計算機圖形學教程電子新

計算機圖形學ComputerGraphics教師：臧輝手機：教材：《計算機圖形學》王汝傳等編著人民郵電出版社第一章概述計算機圖形學的研究內容1.1

計算機圖形學發(fā)展概況1.2計算機圖形學特點和應用1.3計算機圖形學當前研究的課題1.4計算機圖形生成和輸出的流水線1.5一.什么是計算機圖形學二.計算機圖形學、圖像處理與模式識別的關系三.計算機圖形學與CAD/CAM技術的關系四.計算機圖形學研究內容

一.計算機圖形學的特點二.計算機圖形學的應用領域第一章概述1.1計算機圖形學的概念與研究內容

一.什么是計算機圖形學1.定義

計算機圖形學(ComputerGraphics):研究通過計算機將數(shù)據(jù)轉換為圖形，并在專用顯示設備上顯示的原理、方法和技術的學科。第一章概述圖形處理過程：計算機圖形處理程序輸入信息：數(shù)據(jù)輸出信息：圖形

例如：畫圓計算機圖形處理程序圓圓心坐標圓半徑三部分：數(shù)據(jù)：用戶給出的原始輸入(如描述圖形的幾何數(shù)據(jù)、數(shù)學方程等)、計算機產(chǎn)生的結果、來自圖形工作站操作者的命令計算機：微機、工作站等輸出設備：顯示器、繪圖儀第一章概述2.計算機圖形表現(xiàn)形式(1).線條式(線框架圖)用線段來表現(xiàn)圖形，容易反映客觀實體的內部結構，如各類工程技術中結構圖的表示，機械設計中零件結構圖及電路設計中的電路原理圖等.第一章概述具有面模型、色彩、濃淡和明暗層次效應，適合表現(xiàn)客觀實體的外形或外貌，如汽車、飛機、輪船等的外形設計以及各種藝術品造型設計等。(2).真實感面模型圖形跑車靚照3.計算機圖形分類（空間）(1).二維圖形（2D）：在平面坐標系中定義的圖形

(2).三維圖形（3D）：在三維坐標系中定義的圖形簡單二維圖形簡單三維圖形第一章概述第一章概述4、計算機圖形產(chǎn)生方法(1).矢量法(短折線法)任何形狀的曲線都用許多首尾相連的短直線（矢量）逼近。(2).描點法(像素點串接法)每一曲線都是由一定大小的像素點組成二.計算機圖形學、圖像處理與模式識別的關系

1.三者的關系（1）計算機圖形學(ComputerGraphics)：數(shù)據(jù)描述到圖形生成的過程。如圓（2）圖像處理(ImageProcessing):

利用計算機對原來存在物體映像進行分析處理，然后再現(xiàn)圖像。如人體CT,

遙感照片等（3）模式識別(PatternRecognition)計算機對圖形信息進行識別和分析描述，是從圖形（圖像）到描述的表達過程。如郵件分揀、郵政編碼識別等

(1)交互式繪圖允許操作者以某種方式（對話方式或命令方式）來控制和操縱圖形生成過程，使得圖形可以邊生成、邊顯示、邊修改，直至符合要求為止。如AUTOCAD等(2)被動式繪圖圖形在生成過程中，操作者無法對圖形進行操作和控制。如C語言繪圖

2.計算機繪圖方式三.計算機圖形學與CAD／CAM技術的關系1.計算機輔助設計（ComputerAidedDesign，簡稱CAD）建立某種模式和算法以及相關的支撐和應用軟件，使計算機按設計工程師的意圖，去進行科學分析和計算，作出判斷和選擇，最后輸出滿意的設計結果并生產(chǎn)圖紙。2.計算機輔助制造（ComputerAidedManufacturing，簡稱CAM）通過直接或間接地把計算機與工廠生產(chǎn)設備聯(lián)系起來，實現(xiàn)用計算機系統(tǒng)進行生產(chǎn)的計劃、管理、控制及操作的過程，它是應用計算機進行制造過程中管理、控制和處理的總稱。四.計算機圖形學研究內容

主要核心技術是如何建立所處理對象的模型并生成該對象的圖形。其主要研究內容大體上可以概括為如下幾個方面：1.幾何模型構造技術（GeometricModelling）

如各種不同類型幾何模型（二維、三維、分數(shù)組、FractalModel）的構造方法及性能分析，曲線與曲面的表示與處理，專用或通用模型構造系統(tǒng)的研究等。2.圖形生成技術（ImageSynthesis）

如線段、圓弧、字符、區(qū)域填充的生成算法，以及線／隱面消除、光照模型、濃淡處理（Shading）、紋理、陰影、灰度與色彩等各種逼真感圖形表示技術。3.圖形的操作與處理方法（PictureManipulation）如圖形的開窗、裁剪、平移、旋轉、放大、縮小、投影等各種幾何變換操作的方法及其軟件或硬件實現(xiàn)技術。

