计算机图形学-第一章--概述分析

器并行计算，可以明显提高图像的生成速度。
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Hale Waihona Puke Baidu14
1.1 计算机图形学的研究内容
• （4）探讨自然景象的模拟方法 • 采用纹理映射、分维技术、粒子系统
等方法再现景物表面的色彩和纹理细节， 体现山峦的粗糙岩面，重现云、火、水等 飘忽不定的景色。 • （5）科学可视化
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1.2 计算机图形学的发展历史
• 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。
•
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第一章 概述
• 图形系统的任务：
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1.1 计算机图形学的研究内容
• 计算机图形学的研究内容涉及到用计 算机对图形数据进行处理的硬件和软件两 方面的技术，以及与图形生成、显示密切 相关的基础算法：
• 1、二维图形元素的生成算法 • 点、直线、圆、弧、规则曲线、自由
• 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。
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1.1 计算机图形学的研究内容
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。
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1.3 计算机图形学的应用领域
• 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，全国二百多所高校也纷纷设置地 理信息系统专业。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。
•
计算机图形学正以很快的速度向前发展，当
前这一领域研究的前沿课题有：
• （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
•
消隐算法、真实感彩色图像、明暗图、体素
拼合中的曲面求交和拓扑处理等问题上。
• （3）用并行处理技术提高真实感图像的生成 速度
•
如采用多处理器，将一幅光栅图像的
512×512或更多个象素用几十个甚至几百个处理
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第一章 概述
• 2、模式识别（Pattern Recognition）
• 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
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1.2 计算机图形学的发展历史
• 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Iven 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，指出交 互式计算机图形学是一个有生命力、有前 途和振奋人心的研究领域，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。
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1.1 计算机图形学的研究内容
• 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。
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1.1 计算机图形学的研究内容
出对未来商业行为的决策；
医生需要面对大量的CT数据以确定病人
体内是否发生病变及何处发生病变；
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
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1.3 计算机图形学的应用领域
• 分析处理这些大批数据是艰难和枯燥的， 但如果应用计算机图形处理技术建立数据与 图形之间的关系并将它们以图形的形式在屏 幕上显示出来，则使用者很容易观察其中的 各种现象并找出变化规律。
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。
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1.3 计算机图形学的应用领域
• 二、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。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
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；
（4）抽象概念的形象表示：计划图、饼图、统 计曲线、流程图等。
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第一章
• 国际标准化组织（ISO）对计算机图形
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第一章 概述
• 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。
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1.3 计算机图形学的应用领域
•
在办公自动化方面，各国都非常重视。
• 这种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。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。
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1.3 计算机图形学的应用领域
• 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、
加丁字尺的传统设计方法，现在正迅速地被 CAD技术所代替。使用CAD技术后，不仅提
高了设计效率，缩短了设计周期，改善了设
计质量，降低了设计成本，而且可以为后续 工序的计算机辅助制造（CAM）建立起CAD 数据库，使CAD/CAM联成一体，为生产自动 化奠定基础。
• CAD/CAM是高新技术，是先进的生产力，
第一章 概述
•
掌握计算机图形学研究的内
容、应用领域以及图形硬件和软件系统。
•
理解光栅扫描显示器和随机
扫描显示器的区别以及彩色显示机理。
• 授课2学时。
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第一章
•
计算机图形学（Computer Graphics）是随
着计算机技术的发展而发展起来的一门新兴学科。
•
计算机图形学研究怎样通过计算机来产生图
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1.2 计算机图形学的发展历史
• 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。
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1.3 计算机图形学的应用领域
• 图形比文字更直观、逼真且信息载荷 量大，随着计算机图形学的发展，以及计 算机软、硬件性能的提高和成本下降，用 计算机处理图形的领域越来越广泛，下面 是一些主要的应用领域。
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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，
Sun等工作站。
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1.2 计算机图形学的发展历史
• 80年代，是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。
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1.2 计算机图形学的发展历史
• 90年代，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。
• 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
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1.3 计算机图形学的应用领域
• 四、事务管理和办公自动化
• 无论是企业还是事业行政管理中， 都存在着大量的图表，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。
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1.2 计算机图形学的发展历史
• 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。
曲线、文本等图元的生成。
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1.1 计算机图形学的研究内容
• 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。
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第一章 概述
•
如下图所示：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。
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。
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第一章 概述
• 3、计算几何（Computational Geometry） • 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。
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。
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1.3 计算机图形学的应用领域
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1.3 计算机图形学的应用领域
• 过去在这些设计工作中，用的是绘图板
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。
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1.2 计算机图形学的发展历史
• 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。
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：
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第一章 概述
• 1、图像处理（Image Processing） • 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。
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1.2 计算机图形学的发展历史
•
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、