1、,计算机图形学引言路 通 博士、教授 Department of Computer Science and Technology,南京大学计算机科学与技术系课程,计算机图形学,一、计算机图形学简介,动作捕捉模型渲染真假融合1个老虎的镜头需要几周时间调整细节60多种海水效果,耗时1周到3个月不等,从逐帧到捕捉,1915年的“Rotoscope”：画家直接照着放映动画一帧一帧画。1985年，Sun-1工作站用17个小时算出通过4个摄像机跟踪的8个点的三维运动轨迹，整个动作时长仅3秒。光学跟踪使用至今。1993年，Stan Winston工作室和工业光魔（ILM）联手，通过机械动作捕捉来创造首批CG
2、数字恐龙。1994年，Motion Analysis 公司首次提出“面部捕捉”（Facial Capture）这一概念。2007年开始无标记的面部身体捕捉。,从捕捉到动画的产生,用多个摄像机同时拍摄多个角度利用100微米距离扫描得到非常精确的面部高低数据。形成3D模型。匹配不同位置图片中的像素，并得到连续帧的像素运动轨迹，也可以手工建模后将表情轨迹定位到模型上。根据照片绘制皮肤，还可以专门为头发、眼睛、牙齿这些元素专门制作精细的绘制算法。配合起来并加入照明效果的计算获得精致画面,真实和虚拟的融合,（本杰明巴顿奇事）根据实拍，创建每一帧场景的照明数据，替身带着蓝色的头套进行表演。 皮特的表演用来
3、生成头部和表情动画（3D模型）并替换实拍场景中的头部。,（碟中谍4）隐形幕布：根据人眼位置显示正确的场景,图形图像科学,图形图像是人类相互交流和认识客观世界的主要媒体,图形图像是现代信息化社会的重要支柱。视觉系统帮助人类从外界获取3/4以上的信息；视觉信息所获得的客观作用是其它信息不能替代的。图形图像科学是理论与现代高科技相结合、系统研究各种视觉原理、技术和应用的综合性很强的交叉学科。人类基于视觉的活动是一个广阔、复杂和富有挑战性的研究领域，图形图像科学和技术是这个领域有力的工具。图形图像学科具有涉及面广，内容丰富，跨行业、跨学科特点研究方法：与数学、物理学、生理学、心理学、电子学等许多学科可
4、以相互借鉴；研究范围：与人工智能、神经网络、遗传算法、模糊逻辑等理论和技术都有密切关系；发展应用：与医学、遥感、通讯、影视和工业自动化等许多领域不可分割的。科学史上，它代表着最活跃和令人振奋的边缘学科之一。,图形学的地位与作用,图形图像是社会生活和工业领域传递信息的最主要媒体。人类的知识和信息有80%来自于视觉，俗话说：“百闻不如一见”、“一幅画胜于千句话” 。图形学是信息技术中不可缺少的重要内容和发展基石。例：人机界面的发展读卡机及控制面板上的开关、指示灯 键盘和字符终端 WIMP为特征的图形用户界面GUI 基于键盘、鼠标等输入设备光栅显示器 用户“临境”和“沉浸”感觉的三维虚拟现实环境。反
5、映了计算机技术从初始到高级的发展过程；体现了计算机图形学在计算机软硬件发展过程中的推动作用和发展历程。图形学应用已渗透到社会生活和工业生产的几乎一切领域，并与这些领域自身发展相互推动、互相促进。,图形学学科总览,图形学研究目标,从给定几何基元(如线、圆、曲线、曲面、实体等)的几何描述来生成图像；讨论由非图像的信息(自然事物)产生“逼真”的图像，是研究自然事物的建模、表示和显示的方法。输入：客观对象表示；输出：图像显示。,图像处理,它所讨论的问题中输入和输出两者均为图像。 主要研究：如何对一幅连续的图像量化以产生数字图像；改善图像显示质量或效果、如何对数字图像做各种变换以方便处理；如何滤除图像中
