计算机图形图像技术
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图形与图像的主要区别有： 数据来源不同 图像数据来自客观世界；图形数据来自主观世界。 处理方法不同 图像处理方法包括几何修正、图像变换、图像增强、 图像分割、图像理解、图像识别等；图形处理方法 包括几何变换、开窗和裁剪、隐藏线和隐藏面消除、 曲线和曲面拟合、明暗处理、纹理产生等。 理论基础不同 图像处理主要用到数字信号处理、概率与统计、模 糊数学等；计算机图形学主要用到仿射与透视变换、 样条几何、计算几何、分形等理论。
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地形地貌和自然资源图 国土基础信息是国家经济系统的一个组成部 分。利用这些存储的信息可绘制平面图、生成三 维地形地貌图，为高层次的国土整治进行预测和 提供决策，为综合治理和资源开发研究提供科学 依据，在军事方面也有重要价值。
22
科学计算可视化 科学技术迅猛发展，数据量与日俱增使得人 们对数据的分析和处理越来越难，人们无法用传 统方法从数据海洋中得到最有用的数据，找到数 据的变化规律，提取最本质的特征。但是如果能 将这些数据用图形的形式表示出来，情况就不一 样了，事物的发展趋势和本质特征将会很清楚地 呈现在人们面前。 计算机动画和艺术 可用于美术创做的软件很多，如二维平面的 绘图程序CorelDraw, photoshop, paintshop, 三 维动画建模和渲染软件3D MAX, Maya等
7
最常用的图形输入设备是键盘和鼠标。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CAD系统就是用鼠标和键盘 命令制作各种工程图的。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。
8
图形输出设备是指可以快速生成和处理图形的显 示系统以及输出到某种介质上永久保存图形的绘图系 统，主要包括显示器、绘图仪、打印机等。 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，目前有许多支持 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。
19
CAD另一个非常重要的研究领域，是基于工 程图纸的三维形体重建。 三维形体重建就是从二维信息中提取三维信 息，通过对这些信息进行分类、综合等一系列处 理，在三维空间中重新构造出二维信息所对应的 三维形体，恢复形体的点、线、面及其拓扑关系， 从而实现形体的重建。
20
图形化的用户接口 一个友好的图形化用户界面能大大提高软件的 易用性，随着Apple公司图形化操作系统的推出，特 别是微软windows操作系统的普及，标志着图形学已 经融入计算机的方方面面。 如今，在任何一台普通计算机上都可看到图形学 在用户接口方面的应用，操作系统和应用软件中图 形、图标和动画的广泛使用，使程序直观易用。很 多软件，不用看说明书，根据它的图形界面指示就 可进行操作。 目前正在研究下一代用户界面，开发面向主流 应用的自然、高效多通道的用户界面。研究多通道 语义模型、多通道整合算法及其软件结构和界面范 式是当前用户界面和接口方面研究的主流方向，而 图形学在其中起主导作用。
5
图形处理技术主要应用在计算机辅助设计CAD、 计算机辅助制造CAM、计算机辅助教育CAI、计算机 艺术、计算机模拟、计算可视化、计算机动画和虚 拟现实等领域。CAD是主要应用领域之一。
6
7.1.3
计算机图形系统的组成与功能
1.计算机图形系统的组成 计算机图形系统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。 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，这大大 减轻了CPU负担，提高了系统显示能力和速度。
14
图7.1 世界上第一台光笔交互式图形显示器IBM2250
15
洛克希德飞机公司利用IBM 2250开发了CAD绘图 加工系统（如图7.2所示），1974年起向外转让，成 为目前应用最广的CAD／CAM软件。
16
图7.2 1959年IBM开发的用于汽车发动机设计的CAD系统DAC-1
17
20世纪70年代，计算机图形学另外两个重要 进展是真实感图形学和实体造型技术的产生。 1980年提出的光透视模型和光线跟踪算法， 标志着真实感图形的显示算法已逐渐成熟。 计算机图形学的理论和技术在不断发展，应 用前景也将更令人瞩目，但也有许多问题还有待 于解决。
第7章 计算机图形学与图形处理技术
计算机图形学(Computer Graphics)是利用计算 机研究图形表示、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 机科学中最活跃的分支之一，并得到广泛的应用。 本章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，对图形学的基本 内容进行介绍。
WMF,VRML,CGM,STEP
自然景物的表示不困难 国际标准:JBIG，JPEG，TIFF 编辑软件(图像处理软件)： Photoshop，Photostyler
27
编 辑 软 件 ( 绘 图 软 件 ): AutoCAD，CorelDRAW
