计算机图形学的发展简史

计算机图形学的发展简史

第一章图形设备、系统和应用

2024/5/30主要内容：计算机图形学概念与研究内容计算机图形学的发展简史计算机图形学的应用常用的图形设备当前研究热点2024/5/303计算机图形学概念与研究内容（1）什么是计算机图形学？利用计算机研究图形的表示、生成、处理、显示的学科；计算机科学中，最为活跃、并得到广泛应用的分支之一；图形：计算机图形学的研究对象；能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象；包括自然景物、拍摄的图片、用数学方法描述的图形等等；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、材质等。2024/5/304计算机图形学概念与研究内容（2）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；计算机图形学研究内容：(输入、处理、输出）图形的输入：如何利用图形输入设备及软件将图形输入计算机中去，并作各种处理；2024/5/305计算机图形学概念与研究内容（3）图形的处理包括对图形进行变换(几何变换，投影变换)、运算（集合运算）、着色、形变等…图形的输出将图形的表示形式转换成图形输出系统能够接受的表示形式，并将图形在显示屏或打印机等输出设备上输出。图形与图像的关系图像纯指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息；图形含有几何属性，更强调场景的几何表示，由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成；图形主要分为两类：基于线条的信息表示明暗图(Shading)2024/5/306计算机图形学概念与研究内容（4）计算机辅助几何设计（CAGD，ComputerAidedGeometricDesign）几何形体在计算机中的表示与分析；研究如何灵活地建立几何形体的数学模型，提高算法效率，以更好地存储和管理模型等；研究曲线、曲面的表示、生成、拼接、数据拟合；图像处理：如何对一幅连续图像取样、量化以产生数字图像；对数字图像做各种变换以方便处理；滤去图像中的无用噪声；压缩图像数据以便于存储和传输、图像边缘提取、特征增强和提取等；计算机视觉与模式识别图形学的逆过程，分析和识别输入的图像并从中提取二维或三维的数据模型（特征）。手写体识别、机器视觉；2024/5/307计算机图形学概念与研究内容（5）其它研究内容：三维景物表示，包括曲线曲面的造型，实体造型，以及纹理、云彩、波浪等自然景物的造型与模拟；三维场景表示，包括光栅图形生成算法、线框图形和真实感图形的理论和算法；图形信息的存储,检索与交换技术：包括几何和图形数据的存储，数据压缩与解压缩；基于图像和图形的混合绘制技术；图形的操作与处理方法;人机交互与用户接口技术：包括可视化技术;动画技术;图形硬件与输出技术;图形标准与图形软件包的研究开发;虚拟现实技术;......2024/5/308主要内容：计算机图形学概念与研究内容计算机图形学的发展简史计算机图形学的应用常用的图形设备当前研究热点2024/5/309计算机图形学的发展简史（1）历史追溯1950年，MIT，旋风一号（WhirlwindI）计算机的图形显示器，类似于示波器的CRT来显示简单图形。－CRT的出现为计算机生成和显示图形提供了可能；50年代末期，MIT林肯实验室，在Whirlwind上开发SAGE空中防御系统，通过光笔在屏幕上指点与系统交互。－标志着交互式图形技术的诞生；1962年MIT林肯室验室Ivan.E.Sutherland的博士论文：“Sketchpad：一个人机通信的图形系统”

。－确定了交互图形学作为一个学科分支（提出基本交互技术、图元分层表示概念及数据结构…)；60年代：MIT、BellLab、通用汽车公司、剑桥大学开展大规模的研究。－计算机图形学被确立并得到迅速发展；2024/5/3010计算机图形学的发展简史（2）70年代进入技术实用化：光栅图形学迅速发展区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念及相应算法纷纷诞生；图形软件标准化1974年，ACMSIGGRAPH的与“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；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”思想，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；2024/5/3011计算机图形学的发展简史（3）80年代初，图形学依然是较小的学科，原因是图形硬件设备十分昂贵，且基于图形的应用相对较少。后来，情况发生了变化……；1980年Whitted提出了一个光透视模型：Whitted模型，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；图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展；2024/5/3012计算机图形学的发展简史（4）硬件发展之......图形显示器的发展：图形显示器是计算机图形学中关键设备；60年代中期：画线显示器（亦称矢量显示器）：缺点：需要刷新，设备昂贵，限制普及；60年代后期：存储管式显示器：优点：不需刷新，价格较低，缺点：图形不具有动态修改功能，不适合交互；70年代初，出现刷新式光栅扫描显示器以点阵形式表示图形，采用专用缓冲区存放点阵，由视频控制器负责刷新扫描；极大推动了交互式图形技术的发展：画线显示器（矢量显示器/随机扫描显示器）存储管式显示器刷新式光栅扫描显示器2024/5/3013计算机图形学的发展简史（5）硬件发展之......图形输入设备的发展：（五个阶段）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），用户的手势、表情等等;第五阶段：用户的思维;2024/5/3014计算机图形学的发展简史（6）图形软件发展及软件标准形成计算机图形软件系统的种类：三种1)用某种语言写成的子程序包：GKS(GraphicsKernelSystem)、PHIGS(Programmer’sHierarchicalInteractiveGraphicssystem)、OpenGL......；2)扩充计算机语言，使其具有图形生成和处理的功能:TurboPascal,TurboC,AutoLisp等。