6、无用噪声或增强图像中某些特征；如何压缩图像数据以便于存储和传输等。,计算几何,着重讨论集合形体在计算机内的表示、分析和综合。它研究如何方便灵活地建立几何形体的数学模型，提高算法的效率；在计算机内如何更好地存储和管理这些模型等。主要研究内容：曲线曲面的表示、生成、拼接和造型；三维实体造型；散乱数据插值；计算复杂性等。,car,计算机视觉,讨论对输入图像的描述或归类的方法。分析和识别输入图像，并从中提取二维或三维的数据模型或特征，再将其变换到抽象的描述。这个描述比图形学数学模型更抽象，更富语义：一组数、一串符号或一个图(graph) 。手写汉字、字符识别；机器人视觉；医疗自动诊断；遥感检测与分析等
7、。,计算机图形学与计算机视觉,计算机图形学属图像综合，计算机视觉属图像分析。简单看来，计算机图形学与计算机视觉是互逆的过程。实际上，这两个领域的早期发展没有什么联系。近年来两者的发展越来越相近：图形技术在视觉系统的人机交互和建模等过程中起很大的作用，某些图形可认为是图像分析结果的可视化；计算机真实感景物生成可看作是图像分析的逆过程，需使用计算机视觉技术，以在计算机中建立逼真的图像模型。基于图像的绘制、可视化和虚拟现实将这两个领域紧密地结合在一起。需要注意：图像理解与计算机视觉中存在许多不确定性；计算机图形学处理的多是确定性问题数学途径可解决的问题，许多情况下是在图形生成速度和精度（即实时性和逼
8、真度）间取得某种妥协。,图形与图像,在计算机图形学中，图形和图像的主要区别在于：图形主要是用矢量表示的：对客观世界的建模结果。图像则是由点阵表示的：对象模型在设备的输出结果。它们存储时就形成两种文件：矢量文件和点阵文件。矢量文件是一种存储生成图形所需坐标、形状、颜色等几何和非几何数据的集合。这些数据反映图形的内在联系；点阵文件只是存储图的各个像素点的颜色值。它从外表上反映了图。扫描转换：点阵和矢量又可以相互转化，矢量文件经过扫描转换可在光栅显示器上产生点阵图像；图像通过识别和处理可转化为矢量表示的图形形式。图形和图像之间的界限有时是模糊不清的。例如：图形扫描仪和图像扫描仪实际上指的是同一种设备
9、；图形文件格式和图像文件格式讨论的内容也无实质区别，而且可在同一环境中同时处理图形和图像；动画画面中究竟是图形还是图像是无关紧要的。,图形图像的融合,学科特点与发展趋势,共同点：以人类视觉信息为处理对象。以图形/图像在计算机中的建模和表示为基础 （数据结构、存贮以及检索、压缩）在人工智能、神经网络、遗传算法等新理论、新工具和新技术的支持下得到进一步发展。趋势：集成和融合随着科学技术的发展和应用的不断深入，学科界限越来越模糊，各学科互相联系，覆盖面有所重合、渗透和融合。例如：计算机图形学离不开曲线、曲面及实体造型技术；几何造型系统必须用到图形生成处理技术和图像处理技术；计算机视觉中的许多概念和方
10、法来自于图像处理和图形学。,图形学的研究主题,四个方面主要问题：图形输入：将图形输入到计算机中图形设备/图形操作/图形用户界面；图形表示：计算机内如何表示、存储和交换图形信息图形建模；图形处理：保证显示设备上有效地显示图形的预处理几何变换、观察变换、裁剪和消隐等处理；图形生成和输出：在显示设备上如何“逼真”地显示图形模型构造与生成，如扫描、填充、造型、光照等生成和效果处理。研究主题包括：造型技术（NURBS曲线曲面和实体造型技术）真实感图形显示计算机动画技术可视化技术人机交互与虚拟现实技术,“计算机图形学”谁在做？谁在用？,http:/www.graphics.stanford.edu/htt
11、p:/groups.csail.mit.edu/graphics/http:/www.tech.purdue.edu/cg/http:/ of information)统计图表 数据可视化 设计 (Design) 仿真和动画 (Simulation and Animation)计算机艺术，计算机电影，计算机游戏 飞行、驾驶模拟等 虚拟现实环境 用户接口 (User interfaces)图形用户界面GUI,“计算机图形学”做什么？怎么用？从研究的角度看,几何模型构造技术(参数化特征造型，任意曲面体的三维重建 ）图形生成技术 （真实感/非真实感绘制）图形的操作与处理方法图形信息的存储,检索与交换
