第一章計算機圖形學(xué)簡介

第一章計算機圖形學(xué)簡介第一節(jié)計算機圖形學(xué)第二節(jié)計算機圖形學(xué)的起源第三節(jié)計算機圖形學(xué)的應(yīng)用及發(fā)展動向第四節(jié)圖形系統(tǒng)的硬件第五節(jié)計算機圖形標(biāo)準(zhǔn)

計算機圖形學(xué)是指用計算機產(chǎn)生對象圖形的輸出的技術(shù)。更確切地說，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。第一節(jié)計算機圖形學(xué)研究用計算機及其圖形設(shè)備來輸入、表示、變換和輸出圖形的原理、算法及系統(tǒng)。

經(jīng)過多年的研究與發(fā)展，逐漸形成了多個與圖形相關(guān)的分支：計算機圖形（ComputerGraphics）、圖像處理（ImageProcessing）和模式識別（PatternRecognition）。計算機圖形：用計算機生成、處理和顯示的對象。由幾何數(shù)據(jù)和幾何模型利用計算機進(jìn)行存儲、顯示、并修改完善后形成。

CAD(CAGD),CAM,CAE.

模型：能夠正確地表達(dá)出一個對象性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和行為的描述信息。圖像處理是指用計算機來改善圖像質(zhì)量的數(shù)字技術(shù)?？梢娀虿豢梢姷膱D像經(jīng)過量化后輸入到計算機中，按應(yīng)用的需要對已有的圖像進(jìn)行增強、復(fù)原、分割、重建、編碼、存儲、傳輸?shù)确N種不同的處理，在把加工后的圖像進(jìn)行輸出。

CT,宇宙飛船發(fā)回的各種照片。模式識別：通常，我們把通過對具體的個別事物進(jìn)行觀測所得到的具有時間和空間分布（廣義）的信息稱為模式。而把模式所屬的類別或同一類中模式的總體稱為模式類（或類）。

模式識別是指用計算機對輸入圖形圖像進(jìn)行分析和識別，找出其中蘊涵的內(nèi)在聯(lián)系或抽象模型。模式識別是指用計算機對輸入圖形圖像進(jìn)行識別的技術(shù)。模式識別過程：信息獲取預(yù)處理特征提取和選擇分類決策。應(yīng)用：郵政分揀，指紋、牌照識別，地形地貌識別等。計算幾何學(xué)是研究幾何模型和數(shù)據(jù)處理的學(xué)科。

交互式計算機圖形學(xué)是指用計算機交互式地產(chǎn)生圖形的技術(shù)。

交互設(shè)備是實現(xiàn)交互技術(shù)，完成交互任務(wù)的基礎(chǔ)。

交互設(shè)備有定位、筆劃、字符串、定值、選擇和拾取。

輸入設(shè)備的邏輯分類Locator指定坐標(biāo)位置(x,y)設(shè)備(定位)Stroke指定一組坐標(biāo)值的設(shè)備(筆劃)String指定文字輸入的設(shè)備(字符串)Valuator指定標(biāo)量值的設(shè)備(定值)Choice選擇菜單項的設(shè)備(選擇)Pick選擇圖形組成部分的設(shè)備(拾取)名稱典型設(shè)備功能定位叉絲，指姆輪輸入一個點坐標(biāo)筆劃圖形輸入板輸入一系列點坐標(biāo)數(shù)值數(shù)字鍵盤輸入一個整數(shù)或?qū)崝?shù)選擇功能鍵、叉絲、光筆由一個整數(shù)得到某種選擇拾取光筆接觸屏幕上已顯示圖形通過一種拾取狀態(tài)來判別字符串字符鍵盤輸入一個字符串交互任務(wù)是用戶輸入到計算機的一個單元信息，基本任務(wù)有四種：定位、字串、選擇、取數(shù)。

