計算機圖形學(xué)ppt

計算機圖形學(xué)ppt第一頁，共四十九頁，2022年，8月28日教學(xué)要求了解圖形系統(tǒng)的框架及其涉及的軟件、硬件技術(shù)；了解圖形學(xué)的基本問題，掌握圖形學(xué)的基本概念、方法與算法；對與圖形相關(guān)的應(yīng)用及當(dāng)前的研究熱點有一個初步認識；具有一定實踐體會和相關(guān)的編程能力。

第二頁，共四十九頁，2022年，8月28日教材或參考書：教材陳元琰等，“計算機圖形學(xué)”，清華大學(xué)出版社，2007。主要參考書：孫家廣：計算機圖形學(xué)（第三版），清華大學(xué)出版社，1999。Siggraph第三頁，共四十九頁，2022年，8月28日第1章緒論計算機圖形學(xué)是近20年來科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中取得的又一重要成就，是隨著計算機及其外圍設(shè)備而產(chǎn)生和發(fā)展起來的。它是近代計算機科學(xué)與雷達、電視及圖像處理技術(shù)的發(fā)展匯合而產(chǎn)生的碩果。在造船、航空航天、汽車、電子、機械、土建工程、影視廣告、地理信息、輕紡化工等領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，推動了這門學(xué)科的不斷發(fā)展，而不斷解決應(yīng)用中提出的各類新課題，又進一步充實和豐富了這門學(xué)科的內(nèi)容。它現(xiàn)在已發(fā)展為對物體的模型和圖像進行生成、存取和管理的新學(xué)科。第四頁，共四十九頁，2022年，8月28日1.1計算機圖形學(xué)的概念、發(fā)展和應(yīng)用1.1.1計算機圖形學(xué)的概念

計算機圖形學(xué)（ComputerGraphics）是研究怎樣用計算機生成、處理和顯示圖形的一門新興學(xué)科，國際標準化組織（ISO）定義為：計算機圖形學(xué)是研究通過計算機將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并在專門顯示設(shè)備上顯示的原理、方法和技術(shù)的學(xué)科。第五頁，共四十九頁，2022年，8月28日與計算機圖形學(xué)的概念容易混淆的是圖像處理。計算機圖形學(xué)的基本含義是使用計算機通過算法和程序在顯示設(shè)備上構(gòu)造出圖形來。與此相反，圖像處理是將客觀世界中原來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)，并研究如何從圖像中提取二維或三維物體的模型。它所研究的是計算機圖形學(xué)的逆過程。

計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容涉及到用計算機對圖形數(shù)據(jù)進行處理的硬件和軟件兩方面的技術(shù)，主要是圍繞著生成、表示物體的圖形圖像的準確性、真實性和實時性的基礎(chǔ)算法，大致可分為以下幾類：第六頁，共四十九頁，2022年，8月28日（1）基于圖形設(shè)備的基本圖形元素的生成算法，如用光柵圖形顯示器生成直線、圓弧、二次曲線、封閉邊界內(nèi)的圖案填充等。（4）三維幾何造型技術(shù)，對基本體素的定義、輸入及它們之間的布爾運算方法。（5）三維形體的實時顯示，包括投影變換、坐標變換等。（2）圖形元素的幾何變換，即對圖形的平移、放大和縮小、旋轉(zhuǎn)、鏡像等操作。（3）樣條曲線和樣條曲面的插值、擬合、拼接、光順、整體和局部修改等。第七頁，共四十九頁，2022年，8月28日（8）科學(xué)計算可視化和三維數(shù)據(jù)場的可視化，將科學(xué)計算中大量難以理解的數(shù)據(jù)通過計算機圖形顯示出來，從而加深人們對科學(xué)過程的理解。例如有限元分析的結(jié)果等；應(yīng)力場、磁場的分布等；各種復(fù)雜的運動學(xué)和動力學(xué)問題的圖形仿真等。（7）山、水、花、草、煙、云等自然景物的模擬生成算法等。（6）真實感圖形的生成算法，包括三維圖形的消隱、光照、色彩、陰影、紋理及彩色濃淡圖的生成算法。第八頁，共四十九頁，2022年，8月28日與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系數(shù)字圖像數(shù)據(jù)模型圖像生成（計算機圖形學(xué)）模型（特征）提?。ㄓ嬎銠C視覺，模式識別）模型變換（計算幾何）圖像變換（圖像處理）第九頁，共四十九頁，2022年，8月28日1.1.2計算機圖形學(xué)的發(fā)展

