第1章计算机图形学基础知识课件

计算机图形学---多媒体课件.PPT---.引言

计算机图形学(ComputerGraphics,简称CG)是研究计算机绘图的一门学科，经过30多年的发展，计算机图形学已成为计算机科学中最为活跃的分支之一，并得到广泛的应用。它是随着计算机硬件特别是图形显示设备的发展而逐渐产生发展起来的，并已渗入到生产、生活的各个方面。

它是建立在传统的图学理论、应用数学及计算机科学基础上的一门边缘学科。特点：新兴学科边缘性学科与传统理论密切联系。.2023/7/282通过本课程的学习，掌握图形图象处理的原理、方法和技术，能充分理解图形学中的各种基本算法在整个计算机图形系统中的作用，对图形系统有一个整体的概念。从而培养学生的计算机图形处理能力，熟悉计算机图形系统和应用软件的设计、使用及组织，为学生毕业后从事计算机绘图、计算机辅助设计、辅助教学、辅助工程、图形处理等方面打下良好的基础。.2023/7/283教学安排总学时：48讲课：32学时上机：16学时成绩评定办法为：总成绩=平时30%+期末70%。（平时成绩包括：作业、课堂考勤等）.2023/7/284课程目录第一章计算机图形学基本知识第二章C语言图形程序设计基础

第三章基本图形的生成与计算

第四章曲线与曲面的生成与计算

第五章图形变换技术.2023/7/285本章概述：本章主要介绍了计算机图形学的基本概念、研究内容、发展概况与应用领域，以及计算机图形系统的相关知识。

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第章

第一章计算机图形学基础知识.2023/7/286本章目录1.1

计算机图形学的基本概念1.2

计算机图形学的研究内容1.3

计算机图形学的发展概况1.4

计算机图形学应用与研究前沿1.5

计算机图形系统的组成1.6

图形输入设备1.7

图形显示设备与图形处理器1.8

图形输出设备.2023/7/287本章重点、难点本章重点1、计算机图形学的基本概念2、计算机图形学的研究内容3、计算机图形学应用与研究前沿4、计算机图形系统的组成5、图形输入、输出设备与图形显示设备本章难点1、计算机图形学的研究内容2、计算机图形学的研究前沿3、计算机图形系统的组成4、图形显示设备与图形处理器.2023/7/288本章学习目标1.充分理解计算机图形学的一些基本概念，如ＣＧ的定义、图形与图象的概念等。2.熟练掌握计算机图形学的研究内容。3.明确计算机图形学应用领域与研究前沿。4.掌握计算机图形系统的组成，包括系统的结构、基本功能及其硬件性能要求。5.了解并掌握常用的图形输入与输出设备。6.了解图形显示设备与图形处理器。.2023/7/2891.1计算机图形学的基本概念本节我们主要介绍计算机图形学的一些基本概念，包括：计算机图形学的定义、图形图像的概念以及计算机图形学的相关学科。1.图形图像的概念2.计算机图形学的定义３.计算机图形学的相关学科.2023/7/2810第1章计算机图形学的基础知识1.1计算机图形学的基本概念

人类用来表达和交流的方式有很多：语言文字、图形图像、肢体语言（手势、点头、眼神等）。图作为交流的方式与语言文字相比，有一些文字无法替代的优势：①图形图像信息易于交流和理解。（语言受地域，国别的限制）②图形图像信息精炼：一图胜于言，百闻不如一见。③图形图像表达精确：用语言描述一个人的外貌，总有信息丢失，拍照就不会产生信息丢失。④图形图像表达直观：形象，深刻。（书中除文字解释外还配有插图）一、图形图像的概念（§1.1.1）.2023/7/2811第1章计算机图形学的基础知识1.1计算机图形学的基本概念那在我们的现实生活中哪些是图呢？①人类眼睛看到的实物景象。（实体物3D）②用摄像机等装置获得的图片照片。（图片2D）③用绘图仪绘制出来的工程图、设计图等。（图纸）④各种人工美术绘图、雕塑等。(美术作品）⑤用数学方法描述的图形。（y=sin(x)函数曲线）

虽然有人认为图形与图像两个概念间的区别越来越模糊，但我们认为还是有区别的。

1）图形图像的定义（1）图形（Graphic）

图形也称矢量图形，简称矢量图。一般由计算机结合图.2023/7/2812第1章计算机图形学的基础知识1.1计算机图形学的基本概念形应用程序一起创建，通常由点、线、面、体等几何元素（图元）和灰度、色彩、线型、线宽等非几何元素组成，内部表示为这些图元对象的集合。说明：

1.所谓图元是最简单的图形，如点、直线、曲线、圆、矩形等。图元都由数学公式来表示，所存储的也是数学公式中的参数值，例如圆可以用圆心和半径表示等等。

2.另外，图元也可以是用多个图形（简单图元）组成的一个带有一定含义的组合图元。组合图元的各个图元可以单独地除去、添加、移动或修改。3.图形含有几何属性，更强调场景的几何表示，是由场景的几何模型和景物物理属性(非几何属性)共同组成的。.2023/7/2813第1章计算机图形学的基础知识1.1计算机图形学的基本概念（2）图像（Image）图像也称点位图，一般来源于现实和虚拟世界，是用摄像机或扫描仪等输入设备捕捉实际场景画面产生的数字图像，其最小的可寻址的图像元素为像素。说明：

1.像素是图像上一个个带有亮度和颜色的的点，大量有序非几何元素：反映物体表面属性或材质的明暗、灰度、色彩等几何元素：刻画形状的点、线、面、体等几何要素.2023/7/2814第1章计算机图形学的基础知识1.1计算机图形学的基本概念

