计算机图形学第1章绪论

第一章 绪论
• 1.1 计算机图形学的研究内容
• 1.2 计算机图形学的历史回顾 • 1.3 计算机图形学的应用领域
计算机图形学研究怎样通过计算机来产生图形
1、专题图件：地形图、地貌图、资源分布图、 旅游资源图、土地利用现状图、管网分布图等； 2、照片、三维逼真图形等；
3、实体的视图，如：机械零件的正视图、侧视 图等；
交互是多通道的、自然的，用来传递的信息可 以是某个操作、一个手势、一个眼神，也可以是 一个表情等。在此环境中，用户看到的是由计算 机生成的逼真图像，听到的是虚拟环境中的声音， 身体可以感受到虚拟环境所反馈的作用力，由此 产生身临其境的感觉。
虚拟现实技术主要研究用计算机模拟三维图 形空间，并使用户能够自然地与该空间进行交互。 在模拟训练中，可以用来训练飞机驾驶员操纵飞 机飞行、训练宇航员驾驶登月舱登月。 在模拟训练中，驾驶员的操作实时地变换成 三维场景并投影在球形房间的内壁上，以模拟空 中飞行的环境和状态，同时配上模拟飞行的音响 效果，使驾驶员在训练驾驶舱内所见到的外部景 物如同在真实的空中一样。这样的训练，既安全 又方便，且节省了训练费用。目前，该技术已在 航空航天、医学、教育、艺术、建筑等领域得到 应用。
• 六、过程控制和指挥系统 将各种实时过程的重要参数，如火箭的运行状 态，炼油厂、发电厂和电力系统送来的压力、 温度、电压、电流等数据传送到计算机，用图 形方式进行显示，管理人员对图形进行监控， 并对异常情况作出调整。 此外，现在大量的指挥系统，军用指挥、铁路 调度、机场指挥等系统，也用图形进行监视与 控制。
4、80年代，计算机图形系统迅速推广应用的年代。
计算机图形软件功能开始部分地由硬件实现，尤其是微机的 大面积推广，进一步拓宽了图形学的研究和应用，三维计算 机图形学的国际标准PHIGS和GKS－3D的颁布，为研制通 用的图形系统提供了良好的基础。
5、90年代以后，
随着多媒体概念的提出计算机图形学已成为计算机系统必不 可少的一个组成部分，并且迅速投入使用中。同时，随着面 向对象的程序设计语言的发展，也提出了面向对象的计算机 图形系统。
计算机图形学与其他学科的关系： 计算机图形学与图像处理、模式识别、计算几 何这几门相关学科之间正在不断相互渗透、相互 沟通，其学科界线也变得模糊起来。 例如，计算机图形学课程中往往要介绍参数曲 线、曲面的数学表示；工程图扫描输入后要先用 图象处理技术提取画面的特征信息，然后再用模 式识别技术生成矢量形式的各种几何元素。
4、三维几何造型技术
包括基本体素的建立与生成，规则曲面与自由曲面的构造， 以及三维形体之间的布尔运算等。
5、真实感图形的生成算法
三维图形的消隐算法、光照模型的建立，阴影及彩色浓 淡图的生成算法。
6、科学计算可视化技术
这是20世纪90年代计算机图形学领域的前沿课题。研究 的是，将科学计算中大量难以理解的数据通过计算机图形显 示出来，从而加深人们对科学过程的理解。例如，有限元分 析的结果，应力场、磁场的分布，各种复杂的运动学和动力 学问题的图形仿真等。
4、抽象概念的形象表示：计划图、饼图、统计 曲线、流程图等。
国际标准化组织（ISO）对计算机图形学的定义： 计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图 形，并在专门的设备上输出的原理、方法和技术 的学科。
与计算机图形学密切相关的几门学科是：
1、图像处理（Image Processing）
2、模式识别（Pattern Recognition）
1.3 计算机图形学的应用领域
• 一、计算机辅助设计与制造（CAD/CAM） 这是一个最广泛、最活跃的应用领域，在机械、 建筑、汽车、飞机、造船、电子等领域有着广 泛的应用。
如机械结构和零部件的设计，土木建筑工程及 其图纸的设计，汽车、飞机、轮船的外形设计， 集成电路、印刷线路板的设计等。