12、技术人机交互与用户接口技术动画与游戏技术图形硬件与输出技术图形标准与图形软件包的研究开发可视化（远程手术 ）虚拟现实技术,可以学些什么？,Computer Graphics VisualizationIntroduction to 3D AnimationDigital Lighting and RenderingDigital Video & Audio Raster Imaging for CGVector Imaging for CGHuman Factors of UI DesignVisual Intelligence & Perception in CGT,教材,计算机图形学（第三
13、/四版）Computer Graphics with OpenGL著：Donald Hearn & M.Pauline Baker翻译：蔡士杰等（第三版）出版：电子工业出版社,参考,交互式计算机图形学（第四版）基于OpenGL的自顶向下方法Interactive Computer Graphics A Top-Down Approach Using OpenGL著：Edward Angel 美出版：电子工业出版社,计算机图形学课程的目标,介绍经典系统了解局部深入激发兴趣融会贯通,计算机图形学课程的内容,综述,几何变换,观察流水线 裁剪,基本图元,2D & 3D基本原理 & 最新动态OpenGL
14、函数,曲线曲面 实体造型,可见面判别 光照 面绘制,UI 动画,建模 观察 显示,其它,图形学和图形系统,坐标系统,第一讲 概述第二讲 图元 图元及其属性的生成和反走样第三讲 几何变换 坐标系变换第四讲 层次式建模和建模变换第五讲 观察 2D3D场景的观察投影裁剪第六讲 可见面判别第七讲 基本光照模型：面/体绘制,颜色雾气透明阴影第八讲 全局光照模型之光线跟踪第九讲 全局光照模型之辐射度和纹理第十讲 曲线曲面 Bezier，B，NURBS，多边形网格第十一讲 实体造型第十二讲 UI和计算机动画,学习方式,计算机图形学是一门有用的、有趣的课程，也是难教和难学的课程。“难”体现在两个方面：学科发展
15、的动态性：整个学科发展日新月异，应用领域不断拓展。课程内容的选取难以把握和区分。知识交叉的繁杂性：图形学涉及的内容和应用很广，相关学科相互重叠和渗透，难以形成一个简单、独立和明确的知识体系。计算机图形学有其自身的规律性，掌握其规律并加强实习环节的训练对学习这门课有极大的帮助。计算机图形学的研究发展目标是“逼真”地模拟现实世界的物体，所以，其概念和处理方法具有相当好的一致性。例如“扫描线”这个概念在图元生成、消隐和真实感图形中具有同样的作用和方式，学习时只要注意“前后联想”，能达到“一通百通”的效果。,课程内容,课程考核,课程成绩考核将根据几个方面进行综合评估：听课与讨论表现：积极参加课堂讨论；
16、平时作业情况：及时完成课程作业；*课程实习作业：包括参与项目对图形学的应用成果；,我的联系方式 仙林校区计算机科学与技术楼1007,二、计算机图形学学科发展,计算机图形学的定义,计算机图形学形成于二十世纪六十年代，并逐渐发展成为以图形硬件设备、图形处理专用算法和图形软件系统等为研究内容的一门成熟学科。简言之，计算机图形学主要研究图形(图像)的计算机生成、处理和显示的一门学科。目前作为商品的图形软件和硬件已经能方便地生成各种线画图形和自然景物的真实感图像。随着计算机技术的不断发展，计算机图形学的研究内容也不断丰富和拓展，在新的环境下赋予了新的思想和内容。,广义图形定义,广义上，现实世界中能在人类
