第1章计算机图形学概述

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1、第1章计算机图形学概述Contents•计算机图形学的研究内容•计算机图形学的发展史•计算机图形学的应用1.1图形的概念与计算机图形学的研究内容1.1.1图形的概念•广义的图形概念凡是能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象都称为图形。如：(1)自然景物(2)照片和图片(3)工程图、设计图和方框图(4)人工美术绘画、雕塑品(5)用数学方法描述的图形（包括几何图形、代数方程、分析表达式或列表所确定的图形）•计算机图形学中的图形概念是指由点、线、面、体等几何要素和明暗、灰度（亮度）、色彩等非几何要素构成的，从现实世界中抽象出来的带有灰度、色彩及形状的图或形。1

2、.1.2计算机图形学的研究内容•计算机图形学(computergraphics,CG)用计算机生成景物的数字模型，并将它显示在计算机屏幕上，或者绘制在纸张或胶片上。它是研究如何在计算机环境下生成、处理和显示图形的一门学科。•计算机图形学的主要研究对象景物的几何建模方法(modeling)、对模型的处理方法(process)、几何模型的绘制技术(rendering)、图形输入和控制的人机交互界面(userinterface)。1.2计算机图形学的发展史1.2.1计算机图形设备和交互技术1)1946年，第一台电子计算机的问世推动了许多学科的发展和新学科的建立，其

3、中就包括现代图形学技术。2)1959年，美国Calcomp公司研制出的世界上第一台滚筒式绘图机，使计算机辅助绘图仪开始代替人工绘图。3)20世纪50年代末期，美国MIT林肯实验室研制出的空中防御系统标志着交互式图形技术的诞生。4)1962年，I.E.萨瑟兰德在其博士论文《SKETCHPAD:一个人机通信的图形系统》中首次提出计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想。这些基本理论和技术至今仍是现代图形技术的基础。Sketchpadin1963NoteuseofaCRTmonitor,lightpenandfunction-keypanel.1.2

4、.2计算机图形系统1)早期的绘图软件大都采用线框式图形数据结构，该结构特别适合于图形的几何变换和交互显示，但无法在计算机内完整地定义三维物体。2)20世纪60年代末期开始研究和发展实体造型技术，如英国剑桥大学的I.C.Braid的BUILD系统、美国罗彻斯特大学的PADL-1系统和日本北海道大学的TIPS-1系统。这些系统都在计算机内提供了对物体的完整的几何定义，可随时提取所需信息。3)目前国际上应用较广的实体造型系统有IBM公司的CADAM、DassaultSystem公司的CATIA、SDRC公司的Geomod、PT公司的Pro/Engineer、Spa

5、tialTechnology公司的ACIS、Solidworks公司的Solidworks等。设计人员可直接在三维空间进行产品的设计、修改、观察，从而使设计活动变得直观、简单、高效。IBM公司的CADAM系统CATIA系统设计的轮船DassaultSystem公司的CATIAPT公司的Pro/Engineer系统1.2.3计算机图形的标准化•官方标准1)第一个图形软件标准是由德国提出的图形核心系统GKS，这是一个二维图形软件包。2)1988年，GKS的三维扩充GKS-3D成为三维图形软件标准。GKS标准下的图形3)1986年，ISO提出程序员分层交互图形系统

6、PHIGS，支持三维图形的层次嵌套结构。PHIGS标准下的图形•非官方标准–SGI等公司开发的OpenGL，Sun公司推出的Java3D，Microsoft公司的DirectX等。OpenGL制作的游戏Java3D制作的游戏DirectX制作的游戏1.3计算机图形学的应用•计算机辅助设计与制造(computeraideddesignandmanufactory)•地理信息系统(geographicalinformationsystem,GIS)•科学计算可视化(visualizationinscientificcomputing)•计算机动画和艺术•计算机模

7、拟和仿真•虚拟现实(virtualreality,VR)（1）计算机辅助设计与制造计算机辅助设计(CAD)已广泛应用于飞机、汽车、船舶的外形设计、超大规模集成电路设计，以及建筑、服装、印染、玩具设计等领域。CAD技术使得工程、产品设计和施工图纸不必再由人工绘制，可大大缩短设计周期。雪佛莱敞篷轿车曲面造型（2）地理信息系统地理信息系统记录着关于人口、城镇乡村、高山平原地形、矿藏、森林、旅游等大量信息。利用地理系统中的图形软件可绘制出地理、地质的以及其他自然现象的高精度勘探、测量图形，如地理图、人口分布图、水资源分布图等。（3）科学计算可视化可视化技术广泛应用于

8、流体力学、有限元分析、医学、天气预报、海洋和空间探测