计算机图形学摘要

计算机图形学：
计算机图形学是利用计算机研究图形的表示、生成、处理、显示的学科，即是一门专门研究计算机如何处理图形的学科。

是计算机学科中最活跃的分支之一，它随着计算机技术的发展而发展。

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
已渗透到各个领域:工业监控、科学实验、商业管理、办公自动化、计算机辅助设计 涉及计算机科学与计算机技术的许多分支，它又同时与信息科学、微电子学、几何学、图论以及各应用领域的学科密切相关，并在发展中逐步与图像处理、模式识别、人工智能、计算机语言、计算机通信网络结合起来
是一门内容广泛、发展迅速的新兴技术学科
计算机图形学主要是研究用计算机及其图形设备来输入、表示、变换、运算和输出图形的原理、算法及系统。

涉及的主要内容有(P4)
计算机图形学的基本知识：发展、设备、应用、交互技术与用户接口等
基本图形元素生成算法，几何与投影变换、窗口裁剪等
曲线和曲面的插值、拟合、拼接、分解、过渡、光顺、整体或局部修改等
图形元素（点、线、面、环、体等）的求交与分类以及集合运算（几何造型） 字符的生成与变换
真实图形显示：隐藏线、面消隐、光照、纹理等
模糊景物的生成：山、水、花、草、树、烟云、雾等
三维或高维数据场的可视化
三维形体的实时显示和图形的并行处理
虚拟现实环境的生成及其控制算法等
图形的概念：图形通常是由点、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，用来表示实际或抽象的事物。

构成图形的要素：
几何要素：刻画对象的轮廓、形状等
非几何要素：刻画对象的颜色、材质等
图形：计算机图形学的研究对象
泛指能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象，包括自然景物、拍摄到的图片、用数学方法描述的图形等等
计算机中表示图形的方法
点阵表示：枚举出图形中所有的点，简称为图像（像素图）
参数表示：形状参数+属性参数，简称为图形
图形在计算机内的表示
点阵图（位图）：即用具有灰度或色彩的点阵来表示图形的一种方法，实际上也就是图像；一般的图形显示和输出设备显示和输出的都是点阵图。

一幅二维灰度图形可用矩阵(x i,y j,g k) (i=1,2...,M; j=1,2...,N; k=1,2...,L)表示。

其中(x i,y j)表示图形所占点阵的位置，g k表示该点象素的灰度级，一般L<256。

图形在计算机内的表示
矢量图：即用形状和属性参数表示的图形；可以通过一定的转换算法将其转换成点阵图表示。

点阵图：结构简单、修改困难、放大缩小会失真、存储占空间、容易表示和输出
矢量图：数据结构复杂、易修改、无极缩放、存储空间小、输出表示复杂
计算机图形学的研究内容：图形的输入、处理、输出
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。

我们着重讨论与图形交互技术、光栅图形生成、曲线曲面造型、图形变换和真实感图形生成相关的原理与算法。

图像的概念：定义：图像从广义上讲，凡是记录在纸上，拍摄在照片上，显示在屏幕上的所有具有视觉效果的画面都叫图像。

图像根据记录方式不同，可分为两类：
①模拟（analog）图像：通过某种物理量的强弱变化来记录图像上各点的灰度信息，如照片、电视；②数字图像：完全用数字来记录图像的灰度信息；
图形与图像是两个不同的概念
简单来讲，图形是现实中物体或事物的抽象；图像是指反映在视觉中的画面,以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息
二者有着密切的联系：图形的显示归根结底都必须通过图像来实现，图形是实际事物的抽象
图像处理：即将图像的灰度做某种变换，以使图像中的某部分信息更加突出，适应不同的需要。

例如亮度、对比度的调整等。

图形与图像处理：概念:利用计算机及其图形设备进行图形图像的输入、表示、变换、运算和输出的原理、算法及系统。

方法和一般步骤:
图形：输入（造型）→处理（表示、变换、运算等）→输出
图像：输入→处理（变换）→输出
被动式图形学时代：1950年第一台图形显示器麻省理工旋风一号类似示波器的阴极射线管用于图形的输出，无交互功能；1958年，滚筒式绘图仪、平板式绘图仪计算机，用机器语言编程，主要应用于科学计算，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
交互式计算机图形学：50年代末，MIT具有指挥和控制功能的CRT显示器
1962，MIT，Ivan，首次使用Computer Graphics、图形学之父
1964，MIT，Coons，超限插值：通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面
Coons方法和Bézier方法是CAGD最早的开创性工作。

