2009-11-10 Graphics Lab.PKU1
计算机图形学
北京大学计算机系图形研究室
http://graphics.pku.edu.cn
主讲,龙晓苑
E-mail,lxy@graphics.pku.edu.cn
辅导:刘西川
E-mail,lxc@graphics.pku.edu.cn
2009-11-10Graphics Lab.PKU2
教学要求
? 了解图形系统的框架及其涉及的软件、硬件技术;
? 了解图形学的基本问题,掌握图形学的基本概念、
方法与算法;
? 对与图形相关的应用及当前的研究热点有一个初
步认识;
? 具有一定实践体会和相关的编程能力。
2009-11-10Graphics Lab.PKU3
教材或参考书:
? 教材
? 倪明田等,,计算机图形学,,北京大学出版社,1999。
? 主要参考书:
? 孙家广:计算机图形学(第三版),清华大学出版社,
1999。
? Donald Hearn,M,Pauline Baker,“Computer Graphics (C
Version)”,Prentice Hall,1997,
? James D,Foley,Andries van Dam etc.,“Introduction to
Computer Graphics”,Addison-Wesley,1996
? 董士海,《计算机用户界面及其工具》,科学出版社,
1994
? 龙晓苑:数字化艺术,北京大学出版社,1999.12
2009-11-10Graphics Lab.PKU4
第一讲 计算机图形学概述
1.1 研究内容
1.2 发展历史
1.3 应用举例
1.4 当前研究动态
2009-11-10Graphics Lab.PKU5
1.1 研究内容
何谓图形
构成图形的要素
两种表示法
所研究的内容
2009-11-10Graphics Lab.PKU6
计算机图形学的研究内容
? 图形,计算机图形学的研究对象
– 能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象
– 包括自然景物、拍摄到的图片,用数学方法描述的图形 等等
? 构成图形的 要素
– 几何要素:刻画对象的轮廓、形状等
– 非几何要素:刻画对象的颜色、材质等
? 计算机中表示图形的方法
– 点阵表示
? 枚举出图形中所有的点 (强调图形由点构成 )
? 简称为 图像 (数字图像)
– 参数表示
? 由图形的 形状参数 (方程或分析表达式的系数,线段的端点坐标
等 )+属性参数 (颜色、线型等 )来表示图形
? 简称为 图形
2009-11-10Graphics Lab.PKU7
计算机图形学的研究内容
所研究的内容
?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,并将图形在显示屏或打印机等输出设备上输出。
2009-11-10Graphics Lab.PKU8
计算机图形学的研究内容
.与相关学科的关系
数
字
图
像
数
据
模
型
图像生成(计算机图形学)
模型(特征)提取
(计算机视觉,模式识别)
模型变换
(计算几何)图像变换(图像处理)
.发展特点, 交叉、界线模糊、相互渗透
2009-11-10Graphics Lab.PKU9
CAGD( Computer Aided Geometric
Design)
? 几何形体在计算机中的表示,分析、研究怎样灵
活方便地建立几何形体的数学模型,提高算法效
率,在计算机内更好地存储和管理这些模型等。
研究曲线、曲面的表示、生成、拼接、数据拟合。
2009-11-10Graphics Lab.PKU10
图象处理:
? 研究如何对一幅连续图像取样、量化以产生数字图像,
? 如何对数字图像做各种变换以方便处理,
? 如何滤去图像中的无用噪声,
? 如何压缩图像数据以便存储和传输,图像边缘提取,特
征增强和提取。
2009-11-10Graphics Lab.PKU11
计算机视觉和模式识别:
? 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)。手写体识
别、机器视觉。
2009-11-10Graphics Lab.PKU12
1.2 发展历史
历史追溯
硬件发展
图形显示器的发展
图形输入设备的发展
图形软件及软件标准的发展
2009-11-10Graphics Lab.PKU13
历史追溯
1950年, MIT,旋风一号 ( Whirlwind I 计算机的图形
