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1、计算机图形信息处理复习题一、 简述题1.什么是计算机图形学？试述计算机图形学研究的基本内容及主要应用领域。答：计算机图形学（Computer Graphics，简称 CG）是计算机应用领域中的一个重要研究方向，目前尚属一门新兴的学科。计算机绘图技术在科学研究、工程设计和生产实践中得到了广泛的应用。计算机图形学是研究计算机绘图的一门学科，它建立在传统的图学理论、应用数学及计算机科学基础上的一门边缘学科。可以对计算机图形学作如下定义（国际标准化组织 ISO 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，并在专用显示设备上显示的原理、方法和技术的学科” 。从这个定义中可以看出，计算机图形
2、学涉及到 3 个基本部分，即数据、计算机和显示器。这里的数据可以是由用户给出的原始输入如用以描述图形的几何数据、数学方程等，或计算机产生的结果，也可以是来自图形工作站操作者的命令。而显示器则用于将基本对象的视觉表示形式展示在显示屏幕上，将人们不能感觉到其形态的抽象数据按需要显示成能直接观察到的图形，通过计算机来实现信息的图形表达。我们输入给计算机的信息不是图形本身，而是描述图形的各种数据或者与图形有关的信息，经过计算机系统处理以后，输出结果就是我们所要求的图形。计算机图形学核心技术是如何建立所处理对象的模型并生成该对象的图形。其主要的研究内容大体上可以概括为如下几个方面。（l）几何模型构造技术
3、（Geometric Modelling） 。如对各种不同类型几何模型（二维、三维、分数维（Fractsl Model） ）的构造方法及性能分析，曲线与曲面的表示与处理，专用或通用模型构造系统的研究等。（2）图形生成技术（Image Synthesis） 。如线段、圆弧、字符、 区域填充的生成算法，以及线隐面消除、光照模型、浓淡处理（Shading ） 、纹理、阴影、灰度与色彩等各种逼真的图形表示技术。( 3) 图形的操作与处理方法（Picture Manipulation） 。如图形的开窗、裁剪、平移、旋转、放大、缩小、投影等各种几何变换操作的方法及其软件或硬件实现技术。(4) 图形信息的存
4、储、检索与交换技术。如图形信息的各种表示方法、组织形式、存取技术、图形数据库的管理、图形信息通信等。(5) 人机交互及用户接口技术。各种交互技术，如构造技术、命令技术、选择技术、响应技术等的研究，以及用户模型、命令语言、反馈方法、窗口系统等用户接口技术的研究。如新型定位设备、选择设备的研究。（6）动画技术。研究实际高速动画的各种软硬件方法、开发工具、动画语言等。(7) 图形输出设备与输出技术。例如各种图形显示器（图形卡、图形终端、图形工作站等）逻辑结构的研究，实现高级图形功能的专用芯片（ASIC）的开发，图形硬拷贝设备（特别是彩色硬拷贝设备）的研究等。（8）图形标准与图形软件包的技术开发。如制
5、定一系列国际图形标准，以满足多方面图形应用软件开发工作的需要，并使图形应用软件摆脱对硬设备的依赖，允许在不同系统之间方便地进行移植。计算机图形学的应用领域计算机图形学有着广泛的应用领域，特别是近年来随着对计算机图形学原理的不断研究和新技术的不断产生，使得它深入到生产、科研、教学及生活等领域，目前主要应用在如下领域。（1）计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）这是一个最活跃的应用领域。计算机图形学被用来进行土建工程、机械结构和产品的设计，包括设计飞机、汽车、船舶的外形和发电厂、化工厂等的布局，也能够用来进行电子线路或电子器件的设计。在电子工业中，计算机图形学应用到集成电路。印刷电路板
