第一章-計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基本知識(shí)

《第一章-計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基本知識(shí)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《第一章-計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基本知識(shí)（71頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院肖燕肖燕教學(xué)要求教學(xué)要求了解圖形系統(tǒng)的框架及其涉及的軟件、硬件技術(shù)；了解圖形學(xué)的基本問題，掌握?qǐng)D形學(xué)的基本概念、方法與算法；對(duì)與圖形相關(guān)的應(yīng)用及當(dāng)前的研究熱點(diǎn)有一個(gè)初步認(rèn)識(shí)；具有一定實(shí)踐體會(huì)和相關(guān)的編程能力。2教材：教材：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理、方法及應(yīng)用原理、方法及應(yīng)用潘云鶴潘云鶴等等高等教育出版社高等教育出版社參考書參考書：1.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（第二版）計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（第二版）美美DonaldHearn/M.PaulineBaker著著蔡士杰等譯蔡士杰等譯電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社2002年年5月月2.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)王汝傳王汝傳著著人民郵電出版社人民郵電出

2、版社2002年年7月月3.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（第三版）計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（第三版）孫家廣孫家廣等等清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社1999年年8月月4.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)教程計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)教程孫正興孫正興周良周良鄭宏源鄭宏源著著清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社2004年年2月月教材與參考書3n計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)重要而又年輕的學(xué)科，它隨著計(jì)算機(jī)硬件特別是圖形顯示設(shè)備的發(fā)展而逐漸產(chǎn)生發(fā)展起來的。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)主要是研究圖形。它描述的圖形通常是由點(diǎn)、線、面、體等幾何元素幾何元素幾何元素幾何元素和灰度、色彩、線型、線寬等非幾何非幾何非幾何非幾何屬性屬性屬性屬性組成。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的簡(jiǎn)單介紹計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的簡(jiǎn)單

3、介紹4n計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中有一整套描述幾何元素和色彩的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法模型，如Bresenham畫線、畫圓算法；反走樣算法；區(qū)域填充算法；Bezier曲線、曲面算法和NURBS曲線、曲面算法；求交算法；消隱算法；明暗效應(yīng)；顏色模型；紋理、光線跟蹤等。5n計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的任務(wù)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的任務(wù)首先要建立被處理圖形對(duì)象的數(shù)學(xué)模型并把該模型參數(shù)輸入、存貯在計(jì)算機(jī)中；然后再根據(jù)人們提出的各種要求，對(duì)這一模型進(jìn)行種種有效的變換和加工處理；最后圖形對(duì)象被加工處理后的結(jié)果在相應(yīng)設(shè)備上進(jìn)行顯示、打印，也可以把圖形輸出為點(diǎn)陣方式描述的圖像，以供圖像處理軟件進(jìn)行二次處理。6課程內(nèi)容課程內(nèi)容n第1章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基本知識(shí)（教

4、材第計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基本知識(shí)（教材第1章和第章和第11章）章）n第2章基本圖形的生成與計(jì)算基本圖形的生成與計(jì)算n第3章圖形變換與輸出圖形變換與輸出n第4章圖形輸入與交互技術(shù)圖形輸入與交互技術(shù)n第5章真實(shí)感圖形顯示（教材第真實(shí)感圖形顯示（教材第7章）章）n第6章基本造型方法（教材第基本造型方法（教材第9章和第章和第10章）章）n第7章自由曲線曲面（教材第自由曲線曲面（教材第8章）章）7第一章第一章基本知識(shí)基本知識(shí)提出問題：n什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)？n計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的對(duì)象是什么？n計(jì)算機(jī)圖形學(xué)如何發(fā)展的？n計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用如何？81.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及其相關(guān)概念計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及其相關(guān)概念1、什么是計(jì)算機(jī)圖形

5、學(xué)？計(jì)算機(jī)圖形學(xué)？計(jì)算機(jī)圖形學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究怎樣利用計(jì)算機(jī)來顯示、生成和處理圖形的原理、方法和技術(shù)的一門學(xué)科。Computer graphicsistheartorscienceofproducinggraphicalimageswiththeaidofcomputer（IEEE定義）特點(diǎn)：新興學(xué)科邊緣性學(xué)科與傳統(tǒng)理論密切聯(lián)系9IEEE 協(xié)議的概念I(lǐng)EEE是Institute of Electrical and Electronics Engineers的英文縮寫，它的中文含義是“電器與電子工程師協(xié)會(huì)”，IEEE是國(guó)際工程界非常有名的一個(gè)組織。10n圖形圖形：能夠在人的視覺系統(tǒng)中形成視覺印

