计算机图形学-第一章 绪论
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广东工业大学机电学院图学与数字媒体工程系
计算机图形ห้องสมุดไป่ตู้基础 — 第一章
绪论
★计算机辅助设计的实例——水壶的设计图
网格设计图
广东工业大学机电学院图学与数字媒体工程系
计算机图形学基础 — 第一章
绪论
★科学计算可视化（ Visualization ）： 科学技术的迅猛发展，数据量与日俱增，如何在“数据的海洋” 里获得最有用的数据，找到数据的变化规律，提取数据最本质的 特征，成为摆在人们面前的难题！如果能将数据用图形表示出来， 很多问题就能迎刃而解。科学计算可视化正是研究如何将数据图 形化的新兴学科！ 目前科学计算可视化技术已广泛应用于医学、流体力学、有限元 分析和气象分析等领域。医学上比较熟悉的应用如B超。 例如：可视化技术将医用CT扫描的数据转化为三维图像，并通过 一定的技术生成在人体内漫游的动态图像，使得医生能够清楚地 看到并判别病人体内的患处，帮助医生成功地完成手术！
由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，因此，使用者在虚 拟环境中可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，从而达到身临其境的感受。 这是VR的第三个特征：多感知性。
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计算机图形学基础 — 第一章
绪论
★虚拟现实（Virtual Reality ）：
计算机图形学基础 — 第一章
绪论
计算机图形学的定义：
计算机图形学是使用计算机通过算法和程序在显示设备上构造出图 形。 ——唐泽圣 周嘉玉 李新友编著“计算机图形学基础” 计算机图形学是一门综合性学科，是建立在传统的图学理论、现代数 学和计算机科学基础上的一门边缘性学科。 ——陈传波 陆枫著“计算机图形学基础” 图形学由数据结构、图形算法和语言构成。 ——德 Wolfgang K. Giloi
广东工业大学机电学院图学与数字媒体工程系
下图为美国ADAC实验室给出的多种模态的 融合图象
计算机图形学基础 — 第一章
绪论
★科学计算可视化
在做脑部肿瘤放射治疗时，需要在颅骨上穿 孔，然后将放射性同位素准确地安放在脑中 病灶部位，既要使治疗效果最好,又要保证整 个手术过程及同位素射线不伤及正常组织。 由于人脑内部结构十分复杂，而且在不开颅 的情况下，医生无法观察到手术实际进行情 况，因而要达到上述要求是十分困难的。利 用可视化技术就可以在重构出的人脑内部结 构三维图像的基础上，对颅骨穿孔位置、同 位素置入通道、安放位置及等剂量线等进行 计算机模拟，并选择最佳方案。同时还可以 在屏幕上监视手术进行的情况，从而大大提 高手术的成功率。
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计算机图形学基础 — 第一章
绪论
计算机图形学的定义：
计算机图形学是运用计算机产生、存储、处理物体的物理模型和它们 的画面。
——美 James Foley Computer Graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer. ——IEEE 计算机图形学：设计图形 建立算法模型 程序 绘制图形
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计算机图形学基础 — 第一章
绪论
下图为美国国家海洋和大气局预报的 北克拉罗多的天气数据的三维图象
★科学计算可视化
气象预报关系到亿万人民的生活、国民经济的 持续发展和国家安全。对灾害性天气的预报和 预防将会大大减少人民生命财产的损失。气象 预报的准确性依赖于对大量数据的计算和对计 算结果的分析。一方面，科学计算可视化可将 大量的数据转换为图像，在屏幕上显示出某一 时刻的等压面、等温面、旋涡、云层的位置及 运动、暴雨区的位置及其强度、风力的大小及 方向等，使预报人员能对未来的天气作出准确 的分析和预测。另一方面，根据全球的气象监 测数据和计算结果，可将不同时期全球的气温 分布、气压分布、雨量分布及风力风向等以图 像形式表示出来，从而对全球的气象情况及其 变化趋势进行研究和预测。