GKS：abbr.Graphics Kernel System, 计算机图形核心系统 PHIGS：程序员层次交互式图形系统 OpenGL：Open Graphics Library，是一套三维图形处理库 WMF：Windows图元文件格式 VRML：Virtual Reality Modeling Language虚拟现实造型语言 CGM：计算机图形元文件 STEP：Standard for the exchange of product model data 产品
4
7.1.2
计算机图形处理的基本概念
计算机图形处理是指把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、 存储、修改、完善及有关操作的过程。 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
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wenku.baidu.com
7.3 图形与图像的区别与联系 图形和图像有着较大不同。因而计算机图形学和 数字图像处理目前仍被作为两门不同课程。 计算机图形学是指将点、线、面、曲面等实体生 成物体的模型存放在计算机里，并可进行修改、处理、 操作和显示的一门学科。图形含有几何属性，或者说 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。 图像是指利用计算机外部辅助设备(如扫描仪、 数码相机或视频采集装置等)输入的自然图片。数字 图像处理是对图像像素进行数字化处理、变换、压缩 和传输的一门计算机技术。就存储方式而言，图像纯 指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度或彩色信 息图形的几何属性。
12
7.2
计算机图形学的发展与应用
计算机图形学的发展
7.2.1
计算机图形学的研究起源于美国麻省理工学院 (MIT,Massachusettes Institute of Technology)，20 世纪50年代初到60年代中期，麻省理工学院积极从 事计算机辅助设计/制造技术研究。计算机图形 (Computer Graphics)一词在1962年美国麻省理工学 院林肯实验室的Ivan E.sutherland发表的一篇题为 “Sketchpad:一个人—机通信的图形系统”的博士 论文中首次使用。它证明了交互式计算机图形学是 一个可行的、有用的研究领域，从而确立了计算机 图形学作为一个崭新的学科分支的独立地位。
11
输出功能 可显示过程中的状态，修改后的结果，并可硬拷 贝及输出。 对话功能 通过图形显示器及相应人—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，通过选择拾取设备，对不满意部分作修改。 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。
9
2. 图形系统的功能
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。
10
计算功能
实现设计过程中所需的计算、变换、分析等。 如：图元生成、坐标变换； 存储功能 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 输入形体的几何参数及各种命令。
3
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。 计算机图形学一个主要的目的就是利用计算 机产生令人赏心悦目的真实感图形。为此，必须 建立图形所描述的场景的几何表示，再用某种光 照模型计算在假想的光源、纹理、材质属性下的 光照明效果，所以，计算机图形学与计算机辅助 设计有着密切联系。
25
用途不同 图像处理主要用于遥感、医学、工业、航天航空、 军事等。计算机图形学主要用于CAD/CAM/CAE/CAI 计算机艺术、计算机模拟、计算机动画等。 在实际应用中，图形、图像技术又是相互关联的。 把图形、图像处理技术相结合，可以使视觉效果和 质量更加完善，更加精美。 从技术发展趋势和应用要求看，两者的结合既 有必要性，又有可能性。 1. 必要性 利用两种技术进行完美逼真的立体成像 2. 可能性 都以像素为基础
1
7.1
计算机图形学概论
计算机图形学研究的主要内容
7.1.1
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。 图形通常有点、线、面、体等几何元素和灰度、 色彩、线形线宽等非几何属性组成。
2
从处理技术上看，图形主要分为两类： 1.基于线条信息表示的，用于刻划物体形状 的点、线、面、体等几何要素。如工程图、等高 线地图等。 2.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、 光照来生成真实感图形。如通过摄像机来生成的 真实感图形。
18
7.2.2
计算机图形学的应用领域
目前计算机图形学应用领域主要有：
计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）