的点组成一幅离散化了的数字图像。也就是说，图像被分割为一个个离散的点，所以称之为点位图，简称位图，从而图像又可以看成是计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息。

2.图像一般具有信息精炼、表达精确、表达直观、易于交流和理解的优点。2）矢量图和位图的比较及转换（1）矢量图和位图的比较如下图1-1所示，两者之间的差异如下：.2023/7/2815第1章计算机图形学的基础知识1.1计算机图形学的基本概念矢量图（图形）位图（图像）容量与图的复杂程度有关，一般较小与图的尺寸和颜色有关，一般较大文件内容图形指令图像点阵数据显示速度图越复杂，需要执行的指令越多，显示越慢与图的容量（含像素点多少）有关应用特点容易编辑，适合“绘制”和创建，但表现力受限适于“获取”和“复制”，表现力丰富，但编辑起来较复杂图1-1.2023/7/2816第1章计算机图形学的基础知识1.1计算机图形学的基本概念（2）矢量图和位图的转化图形和图像之间的转化主要包括文件在输入/输出设备之间的硬转化和文件格式之间的软转化。硬转化所谓硬转化是指图形和图像之间通过输入输出设备实现

相互之间的转化。例如：有一张工程图纸：如果用扫描仪将它扫描后导入Photoshop，那么它就变成

图像信息，因为扫描仪只能将图纸上的画面转化成点位图；如果用数字化仪输入AutoCAD，那么它就变成图形信息,

因为数字化仪支持图形输入。这说明图形和图像间可以通过输入设备来转化。相同地，输出时，如果将AutoCAD中的工程图通过打印机.2023/7/2817第1章计算机图形学的基础知识1.1计算机图形学的基本概念，那么必须先对图形进行点阵化，才能被打印机识别。这个过程就是图形图像间的硬转化。如果用绘图仪输出，则无须转化，因为绘图仪支持图形输出。软转化所谓软转化是指利用图形图像处理软件（应用软件）来转化文件的格式。例如：将AutoCAD的DWG矢量图转化为BMP、GIF等格式点位图就属于图形图像之间的软转化。目前，提供图形图像之间软转化功能的应用程序（软件）有CorelDraw、Phot-oshop、ACDSee等。

图形图像间的软转化和硬转化在理论和实际中都是可行的，不过两者间的转化会造成一些细节的丢失或失真。.2023/7/2818第1章计算机图形学的基础知识1.1计算机图形学的基本概念二、计算机图形学的定义（§1.1.2）

什么是计算机图形学呢？简单地讲，计算机图形学是研究计算机绘图的一门学科。但是这样的定义并不科学规范，因为这样容易使人们将计算机图形学与计算机图像处理（ImageProcessing）混淆。计算机图形学所研究的图形为从客观世界的物体中抽象出来的带有灰度或色彩及形状的图或形。根据国际标准化组织（ISO），对计算机图形学作如下定义：计算机图形学（ComputerGraphics、简称CG）是研究通过计算机将数据转换为图形，并在专用的显示设备上显示的原理、方法和技术的学科，换句话说，是指利用计算机研究图形的表示、生成、处理、显示的学科。.2023/7/2819计算机中图形的表示方法：

参数表示法：图形用形状参数和属性参数来表示。形状参数可以是描述其形状的数学方程的系数、线段的起始点及终止点等；属性参数则包括灰度、色彩、线型等非几何属性。这种方法强调图形的“形”的概念。

点阵表示法：图形用带有灰度或色彩的点阵来表示。这种方法强调图形的“灰度”而不是“形”。.2023/7/2820第1章计算机图形学的基础知识1.1计算机图形学的基本概念图形的具体应用范围很广，但是从基本的处理技术看主要分为两类：(1)一类是线条式，如工程图、地图、曲线图表、电路的原理图、曲面的线框图等；(2)另一类是明暗图(Shanding)，与照片相似，也就是通常所说的真实感图形，如汽车、飞机、轮船等的外型设计以及各种艺术品造型设计等。如下图1-2所示：.2023/7/2821第1章计算机图形学的基础知识1.1计算机图形学的基本概念明暗图(Shanding)线条式图1-２.2023/7/2822为了生成图形，首先要有原始数据或数学模型，如工程人员构思的草图，飞机的总体方案模型，企业经营的月统计资料等。这些数字化的输入经过计算机处理后变成图形输出。第1章计算机图形学的基础知识1.1计算机图形学的基本概念计算机图形处理系统输入信息：数据输出信息：图形图1.3图形处理过程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。同时，真实感图形计算的结果有时以数字图象的方式提供的，计算机图形学也就和图像处理有着密切的关系。.2023/7/2823计算机图形产生的方法有两种：1.矢量法（短折线法）2.描点法（相邻像素串接法）第1章计算机图形学的基础知识1.1计算机图形学的基本概念.2023/7/2824第1章计算机图形学的基础知识1.1计算机图形学的基本概念三、计算机图形学的的相关学科（§1.1.3）

图像处理(ImageProcessing)、模式识别（Patternrecognition）和计算机图形学(ComputerGraphics)是计算机应用领域发展的3个分支学科，他们之间有一定的区别和联系。所谓区别是指：

