计算机图形学基本知识

1、 计算机图形学计算机图形学：是研究怎样用计算机表示、生成、 处理和显示图形的一门学科。 图形按基本的处理技术划分只有两类： 线条，如工程图、地图、曲线图表等 明暗图，与照片相似 几个计算机图形学的相关概念几个计算机图形学的相关概念 ： 计算机图形 ：用计算机表示、生成、处理和 显示的对象。由几何数据和几何模型利用计算 机进行存储、显示，并修改、完善后形成。 图像处理 ：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，如 CT扫描、X射线探伤等 模式识别 ：对所输入的图像进行分析和识 别，找出其中蕴涵的内在联系或抽象模型， 如邮政分拣、地形地貌识别等 计算几何 ：研究几何模型和

2、数据处理的学 科，探讨几何形体的计算机表示、分析和 综合 数 字 图 像 数 据 模 型 计算机图形 模型识别 计算几何 图像处理 计算机图形学的研究起源于美国麻省理工学院计算机图形学的研究起源于美国麻省理工学院,从从20世世 纪纪50年代初期到年代初期到60年代中期，美国麻省理工学院积极年代中期，美国麻省理工学院积极 从事现代计算机辅助设计从事现代计算机辅助设计/制造技术的开拓性研究。制造技术的开拓性研究。 1952年，在该校诞生了世界上第一台数控铣床的原型。年，在该校诞生了世界上第一台数控铣床的原型。 随后，麻省理工学院发展了随后，麻省理工学院发展了APT，这演变成国际上最，这演变成国际上

3、最 通用的加工编程工具。通用的加工编程工具。 1964年，孔斯年，孔斯(Steve Coons)在麻省理工学院提出了用在麻省理工学院提出了用 小块曲面片组合表示自由型曲面时使曲面片边界达到小块曲面片组合表示自由型曲面时使曲面片边界达到 任意高次连续阶的理论，此方法得到工业界和学术界任意高次连续阶的理论，此方法得到工业界和学术界 的极大推崇，称之为孔斯曲面。的极大推崇，称之为孔斯曲面。 1962年第一台光笔交互式图形显示器在美国麻省理工年第一台光笔交互式图形显示器在美国麻省理工 学院林肯实验室研制成功，学院林肯实验室研制成功， 在美国工业界，研制交互式图形显示器的工作也同时在美国工业界，研制交互

4、式图形显示器的工作也同时 开展，其中所起作用最重要的是开展，其中所起作用最重要的是IBM公司公司 在1964年秋， IBM公司推出了IBM 2250显示器。 洛克希德飞机公司利用IBM 2250施行开发的 CADAM绘图加工系统，成为目前IBM主机上应 用最广的CAD/CAM软件。 IBM 2250在1978年前后改型为IBM 3250，1984年 又改型为IBM 5080，采用光栅扫描技术 。 20世纪60年代末和70年代初，美国Tektronix公司 发展了存储管技术。 由于大规模集成电路技术的发展和专用图形处理 芯片的出现，光栅扫描型显示器的质量越来越好， 价格越来越低，已成为图形显示器

5、的常规形式。 在图形显示技术发展的历程中，需要强调两家公司的产品，在图形显示技术发展的历程中，需要强调两家公司的产品， 这就是这就是Evans & Sutherland公司的公司的PS 300型和型和Silicon Graphics公司的公司的IRIS型显示设备。型显示设备。 PS 300采用数据驱动式原理；图形处理中的矩阵运算 和其他基本算法使用3个位片处理机组成的流水线。 三维物体轮廓线的显示亮度可以随距离远近而变化，离 眼睛越远的部分线条越淡，这样可更好地体现出立体图 的真实感。 Silicon Graphics公司的IRIS工作站采用数字成像工作原 理。此后，其他公司纷纷效仿。这种持续

6、不断的提高显 示画面质量、加快交互速度的努力会继续进行，必将进 一步推动计算机图形学技术的飞速发展。 Spacewars: first computer graphics game (MIT 1961)SketchPad: first interactive graphics (1961) Whirlwind: early graphics using VectorScope (1951)first CAD system (IBM 1959) 随着计算机图形学的不断发展，它的应用范围也日趋随着计算机图形学的不断发展，它的应用范围也日趋 广泛。目前，计算机图形学应用领域主要有以下几种广泛。目前，

7、计算机图形学应用领域主要有以下几种: : 计算机动画和艺术计算机动画和艺术 计算机辅助设计与制造计算机辅助设计与制造(CAD/CAM) 地形地貌和自然资源图地形地貌和自然资源图 用户接口用户接口 分析计算及视图中的应用分析计算及视图中的应用 6. 游戏游戏 用户接口用户接口 Macintosh微机首先在商品化产品上用形象的图形表 示操作命令，使得普通用户也会用计算机画图、作日常 计算，打破了人们对操作计算机所持的神秘感。图文形 式相结合大大改善了计算机交互操作的用户界面，开辟 了计算机应用的很多新领域。 Fastest browser on the Mac 计算机辅助设计与制造计算机辅助设计与

8、制造(CAD/CAM) 交互图形工作站在机械、电子、建筑等行业中迅速取 代绘图板加丁字尺的传统设计方法，担负起繁重的日常绘 图任务、总体方案的优化、细节设计等工作。 机械CAD系统所生成 的零件、装配件 boeing777 计算机辅助设计与制造计算机辅助设计与制造(CAD/CAM) (续续) 地形地貌和自然资源图地形地貌和自然资源图 我国正在筹建国土基础信息系统，此系统是国家 经济信息系统的组成部分。 成三维的地形地貌图 计算机动画已经成为计算机图形学的一个分支，并逐 步进入实用阶段。 1996 Independence Day 因起可视效果获oscar. 计算机动画和艺术计算机动画和艺术 分

