1、計算機圖形學(xué)先修課程：高等數(shù)學(xué)線性代數(shù)畫法幾何與機械制圖（可選）C/C+或其它有繪圖功能的編程語言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1教學(xué)要求：了解計算機圖形學(xué)的發(fā)展概況；了解計算機繪圖系統(tǒng)的軟硬件組成；掌握計算機圖形學(xué)的基本算法和理論；具有一定的圖形程序設(shè)計能力；了解計算機圖形學(xué)的應(yīng)用概況。2計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)幾何與坐標(biāo)變換透視投影、平行投影交互繪圖技術(shù)真實感圖形生成曲線與曲面幾何建模計算機圖形學(xué)的相關(guān)應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容3第1章 緒論1.1 計算機圖形學(xué)的發(fā)展歷史1.2 計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容1.3 計算機圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域1.4 當(dāng)前計算機圖形學(xué)的研究熱點41.1計算機圖形學(xué)的發(fā)展歷史起源計算機圖形學(xué)硬件設(shè)備的發(fā)展計算機圖形

2、學(xué)算法研究的發(fā)展51.1.1 起源物質(zhì)基礎(chǔ)：1950年麻省理工學(xué)院(MIT)于采用了類似示波器的CRT研制了第一臺圖形顯示器；1958年Calcomp公司將數(shù)字記錄儀發(fā)展成滾筒式繪圖儀，GerBer公司基于數(shù)控機床研制出平板式繪圖儀。誕生：1963年MIT的Ivan E. Sutherland在他的博士論文“Sketchpad：一個人機通信的圖形系統(tǒng)”中首次提出 “Computer Graphics (計算機圖形學(xué))”，使用陰極射線管顯示器和光筆，可交互式地生成簡單圖形；20世紀(jì) 6070年代：硬件設(shè)備昂貴，只有少數(shù)條件好的單位（如MIT、Bell Lab、 通用汽車公司、劍橋大學(xué)等)開展計算

3、機圖形學(xué)的研究；20世紀(jì)80年代硬件成本不斷下降，計算機圖形學(xué)的研究與應(yīng)用呈加速發(fā)展，開始出現(xiàn)商品化的計算機繪圖系統(tǒng)；20世紀(jì)90年代快速發(fā)展、應(yīng)用普及6Ivan E. Sutherland在Sketchpad系統(tǒng)中實現(xiàn)了用光筆在圖形顯示器上選擇、定位等交互功能，是交互式計算機圖形學(xué)的開端，他本人被世人公認(rèn)為“計算機圖形學(xué)之父”。圖示為Ivan E. Sutherland操縱Sketchpad系統(tǒng)。7計算機繪圖系統(tǒng)的硬件組成激光打印機噴墨打印機計算機臺式繪圖機滾筒繪圖機1.1.2 計算機圖形學(xué)硬件設(shè)備的發(fā)展81.1.2 計算機圖形學(xué)硬件設(shè)備的發(fā)展20世紀(jì)60年代中期：矢量顯示器（隨機掃描顯示器

4、、畫線顯示器） 在這里，矢量是畫線的同義詞，因此矢量顯示器也稱為畫線顯示器，一個典型的矢量顯示器包括一個顯示處理器，它作為輸入/ 輸出外圍設(shè)備連接在中央處理器上，一個緩沖存儲器和一個陰極射線示波器（CRT）。緩沖存儲器中存放著計算機產(chǎn)生的顯示程序，它包括帶有端點坐標(biāo)的畫線命令以及繪制字符的命令等。矢量顯示器的實質(zhì)是電子束按照顯示命令給定的順序作偏轉(zhuǎn)運動，因此，也稱為隨機掃描顯示器。 需要刷新、設(shè)備昂貴、限制普及。圖形顯示器是計算機圖形學(xué)中關(guān)鍵的設(shè)備91.1.2 計算機圖形學(xué)硬件設(shè)備的發(fā)展20世紀(jì)60年代后期：存儲管式顯示器它不需要緩沖存儲器和刷新過程，消除了閃爍問題，而價格卻比矢量顯示器便宜一

5、個數(shù)量級。這就使得交互式圖形生成技術(shù)的廣泛應(yīng)用成為現(xiàn)實。但它也存在一個缺點，即不具備局部修改能力，因而難以進行動態(tài)顯示。不需刷新，價格較低，缺點是不具有動態(tài)修改圖形功能，不適合交互式 101.1.2 計算機圖形學(xué)硬件設(shè)備的發(fā)展20世紀(jì)70年代初，刷新式光柵掃描顯示器光柵掃描顯示器將被顯示的圖像以點陣形式存儲在刷新緩存中，由視頻控制器將其讀出并在屏幕上產(chǎn)生圖像。光柵掃描顯示器較之隨機掃描顯示器有許多優(yōu)點。一是規(guī)則而重復(fù)的掃描比隨機掃描容易實現(xiàn)，因而價格便宜；二是可以顯示用顏色或各種模式填充的圖形，這對于生成三維物體的真實感圖形是非常重要的。三是刷新過程與圖形的復(fù)雜程度無關(guān)，只要基本的刷新頻率足夠