計算機圖形學(xué)的發(fā)展始于50年代，先后經(jīng)歷了準備階段（50年代）、發(fā)展階段（60年代）、推廣應(yīng)用階段（70年代）、系統(tǒng)實用化階段（80年代）和標準化智能化階段（90年代）。1.準備階段（50年代）計算機圖形學(xué)的發(fā)展歷史應(yīng)追溯到50年代末期。當(dāng)時的計算機主要應(yīng)用于科學(xué)計算，使用尚不普及，但已開始出現(xiàn)圖形顯示器、繪圖儀和光筆等圖形外部設(shè)備。第十頁，共四十九頁，2022年，8月28日1950年，美國麻省理工學(xué)院WhirlwindI（旋風(fēng)I號）計算機就配置了由計算機驅(qū)動的陰極射線管式的圖形顯示器，但不具備人-機交互功能。50年代末期，美國麻省理工學(xué)院林肯實驗室研制的SAGE空中防御系統(tǒng)，就已具有指揮和控制功能。這個系統(tǒng)能將雷達信號轉(zhuǎn)換為顯示器上的圖形，操作者可以借用光筆指向屏幕上的目標圖形來獲得所需要的信息，這一功能的出現(xiàn)預(yù)示著交互式圖形生成技術(shù)的誕生。第十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日2.發(fā)展階段（60年代）1962年，美國麻省理工學(xué)院的（I.E.薩瑟蘭德）在他的博士論文中提出了一個名為“Sketchpad”人—機交互式圖形系統(tǒng)，能在屏幕上進行圖形設(shè)計和修改。薩瑟蘭德在他論文中首次使用了“計算機圖形學(xué)（ComputerGraphics）”這個術(shù)語，證明了交互式計算機圖形學(xué)是一個可行的有用的研究領(lǐng)域，從而確定了計算機圖形學(xué)作為一個嶄新的科學(xué)分支的獨立地位。因此，I.E.薩瑟蘭德的“Sketchpad”系統(tǒng)被公認為對交互圖形生成技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

第十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日隨后，美國通用汽車公司（IBM）、貝爾電話公司和洛克希德飛機制造公司等開展了計算機圖形學(xué)和計算機輔助設(shè)計的大規(guī)模研究，分別推出了DAC-1系統(tǒng)、Graphic-1系統(tǒng)和CADAM系統(tǒng)，使計算機圖形學(xué)進入了迅速發(fā)展的新時期。這一時期使用的圖形顯示器是隨機掃描的顯示器，它具有較高的分辨率和對比度，具有良好的動態(tài)性能。但為了避免圖形閃爍，通常需要以30次／秒左右的頻率不斷刷新屏幕上的圖形。為此需要一個刷新緩沖存儲器來存放計算機產(chǎn)生的顯示圖形的數(shù)據(jù)和指令，還要有一個高速的處理器。第十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日由于這一時期使用的計算機圖形硬件（大型計算機和圖形顯示器）是相當(dāng)昂貴的，因而成為影響交互式圖形生成技術(shù)進一步普及的主要原因。因此，只有上述這些大公司才能投入大量資金研制開發(fā)出只供本公司產(chǎn)品設(shè)計使用的實驗性系統(tǒng)。

3.推廣應(yīng)用階段（70年代）進入70年代以后，由于集成電路技術(shù)的發(fā)展，計算機硬件性能不斷提高，體積縮小，價格降低，特別是廉價的圖形輸入、輸出設(shè)備及大容量磁盤等的出現(xiàn)，以小型計算機及超級小型機為基礎(chǔ)的圖形生成系統(tǒng)開始進入市場并形成主流。第十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日由于這種系統(tǒng)比起大型計算機來，價格相對便宜，維護使用也比較簡單，因而，70年代以來，計算機圖形生成技術(shù)在計算機輔助設(shè)計、事務(wù)管理、過程控制等領(lǐng)域得到了比較廣泛的應(yīng)用，出現(xiàn)了許多專門開發(fā)圖形軟件的公司及相應(yīng)的商品化圖形軟件，取得了較好的經(jīng)濟效益，CAD成為工業(yè)設(shè)計部門不可缺少的工具和熱門技術(shù)。

