图形图像学基础.ppt
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1、图形图像学基础教材及主要参考书n教材教材:计算机图形学,任爱华编著,北京航空航天大学出版社,2005n主要参考书主要参考书:何援军,计算机图形学,机械工业出版社计算机图形学Computer Graphics with OpenGL:第三版,Hearn.D&Baker M.P.著,电子工业出版社,2004 数字图像处理(第二版),英文版,Gonzalez,R.C.&Woods,R.E.,电子工业出版社,2002序号授课内容1234567891011绪论计算机图形学的研究内容及其与相关学科的关系,计算机图形学的发展与应用。图形输入输出设备。基本图形生成算法:直线、圆弧的DDA生成算法和Bresen
2、ham生成算法、扫描线填充算法的基本原理,有序边表算法,边填充算法,种子填充算法的基本原理,简单的种子填充算法,扫描线种子填充算法、线段的裁剪算法,多边形的裁剪算法。字符及反走样技术。图形变换:图形变换数学基础,齐次坐标技术、窗口视图变换,二、三维图形几何变换、平行投影、透视投影变换。曲线和曲面:参数曲线基础,常用的参数曲线:Bezier曲线、B样条曲线等、常用的参数曲面。交互技术与用户接口。数字图像处理:数字图像基础,图像的表示,采样,直方图,二值化等。数字图像处理:空间域图像增强算法。*数字图像处理:频域图像增强算法成绩构成n平时成绩(40%)出勤(10%)课后作业(10%)随堂小测验(2
3、0%)n期末考试(60%)第一章 绪论n什么是计算机图形学n图形学的研究内容n应用领域n交互式图形系统输入输出设备n与相关学科的关系 Computer Graphics(CG)计算机图形学是研究怎样用计算机表示、生成、处理和显示图形的一门学科。国际标准化组织国际标准化组织(ISO)的定义:的定义:计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形,并在专门显示设备上显示的原理、方法和技术的学科。它是建立在传统的图学理论、应用数学和计算机科学基础上的一门边缘学科。几何或3D的问题图像或2D的问题CG研究的问题n一般说来,要在计算机上生成一幅表示物体的图一般说来,要在计算机上生成一幅表示物体的图形,有三
4、个要素:形,有三个要素:如何在计算机中如何在计算机中“表示表示”多彩的客观世界:造型技术多彩的客观世界:造型技术n在计算机中建立所要生成图像的物体的模型在计算机中建立所要生成图像的物体的模型n即给出表示该物体的几何数据和拓扑关系即给出表示该物体的几何数据和拓扑关系如何在计算机中如何在计算机中“表现表现”多彩的客观世界:绘制技术多彩的客观世界:绘制技术n按照给定的观察点及观察方向将物体模型在计算机屏幕上按照给定的观察点及观察方向将物体模型在计算机屏幕上显示出来显示出来人机交互技术:人机交互技术:n为造型和绘制这两个过程提供友好的人机界面为造型和绘制这两个过程提供友好的人机界面根据准确性、真实性、
5、实时性的要求,算法可大根据准确性、真实性、实时性的要求,算法可大致分为以下几类:致分为以下几类:n基于图形设备的基本图形元素的生成算法n图形的变换和裁剪n自由曲线和曲面计算几何n几何造型技术n真实感图形的生成算法n自然景物的生成分形几何n颜色科学及其应用n计算机动画技术n虚拟现实技术实时交互式三维图形处理研究内容图形和图像n图形分为图形类和图像类图形类:以矢量图形式呈现,在计算机中以场景的几何模型与物理属性表示的图形。能体现景物的几何个体,记录体元的形状参数与属性参数。如工程图纸,其信息包含图元的几何信息与属性信息。图形和图像n图形分为图形类和图像类图像类:以点阵图形式呈现,在计算机中以具有颜
6、色信息的点阵来表示的图形。它更强调整体的形式,描述一个个点的灰度或色彩。如照片、扫描图片等。其信息实际上是点点与点的属性信息(颜色、灰度、亮度等)。CG的总体架构n数学基础向量、矩阵、齐次坐标、几何变换等。n几何二维和三维空间的各种几何模型和几何造型方法n绘制几何的视觉实现过程,CG的主要工作图形类:二维绘制以光栅化算法和裁剪算法为代表,三维绘制以线消隐算法为代表图像类:面消隐、光照模型、阴影模型、纹理模型、光源模型、颜色模型等。n交互技术CG中相对独立的一部分。通常是以WIMP为特征的图形用户界面CG的发展简史n硬件1950年第一台图形显示器诞生20世纪70年代光栅显示器产生,图形学进图了第