同时，国际标准化组织推出第一个二维图形标准GKS；之后， 又推 出三维图形软件标准GKS 3D。图形软件的标准化日趋完善，使计算 机图形学朝着高性能、高效率和开放式的方向迅速发展。
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计算机图形学基础 — 第一章
绪论
图形学和图像处理技术的区别： 图形（Graphics）——图形是指计算机中由场景的几何模型和景 物的物理属性表示的图形。它更强调场景的几何表示，记录图形 的形状参数和属性参数。它的显示形式是基于线条信息的矢量图 和基于明暗处理后的图像。 计算机图形学的主要研究内容是：图形输入、图形描述、图形变 换、图形运算和图形输出等。
自从虚拟现实技术诞生以来，它已经在军事模拟、先进制造、城市规 划/地理信息系统、医学生物等领域中显示出巨大的经济、军事和社会 效益，与网络、多媒体并称为21世纪最具应用前景的三大技术。
目前的热门话题Web3D，可以理解为互联网上的3D图形交互技术，是 虚拟现实技术在互联网上的应用。 Web3D关键技术——实时渲染引擎 。实时渲染引擎的作用是解释并翻 译实施场景模型文件的语法，实时渲染从服务器端传来的场景模型文 件，在网页访问者的客户端逐帧、实时地显示3D图形。
能对每一象素的灰度或色彩控制，因而可以进行实面积填充，这就使得输出真实 感图形成为可能。此外，它可以和电视兼容，价格远低于随机扫描显示器。
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计算机图形学基础 — 第一章
绪论
计算机图形学的发展简史
——80年代中期，超大规模集成电路的发展，为图形学的飞速发展奠 定了物质基础。计算机运算速度和图形处理速度的提高，使得图形学 的各个研究方向得到充分的发展。图形学已广泛应用于动画、科学计 算可视化、CAD/CAM、影视娱乐等多个领域。
中提出的一些概念和技术，如交互技术、分层存储符号的数据结构等一直沿用至 今。
这期间，MIT的教授Steven A. Coons提出了超限插值的新思想；法国雷诺汽车公 司的工程师Pierre Bezier发展了一套被广泛用于几何外形设计的Bezier曲线、曲面 的理论。
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计算机图形学基础 — 第一章
绪论
计算机图形学(Computer Graphics，简称CG)是一种使用数学
算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。 简单地说，计算机图形学的主要研究内容就是研究如何在计算机中表 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。图形通常由点、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。从处理技术上来看，图形主要分为两类，一 类是基于线条信息表示的，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等， 另一类是明暗图，也就是通常所说的真实感图形。
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计算机图形学基础 — 第一章
绪论
★虚拟现实（Virtual Reality ）：
与传统计算机系统相比，虚拟现实系统具有三个重要特征：临境性、交互性、多感 知性。
VR是通过计算机生成一个非常逼真的足以“迷惑” 人类视觉的虚幻世界。人们不 仅可以看到，而且可以听到、触到及嗅到这个虚拟世界中所发生的一切，以至于我 们能全方位地浸没在这个虚幻的世界中，这就是VR的首要特征，即浸没感 （Immersion），也称临境性。 虚拟现实与通常CAD系统所产生的模型不同，它不是一个静态的世界，而是一个 开放的环境，它可以对使用者的输入作出响应，虚拟现实环境可以通过控制与监视 装置影响或被使用者影响，这是VR的第二个特征，即交互性（Interaction）。
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计算机图形学基础 — 第一章
绪论
计算机图形学的应用领域