6、、电子线路和网络分析等方面的优势是十分明显的。一个复杂的大规模或超大规模集成电路版图根本不可能用手工设计和绘制，用计算机图形系统不仅能进行设计和画图，而且还可以在较短的时间内完成，把其结果直接送至后续工艺进行加工处理。在飞机制造工业中，美国波音飞机公司已用有关的CAD 系统实现波音 777 飞机的整体设计和模拟，其中包括飞机外型、内部零部件的安装和检验。据统计，在所有的 CAD 系统中，计算机辅助绘图的工作量占 53，辅助设计占 30，辅助分析占 7，辅助制造占 10。由此可见，计算机绘图是 CAD/CAM 领域中极为重要的组成部分。计算机绘图被应用于航空、造船、电子、机械、土木建筑等工程设计
7、领域。计算机绘图可产生部件或结构的精确图样，也可用于对所设计的系统和部件的图形实现人机交互设计和布局。计算机绘图的结果数据可直接输出零部件明细表、材料单以及数控加工的数据信息。（2）事务管理中的交互式绘图应用图形学最多的领域之一是绘制事务管理中的各种图形，如统计数据的二维及三维图形、直方图、线条图、表示百分比的扇形图等等，还可绘制工作进程图、库存和生产进程图以及大量的其他图形。所有这些都以简明的形式呈现出数据的模型和趋势以增加对复杂现象的理解，并促进决策的制定。（3）地理信息系统地理信息系统是建立在地理图形基础上的信息管理系统，目前巳经在许多国家得到广泛的应用。在图形技术、数据库技术以及管理信
8、息相结合的地理信息系统（GIS）中，图形起着核心和控制的作用。利用计算机图形生成技术可以绘制地理的、地质的以及其他自然现象的高精度勘探、测量图形，如地理图、地形图、矿藏分布图、海洋地理图、气象气流图、人口分布图、电场及电荷分布图以及其他各类等值线、等位面图。（4）办公自动化和电子出版技术图形显示技术在办公自动化和事务处理中的使用，有助于数据及其相互关系的有效表达，因而有利于人们进行正确的决策。利用电子计算机可以进行资料、文稿、书刊、手册的编写和修改、制图、制表、分页、排版，这是对传统活字印刷技术进行的重大变革，没有交互式图形显示技术的支持，这种电子出版技术是不可能实现的。（5）系统模拟实时模拟
9、图像正在被越来越广泛地用于航天、航空驾驶和试验等项工作。所谓实时模拟就是由计算机产生表现真实图像和模拟对象随时间变化的行为和动作。通过观察以图形模式表现出的变化效果，我们不仅可以研究数学图形，而且可以研究科学现象的数学模型，如液体流动、热流、相对论、核反应、化学反应生理系统与器官以及有负载时的结构变形等。例如，进行飞机模拟训练时，让飞行员坐在一间特制的屋子里，四周模拟驾驶舱的各种设施，面前摆着各种仪表和数字显示器，在应该有窗的地方放上大型显示屏。当显示屏显示出各种外部景物时，驾驶员的感觉如同真正驾驶飞机在天上飞。对于屏幕上出现的各种景物，如云雾、烟、夜晚灯光以及不同大小和形状的其他飞机、飞行物
10、等特殊景物，驾驶员作出各种反应，模拟操作飞机运行。这时各种仪表显示器显示出各种相应的数据。驾驶员在这种驾驶室内可以用最低廉的费用安全地学会驾驶。同样，为了训练在月球登陆，宇航员可在模拟器上演习驾驶登月舱。计算机图形学为这些实验、训练提供了安全、迅速而又费用低廉的试验条件和比较、存储资料的手段。（6）计算机辅助教学（CAI）计算机辅助教学系统利用图形显示设备或电视终端，可以有声有色生动地演示物理、化学、生物、外语等教学内容，让学生（用户）使用人机交互手段，进行学习和研究，绘图或仿真操作，使整个教学过程直观形象，有利于加深理解所学知识，并可自我考核打分。随着微型计算机在家庭的普及，计算机辅助教学将
11、会得到迅猛发展。（7）过程控制在过程控制中，常常将计算机与现实世界中的其他设备连成一个系统。计算机图形显示设备常用来显示系统中关键部位的状态，如炼油厂、发电厂和电力系统的状态显示器可显示出由传感器送来的压力、温度、电压、电流等数据，从而使操作人员可对异常情况作出反应。机场的飞行控制人员从雷达显示器上观察到计算机产生的标志及状态信息，可以更快、更准确地管理空中交通。（8）计算机动画用图形学的方法产生动画片，其形象逼真、生动。在使用高分辨率显示器的情况下，图像具有很高的欣赏价值。更重要的是，用这种方法制作动画片的成本低。画动画片时，往往一幅图和下一幅图之间有很小区别，或背景完全相同，用人工来完成就