6、高，就不會因為圖形復(fù)雜而出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。由于光柵掃描顯示器具有許多優(yōu)點因而至今仍然成為圖形顯示的主要方式。 大大地推動了交互式圖形技術(shù)的發(fā)展，能夠顯示的顏色非常豐富，至今仍是主流的圖形顯示器。 111.1.2 計算機圖形學(xué)硬件設(shè)備的發(fā)展目前，高分辨率、真彩色、多種類型液晶顯示器和等離子顯示器，這兩類顯示器輕便、易于攜帶，但目前在價位和色彩方面尚稍遜于光柵掃描顯示器。 SAMSUNG液晶顯示器 121.1.2 計算機圖形學(xué)硬件設(shè)備的發(fā)展（續(xù)）輸入設(shè)備的作用輸入設(shè)備最基本的作用就是將各種形式的信息轉(zhuǎn)換成適合計算機處理的形式。圖形輸入設(shè)備從邏輯上分為6種功能，即定位(Locator)、筆劃(Strok

7、e)、數(shù)值(Valuator)、選擇(Choice)、拾取(Pick)及字符串(String)，也可稱為6種邏輯交互設(shè)備，一種邏輯交互設(shè)備對應(yīng)一種或一類圖形輸入設(shè)備，而實際的圖形輸入設(shè)備是某些邏輯輸入功能的組合。131.1.2 計算機圖形學(xué)硬件設(shè)備的發(fā)展(續(xù))輸入設(shè)備的發(fā)展歷史第一階段：控制開關(guān)、穿孔紙等等早期的紙帶輸入機是計算機發(fā)展初期唯一的輸入設(shè)備，是通過讀出穿孔紙帶上的信息并把信息輸入計算機，但它不具備交互性。 第二階段：鍵盤第三階段：二維定位設(shè)備 如鼠標(biāo)、光筆、圖形輸入板、觸摸屏等等第四階段：三維輸入設(shè)備 如空間球、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣第五階段：用戶的手勢、表情等等 發(fā)展方向是使人能夠更自

8、然、更方便地與計算機進行交互1415運用數(shù)據(jù)手套和位置跟蹤器實現(xiàn)虛擬零件裝配PLAY16171.1.3 計算機圖形學(xué)算法研究的發(fā)展光柵掃描圖形生成 （點、線、面的離散表示）圖形變換（幾何變換、平行投影、透視投影）真實感圖形生成（隱藏線/面去除法、Z緩沖器算法、簡單光照模型、光線追蹤、輻射度、陰影、透明、紋理）幾何建模（線框模型、面模型、體模型）曲線與曲面生成算法（Furguson參數(shù)曲線/面 Bzier 均勻B樣條 非均勻B樣條）圖形學(xué)應(yīng)用算法（與具體應(yīng)用領(lǐng)域的算法相結(jié)合）181.2 計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容定義 具體內(nèi)容圖形的輸入研究將圖形或圖形數(shù)據(jù)輸入到計算機中的技術(shù)和設(shè)備 鍵盤、鼠標(biāo)、圖形

9、輸入板、掃描儀等設(shè)備的研制 圖形的表示研究在計算機中用點、線、面的坐標(biāo)值(幾何信息)和連接關(guān)系(拓?fù)湫畔?建立幾何模型的方法 線框模型、面模型、體模型等 圖形的存儲按一定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織圖形數(shù)據(jù)并將其存儲在動態(tài)或永久性介質(zhì)中 常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有線性鏈表、二叉樹、四叉樹等圖形的處理對圖形進行幾何變換或投影變換以及并、交、差運算等操作 圖形的顯示與輸出將計算機內(nèi)特定表示形式的圖形轉(zhuǎn)換成圖形輸出設(shè)備能夠接受的表示形式，并將圖形在計算機屏幕上或者打印機等輸出設(shè)備上顯示或繪制輸出 主要研制各種顯示器和打印、繪圖設(shè)備，如液晶顯示器、等離子顯示器以及攜帶更方便、色彩更豐富的新一代顯示器 191.2 計算機圖形學(xué)的

10、研究內(nèi)容圖形：計算機圖形學(xué)的研究對象能在人的視覺系統(tǒng)中產(chǎn)生視覺印象的客觀對象包括自然景物、拍攝到的圖片、用數(shù)學(xué)方法描述的圖形等等構(gòu)成圖形的要素幾何要素：刻畫對象的輪廓、形狀等非幾何要素：刻畫對象的顏色、材質(zhì)等計算機中表示圖形的方法點陣表示枚舉出圖形中所有的點簡稱為圖像（數(shù)字圖像）參數(shù)表示形狀參數(shù)+屬性參數(shù)簡稱為圖形201.2 計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系數(shù)字圖像數(shù)據(jù)模型圖像生成（計算機圖形學(xué)）模型（特征）提?。ㄓ嬎銠C視覺，模式識別）模型變換（計算幾何）圖像變換（圖像處理）目前兩個學(xué)科日益融合：圖形學(xué)利用圖像來增強表現(xiàn)能力圖像處理利用圖形技術(shù)來增將分析能力211.3 計算機圖形學(xué)的應(yīng)用

