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计算机图形学

计算机图形学. Computer Graphics. 本课程的主要内容. 绪论 光栅图形学 扫描转换、裁减、反走样、消隐 几何造型 曲线曲面造型、实体造型 真实感图形学 Phong 模型、光线跟踪、辐射度算法. 课程要求. 考查课，但期末集中考试； 平时成绩占 30% ，期末占 70% ； 课时中有 16 小时上机，基本安排在单周周三 1 、 2 节，但第一周上课； 答疑在周三 3 、 4 节，地点在实 5-217. 参考书. 图形学 计算机图形学 OpenGL 版 电子工业出版社

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计算机图形学

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  1. 计算机图形学 Computer Graphics 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  2. 本课程的主要内容 • 绪论 • 光栅图形学 • 扫描转换、裁减、反走样、消隐 • 几何造型 • 曲线曲面造型、实体造型 • 真实感图形学 • Phong模型、光线跟踪、辐射度算法 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  3. 课程要求 • 考查课，但期末集中考试； • 平时成绩占30%，期末占70%； • 课时中有16小时上机，基本安排在单周周三1、2节，但第一周上课； • 答疑在周三3、4节，地点在实5-217. 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  4. 参考书 • 图形学 • 计算机图形学 OpenGL版 电子工业出版社 Donald Hearn M.Pauline Baker著 • 数字图像处理 • OpenGL • 最权威的是《OpenGL编程指南》，是OpenGL体系结构审核委员会出的，也叫opengl红宝书。该书的英文电子版可以查看opengl官方网站www.opengl.org • 另外还有一个网站非常好，是nehe.gamedev.net，上面有很多人使用opengl制作的小的程序，构思非常巧妙，另外上面还可以下载非常不错的opengl教程。 • VRML 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  5. 第一章 绪论 • 什么是计算机图形学？ • 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。 • 计算机图形学是计算机科学中最为活跃、得到广泛应用的分支之一。 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  6. 1.1 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。 • 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。 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  7. 图形与图象 • 图象纯指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息。 • 图形含有几何属性，更强调场景的几何表示，是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成的。 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  8. 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  9. 1.2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。 • 50年代末期，MIT的林肯实验室在“旋风”计算机上开发SAGE空中防御体系。 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  10. 60年代 • 1962年，MIT林肯实验室的I. E. Sutherland发表了一篇题为“Sketchpad：一个人机交互通信的图形系统”的博士论文。 • 提出图形学的概念，成就“图形学之父”的英名 • 获“图灵”奖 IEEE 计算机杰出成就奖 Coons奖 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  11. I. E. Sutherland，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(仅中尉衔)，该局曾组织Internet前身ARPANet等重大项目。1964年起，先后在哈佛、Utah、Catech工作。 • 为博士论文答辩，制作一部电影，答辩时，边放映，边讲解，大获成功，该电影广为流传。 (PPT ?) 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  12. 1962年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bézier 提出Bézier曲线、曲面的理论，而成为CAGD的先驱。 • 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。 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  13. 70年代 • 光栅图形学迅速发展 • 区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其相应算法纷纷诞生 • 图形软件标准化 • 1974年，ACM SIGGRAPH的与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 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  14. 真实感图形学 • 1970年，Bouknight提出了第一个光反射模型 • 1971年Gourand提出“漫反射模型＋插值”的思想，被称为Gourand明暗处理 • 1975年，Phong提出了著名的简单光照模型- Phong模型 • 实体造型技术 • 英国剑桥大学CAD小组的Build系统 • 美国罗彻斯特大学的PADL-1系统 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  15. 80年代 • 1980年Whitted提出了一个光透视模型-Whitted模型，并第一次给出光线跟踪算法的范例，实现Whitted模型 • 1984年，美国Cornell大学和日本广岛大学的学者分别将热辐射工程中的辐射度方法引入到计算机图形学中 • Greenberg - Nishita • 图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  16. 图形学的杂志和会议 • 会议：Siggraph， Eurograph， Pacific Graphics Computer Graphics International， Graphics Interface • 杂志: ACM Transaction on Graphics IEEE Computer Graphics and Application IEEE Visualization and Computer Graphics Graphical Models Computer Graphics Forum The Visual Computer 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  17. 