特点：简练、紧凑、执行速度快，但不可移植；3)专用图形系统：效率高，但系统开发量大，可移植性差；发展历程：诸侯割据标准讨论标准形成2024/5/3015计算机图形学的发展简史（7）通用、与设备无关的图形包，图形标准：GKS(GraphicsKernelSystem)(第一个官方标准，1977)PHIGS(Programmer’sHerarchicalInteractiveGraphicssystem)一些非官方图形软件，广泛应用于工业界，成为事实上的标准：DirectX(MS)Xlib(X-Window系统)OpenGL(SGI)Postscript

（Adobe）发展趋势:开放、高效2024/5/3016主要内容：计算机图形学概念与研究内容计算机图形学的发展简史计算机图形学的应用常用的图形设备当前研究热点2024/5/3017计算机图形学的应用（1）图形用户界面

介于人与计算机之间，人与机器的通信，人机界面（HCI）：软件＋硬件;发展：由指示灯和机械开关组成的操纵界面→由终端和键盘组成的字符界面（80年代）→由多种输入设备和光栅图形显示设备构成的图形用户界面（GUI）：PC，工作站，WIMP(W-windows、I-icons、M-menu、P-pointingdevices)界面，所见即所得→虚拟现实（VR）技术（发展方向）;由计算机发展决定：科学计算型→无处不在的计算机，人机溶合，提高交互效率；专门学科：“人机交互技术”2024/5/3018计算机图形学的应用（2）计算机辅助设计与制造CAD/CAM（1）计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域：飞机、汽车、船舶的外形的设计；发电厂、化工厂等的布局;土木工程、建筑物的设计;

电子线路、电子器件的设计;设计结果直接送至后续工艺进行加工处理，如波音777飞机的设计和加工过程;......2024/5/3019计算机图形学的应用（3）计算机辅助设计与制造CAD/CAM（2）网络环境下进行异地异构系统的协同设计现代产品设计不再是设计领域内孤立的技术问题，而是综合了产品各个相关领域、相关过程、相关技术资源和相关组织形式的系统化工程;从设计开始就考虑产品生命周期的全部因素，以达到快速响应市场需求的目的；协同设计使企业生产的时空观发生了根本的变化；异地设计、异地制造、异地装配为企业在市场竞争中赢得了宝贵的时间；基于工程图纸的三维形体重建定义：从二维信息中提取三维信息，通过信息进行分类、综合等处理，在三维空间中重新构造出二维信息对应的三维形体，恢复形体的点、线、面及其拓扑关系，从而实现形体的重建；优势：可以做装配件的干涉检查、以及有限元分析、仿真、加工等后续操作，代表CAD技术的发展方向；2024/5/3020计算机图形学的应用（4）可视化

海量数据使得人们对数据的分析和处理变得越来越难，用图形表示数据的迫切性与日俱增；1986年，美国科学基金会（NSF）专门召开了一次研讨会，会上提出了“科学计算可视化（VisualizationinScientificComputing）”科学计算可视化(ScientificVisualization)必要性：直接分析大量的测量数据或统计数据有困难；目标：用图形表现抽象的数据；应用领域：医学图象重建，遥感，流场、气象、核爆模拟，有限元分析…信息可视化：信息流量，商业统计数据，股市行情…2024/5/3021计算机图形学的应用（5）

真实感图形实时绘制与自然景物仿真计算机中重现真实世界的场景叫做真实感绘制；真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；

光照模型：简单光照模型、局部光照模型、整体光照模型...；

绘制方法：光线跟踪、辐射度；

加速算法：包围体树、自适应八叉树等等；当前研究热点：真实感图形实时绘制：基于图象的绘制(IBR，ImageBasedRendering)等；野外自然景物的模拟2024/5/3022计算机图形学的应用（6）地理信息系统（GIS）建立在地理图形之上的关于各种资源的综合信息管理系统;