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。

图形显示设备的发展：
画线显示器（矢量显示器/随机扫描显示器）60年代中期，只能画线，价格昂贵
存储管式显示器无需刷新，价格较低，但没有动态写该图形的能力
刷新式光栅扫描显示器当前的主流显示器性能高价格低
图形输入设备的发展
第一阶段：控制开关、穿孔纸等等
第二阶段：键盘
第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏等等，语音
第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据手套、数据衣），用户的手势、
表情等等
第五阶段：用户的思维
图形软件的发展及软件标准的形成：两类标准
官方标准（标准组织制定的标准）：GKS(Graphical Kernel System)，
PHIGS(Programmer’s Hierarchical Interactive Graphics System)
工业标准（事实上的标准）：SGI公司的OpenGL，微软公司的DirectX
3D，X财团的Xlib，Adobe公司的PostScript等等
真实感图形和实体造型技术的发展
( 1970年代…1980年代光线跟踪算法和辐射度算法的提出，标志着真实感图形的
显示算法已逐渐成熟)
图形学有关学术会议的发展
ACM(美国计算机协会) SIGGRAPH会议是计算机图形学领域最权威、美国
•计算机图形学的应用：
•用户接口CAD/CAM
•科学、技术及事务管理中的交互绘图（统计图）*
•绘制测量、勘探图形*
•过程控制及系统环境模拟
•电子印刷及办公室自动化
•艺术模拟
•科学计算的可视化*必要性：直接分析大量的测量数据或统计数据有困难
•目标：用图形表现抽象的数据应用领域：医学，遥感，流场等等
•工业模拟
•计算机辅助教学
•计算机辅助设计：设计周期短，成本低，质量高
图形实时绘制与自然景物仿真
在计算机中重现真实世界的场景叫做真实感绘制。

真实感绘制的主要任务是模拟真实物体的物理属性，简单的说就是物体的形状、光学性质、表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位置、遮挡关系等等
虚拟现实系统（Virtual Reality）或称虚拟环境（Virtual Environment)
是用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察。

网上虚拟现实：虚拟现实建模语言VRML
地理信息系统GIS：建立在地理图形之上的关于各种资源的综合信息管理系统
电脑游戏：实时性；逼实性；蕴含了先进的图形处理技术
多媒体系统：
在计算机控制下，对多种媒体信息进行生成、操作、表现、存储、通信、或集成的信息系统，其中媒体至少应包括一种“连续媒体”及一种“离散媒体”
计算机处理的常见媒体：文本、图形、图像、语音、音频、视频、动画
特点：媒体的多样性、操作的交互性、系统的集成性
造型技术：规则形体：欧氏几何方法；不规则形体：分形几何方法、粒子系统、纹理映射实体造型—特征造型技术
基本思想：把物体表示成为一组特征的集合，同一类物体具有相同的特征值，不同的特征值刻画了不同型号的物体。

基于物理的造型
基本思想：根据物体本身的物理特性及其所遵循的物理规律，就可以自动产生各种状态下的模型。

基于图像的造型
基本思想：通过图像分析等手段从真实世界中直接获取对象的几何信息和表面纹理信息，结合其它方法和纹理映射等技术，产生逼真度更高的图形。

真实感图形绘制技术：光照明模型、绘制算法(快速算法)、基于图像的绘制
人机交互技术：与计算机网络技术的紧密结合、远程医疗与诊断、远程导航与维修、远程教育
图形设备：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。

一个图形系统通常
鼠标：光电式、光机式、机械式；光笔
触摸屏：是一种定位设备；提供一种简单、方便、自然的人机交互方式；具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点；触摸屏由触摸检测部件和控制器组成
按工作原理和传输信息的介质，可分为四种：电阻式、电容式、红外线式、声表面波式清晰度较高、透光率好、抗刮伤性良好(相对于电阻、电容等有表面度膜)、反应灵敏、分辨率高、寿命长，不受温度、湿度等环境因素影响，没有漂移，有第三轴（即压力轴）响应
坐标数字化仪：是一种把图形转变成计算机能接收的数字形式专用设备、其采用电磁感应技术；图形扫描仪；语音；三维输入设备：数字手套指套操纵盒控制球三维扫描仪
图形输出包括图形的显示和图形的绘制。