12、不得不做大量重复性工作，而用计算机来做，这些重复性的资料可存储在计算机内，需要时直接调出来，再稍加改变就成了下一幅图，有时一幅图和另一幅图之间景物不变，但比例或角度发生变化，这时就可以利用图形学中窗口、旋转等功能，毫不费力地完成这些工作，既准确又迅速，轻而易举地解决了人工绘图时难以解决的问题，大大地提高了工作效率。（9）计算机艺术计算机图形学在创作艺术和商品艺术方面的应用开创了更广阔的应用前景。比如，通过用不同的颜色按照一系列数学函数绘制的图形可以产生各种抽象的、任意的显示图景。这些图形变化无穷，使人眼花缭乱。采用笔型绘图仪又可以绘制出另一类艺术设计图，如人物头像、各种造型，图形画法细腻逼真。
13、借助于计算机图形技术，艺术家们可以利用一种称之为“画笔” （Paintbrush ）的作图程序在荧光屏上创作图形画面，也可以利用触针输入设备在图形板上作图绘画。 “画笔”程序不仅可以绘制动画片中人物景象，还可以用来生成各种艺术模型和景物，如山水风景、花草树木、动物图案等。计算机生成艺术也广泛地应用于商业事务、电视广告和商标装潢的制作。此外，图形程序已在出版印刷和文字处理方面得到了大量的开发和应用，将图形操作与文本编辑融合在一起，成为一种“作家工作台” ，人大提高了图形系统的功能。2.试比较计算机图形学与图像处理、模式识别的共同点和不同点。答：图像处理（ Image Processing） 、模
14、式识别（ Pattern Recognition）和计算机图形学( Computer Graphics)是计算机应用领域发展的 3 个分支学科，它们之间有一定的关系和区别。由于这三者有共同的地方，因而易混淆。它们的共同之处就是计算机所处理的信息都是与图有关的信息，但实际上它们本质是不同的。这三者之间关系如图 4 所示。图像处理是利用计算机对原来存在物体的映像进行分析处理，然后再现图像。图像信息经过量化（数字化）后输入到计算机中，按照不同的应用要求，计算机对图像进行各种各样的分析处理，如对照片图像扫描抽样、量化、模数转换后送入计算机，由计算机进行加工复原（使模糊图像清晰） 、增强（突出某些特征）
15、和图像赋值（定义图像某部分尺寸形状和位置）等。其中人们所关心的问题是如何去除噪声、压缩图像数据以便于进行存储、传输等不同处理。需要时可把加工处理后的图像重新输出，如工业中射线探伤。人体的 CT 扫描、卫星遥感以及资源勘测等都是图像处理的实例。早期图像处理基本上是二维处理，而且早已遍及各个领域，并朝着三维图像生成、立体成像、多种存储传输媒体等方向发展。模式识别是指计算机对图形信息进行识别和分析描述，是从图形（图像）到描述的表达过程。图形信息输入到计算机后，先对其特征进行抽取等预处理，然后利用各种识别技术，如统计识别技术、句法（语法）识别技术以及基于模糊数学的模糊识别技术对图形作出识别，按照不同应
16、用要求，由计算机给图形作出分类和描述，从图像中提取数据模型。如邮件分检设备扫描信件上手写的邮政编码，并将编码用图像复原成数字。计算机图形学是研究根据给定的描述（如数学公式或数据等） ，用计算机生成相应的图形、图像，所生成的图形、图像可以显示在屏幕上、硬拷贝输出或作为数据集存在计算机中的学科。计算机图形学研究的是从数据描述到图形生成的过程。图像处理、模式识别和计算机图形学都是与图形信息处理有关的三门学科，它们都已有二三十年的历史，但长期以来它们以各自独立的形式发展。到了 80 年代，由于光栅扫描图形显示器的广泛使用以及各门学科之间相互渗透和沟通，它们之间的关系越来越密切，但是计算机图形学仍起着基础和核心的作用。3.试述计算机图形学与 CAD、CAM 技术的关系，举三个计算机图形学应用的例子。答：计算机绘图技术应用计算机及其图形输入、输出设备，实现图形显示及绘图输出。它建立在图形学、应用数学及计算机科学三者结合的基础上，是 CADCAM 的基础。计算机辅助设计就是建立某种模式、算法以及相关的支撑和应用软件，使计算机按设计工程师的意图进行科学分析和计