计算机图形学：计算机图形学是研究根据给定的描述（如数学公式或数据等），用计算机生成相应的图形、图像，和显示图形的学科；研究的是从数据描述到图形生成的过程；

图像处理：利用计算机及其它有关数字技术对客观物体的影像施加某种运算和处理，然后再现图像，从而达到某种预想的目的，如图像的数字化、增强、恢复、编码、分割、重建、分析、压缩、传输等。如人体的CT扫描、X射线探伤等；.2023/7/2825模式识别：计算机对所输入的图形信息进行识别和分析描述，找出其中蕴涵的内在联系或抽象模型，是从图形（图形）到描述的过程。如邮政分检设备扫描信件上手写的邮政编码，并将编码用图象复原成数字等；它们之间的关系如图1.4和表1所示。第1章计算机图形学的基础知识1.1计算机图形学的基本概念.2023/7/2826描述对象的几何数据或者数学特征（方程）计算机图形学所要显示出的图形图像处理处理后新的图形模式识别图1.4图像处理、模式识别和计算机图形学之间的关系.2023/7/2827第1章计算机图形学的基础知识1.1计算机图形学的基本概念

学科内容计算机图形学（CG）模式识别（PR）图像处理（IP）输入形式描述视觉表达视觉表达输出视觉表达形式描述视觉表达对象直线、文字、像、域或其集合生成或扫描的图像扫描的图像目的图形生成、表达、分段、变换模式、机构分析、景物分析图像增强表1：三个学科领域的异同.2023/7/2828第1章计算机图形学的基础知识1.1计算机图形学的基本概念数字图像数据模型图像生成（计算机图形学）模型（特征）提取（计算机视觉，模式识别）模型变换（计算几何）图像变换（图像处理）说明：图像处理、计算机视觉、模式识别、计算几何与计算机图形学都是与图形信息处理有关的学科，由于光栅扫描图形显示器的广泛使用以及各学科之间的相互渗透和沟通，它们之间的关系越来越密切，但是计算机图形学仍起着基础和核心的作用。图1.5计算机图形学与其他相关学科之间的关系.2023/7/2829

在计算机图形学中，图形生成方式有两种，交互式绘图和被动式绘图。数据库图形库程序库输入设备功能键光笔、鼠标图形输入板微型计算机自动绘图仪或打印机图形人实时观察显示器交互式绘图过程.2023/7/2830数据或程序计算机图形信息绘图仪显示器或图形被动式绘图过程.2023/7/28311.2计算机图形学的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。计算机图形学的研究内容非常广泛，大体上包括以下几个方面：（1）：几何模型构造技术（GeometricModelling）（2）：图形生成技术（ImageSynthesis）（3）：图形的操作和处理方法(PictureManipulation)（4）：图形信息存储、检索与交换技术

（5）：人机交互及用户接口技术（6）：动画和游戏制作技术。研究高速动画的各种软硬件方法、开发工具、动画语言等。.2023/7/2832第1章计算机图形学的基础知识1.２计算机图形学的研究内容（7）：图形输出设备与输出技术。例如各种图形显示器（图形卡、图形终端、图形工作站等）逻辑结构的研究。实现高级图形功能的专用芯片（ASIC）的开发，图形硬拷贝设备（特别是彩色硬拷贝设备）的研究。

（8）：图形标准与图形软件包的技术开发。如制定一系列国际图形标准，以满足多方面图形应用软件开发工作的需要，并使图形应用软件摆脱对硬件设备的依赖，允许在不同系统之间方便的进行移值。我们着重讨论与图形生成技术、几何模型构造技术、图形的操作和处理方法相关的原理与算法以及人机交互及用户接口等技术。.2023/7/2833（9）：计算机图形学、计算机辅助设计和计算机辅助制造三者一体化。（10）：虚拟现实环境的生成。（11）：科学计算可视化。.2023/7/28341.3计算机图形学的发展概况

计算机图形学是随着计算机硬件特别是图形显示设备的发展而逐渐产生、发展起来的。因此它的发展包括硬件、软件和算法三个方面的内容。1.计算机图形学的发展2.计算机图形软件及算法类型３.计算机图形学在我国的发展.2023/7/2835第1章计算机图形学的基础知识1.起步阶段（50年代）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（WhirlwindI）计算机的附件诞生了。该显示器用一个类似于示波器的阴极射线管(CRT)来显示一些简单的图形。

一、计算机图形学的发展（§1.3.1）1.3计算机图形学的发展概况2.发展阶段（60年代）1962年，MIT林肯实验室的I.E.Sutherland发表了一篇题为“Sketchpad：一个人机交互通信的图形系统”的博士论文他在论文中首次使用了计算机图形学“ComputerGraphics”这个术语，证明了交互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。.2023/7/2836第1章计算机图形学的基础知识3.成熟阶段（70年代）光栅图形学迅速发展70年代是计算机图形学发展过程中一个重要的历史时期。由于光栅显示器的产生，在60年代就已萌芽的光栅图形学算法，迅速发展起来，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，图形学进入了第一个兴盛的时期，并开始出现实用的CAD图形系统。真实感图形学70年代，计算机图形学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。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。1.3计算机图形学的发展概况.2023/7/2837第1章计算机图形学的基础知识

1975年Phong提出了著名的简单光照模型-Phong模型。这些可以算是真实感图形学最早的开创性工作。实体造型技术从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PADL-1系统等一些实体造型系统。4.推广阶段（80年代至今）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。1.3计算机图形学的发展概况.2023/7/2838第1章计算机图形学的基础知识