7、一个兴盛时期并开始出现实用的CAD图形系统20世纪80年代中期,超大规模集成电路的发展使计算机运算能力提高,图形处理速度加快,图形学得到快速发展n基础理论1962年,Ivan E.Sutherland发表题为“Sketchpad:一个人机交互通信的图形系统”的博士论文,首次使用了计算机图形学(computer graphics)这个术语。20世纪70年代,真实感图形和实体造型技术产生1980年Whitten提出了一个光透视模型并给出光线跟踪算法范例1984年美国Conell和日本广岛大学的学者分别用辐射度方法成功模拟了理想漫反射表面间的多重慢反射效果。真实感图形算法日渐成熟。应用领域n计算机辅
8、助设计与制造(CAD/CAM)n科学计算可视化n影视制作n虚拟现实系统n医疗n计算机艺术n图形用户界面等计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)nCAD/CAM是CG在工业界最广泛、最活跃的应用领域。飞机、汽车、船舶、机电、轻工、服装的外形设计集成电路、印刷电路板的设计建筑设计基于工程图纸的三维形体重建影视制作计算机动画技术还被广泛用于电影电视中的特技镜头的制作,产生以假乱真而又惊险的特技效果,如模拟大楼被炸、桥梁坍塌、在图像中增加实际上不存在的物体等。立体感和虚拟现实系统立体感和虚拟现实系统立体感和虚拟现实系统立体感和虚拟现实系统n头盔式显示器头盔式显示器将观察者的头部位置及运动方向告诉计算机
9、,计算机就将观察者的头部位置及运动方向告诉计算机,计算机就可以调整观察者所看到的图景,使得呈现图像更趋于真可以调整观察者所看到的图景,使得呈现图像更趋于真实感绝大多数头盔式显示器使用两个显示器实感绝大多数头盔式显示器使用两个显示器把用户的视觉、听觉和其他感觉封装起来,产生一种身把用户的视觉、听觉和其他感觉封装起来,产生一种身在虚拟环境中的错觉。在虚拟环境中的错觉。虚拟现实系统n虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界,并使用传感器设备与之相互作用。提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟,让使用者如同身历其境一般及时、没有限制地观察三度空间内的事物。虚拟现实在机器人遥操作方面的应用虚
10、拟现实在军事方面的应用虚拟现实在训练方面的应用虚拟手术仿真n将医用CT扫描的数据转化为三维图象,并通过一定的技术生成在人体内漫游的图象,使得医生能够看到并准确地判别病人的体内的患处,然后通过碰撞检测一类的技术实现手术效果的反馈,帮助医生成功完成手术。科学计算的可视化n科学计算的可视化是将科学计算过程中的数据及结果数据转换为图像实际上也包括了工程计算可视化和测量数据可视化其核心是三维数据场的可视化n可应用于气象预报、(CT)医学图象重建、流场、湍流、激波、石油地质勘探、环境保护、核爆炸模拟、计算流体力学、天体物理、分子生物学、有限元分析、等许多领域。事务和商务数据的图形显示n绘制表示经济信息的各
11、类二、三维统计管理图表n信息可视化:信息流量,商业统计数据,股市行情图形用户界面Window system and large-screen interaction metaphor图形输入设备图形输入设备n鼠标、键盘鼠标、键盘n数码相机数码相机采用的摄像感应器有两种采用的摄像感应器有两种nCCDnCMOS:便宜,但质量相对较差:便宜,但质量相对较差n扫描仪扫描仪图形输入设备图形输入设备n数据手套(Data glove)可测量出手的位置和形状,从而实现环境中的虚拟手及其对虚拟物体的操纵。数据手套通过手指上的弯曲、扭曲传感器和手掌上的弯度、弧度传感器,确定手及关节的位置和方向。图形输入设备图形输
12、入设备n图形输入的一个特殊领域图形输入的一个特殊领域真实物体的三维信息的输入真实物体的三维信息的输入 n零件进行大规模生产必须在计算机中生成三维实体模零件进行大规模生产必须在计算机中生成三维实体模型型这个模型有时要通过已有的实物零件得到这个模型有时要通过已有的实物零件得到采集实物表面各个点的位置信息采集实物表面各个点的位置信息n扫描保存古代名贵的雕塑和其它艺术品的三维信息扫描保存古代名贵的雕塑和其它艺术品的三维信息在计算机中产生这些艺术品的三维模型在计算机中产生这些艺术品的三维模型 图形输出设备图形输出设备阴极射线管阴极射线管(CRT)组成组成包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏包
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- 关 键 词:
- 图形图像 基础
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