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1、第一章 概述 重 点：掌握计算机图形学研究的内 容、应 用领域以及图形硬件和软件系统。 难 点：理解光栅扫描显示器和随机扫描显 示器的区别以及彩色显示机理。 课时安排：授课2学时。 计算机图形学（Computer Graphics）是随着计 算机技术的发展而发展起来的一门新兴学科。 计算机图形学研究怎样通过计算机来产生图 形 （1）专题图件：地形图、地貌图、资源分布 图、旅游资源图、土地利用现状图、管网分布图 等；（2）照片、三维逼真图形等；（3）实体的视图，如：机械零件的正视图、 侧视图等；（4）抽象概念的形象表示：计划图、饼图、 统计曲线、流程图等。 国际标准化组织（ISO）对计算机图形学
2、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，并在专门的设备上输出的原理 、方法和技术的学科。 与计算机图形学密切相关的几门学科是： 1、图像处理（Image Processing） 图像处理利用计算机对图形和图像进行分析处 理，继而再现图像。图形（图像）信息输入计算机 中，按照不同的应用要求，计算机对图像进行各种 各样的分析和处理。 例如，进行图像的存储、压缩、增强（突出 某些特征）、复原（使模糊图像清晰）、分割、重 建、编码、传输等等，最后把经过加工处理后的结 果重新输出。应用实例：工业中射线探伤、人体的 CT扫描、卫星遥感以及资源勘测。 现在图像处理正从二维处理朝着三维图像生
3、成 、立体成像、多种传输媒体等方向发展。 2、模式识别（Pattern Recognition） 图像的模式识别所研究的问题与计算机图形学 所研究的问题是互逆的。模式识别是由图像来获得 对图像本身的描述。它是以图像为依据，将图像变 换成数据、符号或者是抽象的图。 例如，自动分检信封上的邮件编码、文本自动 阅读装置、还有地图符号的识别，都是先由扫描得 到图像，然后经识别还原为图形或字符。 3、计算几何（Computational Geometry） 计算几何则着重讨论几何形体在计算机内的表 示、分析和综合，研究怎样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
4、理这些模型等。它的研究内容包括 曲线曲面的表示、生成、拼接和造型、三维立体造 型、离散数据插值等等。计算机图形学与其他学科的关系 如下图所示，计算机图形学与图像处理、模 式识别、计算几何这几门相关学科之间正在 不断相互渗透、相互沟通，其学科界线也变 得模糊起来。 例如，计算机图形学课程中往往要介绍 参数曲线、曲面的数学表示；工程图扫描输 入后要先用图象处理技术提取画面的特征信 息，然后再用模式识别技术生成矢量形式的 各种几何元素。图形系统的任务 1.1 计算机图形学的研究内容 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，以及与图 形生成、显示密切相关的基础
5、算法： 1、二维图形元素的生成算法 点、直线、圆、弧、规则曲线、自由曲线、文 本等图元的生成。 2、二维图形的基本操作和图形处理算法 对图形的平移、缩放、旋转、镜像、错切等操 作，此外还包括二维图形的裁剪、多边形填充以及 二维图形的布尔运算（并、交、差）等。 3、二维图形的输入输出 用图形输入设备实现人机交互及用户接口技术。 4、三维几何造型技术 包括基本体素的建立与生成，规则曲面与自由曲面的构 造，以及三维形体之间的布尔运算等。 5、真实感图形的生成算法 三维图形的消隐算法、光照模型的建立，阴影及彩色浓 淡图的生成算法。 6、科学计算可视化技术 这是20世纪90年代计算机图形学领域的前沿课题