CAD/CAM是计算机图形学在工业界最广泛、最活 跃的应用。计算机图形学被广泛用于建筑工程设计、 机械结构和产品设计。包括设计飞机、汽车、船舶的 外形和发电厂、化工厂等的布局。在电子工业中，计 算机图形学应用到集成电路、印刷电路板、电子线路 和网络分析等方面的优势十分明显。一个大规模或超 大规模集成电路版图根本不可能用手工绘制，计算机 图形系统不仅能进行设计和画图，且可在较短时间内 完成，美国波音飞机公司用CAD系统实现波音777飞机 整体设计，包括飞机外型、内部零部件安装和检验。
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图形与图像的对比与区别 图形(Graphics) 数据量少 有结构，便于编辑修改
能准确表示3D景物，易于生 成所需的不同视图 生成视图需要复杂的计算
图像(Image) 数据量大 无结构，不便于编辑修改
3D景物的信息巳部分丢失，很 难生成不同的视图 生成视图不需要复杂的计算
自然景物的表示很困难 国际标准:GKS,PHIGS,OpenGL，
13
1964年，孔斯(S.Coons)提出了用小块曲面片组 合表示自由曲面，使曲面片边界上达到任意高阶连 续的理论方法，称孔斯曲面。此方法受到工业界和 学术界极大重视。法国雷诺公司贝赛尔(P.Bezier) 也提出了Bezier曲线和曲面，并将其成功地用于几 何外形设计，开发了用于汽车外形设计的UNISURF系 统。他们被称为计算机辅助几何设计的奠基人。 1964年，IBM公司推出了第一台交互式光笔输入 显示器设计方案，后经改进，成为IBM 2250显示器， 如图7.1所示。它预示着交互式计算机图形学的诞生。
图形与图像的主要区别有： 数据来源不同 图像数据来自客观世界；图形数据来自主观世界。 处理方法不同 图像处理方法包括几何修正、图像变换、图像增强、 图像分割、图像理解、图像识别等；图形处理方法 包括几何变换、开窗和裁剪、隐藏线和隐藏面消除、 曲线和曲面拟合、明暗处理、纹理产生等。 理论基础不同 图像处理主要用到数字信号处理、概率与统计、模 糊数学等；计算机图形学主要用到仿射与透视变换、 样条几何、计算几何、分形等理论。
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地形地貌和自然资源图 国土基础信息是国家经济系统的一个组成部 分。利用这些存储的信息可绘制平面图、生成三 维地形地貌图，为高层次的国土整治进行预测和 提供决策，为综合治理和资源开发研究提供科学 依据，在军事方面也有重要价值。
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科学计算可视化 科学技术迅猛发展，数据量与日俱增使得人 们对数据的分析和处理越来越难，人们无法用传 统方法从数据海洋中得到最有用的数据，找到数 据的变化规律，提取最本质的特征。但是如果能 将这些数据用图形的形式表示出来，情况就不一 样了，事物的发展趋势和本质特征将会很清楚地 呈现在人们面前。 计算机动画和艺术 可用于美术创做的软件很多，如二维平面的 绘图程序CorelDraw, photoshop, paintshop, 三 维动画建模和渲染软件3D MAX, Maya等
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最常用的图形输入设备是键盘和鼠标。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CAD系统就是用鼠标和键盘 命令制作各种工程图的。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。
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图形输出设备是指可以快速生成和处理图形的显 示系统以及输出到某种介质上永久保存图形的绘图系 统，主要包括显示器、绘图仪、打印机等。 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，目前有许多支持 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。
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CAD另一个非常重要的研究领域，是基于工 程图纸的三维形体重建。 三维形体重建就是从二维信息中提取三维信 息，通过对这些信息进行分类、综合等一系列处 理，在三维空间中重新构造出二维信息所对应的 三维形体，恢复形体的点、线、面及其拓扑关系， 从而实现形体的重建。
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图形化的用户接口 一个友好的图形化用户界面能大大提高软件的 易用性，随着Apple公司图形化操作系统的推出，特 别是微软windows操作系统的普及，标志着图形学已 经融入计算机的方方面面。 如今，在任何一台普通计算机上都可看到图形学 在用户接口方面的应用，操作系统和应用软件中图 形、图标和动画的广泛使用，使程序直观易用。很 多软件，不用看说明书，根据它的图形界面指示就 可进行操作。 目前正在研究下一代用户界面，开发面向主流 应用的自然、高效多通道的用户界面。研究多通道 语义模型、多通道整合算法及其软件结构和界面范 式是当前用户界面和接口方面研究的主流方向，而 图形学在其中起主导作用。
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图形处理技术主要应用在计算机辅助设计CAD、 计算机辅助制造CAM、计算机辅助教育CAI、计算机 艺术、计算机模拟、计算可视化、计算机动画和虚 拟现实等领域。CAD是主要应用领域之一。
