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1、计算机图形学,咸阳师范学院信息工程学院E-mail: ,教学要求,了解图形系统的框架及其涉及的软件、硬件技术； 了解图形学的基本问题，掌握图形学的基本概念、方法与算法； 对与图形相关的应用及当前的研究热点有一个初步认识； 具有一定实践体会和相关的编程能力。,教材或参考书：,教材陈元琰等，“计算机图形学”，清华大学出版社，2007。主要参考书：孙家广：计算机图形学（第三版），清华大学出版社，1999 。Siggraph,第1章 绪论,计算机图形学是近20年来科学技术领域中取得的又一重要成就，是随着计算机及其外围设备而产生和发展起来的。它是近代计算机科学与雷达、电视及图像处理技术的发展汇合而产生的
2、硕果。,在造船、航空航天、汽车、电子、机械、土建工程、影视广告、地理信息、轻纺化工等领域中的广泛应用，推动了这门学科的不断发展，而不断解决应用中提出的各类新课题，又进一步充实和丰富了这门学科的内容。它现在已发展为对物体的模型和图像进行生成、存取和管理的新学科。,1.1 计算机图形学的概念、发展和应用,1.1.1 计算机图形学的概念,计算机图形学（Computer Graphics）是研究怎样用计算机生成、处理和显示图形的一门新兴学科，国际标准化组织（ISO）定义为：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。,与计算机图形学的概念容易混淆的是图
3、像处理。计算机图形学的基本含义是使用计算机通过算法和程序在显示设备上构造出图形来。与此相反，图像处理是将客观世界中原来存在的物体的影像处理成新的数字化图像的相关技术，并研究如何从图像中提取二维或三维物体的模型。它所研究的是计算机图形学的逆过程。,计算机图形学的研究内容涉及到用计算机对图形数据进行处理的硬件和软件两方面的技术，主要是围绕着生成、表示物体的图形图像的准确性、真实性和实时性的基础算法，大致可分为以下几类：,（1）基于图形设备的基本图形元素的生成算法，如用光栅图形显示器生成直线、圆弧、二次曲线、封闭边界内的图案填充等。,（4）三维几何造型技术，对基本体素的定义、输入及它们之间的布尔运算
4、方法。,（5）三维形体的实时显示，包括投影变换、坐标变换等。,（2）图形元素的几何变换，即对图形的平移、放大和缩小、旋转、镜像等操作。,（3）样条曲线和样条曲面的插值、拟合、拼接、光顺、整体和局部修改等。,（8）科学计算可视化和三维数据场的可视化，将科学计算中大量难以理解的数据通过计算机图形显示出来，从而加深人们对科学过程的理解。例如有限元分析的结果等；应力场、磁场的分布等；各种复杂的运动学和动力学问题的图形仿真等。,（7）山、水、花、草、烟、云等自然景物的模拟生成算法等。,（6）真实感图形的生成算法，包括三维图形的消隐、光照、色彩、阴影、纹理及彩色浓淡图的生成算法。,与相关学科的关系,数字图
5、像,数据模型,图像生成（计算机图形学）,模型（特征）提取（计算机视觉，模式识别）,模型变换（计算几何）,图像变换（图像处理）,1.1.2 计算机图形学的发展,计算机图形学的发展始于50年代，先后经历了准备阶段（50年代）、发展阶段（60年代）、推广应用阶段（70年代）、系统实用化阶段（80年代）和标准化智能化阶段（90年代）。,1. 准备阶段（50年代） 计算机图形学的发展历史应追溯到50年代末期。当时的计算机主要应用于科学计算，使用尚不普及，但已开始出现图形显示器、绘图仪和光笔等图形外部设备。,1950年，美国麻省理工学院 Whirlwind I（旋风I号）计算机就配置了由计算机驱动的阴极射
