第一章绪论--2007年版 - 图文

教学目标 总体目标：理解计算机图形学的基本思想。 通过本章的学习，应能做到： 制。 掌握下列概念：图象、图形、计算机辅助设计与制造、可视化、图形显示和图形绘了解计算机图形学的研究内容及发展简史、计算机图形学的应用和图形设备的基本原理。

内容简介

计算机图形学是近30年来发展迅速、应用广泛的新兴学科，是计算机科学最活跃的分支之一。如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法，构成了其主要研究内容。 计算机图形学的研究始于50年代，当时只是为了在绘图仪和阴极射线管（CRT）屏幕上输出图形，60年代是计算机图形学得到确立并蓬勃发展的时期，70年代则是这方面技术进入实用化的阶段。不过，直到80年代初，和别的学科相比，计算机图形学还是一个很小的学科领域，主要原因是由于图形设备昂贵、功能简单、基于图形的应用软件缺乏，随着光栅图形显示器的出现，计算机图形系统才得到了很大的发展和广泛的应用。进入90年代，计算机图形学的功能除了随着计算机图形设备的发展而提高外，其软件技术、系统更加成熟，并朝着标准化、集成化和智能化的方向发展。事实上，图形学的应用从某种意义上标志着计算机软、硬件的发展水平。计算机图形学之所以能在它短短的30多年历史中获得飞速发展，其根本原因是图形为传递信息的最主要媒体之一。人们要利用计算机进行工作，必须有任何计算机之间传递信息的手段——人机界面。人机界面从早期的读卡机及控制板上的开关、指示灯发展到键盘和字符中断，再发展到基于键盘、鼠标、光笔等输入设备和光栅显示器的图形用户界面，而最终必然过渡到带给用户身临其境感觉的三维用户界面——虚拟环境（虚拟现实）。人机界面的发展过程正好对应着计算机技术从初级到高级的发展过程。计算机图形学来源于生活、科学、工程技术、艺术、音乐、舞蹈、电影制作等，反过来，它又大大促进了这些领域的发展。 本章将从计算机图形学的研究内容、应用、发展简史、当前研究课题和图形的输入、输出设备等方面概括的介绍计算机图形学的有关内容，使读者有个较为全面的了解。 计算机图形学的研究内容 1.1 计算机图形学的发展简史 1.2 应用及研究前沿 1.3 图形设备 1.4

1.1 计算机图形学的研究内容

如何在计算机中表示图形,以及如何利用计算机进行图形的生成、处理和显示的相关原理与算法，构成了计算机图形学的主要研究内容。图形通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、线宽等非几何属性组成。从处理技术上来看，图形主要分为两类，一类是由线条组成的图形，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等，另一类是类似于照片的明暗图(Shading)，也就是通常所说的真实感图形。

可以说，计算机图形学的一个重要研究内容就是要利用计算机产生令人赏心

悦目的真实感图形。为此，必须建立图形所描述的场景的几何表示，再用某种光照模型，计算在假想的光源、纹理、材质属性下的光照明效果。所以计算机图形学与另一门学科－计算机辅助几何设计有着密切的关系。事实上，图形学也把可以表示几何场景的曲线曲面造型技术和实体造型技术作为其重要的研究内容。同时，真实感图形计算的结果是以数字图象的方式提供的，计算机图形学也就和图象处理有着密切的关系。图形与图象两个概念间的区别越来越模糊，但我们认为还是有区别的：图象纯指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息，而图

形含有几何属性，或者说更强调场景的几何表示，是由场景的几何模型和景物

的物理属性共同组成的。

计算机图形学的研究内容非常广泛，如图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。

补充知识----与计算机图形学有关的几个概念

计算机图形学（Computer Graphics）是研究怎样用数字计算机生成、处理和显示图形的一门学科。图形的具体应用范围很广，但是从基本的处理技术看只有两类，一类是线条，如工程图、地图、曲线图表等；另一类是明暗图，与照片相似。为了生成图形，首先要有原始数据或数学模型，如工程人员构思的草图，地形航测的判读数据，飞机的总体方案模型，企业经营的月统计资料等等。这些数字化的输入经过计算机处理后变成图形输出。

计算机图形：用计算机生成、处理和显示图形的学科；由几何数据和几何模型，利用计算机进行显示并存储，并可以进行修改、完善以及有关操作的过程；

图象处理：将客观世界中原来存在的物体影象处理成新的数字化图象的相关技术；如CT扫描、X射线探伤等；

模式识别：对所输入的图象进行分析和识别，找出其中蕴涵的内在联系或抽象模型；如邮政分检设备、地形地貌识别等；

计算几何：研究几何模型和数据处理的学科，讨论几何形体的计算机表示、分析和综合，研究如何方便灵活、有效地建立几何形体的数学模型以及在计算机中更好地存贮和管理这些模型数据。

1.2 计算机图形学的发展简史

1950年---产生了第一台图形显示器

第一台图形显示器作为美国麻省理工学院（MIT）旋风I号（Whirlwind I）计算机的附件诞生了。该显示器用一个类似于示波器的阴极射线管（CRT）来显示一些简单的图形。

1958年---产生了第一台绘图仪

美国Calcomp公司由联机的数字记录仪发展成滚筒式绘图仪，GerBer公司把数控机床发展成为平板式绘图仪。在整个50年代，只有电子管计算机，用机器语言编程，主要应用于科学计算，为这些计算机配置的图形设备仅具有输出功能。计算机图形学处于准备和酝酿时期，并称之为：“被动式”图形学。到50年代末期，MIT的林肯实验室在“旋风”计算机上开发SAGE空中防御体系，第一次使用了具有指挥和控制功能的CRT显示器，操作者可以用笔在屏幕上指出被确定的目标。与此同时，类似的技术在设计和生产过程中也陆续得到了应用，它预示着交互式计算机图形学的诞生。

1962年—-提出了“Computer Graphics”

MIT林肯实验室的Ivan E.Sutherland 发表了一篇题为“Sketchpad：一个人机交互通信的图形系统”的博士论文，他在论文中首次使用了计算机图形学“Computer Graphics”这个术语，证明了交互计算机图形学是一个可行的、有用的研究领域，从而确定了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的独立地位。他在论文中所提出的一些基本概念和技术,如交互技术、分层存储符号的数据结构等至今还在广为应用。

1964年---提出了“超限插值”的新思想

MIT的教授Steven A. Coons提出了被后人称为超限插值的新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。同在60年代早期，法国雷诺汽车公司的工程师Pierre Bézier发展了一套被后人称为Bézier曲线、曲面的理论，成功地用于几何外形设计，并开发了用于汽车外形设计的UNISURF系统。Coons方法和Bézier方法是CAGD最早的开创性工作。值得一提的是，计算机图形学的最高奖是以 Coons的名字命名的，而获得第一届（1983）和第二届(1985) Steven A.Coons 奖的，恰好是Ivan E.Sutherland和Pierre Bézier，这也算是计算机图形学的一段佳话。

70年代---计算机图形学快速发展时期

（1）光栅图形学算法的发展。如区域填充、裁剪、消隐等算法。

（2）出现了实用的CAD系统。

（3）提出了图形软件功能的标准化。

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