6、象的客觀對(duì)象。（廣義的概念）n圖形的要素幾何要素：刻畫形狀的點(diǎn)、線、面、體等幾何要素非幾何要素：非幾何要素：反映物體表面屬性或材質(zhì)的明暗、灰度、色彩等反映物體表面屬性或材質(zhì)的明暗、灰度、色彩等2、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的對(duì)象是什么？、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的對(duì)象是什么？11n計(jì)算機(jī)圖形學(xué)所研究圖形的定義：從客觀世界中抽象出來的帶有顏色及形狀信息的圖和形圖和形圖和形圖和形。a11a12a13a14a15a21a22a23a24a25a31a32a33a34a35a41a42a43a44a45a51a52a53a54a55灰度或顏色信息55圖象0 xy直線的參數(shù)方程：ax+by+c=0n圖形的表示：點(diǎn)陣法圖象

7、參數(shù)法圖形123、與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)的概念？、與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)的概念？1.1.計(jì)算機(jī)圖形計(jì)算機(jī)圖形 ：用計(jì)算機(jī)表示、生成、處理和：用計(jì)算機(jī)表示、生成、處理和顯示的對(duì)象。由幾何數(shù)據(jù)和幾何模型利用計(jì)顯示的對(duì)象。由幾何數(shù)據(jù)和幾何模型利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示，并修改、完善后形成。算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示，并修改、完善后形成。2.2.圖像處理圖像處理 ：將客觀世界中原來存在的物體的將客觀世界中原來存在的物體的影像處理成新的數(shù)字化圖像的相關(guān)技術(shù)。影像處理成新的數(shù)字化圖像的相關(guān)技術(shù)。13n3.3.模式識(shí)別模式識(shí)別 ：對(duì)所輸入的圖像進(jìn)行分析和對(duì)所輸入的圖像進(jìn)行分析和識(shí)別，找出其中蘊(yùn)涵的內(nèi)在聯(lián)系或抽象模識(shí)別，找出其

8、中蘊(yùn)涵的內(nèi)在聯(lián)系或抽象模型，如郵政分揀、地形地貌識(shí)別等。型，如郵政分揀、地形地貌識(shí)別等。n4.4.計(jì)算幾何計(jì)算幾何 ：研究幾何模型和數(shù)據(jù)處理的：研究幾何模型和數(shù)據(jù)處理的學(xué)科，探討幾何形體的計(jì)算機(jī)表示、分析學(xué)科，探討幾何形體的計(jì)算機(jī)表示、分析和綜合和綜合 。數(shù)數(shù)字字圖圖像像數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)模模型型計(jì)算機(jī)圖形計(jì)算機(jī)圖形模式識(shí)別模式識(shí)別計(jì)算幾何計(jì)算幾何圖像處理圖像處理141.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展n計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究起源于美國(guó)麻省理工學(xué)院美國(guó)麻省理工學(xué)院。n1950年，在該校誕生了世界上第一臺(tái)圖形顯示器，作為旋風(fēng)1號(hào)計(jì)算機(jī)的輸出設(shè)備。n1959年，美國(guó)CALCOMP公司根據(jù)打印機(jī)原理研制出世

9、界上第一臺(tái)滾筒式繪圖儀。n20世紀(jì)50年代末期，麻省理工學(xué)院在旋風(fēng)1號(hào)計(jì)算機(jī)上開發(fā)了SAGE空中防御系統(tǒng)。15n1962年第一臺(tái)光筆交互式圖形顯示器在美國(guó)麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室研制成功，Ivan E.Sutherland在博士論文中首先提出“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”術(shù)語。同年，雷諾汽車公司的工程師Pierre Bzier 提出Bzier曲線、曲面的理論。n1964年，孔斯(Steve Coons)在麻省理工學(xué)院提出了孔斯曲面。16Whirlwind1:earlygraphicsusingVectorScope(1951)旋風(fēng)1號(hào)計(jì)算機(jī) 輸出設(shè)備SketchPad:firstinteractivegrap

10、hics(1962)第一臺(tái)光筆交互式圖形顯示器1.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展第一臺(tái)圖形顯示器誕生，類似示波器的圖形顯示設(shè)備，用它可以顯示簡(jiǎn)單的圖形第一臺(tái)圖形顯示器誕生，類似示波器的圖形顯示設(shè)備，用它可以顯示簡(jiǎn)單的圖形 17在美國(guó)工業(yè)界，研制交互式圖形顯示器的工作也同時(shí)開展，其在美國(guó)工業(yè)界，研制交互式圖形顯示器的工作也同時(shí)開展，其中所起作用最重要的是中所起作用最重要的是IBM公司公司。1964年秋，年秋，IBM公司推出了公司推出了IBM2250顯示器。顯示器。洛克希德飛機(jī)公司利用洛克希德飛機(jī)公司利用IBM2250施行開發(fā)的施行開發(fā)的CADAM繪圖加工系繪圖加工系統(tǒng)，成為目前統(tǒng)，成為目