第二節(jié)計算機圖形學(xué)的起源起源于美國麻省理工學(xué)院，從20世紀(jì)50年代初期到60年代中期，美國麻省理工學(xué)院積極從事現(xiàn)代計算機輔助設(shè)計/制造技術(shù)的開拓性研究。1952年誕生了世界上第一臺數(shù)控銑床的原形，1957年，美國空軍將第一批三坐標(biāo)數(shù)控銑床裝備運到飛機工廠，大型精密上數(shù)控繪圖機也同時誕生。

隨后，麻省理工學(xué)院發(fā)展了APT(Auto-maticallyProgrammedTools,數(shù)控加工自動編程語言)，這演變成國際上通用的加工編程工具。1962年，麻省理工學(xué)院的IvanE.Sutherland，發(fā)表了一篇光輝的博士論文--“Sketchpad：人---機圖形通信系統(tǒng)”，這極大地推進(jìn)了交互式計算機圖形顯示成為一個重要的嶄新的領(lǐng)域。1964年孔斯(SteveCoons)在麻省理工學(xué)院提出了用小塊曲面片表示自由型曲面時，使曲面片邊界達(dá)到任意高次連續(xù)階的理論，稱之為孔斯曲面?？姿购头▏字Z汽車公司的貝齊爾(PierreBezier)并列被稱為現(xiàn)代計算機輔助幾何設(shè)計技術(shù)的創(chuàng)始人。計算機輔助幾何設(shè)計(ComputerAidedGeometricDesign—CAGD)這一術(shù)語由Barnhill與Riesenfeld于1974年在美國Utah大學(xué)的一次國際會議上提出，以描述計算機輔助設(shè)計的更多的數(shù)學(xué)方面，因此加上“幾何”的修飾詞。在當(dāng)時，其含義包括曲線、曲面和實體的表示及其在實時顯時條件下的設(shè)計，也擴展到某些方面，例如四維曲面的表示與顯示。自此以后，計算機輔助幾何設(shè)計開始以一門獨立的學(xué)科出現(xiàn)。本學(xué)科是隨著航空、汽車等現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展與計算機的出現(xiàn)而產(chǎn)生與發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，其主要研究工業(yè)產(chǎn)品的幾何形狀。工業(yè)產(chǎn)品形狀大致上可分為兩類或由這兩類組成：一類是僅由初等解析曲面例如平面、圓柱面、球面等組成。大多數(shù)機械零件屬于這一類?？梢杂卯嫹◣缀闻c機械制圖完全清楚表達(dá)和傳遞所包含的全部形狀信息。第二類是不能用初等解析曲面組成，而以復(fù)雜方式自由地變化的曲線、曲面即所謂自由型曲線曲面組成，例如飛機、汽車、船舶的外形零件。這后一類形狀單純用畫法幾何與機械制圖是不能表達(dá)清楚的。自由型曲線曲面因不能用畫法幾何與機械制圖表達(dá)清楚，這成為擺在工程師面前首要解決的問題。1963年，F(xiàn)erguson首先提出了將曲線曲面表示為參數(shù)的矢函數(shù)方法。而后，Coons提出孔斯曲面，Schoenberg提出參數(shù)樣條曲線曲面，Bezier于1971年發(fā)表了一種由控制多邊形(網(wǎng)格)定義曲線(曲面)的方法。貝齊爾方法仍存在連接問題，還有局部修改問題。DeBoor,Gordon,Riesenfeld

提出了B樣條曲線曲面，它幾乎繼承了貝齊爾方法的一切優(yōu)點，克服了貝齊爾方法存在的缺點，較成功地解決了局部修改問題。B樣條方法較成功地解決了自由型曲線曲面形狀的描述問題，但應(yīng)用于圓錐截線及初等解析曲面卻是不成功的，都只能給出近似表示，不能適應(yīng)大多數(shù)機械產(chǎn)品的要求。1975年Versprille首先提出了有理B樣條方法，之后，主要地由于Piegl和Tiller的功績，至80年代后期，非均勻有理B樣條(NURBS)方法成為用于曲線曲面描述的最廣泛流行的技術(shù)。國際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)于1991年頒布了關(guān)于工業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換的STEP標(biāo)準(zhǔn)，把