6、。研究 的是，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，应力场、磁场的分布，各种复杂的运动学和动力 学问题的图形仿真等。 在大学本科阶段，应着重了解前面三个内容，而后面三 个涉及三维图形的内容可留待研究生阶段去研究。 计算机图形学正以很快的速度向前发展，当前这一 领域研究的前沿课题有： （1）图形软件与开发环境的标准化 （2）提高算法的可靠性和效率 消隐算法、真实感彩色图像、明暗图、体素拼 合中的曲面求交和拓扑处理等问题上。 （3）用并行处理技术提高真实感图像的生成 速度 如采用多处理器，将一幅光栅图像的512512 或更多
7、个象素用几十个甚至几百个处理器并行计算 ，可以明显提高图像的生成速度。 （4）探讨自然景象的模拟方法 采用纹理映射、分维技术、粒子系统等 方法再现景物表面的色彩和纹理细节，体现 山峦的粗糙岩面，重现云、火、水等飘忽不 定的景色。 （5）科学可视化1.2 计算机图形学的发展历史1950年，美国麻省理工学院（MIT）研制出第一台图形显示器。 作为旋风1号（Whirl Wind 1）计算机的输出设备。利用这台显示 器在计算机的控制下第一次显示了一些简单图形。随后，一些公司和研 究所也陆续地研制了绘图仪等一些简单的图形设备。但这些设备仅仅具 有图形输出功能，因此这时的图形学只能算“被动”的图形学。 随
8、后，由麻省理工学院林肯实验室主持研制的SAGE空中警戒雷达 系统，成功地把雷达波形转换成图形在显示器上显示出来。指挥员可以 通过光笔与系统交互，获取某地区更详细的信息或发出命令。这个系统 可以说是交互式计算机图形系统的雏形，它预示着交互式图形生成技术 的诞生。 60年代是计算机图形学兴起和确立的年代。 1962年，美国麻省理工学院的Iven Sutherland发表了题目为 “Sketchpad：一个人机通信的图形系统”的博士论文，在论文中他首次 使用了“计算机图形学”（Computer Graphics）这个术语，指出交互式 计算机图形学是一个有生命力、有前途和振奋人心的研究领域，从而确 立
9、了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的地位。 他在论文中所提出的一些基本概念和技术，如交互技术、分 层存储符号的数据结构等至今还在广为使用。 与此同时，美国、英国、法国在汽车和飞机制造领域对 计算机图形学开展了大规模研究。 在计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM ）中，一些相关的科研项目、商品化产品纷纷出现。但是， 由于图形硬件设备非常昂贵，并且基于图形技术的应用相对 较少，所以直到80年代初，图形学仍然是一个较小的专业化 学科。 随后，情况发生了变化，由于大规模集成电路技术的快 速发展，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和大容量存储介质的出
10、现， 使得以小型机、微机、图形工作站为基础的图形系统进入市 场并成为主流，如IBMPC、苹果机等微机和Apollo、Sun 等工作站。 80年代，是计算机图形系统迅速推广应用的年代。 计算机图形软件功能开始部分地由硬件实现， 尤其是微机的大面积推广，进一步拓宽了图形学的 研究和应用，三维计算机图形学的国际标准PHIGS 和GKS3D的颁布，为研制通用的图形系统提供了 良好的基础。 90年代，随着多媒体概念的提出 计算机图形学已成为计算机系统必不可少的一 个组成部分，并且迅速投入使用中。同时，随着面 向对象的程序设计语言的发展，也提出了面向对象 的计算机图形系统。 作为计算机图形系统的一个重要组
