计 算 机 图 形 学 课 程 简 介 计 算 机 科 学 与 技 术 系 纪 连 恩 jilianen@126.com 89733009
学 科 地 位 图 形 学 的 地 位 和 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, 学 科 概 略 俗 话 说 : 百 闻 不 如 一 见 一 幅 画 胜 于 千 句 话 图 形 学 图 像 处 理 计 算 几 何 计 算 机 视 觉 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 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 图 像 学 科 概 略 学 科 地 位 计 算 几 何 学 科 概 略 图 形 学 模 型 变 换 图 像 处 理 计 算 几 何 计 算 机 视 觉 物 体 建 摸 造 型 真 实 感 图 形 动 画 多 媒 体 计 算 机 图 形 学 客 观 世 界 ( 对 象 模 型 ) 图 形 生 成 模 型 生 成 计 算 机 视 觉 图 象 查 询 分 类 机 器 视 觉 设 备 环 境 ( 图 形 显 示 ) 场 景 模 拟 虚 拟 现 实 图 形 用 户 界 面 图 像 变 换 图 象 处 理 效 果 增 强 图 像 处 理
计 算 机 图 形 学 学 科 地 位 学 科 概 略 图 形 学 图 像 处 理 计 算 几 何 计 算 机 视 觉 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 客 观 世 界 模 型 生 成 交 互 式 计 算 机 图 形 系 统 对 象 模 型 图 形 生 成 图 形 显 示 人 机 交 互 图 形 模 型 生 成 菜 单 输 入 图 元 组 合 对 象 构 造 模 型 生 成 图 形 显 示 交 互 输 入 图 形 输 出
图 像 处 理 学 科 地 位 学 科 概 略 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 ; 图 形 学 改 善 图 像 显 示 质 量 或 效 果 图 像 处 理 如 何 对 数 字 图 像 做 各 种 变 换 以 方 便 处 理 ; 计 算 几 何 如 何 滤 除 图 像 中 无 用 噪 声 或 增 强 图 像 中 某 些 特 征 ; 计 算 机 视 觉 如 何 压 缩 图 像 数 据 以 便 于 存 储 和 传 输 等
计 算 几 何 学 科 地 位 学 科 概 略 图 形 学 图 像 处 理 计 算 几 何 计 算 机 视 觉 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 P(u) P P i-1 i-2 P P i i-3 u P i-4 P i+1 L 1 L 2 L 1 =CL 2 u i-1 u i u i+1 +1 u i+2 u
计 算 机 视 觉 学 科 地 位 学 科 概 略 图 形 学 图 像 处 理 计 算 几 何 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
计 算 机 图 形 学 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 图 形 学 图 形 等 为 研 究 内 容 的 一 门 成 熟 学 科 图 形 特 点 简 言 之, 计 算 机 图 形 学 主 要 研 究 图 形 ( 图 像 ) 的 计 算 图 形 与 图 像 机 生 成 处 理 和 显 示 的 一 门 学 科 图 像 文 件 目 前 作 为 商 品 的 图 形 软 件 和 硬 件 已 经 能 方 便 地 生 图 形 文 件 成 各 种 线 画 图 形 和 自 然 景 物 的 真 实 感 图 像 图 形 学 主 题 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
图 形 学 中 的 图 形 定 义 广 义 上, 现 实 世 界 中 能 在 人 类 视 觉 系 统 中 形 成 视 觉 印 象 的 客 观 对 象 都 称 为 图 形 图 形 学 图 形 计 算 机 图 形 学 中 的 图 形 是 图 形 广 义 与 抽 象 定 义 的 结 合 图 形 特 点 能 采 用 数 学 表 示 方 法 表 示 ; 图 形 与 图 像 图 像 文 件 能 在 计 算 机 内 表 示 和 存 储 ; 图 形 文 件 能 在 图 形 输 出 设 备 上 显 示 图 形 学 主 题 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
图 形 学 中 的 图 形 特 点 图 形 学 图 形 图 形 特 点 图 形 与 图 像 图 像 文 件 图 形 文 件 图 形 学 主 题 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 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?