NURBS作為定義工業(yè)產(chǎn)品幾何形狀的唯一數(shù)學(xué)方法。目前，NURBS方法廣泛應(yīng)用于數(shù)控加工、汽車覆蓋件模具設(shè)計、反向工程曲面重建等實際應(yīng)用領(lǐng)域。國際權(quán)威雜志ComputerAidedDesign和ComputerAidedGeometricDesign上。ComputerAidedDesign/science/journal/00104485ComputerAidedGeometricDesign/science/journal/01678396

國內(nèi)自蘇步青與劉鼎元合著有影響的《計算幾何》以來，CAGD方面的研究成果豐富.國內(nèi)：計算機學(xué)報、軟件學(xué)報、計算機研究與發(fā)展，計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報、中國圖象圖形學(xué)報等。國際權(quán)威會議SIGGRAPH，圖形學(xué)最新方向、成果。/s2010/PacificGraphics.清華、浙大國家CAD&CG重點實驗室圖形學(xué)的發(fā)展以硬件為支撐硬件的發(fā)展：光筆交互式圖形顯示器（1962），刷新式IBM2250圖形顯示器(1964),光柵掃描型顯示器（60年代末、70年代初），個人計算機與工作站問世（20世紀(jì)80年代），高速的大型工作站、高配置的顯卡、聲卡等。其他：網(wǎng)格計算、并行計算、海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)。

第三節(jié)計算機圖形學(xué)

的應(yīng)用及發(fā)展動向科學(xué)技術(shù)事業(yè)制圖學(xué)計算機輔助設(shè)計和計算機輔助制造計算機仿真與動畫過程控制、計算機藝術(shù)及辦公室自動化圖形學(xué)主要研究內(nèi)容圖形的生成和表示技術(shù)圖形的操作與處理方法圖形輸出設(shè)備與輸出技術(shù)的研究圖形輸入設(shè)備、交互技術(shù)及用戶接口技術(shù)的研究圖形信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及存儲、檢索方法幾何模型構(gòu)造技術(shù)動畫技術(shù)圖形軟硬件的系列化、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的研究科學(xué)計算的可視化計算機圖形學(xué)算法

計算機圖形學(xué)所涉及的算法是非常豐富的，圍繞著生成、表示物體的圖形圖像的準(zhǔn)確性、真實性和實時性，其算法大致可分為以下幾類：1.基于圖形設(shè)備的基本圖形元素的生成算法。2.基本圖形元素的幾何變換、投影變換、窗口裁剪。3.自由曲線、曲面的插值、擬合、拼接、分解、過渡、光順、整體修改、局部修改等。4.圖形元素（點、線、環(huán)、面、體）的求交、分類及集合運算。5.隱藏線、面消除及具有光照、顏色效果的真實感圖形顯示。6.不同字體的點陣表示，矢量中、西文字符的生成及變換。7.山、水、花、草、煙云等模糊景物的生成。8.三維或高維數(shù)據(jù)場的可視化。9.三維形體實時顯示和圖形并行處理。10.虛擬現(xiàn)實環(huán)境的生成及控制算法。計算機圖形學(xué)的發(fā)展趨向計算機圖形學(xué)會向一片更加廣闊的空間前進(jìn)。特別注意三個發(fā)展方向：一是圖像技術(shù)與圖形技術(shù)的交叉。二是智能技術(shù)與圖形技術(shù)的交叉。三是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與圖形技術(shù)的交叉。網(wǎng)絡(luò)醫(yī)院(CT圖象壓縮與快速傳輸)、協(xié)同CAD.計算機模擬技術(shù)成為與理論、實驗相并列的第三大研究手段。第四節(jié)圖形系統(tǒng)的硬件計算機圖形系統(tǒng)：計算機、顯示處理器(DPU)、圖形顯示器、輸入設(shè)備和硬拷貝設(shè)備CRT(Cathode-RayTube,陰極射線管)圖形顯示器工作方式有兩種：隨機掃描方式和光柵掃描方式

