计算机图形学概述

第1章计算机图形学概述内容提要计算机图形学的基本概念计算机图形学的发展计算机图形学的应用计算机图形的发展趋势1．1计算机图形学的基本概念1.计算机图形学的定义：计算机图形学（ComputerGraphics，简称CG）是利用计算机处理图形信息的一门学科，包括图形信息的表示、输入输出与显示、图形的几何变换、图形之间的运算以及人机交互绘图等方面的技术。计算机图形学既是一门科学，它包括一些数学基础和理论，又是一门技术，包括一些技巧和方法。掌握计算机图形学的理论和技术，有助于编写界面更为优美的应用程序，设计出逼真的图形或图案。2.计算机图形学的研究领域和目标计算机图形学的研究领域包括以下几个方面：

(1)图形系统的硬件设备，如图形处理器、图形输入输出设备，特别是图形显示和打印设备；

(2)基本图元的生成技术，如直线、园狐、曲线和曲面等；

(3)图形变换技术，包括二维几何变换、三维几何变换和投影变换等；

(4)人机交互绘图技术，如窗口技术、橡皮筋技术等；

(5)图形运算和处理技术，如图形的裁剪、填充等；(6)实体造型技术和真实图形的表示，如消隐技术、色彩技术等3.学习计算机图形学的目标根据用户和计算机图形系统的关系，可以把利用计算机图形学的用户分为三组：一是图形系统的设计者，二是应用程序员，三是图形系统的操作员图形理论的研究与软件包的实现者，如GKS、Core设计专业图形应用软件者，如Photoshop、AutoCAD产品设计者利用专业图形软件设计各种产品理论研究与系统实现者图形设计程序员产品设计人员

计算机图形学的目标在于培养前两种人才，即理论研究与系统实现者和图形设计程序员，研究图形学新的理论和技术，编写各种专业图形处理软件，供产品设计人员使用。4.图形与图像

图形（Graphics）和图像（Image）

图形考虑的是几何信息及其拓扑关系，如图形的顶点坐标，图形各边、面之间的连接关系以及各种属性信息等。图形系统的基本单位是图元，任何复杂的图形都是由简单的图元组成的。图形文件保存的是各个图元的几何信息和属性，当打开图形文件时，图形系统再实时地生成图形。图像一般是通过摄像机、数码相机或扫描仪等设备输入的图片，图像处理的基本单位是像素（Pixel），通过每个像素的颜色的变化从而显示出一幅美丽的图案。

计算机图形学是以图形为研究对象，从图形的几何信息和拓扑关系来研究图形的生成、显示、修改和存储，以及图形之间的运算和处理技术。4.图形与图像之间的关系

程序和数据交互设备摄像或扫描图像显示或输出图形图像图形处理图像处理图像转换图形识别1．2计算机图形学的起源与发展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1958年美国Calcomp公司发明了滚筒式绘图仪，GerBer公司研制出了平板式绘图仪1962年，MIT林肯实验室的I.E.萨瑟兰德(I.E.Sutherland)发表了一篇题为“Sketchpad:一个人-机通信的图形系统”的博士论文，首次使用了计算机图形学（ComputerGraphics）这个术语

60年代中期，美国的MIT、通用汽车公司、贝尔实验室和洛克希德等众多的公司纷纷开展了计算机图形学的应用和研究70年代是计算机图形学技术进入实用化阶段，美国苹果公司的Macintosh、IBM公司的PC，Apollo、SUN公司的工作站都配备了图形系统；在80年代，配备有光栅图形显示器的个人计算机和工作站已相当普及，不仅在工业、管理、艺术领域发挥巨大的作用，而且图形系统已进入了家庭，如计算机家庭教育和游戏；90年代至今，计算机图形学朝着标准化、集成化和智能化的方向发展。丰富多彩的Web网页更加激励了计算机图形学的应用，科学计算的可视化、虚拟现实技术等新兴课题又向计算机图形学提出了更新更高的要求计算机图形学软件的发展计算机图形软件系统概括起来主要有以下三种：（1）用现有的某种计算机语言写成的图形子程序包，如GKS，PHIGS，GL等；（2）扩充某一种计算机语言，使其具有图形生成和处理功能；（3）专用的图形系统。对于某种类型的设备，可以配备专用的图形生成语言，如HP-PLOT图形语言。计算机图形学在我国的发展

我国开展计算机图形设备和计算机辅助设计方面的研究始于60年代中后期。进入80年代以来，计算机图形学无论是在理论研究，还是在实际应用的深度和广度方面，都取得了令人可喜的成果。（1）在图形设备方面，我国陆续研制出各种型号的绘图机、坐标数字化仪、图形显示器和图形工作站，并已批量生产投入市场。（2）计算机图形系统的软件开发能力日益增强，应用范围日益广泛和深入。其中二维交互式绘图软件已进入商品阶段，三维几何造型在国内也有几个使用的版本，在图形学理论方面也取得了令人瞩目的成绩。（3）与计算机图形学有关的学术活动在我国也很活跃。在计算机学会、工程图学学会、自动化学会、电子学会等国家一级学会下面都设有与计算机图形学相关的二级分会，并定期举办全国的学术活动。与计算机图形学有关的学术刊物有“计算机辅助设计与图形学学报”、“工程图学学报”、“计算机辅助工程”、“计算机集成制造系统”等。计算机图形学在我国的发展但是，我们应当清醒地认识到国内的研究和应用水平与国际上发达国家相比还相差甚远，其主要原因是我国缺乏大量这方面高水平的人才，精通计算机图形学的工程技术人员不够，因而影响了计算机图形学这门学科在我国的推广应用。要使计算机图形学在我国国民经济中发挥应有的作用，培养计算机图形学的研究、设计和应用等多方面的人才是关键。1．3计算机图形学的应用计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）用户界面科学计算的可视化工业模拟、控制和仿真计算机动画、广告和影视艺术地形地貌和自然资源的图形显示办公自动化和电子出版系统计算机辅助教学和Web网页1．4计算机图形学的发展动向计算机图形学是通过算法和程序在显示器上构造出图形的一种技术，其中有三个关键的技术，即实体造型技术、真实图形的生成技术和人-机交互技术，这三种技术也是今后计算机图形学的发展趋势。

1．5小结计算机图形学作为图形显示和处理的一门学科，具有很深的数学理论基础和实用方法和技术。可以这样说，数学能够培养逻辑思维和空间想象能力，它将现实世界中的物体逻辑化和符号化，如圆形表示成X2+Y2=R2的形式。而计算机图形学则正好相反，它是利用计算机将物体的数学表示以图形的方式在计算机屏幕上显现出来。计算机图形学的基础是数学，任何图形的显示都必须首先构造出数学模型，然后再通过算法程序实现图形的显示和处理。另一方面，为了在计算机上显示和处理复杂的图形，要