第01章图形学与虚拟现实绪论72

NorthwestA&FUniversity图形学与虚拟现实信息工程学院计算机科学系胡少军2015年3月30日NorthwestA&FUniversity联系方式Email:[e-mail]Blog:blog.sina.com.cn/shaojunhu办公室：信息工程学院办公楼317室电话：[phone]NorthwestA&FUniversity关于我…承担课程：C语言程序设计、面向对象程序设计、数据结构、计算机图形学、虚拟现实技术及应用等研究方向：计算机图形学，虚拟现实技术NorthwestA&FUniversity关于我…主持项目863计划课题任务“作物三维形态重构方法研究”（2013.1-2017.12）国家自然科学基金“复杂条件下真实感树动画模拟方法研究”（2014.1-2016.12）参与项目863数字农业重大专项“数字化渠系平台建设与精准灌溉管理决策应用”日本国家自然科学基金“面向大规模自然景物映像生成的效率化CG技术的开发”NorthwestA&FUniversity关于我…学习与工作经历2005.1-2006.1：西安凯信国际虚拟现实仿真部，软件工程师NorthwestA&FUniversity关于我…学习与工作经历2006.10-2010.7：岩手大学计算机图形学研究室，博士，博士后NorthwestA&FUniversity关于我…学习与工作经历2006.10-2010.7：岩手大学计算机图形学研究室，博士，博士后NorthwestA&FUniversity关于我…学习与工作经历2014.10-2015.2：维也纳科技大学计算机图形学与算法研究所，博士后NorthwestA&FUniversity关于我…学习与工作经历2014.10-2015.2：维也纳科技大学计算机图形学与算法研究所，博士后NorthwestA&FUniversity关于我…学习与工作经历2014.10-2015.2：维也纳科技大学计算机图形学与算法研究所，博士后NorthwestA&FUniversity关于我…数字媒体研究团队（计算机图形学，虚拟现实，计算机视觉，模式识别，图像处理等）教授3名，副教授6名，讲师4名，获得博士学位10人；主持国家、省部级课题15余项，累计经费900余万元；近年来培养博士研究生20余名，已毕业硕士研究生100余名；推荐30余名毕业生赴美国、德国、英国、日本、澳大利亚、加拿大、荷兰等国的著名大学深造。NorthwestA&FUniversity新兴技术发展周期2013国际研究机构顾能(Gartner)2013新兴技术发展周期NorthwestA&FUniversity新兴技术发展周期2013国际研究机构顾能(Gartner)2013新兴技术发展周期虚拟现实一个完整技术成熟周期包括：技术萌芽期（TechnologyTrigger）期望膨胀期（PeakofInflatedExpectations）泡沫化谷底期（ThroughofDisillusionment）稳步爬升光明期（SlopeofEnlightenment）实质生产高峰期（PlateauofProductivity）NorthwestA&FUniversity新兴技术发展周期2014国际研究机构顾能(Gartner)2014新兴技术发展周期虚拟现实NorthwestA&FUniversity新兴技术发展周期1995国际研究机构顾能(Gartner)1995新兴技术发展周期1995年“虚拟现实”NorthwestA&FUniversity第一章绪论什么是计算机图形学？什么是虚拟现实？图形学与虚拟现实研究内容图形学与虚拟现实应用领域图形学与虚拟现实发展历史教学安排相关资源NorthwestA&FUniversity第一章绪论什么是计算机图形学？什么是虚拟现实？图形学与虚拟现实研究内容图形学与虚拟现实应用领域图形学与虚拟现实发展历史教学安排相关资源NorthwestA&FUniversity1什么是计算机图形学？计算机图形学（ComputerGraphics）是研究用计算机来生成、处理、显示图形的原理、方法和技术的学科。1963年IvanSutherland开发了第一个交互式绘图系统Sketchpad，奠定了计算机图形学的基础。NorthwestA&FUniversity2什么是虚拟现实？虚拟现实(VirtualReality)是一种采用头盔显示器、数据手套等一系列交互设备构造出的用以体验或感知虚拟环境的计算机软硬件系统。NorthwestA&FUniversity2什么是虚拟现实？用户使用这些设备能以自然的方式向计算机发送各种指令，并得到环境对用户视觉、听觉、触觉等多种感官信息的实时反馈。NorthwestA&FUniversity沉浸感:给人一种身临其境的感觉。交互性:以纯自然方式与虚拟环境中的对象进行交互。构想性:构思和设计虚拟环境的创造力。虚拟现实特点NorthwestA&FUniversity图形学研究内容图形硬件与图形标准图形交互技术光栅图形生成算法曲线曲面造型真实感图形与自然景物仿真科学计算可视化计算机动画虚拟现实等3图形学与虚拟现实研究内容NorthwestA&FUniversity虚拟现实研究内容输入输出设备•3D扫描与3D打印•Kinect•力反馈系统等快速真实感建模技术实时渲染技术增强现实技术立体视与立体声动画技术3图形学与虚拟现实研究内容NorthwestA&FUniversity3图形学与虚拟现实研究内容虚拟现实侧重讨论人体感官与虚拟环境的自然交互本课程讨论内容（侧重虚拟现实）图形输出基本原理虚拟现实系统建模技术渲染技术增强现实技术立体视觉与立体声等NorthwestA&FUniversity第一章绪论什么是计算机图形学？什么是虚拟现实？