11、前IBM主機(jī)上應(yīng)用最廣的主機(jī)上應(yīng)用最廣的CAD/CAM軟件。軟件。IBM2250在在1978年前后改型為年前后改型為IBM3250，1984年又改型為年又改型為IBM5080，采用，采用光柵掃描技術(shù)光柵掃描技術(shù)。20世紀(jì)世紀(jì)60年代末和年代末和70年代初，美國(guó)年代初，美國(guó)Tektronix公司發(fā)展了存儲(chǔ)管技術(shù)。公司發(fā)展了存儲(chǔ)管技術(shù)。由于大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和專用圖形處理芯片的出現(xiàn)，光柵掃描由于大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和專用圖形處理芯片的出現(xiàn)，光柵掃描型顯示器的質(zhì)量越來越好，價(jià)格越來越低，已成為圖形顯示器的常規(guī)型顯示器的質(zhì)量越來越好，價(jià)格越來越低，已成為圖形顯示器的常規(guī)形式。形式。1.2計(jì)算

12、機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展181.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展firstCADsystem(IBM1959)191.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展n20世紀(jì)世紀(jì)70年代年代光柵圖形學(xué)迅速發(fā)展光柵圖形學(xué)迅速發(fā)展區(qū)域填充、裁剪、消隱等基本圖形概念、及其相應(yīng)算法紛紛誕生。區(qū)域填充、裁剪、消隱等基本圖形概念、及其相應(yīng)算法紛紛誕生。圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化1974年，年，ACMSIGGRAPH的與的與“與機(jī)器無關(guān)的圖形技術(shù)與機(jī)器無關(guān)的圖形技術(shù)”的工作會(huì)議。的工作會(huì)議。ACM成立圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)，制定成立圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)，制定“核心圖形系統(tǒng)核心圖形系統(tǒng)”（CoreGraphic

13、sSystem）。）。ISO發(fā)布發(fā)布GKS、PHIGS等。等。真實(shí)感圖形學(xué)真實(shí)感圖形學(xué)1970年，年，Bouknight提出了第一個(gè)光反射模型。提出了第一個(gè)光反射模型。1971年年Gourand提出提出“漫反射模型插值漫反射模型插值”的思想，被稱為的思想，被稱為Gourand明明暗處理。暗處理。1975年，年，Phong提出了著名的簡(jiǎn)單光照模型提出了著名的簡(jiǎn)單光照模型-Phong模型。模型。201.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展n20世紀(jì)世紀(jì)80年代年代n1980年年Whitted提出了一個(gè)光透視模型提出了一個(gè)光透視模型-Whitted模型，并第一次給出光線跟蹤算法的范例，實(shí)現(xiàn)模型，并

14、第一次給出光線跟蹤算法的范例，實(shí)現(xiàn)Whitted模型。模型。n1984年，美國(guó)年，美國(guó)Cornell大學(xué)和日本廣島大學(xué)的學(xué)者分大學(xué)和日本廣島大學(xué)的學(xué)者分別將熱輻射工程中的輻射度方法引入到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)別將熱輻射工程中的輻射度方法引入到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中。中。n圖形硬件和各個(gè)分支均在這個(gè)時(shí)期飛速發(fā)展。圖形硬件和各個(gè)分支均在這個(gè)時(shí)期飛速發(fā)展。211.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展-在中國(guó)在中國(guó)從從20世紀(jì)世紀(jì)60年代中后期，我國(guó)開始了計(jì)算機(jī)圖形設(shè)備和年代中后期，我國(guó)開始了計(jì)算機(jī)圖形設(shè)備和計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)方面的研究工作。計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)方面的研究工作。（1）1970年我國(guó)研制成功了黑白光筆圖形

15、顯示器。年我國(guó)研制成功了黑白光筆圖形顯示器。（2）1976年研制成功了彩色光筆圖形顯示器。年研制成功了彩色光筆圖形顯示器。（3）計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在我國(guó)應(yīng)用從）計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在我國(guó)應(yīng)用從20世紀(jì)世紀(jì)70年代起步，年代起步，經(jīng)過多年的發(fā)展，已在電子、機(jī)械、航空航天、建筑、經(jīng)過多年的發(fā)展，已在電子、機(jī)械、航空航天、建筑、造船、輕紡和影視等多個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。造船、輕紡和影視等多個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。221.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用及研究前沿計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用及研究前沿圖形用戶界面n介于人與計(jì)算機(jī)之間，人與機(jī)器的通信，人機(jī)界面（HCI）：軟件硬件n發(fā)展：由指示燈和機(jī)械開關(guān)組成的操縱界面由終端和鍵盤組

