第一章计算机图形学简介

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

计算机图形学是指用计算机产生对象图形的输出的技术。更确切地说，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。第一节计算机图形学研究用计算机及其图形设备来输入、表示、变换和输出图形的原理、算法及系统。

经过多年的研究与发展，逐渐形成了多个与图形相关的分支：计算机图形（ComputerGraphics）、图像处理（ImageProcessing）和模式识别（PatternRecognition）。计算机图形：用计算机生成、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。

CAD(CAGD),CAM,CAE.

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。图像处理是指用计算机来改善图像质量的数字技术。可见或不可见的图像经过量化后输入到计算机中，按应用的需要对已有的图像进行增强、复原、分割、重建、编码、存储、传输等种种不同的处理，在把加工后的图像进行输出。

CT,宇宙飞船发回的各种照片。模式识别：通常，我们把通过对具体的个别事物进行观测所得到的具有时间和空间分布（广义）的信息称为模式。而把模式所属的类别或同一类中模式的总体称为模式类（或类）。

模式识别是指用计算机对输入图形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。模式识别是指用计算机对输入图形图像进行识别的技术。模式识别过程：信息获取预处理特征提取和选择分类决策。应用：邮政分拣，指纹、牌照识别，地形地貌识别等。计算几何学是研究几何模型和数据处理的学科。

交互式计算机图形学是指用计算机交互式地产生图形的技术。

交互设备是实现交互技术，完成交互任务的基础。

交互设备有定位、笔划、字符串、定值、选择和拾取。

输入设备的逻辑分类Locator指定坐标位置(x,y)设备(定位)Stroke指定一组坐标值的设备(笔划)String指定文字输入的设备(字符串)Valuator指定标量值的设备(定值)Choice选择菜单项的设备(选择)Pick选择图形组成部分的设备(拾取)名称典型设备功能定位叉丝，指姆轮输入一个点坐标笔划图形输入板输入一系列点坐标数值数字键盘输入一个整数或实数选择功能键、叉丝、光笔由一个整数得到某种选择拾取光笔接触屏幕上已显示图形通过一种拾取状态来判别字符串字符键盘输入一个字符串交互任务是用户输入到计算机的一个单元信息，基本任务有四种：定位、字串、选择、取数。

第二节计算机图形学的起源起源于美国麻省理工学院，从20世纪50年代初期到60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/制造技术的开拓性研究。1952年诞生了世界上第一台数控铣床的原形，1957年，美国空军将第一批三坐标数控铣床装备运到飞机工厂，大型精密上数控绘图机也同时诞生。

随后，麻省理工学院发展了APT(Auto-maticallyProgrammedTools,数控加工自动编程语言)，这演变成国际上通用的加工编程工具。1962年，麻省理工学院的IvanE.Sutherland，发表了一篇光辉的博士论文--“Sketchpad：人---机图形通信系统”，这极大地推进了交互式计算机图形显示成为一个重要的崭新的领域。1964年孔斯(SteveCoons)在麻省理工学院提出了用小块曲面片表示自由型曲面时，使曲面片边界达到任意高次连续阶的理论，称之为孔斯曲面。孔斯和法国雷诺汽车公司的贝齐尔(PierreBezier)并列被称为现代计算机辅助几何设计技术的创始人。计算机辅助几何设计(ComputerAidedGeometricDesign—CAGD)这一术语由Barnhill与Riesenfeld于1974年在美国Utah大学的一次国际会议上提出，以描述计算机辅助设计的更多的数学方面，因此加上“几何”的修饰词。在当时，其含义包括曲线、曲面和实体的表示及其在实时显时条件下的设计，也扩展到某些方面，例如四维曲面的表示与显示。自此以后，计算机辅助几何设计开始以一门独立的学科出现。本学科是随着航空、汽车等现代工业发展与计算机的出现而产生与发展起来的一门新兴学科，其主要研究工业产品的几何形状。工业产品形状大致上可分为两类或由这两类组成：一类是仅由初等解析曲面例如平面、圆柱面、球面等组成。大多数机械零件属于这一类。可以用画法几何与机械制图完全清楚表达和传递所包含的全部形状信息。第二类是不能用初等解析曲面组成，而以复杂方式自由地变化的曲线、曲面即所谓自由型曲线曲面组成，例如飞机、汽车、船舶的外形零件。这后一类形状单纯用画法几何与机械制图是不能表达清楚的。自由型曲线曲面因不能用画法几何与机械制图表达清楚，这成为摆在工程师面前首要解决的问题。1963年，Ferguson首先提出了将曲线曲面表示为参数的矢函数方法。而后，Coons提出孔斯曲面，Schoenberg提出参数样条曲线曲面，Bezier于1971年发表了一种由控制多边形(网格)定义曲线(曲面)的方法。贝齐尔方法仍存在连接问题，还有局部修改问题。DeBoor,Gordon,Riesenfeld