6、线管式的图形显示器，但不具备人-机交互功能。,50年代末期，美国麻省理工学院林肯实验室研制的SAGE空中防御系统，就已具有指挥和控制功能。这个系统能将雷达信号转换为显示器上的图形，操作者可以借用光笔指向屏幕上的目标图形来获得所需要的信息，这一功能的出现预示着交互式图形生成技术的诞生。,2. 发展阶段（60年代） 1962年，美国麻省理工学院的I.E.Sutherland （I.E.萨瑟兰德）在他的博士论文中提出了一个名为“Sketchpad”人机交互式图形系统，能在屏幕上进行图形设计和修改。,萨瑟兰德在他论文中首次使用了“计算机图形学（Computer Graphics）”这个术语，证明了交互
7、式计算机图形学是一个可行的有用的研究领域，从而确定了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的独立地位。因此，I.E. 萨瑟兰德的“Sketchpad”系统被公认为对交互图形生成技术的发展奠定了基础。,随后，美国通用汽车公司（IBM）、贝尔电话公司和洛克希德飞机制造公司等开展了计算机图形学和计算机辅助设计的大规模研究，分别推出了DAC-1系统、Graphic-1系统和CADAM系统，使计算机图形学进入了迅速发展的新时期。,这一时期使用的图形显示器是随机扫描的显示器，它具有较高的分辨率和对比度，具有良好的动态性能。但为了避免图形闪烁，通常需要以30次秒左右的频率不断刷新屏幕上的图形。为此需要一个刷新缓
8、冲存储器来存放计算机产生的显示图形的数据和指令，还要有一个高速的处理器。,由于这一时期使用的计算机图形硬件（大型计算机和图形显示器）是相当昂贵的，因而成为影响交互式图形生成技术进一步普及的主要原因。因此，只有上述这些大公司才能投入大量资金研制开发出只供本公司产品设计使用的实验性系统。,3. 推广应用阶段（70年代） 进入70年代以后，由于集成电路技术的发展，计算机硬件性能不断提高，体积缩小，价格降低，特别是廉价的图形输入、输出设备及大容量磁盘等的出现，以小型计算机及超级小型机为基础的图形生成系统开始进入市场并形成主流。,由于这种系统比起大型计算机来，价格相对便宜，维护使用也比较简单，因而，70
9、年代以来，计算机图形生成技术在计算机辅助设计、事务管理、过程控制等领域得到了比较广泛的应用，出现了许多专门开发图形软件的公司及相应的商品化图形软件，取得了较好的经济效益，CAD成为工业设计部门不可缺少的工具和热门技术。,其中，基于电视技术的光栅扫描显示器的出现极大地推动了计算机图形学的发展。光栅扫描显示器将被显示的图像以点阵形式存储在刷新缓存中，由视频控制器将其读出并在屏幕上产生图像。,光栅扫描显示器较之随机扫描显示器有许多优点。一是规则而重复的扫描比随机扫描容易实现，因而价格便宜；二是可以显示用颜色或各种模式填充的图形，这对于生成三维物体的真实感图形是非常重要的。三是刷新过程与图形的复杂程度
10、无关，只要基本的刷新频率足够高，就不会因为图形复杂而出现闪烁现象。,由于光栅扫描显示器具有许多优点，因而直至今日仍然成为图形显示的主要方式，工作站及微型计算机都采用这种光栅扫描显示器。,由于众多商品化软件的出现，这一时期图形标准化问题也被提上议程。图形标准化要求图形软件由低层次的与设备有关的软件包转变为高层次的与设备无关的软件包。1974年，美国计算机学会成立了一个图形标准化委员会（ACM SIGGRAPH），开始有关标准的制定和审批工作。1977年该委员会提出了一个称为“核心图形系统CGS”的规范。1979年又公布了修改后的第二版，增加了包括光栅图形显示技术在内的许多其他功能，但仍作为进一步
11、讨论的基础。,4. 系统实用化阶段（80年代） 进入80年代以后，工作站的出现极大地促进了计算机图形学的发展。比起小型计算机来，工作站在用于图形生成上具有显著的优点。首先，工作站是一个用户使用一台计算机，交互作用时，响应时间短；其次，工作站连网后可以共享资源，如大容量磁盘，高精度绘图仪等；而且它便于逐步投资、逐步发展、使用寿命较长。因而，工作站已经取代小型计算机成为图形生成的主要环境。,80年代后期，微机的性能迅速提高，配以高分辨率显示器及窗口管理系统，并在网络环境下运行，使它成为计算机图形生成技术的重要环境。由于微机的广泛普及和推广，尤其是微机上的图形软件的全面出现，如Windows、Off