显示器, 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 。
50年代末期, MIT林肯实验室, 在 Whirlwind上开发
SAGE空中防御系统, 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 。
2009-11-10Graphics Lab.PKU14
历史追溯
1962年 MIT林肯室验室 Ivan.E.Sutherland的博士论
文, Sketchpad,一个人机通信的图形系统 。
--确定了交互图形学作为一个学科分支 ( 提出基本交互技术,
图元分层表示概念及数据结构 … )。
60年代,MIT,Bell Lab,通用汽车公司, 剑
桥大学开展大规模的研究 。
60年代确立并得到发展
70年代进入技术实用化
但 80年代初, 图形学 依然是较小的学科, 原
因是图形硬件设备十分昂贵, 且基于图形的应用相
对较少 。 后来, 情况发生了变化 ……
2009-11-10Graphics Lab.PKU15
硬件发展
? 图形显示器的发展
图形显示器是计算机图形学中关键的设备
? 60年代中期:画线显示器 ( 亦称矢量显示器 )
需要 刷新 。 设备昂贵, 限制普及
? 60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 图形功能, 不适合交互式 。
2009-11-10Graphics Lab.PKU16
硬件发展
? 70年代初, 刷新式光栅扫描显示器出现, 大大地
推动了交互式图形技术的发展 。
? 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 。
2009-11-10Graphics Lab.PKU17
图形显示设备的发展:
画线显示器(矢量显示器 /随机扫描显示器)
存储管式显示器
刷新式光栅扫描显示器
2009-11-10Graphics Lab.PKU18
硬件发展
图形输入设备的发展
– 第一阶段:控制开关、穿孔纸等等
– 第二阶段:键盘
– 第三阶段:二维定位设备,如鼠标、光笔、图形输
入板、触摸屏等等,语音
– 第四阶段:三维输入设备(如空间球、数据手套、
数据衣),用户的手势、表情等等
– 第五阶段:用户的思维
2009-11-10Graphics Lab.PKU19
2009-11-10Graphics Lab.PKU20
2009-11-10Graphics Lab.PKU21
图形软件发展及软件标准形成
三种类型的计算机图形软件系统:
(1)用某种语言写成的子程序包
如, GKS (Graphics Kernel System)
PHIGS(Programmer’sHerarchical Iuteractive Graphics system )
GL
便于移植和推广, 但执行速度相对较慢, 效率低
(2) 扩充计算机语言, 使其具有图形生成和处理的功能
如,Turbo Pascal,Turbo C,AutoLisp等 。
简练, 紧凑, 执行速度快, 但不可移植
( 3) 专用图形系统:效率高, 但系统开发量大, 可移植性差 。
2009-11-10Graphics Lab.PKU22
发展历程
诸侯割据 标准讨论 标准形成
图形软件发展及软件标准的形成
2009-11-10Graphics Lab.PKU23
通用的、与设备无关的图形包,图形标准
?GKS (Graphics Kernel System) (第一个官方标准,1977)
?PHIGS(Programmer’s Herarchical Iuteractive Graphics system)
一些非官方图形软件,广泛应用于工业界,成为事实上的标准
?DirectX (MS)
?Xlib(X-Window系统 )
?OpenGL(SGI)
?Adobe公司 Postscript
开放式、高效率的发展趋势
2009-11-10Graphics Lab.PKU24
1.3 应用举例
图形用户界面
? 介于人与计算机之间, 人与机器的通信, 人机界面
( HCI), 软件+硬件
? 发展:由指示灯和机械开关组成的操纵界面 → 由终端
和键盘组成的字符界面 ( 80年代 ) → 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 ( GUI),
( 90年代 ) PC,工作站, WIMP(W-windows,I-icons、