图 形 和 图 像 图 形 学 图 形 图 形 特 点 图 形 与 图 像 图 像 文 件 图 形 文 件 图 形 学 主 题 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
点 阵 图 形 文 件 格 式 图 形 学 图 形 图 形 特 点 图 形 与 图 像 图 像 文 件 图 形 文 件 图 形 学 主 题 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-Independent Independent d 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 图 形 学 图 形 图 形 特 点 图 形 与 图 像 图 像 文 件 图 形 文 件 图 形 学 主 题 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 的 HPGL 格 式 用 于 控 制 笔 式 绘 图 仪 以 及 激 光 打 印 机 的 WMF 格 式 用 于 在 Window 系 统 下 保 存 和 交 换 图 像 的 WPG 格 式 用 于 保 存 WordPerfect 软 件 中 图 像 图 形 的 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 研 究 主 题 图 形 学 图 形 图 形 特 点 图 形 与 图 像 图 像 文 件 图 形 文 件 图 形 学 主 题 四 个 方 面 的 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
教 学 目 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 计 算 机 图 形 学 及 应 用 已 经 渗 透 到 科 研 工 程 商 业 艺 教 学 目 的 学 习 方 式 教 学 方 式 课 程 内 容 课 程 考 核 参 考 资 料 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 本 课 程 总 学 时 为 48 学 时, 其 中 授 课 时 间 为 38 学 时, 上 机 实 习 10 学 时 旨 在 使 学 生 能 理 解 计 算 机 图 形 学 基 本 概 念 原 理 和 方 法, 全 面 了 解 图 形 学 及 其 应 用 内 容, 并 掌 握 图 形 学 的 应 用 和 开 发 基 础 上 机 安 排 :6 7 106 7 10 11 11 12 12 周 的 周 三 第 2 大 节 地 点 3-402
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 : 教 学 目 的 学 习 方 式 学 科 发 展 的 动 态 性 : 整 个 学 科 发 展 日 新 月 异, 应 用 教 学 方 式 课 程 内 容 课 程 考 核 参 考 资 料 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
教 学 方 式 教 学 目 的 学 习 方 式 教 学 方 式 课 程 内 容 课 程 考 核 参 考 资 料 本 课 程 将 采 用 教 学 互 动 的 方 式 : 教 师 重 点 讲 授 基 础 和 难 点 内 容, 以 如 何 逼 真 地 模 拟 现 实 物 体 为 主 线, 整 个 教 学 计 划 中 将 尽 可 能 发 挥 学 的 能 动 性 和 想 象 力, 提 高 学 生 获 取 计 算 机 图 形 学 信 息 的 能 力 上 机 实 验 是 课 堂 教 学 的 重 要 补 充, 在 理 解 算 法 思 想 的 基 础 上 独 立 完 成 图 形 学 算 法 实 现 编 程 工 具 和 编 程 语 言 (C/C++ C/C++ java) 以 自 学 为 主, 主 动 掌 握