其中，基于電視技術(shù)的光柵掃描顯示器的出現(xiàn)極大地推動了計算機圖形學(xué)的發(fā)展。光柵掃描顯示器將被顯示的圖像以點陣形式存儲在刷新緩存中，由視頻控制器將其讀出并在屏幕上產(chǎn)生圖像。第十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日光柵掃描顯示器較之隨機掃描顯示器有許多優(yōu)點。一是規(guī)則而重復(fù)的掃描比隨機掃描容易實現(xiàn)，因而價格便宜；二是可以顯示用顏色或各種模式填充的圖形，這對于生成三維物體的真實感圖形是非常重要的。三是刷新過程與圖形的復(fù)雜程度無關(guān)，只要基本的刷新頻率足夠高，就不會因為圖形復(fù)雜而出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。由于光柵掃描顯示器具有許多優(yōu)點，因而直至今日仍然成為圖形顯示的主要方式，工作站及微型計算機都采用這種光柵掃描顯示器。第十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日由于眾多商品化軟件的出現(xiàn)，這一時期圖形標準化問題也被提上議程。圖形標準化要求圖形軟件由低層次的與設(shè)備有關(guān)的軟件包轉(zhuǎn)變?yōu)楦邔哟蔚呐c設(shè)備無關(guān)的軟件包。1974年，美國計算機學(xué)會成立了一個圖形標準化委員會（ACMSIGGRAPH），開始有關(guān)標準的制定和審批工作。1977年該委員會提出了一個稱為“核心圖形系統(tǒng)CGS”的規(guī)范。1979年又公布了修改后的第二版，增加了包括光柵圖形顯示技術(shù)在內(nèi)的許多其他功能，但仍作為進一步討論的基礎(chǔ)。

第十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日4.系統(tǒng)實用化階段（80年代）進入80年代以后，工作站的出現(xiàn)極大地促進了計算機圖形學(xué)的發(fā)展。比起小型計算機來，工作站在用于圖形生成上具有顯著的優(yōu)點。首先，工作站是一個用戶使用一臺計算機，交互作用時，響應(yīng)時間短；其次，工作站連網(wǎng)后可以共享資源，如大容量磁盤，高精度繪圖儀等；而且它便于逐步投資、逐步發(fā)展、使用壽命較長。因而，工作站已經(jīng)取代小型計算機成為圖形生成的主要環(huán)境。80年代后期，微機的性能迅速提高，配以高分辨率顯示器及窗口管理系統(tǒng)，并在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下運行，使它成為計算機圖形生成技術(shù)的重要環(huán)境。由于微機的廣泛普及和推廣，尤其是微機上的圖形軟件的全面出現(xiàn)，如Windows、Office、AutoCAD、CorelDRAW、Freehand、3DStudio等，使計算機圖形學(xué)的應(yīng)用深度和廣度得到了前所未有的發(fā)展。第十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日5.標準化智能化階段（90年代）進入90年代，計算機圖形學(xué)朝著標準化、集成化和智能化的方向發(fā)展。一方面，國際標準化組織（ISO）公布的有關(guān)計算機圖形學(xué)方面的標準越來越多，且更加成熟。目前，由ISO發(fā)布的圖形標準有：計算機圖形接口標準CGI、計算機圖形元文件標準CGM、圖形核心系統(tǒng)GKS、三維圖形核心系統(tǒng)GKS-3D和程序員層次交互式圖形系統(tǒng)PHIGS。另一方面，多媒體技術(shù)、人工智能及專家系統(tǒng)技術(shù)和計算機圖形學(xué)相結(jié)合使其應(yīng)用效果越來越好，使用方法越來越容易，許多應(yīng)用系統(tǒng)具有智能化的特點，如智能CAD系統(tǒng)?？茖W(xué)計算的可視化、虛擬現(xiàn)實環(huán)境的應(yīng)用又向計算機圖形學(xué)提出了許多更新更高的要求，使得三維乃至高維計算機圖形學(xué)在真實性和實時性方面將有飛速發(fā)展。第十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日圖形學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀基本內(nèi)容已成熟，尤其是二維光柵圖形學(xué)；3D圖形算法已較成熟，硬件上更新加快；但無突破，更逼真更快（依賴于硬件），但難以做到完全真實。第二十頁，共四十九頁，2022年，8月28日我國現(xiàn)狀發(fā)展迅速，圖形算法水平高，硬件采用國外最新元器件。應(yīng)用有差距，商品化軟件產(chǎn)品國際競爭力低。應(yīng)用不錯，底層平臺較差人才缺乏。第二十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日1.1.3計算機圖形學(xué)的應(yīng)用