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计算机图形系统的组成与功能
1.计算机图形系统的组成 计算机图形系统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。 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，这大大 减轻了CPU负担，提高了系统显示能力和速度。
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图7.1 世界上第一台光笔交互式图形显示器IBM2250
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洛克希德飞机公司利用IBM 2250开发了CAD绘图 加工系统（如图7.2所示），1974年起向外转让，成 为目前应用最广的CAD／CAM软件。
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图7.2 1959年IBM开发的用于汽车发动机设计的CAD系统DAC-1
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20世纪70年代，计算机图形学另外两个重要 进展是真实感图形学和实体造型技术的产生。 1980年提出的光透视模型和光线跟踪算法， 标志着真实感图形的显示算法已逐渐成熟。 计算机图形学的理论和技术在不断发展，应 用前景也将更令人瞩目，但也有许多问题还有待 于解决。
第7章 计算机图形学与图形处理技术
计算机图形学(Computer Graphics)是利用计算 机研究图形表示、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 机科学中最活跃的分支之一，并得到广泛的应用。 本章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，对图形学的基本 内容进行介绍。
WMF,VRML,CGM,STEP
自然景物的表示不困难 国际标准:JBIG，JPEG，TIFF 编辑软件(图像处理软件)： Photoshop，Photostyler
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编 辑 软 件 ( 绘 图 软 件 ): AutoCAD，CorelDRAW
GKS：abbr.Graphics Kernel System, 计算机图形核心系统 PHIGS：程序员层次交互式图形系统 OpenGL：Open Graphics Library，是一套三维图形处理库 WMF：Windows图元文件格式 VRML：Virtual Reality Modeling Language虚拟现实造型语言 CGM：计算机图形元文件 STEP：Standard for the exchange of product model data 产品
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计算机图形处理的基本概念
计算机图形处理是指把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、 存储、修改、完善及有关操作的过程。 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
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wenku.baidu.com
7.3 图形与图像的区别与联系 图形和图像有着较大不同。因而计算机图形学和 数字图像处理目前仍被作为两门不同课程。 计算机图形学是指将点、线、面、曲面等实体生 成物体的模型存放在计算机里，并可进行修改、处理、 操作和显示的一门学科。图形含有几何属性，或者说 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。 图像是指利用计算机外部辅助设备(如扫描仪、 数码相机或视频采集装置等)输入的自然图片。数字 图像处理是对图像像素进行数字化处理、变换、压缩 和传输的一门计算机技术。就存储方式而言，图像纯 指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度或彩色信 息图形的几何属性。
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计算机图形学的发展与应用
计算机图形学的发展
7.2.1
计算机图形学的研究起源于美国麻省理工学院 (MIT,Massachusettes Institute of Technology)，20 世纪50年代初到60年代中期，麻省理工学院积极从 事计算机辅助设计/制造技术研究。计算机图形 (Computer Graphics)一词在1962年美国麻省理工学 院林肯实验室的Ivan E.sutherland发表的一篇题为 “Sketchpad:一个人—机通信的图形系统”的博士 论文中首次使用。它证明了交互式计算机图形学是 一个可行的、有用的研究领域，从而确立了计算机 图形学作为一个崭新的学科分支的独立地位。