17、视觉系统中形成视觉印象的客观对象都称为图形主要包括：人眼所观察到的自然界的物体和景物；用照相机、摄像机等装置获得的图片；用绘图工具绘制的工程图纸、各种人工美术绘画；用数学方法描述的图形。科学研究中，图形是对客观对象的一种抽象表示。 它具有两个信息构成要素：形状：刻画图形形状构成的点、线、面和体等几何要素信息；颜色：反映物体表面属性或材质的灰度、色泽等非几何要素。 例：半径为R、圆心在原点的“圆”图形包括两方面信息：形状信息：由多个点组成的、符合X2+Y2=R2的圆；颜色信息：圆周线和圆的内部具有一定颜色（设定）。,图形学中的图形定义,计算机图形学中的图形是图形广义与抽象定义的结合。能采用数学表
18、示方法表示；能在计算机内表示和存储；能在图形输出设备上显示。计算机图形学的任务是：在计算机系统内“逼真”地模拟（描绘）各种客观世界的对象（事物）。计算机图形学中的图形与数学学科中的图形区别在于：它比数学学科中的图形更具体、更接近它所表示的客观对象。数学学科中的图形是采用几何和代数方程或分析表达式等抽象方法所确定的图形；计算机图形学中的图形除了数学方法所描述的形状等几何信息外，还包括颜色、材质等非几何信息。,图形学中的图形特点,通过计算机图形学中的图形能够具体了解它所表示的物体，但它仍是一种抽象。它只能“逼真”地“模拟”这个物体，图形的“真实感”程度随着显示设备的性能和图形处理技术的不同而变化。
19、尤其是对许多无法用颜色、纹理等显式（图形化）表示的非几何信息的处理是个难点。例如：杯子的图形显示 “形状相同+颜色相同+透明度相同”的两个杯子 两个相同的杯子？ 杯子的材质？ 玻璃杯？塑料杯？金属杯？陶瓷杯？,点阵图形文件格式, 点阵图形文件格式：PCX格式基于PC绘图程序TIFF(Tagged Image File Format)台式排版类应用以及其它应用之间进行数据交换GIF(Graphics Interchange Format)用于在CompuServe网上进行图形在线传输的格式PNG(Portable Network Graphics)用于WWW网络上传输图像数据DIB(Device
20、-Independent Bitmap)/BMP(Bitmap) Window系统下显示或者保存图像JPEG(Joint Photographic Experts Group)用于保存或者显示照片类图像AVI(Audio Video Interleave)文件用于保存视频/音频序列的。,矢量图形文件格式, 矢量图形文件格式：DXF(Data exchange File)用于交换CAD绘图数据的文件PostScript EPS格式用于打印机输出及对象存储和交换HPGL格式用于控制笔式绘图仪以及激光打印机WMF格式用于在Window系统下保存和交换图像WPG格式用于保存WordPerfect软件中
21、图像图形UnixPlot用于Unix图像绘制程序的通用格式SVG(Scalable Vector Graphics)用于网络传输的可缩放矢量图形，等等。,图形学的产生与发展,计算机图形学影响着每一个使用计算机的人以视窗操作系统(Windows)为典型代表的图形用户界面(GUI)使得每一个普通用户都可以容易地学会使用计算机。恰如WWW使得计算机及其应用打破时空限制而遍及世界每一个角落。图形学的应用标致着计算机软、硬件技术的发展水平计算机软、硬件技术的不断发展极大地推动了计算机图形学的应用和研究。计算机图形学的诞生为计算机技术与各种应用领域架设了一座“桥梁”，从而拓展了计算机的应用范围。,图形学的
