01-计算机图形学概论

第一章 计算机图形学概论
主要介绍计算机图形学的基本概念、图形学发展的历史、 图形学应用领域和一些相关的硬件知识等。
一、计算机图形学概述
1、图形是传递信息最主要的媒体之一。 2、人们使用图形来表达与交流思想有着悠久的历史，工程 领域和各个科学分支都离不开图。它能使人们通观全 局，一目了然。 3、人的眼睛从一张图纸中吸收信息比从一张数据表格吸收 信息快得多。 4、若图形和数字互为补充，则可使人们更深刻地认识事物 的本质及其内在联系。
-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。 58年提出“CAD”概念，图形学最高奖以他名字命名。
-70年代 光栅显示器出现了。光栅显示器屏幕是由像素组成的，在 这样一个基本的前提下，必须发展大量、配套的图形算法 来帮助在光栅显示器上显示、处理图形。在这个期间，很 多大量的算法就诞生了。如区域填充、裁剪、消隐等基本 图形概念、及其相应算法。 区域填充是在多边形里填上颜色。实际上卡通片就是这样做 的，不管唐老鸭多么复杂，实际上就是用直线和多边形做成 一个封闭的区域，然后再填充上颜色。 裁剪：简单地说把跑出显示区域以外的部分去掉的过程叫 裁剪。 消隐：简单地说看不见的面不画它。裁剪、消隐等大量的 算法在70年代出现。
曲线曲面造型：建模造型。要刻画描述一个场景，首先要对这 个场景有一个几何描述。比如教室里有桌子、椅子、墙等，这 些模型可以用圆柱啊、平面等表示出来；如果是一幅自然界的 风景画，如何刻画？需要用一些非规则的造型工具表示这些山、 林、树、草等。 真实感图形计算与显示算法：包括大量真实感的算法，如光 照模型、纹理影射、辐射度算法等等。 除了这些图形学基本的研究内容以外，图形学还有许多 应用，如科学计算可视化、动画、虚拟现实等。
图形软件标准化：1974年，ACM SIGGRAPH的与“与机器无关 的图形技术”的工作会议； ACM成立图形标准化委员会，制 定“核心图形系统”（Core Graphics System）； ISO发布 CGI、CGM、GKS、PHIGS等一系列图形标准。 70年代对图形学来说是个非常了不起的年代，大量的概 念、算法出现了。
主要参考书目和杂志
• 孙家广、胡事民，计算机图形学基础教程，清华出版社 • 蔡士杰等译，计算机图形学，电子工业出版社 • 计算机辅助设计与图形学学报 • 计算机学报 • 计算机研究与发展 • 中国图形图像学报 • 遥感学报 • 测绘学报 • 武汉大学学报（信息科学版）
• Computer Graphics • ACM Transaction on Graphics • IEEE Computer Graphics and Application • IEEE Visualization and Computer Graphics • Graphical Models • International Journal of Remote Sensing • International Journal of Geographical Information Science • International Journal of Geographical Information • Environment of Remote Sensing • Computers, Environment and Urban Systems
1、CG has been widely used in movie industry
2、Video game is a major driven of innovations in Computer Graphics
3、Next application of Graphics is Simulation，a key example is Flight simulation
二、计算机图形学及其相关概念
计算机图形学的定义（Computer Graphics） 1、计算机图形学的定义
计算机图形学是利用计算机研究图形的表示、生成、处理 、显示的学科。是计算机科学中最为活跃、得到广泛应用的 分支之一。 IEEE定义：Computer graphics is the art or science Computer of producing graphical images with the aid of computer
计算机图形处理使计算机在处理复杂问题后输出离散数 据的同时，有可能以图形的形式输出其连续模型。 计算机图形学的发展和应用在某种意义上已成为计算机 软、硬件发展水平的标志。 它已成为一门成熟的学科，是信息技术中不可缺少的重 要内容和发展基石。计算机图形学课程也已成为大学许多 相关学科尤其是理工科专业的一门主干课程。 在美国，图形学、数据库、计算机网络是被计算机界公 认为最热门的5、6个专业之一。图形学是计算机领域中20 多年来对人类生活影响最大的一个学科之一。