4.圖形信息的存儲，檢索與交換技術如圖形信息的各種表示方法、組織形式、存取技術、圖形數(shù)據(jù)庫的管理、圖形信息通信等。5.人機交互及用戶接口技術如新型定位設備、選擇設備的研究；各種交互技術，如構造技術、命令技術、選擇技術、響應技術等的研究，以及用戶模型、命令語言、反饋方法、窗口系統(tǒng)等用戶接口技術的研究。四.計算機圖形學研究內容1950年美國麻省理工學院研制出第一臺圖形顯示器。能顯示了一些簡單圖形，類似于示波器CRT。

1959年美國CALCOMP公司根據(jù)打印機原理研制了世界上第一臺滾筒式繪圖機。

50年代末期美國麻省工學院開發(fā)了SAVE空中防御系統(tǒng)，它具有指揮和控制功能。這個系統(tǒng)能將雷達信號轉換為顯示器上的圖形，操作者利用光筆可直接在顯示屏上標識目標。這一功能的出現(xiàn)預式著交互式圖形生成技術的誕生。

被動式輸出1.2計算機圖形學發(fā)展概況1962年美國麻省理工學院林肯實驗室的IvanE·Suthland,首先提出了“計算機圖形學”（ComputerGraphics）這一術語，引入了分層存儲符號的數(shù)據(jù)結構，開發(fā)出了交互技術；可用鍵盤和光筆實現(xiàn)定位、選項和繪圖。奠定了計算機圖形學基礎。

60年代中期美國、英國、法國的一些汽車、飛機制造業(yè)大公司對計算機圖形學開展大規(guī)模研究。

60年代后期出現(xiàn)了存儲管式顯示器，可以進行簡單交互

蓬勃發(fā)展，但仍處于研究階段1.2計算機圖形學發(fā)展概況70年代中期出現(xiàn)了基于電視技術的光柵圖形掃描器。

80年代以后進一步發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下三個方面：幾個大型著名的計算機圖形系統(tǒng)相繼問世。特別是GKS（GraphicsKernelSystem）核心系統(tǒng)。隨著硬件技術的發(fā)展，高分辨率圖形顯示器研制成功，三維圖形顯示達到更高水平計算機圖形系統(tǒng)在許多領域可以取代中、小型計算機系統(tǒng)，計算機圖形學得到了更加廣泛的應用。

90年代后計算機圖形學向著更高階段發(fā)展，許多技術已成為當今最熱門的多媒體技術的重要組成部分。

實用化階段1.2計算機圖形學發(fā)展概況計算機圖形學發(fā)展概略：50年代計算機圖形學開始興起60年代交互式圖形系統(tǒng)CAD出現(xiàn)70年代圖形顯示技術的發(fā)展（光柵掃描顯示器）80年代計算機圖形學軟硬件迅速發(fā)展（高分辨率顯示器、圖形標準化、工程工作站）90年代各種不同圖形軟件的出現(xiàn)（AutoCAD、3DMAX等）當前計算機圖形學向更新方向發(fā)展（虛擬現(xiàn)實技術、可視化技術、造型技術等）進入21世紀之后，更智能更高級的圖形用戶接口和普適計算環(huán)境的圖形化帶來的新的科學技術。計算機圖形軟件發(fā)展的幾種類型

1.圖形子程序包：用某種高級語言編寫，如Windows的DirectX和基于VC++的OpenGL。2.某種高級語言的功能的擴充（圖形函數(shù)），具有圖形生成功能。如BASIC、PASCAL、TurboC、BorlandC++、Java等。3.對于某種類型設備可以配置專用的圖形生成語言。比較著名的有GL（GraphicsLanguage）語言、PL（PlotingLanguage）語言和Dxy語言。4.圖形軟件標準化，通用的與設備無關的圖形軟件。如原西德提出的圖形核心系統(tǒng)GKS（GraphicsKernelSystem）。5.專用的圖形軟件，例如3DMAX，maya等。1.3計算機圖形學特點和應用一.計算機圖形學的特點1.計算機產(chǎn)生的圖形有規(guī)律、光滑。它是按數(shù)學方法產(chǎn)生的，規(guī)矩整齊，有著像數(shù)學一樣的嚴格性。2.計算機產(chǎn)生的圖形純凈美觀、無噪聲干擾。3.通過計算機產(chǎn)生的圖形不僅能描繪客觀世界的各種對象，也能描繪純粹是想像的主觀世界中的各種對象。4.交互式計算機圖形顯示可由用戶控制，產(chǎn)生的圖形可修改性強，且速度快、差錯少。二.計算機圖形學的應用領域1.計算機輔助設計(CAD)和計算機輔助制造(CAM)計算機圖形學被用來進行土建工程、機械結構和產(chǎn)品的設計，包括設計飛機、汽車、船舶的外形和發(fā)電廠、化工廠等的布局，也能夠對電子線路或電子器件進行設計。計算機輔助設計在電子電路設計中的應用2.事務管理中交互式繪圖繪制事務管理中的各種圖形，如統(tǒng)計數(shù)據(jù)的二維及三維圖形、直方圖、線條圖、表示百分比的扇形圖等等，還可繪制工作進程圖，庫存和生產(chǎn)進程圖以及大量的其他圖形。所有這些都以簡明的形式呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)的模型和趨勢以增加對復雜現(xiàn)象的理解并促進決策的制定。