由于計算機圖形系統(tǒng)的硬、軟件性能日益提高，而價格卻逐步降低，這必然促使計算機圖形生成技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，并已應(yīng)用于工業(yè)、科技、教育、管理、商業(yè)、藝術(shù)、娛樂等許多行業(yè)。目前，主要的應(yīng)用領(lǐng)域有：1.圖形用戶界面軟件的用戶接口是人們使用計算機的第一觀感。過去傳統(tǒng)的軟件中約有60％以上的程序是用來處理與用戶接口有關(guān)的問題和功能，因為用戶接口的好壞直接影響著軟件的質(zhì)量和效率。如今在用戶接口中廣泛使用了圖形用戶界面（GUI），如菜單、對話框、圖標和工具欄等，大大提高了用戶接口的直觀性和友好性，也提高了相應(yīng)軟件的執(zhí)行速度。第二十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日2.計算機輔助設(shè)計與制造（CAD／CAM）計算機輔助設(shè)計是計算機圖形學(xué)的一個最廣泛、最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域。由于CAD技術(shù)能廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計和工程設(shè)計，適合多品種小批量生產(chǎn)，生產(chǎn)周期短、效率高，精確性和可靠性高，可以顯著提高產(chǎn)品在市場上的競爭力，故越來越受到人們的關(guān)注，應(yīng)用也越來越廣泛。在產(chǎn)品設(shè)計和制造方面，CAD/CAM技術(shù)被廣泛用于飛機、汽車、船舶、機電、輕工、服裝的外形設(shè)計和制造。

