001.概论

内容：计算机图形学的概念、发展历程和应用

001.1 计算机图形学的研究内容

什么是计算机图形学(Computer Graphics)?

ISO定义：计算机图形学是一门研究通过计算机将数据转换成图形，并在专门显示设备上显示的原理方法和技术的学科。

IEEE：Computer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer.

通俗地讲，计算机图形学就是应用计算机技术进行图形的生成、处理和输出。 更宽泛地讲，计算机图形学可以指计算机上几乎所有不是文本或声音的东西。

图形(Graphics)

  • 计算机图形学的研究对象自然景物、拍摄到的图片
  • 能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象
  • 自然景物、拍摄到的图片
  • 用数学方法描述的图形(如sin函数曲线)
  • 图形可以是现实世界中已经存在的物体,也可以是完全虚构的物体
  • 在计算机图形学中指：通过计算机设计和构造出来的,可以用计算机生成、显示、存储、处理并且输出

图形的基本要素

  • 几何要素：轮廓、形状等(点、线、面、体)
  • 非几何要素：颜色、材质等(颜色、纹理)

表示方法

参数法：由图形的形状参数(方程或表达式的系数，线段的端点坐标等) + 属性参数(颜色、线型等)来表示图形简称为图形(graphics)。

点阵法：枚举出图形中所有的点(强调图形由点构成)，简称为图像(image)

研究内容

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，构成了计算机图形学的主要研究内容。

  • 图形系统的硬件配置，图形输入、输入设备的结构、原理、性能;
  • 图形系统支撑软件、图形应用软件和交互技术;
  • 图形处理的各种算法，如图形元素的生成、几何变换、真实感处理等。

Graphics与Image的比较

Graphics

Image

1

数据量较少

数据量较多

2

有结构，便于编辑修改

无结构，不便于编辑修改

3

能准确便是3D景物，易于生成所需的不同视图

3D景物的信息部分丢失，很难生成所需的不同视图

4

生成视图需要复杂的计算

生成视图不需要计算

5

自然景物的表示很困难

自然景物的表示不困难

6

国际标准：GKS、PHIGS、OpenGL、WMF、VRML、CGM

JPEG、TIFF等

7

软件：AutoCAD、CorelDRAW、3D Max等

软件：Photoshop、Photostyler等

相关学科

  • 计算机图像处理
  • 模式识别
  • 多媒体技术
  • 计算机视觉
  • 计算几何





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发展特点: 交叉、界线模糊、相互渗透。


1.2 发展历史

特点：计算机硬件的发展推动了图形学的研究

内容：

  • 学科发展历程
  • 硬件发展
  • 图形显示器的发展
  • 图形输入设备的发展
  • 软件以及软件标准的发展

介绍

现代计算机图形学发展的先驱科学是二十世纪上半叶发生的电子工程，电子和电视的进步。

20世纪50年代：诞生

  • 1950年,第一台图形显示器作为美国麻省理工学院(MIT)旋风I号(Whirlwind I)计算机的附件诞生--CRT的出现为计算机生成和显示图形提供了可能。
  • 1958年,美国Calcomp公司由联机的数字记录仪发展成滚筒式绘图仪,GerBer公司把数控机床式绘图仪发展成为平板式绘图仪。
  • MIT林肯实验室,在Whirlwind上开发SAGE空中防御系统,通过光笔在屏幕上指点与系统交互。--标志着交互式图形技术的诞生

20世纪60年代：确立

  • 1962年MIT林肯室验室Ivan E. Sutherland的博士论文:Sketchpad:一个人机通信的图形系统。首次提出“Computer Graphics”一词
  • 1962年,雷诺汽车公司的工程师Pierre Bézier 提出Bézier曲线、曲面的理论
  • 1964年MIT的教授Steven A. Coons提出了超限插值的新思想,通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。
  • 大公司开展大规模研究(通用、AT&T、BELL)

20世纪70年代：理论发展及标准化

  • 光栅图形学迅速发展
  • 区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其相应算法纷纷诞生
  • 真实感图形学
  • 1970年,Bouknight提出了第一个光反射模型
  • 1971年Gourand提出“漫反射模型+插值”的思想,被称为Gourand明暗处理
  • 1975年,Phong提出了著名的简单光照模型- Phong模型
  • 实体造型技术
  • 英国剑桥大学CAD小组的Build系统
  • 美国罗彻斯特大学的PADL-1系统
  • 图形软件标准化
  • 1974年,ACM SIGGRAPH的与“与机器无关的图形技术”的工作会议
  • ACM成立图形标准化委员会,制定“核心图形系统”(Core Graphics System)
  • ISO发布CGI、CGM、GKS、PHIGS

20世纪80年代：实用化

  • 更完备的硬件系统,个人计算机、工作站系统
  • 大量图形应用软件出现
  • 图形硬件设备十分昂贵,且基于图形的应用相对较少

20世纪90年代：广泛应用

  • 标准化、集成化、智能化
  • 多媒体技术、人工智能、科学计算可视化、虚拟现实
  • 三维造型技术
  • 硬件集成化大幅提高:GPU(nVidia 和 ATI图形加速硬件公司)

图形现实设备的发展

60年代中期

  • 画线显示器(亦称矢量显示器)需要刷新。较高分辨率和对比度,良好的动态性能。设备昂贵,限制普及。

60年代后期

  • 存储管式显示器。不需刷新,价格较低,缺点是不具有动态修改图形功能,不适合交互式。

70年代初

  • 刷新式光栅扫描显示器。以点阵形式表示图形,使用专用的缓冲区存放点阵,由视频控制器负责刷新扫描。大大地推动了交互式图形技术的发展。

90年代后

  • 液晶和等离子显示器
  • 新的显示设备

图形输入设备的发展

  • 第一阶段：控制开关、穿孔纸等等
  • 第二阶段:键盘
  • 第三阶段:二维定位设备，如鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏等等,语音、操纵杆
  • 第四阶段:三维输入设备，如空间球、数据手套、数据衣,用户的手势、表情等等
  • 第五届段：用户的思维(未来)

图形软件及软件标准

  • 三种类型的计算机图形软件系统
  • 用某种语言写成的子程序包：便于移植和推广、但执行速度相对较慢,效率低
  • GKS (Graphics Kernel System)
  • PHIGS(Programmer’s Hierarchical Interactive Graphics system )
  • GL (Graphics Language )
  • 扩充计算机语言,使其具有图形生成和处理的功能：简练、紧凑、执行速度快,但不可移植
  • Turbo Pascal、Turbo C,Visual C++(GDI)等。
  • 专用图形系统:效率高,但系统开发量大,可移植性差
  • ISO标准
  • GKS (Graphics Kernel System) (第一个官方标准,1977)
  • GKS-3D
  • PHIGS(Programmer’s Hierarchical Iuteractive Graphics system)
  • CGM、 CGI、IGES、STEP
  • 行业标准
  • OpenGL (SGI):工业界;平台无关
  • DirectX (MS):娱乐界;Widows平台
  • Xlib (X财团):X-Widows
  • Postscript (Adobe):印刷业

1.3 应用

应用

  • 图形用户界面 GUI
  • 计算机辅助设计 CAD
  • 科学可视化 Scientific Visualization
  • 计算机艺术 Computer Art
  • 地理信息系统 GIS
  • 计算机动画、广告及娱乐
  • 多媒体系统 Multimeadia
  • 虚拟现实系统 Virtual Reality