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。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.ACMSIGGRAPH会议小知识全称“theSpecialInterestGrouponComputerGraphicsandInteractiveTechniques”。60年代中期，由Brown大学的教授AndriesvanDam(Andy)和IBM公司的SamMatsa发起。1974年，在Colorado大学召开了第一届SIGGRAPH年会，并取得了巨大的成功每年只录取大约50篇论文。1.3计算机图形学的发展概况.2023/7/2839第1章计算机图形学的基础知识1.图形软件系统随着计算机系统、图形输入、图形输出设备的发展，计算机图形软件及其生成、控制图形的算法也有了很大的发展。近十几年来，发展了多种不同类型的计算机图形软件系统，目前主要有以下几种：用现有的某种高级语言写成的子程序包。用户使用该语言调用需要的子程序生成各种图形，编程相对容易，灵活、正确使用的周期较长。在这类程序包的基础上开发的图形程序具有便于移植和推广的优点，但执行速度相对较慢，效率较低。这类子程序包很多，例如图形软件标准化的典型规范GKS、PHIGS、OPENGLCORE文本等。二、计算机图形软件及算法类型（§1.3.2）1.3计算机图形学的发展概况.2023/7/2840第1章计算机图形学的基础知识将某种高级语言的功能加以扩充，使其具有图形生成和处理功能。目前具有图形生成和处理功能的高级语言很多，如TurboPascal、BASIC、TurboC、BorlandC++、Java等，即在相应的高级语言中扩充了图形生成及控制的语句或函数。这中方法的缺点是：实现起来工作量较大，难以移植；其优点是：系统比较简练、紧凑、执行速度快。专用的图形系统。对于某一种类型的设备，可以配置专用的图形生成语言。其优点是：功能强，执行速度快，效率更高；缺点是：系统开发工作量大，，功能差异大，难以移植。目前大多数绘图仪都配备了相应的图形生成语言，如著名的有GL(GraphicsLanguage)语言、PL(PlotingLanguage)语言和Dxy语言,这些语言都是与设备有关，因此难以在不同的设备上使用。1.3计算机图形学的发展概况.2023/7/2841第1章计算机图形学的基础知识2.图形的标准化

为了克服上述矛盾，就要求产生一种可以通用的与设备无关的图形软件，即图形软件标准化问题。1974年，美国国家标准化局ANSI在ACMSIGGRAPH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。1977年美国计算机协会ACM提出了核心图形系统CGS（CoreGraphicsSystem）规范。即原西德提出的图形核心系统GKS（GraphicsKernelSystem）。ISO发布CGI、CGM、GKS、PHIGS等。

制定标准的目的是考虑到程序的可移植性。当使用具体图形设备时只要和这个“标准”的图形系统做一个“接口”即可。

1.3计算机图形学的发展概况.2023/7/2842第1章计算机图形学的基础知识3.图形算法的分类计算机图形学所涉及的算法十分丰富，围绕着生成、表示物体的图形图形的准确性、真实性和实时性，其算法大致可以分为以下几类。。（1）基本图形元素的生成（2）基本图形元素的几何变换、投影变换、窗口裁减（3）自由曲线和曲面（如拟和、拼接、分解、整体和局部修改等）（4）图形元素（点、线、环、面、体）的求交及分类（5）隐藏线及隐藏面的消除与真实感的图形显示（6）中西文字型生成及变换（7）分形景物的生成（如山水、花草、烟雾等模糊景物的生成）（8）三维或高维数据场的可视化及虚拟现实（9）三维图形的实时显示及并行算法（10）虚拟现实环境的生成及其控制算法等。

1.3计算机图形学的发展概况.2023/7/2843第1章计算机图形学的基础知识我国开展计算机设备和计算机辅助几何设计方面的研究开始于20世纪６０年代中后期。到80年代以来，计算机图形学无论在理论研究，还是在实际应用的深度和广度方面都取得了可喜的成绩。在图形设备方面：研制绘图仪、数字化仪、图形显示器、鼠标等；如1970年我国成功研制了黑白光笔图形显示器75-1型，1976年又成功研制了彩色光笔图形显示器75-2型。软件方面：有国家攻关、８６３高技术项目及国家自然科学基金中的关于计算机图形软件研究的课题（如二维交互绘图系统已进入商品化阶段，三维几何造型系统在国内也有几个比较实用的版本）；三、计算机图形学在我国的发展（§1.3.3）1.3计算机图形学的发展概况.2023/7/2844第1章计算机图形学的基础知识学术刊物方面:在我国与计算机图形学有关的学术刊物有《计算机辅助设计与图形学学报》、《工程图学学报》、《计算机辅助工程》、《中国图形图象学报》等。1.3计算机图形学的发展概况.2023/7/28451.4计算机图形学应用与研究前沿

本节我们主要介绍计算机图形学的一些基本应用领域和研究前沿。2.计算机图形学的应用领域３.计算机图形学的研究前沿.2023/7/2846

计算机图形学有着广泛的应用领域，特别是近年来随着对计算机图形学原理的不断研究和新技术的不断产生，使得它深入到生产、科研、教学及生活等领域，目前主要应用在如下领域：

1.

计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）2.可视化3.图形实时绘制与自然景物仿真4.计算机动画5.

用户接口6.

计算机艺术7.

地理信息系统8.

办公自动化与电子印刷9.

科学、技术及事物管理中的交互式绘图10.

过程控制及系统模拟11．计算机辅助教学第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿一、计算机图形学的应用领域（§1.4.1）.2023/7/28471.计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿

CAD/CAM是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域。计算机图形学被用来进行土建工程、机械结构和产品的设计，包括：飞机、汽车、船舶的外形的设计发电厂、化工厂等的布局土木工程、建筑物的设计电子线路、电子器件的设计等。有时，着眼于产生工程和产品相应结构的精确图形。然而更常用的是对所设计的系统、产品和工程的相关图形进行人-机交互设计和修改，经过反复的迭代设计，便可利用结果数据输出零件表、材料单、加工流程和工艺卡，或者数据加工代码的指令。.2023/7/2848第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿在电子工业中，计算机图形学应用到集成电路、印刷电路板、电子线路和网络分析等方面的优势是十分明显的。一个复杂的大规模或超大规模集成电路版图根本不可能用手工设计和绘制，用计算机图形系统不仅能进行设计和画图，而且可以在较短的时间内完成，把其结果直接送至后续工艺进行加工处理。在飞机工业中，例如美国波音飞机公司已用有关的CAD系统实现波音777飞机的整体设计和模拟（无纸设计），其中包括飞机外型、内部零部件的安装和检验。在CAD/CAM中，常用软件有AutoCAD,GHCAD,Pro/E,SolidWorks,UG,CATIA,MDT等。.2023/7/2849图1.7奥迪效果图和线框图第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿.2023/7/2850第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿图1.8.2023/7/2851第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿图1.9.2023/7/2852第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿随着计算机网络的发展，在网络环境下进行异地异构系统的协同设计，已经成为CAD领域最热门的课题之一。现代产品设计已不再是一个设计领域内孤立的技术问题，而是综合了产品各个相关领域、相关过程、相关技术资源和相关组织形式的系统化工程。它要求设计团队在合理的组织结构下，采用群体工作方式来协调和综合设计者的专长，并且从设计一开始就考虑产品生命周期的全部因素，从而达到快速响应市场需求的目的，协同设计的出现使企业生产的时空观发生了根本的变化。异地设计、异地制造、异地装配成为可能，从而为企业在市场竞争中赢得了宝贵的时间。.2023/7/2853第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿CAD领域另一个非常重要的研究领域是基于工程图纸的三维形体重建。[定义]:三维形体重建就是从二维信息中提取三维信息，通过对这些信息进行分类、综合等一系列处理，在三维空间中重新构造出二维信息所对应的三维形体，恢复形体的点、线、面及其拓扑关系，从而实现形体的重建。[优势]:三维几何造型系统，因为可以做装配件的干涉检查、以及有限元分析、仿真、加工等后续操作，代表CAD技术的发展方向。说明：目前主要的三维形体重建算法是针对多面体和对主轴方向有严格限制的二次曲面体的。任意曲面体的三维形体重建，至今仍是一个未解决的世界难题。.2023/7/2854第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿图1.10-工程图及其三维重建结果1.2023/7/2855第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿图1.11-工程图及其三维重建结果2.2023/7/2856第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿2.可视化科学技术的迅猛发展，海量的数据使得人们对数据的分析和处理变得越来越难，用图形来表示数据的迫切性与日俱增。1986年，美国科学基金会（NSF）专门召开了一次研讨会，会上提出了“科学计算可视化（VisualizationinScientificComputing）”的概念。第二年，美国计算机成像专业委员会向NSF提交了“科学计算可视化的研究报告”后，VISC就迅速发展起来了。目前科学计算可视化广泛应用于医学、流体力学、有限元分析、气象分析当中。尤其在医学领域，可视化有着广阔的发展前途。依靠精密机械做脑部手术已经由机械人和医学专家配合做远程手术是目前医学上很热门的课题，而这些技术的实现的基础则是可视化。.2023/7/2857第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿可视化技术将医用CT扫描的数据转化为三维图象，并通过一定的技术生成在人体内漫游的图象，使得医生能够看到并准确地判别病人体内的患处，然后通过碰撞检测一类的技术实现手术效果的反馈，帮助医生成功完成手术。从目前的研究状况来看，这项技术还远未成熟，离实用还有一定的距离。主要难点在于生成人体内漫游图象的三维体绘制技术还没有达到实时的程度，而且现在大多体绘制技术是基于平行投影的，而漫游则需要真实感更强的透视投影技术，然而体绘制的透视投影技术到还没有很好地解决。另外在漫游当中还要根据CT图象区分出不同的体内组织，这项技术叫Segmentation。目前的Segmentation主要是靠人机交互来完成，远未达到自动实时的地步。.2023/7/2858第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿图1.12-脑外科手术导航.2023/7/2859第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿图1.13-骨科手术导航系统的实时显示.2023/7/2860第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿3.真实感图形实时绘制与自然景物仿真在计算机中重现真实世界的场景叫做真实感绘制。真实感绘制的主要任务是模拟真实物体的物理属性，简单的说就是物体的形状、光学性质、表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位置、遮挡关系等等。其中光照和表面属性是最难模拟的。为了模拟光照，已有各种各样的光照模型。从简单到复杂排列分别是：简单光照模型、局部光照模型和整体光照模型。绘制方法有:1.模拟光实际传播过程的光线跟踪法，2.模拟能量交换的辐射度方法。除了建造计算机可实现的逼真物理模型外，真实感绘制还有一个研究重点是研究加速算法，力求能在最短时间内绘制出最真实的场景。.2023/7/2861第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿加速算法有:求交算法的加速、光线跟踪的加速、包围体树、自适应八叉树等等。实时真实感绘制已经成为当前真实感绘制的研究热点，而当前真实感图形实时绘制的两个热点问题则是物体网格模型的面片简化和基于图象的绘制（IBRImageBasedRendering）。1.网格模型的面片简化：就是指对网格面片表示的模型，在一定误差的精度范围内删除点、边、面，从而简化所绘制场景的复杂层度，加快图形绘制速度。2.基于图象的绘制IBR：完全摒弃传统的先建模，然后确定光源的绘制方法，它直接从一系列已知的图象中生成未知视角的图象，适用于野外极其复杂场景的生成和漫游。.2023/7/2862图1.14-综合色彩、光照、纹理的场景第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿.2023/7/2863第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿室内场景的绘制图1.15.2023/7/2864第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿野外自然景物的模拟。真实感绘制已经从最初绘制简单的室内场景发展到现在大量模拟野外自然景物，比如绘制山、水、云、树、火等等。特点：野外场景远远复杂于室内场景，绘制难度更大，方法更趋多样化。人们提出了多种方法来绘制这些自然景物，比如：绘制火和草的粒子系统（ParticleSystem），基于生理模型的绘制植物的方法，绘制云的细胞自动机方法等。也出现了一些自然景物仿真绘制的综合平台，如德国Lintermann和Deussen的绘制植物的平台Xforg，以及清华大学自主开发的自然景物设计平台。.2023/7/2865图1.16-由清华大学自然景物平台生成的野外场景第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿.2023/7/2866第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿图1.17室外自然景观的绘制.2023/7/2867图1.18-日本YoshinoriDobashi等人绘制的真实感云第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿.2023/7/2868图1.19-Xfrog3.0生成的挪威云杉第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿.2023/7/2869第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿4.计算机动画