图形学与虚拟现实研究内容图形学与虚拟现实应用领域图形学与虚拟现实发展历史教学安排相关资源NorthwestA&FUniversity4图形学与虚拟现实应用领域科学计算可视化电影特效、三维动画电脑游戏文物保护、军事仿真、航空航天模拟计算机辅助设计人机交互、艺术犯罪现场重建等NorthwestA&FUniversity科学可视化NorthwestA&FUniversity电影特效NorthwestA&FUniversity电影特效NorthwestA&FUniversity三维动画电影NorthwestA&FUniversity三维动画电影NorthwestA&FUniversity电脑游戏NorthwestA&FUniversity电脑游戏NorthwestA&FUniversity电脑游戏NorthwestA&FUniversity文物保护NorthwestA&FUniversity军事仿真训练NorthwestA&FUniversity航空航天模拟NorthwestA&FUniversity航空航天模拟NorthwestA&FUniversity航空航天模拟NorthwestA&FUniversityThe1993HubbleSpaceTelescopeRepairmissionteamusingVRtraining航空航天模拟NorthwestA&FUniversity计算机辅助设计NorthwestA&FUniversity人机交互NorthwestA&FUniversity犯罪现场重建NorthwestA&FUniversity辅助手术NorthwestA&FUniversity第一章绪论什么是计算机图形学？什么是虚拟现实？图形学与虚拟现实研究内容图形学与虚拟现实应用领域图形学与虚拟现实发展历史教学安排相关资源NorthwestA&FUniversity5.1计算机图形学发展历史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（WhirlwindI）计算机的附件诞生，后来在“旋风”计算机上开发了SAGE空中防御体系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NorthwestA&FUniversity5.1计算机图形学发展历史60年代1962年，MIT林肯实验室的IvanSutherland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成就了“计算机图形学和虚拟现实之父”获ACM“图灵”奖NorthwestA&FUniversity5.1计算机图形学发展历史60年代1962年，雷诺汽车公司的工程师PierreBézier提出Bézier曲线、曲面的理论，而成为CAD的先驱1964年MIT的教授StevenA.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NorthwestA&FUniversity5.1计算机图形学发展历史70年代光栅图形学(RasterGraphics)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诞生图形软件标准化•1974年，ACM成立图形标准化委员会，制定“核心图形系统”（CoreGraphicsSystem）•ISO发布CGI、CGM、GKS、PHIGSNorthwestA&FUniversity5.1计算机图形学发展历史70年代真实感图形学•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TheUtahteapotisastandardreferencemodelinComputerGraphicsNorthwestA&FUniversity5.1计算机图形学发展历史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，Cornell大学的Greenberg和广岛大学的Nishita将热辐射工程中的辐射度方法引入到计算机图形学中图形硬件和各个分支飞速发展NorthwestA&FUniversity5.1计算机图形学发展历史90年代1992年发布了OpenGLAPI1995年，Pixar采用计算机制作的长篇动画3D电影成功上映——玩具总动员（票房收入3.6亿美金）Quake3D游戏成功发布NorthwestA&FUniversity5.1计算机图形学发展历史2000年至今照片级真实感绘制（重现真实世界的场景），快速建模与实时渲染技术，人机自然交互技术，基于物理的动画技术•面向PC的Nvidia,ATI等图形显卡高速发展•SonyPlaystation和MicrosoftXbox•三维建模软件3dMax,Maya,Blender等走向成熟NorthwestA&FUniversity1960年前1929年，飞行模拟器用于训练飞行学员5.2虚拟现实发展历史NorthwestA&FUniversity60年代MortonHeilig在1962年研制了具有多种感官刺激的全景式立体电影设备Sensorama5.2虚拟现实发展历史立体视频立体声能闻到花香自然风的吹拂座椅随剧情变化而振动NorthwestA&FUniversity60年代1965年，Sutherland提出了一种全新的图形显示技术——终极显示(Ultimatedisplay)。不透过窗户，而使观察者直接沉浸在计算机控制下的虚拟环境中，就如同人类日常生活在真实世界中一样。5.2虚拟现实发展历史NorthwestA&FUniversity60年代1968年Sutherland研制成功头盔式显示器HMD(HeadMountedDisplay)HMD特征•显示立体图像•头部位置跟踪•光