1.3计算机图形学的应用及研究前沿 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  18. CAD－计算机辅助设计 • 计算图形学主要用于设计过程，尤其是工程和建筑系统，现在几乎所有的产品都是计算机设计的 • CAD－计算机辅助设计频繁的应用于建筑、汽车、飞机、轮船、宇宙飞船、计算机、纺织品等其许多其他产品中 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  19. 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  20. CAD－计算机辅助设计 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  21. CAD－计算机辅助设计 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  22. CAD－计算机辅助设计 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  23. 网络环境下异地异构系统的协同设计 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  24. 计算机艺术 • 计算图形学广泛使用于美术和商业艺术应用中。 • 艺术家使用各种计算机方法，包括专用硬件、艺术家画笔程序、绘图软件包、符号数学软件包等工具设计物体的外形及描述物体的运动。 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  25. 计算机艺术 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  26. 计算机艺术 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  27. 计算机艺术 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  28. 非真实感绘制（Non-Photorealistic Rendering） Georges Winkenb1ach绘制的壶和碗(Siggraph’96) 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  29. Salisbury绘制的熊(Siggraph’97) 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  30. 娱乐 • 现在的计算机图形方法常用于制作动画、音乐录像片和电视电影。 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  31. 虚拟现实 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  32. 虚拟现实 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  33. 模式识别 • 汽车牌照识别 • 逆向工程在古建保护中的应用 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  34. 真实感图形实时绘制与自然景物仿真 • 计算机中重现真实世界的场景叫做真实感绘制 • 真实感绘制的主要任务是模拟真实物体的物理属性，简单的说就是物体的形状，光学性质，表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位置，遮挡关系等等。 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  35. 经典的真实感图形学 • 光照模型 • 简单光照模型 • 局部光照模型 • 整体光照模型 • 绘制方法 • 光线跟踪 • 辐射度 • 加速算法及其他 • 包围体树、自适应八叉树等 • 阴影算法、纹理合成 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  36. 基于多层阴影翼的软影绘制 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  37. 研究热点 • 真实感图形实时绘制 • 物体网格模型的面片简化，LOD, Occlusion culling • 吴建华的牛头 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  38. 基于图象的绘制、基于Vedio绘制 • 画中游 画中游 http://koigakubo.hitachi.co.jp/little/DL_TipE.html Video from HKUST: http://www.cs.ust.hk/~cpegnel/glTIP/intro.html 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  39. 野外自然景物的模拟：山、水、云、树、草、火等野外自然景物的模拟：山、水、云、树、草、火等 清 华 山 水 1999 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  40. Xfrog3.0生成的挪威云杉 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  41. 王希的树皮 (Siggraph 2003) 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  42. 基于物理的光照 Physically-Based Rendering of Gemstones (SIGGRAPH 2004) 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  43. 大规模复杂场景的点绘制 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  44. 计算机动画 • 二维动画 • 图象变形 • 形状混合 • 三维动画 • 关键帧动画 • 变形物体的动画 • 过程动画 • 关节动画与人体动画 • 基于视频(Video)的动画 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  45. 基于特征的图象变形（猫变虎） 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  46. 由三维FFD操作得到的鱼的变形图 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  47. 基于连续力学 的变形(1) 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  48. 几何纹理的迁移与合成 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  49. 注册 • Description of registration：Find an optimal rigid body motion that aligns a moving surface model to a fixed surface model. 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

  50. 可视化与可视计算 • 海量的数据的图形表示 • 1986年，美国科学基金会（NSF）专门召开了一次研讨会，会上提出了“科学计算可视化（Visualization in Scientific omputing）” 科学计算可视化广泛应用于医学、 流体力学、有限元分析、气象分 析当中 • 在医学领域：机械手术和远程手 术，医用CT扫描数据的三维重建， 基于CT数据的人体内漫游 北京建筑工程学院电信学院计算机系 计算机图形学

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