计算机图形学的应用领域主要包括：计算机辅助设计与制造 （CAD/CAM）、科学计算可视化、虚拟现实、计算机艺术、计算 机动画、图像用户接口等等。
计算机图形学的研究内容主要包括：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、非真实感绘制、交互技术等。
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计算机图形学基础 — 第一章
绪论
图形学和图像处理技术的区别：
图像（Image)——是指计算机中以具有颜色信息的点阵来表示的图形，它强调 图形由哪些点组成，并记录这些点的属性（包括位置、灰度或色彩等）。 图像是数字图像处理领域的主要研究对象。图像处理研究如何使用有关技术修 改或解释现有图片，其两个主要的应用是：（1）改善图片质量；（2）对视觉 信息的机器感觉（图像识别），应用于机器人研究、气象学、地理信息分析等。 图像处理研究的问题是计算机图形学的逆过程。包括图像信号的增强、模式识 别和景物分析等，并研究如何从图像中提取二维或三维物体的信息。 使用图像处理技术前要将图像信息离散化（数字化），用点阵法描述图形。通 过修改各像素点的信息和属性，提高图片质量，获取所需的信息。
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计算机图形学基础 — 第一章
绪论
计算机图形学的发展简史
——60年代，主要以大型计算机连接图形终端组成计算机图形生成系统。美通用 汽车公司开发用于计算机辅助汽车设计系统；美CDC公司开发Digigraph计算机辅 助设计系统。 这期间，美MIT的I. E. Suthurland在他的博士论文“Sketchpad: 一个人机交互通信 的图形系统”中第一次提到计算机图形学（Computer Graphics）这个名词。论文
计算机图形学基础 — 第一章
绪论
计算机图形学的发展简史
——70年代，基于电视技术的光栅扫描显示器技术成熟。光栅扫描显示器较之之 前普遍应用的随机扫描显示器【注】，具有更容易实现重复扫描、可以显示用颜色 或各种模式填充的图形、刷新过程与图形的复杂程度无关以及价格便宜等优点。
这期间，因为通用、与设备无关的图形软件的发展，促使图形软件功能标准化问 题的提出，并于1977和1979年制定和修改了“核心图形系统”CGS（Core Graphics System）、“计算机图形接口”CGI（Computer Graphics Interface）、 “计算机图形元文件”CGM（Computer Graphics Metafile）等多个标准。
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计算机图形学基础 — 第一章
绪论
计算机图形学的发展简史
——50年代，在美国MIT林肯实验室诞生第一台类似于示波器的阴极 射线管（CRT）图形显示器。50年代末期，MIT研制的SAGE空中防御 系统，将雷达信号转换为显示器上的图形，操作者可以借助光笔指向 屏幕上的目标图形来获得所需要的信息，这一功能预示着交互式图形 生成技术的诞生。
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计算机图形学基础 — 第一章
绪论
计算机图形学的应用领域
★计算机辅助设计与制造： CAD/CAM是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域。广 泛应用于建筑设计、机械结构设计和产品外形设计，直接输出零件图、 材料单、加工流程图和工艺卡等。 三维几何造型系统代表了CAD技术的发展方向，可利用三维几何造型 系统进行装配件的干涉检查，并用于数控加工等后续操作。 CAD技术的另一个重要研究领域是基于二维信息的三维形体重建。即 从二维信息中提取三维信息，在三维空间中重新构造与二维信息对应 的三维形体。
这期间计算机图形学研究领域的两个最重要的进展是真实感图形学和实体造型技 术的产生。
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计算机图形学基础 — 第一章
绪论
