Computer Graphics Lectured by Hua Yan.

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1 Computer Graphics Lectured by Hua Yan

2 Agenda Brief Intro to Course Survey of CG Q&A Concepts of CG
CG History CG Applications Q&A

3 Brief Intro to Course Lecturer Intro Textbook and References
Grading policy Course schedule Course goal

4 Lecturer Introduction
晏华 Education Background Southwest Jiaotong Univ. Computer Application UESTC, Computer Software Georgia Institute of Technology, visiting researcher Research Interests: Real-Time OS & Real-Time Software Computer Graphics Computational Intelligence

5 教材与参考书目 教材 参考书目 蔡士杰等译 , “计算机图形学 (第三版)”,电子工业出版社，2005
Peter Shirley等，“Fundamentals of Computer Graphics”, A K Peters, Ltd. 2005 James D.Foley, “Computer Graphics Principles and Practice”, (Second Edition in C), 2002, 机械工业出版社

6 教材与参考书目 孙家广，计算机图形学(第三版)，清华大学出版社 刘乃琦等，计算机图形技术基础，电子科技大学出版社,1994 …

7 Grading policy Assignment Weight (%) Class attendance 10 Homework 10
Projects Final Exam 60

8 Course Schedule Lecture Hours: 48=32+16 Schedule.doc

9 教学目标 了解计算机图形学的发展概况； 了解计算机图形系统的软硬件组成； 掌握计算机图形学的基本算法和理论； 具有一定的图形程序设计能力；
了解计算机图形学的应用概况。

10 Survey of CG Concepts of CG CG History CG Applications

11 CG定义 研究利用计算机来处理图形的原理、方法和技术的学科。 图形处理包括：图形描述、图形生成、图形变换、图形存储和图形输出等。
Can you give a description of CG? IEEE definition: Computer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer. 研究利用计算机来处理图形的原理、方法和技术的学科。 图形处理包括：图形描述、图形生成、图形变换、图形存储和图形输出等。

12 Three main tasks of CG 建模(Modelling) ：创建和表示3D世界几何对象的模型，即三维物体模型的计算机表示，主要是形状表述与定义 渲染(Rendering)：通过各种矩阵变换产生几何对象的二维图像，主要考虑光照、透视变换 动画：描述对象的运动变化 Modelling: creating and representing the geometry of objects in the 3D world Rendering: creating a image in 2D of these objects Animation: describing how objects change in time

13 Modelling and Rendering

14 State-of-the-Art Real-Time Rendering 2001

15 计算机图形学的研究内容 图形的生成和表示技术 图形操作与处理方法 图形输出设备与输出技术 图形输入设备与输入技术 图形系统与支持部件
图形信息的描述和表示 几何模型的构造技术 动画技术 图形实时性和真实感 图形标准与图形软件包

16 图形 vs. 图像 图像(image)：计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息
图形(graph)：图形含有几何属性，或者说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

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18 图形计算机处理的相关学科 图像处理(image processing)：根据应用所需，利用计算机对图像进行分析处理，继而再现图象 模式识别(Pattern Recognition)：对图形信息进行识别和分析描述，是从图形到模型描述的过程 计算机图形学：研究图形的计算机生成和基本图形操作，是从数据描述到图形生成的过程。

19 对象图形 对象模型 计算机图形学 模式识别 图像处理

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23 摘自东北大学软件学 朱志良教授

24 计算机描绘的自然风景

25 计算机描绘的自然风景

26 Survey of CG Concepts of CG CG History CG Applications

27 CG History 物质基础： 1950年麻省理工学院(MIT)于采用了类似示波器的CRT研制了第一台图形显示器；
1958年Calcomp公司将数字记录仪发展成滚筒式绘图仪，GerBer公司基于数控机床研制出平板式绘图仪

28 SketchPad: first interactive graphics system
CG History 诞生: 1963年MIT的Ivan E. Sutherland在他的博士论文“Sketchpad：一个人－机交互通信的图形系统”中首次提出 “Computer Graphics (计算机图形学)”，使用阴极射线管显示器和光笔，可交互式地生成简单图形； SketchPad: first interactive graphics system

29 Spacewars: first computer graphics game (MIT 1961)
CG History 20世纪 60－70年代：硬件设备昂贵，只有少数条件好的单位（如MIT、Bell Lab、 通用汽车公司、剑桥大学等)开展计算机图形学的研究； 20世纪80年代硬件成本不断下降，计算机图形学的研究与应用呈加速发展，开始出现商品化的计算机绘图系统； 20世纪90年代快速发展、应用普及 first CAD system (IBM 1959) Spacewars: first computer graphics game (MIT 1961)

