计算机图形学主要研究内容

计算机图形学主要研究内容

姓名：余楠

专业：信息与计算科学

学号： 10901010131

2012年4月

要想了解计算机图形学的研究内容，我们要弄清这样几个问题。

1.我们先来看一下“图形”这个关键词。

图形是指在载体上以几何线条和几何符号等反映事物各类特征和变化规律的表达形式；图像是图形和各种影像的总称。相较于文字，图像所传达的信息量要巨大的多，更加直观，更易为人所接受，作为图像的组成部分，图形也具有这些特点。文字是无法准确地描述出某些高档大楼装修效果的，不能传达出设计师的思想。而这幅依靠计算机3D软件做出来的图形则清楚准确地展现出了设计师的设计意图。

这样，我们清楚地了解到了图形的作用。

2.在计算机科学中，图形又是什么呢？

在计算机科学中，图形是指由外部轮廓线条构成矢量图。即由计算机绘制的直线、圆、矩形、曲线、图表等。图形用一组指令集合来描述图形的内容，如描述构成该图的各种图元位置维数、形状等。描述对象可任意缩放不会失真。在显示方面图形使用专门软件将描述图形的指令转换成屏幕上的形状和颜色。适用于描述轮廓不很复杂，色彩不是很丰富的对象，如：几何图形、工程图纸、CAD、3D造型软件等。它的编辑通常用Draw程序，产生矢量图形，可对矢量图形及图元独立进行移动、缩放、旋转和扭曲等变换。主要参数是描述图元的位置、维数和形状的指令和参数。

并且，在计算机科学中，还要注意这样一个问题，图形和图像这两个概念的区别。

一，数据来源不同。图形一般指用计算机绘制的画面，如直线、圆、圆弧、任意曲线和图表等；图像则是指由输入设备捕捉的实际场景画面或以数字化形式存储的任意画面。

二，编辑处理方法不同。图像是由一些排列的像素组成的，在计算机中的存储格式有BMP、PCX、TIF、GIFD等，一般数据量比较大。它除了可以表达真实的照片外，也可以表现复杂绘画的某些细节，并具有灵活和富有创造力等特点；与图像不同，在图形文件中只记录生成图的算法和图上的某些特点，也称矢量图。在计算机还原时，相邻的特点之间用特定的很多段小直线连接就形成曲线，若曲线是一条封闭的图形，也可靠着色算法来填充颜色。它最大的优点就是容易进行移动、压缩、旋转和扭曲等变换，主要用于表示线框型的图画、工程制图、美术字等。常用的矢量图形文件有3DS（用于3D 造型）、DXF（用于CAD）、WMF（用于桌面出版）等。

三，表现效果不同。图形只保存算法和特征点，所以相对于位图（图像）的大量数据来说，它占用的存储空间也较小。但由于每次屏幕显示时都需要重新计算，故显示速度没有图

像快。另外，在打印输出和放大时，图形的质量较高而点阵图（图像）常会发生失真。

3.在了解了这些之后，计算机图形学到底是什么学科呢？为什么会出现这样的学科呢？

计算机图形学是随着计算机技术在图形处理领域中的应用而发展起来的，且应用日益广泛的新兴学科。

人对物体图形的观察直接依赖于对物体的实物或相应模型给出的几何外形的观察，而计算机则不然。计算机本质上处理的是数据符号，它处理图形、图像信息也是如此，只不过是利用计算机强大的数据处理能力及图形输入、输出设备，把抽象的数据符号信息转换成人们更容易接受的图形、图像信息而已。总之，计算机处理图形、图像时离不开图形、图像的数据化。图形、图像的数据化依赖于物体建立在坐标系基础上的数学模型，如物体几何的数学描述，也就是表现物体几何形态的曲线、曲面，依赖于相关的数学理论。

由此，需要研究用计算机及其图形设备对图形进行数学模型化生成、表示和变换及其输入、输出的原理和算法。

它的研究分为两个部分:一部分研究几何作图,它包括平面线条作图和三维立体建模等;另一部分研究图形表面渲染(Rendering),它包括表面色调、光照、阴影和纹理等表面属性的研究。

简而言之，计算机图形学就是主要研究在计算机中如何表示图形以及如何利用计算机对图形进行分析、计算、处理和显示的相关原理与算法。

4.这门新兴的学科是如何产生的？它经历了哪些发展？

计算机图形学的发展主要经历了硬件的发展、算法的发展、计算机图形标准的发展。

(1) 硬件的发展

1950年，美国麻省理工学院(MIT) 诞生了旋风I号(Whirlwind I)计算机及其显示器。五十年代中期，美国战术防空系统SAGE(Semi Automatic Ground Environment)则是第一个使用具有命令和控制功能的CRT显示控制台的系统。

1962年，MIT林肯实验室的Ivan E. Sutherland发表了一篇题为“Sketchpad：一个人机通信的图形系统”的博士论文，他在论文中首次使用了计算机图形学“Computer Graphics”这个术语，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，从而确定了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的独立地位。

(2) 软件及算法的发展

20世纪70年代是计算机图形学发展过程中一个重要的历史时期，具有实际应用价值的CAD图形系统开始出现，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。从1973

年开始,相继出现了英国剑桥大学CAD小组的Build系统、美国罗彻斯特大学的PADLI系统等实体造型系统。1980年Whitted提出了一个光透视模型——Whitted模型,并第一次给出光线跟踪算法的范例,实现Whitted模型;1984年,美国Cornell大学和日本广岛大学的学者分别将热辐射工程中的辐射度的方法引入到计算机图形学中,用辐射度方法成功地模拟了理想漫反射表面间的多重漫反射效果;光线跟踪算法和辐射度算法的提出,标志着真实感图形的显示算法已逐渐成熟。

(3) 计算机图形标准的发展

1974年，美国国家标准化局（ANSI）在ACM SIGGRAPH的一个与"与机器无关的图形技术"的工作会议上，提出了制定有关标准的基本规则。此后ACM专门成立了一个图形标准化委员会，开始制定有关标准。该委员会于1977、1979年先后制定和修改了"核心图形系统"（Core Graphics System）。ISO随后又发布了计算机图形接口CGI(Computer Graphics Interface)、计算机图形元文件标准CGM（Computer Graphics Metafile）、计算机图形核心系统GKS(Graphics Kernel system)、面向程序员的层次交互图形标准PHIGS(Programmer''s Hierarchical Interactive Graphics Standard)等。1983年，美国国家标准局发布了初始图形交换规范IGES(Initial Graphics Exchange Specification)。1992年，美国SGI(Silicon Graphics, Inc.)推出了OpenGL，这是目前在工作站和PC上都被广泛应用的一个图形应用编程接口（API）。这些标准的制定，使图形应用系统与计算机硬件无关，提高了程序的可移植性，为计算机图形学的推广、应用、资源信息共享，起到了极其重要的作用。

（4）计算机图形实际应用的发展

从20世纪80年代中期以来,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。计算机的运算能力的提高,图形处理速度的加快,使得图形学的各个研究方向得到充分发展,图形学已广泛应用于动画、科学计算可视化、CAD/CAM、影视娱乐等各个领域。

5.计算机图形学研究的目的是什么？

计算机图形学一个主要的目的就是要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另一门学科计算机辅助几何设计有着密切的关系。事实上，图形学也把可以表示几何场景的曲线曲面造型技术和实体造型技术作为其主要的研究内容。同时，真实感图形计算的结果是以数字图像的方式提供的，计算机图形学也就和图像处理有着密切的关系。