【注】——随机扫描显示器显示图形时，电子束的移动方式是随机的,电子束可 以在任意方向上自由移动，按照显示命令用画线的方式绘出图形，因此也称矢量 显示器。而光栅扫描显示器显示图形时，电子束依照固定的扫描线和规定的扫描 顺序进行扫描。电子束先从荧光屏左上角开始，向右扫一条水平线，然后迅速地 回扫到左边偏下一点的位置，再扫第二条水平线，照此固定的路径及顺序扫下去， 直到最后一条水平线，即完成了整个屏幕的扫描。 随机扫描显示器依靠显示文件对屏幕图形进行刷新；光栅扫描显示器则依靠 帧缓存实现对屏幕图形的刷新。 光栅扫描显示器最突出的优点是：它不仅可以显示物体的轮廓线，而且由于
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绪论
★计算机辅助设计的实例——水壶的设计图
网格设计图
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计算机图形学基础 — 第一章
绪论
★科学计算可视化（ Visualization ）： 科学技术的迅猛发展，数据量与日俱增，如何在“数据的海洋” 里获得最有用的数据，找到数据的变化规律，提取数据最本质的 特征，成为摆在人们面前的难题！如果能将数据用图形表示出来， 很多问题就能迎刃而解。科学计算可视化正是研究如何将数据图 形化的新兴学科！ 目前科学计算可视化技术已广泛应用于医学、流体力学、有限元 分析和气象分析等领域。医学上比较熟悉的应用如B超。 例如：可视化技术将医用CT扫描的数据转化为三维图像，并通过 一定的技术生成在人体内漫游的动态图像，使得医生能够清楚地 看到并判别病人体内的患处，帮助医生成功地完成手术！
由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，因此，使用者在虚 拟环境中可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，从而达到身临其境的感受。 这是VR的第三个特征：多感知性。
广东工业大学机电学院图学与数字媒体工程系
计算机图形学基础 — 第一章
绪论
★虚拟现实（Virtual Reality ）：
计算机图形学基础 — 第一章
绪论
计算机图形学的定义：
计算机图形学是使用计算机通过算法和程序在显示设备上构造出图 形。 ——唐泽圣 周嘉玉 李新友编著“计算机图形学基础” 计算机图形学是一门综合性学科，是建立在传统的图学理论、现代数 学和计算机科学基础上的一门边缘性学科。 ——陈传波 陆枫著“计算机图形学基础” 图形学由数据结构、图形算法和语言构成。 ——德 Wolfgang K. Giloi
广东工业大学机电学院图学与数字媒体工程系
下图为美国ADAC实验室给出的多种模态的 融合图象
计算机图形学基础 — 第一章
绪论
★科学计算可视化
在做脑部肿瘤放射治疗时，需要在颅骨上穿 孔，然后将放射性同位素准确地安放在脑中 病灶部位，既要使治疗效果最好,又要保证整 个手术过程及同位素射线不伤及正常组织。 由于人脑内部结构十分复杂，而且在不开颅 的情况下，医生无法观察到手术实际进行情 况，因而要达到上述要求是十分困难的。利 用可视化技术就可以在重构出的人脑内部结 构三维图像的基础上，对颅骨穿孔位置、同 位素置入通道、安放位置及等剂量线等进行 计算机模拟，并选择最佳方案。同时还可以 在屏幕上监视手术进行的情况，从而大大提 高手术的成功率。
广东工业大学机电学院图学与数字媒体工程系
计算机图形学基础 — 第一章
绪论
计算机图形学的定义：
计算机图形学是运用计算机产生、存储、处理物体的物理模型和它们 的画面。
——美 James Foley Computer Graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer. ——IEEE 计算机图形学：设计图形 建立算法模型 程序 绘制图形
广东工业大学机电学院图学与数字媒体工程系
计算机图形学基础 — 第一章
绪论
下图为美国国家海洋和大气局预报的 北克拉罗多的天气数据的三维图象
★科学计算可视化
气象预报关系到亿万人民的生活、国民经济的 持续发展和国家安全。对灾害性天气的预报和 预防将会大大减少人民生命财产的损失。气象 预报的准确性依赖于对大量数据的计算和对计 算结果的分析。一方面，科学计算可视化可将 大量的数据转换为图像，在屏幕上显示出某一 时刻的等压面、等温面、旋涡、云层的位置及 运动、暴雨区的位置及其强度、风力的大小及 方向等，使预报人员能对未来的天气作出准确 的分析和预测。另一方面，根据全球的气象监 测数据和计算结果，可将不同时期全球的气温 分布、气压分布、雨量分布及风力风向等以图 像形式表示出来，从而对全球的气象情况及其 变化趋势进行研究和预测。