数字地球，地形数据作为载体，（70％）全球信息化;

数字城市：数字港城（上海）；军事，政府决策，旅游，资源调查；计算机动画近十多年来取得了快速发展，已渗透到人们生活的各个角落；商业广告、影视特技/片头、动画片；教育、军事、飞行模拟等；分类：二维动画：图象变形、形状混合等；三维动画：关键帧动画、变形物体的动画、过程动画、关节动画与人体动画等；2024/5/3023计算机图形学的应用（7）多媒体对多种媒体信息进行生成、操作、表现、存储、通信、或集成的信息系统，其中媒体至少应包括一种“连续媒体”及一种“离散媒体”；常见媒体：文本、图形、图像、语音、音频、视频、动画；特点：媒体的多样性、操作的交互性、系统的集成性；用户接口是人们使用计算机的第一观感。友好的图形化的用户界面能够大大提高软件的易用性；图形学已经全面融入，很多软件几乎可以不看任何文档，根据其图形、或动画界面的指示即可进行操作；目前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、高效多通道的用户界面。研究多通道语义模型、多通道整合算法及其软件结构和界面范式是当前用户界面和接口方面研究的主流方向，而图形学在其中起主导作用。2024/5/3024计算机图形学的应用（8）计算机艺术用计算机软件从事艺术创作；二维平面的画笔程序（如CorelDraw，Photoshop，PaintShop）；图表绘制软件（如Visio）；三维建模和渲染软件包（如3DMAX，Maya）、以及一些专门生成动画的软件（如Alias，Softimage）；优点：提供多种风格的画笔画刷；提供多种多样的纹理贴图，甚至能对图象进行雾化，变形等操作；可以任意修改，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；2024/5/3025计算机图形学的应用（9）VirtualReality（虚拟现实、灵境）VR或称虚拟环境（VirtualEnvironment)是用计算机技术生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界，让用户可以从自身的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这个的虚拟世界客体进行浏览和交互考察；输入输出设备；在线虚拟现实：虚拟现实建模语言VRML娱乐电脑游戏实时性；逼实性；蕴含了先进的图形处理技术；电视广告，节目片头，科教演示（CAI）2024/5/3026主要内容：计算机图形学概念与研究内容计算机图形学的发展简史计算机图形学的应用常用的图形设备当前研究热点2024/5/3027常用的图形设备（1）图形显示设备图形输出包括图形显示和图形绘制：图形显示指的在屏幕上输出图形；图形绘制通常指把图形画在纸上，也称硬拷贝。打印机和绘图仪是两种最常用的硬拷贝设备；彩色CRT显示器：CRT（CRTCathode－RayTube，阴极射线管）；组成：电子枪聚焦系统加速系统磁偏转系统2024/5/3028常用的图形设备（2）CRT工作原理：高速的电子束由电子枪发出，经过聚焦系统、加速系统和磁偏转系统就会到达荧光屏的特定位置。荧光物质在高速电子的轰击下会发生电子跃迁，即电子吸收到能量从低能态变为高能态。高能态很不稳定，很短的时间内，荧光物质的电子会从高能态重新回到低能态，这时将发出荧光，屏幕上的那一点就会亮了；－》要保持显示一幅稳定的画面，必须不断地发射电子束；CRT显示器的简易结构图2024/5/3029常用的图形设备（3）电平控制器：控制电子束的强弱，加上正电压时，电子束就会大量通过，在屏幕上形成较亮的点；控制电平加上负电压时，依据电压的大小，电子束被部分或全部阻截，通过的电子很少，屏幕上的点就比较暗；聚焦系统：是个电透镜，能使大量电子聚集于一点；加速阳极：使电子达到轰击激发荧光屏应有的速度，由磁偏转系统来达到指定位置；电子束要到达屏幕的边缘时，偏转角度就会增大。到达屏幕最边缘的偏转角度被称为最大偏转角；CRT显示器屏幕越大整个显象管就越长；刷新频率刷新一次是指电子束从上到下扫描一次的过程；刷新频率高到一定值后，图象才能稳定显示；隔行扫描与逐行扫描；2024/5/3030常用的图形设备（4）电子束扫描过程示意图2024/5/3031常用的图形设备（5）CRT显示彩色的原理彩色CRT显示器的荧光屏上涂有三种荧光物质，分别能发红、绿、兰三种颜色光。电子枪也发出三束电子束来激发这三种物质，中间通过一个控制栅格来决定三束电子到达的位置;三束电子经过荫罩的选择，分别到达三个荧光点。通过控制三个电子束的强弱就能控制屏幕上点的颜色;2024/5/3032常用的图形设备（6）球面显示器与柱面显示器