M-menu,P-pointing devices)界面, 所见即所得 → VR
技术 ( 发展方向 )
2009-11-10Graphics Lab.PKU25
图形用户界面
? 由计算机发展决定:
科学计算型 → 无处不在的计算机, 人机溶合,
提高交互效率 。
? 课程:, 人机交互技术,
董士海教授主讲
2009-11-10Graphics Lab.PKU26
CAD/CAM
? 图形学的主要应用领域之一 。
? 建筑, 机械结构和产品设计 ( 结构分析和外形设
计 ), 布局 ( 各种管道, 电子线路 )
? Boeing 777,无纸设计 。
? AutoCAD,GHCAD,SolidWorks,Pro/E,UG,
CATIA,MDT,
2009-11-10Graphics Lab.PKU27
2009-11-10Graphics Lab.PKU28
Teapot
2009-11-10Graphics Lab.PKU29
Blending of the modeling
2009-11-10Graphics Lab.PKU30
可视化
? 科学计算可视化 (Scientific Visualization)
– 必要性:直接分析大量的测量数据或统计数据有困难
– 目标:用图形表现抽象的数据
– 应用领域:医学 图象重建,遥感,流场、气象、核爆
模拟,有限元分析 …… 。
– 等等
? 信息可视化:信息流量,商业统计数据,股市行情 …… 。
2009-11-10Graphics Lab.PKU31
地理信息系统( GIS)
? 建立在地理图形之上的关于各种资源的综合信息管理系统
? 数字地球, 地形数据作为载体, ( 70% ) 全球信息化,
? 军事, 政府决策, 旅游, 资源调查 。
多媒体
– 在计算机控制下,对多种媒体信息进行生成、操作、表现、存
储、通信、或集成的信息系统,其中媒体至少应包括一种“连
续媒体”及一种“离散媒体”
– 计算机处理的常见媒体:文本、图形、图像、语音、音频、视
频、动画
– 特点:媒体的多样性,操作的交互性、系统的集成性
? CAI,教学娱乐 。
2009-11-10Graphics Lab.PKU32
娱乐
●电脑游戏
– 实时性
– 逼实性
– 蕴含了先进的图形处理技术
● 电视广告, 节目片头, 科教演示 ( CAI)
● Quake III,“古墓丽影,,, 侏罗纪公园,,
,皇帝的新衣,, 完美风暴 ………
● MAYA,3D-MAX,SOFTIMAGE…
2009-11-10Graphics Lab.PKU33
计算机艺术
? Coreldraw,Photoshop,金山画王笔,
? 相片真实感模拟与自然媒体仿真技术
? 分形艺术
2009-11-10Graphics Lab.PKU34
2009-11-10Graphics Lab.PKU35
2009-11-10Graphics Lab.PKU36
Virtual Reality( 虚拟现实、灵境)
Virtual Reality 或称虚拟环境( Virtual Environment)
– 是用计算机技术来生成一个
逼真的三维视觉、听觉、触觉
或嗅觉等感觉世界,让用户可
以从自己的视点出发,利用自
然的技能和某些设备对这一生
成的虚拟世界客体进行浏览和
交互考察。
– 输入输出设备
2009-11-10Graphics Lab.PKU37
? 在线虚拟现实:虚拟现实建模语言 VRML
2009-11-10Graphics Lab.PKU38
1.4 当前的研究动态
? 造型技术
– 规则形体:欧氏几何方法
– 不规则形体:
?分形几何方法
?粒子系统
?纹理映射
2009-11-10Graphics Lab.PKU39
当前的研究动态
– 实体造型
– 基于物理的造型
– 基于图像的造型
? 真实感图形绘制技术
– 光照明模型
– 绘制算法
– 快速算法
– 易于图像的绘制
– 例子
2009-11-10Graphics Lab.PKU40
2009-11-10Graphics Lab.PKU41
2009-11-10Graphics Lab.PKU42
2009-11-10Graphics Lab.PKU43
2009-11-10Graphics Lab.PKU44
当前的研究动态
? 人机交互技术
? 与计算机网络技术的紧密结合
– 远程医疗与诊断
– 远程导航与维修
– 远程教育
2009-11-10Graphics Lab.PKU45
概念与术语
图形
图形的表示
图形学的研究内容
图形学的应用
主要的研究动态