11、領(lǐng)域圖形用戶界面(GUI)計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）科學(xué)計算可視化地理信息系統(tǒng)（GIS）娛樂計算機藝術(shù)虛擬現(xiàn)實（VR）逆向工程22圖形用戶界面(GUI)Graphics User Interface發(fā)展歷程操作系統(tǒng)Macintosh，OS/2，Windows，Unix/X-Window人機界面命令行界面CLI圖形用戶界面GUI多通道用戶界面(MMI)23計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）Computer-Aided Design應(yīng)用領(lǐng)域：飛機、輪船、汽車外形，建筑、機械結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品設(shè)計（結(jié)構(gòu)分析和外形設(shè)計）、建筑，服裝，玩具優(yōu)點：設(shè)計周期短，成本低，質(zhì)量高Boeing 777,

12、無紙設(shè)計AutoCAD, SolidWorks, Pro/E, UG, CATIA, MDT,CAX應(yīng)用實例機械設(shè)計24飛機、艦船汽車應(yīng)用實例產(chǎn)品設(shè)計25建筑、橋梁應(yīng)用實例建筑26科學(xué)計算可視化Scientific Visualization必要性：直接分析大量的測量數(shù)據(jù)或統(tǒng)計數(shù)據(jù)有困難目標(biāo)：用圖形表現(xiàn)抽象的數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域：醫(yī)學(xué)，遙感，流場、氣象、核爆模擬，等等Costa-Hoffmann-Meeks極小曲面應(yīng)用實例數(shù)學(xué)27應(yīng)用實例醫(yī)學(xué)28計算機藝術(shù)書法、藝術(shù)圖片輸入工具：鍵盤、鼠標(biāo)、手寫筆等等軟件工具：PhotoShop、CorelDraw、PaintBrush等等優(yōu)點：功能多、創(chuàng)作輕松、調(diào)色

13、方便等等缺點：目前難以容入人的靈感（未來的研究課題）29 分形圖案藝術(shù)實例30藝術(shù)實例31地理信息系統(tǒng)（GIS）Geographical Information System建立在地理圖形之上的關(guān)于各種資源的綜合信息管理系統(tǒng)例如百度地圖搜索 (http:/)數(shù)字地球，地形數(shù)據(jù)作為載體，（70）全球信息化軍事，政府決策，旅游，資源調(diào)查。32地學(xué)應(yīng)用33娛樂計算機動畫及廣告影視創(chuàng)作傳統(tǒng)動畫：費時費力，質(zhì)量差， 例子：大鬧天宮，90*60*24=129,600張膠片，幾十位動畫工作者近4年的時間 (1960 1964年)，近7萬張畫作計算機動畫（Computer Animation):效率高，質(zhì)量高

14、 例子：侏羅紀(jì)公園計算機動畫創(chuàng)作工具：3D MAX, MAYA等等34娛樂電腦游戲?qū)崟r性逼實性蘊含了先進的圖形處理技術(shù) DirectX演示多媒體系統(tǒng)在計算機控制下，對多種媒體信息進行生成、操作、表現(xiàn)、存儲、通信、或集成的信息系統(tǒng)，其中媒體至少應(yīng)包括一種“連續(xù)媒體”及一種“離散媒體”。計算機處理的常見媒體：文本、圖形、圖像、語音、音頻、視頻、動畫，與圖形處理相關(guān)的是關(guān)鍵。特點：媒體的多樣性、操作的交互性、系統(tǒng)的集成性35虛擬現(xiàn)實（VR）Virtual Reality 或稱虛擬環(huán)境（Virtual Environment)是一種由計算機生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)，這種技術(shù)的特點在于計算機產(chǎn)生一種人為虛擬

15、的環(huán)境，這種虛擬的環(huán)境是通過計算機圖形構(gòu)成三維數(shù)字模型，并編制到計算機中去生成一個以視覺感受為主，也包括聽覺、觸覺的綜合可感知的人工環(huán)境，從而使得在視覺上產(chǎn)生一種沉浸于這個環(huán)境的感覺，可以直接觀察、操作、觸摸、檢測周圍環(huán)境及事物的內(nèi)在變化，并能與之發(fā)生“交互”作用，使人和計算機很好地“融為一體”，給人一種“身臨其境”的感覺。 三維圖形學(xué)是該項技術(shù)的基礎(chǔ)。 用戶可以使用數(shù)據(jù)手套、立體眼鏡、頭盔等特定的設(shè)備，與其中的虛擬物體進行交互，相互影響，從而產(chǎn)生親臨現(xiàn)場的感受和體驗。20世紀(jì)80年代初，美國的DARPA為坦克編隊作戰(zhàn)訓(xùn)練開發(fā)了一個實用的虛擬戰(zhàn)場系統(tǒng)SIMNET。 1997年7月，地球上的工程師通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)操縱距地1.9億公里的火星上的火星車。36網(wǎng)上虛擬現(xiàn)實：虛擬現(xiàn)實建模語言VRML （1994年3月在日內(nèi)瓦召開的第一屆WWW大會上，首次正式提出