計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基本知識(shí)

1、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)：是研究怎樣用計(jì)算機(jī)表示、生成、處理和顯示圖形的一門學(xué)科。圖形按基本的處理技術(shù)劃分只有兩類：線條，如工程圖、地圖、曲線圖表等 明暗圖，與照片相似 幾個(gè)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的相關(guān)概念幾個(gè)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的相關(guān)概念 ：計(jì)算機(jī)圖形 ：用計(jì)算機(jī)表示、生成、處理和顯示的對(duì)象。由幾何數(shù)據(jù)和幾何模型利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示，并修改、完善后形成。 圖像處理 ：將客觀世界中原來(lái)存在的物體的影像處理成新的數(shù)字化圖像的相關(guān)技術(shù)，如CT掃描、X射線探傷等 模式識(shí)別 ：對(duì)所輸入的圖像進(jìn)行分析和識(shí) 別，找出其中蘊(yùn)涵的內(nèi)在聯(lián)系或抽象模型， 如郵政分揀、地形地貌識(shí)別等 計(jì)算幾何 ：研究幾何模型和數(shù)據(jù)處理的學(xué) 科，

2、探討幾何形體的計(jì)算機(jī)表示、分析和 綜合 數(shù)字圖像數(shù)據(jù)模型計(jì)算機(jī)圖形模型識(shí)別計(jì)算幾何圖像處理計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究起源于美國(guó)麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究起源于美國(guó)麻省理工學(xué)院,從從20世世 紀(jì)紀(jì)50年代初期到年代初期到60年代中期，美國(guó)麻省理工學(xué)院積極年代中期，美國(guó)麻省理工學(xué)院積極 從事現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)從事現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/制造技術(shù)的開拓性研究。制造技術(shù)的開拓性研究。 1952年，在該校誕生了世界上第一臺(tái)數(shù)控銑床的原型。年，在該校誕生了世界上第一臺(tái)數(shù)控銑床的原型。隨后，麻省理工學(xué)院發(fā)展了隨后，麻省理工學(xué)院發(fā)展了APT，這演變成國(guó)際上最，這演變成國(guó)際上最 通用的加工編程工具。通用的加工編程工具。

3、 1964年，孔斯年，孔斯(Steve Coons)在麻省理工學(xué)院提出了用在麻省理工學(xué)院提出了用 小塊曲面片組合表示自由型曲面時(shí)使曲面片邊界達(dá)到小塊曲面片組合表示自由型曲面時(shí)使曲面片邊界達(dá)到 任意高次連續(xù)階的理論，此方法得到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界任意高次連續(xù)階的理論，此方法得到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界 的極大推崇，稱之為孔斯曲面。的極大推崇，稱之為孔斯曲面。 1962年第一臺(tái)光筆交互式圖形顯示器在美國(guó)麻省理工年第一臺(tái)光筆交互式圖形顯示器在美國(guó)麻省理工 學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室研制成功，學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室研制成功， 在美國(guó)工業(yè)界，研制交互式圖形顯示器的工作也同時(shí)在美國(guó)工業(yè)界，研制交互式圖形顯示器的工作也同時(shí) 開展，其中所起作用

4、最重要的是開展，其中所起作用最重要的是IBM公司公司 在1964年秋， IBM公司推出了IBM 2250顯示器。 洛克希德飛機(jī)公司利用IBM 2250施行開發(fā)的 CADAM繪圖加工系統(tǒng)，成為目前IBM主機(jī)上應(yīng) 用最廣的CAD/CAM軟件。 IBM 2250在1978年前后改型為IBM 3250，1984年 又改型為IBM 5080，采用光柵掃描技術(shù) 。20世紀(jì)60年代末和70年代初，美國(guó)Tektronix公司 發(fā)展了存儲(chǔ)管技術(shù)。 由于大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和專用圖形處理 芯片的出現(xiàn)，光柵掃描型顯示器的質(zhì)量越來(lái)越好， 價(jià)格越來(lái)越低，已成為圖形顯示器的常規(guī)形式。 在圖形顯示技術(shù)發(fā)展的歷程中，需要

