图形学第一章

第一章绪论

什么是计算机图形学（Computer Graphics) ？

使用计算机建立、存储、处理某个具体的或抽象的对象的模型，并根据该模型产生该对象的图形输出的有关理论、方法和技术叫做计算机图形学。是计算机科学中最为活跃、得到广泛应用的分支之一。

计算机图形学的主要研究内容

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。

图形与图象

图象纯指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息。

图形含有几何属性，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。

图形主要分为两类

基于线条信息表示。如工程图、等高线地图、曲面的线框图等。

明暗图(Shading)。即是通常所说的真实感图形。

本课程与各种图形软件的关系

计算机图形学课程，主要学习的是原理、方法，并不是专门介绍关于某一种图形软件的。本课程与高等数学中的许多分支联系很紧密，如微积分、矩阵理论、（空间）解析几何、微分几何、计算几何（样条函数）以及逼近论等。本课程为各种图形软件提供理论指导，使我们在使用各种图形软件时不仅知道How，更重要的是知道Why。

图形软件的分类

图形软件可以分为两大类：专用图形（应用）软件包和通用图形程序设计软件包。

专用软件包的接口通常是一组菜单，用户通过菜单与程序进行通信。例如，3DMAX、PHOTOSHOP、各种CAD系统等等。

通用软件包提供了一个可用于C、C++、JA V A等高级语言的图形函数库。该图形库提供了用来描述基本图元（如直线段、多边形、球面、样条曲线等）、设定颜色、场景的观察以及对象的各种变换等的基本函数。例如，GKS（图形核心系统）、PHIGS（程序员层次交互式图形系统）、GL（图形程序库）、OpenGL（开放式图形库）、GIL（清华大学CAD中心开发）、VRML（Virtual-Reality Modeling Language,虚拟现实建模语言）等等。

计算机图形学的发展历史

1、50年代的准备和酝酿时期。

2、60年代的确立和蓬勃发展时期。

3、70年代的实用化时期。

4、80年代的普及时期。

5、90年代的标准化、集成化、智能化时期。

计算机图形学的应用

计算机辅助设计（CAD）与制造（CAM）、计算机辅助教学（CAI）、可视化（Visualization)、用户接口（GUI）、交互绘图（Ineractive Painting)、虚拟现实环境（VRE）、计算机动画(Computer animation) 、计算机艺术(Computer art)等等。

真实感图形实时绘制与自然景物仿真

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。

图形硬件设备

显示器

目前应用最普及的是基于阴极射线管(CRT)的光栅扫描显示器。阴极射线管(CRT)的结构如图2-1所示，主要由电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统和荧光屏五部分组成。

电子枪发射电子束，经过聚焦在偏转系统控制下电子束轰击荧

光屏，在荧光屏上产生足够小的光点，光点称为像素(pixel)。阴

极射线管在水平和垂直方向单位长度上能识别的最大光点数称

为分辨率，分辨率越高，显示的画面越清晰。

彩色显示器的色彩是发出不同颜色的荧光物质进行组合而得到

的，每个像素由三个荧光点组成，这三个荧光点分别为发红、

绿和蓝色光的三种荧光物质，有三支电子枪分别与这三个荧光

点相对应。因为荧光点非常小而且充分靠近，所以我们看到的

是具有它们混合颜色的一个光点，即像素。

通过调节电子枪发出的电

子束中所含电子的多少，可

以控制击中的相应荧光点的亮度，因此以不同的强度击中荧光点，就能够在像

素点上生成极其丰富的颜色。

随机扫描显示器

随机扫描显示器中的电子束的定位和偏转具有随机性。要显示的图形的定义是

存放在刷新缓存的一组画线命令。系统周期性地执行刷新缓存中的一组命令,根据当前的线条走向，由显示控制器控制电子束的偏移，依次画出其组成线条，从而在屏幕上产生图形；当所有画线命令处理完后，系统周期地返回到该刷新缓存的第一条画线命令。因此，随机扫描显示器是画线式显示器，或矢量式显示器。

存储管式显示器

存储管从表面上看类似于有长余辉的CRT，但是存储管的电子束不是直接打在荧光屏上，而是先将图形信息通过写入电子枪写在荧光屏前的存储栅上（写有图形信息的部分呈正电荷），再由读出电子枪发出低能量的漂浮电子流，通过收集栅使这些电子均匀地散开流向存储栅。存储栅上呈正电荷的地方吸引电子，使电子通过并轰击荧光材料而发光，在其他位置上则不通过电子，这样就能把存储栅上的图形―重写‖在屏幕上。所以存储管式显示器既能产生图形，也能存储图形。缺点：不能用存储管式显示器产生动画。存储管式显示器是画线设备。

光栅扫描显示器

光栅扫描显示器是画点设备。用光栅扫描显示器显示一条直线(段)，只可能用尽可能靠近这条直线路径的像素点集来近似地表示这条直线。

光栅扫描方式将CRT屏幕分成由像素构成的光栅网格，其中像素具有灰度和颜色；所有像素的灰度和颜色信息（也称为显示内容）保存在一个专门的内存区域中，称为帧缓冲存储器（Frame Buffer），简称帧缓存。帧缓存的深度（位面数），即每个像素的位数决定了某一个显示系统能显示的颜色数。例如，1位深度帧缓存只能显示两种颜色，而8位深度帧缓存可以显示28（=256）种颜色。在全色彩（full-color）系统里，深度为24位的图形系统可以显示足够多的颜色数，能表示大多数真实感图像，所以称之为真彩色（true-color）系统。

在光栅扫描显示器中，一幅图像是由像素（pixel）阵列组成，而像素的阵列称为光栅（raster）。一幅图像的像素全部存放在一个称为帧缓存器的内存里。帧缓存的深度（位面数），即每个像素的位数决定了某一个显示系统能显示的颜色数。例如，1位深度帧缓存只能显示两种颜色，而8位深度帧缓存可以显示28（=256）种颜色。在全色彩（full-color）系统里，深度为24位的图形系统可以显示足够多的颜色数，能表示大多数真实感图像，所以称之为真彩色（true-color）系统。

•黑白单灰度光栅扫描显示器

•黑白多灰度光栅扫描显示器

•彩色单灰度光栅扫描显示器

•彩色多灰度光栅扫描显示器

一个具有24位面的帧缓冲存储器，红、绿、蓝各8个位面，其值经数模转换控制红、绿、蓝电子枪的强度，每支电子枪的强度有256(8位)个等级，则能显示256*256*256=16兆种颜色，16兆种颜色也称作(24位)真彩色。