计算机图形学与图形处理技术

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1、第7章计算机图形学与图形处理技术计算机中的图可分为两种类型：即图形与图像。计算机图形学（ComputerGraphics）是利用计算机研究图形的表示、生成、处理、显示的学科。经过30多年的发展，计算机图形学已成为计算机科学中，最为活跃的分支之一，并得到广泛的应用。本章将介绍计算机图形学的研究内容、发展历史、应用领域和真实感图形的实现技术，使读者对图形学的基本内容有基本的了解。7.1计算机图形学概论7.1.1计算机图形学研究的主要内容图形的应用已经有数千年的历史。早在两千多年前，就出现了欧几里德几何，后来又出现立体几何、解析几何和样条几何，广泛用于数学和建筑学，对科学和教育事业

2、起了很大作用。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，一类是基于线条信息表示的，用于刻画物体形状的点、线、面、体等几何要素。如工程图、等高线地图、曲面的线框图等，另一类是反映物体表面属性或材质的灰度颜色等非几何要素。它侧重于根据给定的物体描述模型、光照及摄像机来生成真实感图形。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

3、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。7.1.2计算机图形处理的基本概念计算机图形处理是指利用由概念或数学描述所表示物体的几何数据或几何模型，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。图形处理包括的主要内容有:几何变换，如平移、旋转、缩放、透视和投影等曲线和曲面拟合建模或造型隐线隐面消除阴暗处理纹理产生着色图形处理技术主要应用领域在计算机辅助设计和制造、计算机教育、计算机艺术、计算机模拟、计算机可视化、计算机动画和虚拟现实。CAD是图形学的主要应用领域之一。7.1.3计算机图形系统的组成与功能计算机图形系统的组成

4、计算机图形系统应由硬件设备和相应的图形软件系统两部分组成。高质量的计算机图形离不开高性能的计算机图形硬件设备。例如，国际上广泛使用的SunSPARC系列工作站、HP系列工作站，便是性能优异的专用图形系统。图形系统硬件通常由图形处理器，图形输出设备和输入设备构成。图形处理器是图形系统结构的重要部件，是连接计算机和显示终端的纽带。图形处理器具有存储和处理图形的功能，而且能完成大部分图形函数计算，这样就大大减轻了CPU的负担，提高了系统显示能力和显示速度。最常用的图形输入设备就是基本的计算机输入设备键盘和鼠标。人们一般通过一些图形软件由键盘和鼠标直接在屏幕上定位和输入图形，如人

5、们常用的CAD系统就是用鼠标和键盘命令生产各种工程图的。此外还有跟踪球、空间球、数据手套、光笔、触摸屏等输入设备。跟踪球和空间球都是根据球在不同方向受到的推或拉的压力来实现定位和选择。数据手套则是通过传感器和天线来获得和发送手指的位置和方向的信息。这几种输入设备在虚拟现实场景的构造和漫游中特别有用。光笔是一种检测光的装置，它直接在屏幕上操作，拾取位置。随着计算机系统、图形输入/输出设备的发展，计算机图形软件也不断更新和完善，目前发展了许多支持计算机图形技术的软件系统。如各种子程序包、图形函数库、甚至是专用的图形系统。随着图形系统的发展，提出了图形软件标准化的问题。为实现程序的

6、可移植性，开发出了面向设备的驱动程序包或面向用户的图形生成及管理程序包。图形系统的设计和研制是计算机科学和工程领域的重要内容。作为一个图形系统，至少应具有计算、存储、输入、输出、对话等五个方面的基本功能。计算功能能实现设计过程中所需的计算、变换、分析等功能，如：图元生成、坐标变换等；存储功能能存放（形体的）几何数据、形体间的关系，并可对数据实时检索、维护；输入功能可输入形体的几何参数及各种命令。输出功能可显示过程中当前状态，修改后的结果，并可硬拷贝及输出。对话功能可通过图形显示器及其他人——机交互设备直接进行人——机通信。用户通过显示器观察设计结果和图形，用选择拾取设备，对不

7、满意部分作出修改。系统还可追溯以前的工作步骤，对用户操作执行的错误给予必要的提示和跟踪。以上五种功能是一个图形系统所具备的最基本功能，至于每种功能中有哪些能力，则因不同系统而异。7.2计算机图形学的发展与应用7.2.1计算机图形学的发展计算机图形学的研究最早起源于美国麻省理工学院。从20世纪50年代初到60年代中期，麻省理工学院（MIT）积极从事现代计算机辅助设计／制造技术的开拓性研究。计算机图形(ComputerGraphics)这个术语是在1962年美国麻省理工学院林肯实验室的IvanE.suthe