随着计算机图形学和计算机硬件的不断发展，人们已经不满足于仅仅生成高质量的静态场景，于是计算机动画就应运而生。事实上计算机动画也只是生成一幅幅静态的图像，但是每一幅都是对前一幅做一小部分修改（如何修改便是计算机动画的研究内容），这样，当这些画面连续播放时，整个场景就动起来了。计算机动画内容丰富多彩，生成动画的方法也多种多样，比如:基于特征的图象变形，二维形状混合，轴变形方法、三维自由形体变形(FFD,Free-FormDeformation)等。.2023/7/2870第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿计算机动画的分类：

二维动画:-图像变形-形状混合-轴变形方法三维动画:-关键帧动画-自由变形物体的动画-过程动画-关节动画与人体动画计算机动画近十多年来取得了很大的发展，已渗透到人们生活的各个角落。20世纪90年代是计算机动画应用辉煌的十年。Disney公司每年都要出一部制作精美的卡通动画片，好莱坞的大片屡屡大量运用计算机生成各种各样精彩绝伦的特技效果，广告设计、电脑游戏、教育、军事、飞行模拟也频频运用计算机动画。计算机动画也因这些商业应用的大力推动而有了极大的发展。制作软件：MAYA,3D-MAX,SOFTIMAGE,Flash….2023/7/2871图1.20-基于特征的图像变形（猫变虎）第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿.2023/7/287212第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿图1.21-利用参数关键帧技术动化生成的小狗动态图.2023/7/2873345678第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿.2023/7/2874第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿图1.22-由三维FFD操作得到的鱼的变形图注：FFD表示自由形体变形

.2023/7/2875第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿计算机动画视频.2023/7/2876第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿5.用户接口

用户接口是人们使用计算机的第一观感。一个友好的图形化的用户界面能够大大提高软件的易用性。在DOS时代，计算机的易用性很差，编写一个图形化的界面要费去大量的劳动，过去传统的软件中有60％的程序是用来处理与用户接口有关的问题和功能的。。进入80年代后，随着Xwindow标准的提出，苹果公司图形化操作系统的推出，特别是微软公司Windows操作系统的普及，标志着图形学已经全面融入计算机的方方面面。如今在任何一台普通计算机上都可以看到图形学在用户接口方面的应用。操作系统和应用软件中的图形、动画比比皆是，程序直观易用。很多软件几乎可以不看任何说明书，而根据它的图形、或动画界面的指示进行操作。.2023/7/2877第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿目前几个大的软件公司都在研究下一代用户界面，开发面向主流应用的自然、高效多通道的用户界面。研究多通道语义模型、多通道整合算法及其软件结构和界面范式是当前用户界面和接口方面研究的主流方向，而图形学在其中起主导作用。计算机软件从事艺术创作。可用于美术创作的软件很多，例如：二维平面的画笔程序（如CorelDraw，Photoshop，PaintShop）专门的图表绘制软件（如Visio）三维建模和渲染软件包（如3DMAX，Maya）、以及一些专门生成动画的软件（如Alias，Softimage）等。6.计算机艺术.2023/7/2878第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿优点：提供多种风格的画笔画刷。提供多种多样的纹理贴图，甚至能对图象进行雾化，变形等操作。可以任意修改，取消败笔。不足：无法达到传统绘画中风格化的艺术效果。很难得到有素描效果、油画效果的艺术品。比如钢笔素描的效果，中国毛笔书法的效果，而且在传统绘画中有许多个人风格化的效果也是上述软件所无法企及的。然而图形学工作者们是不甘失败的，就在真实感图形学如火如荼发展的同时，模拟艺术效果的非真实感绘制（NPRNon-PhotorealisticRendering）也在逐渐发展。.2023/7/2879第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿非真实感绘制。钢笔素描是非真实感绘制的一个重要内容，目前仍然是一个非常活跃的研究领域。用于模拟艺术效果，研究方法有别于真实感图形学。钢笔素描的生成：钢笔素描产生于中世纪，从19世纪开始成为一门艺术，20世纪90年代开始研究用计算机模拟钢笔素描。由于钢笔素描与传统的图形学绘制方法差别很大，所以研究起来难度也颇大，但是很多学者已经在这方面做了卓有成效的工作，比如华盛顿大学的GeorgesWinkenbach，MichaelP.Salisbury，德国Magdeburg大学的OliverDeussen等人都在Siggraph会议上发表了高水平的论文。中国国画与书法的生成。.2023/7/2880图1.23-GeorgesWinkenb1ach绘制的壶和碗(Siggraph’96)第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿.2023/7/2881图1.24-Salisbury绘制的茶壶(Siggraph’97)第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿.2023/7/2882图1.25-Salisbury绘制的熊(Siggraph’97)第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿.2023/7/2883图1.26-OliverDeussen绘制的素描树(Siggraph’2000)第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿.2023/7/2884第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿计算机艺术图片.2023/7/2885