5、強(qiáng)調(diào)兩家公司的產(chǎn)品，在圖形顯示技術(shù)發(fā)展的歷程中，需要強(qiáng)調(diào)兩家公司的產(chǎn)品， 這就是這就是Evans & Sutherland公司的公司的PS 300型和型和Silicon Graphics公司的公司的IRIS型顯示設(shè)備。型顯示設(shè)備。 PS 300采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)式原理；圖形處理中的矩陣運(yùn)算 和其他基本算法使用3個(gè)位片處理機(jī)組成的流水線。 三維物體輪廓線的顯示亮度可以隨距離遠(yuǎn)近而變化，離 眼睛越遠(yuǎn)的部分線條越淡，這樣可更好地體現(xiàn)出立體圖 的真實(shí)感。 Silicon Graphics公司的IRIS工作站采用數(shù)字成像工作原 理。此后，其他公司紛紛效仿。這種持續(xù)不斷的提高顯 示畫面質(zhì)量、加快交互速度

6、的努力會(huì)繼續(xù)進(jìn)行，必將進(jìn) 一步推動(dòng)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展。Spacewars: first computer graphics game (MIT 1961)SketchPad: first interactive graphics (1961)Whirlwind: early graphics using VectorScope (1951)first CAD system (IBM 1959) 隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的不斷發(fā)展，它的應(yīng)用范圍也日趨隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的不斷發(fā)展，它的應(yīng)用范圍也日趨廣泛。目前，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域主要有以下幾種廣泛。目前，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域主要有以下幾種: : 計(jì)

7、算機(jī)動(dòng)畫和藝術(shù)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫和藝術(shù) 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD/CAM) 地形地貌和自然資源圖地形地貌和自然資源圖 用戶接口用戶接口 分析計(jì)算及視圖中的應(yīng)用分析計(jì)算及視圖中的應(yīng)用 6. 游戲游戲 用戶接口用戶接口 Macintosh微機(jī)首先在商品化產(chǎn)品上用形象的圖形表示操作命令，使得普通用戶也會(huì)用計(jì)算機(jī)畫圖、作日常計(jì)算，打破了人們對(duì)操作計(jì)算機(jī)所持的神秘感。圖文形式相結(jié)合大大改善了計(jì)算機(jī)交互操作的用戶界面，開辟了計(jì)算機(jī)應(yīng)用的很多新領(lǐng)域。Fastest browser on the Mac 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD/CAM) 交互圖形工作站在機(jī)械、電子、建

8、筑等行業(yè)中迅速取代繪圖板加丁字尺的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，擔(dān)負(fù)起繁重的日常繪圖任務(wù)、總體方案的優(yōu)化、細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)等工作。機(jī)械CAD系統(tǒng)所生成的零件、裝配件 boeing777 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD/CAM) (續(xù)續(xù)) 地形地貌和自然資源圖地形地貌和自然資源圖 我國(guó)正在籌建國(guó)土基礎(chǔ)信息系統(tǒng)，此系統(tǒng)是國(guó)家經(jīng)濟(jì)信息系統(tǒng)的組成部分。成三維的地形地貌圖 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一個(gè)分支，并逐步進(jìn)入實(shí)用階段。1996 IndependenceDay 因起可視效果獲oscar. 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫和藝術(shù)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫和藝術(shù) 分析計(jì)算及視圖中的應(yīng)用分析計(jì)算及視圖中的應(yīng)用 既可用二維曲線圖表和三維模型