30 CG History 图形显示器是计算机图形学中关键的设备 20世纪60年代中期：随机扫描显示器需要刷新、设备昂贵、限制普及。
20世纪60年代后期：存储管式显示器不需刷新，价格较低，缺点是不具有动态修改 图形功能，不适合交互式 20世纪70年代初，光栅扫描显示器大大地推动了交互式图形技术的发展 目前是多种显示器并存。 液晶、等离子显示器，基于分子材料的显示器也在研究之中。

31 图形输入设备的发展历史： 第一阶段：控制开关、穿孔纸等等 第二阶段：键盘 第三阶段：二维定位设备 如鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏等等 第四阶段：三维输入设备 如空间球、数据手套、数据衣、数据鞋、头盔、立体眼镜等 第五阶段：用户的语音、手势、表情、身体语言等等

32 CG History 图形算法发展历史 光栅扫描图形生成 （点、线、面的离散表示） 图形变换（几何变换、平行投影、透视投影）
真实感图形生成 （隐藏线/面去除法、Z缓冲器算法、简单光照模型、光线追踪、辐射度、阴影、透明、纹理） 几何建模（线框模型、面模型、体模型） 曲线与曲面生成算法（Furguson参数曲线/面， Bézier，均匀B样条，非均匀B样条） 图形学应用算法（与具体应用领域的算法相结合）

33 Survey of CG Concepts of CG CG History CG Applications

34 CG Applications CAD/CAM 数字娱乐Entertainment 图形仿真Simulation
计算机辅助教学Education and training 可视化Visualization GUI图形用户界面 计算机艺术Computer Art …

35 CG Applications - CAD/CAM
飞机、汽车、船舶的外形的设计 发电厂、化工厂等的布局 土木工程、建筑物的设计 电子线路、电子器件的设计

36 计算机辅助设计研究热点 网络环境下异地异构系统的协同设计 基于工程图纸的三维形体重建
三维形体重建就是从二维信息中提取三维信息，通过对这些信息进行分类、综合等一系列处理，在三维空间中重新构造出二维信息所对应的三维形体，恢复形体的点、线、面及其拓扑关系，从而实现形体的重建。 随着计算机网络的发展，在网络环境下进行异地异构系统的协同设计，已经成为CAD领域最热门的课题之一。现代产品设计已不再是一个设计领域内孤立的技术问题，而是综合了产品各个相关领域、相关过程、相关技术资源和相关组织形式的系统化工程。它要求设计团队在合理的组织结构下，采用群体工作方式来协调和综合设计者的专长，并且从设计一开始就考虑产品生命周期的全部因素，从而达到快速响应市场需求的目的，协同设计的出现使企业生产的时空观发生了根本的变化。异地设计、异地制造、异地装配成为可能，从而为企业在市场竞争中赢得了宝贵的时间。     CAD领域另一个非常重要的研究领域是基于工程图纸的三维形体重建。三维形体重建就是从二维信息中提取三维信息，通过对这些信息进行分类、综合等一系列处理，在三维空间中重新构造出二维信息所对应的三维形体，恢复形体的点、线、面及其拓扑关系，从而实现形体的重建。二维图纸设计在在工程界中仍占有主导地位，工程上有大量的旧的透视图和投影图片可以利用、借鉴，许多新的设计可凭借原有的设计基础做修改即可完成。同时三维几何造型系统，因为可以做装配件的干涉检查、以及有限元分析、仿真、加工等后续操作，代表CAD技术的发展方向。目前主要的三维形体重建算法是针对多面体和对主轴方向有严格限制的二次曲面体的。任意曲面体的三维形体重建，至今仍是一个未解决的世界难题。

37 工程图及其三维重建结果1

38 工程图及其三维重建结果2

39 CG Applications-Entertainment
数字娱乐 影视 动漫 游戏 电脑特级处理这个概念在现代电影中已经是一个非常时髦的词。几乎我们周围的每个人都有这样一个概念，计算机图形所产生的效果已经能轻易骗过我们的眼睛，能够实现现实生活中没有办法展现的内容，如恐龙的模拟，如怪物公司的动画形象，指环王中的千军万马。 游戏产业是近年来高速发展的一个方向，美国游戏产业的产值与美国电影行业产值相当，但游戏产业的投入却只有电影行业投入的1/5。 Square: Final Fantasy Pixar: Monster’s Inc.