如美國波音公司，由于采用CAD技術(shù)，使波音727的設(shè)計提前二年完成；又如美國通用汽車公司，利用CAD系統(tǒng)把產(chǎn)品設(shè)計、制造、模擬試驗和檢查測試結(jié)合起來，組成一體化集成系統(tǒng)，使汽車設(shè)計周期由5年縮短到3-4年。第二十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日在電子工業(yè)中，CAD技術(shù)應(yīng)用到集成電路、印刷電路板、電子線路和網(wǎng)絡(luò)分析等方面的優(yōu)勢是十分明顯的。一個復(fù)雜的大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路板圖根本不可能用手工設(shè)計和繪制，而用CAD進行設(shè)計可以在較短的時間內(nèi)完成，并把結(jié)果直接送至后續(xù)工藝進行加工處理。在工程設(shè)計方面，為了減低工程造價，提高設(shè)計效率，在建筑、石油、冶金、地質(zhì)、電力、鐵路、公路、化工等工程設(shè)計中廣泛采用CAD技術(shù)。例如，在應(yīng)用CAD進行建筑設(shè)計上，不僅可以進行總體的外觀效果圖設(shè)計，還可以完成結(jié)構(gòu)設(shè)計、給或排水設(shè)計、電器設(shè)計和裝飾設(shè)計等，對密集的樓群地段也可以進行光照分析。第二十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日工程圖及其三維重建結(jié)果第二十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日3.事務(wù)和商務(wù)數(shù)據(jù)的圖形展示應(yīng)用圖形學(xué)較多的領(lǐng)域之一是繪制事務(wù)和商務(wù)數(shù)據(jù)的各種二、三維圖表，如直方圖、柱形圖、扇形圖、折線圖、工作進程圖、倉庫和生產(chǎn)的各種統(tǒng)計管理圖表等，所有這些圖表都用簡明的方式提供形象化的數(shù)據(jù)和變化趨勢，以增加對復(fù)雜對象的了解和對大量分散數(shù)據(jù)的規(guī)律分析，以便作出正確的決策。4.地形地貌和自然資源的圖形顯示應(yīng)用計算機圖形生成技術(shù)產(chǎn)生高精度的地理圖形或自然資源的圖形是另一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域，包括地理圖、地形圖、礦藏分布圖、海洋地理圖、氣象氣流圖、植物分布圖以及其他各類等值線、等位面圖等。目前，建立在地理圖形基礎(chǔ)之上的地理信息管理系統(tǒng)（主要包括地理信息和地圖）已經(jīng)在許多國家中得到廣泛的應(yīng)用。第二十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日地理信息系統(tǒng)是當(dāng)前信息社會中政府部門對資源和環(huán)境進行科學(xué)管理和快速決策時不可缺少的工具，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)林、地質(zhì)、旅游、交通、測繪、城市規(guī)劃、土地管理、環(huán)境保護、資源開發(fā)和災(zāi)害監(jiān)測以及各種與地理空間有關(guān)的行業(yè)部門。5.過程控制及系統(tǒng)環(huán)境模擬用戶利用計算機圖形學(xué)實現(xiàn)與其控制或管理對象間的相互作用。例如石油化工、金屬冶煉、電網(wǎng)控制的有關(guān)人員可以根據(jù)設(shè)備關(guān)鍵部位的傳感器送來的圖像和數(shù)據(jù)，對設(shè)備運行過程進行有效監(jiān)視和控制；機場的飛行控制人員和鐵路的調(diào)度人員可通過計算機產(chǎn)生運行狀態(tài)信息來有效、迅速、準確地調(diào)度，調(diào)整空中交通和鐵路運輸。第二十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日6.電子出版及辦公室自動化圖文并茂的電子排版制版系統(tǒng)代替了傳統(tǒng)的鉛字排版，這是印刷史上的一次革命。隨著圖、聲、文結(jié)合的多媒體技術(shù)的發(fā)展，配合迅速發(fā)展的計算機網(wǎng)絡(luò)，可視電話、電視會議、遠程診斷以及文字、圖表等的編輯和硬拷貝正在家庭、辦公室普及。伴隨計算機和高清晰度電視結(jié)合的產(chǎn)品的推出，這種普及率將會越來越高，進而會改變傳統(tǒng)的辦公、家庭生活方式。7.計算機動畫和藝術(shù)由于計算機圖形系統(tǒng)的硬件速度提高，軟件功能增強，因而利用它來制作計算機動畫、廣告，甚至電視電影，其中有的影片還獲得了奧斯卡獎。第二十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日目前國內(nèi)外不少單位正在研制人體模擬系統(tǒng)，這使得在不久的將來把歷史上早已去世的著名影視名星重新搬上新的影視片成為可能。將計算機圖形學(xué)與專家系統(tǒng)和人工智能技術(shù)結(jié)合起來，可構(gòu)造出豐富多彩、形狀各異的藝術(shù)圖像，如各種圖案、花紋、工藝外形設(shè)計及傳統(tǒng)的油畫、中國國畫和書法等。8.科學(xué)計算的可視化科學(xué)計算可視化就是應(yīng)用計算機圖形生成技術(shù)將科學(xué)及工程計算的中間結(jié)果或最后結(jié)果以及測量數(shù)據(jù)等在計算機屏幕上以圖像形式顯示出來，使人們能觀察到用常規(guī)手段難以觀察到的自然現(xiàn)象和規(guī)律，實現(xiàn)科學(xué)計算環(huán)境和工具的進一步現(xiàn)代化。