9、，也有彩色高維幾何表示 分析計(jì)算及視圖中的應(yīng)用分析計(jì)算及視圖中的應(yīng)用( (續(xù)續(xù)) ) 常用的圖形輸入設(shè)備分為兩種：常用的圖形輸入設(shè)備分為兩種：向量型圖形輸入設(shè)備向量型圖形輸入設(shè)備 它采取跟蹤軌跡、記錄坐標(biāo)點(diǎn)的方法輸入圖形。 常用的有數(shù)字化儀、鼠標(biāo)器、光筆等。光柵掃描型圖形輸入設(shè)備光柵掃描型圖形輸入設(shè)備 它采取逐行掃描、按一定密度采樣的方式輸入圖形。 常用的有掃描儀和攝像機(jī)。 圖形輸入設(shè)備的功能可分為圖形輸入設(shè)備的功能可分為6類：類：確定點(diǎn)坐標(biāo)即定位 確定一系列點(diǎn)的坐標(biāo)即筆劃 確定數(shù)值 進(jìn)行選擇 進(jìn)行圖形識(shí)別 識(shí)別字符串 幾種主要圖形輸入設(shè)備幾種主要圖形輸入設(shè)備鍵盤鍵盤 鼠標(biāo)鼠標(biāo) : :1)光電

10、式鼠標(biāo) 2)機(jī)械式鼠標(biāo) 3. 3. 坐標(biāo)數(shù)字化儀坐標(biāo)數(shù)字化儀: :機(jī)械式坐標(biāo)數(shù)字化儀 2)2)超聲波式坐標(biāo)數(shù)字化儀 3)全電子式坐標(biāo)數(shù)字化儀 4)4)三維數(shù)字化儀 光筆光筆 觸摸屏觸摸屏: : 電阻式和電容式 2)2)紅外線式 3) 聲表面波式 圖形掃描儀圖形掃描儀: : 掃描儀通過光電轉(zhuǎn)換、點(diǎn)陣采樣的方式，將一幅畫面變?yōu)閿?shù)字圖像 美國(guó)CALCOMP公司生產(chǎn)的數(shù)字化儀LightPenMouseKeyboardDisplayGraphicsSystemApplicationProgramInterface(API)GraphicsApplicationJoystick常用的圖形輸入設(shè)備常用的圖形

11、輸入設(shè)備常用的圖形輸出設(shè)備分為兩類：常用的圖形輸出設(shè)備分為兩類：向量型向量型 向量型設(shè)備的作畫機(jī)構(gòu)隨著圖形的輸出形狀而移動(dòng) 并成像 光柵掃描型光柵掃描型 光柵掃描型設(shè)備的作畫機(jī)構(gòu)按光柵矩陣方式掃描整 張圖面，并按輸出內(nèi)容對(duì)圖形成像。幾種圖形輸出設(shè)備介紹幾種圖形輸出設(shè)備介紹 1. 1. 陰極射線管陰極射線管 陰極射線管通常利用電磁場(chǎng)產(chǎn)生高速的、經(jīng)過聚焦的電 子束，使其偏轉(zhuǎn)到屏幕的不同位置以轟擊屏幕表面的熒 光材料而產(chǎn)生可見圖形 。其主要組成部分如下其主要組成部分如下： 陰極 當(dāng)它被加熱時(shí)，發(fā)射電子。 控制柵 控制電子束偏轉(zhuǎn)的方向和運(yùn)動(dòng)速度。 加速結(jié)構(gòu) 用以產(chǎn)生高速的電子束。 聚焦系統(tǒng) 保證電子束