40 CG Applications-Entertainment
“最终幻想”是一个计算机图形学应用的里程碑，其人物形象在头发、皮肤、面部表情等方面已经与真实非常接近。 Final Fantasy (Square, USA)

41 CG Applications-Entertainment
计算机图形绚丽的手法表示已经超出了现实生活中的物体，只要有创意，就能利用计算机图形产生所思考的内容，哪怕就是外星人的形象模拟。 A Bug’s Life (Pixar)

42 Polyphony Digital: Gran Turismo 3, A Spec
CG Applications-Entertainment 数字娱乐：游戏 在计算机图应用中，游戏更强调实时性，目前游戏的画面质量也随计算机图形加速能力的提高，在不断的加强。 GT Racer 3 Polyphony Digital: Gran Turismo 3, A Spec

43 CG Applications-Entertainment
最早的游戏图形表现比较简单，主要受限于计算机图形处理能力。 Circus Atari (Atari)

44 CG Applications-Entertainment
现在的游戏不但是强调画面质量，还强调对真实物理特性等的模拟，电子竞技、军事单兵模拟已经出现在美国体育以及美国军事训练中。 简单其技术实现难点：实时渲染（对实时性要求较高）

45 Puzzle game 益智类游戏主要是利用游戏的界面来实现对智力问题的解决。

46 仿真 Simulation 仿真训练也是游戏的一个目标，通过游戏实现对人员培训，或者是能力锻炼。

47 CG Applications-Education
计算机生成的物理模型、财务模型常用于教学的辅助工具 一些专用系统的培训需要设计模拟器辅助培训，例如飞行模拟器，模拟器通常为可视化操作提供图形屏幕。（P.16-P.17）

48 Education & Training

49 CG Applications - Visualization
海量的数据使得人们对数据的分析和处理变得越来越难，用图形来表示数据的迫切性与日俱增 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 Computing）” 科学计算可视化广泛应用于医学、流体力学、有限元分析、气象分析中 可视化 科学技术的迅猛发展，数据量的与日俱增使得人们对数据的分析和处理变得越来越难，人们无法从数据海洋中得到最有用的数据，找到数据的变化规律，提取最本质的特征。但是如果能将这些数据用图形的形式表示出来，情况就不一样了，事物的发展趋势和本质特征将会很清楚地呈现在人们面前。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 Computing）”。第二年，美国计算机成像专业委员会向NSF提交了“科学计算可视化的研究报告”后，VISC就迅速发展起来了。     目前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。尤其在医学领域，可视化有着广阔的发展前途。依靠精密机械做脑部手术已经由机械人和医学专家配合做远程手术是目前医学上很热门的课题，而这些技术的实现的基础则是可视化。可视化技术将医用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。从目前的研究状况来看，这项技术还远未成熟，离实用还有一定的距离。主要难点在于生成人体内漫游图象的三维体绘制技术还没有达到实时的程度，而且现在大多的体绘制技术是基于平行投影的，而漫游则需要真实感更强的透视投影技术，然而体绘制的透视投影技术到还没有很好地解决。另外在漫游当中还要根据CT图象区分出不同的体内组织，这项技术叫Segmentation。目前的Segmentation主要是靠人机交互来完成，远未达到自动实时的地步。

50 CG Applications - Visualization
在医学领域，可视化有着广阔的发展前途 是机械手术和远程手术的基础 将医用CT扫描的数据转化为三维图象，帮助医生判别病人体内的患处 由CT数据产生在人体内漫游的图象 可视化的前沿与难点 可视化硬件的研究 实时的三维体绘制 体内组织的识别分割——Segmentation

51 The Visible Human Project MIT: Image-Guided Surgery Project
CG Applications - Visualization 医学图像可视化 借助B超、CT、MRI等，人们能够看到自身体内的变化情况，那么利用计算机图形学让这个过程更加接近 The Visible Human Project MIT: Image-Guided Surgery Project

