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上大计算机学院 多媒体研究室 第一章 计算机图形学概述 李健 陕西科技大学电信学院计算机系 lijianjsj@ 本讲的主要内容 1.1 计算机图形学的基本概念 1.2 计算机图形学的发展历史 1.3 计算机图形学的应用 1.4 计算机图形学的热点技术 1.5 图形设备 1.6 关于该课程的学习 什么是计算机图形学？ 计算机图形学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。 IEEE定义：Computer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer. 计算机图形学是计算机科学中最为活跃、得到广泛应用的分支之一。 图形：计算机图形学的研究对象 图形：计算机图形学的研究对象 计算机图形学中的图形概念: 是指由点、线、面、体等几何要素和明暗、灰度（亮度）、色彩等非几何要素构成的，从现实世界中抽象出来的带有灰度、色彩及形状的图或形。 图形：计算机图形学的研究对象 两类图形要素： 1.几何要素：点，线，面，体等； 2.非几何要素：明暗，灰度，色彩等 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。 计算机中表示图形的方法 图形的两种表示方法： 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。 图形（Graphics） 通常把参数法描述的图形 图象（Image） 把点阵法描述的图形叫做点阵表示 计算机图形学的研究内容 如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法，构成了计算机图形学的主要研究内容。包括： 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， 科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。 归纳为： 图形的输入 如何开发利用图形输入设备及软件将图形输入到计算机中去，以便作各种处理。 图形的处理 包括对图形进行变换(几何变换，投影变换)和运算（集合运算），着色，形变等…… 图形的输出 如何将图形特定的表示形式转换成图形输出系统便于接受的表示形式，并将图形在显示屏、打印机绘图机等输出设备上输出。 本课程不会讲到… 任何软件的应用，包括 Photoshop, CorelDraw, Flash, etc 3DS MAX, Maya, etc AutoCAD, etc 艺术设计 游戏设计 OpenGLDirectX的开发 图像、视频处理 计算机图形学与相关学科 计算几何：研究几何形体在计算机中的表示；分析、研究怎样建立几何形体的数学模型；研究曲线、曲面的表示、生成、拼接。 图像处理：研究如何对数字图像做各种变换以方便处理；如何滤波；如何压缩图像数据；图像边缘提取，特征增强。 计算机视觉：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）。如手写体识别、机器视觉。 发展特点: 交叉、界线模糊、相互渗透 计算机图形学 图像处理 计算几何 计算机视觉 1.2 计算机图形学的发展历史 50年代 1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院（MIT）旋风I号（Whirlwind I）计算机的附件诞生了，它类似于示波器的CRT来显示简单图形。--CRT的出现为计算机生成和显示图形提供了可能 1958年，美国Calcomp公司由联机的数字记录仪发展成滚筒式绘图仪，GerBer公司把数控机床发展成为平板式绘图仪 50年代末期，MIT的林肯实验室在“旋风”计算机上开发SAGE空中防御体系，通过光笔在屏幕上指点与系统交互。--标志着交互式图形技术的诞生 60年代 1962年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bézier 提出Bézier曲线、曲面的理论 1963年，MIT林肯实验室的Ivan Sutherland发表了题为“Sketchpad：一个人机交互通信的图形系统”的博士论文，提出了基本交互技术、图元分层表示概念及数据结构。确定了交互图形学作为一个学科分支的地位。 Sutherland本人也被公认为图形学之父。 1964年MIT的教授Steven A. Coons提出了超限插值的新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。 70年代 光栅图形学迅速发展 区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其相应算法纷纷诞生 图形软件标准化 1974年，ACM SIGGRAPH的与“与机器无关的图形技术”的工作