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输出功能 可显示过程中的状态，修改后的结果，并可硬拷 贝及输出。 对话功能 通过图形显示器及相应人—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，通过选择拾取设备，对不满意部分作修改。 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。
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2. 图形系统的功能
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。
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计算功能
实现设计过程中所需的计算、变换、分析等。 如：图元生成、坐标变换； 存储功能 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 输入形体的几何参数及各种命令。
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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。 计算机图形学一个主要的目的就是利用计算 机产生令人赏心悦目的真实感图形。为此，必须 建立图形所描述的场景的几何表示，再用某种光 照模型计算在假想的光源、纹理、材质属性下的 光照明效果，所以，计算机图形学与计算机辅助 设计有着密切联系。
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用途不同 图像处理主要用于遥感、医学、工业、航天航空、 军事等。计算机图形学主要用于CAD/CAM/CAE/CAI 计算机艺术、计算机模拟、计算机动画等。 在实际应用中，图形、图像技术又是相互关联的。 把图形、图像处理技术相结合，可以使视觉效果和 质量更加完善，更加精美。 从技术发展趋势和应用要求看，两者的结合既 有必要性，又有可能性。 1. 必要性 利用两种技术进行完美逼真的立体成像 2. 可能性 都以像素为基础
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计算机图形学概论
计算机图形学研究的主要内容
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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。 图形通常有点、线、面、体等几何元素和灰度、 色彩、线形线宽等非几何属性组成。
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从处理技术上看，图形主要分为两类： 1.基于线条信息表示的，用于刻划物体形状 的点、线、面、体等几何要素。如工程图、等高 线地图等。 2.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、 光照来生成真实感图形。如通过摄像机来生成的 真实感图形。
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7.2.2
计算机图形学的应用领域
目前计算机图形学应用领域主要有：
计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）
CAD/CAM是计算机图形学在工业界最广泛、最活 跃的应用。计算机图形学被广泛用于建筑工程设计、 机械结构和产品设计。包括设计飞机、汽车、船舶的 外形和发电厂、化工厂等的布局。在电子工业中，计 算机图形学应用到集成电路、印刷电路板、电子线路 和网络分析等方面的优势十分明显。一个大规模或超 大规模集成电路版图根本不可能用手工绘制，计算机 图形系统不仅能进行设计和画图，且可在较短时间内 完成，美国波音飞机公司用CAD系统实现波音777飞机 整体设计，包括飞机外型、内部零部件安装和检验。
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图形与图像的对比与区别 图形(Graphics) 数据量少 有结构，便于编辑修改
能准确表示3D景物，易于生 成所需的不同视图 生成视图需要复杂的计算
图像(Image) 数据量大 无结构，不便于编辑修改
3D景物的信息巳部分丢失，很 难生成不同的视图 生成视图不需要复杂的计算
自然景物的表示很困难 国际标准:GKS,PHIGS,OpenGL，
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1964年，孔斯(S.Coons)提出了用小块曲面片组 合表示自由曲面，使曲面片边界上达到任意高阶连 续的理论方法，称孔斯曲面。此方法受到工业界和 学术界极大重视。法国雷诺公司贝赛尔(P.Bezier) 也提出了Bezier曲线和曲面，并将其成功地用于几 何外形设计，开发了用于汽车外形设计的UNISURF系 统。他们被称为计算机辅助几何设计的奠基人。 1964年，IBM公司推出了第一台交互式光笔输入 显示器设计方案，后经改进，成为IBM 2250显示器， 如图7.1所示。它预示着交互式计算机图形学的诞生。