52 CG Applications - Visualization
Scientific Visualization 风洞的数值气流模型

53 CG Applications - GUI 用户接口：人与计算机进行交互的操作方式 用户接口的发展： 由指示灯和机械开关组成的操纵界面
由终端和键盘组成的字符界面（80年代） 由多种输入设备和光栅图形显示设备构成的图形用户界面(GUI 90年代), WIMP(W-windows、I-icons、M-menu、P-pointing devices)界面，所见即所得技术 用户接口是人们使用计算机的第一观感。一个友好的图形化的用户界面能够大大提高软件的易用性，在DOS时代，计算机的易用性很差，编写一个图形化的界面要费去大量的劳动，过去传统的软件中有60％的程序是用来处理与用户接口有关的问题和功能的。进入80年代后，随着Xwindow标准的提出，苹果公司图形化操作系统的推出，特别是微软公司Windows操作系统的普及，标志着图形学已经全面融入计算机的方方面面。如今在任何一台普通计算机上都可以看到图形学在用户接口方面的应用。操作系统和应用软件中的图形、动画比比皆是，程序直观易用。很多软件几乎可以不看任何说明书，而根据它的图形、或动画界面的指示进行操作。     目前几个大的软件公司都在研究下一代用户界面，开发面向主流应用的自然、高效多通道的用户界面。研究多通道语义模型、多通道整合算法及其软件结构和界面范式是当前用户界面和接口方面研究的主流方向，而图形学在其中起主导作用。 人机界面的发展：由指示灯和机械开关组成的操纵界面→由终端和键盘组成的字符界面（80年代）→由多种输入设备和光栅图形显示设备构成的图形用户界面（GUI），（90年代）PC，工作站，WIMP(W-windows、I-icons、M-menu、P-pointing devices)界面，所见即所得→VR技术（发展方向）

54 Graphical User Interface

55 CG Applications - GUI 用户接口是人们使用计算机的第一观感。一个友好的图形化的用户界面能够大大提高软件的易用性
图形学已经全面融入计算机的方方面面，很多软件几乎可以不看任何说明书，而根据它的图形、或动画界面的指示进行操作 GUI/WIMP正受到越来越多的批评 多通道、多媒体的智能化用户界面(下一代)

56 CG Applications – Computer Art

57 CG Applications – Computer Art
现在的美术人员、尤其是商业艺术人员都热衷于用计算机软件从事艺术创作。可用于美术创作的软件很多，如二维平面的画笔程序（如CorelDraw，Photoshop，PaintShop）、专门的图表绘制软件（如Visio）、三维建模和渲染软件包（如3DMAX，Maya）、以及一些专门生成动画的软件（如Alias，Softimage）等，可以说是数不胜数。这些软件不仅提供多种风格的画笔画刷，而且提供多种多样的纹理贴图，甚至能对图象进行雾化，变形等操作，好多功能是一个传统的艺术家无法实现也不可想象的。

58 CG Applications – Computer Art
当然，传统艺术的一些效果也是上述软件所不能达到的，比如钢笔素描的效果，中国毛笔书法的效果，而且在传统绘画中有许多个人风格化的效果也是上述软件所无法实现的。然而图形学工作者们是不甘失败的，就在真实感图形学如火如荼发展的同时，模拟艺术效果的非真实感绘制（NPR Non-Photorealistic Rendering）也在逐渐发展。钢笔素描是非真实感绘制的一个重要内容，目前仍然是一个非常活跃的研究领域。

59 Georges Winkenb1ach绘制的壶和碗(Siggraph’96) Washington University
CG Applications – Computer Art     Georges Winkenb1ach绘制的壶和碗(Siggraph’96) Washington University

60 Survey of CG Concepts of CG CG History CG Applications

61 Discussion My Question 四类计算机人才角色
What kind of role will you take after your graduation? 四类计算机人才角色 Master Practitioner Entrepreneur Innovator Communicator

62 Master Practitioner – Expert programmer who possesses the technical skill and experiences to thoroughly design, construct, and validate computer-based systems either alone or as a part of a large team. The Master Practitioner is interested in the exercise and mastery of technical skill and is likely to be an employee of a corporation.

63 Entrepreneur – Creator and leader of new enterprises that bring technology to the public at large, specifically in the form of new products and services. The model of an Entrepreneur is the founder of a start-up company that provides products and services that impact or transform society.

64 Innovator – Discoverer of new knowledge and constructor of ground-breaking solutions to problems. The model of an Innovator is the academic or industrial research scientist making discoveries and inventions. These discoveries will eventually make a difference in society but result from investigations that are not guaranteed to yield practical results.

65 Communicator – Individual capable of communicating technical information to the technologist and the layperson alike. The Communicator is technically skilled and informed and works hard developing the communication skills necessary to effectively share their knowledge with interested but less expert audiences.