16、成的字符界面（80年代）由多種輸入設(shè)備和光柵圖形顯示設(shè)備構(gòu)成的圖形用戶界面（GUI）（90年代）PC，工作站，WIMP(W-windows、I-icons、M-menu、P-pointingdevices)界面，所見即所得VR技術(shù)（發(fā)展方向）23計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM）-CAD/CAM是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域n飛機(jī)、汽車、船舶的外形的設(shè)計(jì)n發(fā)電廠、化工廠等的布局n土木工程、建筑物的設(shè)計(jì)n電子線路、電子器件的設(shè)計(jì)n設(shè)計(jì)結(jié)果直接送至后續(xù)工藝進(jìn)行加工處理，如波音777飛機(jī)的設(shè)計(jì)和加工過程24奧迪效果圖和線框圖奧迪汽車奧迪汽車的效果圖和線框圖的效

17、果圖和線框圖25美國(guó)波音公司用有關(guān)的美國(guó)波音公司用有關(guān)的CAD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)波音系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)波音777飛機(jī)的整體設(shè)計(jì)和模擬，包括飛機(jī)飛機(jī)的整體設(shè)計(jì)和模擬，包括飛機(jī)外形、內(nèi)部零部件的安裝和檢驗(yàn)。外形、內(nèi)部零部件的安裝和檢驗(yàn)。26計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM）n基于工程圖紙的三維形體重建n定義：定義：從二維信息中提取三維信息，通過對(duì)這些信息進(jìn)行分類、綜合等一系列處理，在三維空間中重新構(gòu)造出二維信息所對(duì)應(yīng)的三維形體，恢復(fù)形體的點(diǎn)、線、面及其拓?fù)潢P(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)形體的重建。n優(yōu)勢(shì)：可以做裝配件的干涉檢查、以及有限元分析、仿真、加工等后續(xù)操作，代表CAD技術(shù)的發(fā)展方向.27工程圖及其三維

18、重建結(jié)果128工程圖及其三維重建結(jié)果229用用AutoCAD軟件制作軟件制作三維模型三維模型30可視化可視化n科學(xué)計(jì)算可視化(ScientificVisualization)n海量的數(shù)據(jù)使得人們對(duì)數(shù)據(jù)的分析和處理變得越來越難，用圖形來表示數(shù)據(jù)的迫切性與日俱增n1986年，美國(guó)科學(xué)基金會(huì)（NSF）專門召開了一次研討會(huì)，會(huì)上提出了“科學(xué)計(jì)算可視化（VisualizationinScientificComputing）”n科學(xué)計(jì)算可視化廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、流體力學(xué)、有限元分析、氣象分析當(dāng)中3132可視化可視化n在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可視化有著廣闊的發(fā)展前途n是機(jī)械手術(shù)和遠(yuǎn)程手術(shù)的基礎(chǔ)n將醫(yī)用CT掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三

19、維圖象，幫助醫(yī)生判別病人體內(nèi)的患處n由CT數(shù)據(jù)產(chǎn)生在人體內(nèi)漫游的圖象n可視化的前沿與難點(diǎn)n可視化硬件的研究n實(shí)時(shí)的三維體繪制n體內(nèi)組織的識(shí)別分割Segmentation33真實(shí)感圖形實(shí)時(shí)繪制與自然景物仿真真實(shí)感圖形實(shí)時(shí)繪制與自然景物仿真n計(jì)算機(jī)中重現(xiàn)真實(shí)世界的場(chǎng)景叫做真實(shí)感繪制.n真實(shí)感繪制的主要任務(wù)是模擬真實(shí)物體的物理屬性，簡(jiǎn)單的說就是物體的形狀，光學(xué)性質(zhì)，表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對(duì)位置，遮擋關(guān)系等等.34真實(shí)感圖形實(shí)時(shí)繪制與自然景物仿真真實(shí)感圖形實(shí)時(shí)繪制與自然景物仿真n光照模型:簡(jiǎn)單光照模型;局部光照模型;整體光照模型n繪制方法:光線跟蹤;輻射度n加速算法:包圍體樹、自適應(yīng)八叉

20、樹等等35地理信息系統(tǒng)（地理信息系統(tǒng)（GIS）n建立在地理圖形之上的關(guān)于各種資源的綜合信息管理系統(tǒng)n數(shù)數(shù)字字地地球球，地形數(shù)據(jù)作為載體，（70）全球信息化.n軍事，政府決策，旅游，資源調(diào)查。36地形地貌和自然源圖地形地貌和自然源圖 37娛樂娛樂電腦游戲n實(shí)時(shí)性n逼實(shí)性n蘊(yùn)含了先進(jìn)的圖形處理技術(shù)電視廣告，節(jié)目片頭，科教演示（CAI）“古墓麗影”，“侏羅紀(jì)公園”、“皇帝的新衣”、“完美風(fēng)暴”38圖形學(xué)在電影中的應(yīng)用（圖形學(xué)在電影中的應(yīng)用（1/41/4）n1977nStarWars因其特殊效果獲得了oscar.1978Superman因其特殊效果獲得了因其特殊效果獲得了oscar.39圖形學(xué)在電影中

