计算机图形学技术的有机结合，科学计算的可视化和虚拟现实的应用又向计算机图形学提出了更新的课题，三维乃至高维计算机图形学在真实感和实时性研究方面开始

12、迅速发展，同时也推动了分形图形学的研究与应用的发展。同时，计算机图形学也在朝着智能化、网络化的方向继续发展。第1章计算机图形学的发展及应用 1.2.2硬件设备的发展硬件设备的发展图形输出包括图形显示和图形绘制。图形显示指的是在屏幕上输出图形。图形绘制通常指把图形画在纸上，也称硬拷贝。打印机和绘图仪是两种最常用的硬拷贝设备。专用的图形显示器起源于20世纪60年代中期的画线显示器(亦称矢量显示器)，其特点是需要刷新，图形可以随时更新，缺点是设备昂贵，限制了该设备的普及。60年代后期出现了存储管式显示器，该显示器不需刷新，价格较低，缺点是不具有动态修改图形功能，不适合交互式绘图。70年代初，刷新式光

13、栅扫描显示器的出现，大大地推动了交互式图形技术的发展。第1章计算机图形学的发展及应用 尤其是彩色光栅扫描显示器的出现，更将人们带到了一个多彩的世界。光栅扫描显示器以点阵形式表示图形，使用专用的缓冲区存放点阵，由视频控制器负责刷新扫描。到了21世纪，LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)成为主流显示设备。LCD的特点是外观小巧精致，厚度只有6.58 cm左右，远小于CRT显示器。由于液晶像素总是发光，只有加上不发光的电压时该点才变黑，因此不会产生像CRT那样的因为刷新频率低而出现的闪烁现象。而且它的工作电压低，功耗小，节约能源，没有电磁辐射，对人体健康影响较小。第1章

14、计算机图形学的发展及应用 另外，LCD不只应用在显示器方面，电子表、手持游戏机以及PDA等产品中都能见到LCD的影子。在LCD不断发展的同时，其他平面显示器也在进步中，如等离子显示器、场致发射显示器、发光聚合体显示器等。第1章计算机图形学的发展及应用 最常用的图形输入设备就是基本的计算机输入设备键盘和鼠标。人们一般利用一些图形软件，通过键盘和鼠标直接在屏幕上定位和输入图形。如人们常用的CAD系统就是通过鼠标和键盘命令生成各种工程图的。此外还有跟踪球、空间球、数据手套、光笔、触摸屏等输入设备。跟踪球和空间球都是根据球在不同方向受到的推或拉的压力来实现定位和选择的。数据手套则是通过传感器及天线来获

15、得和发送手指的位置与方向信息的。这几种输入设备在虚拟现实场景的构造和漫游中特别有用。第1章计算机图形学的发展及应用 1.3计算机图形学的应用计算机图形学的应用由于个人计算机图形功能的增强和高性能图形工作站的出现，以及图形硬件设备价格的不断下降和图形软件技术的不断发展，计算机图形学已经广泛应用于多种领域，主要包括工业、医药、科学研究、艺术、广告、教育、娱乐等。第1章计算机图形学的发展及应用 1.3.1图形用户界面图形用户界面图形用户界面(Graphical User Interface，GUI)又称图形用户接口，是指采用图形方式显示的计算机操作环境用户界面。与早期计算机使用的命令行界面相比，图形

16、界面对于用户来说更为简便易用。图形用户界面介于人与计算机之间，是人与机器进行通信的渠道。一个优秀的用户界面就是一个直观的、对用户透明的界面。用户在首次接触了这个软件后就觉得一目了然，不需要多少培训就可以方便地上手使用。人机界面的发展由指示灯和机械开关组成的操纵界面发展成由终端和键盘组成的字符界面(20世纪80年代)，现在已经进一步发展成由多种输入设备和光栅图形显示设备构成的图形用户界面。第1章计算机图形学的发展及应用 1.3.2计算机辅助设计与制造计算机辅助设计与制造CAD(Computer Aided Design)、CAM(Computer Aided Manufacturing)分别是计算机辅助设计和计算机辅助制造的缩写。CAD/CAM技术在近半个世纪的应用实践中做出的重大贡献已被国际科技界和工业界所公认，被美国工程科学院评为自1964年以来当代最杰出的10项工程技术成就之一。CAD/CAM是应用计算机图形学最为活跃、最为广泛的领域。第1章计算机图形学的发展及应用 CAD是设计人员借助计算机进行设计的方法，其特点是将人的创造能力和计算机的高速运算能力、巨大存储能力和逻辑判断能力很