22、发展简史,图形学的诞生,交互式图形显示技术诞生1950年代中期，由麻省理工学院林肯实验室主持研制的战术防空系统SAGE标志了交互式图形显示技术的诞生。系统中包含了各地区的地理、地形信息，并能将雷达信号转换为图形在显示器上显示出来。指挥员可以通过光笔与系统交互，获取某地区更详细的信息或发出命令。交互式图形系统诞生1963年，美国麻省理工学院的Ivan Sutherland研制出了SKETCHPAD系统，由此产生了第一台光笔交互式阴极射线管显示器。利用该系统可以用光笔在图形显示器上实现拾取、定位等交互功能，系统还能跟踪光笔在相邻的点之间画直线或者以此直线段为半径画圆。在这个系统中，Ivan Sut
23、herland引入了图元的层次表示概念和数据结构。事实上，这些方法一直被延用至今。因此，Ivan Sutherland被公认为开创交互式图形技术的奠基人，并于1988年获“图灵奖”。,图形标准,第一次图形标准会议：1974年，美国计算机协会图形学专业委员会(ACM SIGGRAPH)召开的一个主题为“与机器无关的图形技术”工作会议。该委员会于1979年提出了3D CORE图形软件标准。第一个图形标准：经国际标准组织ISO和美国国家标准局ANSI批准的第一个二维图形软件包图形标准是图形核心系统GKS(Graphical Kernal System)。它的三维扩充GKS-3D在1988年被批准为三
24、维图形软件标准。第二个图形标准：ISO组织批准的第二个图形软件标准是“程序员层次式交互图形系统”PHIGS (Programmers Hierarchical Interactive Graphics System)，它支持三维图形的层次嵌套结构，一个图形结构都可以成为更复杂图形对象的组成部分。此后，PHIGS又扩充为PHIGS+。事实标准(ad hoc Standard)：在工业界被广泛应用的标准。如：SGI等公司的Open GL；微软公司的DirectX；X财团的X-Window；Adobe公司的Postscript等。,图形标准,第一次图形标准会议：1974年，美国计算机协会图形学专业委
25、员会(ACM SIGGRAPH)召开的一个主题为“与机器无关的图形技术”工作会议。该委员会于1979年提出了3D CORE图形软件标准。第一个图形标准：经国际标准组织ISO和美国国家标准局ANSI批准的第一个二维图形软件包图形标准是图形核心系统GKS(Graphical Kernal System)。它的三维扩充GKS-3D在1988年被批准为三维图形软件标准。第二个图形标准：ISO组织批准的第二个图形软件标准是“程序员层次式交互图形系统”PHIGS (Programmers Hierarchical Interactive Graphics System)，它支持三维图形的层次嵌套结构，一个
26、图形结构都可以成为更复杂图形对象的组成部分。此后，PHIGS又扩充为PHIGS+。事实标准(ad hoc Standard)：在工业界被广泛应用的标准。如：SGI等公司的Open GL；微软公司的DirectX；X财团的X-Window；Adobe公司的Postscript等。,图形学的具体研究方向,计算机图形学应用源于艺术、科学、工程技术、音乐、电影制作等领域；随着计算机软、硬件性能的日趋提高和成本的逐步下降，它也反过来被广泛应用于这些领域。实际上，计算机图形学及其应用已经渗透到科研、工程、商业、艺术等社会生活和工业生产的几乎一切领域，并与这些领域自身发展相互推动和促进，,Vis,计算机辅助
27、设计CAD,简称为CAD的计算机辅助设计方法现已频繁地应用于大楼、汽车、飞机、轮船、宇宙飞船、计算机、纺织品和许许多多其它产品的设计中。计算机图形学的主要应用是在设计方面尤其是工程和建筑系统，现在几乎所有的产品都由计算机来设计。线框图可让设计者较快地对产品外形进行交互设计。为设计者提供多窗口环境，不同的显示窗口展示放大的部分或物体的不同视图。线框式实时动画。立体光照效果和真实感曲面绘制技术生成产品广告图片。建筑设计师使用交互式图形技术进行平面布局。,工程图纸,产品效果图,建筑物设计布局,可视化技术,科学计算可视化数学图形函数的图形；分形图形、拓扑结构图形、CT数据可视化；气象卫星数据的天气变化