21、的應(yīng)用（圖形學(xué)在電影中的應(yīng)用（2/42/4）1995nQuakeReleasedbyIdSoftwarenToyStory成為第一部全三維計(jì)算機(jī)動(dòng)畫特點(diǎn)的電影；40圖形學(xué)在電影中的應(yīng)用（圖形學(xué)在電影中的應(yīng)用（3/43/4）2000nSonyPlaystationIInWalkingwithDinosaursnDreamworkssShrek與恐龍同行怪物史萊克41計(jì)算機(jī)動(dòng)畫（計(jì)算機(jī)動(dòng)畫（4/44/4）42多媒體在計(jì)算機(jī)控制下，對(duì)多種媒體信息進(jìn)行生成、操作、表現(xiàn)、存儲(chǔ)、通信、或集成的信息系統(tǒng)，其中媒體至少應(yīng)包括一種“連續(xù)媒體”及一種“離散媒體”n計(jì)算機(jī)處理的常見媒體：文本、圖形、圖像、語音、音頻

22、、視頻、動(dòng)畫n特點(diǎn)：媒體的多樣性、操作的交互性、系統(tǒng)的集成性nCAI，教學(xué)娛樂。43VirtualReality（虛擬現(xiàn)實(shí)、靈境）虛擬現(xiàn)實(shí)、靈境）VirtualReality或稱虛擬環(huán)境（VirtualEnvironment)n是用計(jì)算機(jī)技術(shù)來生成一個(gè)逼真的三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺等感覺世界，讓用戶可以從自己的視點(diǎn)出發(fā)，利用自然的技能和某些設(shè)備對(duì)這一生成的虛擬世界客體進(jìn)行瀏覽和交互考察。n輸入輸出設(shè)備44虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality簡(jiǎn)稱VR）虛擬現(xiàn)實(shí)是指用立體眼鏡、傳感手套等一系列傳感輔助設(shè)施來實(shí)現(xiàn)的一種三維現(xiàn)實(shí)，人們通過這些設(shè)施以自然的方式（如頭的轉(zhuǎn)動(dòng)、手的運(yùn)動(dòng)等）向計(jì)算機(jī)送入

23、各種動(dòng)作信息，并且通過視覺、聽覺以及觸覺設(shè)施使人們得到三維的視覺、聽覺等感覺世界。隨著人們不同的動(dòng)作，這些感覺也隨之改變。45QuickTime技術(shù)簡(jiǎn)介QuickTime是蘋果公司開發(fā)的新一代虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。它是一種基于靜態(tài)圖像處理的，在微機(jī)平臺(tái)上能夠?qū)崿F(xiàn)的初級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。它的出現(xiàn)使得以往專業(yè)實(shí)驗(yàn)室中成本昂貴的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用普及有了廣闊的前景。假定我們?cè)谝皇铱臻g進(jìn)行觀察，室內(nèi)空間一般有六個(gè)面，如果我們獲取了這六個(gè)面的許多不同距離，不同方位的實(shí)景照片并將它們按照相互的關(guān)系有機(jī)連接起來，就可以在視覺上形成這個(gè)房間整個(gè)空間的整體認(rèn)識(shí)，這就是全景概念。視頻文件播放程序46n真實(shí)感圖形實(shí)時(shí)繪制n物體

24、網(wǎng)格模型的面片簡(jiǎn)化：對(duì)網(wǎng)格面片表示的模型，在一定誤差的精度范圍內(nèi)，刪除點(diǎn)、邊、面，從而簡(jiǎn)化所繪制場(chǎng)景的復(fù)雜層度，加快圖形繪制速度。n基于圖象的繪制(IBR，ImageBasedRendering)：完全摒棄傳統(tǒng)的先建模，然后確定光源的繪制的方法。它直接從一系列已知的圖象中生成未知視角的圖象，適用于野外極其復(fù)雜場(chǎng)景的生成和漫游。n當(dāng)前研究熱點(diǎn)47n野外自然景物的模擬n野外場(chǎng)景遠(yuǎn)遠(yuǎn)復(fù)雜于室內(nèi)場(chǎng)景，繪制難度更大，方法更趨多樣化n主要繪制山、水、云、樹、草、火等等n繪制火的粒子系統(tǒng)（ParticleSystem），基于生理模型的繪制植物的方法，繪制云的細(xì)胞自動(dòng)機(jī)方法等48由清華大學(xué)自然景物平臺(tái)生成的野