象素屏幕上可以點亮或熄滅的最小單位分辨率在水平和垂直方向上每單位長度上(如英寸)所包含的像素點的數(shù)目。(顯示屏上像素的總數(shù))亮度等級或稱灰度等級數(shù)目是指單色顯示器象素的亮度可以有多少種不同的變化幀存儲器存儲屏幕上每個象素對應(yīng)的顏色或亮度值顏色系統(tǒng)

RGB（紅、綠、藍(lán)）、顏色查詢表（colorlookuptable）、CMY（青、品紅、黃）、HSV（色彩、飽和度、亮度）第五節(jié)計算機圖形標(biāo)準(zhǔn)計算機圖形的標(biāo)準(zhǔn)是指圖形系統(tǒng)及其相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)中各界面之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和通信的接口標(biāo)準(zhǔn)，以及供圖形應(yīng)用程序調(diào)用的子程序功能及其格式標(biāo)準(zhǔn)，前者為數(shù)據(jù)及文件格式標(biāo)準(zhǔn)，后者為子程序界面標(biāo)準(zhǔn)。為了提高計算機圖形軟件、計算機圖形的應(yīng)用軟件及相關(guān)軟件的編寫人員在不同的計算機和圖形設(shè)備之間的可移植性，早在1974年，在美國國家標(biāo)準(zhǔn)化局（ANSI）舉行的“與機器無關(guān)的圖形技術(shù)”的工作會議上，就提出了計算機圖形的標(biāo)準(zhǔn)化和制定有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)則。之后，美國計算機協(xié)會（ACM）成立了一個圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會，在總結(jié)以往多年圖形軟件工作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，1977年，該委員會提出了“核心圖形系統(tǒng)”（CoreGraphicsSystem）的規(guī)范。1979年公布了修改后的第二版。在近二十年中，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）已經(jīng)批準(zhǔn)的和正在討論的與圖形有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有：計算機圖形核心系統(tǒng)及其語言聯(lián)編（GKS）；三維圖形核心系統(tǒng)及其語言聯(lián)編（GKS-3D）；程序員層次交互式圖形系統(tǒng)及其語言聯(lián)編（PHIGS）；計算機圖形元文件（CGM）；

計算機圖形接口（CGI）；基本圖形轉(zhuǎn)換規(guī)范(IGES)；產(chǎn)品數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)范（STEP）等。CGM,CGI是面向圖形設(shè)備的接口標(biāo)準(zhǔn);GKS,GKS-3D,PHIGS,GL是面向圖形應(yīng)用軟件的標(biāo)準(zhǔn);IGES,STEP是面向圖形應(yīng)用系統(tǒng)中工程和產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型及其文件格式的標(biāo)準(zhǔn).圖形化的用戶接口—窗口系統(tǒng):典型代表工作有工作站上的Motif,Openlook和PC機上的MS-Windows.CGI(ComputerGraphicsInterface)為用戶提供控制圖形硬件的一種與設(shè)備無關(guān)的方法，使得用戶能夠靈活方便地直接控制圖形設(shè)備，它是面向圖形設(shè)備的接口標(biāo)準(zhǔn)CGM(ComputerGraphicsMetafile)是一套與設(shè)備無關(guān)的語義詞法定義的圖形文件格式。CGM提供的圖形元文件規(guī)定了生成、存儲、傳送圖形信息的格式。GKS(GraphicsKernalSystem)提供應(yīng)用程序和圖形輸入輸出設(shè)備之間的功能接口，它是一個獨立于具體語言的圖形核心系統(tǒng)，在應(yīng)用中將GKS嵌入到相應(yīng)的語言中。PHIGS(Programmer’sHierarchicalInteractiveGraphicsSystem)是為三維圖形應(yīng)用而設(shè)計的圖形軟件工具庫。GL(GraphicsLibrary)是在工作站上廣泛應(yīng)用的一個標(biāo)準(zhǔn)的圖形程序庫。在跨平臺移植過程中發(fā)展為OpenGL,在運行各種操作系統(tǒng)的各種計算機上都可用，并在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下以C/S模式工作。

其具有如下功能：基本圖素(線、多邊形等)、坐標(biāo)變換、設(shè)