所熟悉的图形软件包
图形软件的标准
计算机图形学
北京大学计算机系图形研究室
http://graphics.pku.edu.cn
主讲,龙晓苑
E-mail,lxy@graphics.pku.edu.cn
辅导:刘西川
E-mail,lxc@graphics.pku.edu.cn
2009-11-10Graphics Lab.PKU2
教学要求
? 了解图形系统的框架及其涉及的软件、硬件技术;
? 了解图形学的基本问题,掌握图形学的基本概念、
方法与算法;
? 对与图形相关的应用及当前的研究热点有一个初
步认识;
? 具有一定实践体会和相关的编程能力。
2009-11-10Graphics Lab.PKU3
教材或参考书:
? 教材
? 倪明田等,,计算机图形学,,北京大学出版社,1999。
? 主要参考书:
? 孙家广:计算机图形学(第三版),清华大学出版社,
1999。
? Donald Hearn,M,Pauline Baker,“Computer Graphics (C
Version)”,Prentice Hall,1997,
? James D,Foley,Andries van Dam etc.,“Introduction to
Computer Graphics”,Addison-Wesley,1996
? 董士海,《计算机用户界面及其工具》,科学出版社,
1994
? 龙晓苑:数字化艺术,北京大学出版社,1999.12
2009-11-10Graphics Lab.PKU4
第一讲 计算机图形学概述
1.1 研究内容
1.2 发展历史
1.3 应用举例
1.4 当前研究动态
2009-11-10Graphics Lab.PKU5
1.1 研究内容
何谓图形
构成图形的要素
两种表示法
所研究的内容
2009-11-10Graphics Lab.PKU6
计算机图形学的研究内容
? 图形,计算机图形学的研究对象
– 能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象
– 包括自然景物、拍摄到的图片,用数学方法描述的图形 等等
? 构成图形的 要素
– 几何要素:刻画对象的轮廓、形状等
– 非几何要素:刻画对象的颜色、材质等
? 计算机中表示图形的方法
– 点阵表示
? 枚举出图形中所有的点 (强调图形由点构成 )
? 简称为 图像 (数字图像)
– 参数表示
? 由图形的 形状参数 (方程或分析表达式的系数,线段的端点坐标
等 )+属性参数 (颜色、线型等 )来表示图形
? 简称为 图形
2009-11-10Graphics Lab.PKU7
计算机图形学的研究内容
所研究的内容
?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,并将图形在显示屏或打印机等输出设备上输出。
2009-11-10Graphics Lab.PKU8
计算机图形学的研究内容
.与相关学科的关系
数
字
图
像
数
据
模
型
图像生成(计算机图形学)
模型(特征)提取
(计算机视觉,模式识别)
模型变换
(计算几何)图像变换(图像处理)
.发展特点, 交叉、界线模糊、相互渗透
2009-11-10Graphics Lab.PKU9
CAGD( Computer Aided Geometric
Design)
? 几何形体在计算机中的表示,分析、研究怎样灵
活方便地建立几何形体的数学模型,提高算法效
率,在计算机内更好地存储和管理这些模型等。
研究曲线、曲面的表示、生成、拼接、数据拟合。
2009-11-10Graphics Lab.PKU10
图象处理:
? 研究如何对一幅连续图像取样、量化以产生数字图像,
? 如何对数字图像做各种变换以方便处理,
? 如何滤去图像中的无用噪声,
? 如何压缩图像数据以便存储和传输,图像边缘提取,特
征增强和提取。
2009-11-10Graphics Lab.PKU11
计算机视觉和模式识别:
? 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)。手写体识
别、机器视觉。
2009-11-10Graphics Lab.PKU12
1.2 发展历史
历史追溯
硬件发展
图形显示器的发展
图形输入设备的发展
图形软件及软件标准的发展
2009-11-10Graphics Lab.PKU13
历史追溯
1950年, MIT,旋风一号 ( Whirlwind I 计算机的图形