25、外場(chǎng)景49日本YoshinoriDobashi等人繪制的真實(shí)感云50Xfrog3.0生成的挪威云杉Vb6.0編程生成的樹形圖案51與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的緊密結(jié)合與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的緊密結(jié)合n遠(yuǎn)程醫(yī)療與診斷n遠(yuǎn)程導(dǎo)航與維修n遠(yuǎn)程教育52計(jì)算機(jī)動(dòng)畫計(jì)算機(jī)動(dòng)畫n計(jì)算機(jī)動(dòng)畫n計(jì)算機(jī)動(dòng)畫近十多年來取得了很大的發(fā)展，已滲透到人們生活的各個(gè)角落n商業(yè)廣告、影視特技/片頭、動(dòng)畫片n教育、軍事、飛行模擬等n分類n二維動(dòng)畫n圖象變形n形狀混合53n三維動(dòng)畫n關(guān)鍵幀動(dòng)畫n變形物體的動(dòng)畫n過程動(dòng)畫n關(guān)節(jié)動(dòng)畫與人體動(dòng)畫54基于特征的圖像變形（貓變老虎）計(jì)算機(jī)動(dòng)畫也只是生成一幅幅靜態(tài)的圖象，但是每一幅都是對(duì)前一幅做一小部分修改

26、（如何修改便是計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的研究?jī)?nèi)容），這樣，當(dāng)這些畫面連續(xù)播放時(shí)，整個(gè)場(chǎng)景就動(dòng)起來了。55我國(guó)第一部利用計(jì)算機(jī)輔助攝制的動(dòng)畫片是咪咪釣魚，1991年由北方工業(yè)大學(xué)和北京電視臺(tái)合作制作，以二維動(dòng)畫為主。用386微機(jī)和C語言編程，利用數(shù)字化儀和攝象機(jī)產(chǎn)生關(guān)鍵幀，再由計(jì)算機(jī)在相鄰兩幅關(guān)鍵幀之間內(nèi)插生成中間幀，并自動(dòng)跟蹤上色。多層畫面疊加在一起，形成完整的畫面。10分鐘的片子，5人小組花了10個(gè)月時(shí)間。小插曲小插曲56用戶接口用戶接口n用戶接口n用戶接口是人們使用計(jì)算機(jī)的第一觀感。一個(gè)友好的圖形化的用戶界面能夠大大提高軟件的易用性n圖形學(xué)已經(jīng)全面融入計(jì)算機(jī)的方方面面，很多軟件幾乎可以不看任何說明書，而

27、根據(jù)它的圖形、或動(dòng)畫界面的指示進(jìn)行操作57n目前幾個(gè)大的軟件公司都在研究下一代用戶界面，開發(fā)面向主流應(yīng)用的、自然、高效多通道的用戶界面。研究多通道語義模型、多通道整合算法及其軟件結(jié)構(gòu)和界面范式是當(dāng)前用戶界面和接口方面研究的主流方向，而圖形學(xué)在其中起主導(dǎo)作用。58計(jì)算機(jī)藝術(shù)計(jì)算機(jī)藝術(shù)n計(jì)算機(jī)藝術(shù)n用計(jì)算機(jī)軟件從事藝術(shù)創(chuàng)作n二維平面的畫筆程序（如CorelDraw，Photoshop，PaintShop）n圖表繪制軟件（如Visio:微軟出品的流程圖制作軟件）n三維建模和渲染軟件包（如3DMAX，Maya:TheLordoftheRings）、以及一些專門生成動(dòng)畫的軟件（如Softimage）見1

28、1章59n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：n提供多種風(fēng)格的畫筆畫刷n提供多種多樣的紋理貼圖，甚至能對(duì)圖象進(jìn)行霧化，變形等操作n可以任意修改，取消敗筆n不足：不足：n無法達(dá)到傳統(tǒng)繪畫中風(fēng)格化的藝術(shù)效果n很難得到有素描效果、油畫效果的藝術(shù)品6061n用于模擬藝術(shù)效果，研究方法有別于真實(shí)感圖形學(xué)n鋼筆素描的生成n鋼筆素描產(chǎn)生于中世紀(jì)，從19世紀(jì)開始成為一門藝術(shù)20世紀(jì)90年代開始研究用計(jì)算機(jī)模擬n中國(guó)國(guó)畫與書法的生成n非真實(shí)感繪制非真實(shí)感繪制 （NPR，Non-Photorealistic Rendering）62 Georges Winkenblach繪制的壺和碗（Siggraph96）Salisbury繪制的茶壺（