第二十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日隨著科學(xué)技術(shù)的進步，人類面臨著越來越多的數(shù)據(jù)需要進行處理。這些數(shù)據(jù)來自高速計算機，人造地球衛(wèi)星，地震勘探，計算機層析成像和核磁共振等途徑?？茖W(xué)計算可視化可廣泛應(yīng)用于計算流體力學(xué)、有限元分析、氣象科學(xué)、天體物理、分子生物學(xué)、醫(yī)學(xué)圖像處理等領(lǐng)域。9.工業(yè)模擬這是一個十分大的應(yīng)用領(lǐng)域，包含對各種機構(gòu)的運動模擬和靜、動態(tài)裝配模擬，在產(chǎn)品和工程的設(shè)計、數(shù)控加工等領(lǐng)域迫切需要。它要求的技術(shù)主要是計算機圖形學(xué)中的產(chǎn)品造型、干涉檢測和三維形體的動態(tài)顯示。第三十頁，共四十九頁，2022年，8月28日10.計算機輔助教學(xué)計算機圖形學(xué)已廣泛應(yīng)用于計算機輔助教學(xué)系統(tǒng)中，它可以使教學(xué)過程形象、直觀、生動，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效果。由于個人計算機的普及，計算機輔助教學(xué)系統(tǒng)將深入到家庭和幼兒教育?？傊换ナ接嬎銠C圖形學(xué)的應(yīng)用極大地提高了人們理解數(shù)據(jù)、分析趨勢、觀察現(xiàn)實或想象形體的能力。隨著個人計算機和工作站的發(fā)展，隨著各種圖形軟件的不斷推出，計算機圖形學(xué)的應(yīng)用前景將是更加引人入勝的。第三十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日1.2計算機圖形系統(tǒng)1.2.1計算機圖形系統(tǒng)硬件計算機圖形系統(tǒng)與一般的計算機系統(tǒng)是一樣的，由硬件和軟件兩方面組成，硬件由主機和輸入輸出設(shè)備組成，軟件由系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件組成。圖形系統(tǒng)的選擇和應(yīng)用是學(xué)習(xí)和掌握計算機圖形學(xué)的前提，只有通過圖形系統(tǒng)我們才有可能開拓、利用計算機圖形學(xué)的潛力?？傮w上，計算機圖形系統(tǒng)與一般計算機系統(tǒng)相比，要求主機性能更高，速度更快，存儲容量更大，外設(shè)種類更齊全，具體區(qū)別是：第三十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日（1）圖形運算要求CPU有強大的浮點運算能力，而一般計算機系統(tǒng)的應(yīng)用側(cè)重于整數(shù)運算，浮點運算較少，CPU的浮點運算能力要求較低。（2）圖形顯示要求有功能強大的顯示能力，包括要配備專業(yè)3D圖形加速卡和大屏幕顯示器（一般17英寸以上），而一般計算機系統(tǒng)的應(yīng)用主要側(cè)重于字符顯示，不需要專業(yè)圖形加速卡和大屏幕顯示器。圖形加速卡目前發(fā)展很快，3D顯示卡已發(fā)展了五代，已發(fā)展成為可與中央處理器（CPU）相提并論的圖形處理器（GPU），如nVidia公司的GeForce3顯示芯片。GPU的出現(xiàn)使得CPU的負擔(dān)大大減輕，顯示速度和質(zhì)量明顯提高。第三十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日（3）輸入設(shè)備除了常用的鍵盤和鼠標之外，一般還要配備數(shù)字化儀和掃描儀。數(shù)字化儀主要用于線條圖形的輸入，掃描儀主要用于面狀圖像的輸入。目前，掃描儀的發(fā)展很快，功能更全面，配合某些矢量化軟件，也可把線條圖形掃描后自動識別輸入計算機，大大提高工作效率，有取代數(shù)字化儀之勢。（4）輸出設(shè)備一般要有面向圖像的彩色打印機和面向線條的筆式繪圖儀。彩色打印機一般可分為低檔的彩色噴墨打印機、中檔的熱蠟式打印機和高檔的熱升華打印機。目前，由于噴墨打印機技術(shù)的不斷進步，價格便宜，而筆式繪圖儀不易使用，容易損壞，熱蠟式打印機和熱升華打印機又過于昂貴，因此，性能優(yōu)良的彩色噴墨打印機逐漸成為圖形輸出設(shè)備的主流產(chǎn)品和用戶首選設(shè)備。第三十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日計算機圖形系統(tǒng)的主機目前主要有兩大類，一類是個人計算機或微型計算機，另一類是圖形工作站。兩者互不兼容。個人計算機采用開放式體系，CPU以Intel、AMD和Cyrix公司為主，操作系統(tǒng)以Microsoft公司的Windows為主，廠商以Compag、IBM、Dell、Acer和聯(lián)想公司為主，價格便宜，一般在1萬元左右，用戶很多。圖形工作站采用封閉式體系，不同的廠家采用的硬件和軟件都不相同，不能相互兼容。主要廠家有SUN、HP、IBM、DEC和SGI等。工作站速度快，容量大，但價格昂貴，一般在5萬元左右，用戶較少，一般都是專業(yè)公司或?qū)I(yè)人員才擁有。目前，由于個人計算機的發(fā)展很快，個人計算機與圖形工作站的性能差別逐步縮小，專門為圖形應(yīng)用方面配備的高檔個人計算機已逐步成為計算機圖形系統(tǒng)的首選，特別是對于廣大的普通用戶。第三十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日1.2.2計算機圖形系統(tǒng)軟件

