第1章 计算机图形学简介

ComputerGraphics

计算机图形学

郭晓新

计算机科学与技术学院

2011-10-271

ComputerGraphics

第一章计算机图形学简介

第一节计算机图形学

第二节计算机图形学的起源

第三节计算机图形学的应用及发展动向

第四节图形系统的硬件

第五节计算机图形标准

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图形的基本概念

■对象：客观存在的实体。

可以是各种具体的、实在的物体，如家

具、机械零件、房屋建筑等，也可以是

抽象的、假想的事物，如天气形势、人

口分布、经济增长趋势等等。

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图形的基本概念

•模型：能够正确地表达出一个对象性质、

结构和行为的描述信息。

建模是计算机图形学的首要工作。模型,

由点、线、曲线、曲面、体元等各

种几何元素以及他们的组合构造。

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图形的基本概念

•图形基元：（简称“图元”——

Primitives）是基本的图形元素，指点、

线、/弧等，其信息包含图元的几何信

息与属性信息（颜色、线型、线宽等显

式属性和层次等隐式属性）。

•像素:（Pixel）或图像单元（Pels,

pictureelements）最基本的图元，其信息

包括点坐标与它的属性信息（颜色、灰

度、亮度等）。

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图形的基本概念

•图形(Graphics)：从客观世界物体中抽

象出来的带有颜色及形状信息的表示。

以矢量形式呈现。计算机中由场景的几

何模型和景物的物理属性表示的图形，

它更强调场景的几何表示，记录图形的

形状参数与属性参数。

例如,工程图纸(Drawing)。

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图形的基本概念

•图像(ImageorPicture)：以点阵形式呈

现。计算机中以具有颜色信息的点阵来

表示的图形，它强调图形由哪些点组成，

记录点及它的灰度或色彩。

例如，照片、扫描图片和由计算机产生

的真实感和非真实感图形等。

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图形的基本概念

•抽象图形的本质可以概括地说:

图形=图元+属性

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图形的基本概念

•简单来说，计算机图形学是指用计算机

产生对象图形的输出的技术。

•确切地说，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。

它综合了应用数学、计算机科学等多方

面的知识。

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图形的基本概念

计算机生成图形的过程：对象一模型一图形

本质上，计算机图形学研究两个问题：如何在计算机中

“建模（表示）”和“显示（绘制）”出多彩的客观

世

界：

（1）建模（表示）：建立对象的模型，即对该对象作出

所需的正确的信息描述。通俗地讲，是如何将客观世

界（几何）“放到”计算机中去——几何建模；

（2）显示（绘制）：利用计算机对这个模型进行各种必

要的处理，从无到有地产生出能正确反映对象的某种

性质的图形输出。通俗地讲，是如何将计算机中抽象

的“几何”用一种形象的（静态或动态的图形，含图

像）方式表现出来——几何的视觉实现。

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计算机图形学定义

・瑞士计算机科学家Wirth在1976年对“程

序”给出了如下定义：

算法+数据结构=程序。

・对计算机图形学给出如下定义：

计算机图形学=几何+绘制

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构成图形的要素

­构成图形的要素

-几何要素：刻画对象的轮廓、形状等

-非几何要素：刻画对象的颜色、纹理等

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计算机中表示图形的方法

-点阵表示

•枚举出图形中所有的点（强调图形由点构成）

■简称为图像（数字图像）

—参数表示

•由图形的形状参数（方程或分析表达式的系数，

线段的端点坐标等）+属性参数（颜色、线型等）来

表示图形

■简称为图形：

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计算机中表示图形的方法

从处理技术上来看，图形主要分为两

类，

•基于线条信息表示的，如工程图、

等高线地图、曲面的线框图等，

•明暗图(Shanding),也就是通常所说

实感图形。

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计算机图形学的总体架构

•数学基础(Math.Fuandemental),主要

是向量与几何变换，如几何建模时的三

维空间变换，绘制时的三维到二维的投

影变换和二维空间的窗口和视图变换等。

•几何(Geometry),三维及二维空间的

各种几何模型。可以是解析式表达的简

单形体，或是隐函数表达的复杂曲线、

曲面，也可以是面片表达的任意几何体

等等。

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计算机图形学的总体架构

•绘制(Rendering),几何的视觉实现

(决定几何的属性)过程。计算机图形

学典型的反走样、光照、纹理等理论和

算法均可被认为是对几何的绘制处理。

•交互技术(Interaction),交互技术提供

图形通讯手段，成为人机交互的主要工

具。

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与相关学科的关系

•图像处理(ImageProcessing)

•模式识别(PatternRecognition)

•计算几何(ComputationalGeometry)

•交互式计算机图形学(Interactive

ComputerGraphics)

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与相关学科的关系

•图像处理是指用计算机来改善图像质量

的数字技术。

•图像处理是指用计算机对图像进行处理,

以使其适应于某种特殊的需求的数字技

术。如CT扫描、X射线探伤等。

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与相关学科的关系

■图像处理：研究对象为数字图像

-对一幅连续图像采样、量化以产生数字图像,

-对数字图像做各种变换以方便处理，

-如何滤去图像中无用的噪声，

-如何压缩图像数据以便存储和传输，

-如何提取图像的物体边缘，

-如何增强图像的某些特征等。

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与相关学科的关系

•模式识别是指用计算机对输入图形进行

识别的技术。

•模式识别：是分析和识别输入的数字图

像并从中提取二维或三维的数据模型

（特征）的技术，如手写汉字识别。

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与相关学科的关系

•计算几何学是研究几何模型和数据处理

的学科。

•计算几何：研究几何形体在计算机内的

表示、分析和综合。包括曲线曲面的表

示、生成、拼接和造型，三维立体造型,

散乱数据插值，计算复杂性等。

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与相关学科的关系

•交互式计算机图形学：指用计算机交互

式地产生图形的技术。交互式绘图允许

操作人员以对话方式控制和操纵图形的

生成。图形可以边生成，边显示，边修

改，直到产生符合使用要求的图形为止。

交互式绘图可以使人的逻辑思维能力、

分析能力和计算机准确快速的计算能力

结合起来，从而发挥更大的威力，使人

们运用起来更加方便。

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与相关学科的关系

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与相关学科的关系

图像生成（计算机图形学）

数

数

据

字

图像变换模型变换

模

（图像处理）图（计算几何）

型

像

模型（特征）提取

（计算机视觉，模式识别）

发展特点:交叉、界线模糊、相互渗透

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Tn

第二节计算机图形学的起源

历史追溯

硬件发展

图形显示器的发展

图形输入设备的发展

图形软件及软件标准的发展

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•50年代

—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

附件诞生了。

■该显示器用一个类似于示波器的阴极射线管

(CRT)来显示一些简单的图形，

•主要用于图形输出，

•没有交互功能。

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匕Rs/元、

NAMEWhirlwind

MANUFACTURERMIT

TYPEProfessionalComputer

出VJr

ORIGINU.S.A.

YEARApril1951

ENDOFPRODUCTION1953

BUILTINLANGUAGENone

KEYBOARDFlexowritertypewriting/wordprocessingunit

CPUVacuumtubes

SPEED20KIPSinitially,increasedto40KIPSwithcorememory

CO-PROCESSORNone

RAM2K16-bitwords(Williams-KilbumstorageCRTinitially,core,1953)

VRAMNone

ROMBootloaderontogglepanel

一■

TEXTMODESNone___一一

GRAPHICMODES256x256v’一——-1

COLORSMonochrome4"2T

…▼,“IWO学

SOUNDYestfe-d百士

SIZE/WEIGHTTwostories/Severaltons二三」膻W■口

I/OPORTSNone3a1

Mr

BUILTINMEDIATape箭

OSNone谢号7翊

POWERSUPPLY1MWJ一』1

PERIPHERALSNone■r,、

PRICE$708,909

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•50年代

-1958年美国Calcomp公司由联机的数字记录

仪发展成滚筒式绘图仪，GerBer公司把数

控机床发展成为平板式绘图仪。

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•50年代

-在整个50年代，

•只有电子管计算机，

•用机器语言编程，

•主要应用于科学计算，

•为这些计算机配置的图形设备仅具有输出功能。

■计算机图形学处于准备和酝酿时期，并称之为:

“被动式”图形学。

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•50年代

—到50年代末期，MIT的林肯实验室在“旋风”

计算机上开发SAGE空中防御体系，第一次

使用了具有指挥和控制功能的CRT显示器，

操作者可以用笔在屏幕上指出被确定的目标。

与此同时，类似的技术在设计和生产过程中

也陆续得到了应用，它预示着交互式计算机

图形学的诞生。

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•60年代

-1963年，MIT林肯实验室的IvanE.

Sutherland发表了一篇题为"Sketchpad：

一个人机交互通信的图形系统”的博士论文,

•他在论文中首次使用了计算机图形学.

"ComputerGraphics”这个术语，证明了交互计

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，他也被人们称为“图形学之父”。

•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

为应用。

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Tn

第二节计算机图形学的起源

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•60年代

-1964年MIT的教授StevenA.Coons提出了被

后人称为超限插值的新思想，通过插值四条

任意的边界曲线来构造曲面。

-同在60年代早期，法国雷诺汽车公司的工程

部PierreB6zier发展了一套被后人称为

BGzier曲线、曲面的理论，成功轮角手几何

外形设计，二并开发了用于汽车外形设计的

UNISURF系统。

-Coons方法和B6zier方法是CAGD最早的开

创性工作。

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•60年代

-值得一提的是，计算机图形学的最高奖是以

Coons的名字命名的，而获得第一届(1983)

和第二届(1985)StevenA.Coons奖的，恰好

是IvanE.Sutherland和PierreBezier,这也

算是计算机图形学的一段佳话。

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•60年代

—60年代，CAD/CAM在计算机、汽车以及航

空工业领域被发展起来，出现了例如美国通

用汽车公司的辅助汽车设计的实用CAD系统,

但总的说，由于图形硬件设备非常昂贵，实

用技术也少，图形学还是一个很小的专业化

学科。

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•70年代

-70年代是计算机图形学发展过程中一个重要

的历史时期。由于光栅显示器的产生，在60

年代就已萌芽的光栅图形学算法，迅速发展

起来，区域填充、裁剪、消隐等基本图形概

念、及其相应算法纷纷诞生，图形学进入了

第一个兴盛的时期。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

入输出和大容量存储介质的出现，使得以小

型机为基础的图形系统进入市场并成为主流。

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•70年代

-图形软件标准化

■1974年，ACMSIGGRAPH的“与机器无关的图

形技术”的工作会议

•ACM成立图形标准化委员会，制定“核心图形

系统”(CoreGraphicsSystem)

•ISO发布CGI、CGM、GKS、PHIGS

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-真实感图形学

■1970年，Bouknight提出了第一个光反射模型

■1971年Gourand提出“漫反射模型+插值”的思

想，被称为Gourand明暗处理

■1975年，Phong提出了著名的简单光照模型-

Phong模型

-实体造型技术

•英国剑桥大学CAD小组的Build系统

・美国罗彻斯特大学的PADL-1系统

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•80年代

—1980年Whitted提出了一个光透视模型-

Whitted模型，并第一次给出光线跟踪算法的

范例，实现Whitted模型

-1984年，美国Cornell大学和日本广岛大学

的学者分别将热辐射工程中的辐射度方法引

入到计算机图形学中

-图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展

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•90年代：微机和软件系统的普及使得图形学的

应用领域日益广泛。

-标准化、集成化、智能化

-多媒体技术、人工智能、科学计算可视化、

虚拟现实

-三维造型技术

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图形学有关学术会议的发展

•ACMSIGGRAPH会议

-全称“theSpecialInterestGrouponComputer

GraphicsandInteractiveTechniques^

-60年代中期，由Brown大学的教授Andrie?