29、Siggraph97）Oliver Deussen繪制的素描樹分形圖63科學(xué)計(jì)算可視化科學(xué)計(jì)算可視化 既可用二維曲線圖表和三維模型，也有彩色高維幾何表示既可用二維曲線圖表和三維模型，也有彩色高維幾何表示 64謝謝大家，下課了，謝謝大家，下課了，出去散散心吧出去散散心吧65CTCT掃描的工作原理是什么？掃描的工作原理是什么？nX射線圍繞著人體掃描，在穿過人體之后，X線投射在隨X線球管一起運(yùn)動(dòng)或靜止不動(dòng)的一系列探測(cè)器上，對(duì)掃描的體積斷面所采集X線信息，通過先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)（Fourier轉(zhuǎn)換，反投射法）轉(zhuǎn)換成二維的圖像。盡管CT技術(shù)較X線平片復(fù)雜，基本原理是一樣的，即高密度的物質(zhì)阻擋X射線的穿透。6

30、6數(shù)字地球：數(shù)字地球：1998年年1月月31日美國(guó)副總統(tǒng)戈?duì)栐诼迳紮C(jī)加利福尼亞科學(xué)中心日美國(guó)副總統(tǒng)戈?duì)栐诼迳紮C(jī)加利福尼亞科學(xué)中心召開的地理信息系統(tǒng)年會(huì)上提出了這一設(shè)想。召開的地理信息系統(tǒng)年會(huì)上提出了這一設(shè)想。比如，可以設(shè)想一個(gè)小孩來到地方博物館的一個(gè)數(shù)字地球陳列室，比如，可以設(shè)想一個(gè)小孩來到地方博物館的一個(gè)數(shù)字地球陳列室，當(dāng)她戴上頭盔顯示器，她將看到就象是出現(xiàn)在空中的地球。使用當(dāng)她戴上頭盔顯示器，她將看到就象是出現(xiàn)在空中的地球。使用“數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)手套手套”，她開始放大景物，伴隨越來越高的分辨率，她會(huì)看到大洲，隨，她開始放大景物，伴隨越來越高的分辨率，她會(huì)看到大洲，隨之是區(qū)域、國(guó)家、城市、最后是房屋

31、、樹木以及其它各種自然和人造物之是區(qū)域、國(guó)家、城市、最后是房屋、樹木以及其它各種自然和人造物體。在發(fā)現(xiàn)自己特別感興趣的某地塊時(shí)，她可乘上體。在發(fā)現(xiàn)自己特別感興趣的某地塊時(shí)，她可乘上“魔毯魔毯”，即通過地，即通過地面三維圖象顯示去深入查看。當(dāng)然，地塊信息只是她可以了解的多種信面三維圖象顯示去深入查看。當(dāng)然，地塊信息只是她可以了解的多種信息中的一種。使用數(shù)字地球系統(tǒng)的聲音識(shí)別裝置，小孩還可以詢問有關(guān)息中的一種。使用數(shù)字地球系統(tǒng)的聲音識(shí)別裝置，小孩還可以詢問有關(guān)的土地覆蓋、植物和動(dòng)物種類的分布、實(shí)時(shí)的氣候、道路、行政區(qū)線，的土地覆蓋、植物和動(dòng)物種類的分布、實(shí)時(shí)的氣候、道路、行政區(qū)線，以及人口等方面的

32、信息。在這里，她還可以看到自己以及世界各地的學(xué)以及人口等方面的信息。在這里，她還可以看到自己以及世界各地的學(xué)生們?yōu)樯鷤優(yōu)椤叭蝽?xiàng)目全球項(xiàng)目”收集的環(huán)境信息。這些信息可以無縫地融入數(shù)字地收集的環(huán)境信息。這些信息可以無縫地融入數(shù)字地圖或地面數(shù)據(jù)里。用數(shù)據(jù)手套向超連接部分敲擊，她還可以獲得更多的圖或地面數(shù)據(jù)里。用數(shù)據(jù)手套向超連接部分敲擊，她還可以獲得更多的有關(guān)她所見物體的信息。比如，為了準(zhǔn)備全家去國(guó)家黃石公園渡假，她有關(guān)她所見物體的信息。比如，為了準(zhǔn)備全家去國(guó)家黃石公園渡假，她策劃一個(gè)完美的步行旅游，去觀看剛從書中讀到的噴泉、北美野牛和巨策劃一個(gè)完美的步行旅游，去觀看剛從書中讀到的噴泉、北美野牛和巨