計算機圖形系統(tǒng)的軟件一般包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩方面。系統(tǒng)軟件又分為操作系統(tǒng)和程序設(shè)計語言。

工作站的操作系統(tǒng)可細分為底層的UNIX系統(tǒng)和上層的窗口系統(tǒng)，窗口系統(tǒng)有SUN公司的OpenWindows，OSF公司的Motif，DEC公司的DECWindows和IBM公司的OfficeVision等。

個人計算機的操作系統(tǒng)大多采用底層的DOS和上層的Windows，它們都是Microsoft公司的產(chǎn)品。目前DOS和Windows已合二為一，成為不可分割的一個整體。由于目前一般的計算機系統(tǒng)也都采用具有圖形接口的窗口系統(tǒng)，所以操作系統(tǒng)方面計算機圖形系統(tǒng)與一般計算機系統(tǒng)基本上沒有差別。第三十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日程序設(shè)計語言方面，計算機圖形系統(tǒng)當(dāng)然要求程序設(shè)計語言具有較強的圖形圖像處理能力，所以具有很強的圖形圖像處理能力和發(fā)展前景的C/C++語言逐漸成為計算機圖形系統(tǒng)的首選開發(fā)語言，其它高級語言如PASCAL、BASIC和FORTRAN語言雖也有一定的圖形圖像處理能力，但在計算機圖形系統(tǒng)中已逐漸成為次要的開發(fā)語言。

例如，TurboC2.0具有70多個圖形函數(shù)庫，包括圖形系統(tǒng)管理函數(shù)、屏幕管理函數(shù)、圖形繪制函數(shù)、屬性控制函數(shù)、區(qū)域填充函數(shù)和文本處理函數(shù)等。應(yīng)用軟件方面，可以說是五花八門，一般是針對某一具體應(yīng)用方面而言，有獨立的圖形應(yīng)用軟件，更多的是分散在各種應(yīng)用軟件中。第三十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日獨立的圖形軟件主要為面向各種產(chǎn)品設(shè)計和工程設(shè)計的計算機輔助設(shè)計（ComputerAidedDesign，簡稱CAD）、面向藝術(shù)模擬和工藝美術(shù)的計算機美術(shù)（ComputerArt，簡稱CA）以及面向廣告和影視的三維動畫設(shè)計（3dStudio）。目前，圖形應(yīng)用軟件代表性的產(chǎn)品有：AutoCAD、3DStudio和3DSMAX、Freehand、CorelDRAW、MAYA等。1.3計算機圖形標準隨著計算機硬件的飛速發(fā)展，加之圖形輸入輸出設(shè)備種類十分繁雜，使得開發(fā)高性能的交互式圖形系統(tǒng)變得越來越困難越復(fù)雜，并且難于在不同的計算機和圖形設(shè)備之間進行移植。第三十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日為了使應(yīng)用程序在不同系統(tǒng)之間或不同程序之間可以移植，使應(yīng)用程序與圖形設(shè)備無關(guān)，使不同系統(tǒng)之間或不同程序之間相互交換圖形數(shù)據(jù)成為可能，制訂圖形軟件的標準是非常必要的。從1974年起的二十多年中，國際標準化組織（ISO）已經(jīng)批準的與計算機圖形有關(guān)的標準有：圖形核心系統(tǒng)（GKS）及其語言聯(lián)編、三維圖形核心系統(tǒng)（GKS-3D）及其語言聯(lián)編、程序員層次交互式圖形系統(tǒng)（PHIGS）及其語言聯(lián)編、計算機圖形元文件（CGM）、計算機圖形接口（CGI）和基本圖形交換規(guī)范（IGES）。它們的層次關(guān)系如圖2.1所示(P57)。第三十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日1.3.1圖形標準