同时，国际标准化组织推出第一个二维图形标准GKS；之后， 又推 出三维图形软件标准GKS 3D。图形软件的标准化日趋完善，使计算 机图形学朝着高性能、高效率和开放式的方向迅速发展。
广东工业大学机电学院图学与数字媒体工程系
计算机图形学基础 — 第一章
绪论
图形学和图像处理技术的区别： 图形（Graphics）——图形是指计算机中由场景的几何模型和景 物的物理属性表示的图形。它更强调场景的几何表示，记录图形 的形状参数和属性参数。它的显示形式是基于线条信息的矢量图 和基于明暗处理后的图像。 计算机图形学的主要研究内容是：图形输入、图形描述、图形变 换、图形运算和图形输出等。
自从虚拟现实技术诞生以来，它已经在军事模拟、先进制造、城市规 划/地理信息系统、医学生物等领域中显示出巨大的经济、军事和社会 效益，与网络、多媒体并称为21世纪最具应用前景的三大技术。
目前的热门话题Web3D，可以理解为互联网上的3D图形交互技术，是 虚拟现实技术在互联网上的应用。 Web3D关键技术——实时渲染引擎 。实时渲染引擎的作用是解释并翻 译实施场景模型文件的语法，实时渲染从服务器端传来的场景模型文 件，在网页访问者的客户端逐帧、实时地显示3D图形。
能对每一象素的灰度或色彩控制，因而可以进行实面积填充，这就使得输出真实 感图形成为可能。此外，它可以和电视兼容，价格远低于随机扫描显示器。
广东工业大学机电学院图学与数字媒体工程系
计算机图形学基础 — 第一章
绪论
计算机图形学的发展简史
——80年代中期，超大规模集成电路的发展，为图形学的飞速发展奠 定了物质基础。计算机运算速度和图形处理速度的提高，使得图形学 的各个研究方向得到充分的发展。图形学已广泛应用于动画、科学计 算可视化、CAD/CAM、影视娱乐等多个领域。
中提出的一些概念和技术，如交互技术、分层存储符号的数据结构等一直沿用至 今。
这期间，MIT的教授Steven A. Coons提出了超限插值的新思想；法国雷诺汽车公 司的工程师Pierre Bezier发展了一套被广泛用于几何外形设计的Bezier曲线、曲面 的理论。
广东工业大学机电学院图学与数字媒体工程系
广东工业大学机电学院图学与数字媒体工程系
计算机图形学基础 — 第一章
绪论
计算机图形学(Computer Graphics，简称CG)是一种使用数学
算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。 简单地说，计算机图形学的主要研究内容就是研究如何在计算机中表 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。图形通常由点、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。从处理技术上来看，图形主要分为两类，一 类是基于线条信息表示的，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等， 另一类是明暗图，也就是通常所说的真实感图形。
广东工业大学机电学院图学与数字媒体工程系
计算机图形学基础 — 第一章
绪论
★虚拟现实（Virtual Reality ）：
与传统计算机系统相比，虚拟现实系统具有三个重要特征：临境性、交互性、多感 知性。
VR是通过计算机生成一个非常逼真的足以“迷惑” 人类视觉的虚幻世界。人们不 仅可以看到，而且可以听到、触到及嗅到这个虚拟世界中所发生的一切，以至于我 们能全方位地浸没在这个虚幻的世界中，这就是VR的首要特征，即浸没感 （Immersion），也称临境性。 虚拟现实与通常CAD系统所产生的模型不同，它不是一个静态的世界，而是一个 开放的环境，它可以对使用者的输入作出响应，虚拟现实环境可以通过控制与监视 装置影响或被使用者影响，这是VR的第二个特征，即交互性（Interaction）。
广东工业大学机电学院图学与数字媒体工程系
计算机图形学基础 — 第一章
绪论
计算机图形学的应用领域
计算机图形学的应用领域主要包括：计算机辅助设计与制造 （CAD/CAM）、科学计算可视化、虚拟现实、计算机艺术、计算 机动画、图像用户接口等等。