統(tǒng)計圖二.計算機圖形學的應用領域3.地理信息系統(tǒng)（GIS）

地理信息系統(tǒng)是建立在地理圖形基礎上的信息管理系統(tǒng)，是圖形技術、數(shù)據(jù)庫技術以及管理信息的結合。

江蘇省地圖二.計算機圖形學的應用領域4.辦公自動化和電子出版技術圖形顯示技術在辦公自動化和事務處理中的使用，有助于數(shù)據(jù)及其相互關系的有效表達，因而有利于人們進行正確的決策。利用交互式圖形顯示技術的支持可以進行資料、文稿、書刊、手冊的編寫、修改。制圖、制表、分頁、排版。二.計算機圖形學的應用領域5.系統(tǒng)模擬二.計算機圖形學的應用領域航天航空模擬6.計算機輔助教學（CAI）

計算機輔助教學系統(tǒng)利用圖形顯示設備或電視終端，可以有聲有色生動地演示物理、化學、生物、外語等教學內容，讓學生（用戶）使用人機交互手段，進行學習和研究，繪圖或仿真操作，使整個教學過程直觀形象，有利于加深理解所學知識。

二.計算機圖形學的應用領域7.過程控制在過程控制中，常常將計算機與現(xiàn)實世界中的其他設備連成一個系統(tǒng)。計算機圖形顯示設備常用來顯示系統(tǒng)中關鍵部位的狀態(tài)，如煉油廠、發(fā)電廠的狀態(tài)顯示器可顯示出由傳感器送來的壓力、溫度、電壓、電流等數(shù)據(jù)，從而使操作人員可對異常情況作出反應。

某鋼鐵控制系統(tǒng)主畫面二.計算機圖形學的應用領域8.計算機動畫和游戲

動畫片《獅子王》片段二.計算機圖形學的應用領域游戲《幻想三國志2》截圖游戲《軒轅劍5漢之云》截圖9.計算機藝術二.計算機圖形學的應用領域1.4計算機圖形學當前研究的課題

1.造型技術

研究的是如何在計算機中構造出二維、三維物件模型的基本方法和手段。2.三維信息重建技術研究一些算法，使得計算機圖形系統(tǒng)能自動地將三視圖轉換成相應的立體圖。3.圖形數(shù)據(jù)庫研究如何以基本的圖形為數(shù)據(jù)項而建立起一個能快速查找各個圖形的圖形庫。4.動態(tài)繪圖在交互式繪圖中，不僅可以在屏幕上對圖形進行修改、刪除、編輯等，還可以進行動態(tài)分析。5.CG、CAD、CAM三者一體化計算機圖形學（CG）、計算機輔助設計（CAD）和計算機輔助制造（CAM）有機結合在一起，形成所謂一體化軟件。6.應用軟件開發(fā)環(huán)境的通用化和標準化

用戶界面管理系統(tǒng)UIMS、窗口管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡文件格式等，并使之通用化和標準化。7.虛擬現(xiàn)實環(huán)境的生成（VirtualReality簡稱VR）利用計算機生成一種模擬環(huán)境（如飛機駕駛艙、操作現(xiàn)場等），通過多種傳感、設備使用戶“投入”到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進行自然交互的技術。8.科學計算可視化通過對空間數(shù)據(jù)場構造中間幾何圖素或用圖形繪制技術在屏幕上產(chǎn)生二維圖像。

計算機四大名校（卡梅隆、MIT、斯坦福以及加州伯克利）等幾個學校的資料，并在就某些細節(jié)與相關領域的研究人員作了探討。圖形學的研究包含對自然景象的建模和動畫生成（modelingandanimationofnaturalphenomena），計算拓撲學（computationaltopology），圖形硬件的使用（graphicshardwareutilization），渲染（rendering），網(wǎng)格處理和簡化（meshprocessingandsimplification），形狀