地理信息系统是建立在地理图形基础上的信息管理系统,目前已经在许多国家得到广泛的应用。在图形技术、数据库技术以及管理信息相结合的地理信息系统（GIS）中，图形起着核心和控制的作用。图形显示技术在办公自动化和事物处理中的使用，有助于数据及其相互关系的有效表达，因而有利于人们进行正确的决策。第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿7.地理信息系统8.办公自动化与电子印刷

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应用图形学最多的领域之一是绘制事务管理中的各种图形，如统计数据的二维及三维图形、直方图、线条图、表示百分比的扇形图等等，还可以绘制工作进程图、库存和生产进程图以及大量的其它图形。所有这些都以简明的形式呈现出数据的模型和趋势以增加对复杂现象的理解，并促进决策的制定。

软件业教育业其他与考研未就业96、97级就业情况人数行业第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿9.科学、技术及事物管理中的交互式绘图

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用户利用计算机图形学实现与其控制或管理对象间的相互作用。例如石油化工、金属冶炼、电网控制的有关人员可以根据设备关键部位的传感器送来的图形和数据，对设备运行过程进行有效的监视和控制；机场的飞行控制人员和铁路的调度人员可通过计算机产生运行状态信息来有效、迅速、准确地调度，调整空中交通和铁路运输。

计算机图形学已广泛地应用与计算机辅助教学系统中，它可以使教学过程形象、直观、生动，极大地提高了学生的学习兴趣和教学效果。随着微型计算机在家庭的普及，计算机辅助教学将深入到家庭和幼儿教育，并得到迅猛发展。

第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿10.过程控制及系统模拟

11.计算机辅助教学.2023/7/2888计算机图形学研究的内容很多，当前这一领域主要研究的前沿课题有如下几个方面：（１）造型技术（２）三维信息重建技术（３）图形数据库（４）动态绘图（５）计算机图形学、计算机辅助几何设计和计算机辅助制造三者一体化（６）应用软件开发环境的通用化和标准化（７）虚拟现实环境的生成（８）科学计算可视化第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿二、计算机图形学的研究前沿（§1.4.2）.2023/7/2889第1章计算机图形学的基础知识1.4计算机图形学的应用与研究前沿虚拟现实（VirtualReality）是继多媒体以后另一个在计算机界引起广泛关注的研究热点。它是利用计算机生成一种模拟环境（如飞机驾驶舱、操作现场等），通过多种传感器和设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行交互的技术。图1.27-VR输入输出设备.2023/7/28901.5计算机图形系统的组成

计算机图形系统：可定义为是计算机硬件、图形输入输出设备、计算机系统软件和图形软件的集合。图形系统的选择和应用是学习和掌握计算机图形学的前提，图形系统的设计和研制是计算机科学和工程领域中的重要内容，只有通过图形系统我们才有可能开拓、利用计算机图形学的潜力。2.图形系统的功能和硬件性能要求３.图形系统分类与硬件工作平台1.图形系统的结构.2023/7/2891第1章计算机图形学的基础知识1.5计算机图形系统的组成计算机图形系统由硬件和软件两部分组成，如下图1.28所示：一、图形系统的结构（§1.5.1）人

输入设备键盘鼠标数字化仪光笔扫描仪摄像机主机输出设备显示器绘图仪打印机应用软件图形软件数据库高级语言操作系统

软件硬件图1.28-图形系统的一般结构示意图.2023/7/2892第1章计算机图形学的基础知识1.5计算机图形系统的组成1.硬件设备硬件设备是计算机图形学存在和发展的物质基础，计算机图形系统的硬件和组成与计算机体系结构密切相关，也与电子器件的技术（如VLSI技术、微电子技术、精密机械设备技术等）的发展密切相关。计算机图形系统的功能在这个基础上不断地增强，从早期的单一图形显示、辅助绘图功能，发展到目前的显示、处理、绘制、采集、存储、压缩、传输等功能，达到了一个新的高度。现在，许多图形系统已经配置了能够处理多媒体信息的系统，它不仅能够处理图形，而且还能处理图像、声音、动画和视频信息，其功能得到了大大的增强。.2023/7/2893第1章计算机图形学的基础知识1.5计算机图形系统的组成2.图形系统软件系统软件在计算机图形系统中占有非常重要的位置。最核心的一层是系统软件（如操作系统、编译系统等），它能够保证计算机系统正常工作，是使用和管理计算机的软件。中间一层是图形软件，图形软件是图形系统基本功能软件，图形交互程度主要取决于图形软件。图形软件的功能包括：绘图、图形编辑、存储、计算和控制输入输出，同时图形软件还应具有良好的用户界面。最外层是应用软件，它是针对用户某一特定任务而设计的程序包（如航空、电子、机械、土建等的专业应用软件）。说明：在整个系统运行时，人始终处于主导地位。.2023/7/2894第1章计算机图形学的基础知识1.5计算机图形系统的组成1.基本功能一个计算机图形系统至少应具有以下的五个基本功能：计算、存储、对话、输入、输出。