vanDam(Andy)和IBM公司的SamMatsa发

起

-1974年，在Colorado大学召开了第一届

SIGGRAPH年会，并取得了巨大的成功

-每年只录取大约50篇论文

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硬件发展

•图形显示器的发展

图形显示器是计算机图形学中关键的设备

•60年代中期：画线显示器（亦称矢量显示器）

需要刷新。设备昂贵，普及受到限制。

•60年代后期：存储管式显示器

不需刷新，价格较低，缺点是不具有动态修改

图形功能，不适合交互式。

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硬件发展

・70年代初，刷新式光栅扫描显示器出现，

大大地推动了交互式图形技术的发展。

•以点阵形式表示图形，使用专用的缓冲区

存放点阵，由视频控制器负责刷新扫描。

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硬件发展

图形输入设备的发展

-第一阶段：控制开关、穿孔纸等等

-第二阶段：键盘

-第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、

图形输入板、触摸屏等等，语音

-第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据

手套、数据衣），

-第五阶段：用户的手势、表情等等

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ComputerGraphics

7

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第三节计算机图形学的应用及发展动

计算机图形学的主要应用领域

•1.计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)

•2.可视化

•3.图形实时绘制与自然景物仿真

•4.计算机动画

•5.用户接口

•6.计算机艺术

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计算机辅助设计与制造（CAD/CAM

计算机图形学被用来进行土建工程、机械结

和产品的设计，包括设计飞机、汽车、船舶的

外形和发电厂、化工厂等的布局以及电子线路、

电子器件等。有时，着眼于产生工程和产品相

应结构的精确图形，然而更常用的是对所设计

的系统、产品和工程的相关图形进行人-机交

互设计和修改，经过反复的迭代设计，便可利

用结数据输出零件表、材料单、加工流程和

工艺,或者数据加工代码的指令。

•应用领域：飞机、轮船、汽车外形，大规模集

成电路，建筑，服装，玩具

・优点：设计周期短，成本低，质量高

2011-10-2749

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可视化

科菜计蠲普福鬲塞造雕和图发形展的趋形式势表，示提出取

最本质的特征。

•目标：用图形表现抽象的数据

•应用领域：医学，遥感，流场等等

2011-10-2750

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可视化

■1986年，美国科学基金会(NSF)专门召开】

一次研讨会，会上提出了“科学计算可视化

(VisualizationinScientificComputing)”。

第二年，美国计算机成像专业篓员会向NSF提

交了“科学计算可视化的研究报告”后，

VISC就迅速发展起来了。

・目前科学计算可视化广泛应用于医学、流体力

学、有限元分析、气象分析当中。

2011-10-2751

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图形实时绘制与自然景物仿真

在计算机中重现真实世界的场景叫做真实感绘

制。实感绘制的主要任务是模拟真实物体的

物理属性，简单的说就是物体的形状、光学性

质、表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相

对位置、遮挡关系等等。这其中光照和表面属

性是最难模拟的。实时的真实感绘制已经成为

当前真实感绘制的研究热点，而当前真实感图

形实时绘制的两个热点问题则是物体网格模型

的面片简化和基于图像的绘制(IBRImage

BasedRendering)。

2011-10-2752

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计算机动画

耨瞿髓髓嘉需疆髀霜画的艺

■计算机动画生成一幅幅静态的图像，但是每一

幅都是对前一幅做一小部分修改（如何修改便

是计篡机动画的研究内容），这样，当这些画

面连残播放时，整个场景就动起来了。

•电影，广告设计，电脑游戏也频频运用计算机

动画。计算机动画也因这些商业应用的大力推

动而有了底大的发展。

2011-10-2753

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计算机动画

•早期的计算机动画，在生成几幅被称做“关键

帧”的画面后，由计算机对两幅关键帧进行插

值生成若干“中间帧”，连续播放时两个关键