GKS（GraphicalKernelSystem）、GKS-3D和PHIGS（Programmer’sHierarchicalInteractiveGraphicalSystem）三個標準都是有關(guān)應(yīng)用程序與圖形軟件包的接口，通常稱為“應(yīng)用接口”。圖形軟件包是一組常用的有關(guān)圖形處理的子程序的集合，它隔離了應(yīng)用程序與圖形物理設(shè)備的聯(lián)系，該接口的標準化就可實現(xiàn)應(yīng)用程序在源程序級的可移植性。這個標準也是所謂的狹義的圖形標準。GKS提供了在應(yīng)用程序和圖形輸入輸出設(shè)備之間的功能接口，定義了一個獨立于語言的圖形核心系統(tǒng)，在具體應(yīng)用中，必須符合所使用語言的約定方式，把GKS嵌入到相應(yīng)的語言之中。第四十頁，共四十九頁，2022年，8月28日GKS包括一系列交互和非交互圖形設(shè)備的全部圖形處理功能，大致可分為以下十類：①控制功能：執(zhí)行打開、關(guān)閉GKS以及使系統(tǒng)進入、退出活動狀態(tài)等；②輸出功能：確定輸出圖形的類型；③輸出屬性：設(shè)定圖素的各種屬性以及各種圖素的輸出表現(xiàn)方式；④變換功能：實現(xiàn)規(guī)格化；⑤圖段功能：對圖形進行生成、刪除、復(fù)制以及實現(xiàn)圖段屬性控制；⑥輸入功能：對各種輸入設(shè)備初始化，設(shè)定設(shè)備工作方式，確定請求、采樣和事件輸入；⑦詢問功能：查詢GKS描述表、狀態(tài)表、出錯表、圖素表等；⑧實用程序：實現(xiàn)GKS的幾何變換等；⑨元文件處理；⑩出錯處理。GKS-3D對GKS進行了功能擴充，使之能用于三維圖形程序設(shè)計。第四十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日PHIGS是向應(yīng)用程序員提供的控制圖形設(shè)備的圖形系統(tǒng)接口，其圖形數(shù)據(jù)按層次結(jié)構(gòu)組織，使多層次的應(yīng)用模型能方便地應(yīng)用PHIGS進行描述，提供動態(tài)修改和繪制顯示圖形數(shù)據(jù)的手段。PHIGS是為具有高度動態(tài)性、交互性的三維圖形應(yīng)用而設(shè)計的圖形軟件工具庫，其最主要的特點是能夠在系統(tǒng)中高效率地描述應(yīng)用模型，迅速修改圖形模型的數(shù)據(jù)，并能繪制顯示修改后的圖形模型。圖形標準是一組由基本圖元（點、線、面）和屬性（線型、顏色等）構(gòu)成的標準通用圖形系統(tǒng)。它們以子程序的形式支持應(yīng)用圖形系統(tǒng)。應(yīng)用程序通過調(diào)用這些圖形標準子程序，即可生成圖形和圖像，并通過交互顯示設(shè)備實現(xiàn)圖形的輸入輸出。第四十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日這三個圖形標準的上述所謂“語言聯(lián)編”是指這些圖形標準都已按照所使用的語言的約定嵌入到程序設(shè)計語言中。目前使用較多的語言有C、PASCAL、FORTRAN和BASIC。因此，程序設(shè)計人員只要按照所使用語言的語法規(guī)定調(diào)用該語言所提供的圖形程序（函數(shù)）庫，就可開發(fā)出符合圖形標準的圖形軟件。因此一般用戶不必詳細了解具體詳細的圖形標準。1.3.2圖形設(shè)備接口標準CGI（ComputerDeviceInterface）標準是ISOTC97組提出的圖形軟件與圖形輸入輸出設(shè)備之間的接口標準，稱之為“虛擬圖形設(shè)備接口”VDI（VirtualDeviceInterface）。第四十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日CGI是第一個針對圖形設(shè)備接口，而不是應(yīng)用程序接口的交互式計算機圖形標準。CGI的目標是使應(yīng)用程序和圖形庫直接與各種不同的圖形設(shè)備相作用，使其在各種圖形設(shè)備上不經(jīng)過修改就可以運行，即在用戶程序和虛擬設(shè)備之間以一種獨立于設(shè)備的方式提供圖形信息的描述和通信。CGI規(guī)定了發(fā)送圖形數(shù)據(jù)到設(shè)備的輸出和控制功能，用圖形設(shè)備接收圖形數(shù)據(jù)的輸入、查詢和控制功能。CGI提供的功能集包括控制功能集、獨立于設(shè)備的圖形對象輸出功能集、圖段功能集、輸入和應(yīng)答功能集以及產(chǎn)生、修改、檢索和顯示像素數(shù)據(jù)的光柵功能集。第四十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日1.3.3圖形元文件標準

CGI是設(shè)備級的計算機圖形接口，該接口的標準化即可實現(xiàn)圖形軟件與圖形設(shè)備的無關(guān)性。CGI的目的是提供控制圖形硬件的一種與設(shè)備無關(guān)的方法，實際上也可看作是圖形設(shè)備驅(qū)動程序的一種標準。它既可以以子程序包的形式直接提供給用戶使用，也可作為隱含的標準支持軟件實現(xiàn)GKS、PHIGS等高層的圖形標準。C