•图形显示指的是在屏幕上输出图形
•图形绘制通常指把图形画在纸上，也称硬拷贝，打印机和绘图仪是两种最常用的硬拷贝设备
如果每个电子枪有256个等级，则显示器能同时显示256*256*256=16M种颜色，称为真彩系统
用户接口，允许用户能动态地输入位置坐标、拾取操作对象、指定选择功能、设置变换参数等
良好的用户接口使得计算机容易学习、容易理解，方便用户，提高工作效率和降低使用计算机的出错率。

用户接口的常用形式有三种:子程序库、专用语言和交互命令
•子程序库：选一种合适的高级程序设计语言作为主语言，以此扩展一系列的过程或函数调用，以实现有关的图形设计和处理。

这种情况下，应用程序包括两部分:其一
是主语言语句；其二是扩展的过程或函数调用语句。

常见的子程序库有ISO公布的图形核心系统GKS、GKS3D、程序员层次交互式图形系统FHIGS、PHIGS+ 等，美国SGI公司推出的图形程序库GL、OpenGL。

主要功能：基本图素、坐标变换、设置图形属性和显示方式、输入输出子程序、真是图形的处理、用户界面的设计
•子程序的优点在于：其接口形式使用方便、便于扩充；便于用户将自已编写的源程序或目标代码加入相应的子程序事件中，并且可充分利用高级程序设计语言本身具有的功能，实现用户希望产生的图形和交互处理。

•其缺点在于：对用户的要求或每一个作业需要编写较长的源程序，修改程序麻烦，不形象直观。

专用语言：解释执行的专用语言:扫描专用语言的每一条语句，解释并执行之•编译型:类似于用高级语言编写的程序,经编译、装配连接
•PS(PostScript)是一种解释型的专用语言
交互命令：表示部分负责用户接口的物理表示，即用户接口的外部特性
•对话控制部分负责处理用户与计算机之间的对话，包括用户使用的命令和对话结构•应用接口部分规定用户接口本身与应用程序之间的连接，如何进行子程序的选择和调用。

交互式用户接口是用户与应用系统的核心功能模块之间的界面
对交互设备的评价可分三层：
•第一是设备层，它较多关注设备的硬件性能。

•第二是任务层，它用不同的交互设备完成相同的任务，比较交互技术的效果
•第三是对话层，它对一系列的交互任务进行比较，而不是对单个任务进行比较。

•不同的交互任务要用不同的交互设备
交互任务：定位：用来给应用程序指定位置坐标
•选择:选择任务是要从一个选择集中挑选出一个元素
•文本：文本任务即输入一个字符串
•定向：在指定的坐标系中确定形体的方向
•定路径：这是一系列定位和定向任务的结合
•定量:定量任务是要在最大和最小数值之间确定一个值
•三维交互:三维交互任务涉及定位、选择和旋转。

•组合交互
交互技术：1. 选择技术、2. 定位技术、3. 定向技术、4. 定路径技术、5. 定量技术、• 6. 文本技术、7. 橡皮筋技术、8. 徒手画技术、9. 拖动技术、
拾取图形：拾取一个图形，屏幕上的直观现象是这个图形改变颜色、或闪烁、或增亮，但是，真正的意义是：为了对该图形作进一步的操作，要在存储用户图形的数据结构中找到存放该图形的几何参数及其属性的地址
•点拾取、符号集(Polymarker)的拾取、直线段的拾取、折线集(Polyline)的拾取、•曲线的拾取、字符串(Text)的拾取、多边形的拾取、拾取点包含在多个图形显示领域中、三维图形的拾取
•输入控制：三种工作方式: 请求、采样、事件方式
•set locator_mode（ws，device_code，input_mode）
其中：ws:工作站的标志号、 device_code：指定被采用的物理定位设备的设备码
input_mode：对应请求、取样、事件三种方式
请求方式（输入设置命令对相应的设备设置所需要的输入方式）
、取样方式（采用当前值）、事件方式（先到先出）。