帧就被有机地结合起来了。

•近年来人们普遍将注意力转向基于物理模型的

计算机动画生成方法。该方法大量运用弹性力

学和流体力学的方程进行计算，力求使动画过

程体现出最适合真实世界的运动规律

2011-10-2754

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用户接口

・用户接口是介于使用者与硬件而设计彼此之间

互动沟通相关软件，目的在使得使用者能够方

便有效率地去操作硬件以达成双向之互动，完

成所希望借助硬件完成之工作，用户接口包含

了人机交互与图形用户接口，凡参与人类与机

械的信息交流的领域都存在着用户接口。

2011-10-2755

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用户接口

•用户接口是人们使用计算机的第一观感。一个

友好的图形化的用户界面能够大大提高软件的

易用性。

•在任何一台普通计算机上都可以看到图形学在

用户接口方面的应用。操作系统和应用软件中

的图形、动画比比皆是，程序直观易用。很多

软件几乎可以不看任何说明书，而根据它的图

形、或动画界面的指示进行操作。

■目前几个大的软件公司都在研究下一代用户界

面，开发面向主流应用的自然、高效多通道的

国总界面。图形学在其中起主导作用。,

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计算机艺术

•在真实感图形学发展的同时？模拼....一〜

感绘制(NPRNon-Photorealistictendering)也在逐

渐发展。

•优点：

-提供多种风格的画笔画刷

-瞿揖漆种多样的纹理贴图，甚至能对图像进行雾化，变形

-可立任意修改，取消败笔

•不足：

-无法达到传统绘画中风格化的艺术效果

-很难得到有素描效果、油画效果的艺术品

2011-10-2757

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图形学主要研究内容

•L图形的生成和表示技术。

-图形基元的显示

-消隐算法

-真实感图形的绘制

・2、图形的操作与处理方法。

-图形变换

-图形运算

2011-10-2758

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图形学主要研究内容

•3、图形输出设备与输出技术的研究。

-图形显示器及其技术的研究

-图形显示卡及其技术的研究

•4、图形输入设备、交互技术及用户接口技

术的研究。

-图形输入设备及其技术的研究

-图形用户界面的基本元素和交互对话技术的研

究

2011-10-2759

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图形学主要研究内容

•5、图形信息的数据结构及存储、检索方法。

-图形信息的各种机内表示方法，组织形式，存

取技术。

-图形数据库的管理。

-图形信息的通讯。

2011-10-2760

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图形学主要研究内容

•6、几何模型构造技术。

-刻画被处理对象几何性质的描述信息就构成它

的几何模型。

-研究几何模型的构造方法及性能分析等。

•7、动画技术。

-研究实现高速动画生成的各种软硬件方法、开

发工具、动画语言等。

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基于物理模型的计算机动画生成方法

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图形学主要研究内容

•8、图形软硬件的系列化、模块化和标准化

的研究

-当前主要有两种图形API

•Java的集成方法，图形与用户界面工具包被集成在

一起。

•优点：可移植性高，完全标准化，作为语言的一部

分得到支持。

2011-10-2763

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图形学主要研究内容

•8、图形软硬件的系列化、模块化和标准化

的研究

-当前主要有两种图形API

•Direct3D和OpenGL,绘图命令是软件库的一部分,

软件库与某种语言分离，而用户界面软件是独立的

实体，一般随系统不同而不同。调用时，软件库与

某种语言（如C++）绑定。

•核点：软件库独立性好，开发平台灵活，绘图效率

演JO

•缺点：不易编写可移植代码。

2011-10-2764

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图形学主要研究内容

•9、科学计算的可视化

-指应用计算机图形生成技术，将科学及工程计

算的结果以及测量数据等，以图形的形式在计

算机屏幕上显示出来，使人们能观察到用常规

手段难以观察到的自然现象和规律，实现计算

环境和工具进一步现代化。

2011-10-2765

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科学计算可视化

AirflowinsideaThunderStrom

(BobWilhelmson,Univ,ofIllinois

atUrbana-Champaign)