28、趋势图；彩色编码、等值线、图表；曲面绘制、 体视化。,流场的可视化,体视化技术,气象卫星云图,可视化技术,商业可视化(图示图形学)数据的可视化：给出多个参数之间关系的显示图条形图、折线图、曲面图、饼图。图示图形学是可视化的一个主要应用领域，用来生成报告插图；为研究报告、管理报告、消费信息公报和其他类型报告中概括总结财政、统计、数学、科学和经济数据。,可视化技术,信息可视化(信息图形化)形象思维：信息的符号或形状表示。,网页结构图,网页设计图,地理信息系统,地理信息系统(Geographic information system，GIS)是计算机图形学的一个重要应用领域，它也可以看作是计算可视化
29、的一个应用领域。地理信息系统是多学科集成的基础平台，地理信息系统集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和管理科学为一体。可用于地理相关信息的搜集、存储、管理和分析。多时相、多数据源、时空结合、定性与定量相结合的综合分析技术。资源、环境管理和政府部门决策的重要技术手段之一。 地理图、地形图、森林分布图、人口分布图、矿藏分布图、气象图、水资源分布图。,教学培训,各种教学模型：计算机生成的物理模型、财政模型、人口趋势模型和经济系统模型常用作教学的辅助工具。物理系统的模型、哲学系统或彩色编码流图等可以帮助学员理解。图形化的课件和教案等。操作模拟：交通工具模拟驾驶。,计
30、算机艺术,计算机图形学广泛使用于美术和商用艺术应用中。动画、电影、广告、科教演示、电子游戏。设计物体外形及描述物体的运动。图形对象可以被混合进实景中；将一个人或对象变成另一个（变形）。主要应用包括：生成美术电子图画；绘制产品逼真图片；二维平面设计；动画、广告等设计。,计算机动画,计算机动画是计算机图形学和艺术相结合的产物，是伴随着计算机硬件和图形算法高速发展起来的一门高新技术，综合利用计算机科学、艺术、数学、物理学和其它相关学科知识，用计算机生成绚丽多彩的连续的虚拟真实画面。从以阿凡达为代表的3D动画和以玩具总动员为代表的2D动画电影，可以充分领略到计算机动画的高超魅力,多媒体系统,特色之一：
31、多媒体信息媒体包括文本、图形、图象、声音、动画、视频。特色之二：交互性主要发生在用户与图形对象之间（GUI）。,图形用户接口,九十年代以来的人机交互是以WIMP为特征的图形用户界面W指窗口(Window)：用户可以随意在屏幕上创建、移动、缩放窗口，在不同的窗口中执行不同的任务；I指图标(Icon)：它形象化地标示一个对象或功能；M指菜单(Menu)：提供选项功能，避免命令记忆之苦；P指定位设备(Pointing Devices)：便于用户对屏幕对象进行直接操作。图形用户接口的主要部分是一个允许用户显示多个窗口区域的窗口管理程序。每一窗口可以获得包括图形和非图形显示在内的不同处理。视窗操作系统：
32、多窗口系统，如：Window、X-Window系统等各种应用系统：可视化图形界面。,虚拟现实,临境：听觉、视觉和触觉。多通道自然交互：手势、眼神、表情、声音和触力。,图形学的研究动态,计算机图形学是计算机科学中最活跃的分支之一，以图形用户界面和可视化技术为代表的计算机图形学及其应用在计算机技术的发展中有着十分重要的作用。目前计算机图形学学科发展日新月异，应用领域不断拓展，相关学科相互重叠和渗透，图形学涉及的内容和应用更加广泛。,规则形体造型,规则形体可以用欧氏几何方法来描述，规则形体的几何模型是数据模型。 非均匀有理B样条NURBS造型能力强，可以精确标示圆锥曲线、曲面，具有几何不变性。实体造