显示器, 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 。
50年代末期, MIT林肯实验室, 在 Whirlwind上开发
SAGE空中防御系统, 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 。
2009-11-10Graphics Lab.PKU14
历史追溯
1962年 MIT林肯室验室 Ivan.E.Sutherland的博士论
文, Sketchpad,一个人机通信的图形系统 。
--确定了交互图形学作为一个学科分支 ( 提出基本交互技术,
图元分层表示概念及数据结构 … )。
60年代,MIT,Bell Lab,通用汽车公司, 剑
桥大学开展大规模的研究 。
60年代确立并得到发展
70年代进入技术实用化
但 80年代初, 图形学 依然是较小的学科, 原
因是图形硬件设备十分昂贵, 且基于图形的应用相
对较少 。 后来, 情况发生了变化 ……
2009-11-10Graphics Lab.PKU15
硬件发展
? 图形显示器的发展
图形显示器是计算机图形学中关键的设备
? 60年代中期:画线显示器 ( 亦称矢量显示器 )
需要 刷新 。 设备昂贵, 限制普及
? 60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 图形功能, 不适合交互式 。
2009-11-10Graphics Lab.PKU16
硬件发展
? 70年代初, 刷新式光栅扫描显示器出现, 大大地
推动了交互式图形技术的发展 。
? 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 。
2009-11-10Graphics Lab.PKU17
图形显示设备的发展:
画线显示器(矢量显示器 /随机扫描显示器)
存储管式显示器
刷新式光栅扫描显示器
2009-11-10Graphics Lab.PKU18
硬件发展
图形输入设备的发展
– 第一阶段:控制开关、穿孔纸等等
– 第二阶段:键盘
– 第三阶段:二维定位设备,如鼠标、光笔、图形输
入板、触摸屏等等,语音
– 第四阶段:三维输入设备(如空间球、数据手套、
数据衣),用户的手势、表情等等
– 第五阶段:用户的思维
2009-11-10Graphics Lab.PKU19
2009-11-10Graphics Lab.PKU20
2009-11-10Graphics Lab.PKU21
图形软件发展及软件标准形成
三种类型的计算机图形软件系统:
(1)用某种语言写成的子程序包
如, GKS (Graphics Kernel System)
PHIGS(Programmer’sHerarchical Iuteractive Graphics system )
GL
便于移植和推广, 但执行速度相对较慢, 效率低
(2) 扩充计算机语言, 使其具有图形生成和处理的功能
如,Turbo Pascal,Turbo C,AutoLisp等 。
简练, 紧凑, 执行速度快, 但不可移植
( 3) 专用图形系统:效率高, 但系统开发量大, 可移植性差 。
2009-11-10Graphics Lab.PKU22
发展历程
诸侯割据 标准讨论 标准形成
图形软件发展及软件标准的形成
2009-11-10Graphics Lab.PKU23
通用的、与设备无关的图形包,图形标准
?GKS (Graphics Kernel System) (第一个官方标准,1977)
?PHIGS(Programmer’s Herarchical Iuteractive Graphics system)
一些非官方图形软件,广泛应用于工业界,成为事实上的标准
?DirectX (MS)
?Xlib(X-Window系统 )
?OpenGL(SGI)
?Adobe公司 Postscript
开放式、高效率的发展趋势
2009-11-10Graphics Lab.PKU24
1.3 应用举例
图形用户界面
? 介于人与计算机之间, 人与机器的通信, 人机界面
( HCI), 软件+硬件
? 发展:由指示灯和机械开关组成的操纵界面 → 由终端
和键盘组成的字符界面 ( 80年代 ) → 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 ( GUI),
( 90年代 ) PC,工作站, WIMP(W-windows,I-icons、
M-menu,P-pointing devices)界面, 所见即所得 → VR