2011-10-2766

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第四节图形系统的硬件

计算机图形系统：

・计算机

•显示处理器(DPU)目前已被图形处理器替代

(GPU)

•图形显示器

•输入设备

・硬拷贝设备

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CPU的图形处理

•软件模拟，在CPU端完成

■执行串行工作，不适合图形渲染的并行处理

•大部分晶体管主要用于构建控制电路（如分支预

测）和Cache（缓存），只有少部分的晶体管来完

成实际的运算工作，速度上无法达到实时图形绘

制要求

•实时生成的三维图像很粗糙

•技术进步正在慢于摩尔定律

2011-10-2768

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GPU的图形处理

・GPU的控制相对简单，对Cache的需求小，大部

分晶体管可以组成各类专用电路、多条流水线。

•处理浮点运算的能力强。

•望术进步速度超过摩尔定律，每6个月其性能加

倍。。

2011-10-2769

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GPU的图形处理

s

d

o

i

o

GPU与CPU浮点处理能力对比

2011-10-2770

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GPU的图形处理

•第一代GPU(1995年)：

-硬件实现深度缓冲区(z-buffer)和纹理映射(texture

mapping)。z-buffer利由象素的深度决定遮挡关系，

从而消除隐藏面；利用纹理映射功能则可以十分逼真

地表达物体表面细节。在GPU上执行的图形操作被

称为硬件加速。

-3D图形实时渲染(主要指游戏)的速度、画质取得了一

个飞跃。

2011-10-2771

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GPU的图形处理

•第二代GPU(1999年)：

-包括了硬件级的图形几何变换与光照计算(transform

andlighting简称T&L或TnL)。而在此之前T&L都是

由CPU完成的。

-解决了系统的瓶颈，减轻了CPU的负荷，速度明显

七日*

J/E叵I。

2011-10-2772

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GPU的图形处理

•第三代GPU：

-2001年，引入了可编程vertexshader（顶点着色器）单元。紧接

着在2002年，可编程pixelshader（像素着色器）单元也加入了

GPUo

-在绘制时，

•GPU接收CPU以图元顶点形式发送的几何数据。

•由顶点着色器进行处理，完成几何变换与顶点属性计算等功能。

•三维空间的图元由一个固定功能的光栅生成器转换为二维屏幕上的像

素，每个像素的最终颜色值都通过在像素着色器上的小程序运算而得。

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图形流水线

图形流水线基本运算是把三维顶点位置映射到二维屏幕位置,

三国形进行明暗处理，使其看起来比较真实且按适当的前后层次

显小O

二维屏

二维屏

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2.CRT显示器工作方式

⑴随机扫描方式(画线显示器，矢量显示器)

(2)光栅扫描方式

随机扫描光栅扫描光栅扫描

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随机扫描方式

•随机扫描又称为矢量扫描或轨迹扫描。随机扫描

显示器又成为画线显示器。

•随机扫描方式：通过画出一系列线段来画出图形。

CRT的电子束沿箭头指出的路线点亮各线段，就

显示出一个多边形的轮廓。

・优点：画线速度快，产生图形分辨率高，

•缺点：难以产生具有多种灰度、色调能连续变化

的图形。

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光栅扫描方式

•光栅扫描又称为电视扫描。

•光栅扫描方式：CRT的电子束从屏的左上角开始由左向

右进行正向扫描，当扫到最右位置时迅速回到最左边位

置。电子束同时还进行自上而下的扫描，所以行扫描线

略向下倾斜，回扫后电子束到达下一行的左边位置。当

电子束如此逐行扫描到达屏面右下角时，即完成整个屏

幕的扫描。

•优点：能产生相当逼真的图形显示，已经成为当前最重

要的显示方式。

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电子束扫描过程示意图

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