12、ice、AutoCAD、CorelDRAW、Freehand、3D Studio等，使计算机图形学的应用深度和广度得到了前所未有的发展。,5. 标准化智能化阶段（90年代） 进入90年代，计算机图形学朝着标准化、集成化和智能化的方向发展。一方面，国际标准化组织（ ISO）公布的有关计算机图形学方面的标准越来越多，且更加成熟。目前，由ISO发布的图形标准有：计算机图形接口标准CGI、计算机图形元文件标准CGM、图形核心系统GKS、三维图形核心系统GKS-3D和程序员层次交互式图形系统PHIGS。,另一方面，多媒体技术、人工智能及专家系统技术和计算机图形学相结合使其应用效果越来越好，使用方法越来越
13、容易，许多应用系统具有智能化的特点，如智能CAD系统。科学计算的可视化、虚拟现实环境的应用又向计算机图形学提出了许多更新更高的要求，使得三维乃至高维计算机图形学在真实性和实时性方面将有飞速发展。,图形学的发展现状,基本内容已成熟，尤其是二维光栅图形学；3D图形算法已较成熟，硬件上更新加快；但无突破，更逼真更快（依赖于硬件），但难以做到完全真实。,我国现状,发展迅速，图形算法水平高，硬件采用国外最新元器件。应用有差距，商品化软件产品国际竞争力低。应用不错，底层平台较差人才缺乏。,1.1.3 计算机图形学的应用,由于计算机图形系统的硬、软件性能日益提高，而价格却逐步降低，这必然促使计算机图形生成技
14、术的应用日益广泛，并已应用于工业、科技、教育、管理、商业、艺术、娱乐等许多行业。目前，主要的应用领域有：,1. 图形用户界面 软件的用户接口是人们使用计算机的第一观感。过去传统的软件中约有60以上的程序是用来处理与用户接口有关的问题和功能，因为用户接口的好坏直接影响着软件的质量和效率。如今在用户接口中广泛使用了图形用户界面（GUI），如菜单、对话框、图标和工具栏等，大大提高了用户接口的直观性和友好性，也提高了相应软件的执行速度。,2. 计算机辅助设计与制造（CADCAM） 计算机辅助设计是计算机图形学的一个最广泛、最活跃的应用领域。由于CAD技术能广泛应用于产品设计和工程设计，适合多品种小批量
15、生产，生产周期短、效率高，精确性和可靠性高，可以显著提高产品在市场上的竞争力，故越来越受到人们的关注，应用也越来越广泛。在产品设计和制造方面，CAD/CAM技术被广泛用于飞机、汽车、船舶、机电、轻工、服装的外形设计和制造。,如美国波音公司，由于采用CAD技术，使波音727的设计提前二年完成；又如美国通用汽车公司，利用CAD系统把产品设计、制造、模拟试验和检查测试结合起来，组成一体化集成系统，使汽车设计周期由5年缩短到3-4年。,在电子工业中，CAD技术应用到集成电路、印刷电路板、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板图根本不可能用手工设计和绘制，而用C
16、AD进行设计可以在较短的时间内完成，并把结果直接送至后续工艺进行加工处理。,在工程设计方面，为了减低工程造价，提高设计效率，在建筑、石油、冶金、地质、电力、铁路、公路、化工等工程设计中广泛采用CAD技术。例如，在应用CAD进行建筑设计上，不仅可以进行总体的外观效果图设计，还可以完成结构设计、给或排水设计、电器设计和装饰设计等，对密集的楼群地段也可以进行光照分析。,工程图及其三维重建结果,3. 事务和商务数据的图形展示 应用图形学较多的领域之一是绘制事务和商务数据的各种二、三维图表，如直方图、柱形图、扇形图、折线图、工作进程图、仓库和生产的各种统计管理图表等，所有这些图表都用简明的方式提供形象化的数据和变化趋势，以增加对复杂对象的了解和对大量分散数据的规律分析，以便作出正确的决策。,4. 地形地貌和自然资源的图形显示 应用计算机图形生成技术产生高精度的地理图形或自然资源的图形是另一个重要的应用领域，包括地理图、地形图、矿藏分布图、海洋地理图、气象气流图、植物分布图以及其他各类等值线、等位面图等。目前，建立在地理图形基础之上的地理信息管理系统（主要包括地理信息和地图）已经在许多国家中得到广泛的应用。,