普通显象管采用的是荫罩式显象管，表面呈略微凸起的球面状，故称之为“球面管”。

柱面显象管采用荫栅式结构，表面在水平方向仍然略微凸起，但在垂直方向上却是笔直的，呈圆柱状，称为“柱面管”常用的荫栅式显象管有日本索尼公司的特丽珑管（Trinitron）和三菱公司的钻石珑管（Diamondtron）荫栅式彩色CRT显色原理2024/5/3033常用的图形设备（7）球面显示器与柱面显示器

普通显象管采用的是荫罩式显象管，表面呈略微凸起的球面状，故称之为“球面管”。

柱面显象管采用荫栅式结构，表面在水平方向仍然略微凸起，但在垂直方向上却是笔直的，呈圆柱状，称为“柱面管”常用的荫栅式显象管有日本索尼公司的特丽珑管（Trinitron）和三菱公司的钻石珑管（Diamondtron）LCD显示器CRT固有的物理结构限制了它的发展:屏幕加大－》显象管加长－》显示器的体积加大－》受到使用空间的限制；CRT利用电子枪发射电子束产生图像－》易受电磁波干扰；电磁辐射会对健康产生不良影响2024/5/3034常用的图形设备（8）LCD显示器的优点：外观小巧精致，厚度为6.5－8cm左右；不会产生CRT那样由于刷新频率低而出现的闪烁；工作电压低，功耗小，节约能源；无电磁辐射，对人体健康没有任何影响；LCD显示器的基本原理：液晶是介于液体和固体之间的特殊物质，具有液体的流态性质和固体的光学性质。当液晶受到电压的影响时，会改变它的物理性质而发生形变，此时通过它的光的折射角度就会发生变化，产生色彩；液晶屏幕后面有个背光，这个光源先穿过第一层偏光板，再到液晶体上，当光线透过液晶体时，会产生光线的色泽改变，从液晶体射出来的光线，还必须经过一块彩色滤光片以及第二层偏光板；2024/5/3035常用的图形设备（9）液晶显示方式：主动式和被动式

被动式液晶屏幕有STN（SuperTN超扭曲向列LCD）和DSTN（DoublelayerSuperTN双层超扭曲向列LCD）等；主流的主动式液晶屏幕是TFT（ThinFilmTransistor薄膜晶体管）；主动式液晶显示器使用FET场效晶体管以及共通电极－》可以让液晶体在下次电压改变前一直保持电位状态－》主动式液晶显示器不会产生在被动式液晶显示器中常见的画面延迟现象等；LCD显示器的基本指标：可视角度：视线与屏幕中心法向成一定角度时，就不能清晰地看到屏幕图象，而能看到清晰图象的最大角度称为可视角度。一般指左右两边最大角度相加；点距与分辨率：点距指两个液晶颗粒（光点）的间距，一般0.28－0.32mm就能得到较好的显示效果；分辨率指其真实分辨率，表示水平方向的像素点数与垂直方向的像素点数的乘积；2024/5/3036常用的图形设备（10）图形处理器是图形系统结构的重要元件，连接计算机和显示终端的纽带；

早期图形处理器只包含简单的存储器和帧缓冲区，实际上只起了图形的存储和传递作用，所有操作都必须由CPU控制；

现在的图形处理器不仅存储图形，而且能完成大部分图形函数。专业的图形卡已经有很强的3D处理能力－》大大减轻了CPU负担,提高显示质量和显示速度；图形处理器的组成显示主芯片：显卡核心(GPU),对系统输入的视频信息进行构建和渲染;显示缓存:存储将要显示的图形信息;保存图形运算的中间数据;显存的大小和速度直接影响主芯片性能的发挥;数字模拟转换器（RAMDAC）:把二进制数字转换为与显示器相适应的模拟信号；2024/5/3037常用的图形设备（11）图形输入设备

最常用的是基本的计算机输入设备：键盘与鼠标；

跟踪球和空间球：根据球在不同方向受到推或拉的压力实现定位和选择。

数据手套：通过传感器和天线来获得和发送手指的位置和方向的信息。跟踪球、空间球、数据手套在虚拟现实场景的构造和漫游中有用；光笔：一种检测光的装置，它直接在屏幕上操作，拾取位置；形状和大小象一支圆珠笔，笔尖处开有一个圆孔，让荧光屏的光通过这个孔进入光笔。光笔的头部有一组透镜，把所收集的光聚集至光导纤维的一个端面上，光导纤维再把光引至光笔另一端的光电倍增管，将光信号转换成电信号，经过整形后输出一个合