《计算机图形学》教案.ppt

12先修课程先修课程1.1. 高等数学高等数学2.2. 线性代数线性代数3.3. 画法几何与机械制图（可选）画法几何与机械制图（可选）4.4. C/C+或或其它有绘图功能编程语言其它有绘图功能编程语言5.5. 数据结构数据结构3教学要求教学要求4计算机图形学基础计算机图形学基础几何与坐标变换几何与坐标变换透视投影、平行投影透视投影、平行投影交互绘图技术交互绘图技术真实感图形生成真实感图形生成曲线与曲面曲线与曲面几何建模几何建模计算机图形学的相关应用计算机图形学的相关应用教学内容教学内容5成成 绩绩 给给 定定l总成绩笔试成绩总成绩笔试成绩70 实验成绩实验成绩20 平时成绩平时成绩106第第1 1章章 绪论绪论1.1 计算机图形学的发展历史计算机图形学的发展历史1.2 计算机图形学的研究内容计算机图形学的研究内容1.3 计算机图形学的应用领域计算机图形学的应用领域71.1计算机图形学的发展历史计算机图形学的发展历史l起源起源l计算机图形学硬件设备的发展计算机图形学硬件设备的发展l计算机图形学算法研究的发展计算机图形学算法研究的发展81.1.1 起源起源物质基础：1950年麻省理工学院年麻省理工学院(MIT)于采用了类似示波器的于采用了类似示波器的CRT研制了第一台图形研制了第一台图形显示器；显示器；1958年年Calcomp公司将数字记录仪发展成滚筒式绘图仪，公司将数字记录仪发展成滚筒式绘图仪，GerBer公司基公司基于数控机床研制出平板式绘图仪。于数控机床研制出平板式绘图仪。诞生：1963年年MIT的的Ivan E. Sutherland在他的博士论文在他的博士论文“Sketchpad：一个人一个人机通信的图形系统机通信的图形系统”中首次提出中首次提出 “Computer Graphics (计算机图形学计算机图形学)”，使用阴极射线管显示器和光笔，可交互式地生成简单图形；使用阴极射线管显示器和光笔，可交互式地生成简单图形；计算机图形学之计算机图形学之父父20世纪世纪 6070年代：硬件设备昂贵，只有少数条件好的单位（如年代：硬件设备昂贵，只有少数条件好的单位（如MIT、Bell Lab、 通用汽车公司、剑桥大学等通用汽车公司、剑桥大学等)开展计算机图形学的研究；开展计算机图形学的研究；20世纪世纪80年代硬件成本不断下降，计算机图形学的研究与应用呈加速发展，年代硬件成本不断下降，计算机图形学的研究与应用呈加速发展，开始出现商品化的计算机绘图系统；开始出现商品化的计算机绘图系统；20世纪世纪90年代快速发展、应用普及年代快速发展、应用普及91.1.2 计算机图形学硬件设备的发展计算机图形学硬件设备的发展2020世纪世纪6060年代中期：随机扫描显示器（矢量显示器）年代中期：随机扫描显示器（矢量显示器） 需要刷新、设备昂贵、限制普及。需要刷新、设备昂贵、限制普及。2020世纪世纪6060年代后期：存储管式显示器年代后期：存储管式显示器 不需刷新，价格较低，缺点是不具有动态修改图形功不需刷新，价格较低，缺点是不具有动态修改图形功 能，不适合交互式能，不适合交互式2020世纪世纪7070年代初，刷新式光栅扫描显示器年代初，刷新式光栅扫描显示器 大大地推动了交互式图形技术的发展大大地推动了交互式图形技术的发展目前是多种显示器并存目前是多种显示器并存 液晶、等离子显示器，基于分子材料的显示器也在研究液晶、等离子显示器，基于分子材料的显示器也在研究之中。之中。