33、角巖羊。甚至在離開她家鄉(xiāng)的地方博物館之前，她就可以把要去步行旅角巖羊。甚至在離開她家鄉(xiāng)的地方博物館之前，她就可以把要去步行旅游的地方從頭到尾地瀏覽一遍。游的地方從頭到尾地瀏覽一遍。http:/6768n數(shù)字地球數(shù)字地球數(shù)字地球，實(shí)際上就是信息化的地球一個(gè)完整的地球虛擬對(duì)照體。數(shù)字地球?qū)⒂嘘P(guān)地球上每一點(diǎn)的全部信息，按地球的地理坐標(biāo)加以整理，然后構(gòu)成一個(gè)全球的信息模型。這樣，人們就可以快速、形象、完整地了解地球上的任何點(diǎn)、任何方面的信息，從而實(shí)現(xiàn)“信息就在指尖上”的夢(mèng)想。數(shù)字地球的核心思想有兩點(diǎn)，一是用數(shù)字化手段統(tǒng)一性地處理地球問題，另一點(diǎn)是最大限度地利用信息資源。它可從兩個(gè)層次進(jìn)行構(gòu)建：1將地球

34、表面每一點(diǎn)上的固有信息（即與空間位置直接有關(guān)的相對(duì)固定的信息，如地形、地貌、植被、建筑、水文等）數(shù)字化，按地理坐標(biāo)組織一個(gè)三維的數(shù)字地球，全面、詳盡地描述我們居住的這個(gè)星球。2在三維數(shù)字地球的基礎(chǔ)上再嵌入與空間位置有關(guān)的相對(duì)變動(dòng)的信息，如人文、經(jīng)濟(jì)、政治、軍事、科技乃至歷史等組成一個(gè)意義更加廣泛的多維的數(shù)字地球，全方位地為人類服務(wù)。69n數(shù)字地球是一個(gè)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，其建立需要一系列高超的技術(shù)：數(shù)字地球是一個(gè)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，其建立需要一系列高超的技術(shù)：衛(wèi)星遙感技術(shù)衛(wèi)星遙感技術(shù)通過大地資源衛(wèi)星的遙感遙測(cè)，對(duì)整個(gè)地球進(jìn)行完整的掃描，將地球上任何地點(diǎn)的自然、人造景觀都“疏而不漏”地拍攝下來。超強(qiáng)

35、計(jì)算技術(shù)超強(qiáng)計(jì)算技術(shù)對(duì)整個(gè)地球的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，并通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將其形象地表現(xiàn)出來。當(dāng)前，超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算水平已達(dá)每秒數(shù)萬億次，2004年時(shí)可達(dá)100萬億次，因此將地球數(shù)字視像化已不成問題。巨量存儲(chǔ)技術(shù)巨量存儲(chǔ)技術(shù)要將數(shù)字地球上所有信息都存儲(chǔ)起來，需要存儲(chǔ)器容量達(dá)到1000萬億字節(jié)級(jí)。目前，硬盤、光盤等的存儲(chǔ)容量為10億字節(jié)級(jí)，利用納米技術(shù)可使硬盤容量達(dá)到1萬億字節(jié)級(jí)，而且激光全息存儲(chǔ)、蛋白質(zhì)存儲(chǔ)等方面的研究已獲得巨大進(jìn)展。要存儲(chǔ)數(shù)字地球的所有信息，可采用分布存儲(chǔ)的方式，把大量的數(shù)據(jù)分散在成千上萬個(gè)的數(shù)據(jù)庫(kù)里。高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)數(shù)字地球上的數(shù)據(jù)分散在成千上萬個(gè)機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫(kù)里，就要求當(dāng)

36、某一個(gè)服務(wù)器要利用這些數(shù)據(jù)時(shí)，能迅速地把所要數(shù)據(jù)從四面八方調(diào)來。因此需要用高速網(wǎng)絡(luò)把各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接起來。當(dāng)前正在試驗(yàn)每秒能傳輸10億比特的寬帶網(wǎng)絡(luò)，未來的信息高速公路其傳輸速率可達(dá)每秒1萬億1000萬億比特。70n數(shù)字地球中包含有高分辨率的衛(wèi)星圖像、數(shù)字化地圖以及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和人口方面的信息，因而具有極高的應(yīng)用價(jià)值。例如，利用數(shù)字地球的數(shù)據(jù)，可掌握各地的治安狀況，有助于恰當(dāng)部署警力打擊犯罪；可模擬環(huán)境變化對(duì)瀕危物種的影響，以便于采取有效措施保護(hù)生態(tài)多樣性；掌握作物病蟲害及其生長(zhǎng)情況，可以科學(xué)施藥、施肥、灌水，可以提高作物產(chǎn)量。另外，學(xué)者們可以利用數(shù)字地球開展學(xué)術(shù)研究，包括了解人類和環(huán)境之間的相互依賴的關(guān)系等。71