提出了B样条曲线曲面，它几乎继承了贝齐尔方法的一切优点，克服了贝齐尔方法存在的缺点，较成功地解决了局部修改问题。B样条方法较成功地解决了自由型曲线曲面形状的描述问题，但应用于圆锥截线及初等解析曲面却是不成功的，都只能给出近似表示，不能适应大多数机械产品的要求。1975年Versprille首先提出了有理B样条方法，之后，主要地由于Piegl和Tiller的功绩，至80年代后期，非均匀有理B样条(NURBS)方法成为用于曲线曲面描述的最广泛流行的技术。国际标准组织(ISO)于1991年颁布了关于工业产品数据交换的STEP标准，把

NURBS作为定义工业产品几何形状的唯一数学方法。目前，NURBS方法广泛应用于数控加工、汽车覆盖件模具设计、反向工程曲面重建等实际应用领域。国际权威杂志ComputerAidedDesign和ComputerAidedGeometricDesign上。ComputerAidedDesign/science/journal/00104485ComputerAidedGeometricDesign/science/journal/01678396

国内自苏步青与刘鼎元合著有影响的《计算几何》以来，CAGD方面的研究成果丰富.国内：计算机学报、软件学报、计算机研究与发展，计算机辅助设计与图形学学报、中国图象图形学报等。国际权威会议SIGGRAPH，图形学最新方向、成果。/s2010/PacificGraphics.清华、浙大国家CAD&CG重点实验室图形学的发展以硬件为支撑硬件的发展：光笔交互式图形显示器（1962），刷新式IBM2250图形显示器(1964),光栅扫描型显示器（60年代末、70年代初），个人计算机与工作站问世（20世纪80年代），高速的大型工作站、高配置的显卡、声卡等。其他：网格计算、并行计算、海量数据处理技术。

第三节计算机图形学

的应用及发展动向科学技术事业制图学计算机辅助设计和计算机辅助制造计算机仿真与动画过程控制、计算机艺术及办公室自动化图形学主要研究内容图形的生成和表示技术图形的操作与处理方法图形输出设备与输出技术的研究图形输入设备、交互技术及用户接口技术的研究图形信息的数据结构及存储、检索方法几何模型构造技术动画技术图形软硬件的系列化、模块化和标准化的研究科学计算的可视化计算机图形学算法