图形显示器是计算机图形学中关键的设备101.1.2 计算机图形学硬件设备的发展（续）计算机图形学硬件设备的发展（续）输入设备的发展历史第一阶段：控制开关、穿孔纸等等第一阶段：控制开关、穿孔纸等等第二阶段：二维交互式设备第二阶段：二维交互式设备 如键盘如键盘、鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏等等鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏等等第三阶段：三维交互式输入设备第三阶段：三维交互式输入设备 如空间球、数据手套、数据衣如空间球、数据手套、数据衣第四阶段：用户的手势、表情等等第四阶段：用户的手势、表情等等 111.1.2 计算机图形学硬件设备的发展（续）计算机图形学硬件设备的发展（续）图形输出设备主要包含：打印机和绘图仪主要包含：打印机和绘图仪 常见的打印机有喷墨打印机和激光打印机，绘图常见的打印机有喷墨打印机和激光打印机，绘图仪有滚筒式和平板式绘图仪，按工作原理分有笔式和仪有滚筒式和平板式绘图仪，按工作原理分有笔式和喷墨等喷墨等。 121.1.3 计算机图形学算法研究的发展计算机图形学算法研究的发展l光栅扫描图形生成光栅扫描图形生成 （点、线、面的离散表示）（点、线、面的离散表示）l图形变换图形变换（几何变换、平行投影、透视投影）（几何变换、平行投影、透视投影）l真实感图形生成真实感图形生成（隐藏线（隐藏线/ /面去除法、面去除法、Z Z缓冲器算法、简单光照模型、光线缓冲器算法、简单光照模型、光线追踪、辐射度、阴影、透明、纹理）追踪、辐射度、阴影、透明、纹理）l几何建模几何建模（线框模型、面模型、体模型）（线框模型、面模型、体模型）l曲线与曲面生成算法曲线与曲面生成算法（Furguson参数曲线参数曲线/面面 Bzier 均匀均匀B样条样条 非均匀非均匀B样条）样条）l图形学应用算法图形学应用算法（计算机辅助设计（计算机辅助设计 虚拟现实虚拟现实 可视化可视化 计算机动画等方面）计算机动画等方面）13第第1 1章章 绪论绪论1.1 计算机图形学的发展历史计算机图形学的发展历史1.2 计算机图形学的研究内容计算机图形学的研究内容1.3 计算机图形学的应用领域计算机图形学的应用领域141.2 计算机图形学的研究内容计算机图形学的研究内容定义定义 具体内容具体内容图形的输入图形的输入研究将图形或图形数据输入到计算机中的技术和设备 键盘、鼠标、图形输入板、扫描仪等设备的研制 图形的表示图形的表示研究在计算机中用点、线、面的坐标值(几何信息)和连接关系(拓扑信息)建立几何模型的方法 线框模型、面模型、体模型等 图形的存储图形的存储按一定数据结构组织图形数据并将其存储在动态或永久性介质中 常用的数据结构有线性链表、二叉树、四叉树等图形的处理图形的处理对图形进行几何变换或投影变换以及并、交、差运算等操作 图形的显示图形的显示与输出与输出将计算机内特定表示形式的图形转换成图形输出设备能够接受的表示形式，并将图形在计算机屏幕上或者打印机等输出设备上显示或绘制输出 主要研制各种显示器和打印、绘图设备，如液晶显示器、等离子显示器以及携带更方便、色彩更丰富的新一代显示器 15l* 计算机图形学、图像处理、计算几何之间关计算机图形学、图像处理、计算几何之间关系？系？ 答：答：P516第第1 1章章 绪论绪论1.1 计算机图形学的发展历史计算机图形学的发展历史1.2 计算机图形学的研究内容计算机图形学的研究内容1.3 计算机图形学的应用领域计算机图形学的应用领域171.3 计算机图形学的应用领域计算机图形学的应用领域l图形用户界面图形用户界面l计算机辅助设计与制造（计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）l科学计算可视化科学计算可视化l地理信息系统地理信息系统l娱乐娱乐l计算机艺术计算机艺术l虚拟现实虚拟现实l逆向工程逆向工程18应用实例应用实例飞机、舰船汽车19应用实例建筑应用实例建筑桥梁建筑20应用实例医学应用实例医学21 分形图案艺术实例艺术实例22艺术实例艺术实例23地学应用地学应用24当前计算机图形学的研究热点当前计算机图形学的研究热点 真实感显示（如辐射度、体绘制等） 基于图像的建模 自然对象的建模（山、云、树木、花草等） 离散数据建模 三维显示器 计算机生成激光全息照片