CAD/CAM是高新技术，是先进的生产力，它已 经并将进一步给人类带来巨大的影响和利益。 现在，CAD技术的水平已成为衡量一个国家工 业技术水平的重要标志。
2、60年代是计算机图形学兴起和确立的年代。
1962年，美国麻省理工学院的IvanE Sutherland发表了 题目为“Sketchpad：一个人机通信的图形系统”的博士 论文，在论文中他首次使用了“计算机图形学” （Computer Graphics）这个术语，从而确立了计算机图 形学作为一个崭新的科学分支的地位。 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使用。
二、教材和参考书目 杜晓增，计算机图形学基础.机械工业出版社， 2010. 参考书目： [1]孙家广，胡事民．计算机图形学基础教程．清 华大学出版社，2005. [2]唐荣锡，汪嘉业，彭群生等．计算机图形学教 程（修订版）．北京：科学出版社，2000 [3] 杨钦、徐永安、翟红英编著的《计算机图形 学》．清华大学出版社，2005 [4] 罗笑南，王若梅．计算机图形学（第三版）， 中山大学出版社，2004.7
• 二、科学计算可视化
研究如何将来自科学、工程、医学等领域的抽象 数据用图形表示的学科称为科学计算可视化。用 图形来表示大量数据计算的结果或中间过程。可 视化技术发展很快，已广泛应用于流体力学、有 限元分析、医学、遥感等领域。
例如： · 科技工作者需要认真分析大量的计算结果以确定一个系统 的描述； · 商业主管需要分析大量的统计数据以做出对未来商业行为 的决策； · 气象人员需要处理气象卫星传回的大批数据以绘出未来一 段时间内的天气变化趋势图。
3、计算几何（Computational Geometry）
图像处理利用计算机对图形和图像进行分析处 理，继而再现图像。图形（图像）信息输入计 算机中，按照不同的应用要求，计算机对图像 进行各种各样的分析和处理。 例如，进行图像的存储、压缩、增强 （突出某些特征）、复原（使模糊图像清晰）、 分割、重建、编码、传输等等，最后把经过加 工处理后的结果重新输出。应用实例：工业中 射线探伤、人体的CT扫描、卫星遥感以及资源 勘测。 现在图像处理正从二维处理朝着三维图像 生成、立体成像、多种传输媒体等方向发展。 回
• 七、计算机动画
现在，基于计算机图形技术的计算机动画软件 3D MAX、Computer Animation被广泛用于电视 广告、节目片头、科教演示、电子游戏等的制 作。
GIS计算机图形学
陈小瑜 GIS教研室 Email:2000chenxiaoyu@163.com QQ:173185754
一、课程性质、目的和要求
计算机图形学是计算机科学与技术及其相关专 业的一门技术基础课，主要研究计算机表示、生 成、处理和显示图形，它是图像处理、模式识别、 计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机绘图、 计算机艺术等各种计算机应用科学的重要基础。
三、地理信息系统与制图 地理信息系统是建立在地理图形之上的关于人 口分布、矿藏分布、森林覆盖、土地利用、旅游 资源、海洋地理、地形地貌、山川河流分布、区 域规划、城市交通、管线管网等综合信息管理系 统。 目前，它在发达国家中已得到广泛应用，我国 也对其开展了广泛的研究与应用。在地理信息系 统中，计算机图形技术被用来产生高精度的上述 各种资源的专题图，并为管理者提供有效的决策 和帮助。
图像的模式识别所研究的问题与计算机图形学所 研究的问题是互逆的。模式识别是由图像来获得 对图像本身的描述。它是以图像为依据，将图像 变换成数据、符号或者是抽象的图。 例如，自动分检信封上的邮件编码、文本自 动阅读装置、还有地图符号的识别，都是先由扫 描得到图像，然后经识别还原为图形或字符。
回
计算几何则着重讨论几何形体在计算机内的 表示、分析和综合，研究怎样方便灵活地建 立几何形体的数学模型，提高算法的效率， 在计算机内如何更好地存储和管理这些模型 等。它的研究内容包括曲线曲面的表示、生 成、拼接和造型、三维立体造型、离散数据 插值等等。