11、成部分 图形显示器，随着计算机图形学的确立和发展也经 历了从矢量显示器、存储管显示器到光栅显示器的 发展过程。 图形输入设备也在发展，出现了：拇指轮、 操作杆、跟踪球、光笔、鼠标、触摸屏、数 据手套、数字化仪、扫描仪等输入设备。 和图形硬件一样，图形软件也得到很大 的发展，各种图形算法、图形标准、图形数 据结构等逐渐成熟并投入使用，使计算机图 形学成为一门成熟的学科。 1.3 计算机图形学的应用领域 图形比文字更直观、逼真且信息载荷量大，随着计算机图形 学的发展，以及计算机软、硬件性能的提高和成本下降，用 计算机处理图形的领域越来越广泛，下面是一些主要的应用 领域。 一、计算机辅助设计与制造（
12、CAD/CAM） 这是一个最广泛、最活跃的应用领域，在机械、建筑、 汽车、飞机、造船、电子等领域有着广泛的应用。如机械结 构和零部件的设计，土木建筑工程及其图纸的设计，汽车、 飞机、轮船的外形设计，集成电路、印刷线路板的设计等。 过去在这些设计工作中，用的是绘图板加丁字尺的传统 设计方法，现在正迅速地被CAD技术所代替。使用CAD技 术后，不仅提高了设计效率，缩短了设计周期，改善了设计 质量，降低了设计成本，而且可以为后续工序的计算机辅助 制造（CAM）建立起CAD数据库，使CAD/CAM联成一体， 为生产自动化奠定基础。 CAD/CAM是高新技术，是先进的生产力，它已经 并将进一步给人类带来
13、巨大的影响和利益。现在， CAD技术的水平已成为衡量一个国家工业技术水平 的重要标志。 二、科学计算可视化 用图形来表示大量数据计算的结果或中间过程 。例如：科技工作者需要认真分析大量的计算结果以确 定一个系统的描述；商业主管需要分析大量的统计数据以做出对未 来商业行为的决策；医生需要面对大量的CT数据以确定病人体内 是否发生病变及何处发生病变；气象人员需要处理气象卫星传回的大批数据以 绘出未来一段时间内的天气变化趋势图。 分析处理这些大批数据是艰难和枯燥的，但如果应 用计算机图形处理技术建立数据与图形之间的关系 并将它们以图形的形式在屏幕上显示出来，则使用 者很容易观察其中的各种现象并找出变
14、化规律。 这种研究如何将来自科学、工程、医学等领域 的抽象数据用图形表示的学科称为科学计算可视化 。可视化技术发展很快，已广泛应用于流体力学、 有限元分析、医学、遥感等领域。 三、地理信息系统与制图 地理信息系统是建立在地理图形之上的关于人 口分布、矿藏分布、森林覆盖、土地利用、旅游资 源、海洋地理、地形地貌、山川河流分布、区域规 划、城市交通、管线管网等综合信息管理系统。 目前，它在发达国家中已得到广泛应用，我国也对其开展了 广泛的研究与应用，全国数十所高校也纷纷设置地理信息系 统专业。在地理信息系统中，计算机图形技术被用来产生高 精度的上述各种资源的专题图，并为管理者提供有效的决策 和帮助
15、。 四、事务管理和办公自动化 无论是企业还是事业行政管理中，都存在着大量的图表 ，如作业进程表、生产产量表、库存表、销售统计图、生产 计划表，以及统计分析方面的各种图表。这些图表都可以用 计算机图形技术产生的直方图、饼图和折线图来表示。 在办公自动化方面，各国都非常重视。办公自动化系统 可以从联网的数据库中，取出所需要的数据，用清晰明了的 图表在屏幕上显示或在打印机、绘图仪上输出。 五、虚拟现实系统 虚拟现实又称为虚拟环境，是指由计算机实时 生成一个虚拟的三维空间。这个空间可以是小到分 子、原子的微观世界，或是大到天体的宏观世界， 也可以是类似于真实社会的生活空间。用户可以在 这个三维空间中“自由”地走动，随意地观察，并可 以通过一些特殊的设备与所处的虚拟景物进行交互 操作。 交互是多通道的、自然的，用来传递的信息可 以是某个操作、一个手势、一个眼神，也可以是一 个表情等。在此环境中，用户看到的是由计算机生 成的逼真图像，听到的是虚拟环境中的声音，身体 可以感受到虚拟环境所反馈的作用力，由此产生身 临其境的感觉。 虚拟现实技术主要研究用计算机模拟三维图形空间 ，并使用户能够