计算机图形学的研究内容主要包括：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、非真实感绘制、交互技术等。
广东工业大学机电学院图学与数字媒体工程系
计算机图形学基础 — 第一章
绪论
图形学和图像处理技术的区别：
图像（Image)——是指计算机中以具有颜色信息的点阵来表示的图形，它强调 图形由哪些点组成，并记录这些点的属性（包括位置、灰度或色彩等）。 图像是数字图像处理领域的主要研究对象。图像处理研究如何使用有关技术修 改或解释现有图片，其两个主要的应用是：（1）改善图片质量；（2）对视觉 信息的机器感觉（图像识别），应用于机器人研究、气象学、地理信息分析等。 图像处理研究的问题是计算机图形学的逆过程。包括图像信号的增强、模式识 别和景物分析等，并研究如何从图像中提取二维或三维物体的信息。 使用图像处理技术前要将图像信息离散化（数字化），用点阵法描述图形。通 过修改各像素点的信息和属性，提高图片质量，获取所需的信息。
广东工业大学机电学院图学与数字媒体工程系
计算机图形学基础 — 第一章
绪论
计算机图形学的发展简史
——60年代，主要以大型计算机连接图形终端组成计算机图形生成系统。美通用 汽车公司开发用于计算机辅助汽车设计系统；美CDC公司开发Digigraph计算机辅 助设计系统。 这期间，美MIT的I. E. Suthurland在他的博士论文“Sketchpad: 一个人机交互通信 的图形系统”中第一次提到计算机图形学（Computer Graphics）这个名词。论文
计算机图形学基础 — 第一章
绪论
计算机图形学的发展简史
——70年代，基于电视技术的光栅扫描显示器技术成熟。光栅扫描显示器较之之 前普遍应用的随机扫描显示器【注】，具有更容易实现重复扫描、可以显示用颜色 或各种模式填充的图形、刷新过程与图形的复杂程度无关以及价格便宜等优点。
这期间，因为通用、与设备无关的图形软件的发展，促使图形软件功能标准化问 题的提出，并于1977和1979年制定和修改了“核心图形系统”CGS（Core Graphics System）、“计算机图形接口”CGI（Computer Graphics Interface）、 “计算机图形元文件”CGM（Computer Graphics Metafile）等多个标准。
广东工业大学机电学院图学与数字媒体工程系
计算机图形学基础 — 第一章
绪论
计算机图形学的发展简史
——50年代，在美国MIT林肯实验室诞生第一台类似于示波器的阴极 射线管（CRT）图形显示器。50年代末期，MIT研制的SAGE空中防御 系统，将雷达信号转换为显示器上的图形，操作者可以借助光笔指向 屏幕上的目标图形来获得所需要的信息，这一功能预示着交互式图形 生成技术的诞生。
广东工业大学机电学院图学与数字媒体工程系
计算机图形学基础 — 第一章
绪论
计算机图形学的应用领域
★计算机辅助设计与制造： CAD/CAM是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域。广 泛应用于建筑设计、机械结构设计和产品外形设计，直接输出零件图、 材料单、加工流程图和工艺卡等。 三维几何造型系统代表了CAD技术的发展方向，可利用三维几何造型 系统进行装配件的干涉检查，并用于数控加工等后续操作。 CAD技术的另一个重要研究领域是基于二维信息的三维形体重建。即 从二维信息中提取三维信息，在三维空间中重新构造与二维信息对应 的三维形体。
这期间计算机图形学研究领域的两个最重要的进展是真实感图形学和实体造型技 术的产生。
广东工业大学机电学院图学与数字媒体工程系
计算机图形学基础 — 第一章
绪论
【注】——随机扫描显示器显示图形时，电子束的移动方式是随机的,电子束可 以在任意方向上自由移动，按照显示命令用画线的方式绘出图形，因此也称矢量 显示器。而光栅扫描显示器显示图形时，电子束依照固定的扫描线和规定的扫描 顺序进行扫描。电子束先从荧光屏左上角开始，向右扫一条水平线，然后迅速地 回扫到左边偏下一点的位置，再扫第二条水平线，照此固定的路径及顺序扫下去， 直到最后一条水平线，即完成了整个屏幕的扫描。 随机扫描显示器依靠显示文件对屏幕图形进行刷新；光栅扫描显示器则依靠 帧缓存实现对屏幕图形的刷新。 光栅扫描显示器最突出的优点是：它不仅可以显示物体的轮廓线，而且由于