课 程 内 容 教 学 目 的 二 维 线 画 图 元 的 生 成 二 维 线 画 图 元 的 基 本 概 念 线 生 成 算 法 及 属 性 控 制 圆 生 成 算 法 及 属 性 控 制 椭 圆 生 成 算 法 及 属 性 控 制 其 它 曲 线 生 成 算 法 及 属 性 控 制 并 行 算 法 与 反 走 样 方 法 二 维 填 充 图 元 的 生 成 区 域 填 充 的 基 本 概 念 扫 描 转 换 多 边 形 算 法 内 外 测 试 算 法 曲 线 边 界 区 域 的 扫 描 线 填 充 区 域 填 充 算 法 及 图 像 填 充 区 域 字 符 的 表 示 与 输 出 二 维 裁 剪 方 法 二 维 裁 剪 的 基 本 概 念 点 的 裁 剪 算 法 线 段 的 裁 剪 算 法 多 边 形 的 裁 剪 算 法 曲 线 的 裁 剪 算 法 字 符 的 裁 剪 算 法 二 维 图 形 变 换 图 形 变 换 的 数 学 基 础 二 维 图 形 基 本 变 换 齐 次 坐 标 与 变 换 矩 阵 表 示 二 维 复 合 变 换 及 其 它 变 换 坐 标 系 之 间 的 变 换 学 习 方 式 二 维 图 形 生 成 教 学 方 式 课 程 内 容 课 程 考 核 参 考 资 料 计 算 机 图 形 学 概 述 计 算 机 图 形 学 发 展 简 史 计 算 机 图 形 学 的 研 究 内 容 计 算 机 图 形 学 中 的 基 本 概 念 计 算 机 图 形 学 的 相 关 学 科 计 算 机 图 形 学 的 应 用 实 例 计 算 机 图 形 学 的 发 展 方 向 三 维 图 形 显 示 图 形 基 本 原 理 计 算 机 图 形 显 示 原 理 图 形 系 统 逻 辑 构 成 视 频 显 示 设 备 光 栅 扫 描 系 统 原 理 随 机 扫 描 系 统 原 理 图 形 输 入 设 备 硬 拷 贝 设 备 图 形 学 相 关 技 术 综 述 计 算 机 动 画 技 术 综 述 虚 拟 现 实 技 术 综 述 可 视 化 技 术 综 述 真 实 感 图 形 技 术 综 述 三 维 图 形 的 基 本 概 念 三 维 实 体 的 表 示 曲 线 与 曲 面 基 本 理 论 真 实 感 图 形 显 示 初 步 三 维 图 形 的 基 本 问 题 平 面 几 何 投 影 观 察 坐 标 系 中 的 投 影 变 换 三 维 图 形 的 显 示 流 程 三 维 图 形 裁 剪 的 基 本 方 法 三 维 图 形 变 换 三 维 实 体 的 基 本 定 义 和 表 示 正 则 集 合 运 算 空 间 分 割 表 示 扫 掠 表 示 边 界 表 示 构 造 体 素 表 示 曲 线 曲 面 的 数 学 基 础 基 本 曲 线 的 构 造 和 表 示 Bezier 曲 线 和 曲 面 B 样 条 曲 线 和 曲 面 NURBS 曲 线 和 曲 面 简 单 光 照 模 型 多 边 形 绘 制 方 法 物 体 表 面 细 节 模 拟 阴 影 产 生 方 法 透 明 处 理 方 法 光 线 跟 踪 算 法
课 程 考 核 教 学 目 的 学 习 方 式 教 学 方 式 课 程 内 容 课 程 考 核 参 考 资 料 课 程 成 绩 考 核 : 听 课 与 讨 论 表 现 : 按 时 出 勤, 积 极 参 加 课 堂 讨 论 ;(10%) 课 程 作 业 : 认 真 完 成 上 机 实 习 报 告 ; (20 20%) 期 末 理 论 考 试 : 重 点 考 核 计 算 机 图 形 学 的 原 理 和 方 法 (70%)
教 材 : 参 考 资 料 孙 正 兴 主 编, 计 算 机 图 形 学 教 程, 机 械 工 业 出 版 社, 2006 教 学 目 的 学 习 方 式 教 学 方 式 课 程 内 容 课 程 考 核 参 考 资 料 主 要 参 考 书 Edward Angel, OpenGL 程 序 设 计 指 南, 李 桂 琼, 张 文 祥 译, 清 华 大 学 出 版 社,2005 Donald Hearn, M. Pauline Baker, 计 算 机 图 形 学 ( 第 3 版 OpenGL), 蔡 士 杰 等 译, 电 子 工 业 出 版 社,2005 James D Foley,et al, 计 算 机 图 形 学 导 论, 董 士 海, 唐 泽 圣 等 译, 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社 培 生 教 育 出 版 集 团,2007 James D Foley,et al, 计 算 机 图 形 学 原 理 及 实 践 C 语 言 描 述 ( 第 2 版 ), 董 士 海, 唐 泽 圣 等 译, 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社 培 生 教 育 出 版 集 团,2004 孙 家 广 等, 计 算 机 图 形 学 ( 第 三 版 ), 清 华 大 学 出 版 社, 1998