技术 ( 发展方向 )
2009-11-10Graphics Lab.PKU25
图形用户界面
? 由计算机发展决定:
科学计算型 → 无处不在的计算机, 人机溶合,
提高交互效率 。
? 课程:, 人机交互技术,
董士海教授主讲
2009-11-10Graphics Lab.PKU26
CAD/CAM
? 图形学的主要应用领域之一 。
? 建筑, 机械结构和产品设计 ( 结构分析和外形设
计 ), 布局 ( 各种管道, 电子线路 )
? Boeing 777,无纸设计 。
? AutoCAD,GHCAD,SolidWorks,Pro/E,UG,
CATIA,MDT,
2009-11-10Graphics Lab.PKU27
2009-11-10Graphics Lab.PKU28
Teapot
2009-11-10Graphics Lab.PKU29
Blending of the modeling
2009-11-10Graphics Lab.PKU30
可视化
? 科学计算可视化 (Scientific Visualization)
– 必要性:直接分析大量的测量数据或统计数据有困难
– 目标:用图形表现抽象的数据
– 应用领域:医学 图象重建,遥感,流场、气象、核爆
模拟,有限元分析 …… 。
– 等等
? 信息可视化:信息流量,商业统计数据,股市行情 …… 。
2009-11-10Graphics Lab.PKU31
地理信息系统( GIS)
? 建立在地理图形之上的关于各种资源的综合信息管理系统
? 数字地球, 地形数据作为载体, ( 70% ) 全球信息化,
? 军事, 政府决策, 旅游, 资源调查 。
多媒体
– 在计算机控制下,对多种媒体信息进行生成、操作、表现、存
储、通信、或集成的信息系统,其中媒体至少应包括一种“连
续媒体”及一种“离散媒体”
– 计算机处理的常见媒体:文本、图形、图像、语音、音频、视
频、动画
– 特点:媒体的多样性,操作的交互性、系统的集成性
? CAI,教学娱乐 。
2009-11-10Graphics Lab.PKU32
娱乐
●电脑游戏
– 实时性
– 逼实性
– 蕴含了先进的图形处理技术
● 电视广告, 节目片头, 科教演示 ( CAI)
● Quake III,“古墓丽影,,, 侏罗纪公园,,
,皇帝的新衣,, 完美风暴 ………
● MAYA,3D-MAX,SOFTIMAGE…
2009-11-10Graphics Lab.PKU33
计算机艺术
? Coreldraw,Photoshop,金山画王笔,
? 相片真实感模拟与自然媒体仿真技术
? 分形艺术
2009-11-10Graphics Lab.PKU34
2009-11-10Graphics Lab.PKU35
2009-11-10Graphics Lab.PKU36
Virtual Reality( 虚拟现实、灵境)
Virtual Reality 或称虚拟环境( Virtual Environment)
– 是用计算机技术来生成一个
逼真的三维视觉、听觉、触觉
或嗅觉等感觉世界,让用户可
以从自己的视点出发,利用自
然的技能和某些设备对这一生
成的虚拟世界客体进行浏览和
交互考察。
– 输入输出设备
2009-11-10Graphics Lab.PKU37
? 在线虚拟现实:虚拟现实建模语言 VRML
2009-11-10Graphics Lab.PKU38
1.4 当前的研究动态
? 造型技术
– 规则形体:欧氏几何方法
– 不规则形体:
?分形几何方法
?粒子系统
?纹理映射
2009-11-10Graphics Lab.PKU39
当前的研究动态
– 实体造型
– 基于物理的造型
– 基于图像的造型
? 真实感图形绘制技术
– 光照明模型
– 绘制算法
– 快速算法
– 易于图像的绘制
– 例子
2009-11-10Graphics Lab.PKU40
2009-11-10Graphics Lab.PKU41
2009-11-10Graphics Lab.PKU42
2009-11-10Graphics Lab.PKU43
2009-11-10Graphics Lab.PKU44
当前的研究动态
? 人机交互技术
? 与计算机网络技术的紧密结合
– 远程医疗与诊断
– 远程导航与维修
– 远程教育
2009-11-10Graphics Lab.PKU45
概念与术语
图形
图形的表示
图形学的研究内容
图形学的应用
主要的研究动态
所熟悉的图形软件包
图形软件的标准