12、在轟擊屏幕時(shí)，匯聚成很細(xì)的點(diǎn)。 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) 控制電子束在屏幕上的運(yùn)動(dòng)軌跡。 熒光屏 當(dāng)它被電子轟擊時(shí)，發(fā)出亮光。 所有這些部件都封閉在一個(gè)真空的圓錐形玻璃殼內(nèi)， 其結(jié)構(gòu)如圖所示:陰極射線管的組成 2. 2. 顯示器顯示器 隨機(jī)掃描顯示器隨機(jī)掃描顯示器 邏輯框圖如圖所示:隨機(jī)掃描圖形顯示器的邏輯框圖 彩色陰極射線管彩色陰極射線管 通過把發(fā)出不同顏色的熒光物質(zhì)進(jìn)行組合而實(shí)現(xiàn)的。 通常用射線穿透法和影孔板法實(shí)現(xiàn)彩色顯示。 存儲(chǔ)管式圖形顯示器存儲(chǔ)管式圖形顯示器 隨機(jī)掃描圖形顯示器使用一個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)圖形 信息，然后不斷地取出這些信息來(lái)刷新屏幕。由于存取 信息速度的限制，使得顯示穩(wěn)定圖形時(shí)的畫線的長(zhǎng)

13、度受 到限制，且造價(jià)較高。針對(duì)這些問題，20世紀(jì)70年代后 期發(fā)展了利用管子本身來(lái)存儲(chǔ)信息的技術(shù)，這就是存儲(chǔ) 管技術(shù) 存儲(chǔ)管式顯示器的一般結(jié)構(gòu)如圖所示: 光柵掃描式圖形顯示器光柵掃描式圖形顯示器 光柵掃描式圖形顯示器(簡(jiǎn)稱光柵顯示器)是畫點(diǎn)設(shè)備， 可看作是一個(gè)點(diǎn)陣單元發(fā)生器，并可控制每個(gè)點(diǎn)陣單 元的亮度。 光柵掃描式圖形顯示器的直線顯示效果 它不能直接從單元陣列中的一個(gè)可編址的像素畫一條直線到另一個(gè)可編址的像素，只能用盡可能靠近這條直線路徑的像素點(diǎn)集來(lái)近似地表示這條直線。 一個(gè)黑白光柵顯示器的工作狀況圖一個(gè)黑白光柵顯示器的工作狀況圖 :在光柵圖形顯示器中，需要有足夠的位面和幀緩沖存儲(chǔ)器結(jié)合才能

14、反映圖形的顏色和灰度等級(jí)。具有顏色查找表的N位面灰度等級(jí)幀緩沖存儲(chǔ)器 為了限制幀緩沖存儲(chǔ)器的增加，可采用顏色查找表來(lái)提為了限制幀緩沖存儲(chǔ)器的增加，可采用顏色查找表來(lái)提高灰度級(jí)別，如圖所示高灰度級(jí)別，如圖所示: : 具有顏色查找表的N位面灰度等級(jí)幀緩沖存儲(chǔ)器 彩色光柵顯示器的工作狀況圖彩色光柵顯示器的工作狀況圖: : 全色光柵顯示器工作狀況圖全色光柵顯示器工作狀況圖: : 配有顏色查找表的全色幀緩沖存儲(chǔ)器配有顏色查找表的全色幀緩沖存儲(chǔ)器 :具有具有3個(gè)位面的幀緩沖存儲(chǔ)器的顏色表個(gè)位面的幀緩沖存儲(chǔ)器的顏色表 :紅(R)綠(G)藍(lán)(B)黑(Black)000紅(Red)100綠(Green)010藍(lán)(Blue)001黃(Yellow)110青(Cyan)011紫(Magenta)101白(White)111 液晶顯示器液晶顯示器(LCD) 液晶顯示器LCD(Liquid Crystal Display)與其他顯示器不 同，它是由6層薄板組成的平板式顯示器。 等離子顯示器等離子顯示器 等離子顯示器是用許多小氖氣燈泡構(gòu)成的平板陣列， 每個(gè)燈泡處于“開”或“關(guān)”狀態(tài)。 等離子顯示器的結(jié)構(gòu) 幾種顯示技術(shù)的比較如表所示幾種顯示技術(shù)的比較如表所示: :性質(zhì)陰極射線管等離子顯示器液晶顯示器性質(zhì)陰極射