33、型技术Solid modeling能全面地反映物体的信息。特征造型Feature Modeling它将物体表示成一组特征的集合，同一类物体具有相同的特征集，不同的特征值刻画不同型号的物体。非流形造型Non-manifold Modeling允许有悬挂的点、线、面和体信息，以保证适应不同的应用，尤其是工程分析。,不规则形体造型,不规则形体一般是由几何数据与一个过程共同描述的。如：山、水、草、树、云、烟、水等自然界中丰富多彩的景物，造型不能仅用欧氏几何描述的形体。不规则形体描述的几何数据表征其内在几何性质不规则形体描述的一个过程可能：几个简单的仿射变换；一个简单的文法；一个简单的递归过程；一个动力
34、系统方程。,仿射变换,文法描述,Sierpinski三角形是由三角形的顶点坐标和递归过程（递归地去除三角形中的1/4区域）。,纹理映射,表面纹理：将扫描照片得到的木纹图像映射到计算机桌面上；将一幅山水画映射到物体表面或墙壁上；以产生更加逼真的物体。几何纹理：通过扰动物体表面微观形状来产生凹凸不平的视觉效果。,粒子系统,用许多简单的分数小粒子作为基本元素来表示一个不规则地运动着的模糊物体（如烟、雾）。这些“粒子”都具有“生命”，它们在系统中经历了“出生”、“运动生长”与“死亡”期；粒子的运动和生命过程就构成一幅动态场景。,粒子系统模拟植物的形态,粒子系统模拟雨水,粒子系统模拟宇宙,形状文法,它通
35、常将一组产生式规则应用到初始物体，从而增加与原形状协调的细节层次。给定一组产生式规则，形状设计者可以从给定初始物体到最终物体结构的每一次变换中应用不同的规则。L系统(L-grammars)是形状文法的典型例子,基于物理的造型,传统的造型方法中的模型是通过几何数据及拓扑结构来表示的。在复杂的场境中，模型及它们之间的相互关系相当复杂，可能是静态的，也可能是不断变化。例如：物体在相互碰撞时的复形及运动状态的改变。基于物理的造型根据物体本身的物理特性及其所遵循的物理规律，自动地产生它在各种状态下的模型。,真实感图形显示,真实感图形指的是能较逼真地表示真实世界的图形，这种真实观来自于空间中物体的相对位置
36、、相互遮挡关系、光线传播产生的明暗过渡色彩，等等。要绘制真实感图形，必须：设置光源，模拟光线传播的效果以产生明暗过渡的色彩；消除隐藏线、隐藏面，以反映物体的遮挡关系；投影以产生近大远小的立体效果。,基于图像的绘制,通过图像分析等手段从真实世界中直接获取对象的几何（形状）信息和表面纹理信息（照片）；以它为基础，结合分形、粒子和纹理等技术，就可避免建模而产生逼真度更高的图形。可用于复杂场景中漫游的情况。,人机交互技术,三维空间交互：虚拟模拟环境技术；多通道技术：利用人的视觉、听觉、触觉、运动等多个通道进行人机交互，以提高输入输出带宽；自然化/非精确性：提高计算机对人随意输入信息的理解能力，即智能化
37、(纸笔输入模式)。,网络技术,Web浏览器（图形用户界面）；图形成为衡量网页美观、信息含量的重要标准；网上的媒体中，图形图象是其中最重要的一种；虚拟现实建模语言(VRML)使用户在三维虚拟场景中漫游，网络空间(Cyberspace)成为可能。,三、计算机图形系统的构成及编程工具,交互式图形系统的组成,硬件系统主计算机输出设备：图形显示器 、绘图仪、打印机输入设备：键盘、鼠标仪、图形输入板存储设备：磁盘、磁带、光盘机软件系统 操作系统 DOS MS-Windows UNIX Linux图形软件 GKS PHIGS OPEN GL 其它接口.应用软件 CorelDraw, AutoCAD . 高级