随着对图形概念认识的深入，图形图象处理技术也逐步出 现分支。
图形生成（计算机图形学）
图像变换 （图像处理）
数 字 图 像
模型（特征）提取 （计算机视觉，模式识别）
数 据 模 型
模型变换 （计算几何）
计算几何--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
2、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，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚 拟现实等。 图形硬件：研究图形要有基本的支撑硬件，包括图形加速 卡，显示器、图形输出设备等等。
4、Design and analysis results have to be displayed by using Computer graphics
5、Graphics is also widely used in architecture design
6、Visualization can be regarded as extension of Computer Graphics
I.E.Sutherlan 传奇经历：38年生，美国人，CMU学士、Catech硕士、MIT 博士，59年博士毕业，参军，26岁担任国防部高级研究计 划署（DARPA）信息处理技术局局长（中尉衔），该局曾组 织Internet前身ARPANet等重大项目。 1964年起，先后在哈佛、Utah、Catch工作，并创办 Evan&Sutherland公司。
计算机图形学 （Computer Graphics） ）
课程目的和基本要求
计算机图形学为专业学位课，是许多后续课程（如图像处 理，模式识别，多媒体技术，计算机视觉等）的基础，在 CAD/CAM、外形设计、计算机动画、系统环境模拟、地理信息 系统、计算机艺术、科学计算的可视化等领域都有重要的应 用。 要求在学完本课以后，能对计算机图形学的研究内容及其 应用方向有一个比较全面的认识和了解，了解计算机图形学 的研究内容及其与相关学科的关系，掌握一些基本的图形生 成算法（直线生成、区域填充、线段裁剪、几何变换消隐等） 和图形显示的基本原理，了解常用自由型曲线的生成原理和 应用以及三维真实感图形显示方法等内容，为以后深入研究 和从事相关领域的科研奠定基础。
图形标准：由于图形学的不断成熟，出现了大量的图形系统， 这些系统之间需要互相通信，因此需要制定一些图形标准。 图形交互技术：许多应用需要人和计算机之间进行交互，如 可以用鼠标来控制你的程序。现代的交互技术变的越来越复 杂，如可以用数据手套，虚拟现实的头盔等。 光栅图形生成算法：为什么光栅图形学生成算法也是研究的 主要内容？显示屏幕是由像素构成的，电子枪是把电子束打 到这些像素上产生亮点，由这些像素作为图形的基本单位构 成图形。如果要在屏幕上表示、显示一幅图形，就必须要研 究在哪些像素上来生成图形。所以必须要有一整套针对光栅 显示器的算法。这些算法开始于70年代，80年代成熟，是图 形学最基本的部分。
三、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。 – 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。
• 60年代 –1962年，MIT林肯实验室的I. E. Sutherland发表 了一篇题为《Sketchpad: "A Man Machine Graphical Communication System”》 “Sketchpad：一个人机 交互通信的图形系统”的博士论文。 Sutherland提出了图形学的概念，成就“图形学之父” 的英名。 Sutherland博士论文的答辩委员会：信息论和计算机理论 的创始人香农（Claude E.Shanon），人工智能之父明斯基 （M.Minsky ），MIT教授孔斯。Sutherland的博士论文被评 为优。后来他获得了图灵奖，也是唯一一个在图形学领域获 得该奖的人。他也获得了图形学的最高奖—COONS奖。
• ACM SIGGRAPH会议小知识 –全称 “the Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques” ACM-美国计 算机协会（Association for Computing Machinery ） –60年代中期，由Brown 大学的教授Andries van Dam (Andy) 和IBM公司的Sam Matsa发起 –1974年，在Colorado大学召开了第一届SIGGRAPH 年会， 并取得了巨大的成功 –因为每年只录取大约50篇论文，在Computer Graphics 杂志上发表，因此论文的学术水平较高，基本上代表 了图形学的主流方向。 –