计算机图形学所涉及的算法是非常丰富的，围绕着生成、表示物体的图形图像的准确性、真实性和实时性，其算法大致可分为以下几类：1.基于图形设备的基本图形元素的生成算法。2.基本图形元素的几何变换、投影变换、窗口裁剪。3.自由曲线、曲面的插值、拟合、拼接、分解、过渡、光顺、整体修改、局部修改等。4.图形元素（点、线、环、面、体）的求交、分类及集合运算。5.隐藏线、面消除及具有光照、颜色效果的真实感图形显示。6.不同字体的点阵表示，矢量中、西文字符的生成及变换。7.山、水、花、草、烟云等模糊景物的生成。8.三维或高维数据场的可视化。9.三维形体实时显示和图形并行处理。10.虚拟现实环境的生成及控制算法。计算机图形学的发展趋向计算机图形学会向一片更加广阔的空间前进。特别注意三个发展方向：一是图像技术与图形技术的交叉。二是智能技术与图形技术的交叉。三是互联网技术与图形技术的交叉。网络医院(CT图象压缩与快速传输)、协同CAD.计算机模拟技术成为与理论、实验相并列的第三大研究手段。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)、图形显示器、输入设备和硬拷贝设备CRT(Cathode-RayTube,阴极射线管)图形显示器工作方式有两种：随机扫描方式和光栅扫描方式

象素屏幕上可以点亮或熄灭的最小单位分辨率在水平和垂直方向上每单位长度上(如英寸)所包含的像素点的数目。(显示屏上像素的总数)亮度等级或称灰度等级数目是指单色显示器象素的亮度可以有多少种不同的变化帧存储器存储屏幕上每个象素对应的颜色或亮度值颜色系统

RGB（红、绿、蓝）、颜色查询表（colorlookuptable）、CMY（青、品红、黄）、HSV（色彩、饱和度、亮度）第五节计算机图形标准计算机图形的标准是指图形系统及其相关应用系统中各界面之间进行数据传送和通信的接口标准，以及供图形应用程序调用的子程序功能及其格式标准，前者为数据及文件格式标准，后者为子程序界面标准。为了提高计算机图形软件、计算机图形的应用软件及相关软件的编写人员在不同的计算机和图形设备之间的可移植性，早在1974年，在美国国家标准化局（ANSI）举行的“与机器无关的图形技术”的工作会议上，就提出了计算机图形的标准化和制定有关标准的准则。之后，美国计算机协会（ACM）成立了一个图形标准化委员会，在总结以往多年图形软件工作经验的基础上，1977年，该委员会提出了“核心图形系统”（CoreGraphicsSystem）的规范。1979年公布了修改后的第二版。在近二十年中，国际标准化组织（ISO）已经批准的和正在讨论的与图形有关的标准有：计算机图形核心系统及其语言联编（GKS）；三维图形核心系统及其语言联编（GKS-3D）；程序员层次交互式图形系统及其语言联编（PHIGS）；计算机图形元文件（CGM）；

计算机图形接口（CGI）；基本图形转换规范(IGES)；产品数据转换规范（STEP）等。CGM,CGI是面向图形设备的接口标准;GKS,GKS-3D,PHIGS,GL是面向图形应用软件的标准;IGES,STEP是面向图形应用系统中工程和产品数据模型及其文件格式的标准.图形化的用户接口—窗口系统:典型代表工作有工作站上的Motif,Openlook和PC机上的MS-Windows.CGI(ComputerGraphicsInterface)为用户提供控制图形硬件的一种与设备无关的方法，使得用户能够灵活方便地直接控制图形设备，它是面向图形设备的接口标准CGM(ComputerGraphicsMetafile)是一套与设备无关的语义词法定义的图形文件格式。CGM提供的图形元文件规定了生成、存储、传送图形信息的格式。GKS(GraphicsKernalSystem)提供应用程序和图形输入输出设备之间的功能接口，它是一个独立于具体语言的图形核心系统，在应用中将GKS嵌入到相应的语言中。PHIGS(Programmer’sHierarchicalInteractiveGraphicsSystem)是为三维图形应用而设计的图形软件工具库。GL(GraphicsLibrary)是在工作站上广泛应用的一个标准的图形程序库。在跨平台移植过程中发展为OpenGL,在运行各种操作系统的各种计算机上都可用，并在网络环境下以C/S模式工作。

其具有如下功能：基本图素(线、多边形等)、坐标变换、设