38、语言 Visual C+ JAVA .,视频显示设备,CRT (Cathod-Ray Tube)显示器随机扫描CRT显示器：Vector / Random Display 光栅扫描CRT显示器：Raster Display 平板显示器 液晶显示器LCD等离子体显示器PDP平板彩色CRT三维观察设备,宽屏显示(SGI Reality Center 3300W),monitors SGI Graphics Cluster,曲面式屏幕,键盘鼠标 机械式、光学式旋钮跟踪球操纵杆数据手套,输入设备,数字化仪 图像扫描仪触摸屏 光学、电子、声学光笔语音系统,硬拷贝输出设备,打印机 击打式: 字符式,行式,
39、针式非击打式: 激光,喷墨,静电,热转印 绘图仪 笔式,喷墨,静电,图形软件,专业应用软件包：提供非程序员使用的接口建筑、医学、商用、工程CAD等通用图形软件包：提供可用于高级语言的图形函数库（CG API) 例子：描述基本图元（直线、圆）的函数可移植性应用程序在不同系统间的可移植性;应用程序和图形设备的可移植性;图形数据的可移植性;GKS，PHIGS，OpenGL，DirectX, VRML,通用图形软件包的基本功能,建立和管理图生成输出图元（graphics output primitive）设定图元属性（attribute）几何变换：改变对象大小、位置、方向等建模变换：例如描述复杂对象的
40、树形结构观察变换：指定投影类型、观察位置、输出范围等输入函数：处理来自输入设备的数据流控制操作：清屏，初始化等,坐标表示及转换过程,建模坐标系modeling coordinate（局部local，主master）- -单个对象位置、方向变换，多个对象的装配世界坐标系 WC(World Coordinate System)- -光照纹理计算，观察流水线，假想的照相机位置进行投影，观察坐标系- -裁剪，约束坐标范围(-1-1,0-1)规范化设备坐标系NDC(Normalized Device Coordinate System)- -识别可见部分，坐标变换，扫描转换到刷新缓存,仅保留二维坐标设备
41、（屏幕）坐标系DC(Device Coordinate System),坐标转换过程,建模坐标系,世界坐标系,观察坐标系,设备坐标系,图例,50,25,10,30,建模坐标系,世界坐标系,50,Z,Z,Z,Z,观察坐标系1,观察坐标系2,OpenGL简介,OpenGL三维图形标准是由ATT、IBM、DEC、SUN、HP、Microsoft和SGI等多家公司在GL图形库标准的基础上联合推出的开放式标准，它结束了只能依赖于昂贵的图形工作站及复杂的三维图形软件从事计算机三维图形应用的历史，使程序员能够在PC机上用C语言开发出复杂的三维图形应用。基本语法：glBegin GL_CCW GLint相关库
42、：核心库，GLU，GLX，GLUT,OpenGL简介,OpenGL的几何建模思想点构成线线及其拓扑结构组成多边形平（曲）面面及其拓扑结构组成组成三维体绘制流水线：建模渲染投影OpenGL的Client-Server机制C（用OpenGL绘制图形的应用程序）向S（OpenGL内核）发送OpenGL指令，S解释执行这些命令，最终把处理过的图形命令送给视频显示驱动程序完成最终的显示。,OpenGL例子,Void main(int argc, char * argv) glutInit(,OpenGL例子,Void init() glClearColor(1.0,1.0,1.0,0.0);glMatrixMode(GL_PROJECTION);gluOrtho2D(0.0,2000.0,0.0,1500.0);Void lineSegment() glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);glColor3f(1.0,0.0,0.0);glBegin(GL_LINES);glVertex2i(1800,150);glVertex2i(100,1450);glEnd();glFlush();,注意：窗口坐标设备坐标图形范围，图形坐标逻辑坐标,