9、析计算及视图中的应用分析计算及视图中的应用 既可用二维曲线图表和三维模型，也有彩色高维几何表示 分析计算及视图中的应用分析计算及视图中的应用( (续续) ) 常用的图形输入设备分为两种：常用的图形输入设备分为两种： 向量型图形输入设备向量型图形输入设备 它采取跟踪轨迹、记录坐标点的方法输入图形。 常用的有数字化仪、鼠标器、光笔等。 光栅扫描型图形输入设备光栅扫描型图形输入设备 它采取逐行扫描、按一定密度采样的方式输入图 形。 常用的有扫描仪和摄像机。 图形输入设备的功能可分为图形输入设备的功能可分为6类：类： 确定点坐标即定位 确定一系列点的坐标即笔划 确定数值 进行选择 进行图形识别 识别字

10、符串 几种主要图形输入设备几种主要图形输入设备 键盘键盘 鼠标鼠标 : : 1)光电式鼠标 2)机械式鼠标 3. 3. 坐标数字化仪坐标数字化仪: : 机械式坐标数字化仪 2)2)超声波式坐标数字化仪 3)全电子式坐标数字化仪 4)4)三维数字化仪 光笔光笔 触摸屏触摸屏: : 电阻式和电容式 2)2)红外线式 3) 声表面波式 图形扫描仪图形扫描仪: : 扫描仪通过光电转换、点阵采样的方式，将一幅画 面变为数字图像 美国CALCOMP公司 生产的数字化仪 LightPen MouseKeyboard Display Graphics System Application Program In

11、terface (API) Graphics Application Joystick 常用的图形输入设备常用的图形输入设备 常用的图形输出设备分为两类：常用的图形输出设备分为两类： 向量型向量型 向量型设备的作画机构随着图形的输出形状而 移动 并成像 光栅扫描型光栅扫描型 光栅扫描型设备的作画机构按光栅矩阵方式扫 描整 张图面，并按输出内容对图形成像。 几种图形输出设备介绍几种图形输出设备介绍 1. 1. 阴极射线管阴极射线管 阴极射线管通常利用电磁场产生高速的、经过聚焦的电 子束，使其偏转到屏幕的不同位置以轰击屏幕表面的荧 光材料而产生可见图形 。 其主要组成部分如下其主要组成部分如下：

12、阴极 当它被加热时，发射电子。 控制栅 控制电子束偏转的方向和运动速度。 加速结构 用以产生高速的电子束。 聚焦系统 保证电子束在轰击屏幕时，汇聚成很细的点。 偏转系统 控制电子束在屏幕上的运动轨迹。 荧光屏 当它被电子轰击时，发出亮光。 所有这些部件都封闭在一个真空的圆锥形玻璃壳内， 其结构如图所示: 阴极射线管的组成 2. 2. 显示器显示器 随机扫描显示器随机扫描显示器 逻辑框图如图所示: 随机扫描图形显示器的逻辑框图 彩色阴极射线管彩色阴极射线管 通过把发出不同颜色的荧光物质进行组合而实现的。 通常用射线穿透法和影孔板法实现彩色显示。 存储管式图形显示器存储管式图形显示器 随机扫描图形

13、显示器使用一个独立的存储器来存储图形 信息，然后不断地取出这些信息来刷新屏幕。由于存取 信息速度的限制，使得显示稳定图形时的画线的长度受 到限制，且造价较高。针对这些问题，20世纪70年代后 期发展了利用管子本身来存储信息的技术，这就是存储 管技术 存储管式显示器的一般结构如图所示: 光栅扫描式图形显示器光栅扫描式图形显示器 光栅扫描式图形显示器(简称光栅显示器)是画点设备， 可看作是一个点阵单元发生器，并可控制每个点阵单 元的亮度。 光栅扫描式图形显示器的直线显示效果 它不能直接从单元阵列中的一个可编址的像素画一条 直线到另一个可编址的像素，只能用尽可能靠近这条 直线路径的像素点集来近似地表

14、示这条直线。 一个黑白光栅显示器的工作状况图一个黑白光栅显示器的工作状况图 : 在光栅图形显示器中，需要有足够的位面和帧缓冲存储 器结合才能反映图形的颜色和灰度等级。 具有颜色查找表的N位面 灰度等级帧缓冲存储器 为了限制帧缓冲存储器的增加，可采用颜色查找表来提为了限制帧缓冲存储器的增加，可采用颜色查找表来提 高灰度级别，如图所示高灰度级别，如图所示: : 具有颜色查找表的N位面灰度等级帧缓冲存储器 彩色光栅显示器的工作状况图彩色光栅显示器的工作状况图: : 全色光栅显示器工作状况图全色光栅显示器工作状况图: : 配有颜色查找表的全色帧缓冲存储器配有颜色查找表的全色帧缓冲存储器 : 具有具有3

15、个位面的帧缓冲存储器的颜色表个位面的帧缓冲存储器的颜色表 : 红(R)绿(G)蓝(B) 黑(Black)000 红(Red)100 绿(Green)010 蓝(Blue)001 黄(Yellow)110 青(Cyan)011 紫(Magenta)101 白(White)111 液晶显示器液晶显示器(LCD) 液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display)与其他显示器不 同，它是由6层薄板组成的平板式显示器。 等离子显示器等离子显示器 等离子显示器是用许多小氖气灯泡构成的平板阵列， 每个灯泡处于“开”或“关”状态。 等离子显示器的结构 几种显示技术的比较如表所示几种显示技术的比较如表所示: : 性质 阴极射 线管 等离子 显示器 液晶显 示器 性质 阴极射 线管 等离子 显示