图形系统和模型

第1章图形系统和模型

计算机和通信技术已经越来越成为人们生活中的主导力量。电影制作、出版发行、银行和教育等活动已经并将继续对我们的日常生活带来革命性的变化。计算机、网络和复杂的人眼视觉系统三者相互结合并通过计算机图形学为我们提供了显示信息的一种全新方法，利用这种方法我们可以观看虚拟世界、与他人和机器进行交流。

计算机图形学涉及计算机图形或图像生成过程的各个方面。该领域在四十多年前刚出现时显得非常微不足道，那时只能用阴级射线管（CRT）显示有限的几条直线。现在我们用计算机生成的图像与真实照片几乎没有区别。现在利用仿真飞机训练飞行员已不鲜见，这种仿真飞机就是在一个虚拟环境里实现实时图形显示。完全由计算机生成的正片长度的动画电影已经受到好评并且在商业上获得成功。

本章首先简要介绍计算机图形学的应用，然后概述图形系统和图像处理过程。本书自始至终强调利用计算机绘制图形与手工绘画和摄影等方法的图像形成过程之间存在相似性。我们将看到这种相似性有助于设计应用程序、图形库软件包和计算机图形体系。

在本书中，我们介绍一个具体的图形软件系统——OpenGL。OpenGL已经成为开发图形应用程序的一个普遍认可的标准。幸运的是，OpenGL容易掌握，它具有其他流行图形系统的绝大多数特性。我们采用自顶向下的方法，希望读者尽可能早地开始编写有图形输出的应用程序。当读者能编写一些简单的程序之后，我们将讨论底层的图形库设计和硬件的实现过程。本章中我们将尽可能详尽地介绍图形学和OpenGL，目的是让读者就从这里开始编写图形程序。

1.1 计算机图形学的应用

来自图形用户的需求以及软件和硬件的升级进步，是计算机图形学发展的两大推力。计算机图形学的应用领域多样、范围广泛。尽管如此，我们仍可以将其大致划分为4个主要领域：

（1）信息显示。

（2）设计。

（3）仿真与动画。

（4）用户界面。

尽管计算机图形学的许多应用横跨两个或多个领域，但该学科的发展还是基于上述4个领域各自独立的工作。

1.1.1 信息显示

传统的图形技术是作为在人们之间传递信息的媒介而出现的。虽然口语与书面语言也是服务于类似的目的，但人类视觉系统在数据处理与模式识别方面的作用是无可替代的。早在四千多年前，巴比伦人就开始在石板上绘制建筑物的楼层规划图。二千多年前，古希腊人已经能够以图形来表达建筑构想，而相关的数学知识直到文艺复兴时期才被发展起来。今天，建筑师、机械设计师和绘图员则使用基于计算机的绘图系统来生成同类信息。

几个世纪以来，地图制作者绘制了大量的反映天体与地理信息的地图，这些地图对航海者探索地球的各个角落发挥了异常重要的作用。今天，在诸如地理信息系统等领域中，地图仍然发挥着重要作用。现在，

通过Internet可以实时地绘制与处理地图。

一百多年来，统计人员已经探索出能帮助观察者决定数据所含信息的图表绘制技术。现在，计算机图表绘制软件包为我们提供了各种图表绘制技术和色彩工具。利用这些技术和工具，我们可以处理多个大型数据集。尽管如此，要理解数据集所含的信息，还得依靠人眼识别可视化模式的能力。

医学也向计算机图形学提出了一些有趣且重要的数据分析问题。诸如计算机断层成像技术（CT）、核磁共振（MRI）、超声波以及正电子发射型计算机断层成像（PET）等图像处理新技术，生成的三维数据只有经过图形学算法处理后才能得到有用的信息。彩图20是一幅人的头像，在该图像中皮肤是透明的而肌肉是不透明的。尽管医学成像系统能收集到大量数据，但只有经过计算机图形学处理后才能得到表明其构造的图像。

超级计算机的出现让许多领域中的研究者解决了以往看起来似乎不能解决的问题。可视化技术为研究人员理解各自领域里产生的大量数据提供了图形工具。诸如流体力学、分子生物学和数学等领域产生的大量数据经图形学处理后得到的几何实体可以让研究人员深入了解其复杂过程。彩图19显示出地幔的流体动力学特性，该系统利用数学模型获得数据并利用各种可视化技术进行图像显示，有关这些内容将在第8、9和12章进行讨论。

1.1.2 设计

诸如工程和建筑等领域的专业人员更关心设计问题。工程师和建筑师从一系列设计要求出发，寻求一种符合设计要求的既省钱又美观的设计方案。设计是一个迭代过程。在真实世界里很少有这样的问题，根据其设计说明只存在一个独一无二的最优解。一般情况下，设计问题要么是约束条件过多，不可能存在最优解方案；要么是约束条件不足，存在多个可能方案。因而设计师以迭代的方式工作，首先提出最初的解决方案，然后进行测试，再根据测试结果寻找更好的设计方案。

早在40年前，伊凡·苏泽兰就认识到：人与CRT屏幕上显示的图像进行互动，这一模式具有强大作用。今天在建筑、机械和大规模集成电路设计（VLSI）等计算机辅助设计（CAD）领域里，应用交互式图形工具随处可见。图形学在这些不同的领域里有各自不同的应用方式，例如在VLSI设计中，图形学为设计者和设计软件之间提供了像菜单和图标等的交互图形界面。此外，有些工具能对初步的设计方案进行分析并以图形方式显示分析结果。彩图9、10是一个建筑设计图的两个不同视图，是用同一个CAD设计软件得到的，该例说明了在设计过程中的不同阶段使用相应的工具产生同一个对象的不同图像的重要性。

1.1.3 仿真与动画

计算机图形系统不断进步，能够实时地生成复杂的图像，工程师与研究人员开始把它应用在仿真器方面。训练飞行员是其中最重要的应用之一，图形化的飞机仿真器已被证实能够提高安全性和降低培训支出。通过使用一种特殊的VLSI芯片，可以开发出与飞行仿真器在复杂精细程度上相媲美的拱廊游戏。家用计算机上的游戏与教育类软件的效果也同样让人印象深刻。彩图16展示了一个物理机器人以及对应的图形仿真系统。该仿真器可以用于设计机器人、规划机器人的移动路径、在复杂环境中仿真机器人的行为等。

飞行仿真器的研制成功促使人们把计算机图形学应用到电视、电影和广告行业。现在可以用计算机制作一个完整的动画电影，而成本比传统手工制作要低。计算机图形学与手工动画技术相结合创造出既有技术性又有艺术性的动画效果，这种效果单凭其中任何一种技术都是不可能实现的。计算机生成的动画有其明显的外观特性，但我们也能够利用计算机创造出真实感图像。实际上我们经常在电视、电影或杂志上看到一些计算机生成或经过计算机处理的图像，它们可以达到以假乱真的程度。在本书第6、7章中将讨论在制作计算机动画中采用的各种光照效果技术。彩图11～13是源于一个计算机生成的视频中的3个不同

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