• 五、虚拟现实系统 虚拟现实又称为虚拟环境，是指由计算机实时 生成一个虚拟的三维空间。这个空间可以是小到 分子、原子的微观世界，或是大到天体的宏观世 界，也可以是类似于真实社会的生活空间。用户 可以在这个三维空间中“自由”地走动，随意地 观察，并可以通过一些特殊的设备与所处的虚拟 景物进行交互操作。
3、与此同时，美国、英国、法国在汽车和飞机制 造领域对计算机图形学开展了大规模研究。
在计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）中， 一些相关的科研项目、商品化产品纷纷出现。但是，由于图 形硬件设备非常昂贵，并且基于图形技术的应用相对较少， 所以直到80年代初，图形学仍然是一个较小的专业化学科。 随后，情况发生了变化，由于大规模集成电路技术的快 速发展，计算机硬件性能不断提高，体积缩小，价格降低， 特别是廉价的图形输入输出设备和大容量存储介质的出现， 使得以小型机、微机、图形工作站为基础的图形系统进入市 场并成为主流，如IBM－PC、苹果机等微机和Apollo、Sun 等工作站。
当前这一领域研究的前沿课题： 1、图形软件与开发环境的标准化
2、提高算法的可靠性和效率
3、用并行处理技术提高真实感图像的生成速度
4、探讨自然景象的模拟方法
5、科学可视化
1.2 计算机图形学的历史回顾
1、1950年，美国麻省理工学院（MIT）研制出第 一台图形显示器。
作为旋风1号（Whirl Wind 1）计算机的输出设备。利用这 台显示器在计算机的控制下第一次显示了一些简单图形。随 后，一些公司和研究所也陆续地研制了绘图仪等一些简单的 图形设备。但这些设备仅仅具有图形输出功能，因此这时的 图形学只能算“被动”的图形学。 随后，由麻省理工学院林肯实验室主持研制的SAGE空中 警戒雷达系统，成功地把雷达波形转换成图形在显示器上显 示出来。指挥员可以通过光笔与系统交互，获取某地区更详 细的信息或发出命令。这个系统可以说是交互式计算机图形 系统的雏形，它预示着交互式图形生成技术的诞生。
• 四、事务管理和办公自动化 在企事业行政管理中，存在着大量的图表，如 作业进程表、生产产量表、库存表、销售统计图、 生产计划表，以及统计分析方面的各种图表。这 些图表都可以用计算机图形技术产生的直方图、 饼图和折线图来表示。 在办公自动化方面，各国都非常重视。办公自 动化系统可以从联网的数据库中，取出所需要的 数据，用清晰明了的图表在屏幕上显示或在打印 机、绘图仪上输出。
1.1 计算机图形学的研Байду номын сангаас内容
1、二维图形元素的生成算法
点、直线、圆、弧、规则曲线、自由曲线、文本等图元 的生成。
2、二维图形的基本操作和图形处理算法
对图形的平移、缩放、旋转、镜像、错切等操作，此外 还包括二维图形的裁剪、多边形填充以及二维图形的布尔 运算（并、交、差）等。
3、二维图形的输入输出
用图形输入设备实现人机交互及用户接口技术。
在地理信息科学中，计算机图形学与地理信息 在计算机中的二维和三维图形的生成和显示、渲染 等息息相关，是地理信息系统应用的重要技术组成 部分。 本课程主要介绍计算机图形学中与GIS密切相关 的概念、理论和算法，使学生在了解计算机图形学 的基本概念、理论的基础上，理解和掌握基本的和 实用的图形生成和渲染算法，为进一步学习GIS的 相关知识奠定学科基础。
作为计算机图形系统的一个重要组成部分——图形 显示器，随着计算机图形学的确立和发展也经历了 从矢量显示器、存储管显示器到光栅显示器的发展 过程。 图形输入设备也在发展，出现了：拇指轮、操 作杆、跟踪球、光笔、鼠标、触摸屏、数据手套、 数字化仪、扫描仪等输入设备。 和图形硬件一样，图形软件也得到很大的发展， 各种图形算法、图形标准、图形数据结构等逐渐成 熟并投入使用，使计算机图形学成为一门成熟的学 科。