①计算功能：应含形体设计、分析的算法程序库和描述星体的DB。

②

存储功能：在内外存中存放数据，尤其是图元间的连接关系及属性信息。并能保存对图形的删除、增加、修改等信息。

③

对话功能：通过图形显示器直接进行人--机对话。（使设计人员对计算结果和图形利用定位、拾取等手段进行修改，同时对设计者或操作人员执行的错误给予必要的提示和帮助。）

④输入功能：将必要的参数和命令输入到计算机中。

⑤输出功能：将文字、图形、图像信息、按要求精度、形式、时间等输出。二、图形系统的功能和硬件性能要求（§1.5.2）.2023/7/2895第1章计算机图形学的基础知识1.5计算机图形系统的组成2.特殊性能要求：由于图形系统有以上五大基本功能，所以对图形系统硬件性能有一些特殊要求：①高速的运算处理能力和庞大的存储容量。（计算机存储硬件）（图形系统的处理速度既与图形硬件有关，也与图形软件的图形处理算法有关。在图形硬件方面对速度影响的因素有：中央处理器CPU的性能、数字协处理器MPU的性能、主存储器、高速缓冲存储器以及外部存储器的数据存取速度。）②图像生成软件的复杂性。（生成过程中的控制软件）③支持图形操作的系统软件的复杂性。（计算，交互软件）④外围的输入输出能力。（I/O硬件）.2023/7/2896第1章计算机图形学的基础知识1.5计算机图形系统的组成1.计算机图形系统的分类计算机图形系统根据其硬件配置和信息传递方式，可将其分为脱机绘图系统、联机绘图系统和交互式绘图系统。（1）脱机绘图系统。所谓脱机绘图系统是指计算机主系统不直接与图形输入输出设备相连，而是通过中间载体向绘图输出设备传送数据的图形系统，其结构示意图如(图1.29)所示。三、图形系统分类与硬件工作平台（§1.5.3）绘图应用程序输入设备大、中计算机

磁盘（磁带）控制器绘图仪图1.29-脱机绘图.2023/7/2897第1章计算机图形学的基础知识1.5计算机图形系统的组成（2）联机绘图系统。所谓联机绘图系统是指由计算机将图形处理信息直接传送给绘图仪等输出设备进行图形输出的图形系统，其结构示意图如(图1.30)所示。优点：由于不需要中间介质（磁盘或磁带）传送绘图信息，因此处理时间缩短了；缺点：由于绘图仪是机械速度，造成了计算机对绘图仪的等待，降低了计算机的工作效率；绘图应用程序输入设备计算机

控制器绘图仪

图1.30联机绘图系统示意图.2023/7/2898第1章计算机图形学的基础知识1.5计算机图形系统的组成

（3）联机绘图系统交互式绘图系统。所谓联机绘图系统是指由计算机将图形处理信息直接传送给绘图仪等输出设备进行图形输出的图形系统，其结构示意图如(图1.31)所示。数据库图形库程序库输入设备功能键光笔、鼠标图形输入板微型计算机自动绘图仪或打印机图形人实时观察显示器图1.31-交互式绘图过程.2023/7/2899第1章计算机图形学的基础知识1.5计算机图形系统的组成说明：1.

交互式图形系统采用小型或微型计算机（一般不用大中型计算机），它把输入设备、图形显示器、自动绘图仪连接成为一个完整的系统。交互式图形系统应用很广，例如由微型计算机、图形输入输出设备、和AutoCAD软件就构成一个功能很强的交互式绘图系统。2.联机绘图系统的计算机采用小型或高档微机就可以满足要求。3.脱机绘图系统通常由计算机主系统的大中型计算机进行图像处理，然后用磁带或磁盘控制绘图仪输出图形。.2023/7/28100第1章计算机图形学的基础知识1.5计算机图形系统的组成2.计算机图形系统的硬件工作平台平台是指操作者（用户）面对的计算机工作环境，可以分为硬件平台和软件平台。计算机硬件平台要给计算机用户提供一个非常良好的人机交互界面，形成一个有效的工作环境，使计算机用户能够在这个环境中进行计算机的使用、研究和开发。目前，计算机图形系统的硬件平台有如下几种类型。（1）微型计算机（简称微机）。基于这一平台的图形系统多为单一的图形应用系统，这种用户环境是我国目前应用的主流。以微型计算机为基础的图形系统多用作二维图形的计算机辅助绘图，应用软件也多是二维的。但是，随着微型计算机性能进一步的提高，将来也可以用微型计算机实现三维形体的设计及显示。.2023/7/28101第1章计算机图形学的基础知识1.5计算机图形系统的组成（2）工作站。工作站实际上是一类超级微型计算机，该系统主要用于工程设计，为研究、开发提供一整套软硬件工作环境的支持。它具有高速的科学计算、丰富的图形处理、灵活的窗口以及网络管理功能，因而受到了广泛的欢迎，发展十分迅速。例如美国的SUN、DEC、IBM等公司的产品均属此类。。（3）中、小型计算机。这一类工作平台是一类高级的、大规模的计算机工作环境，一般在特定的部门、单位和应用领域中采用此类环境。一般情况下，图形系统在这类平台上作为一种图形子系统独立运行和工作，图形子系统与主机的关系可以是主从式的，也可以是分立式的，但都借助于大型主机的强大功能。.2023/7/28102第1章计算机图形学的基础知识1.5计算机图形系统的组成（4）大型机。它以大型计算机为基础，具有容量庞大的存储器和极强的计算功能，并且具有大量的显示终端及高精度、大幅面的硬拷贝设备。这种系统多用于飞机制造、汽车制造等领域，例如美国的第三大汽车公司（CHRYSLER汽车公司）就利用庞大的计算机系统来进行计算机辅助设计、实体造型、结构分析、运动模拟、工程与科学计算、生产过程控制等。（5）计算机网络。计算机网络是将上述四类计算机平台，或者其中某一类通过某种互连技术彼此连接，按照某种通讯协议进行数据传输、数据共享、数据处理的多机工作环境。.2023/7/281031.6图形输入设备

高质量的计算机图形离不开高性能的计算机图形硬件设备。一个图形系统通常由图形处理器，图形输出设备和输入设备构成。这一节我们将逐个探讨这些图形输入设备。2.常用图形输入设备1.图形输入设备类型.2023/7/28104第1章计算机图形学的基础知识1.6图形输入设备一、图形输入设备类型（§1.6.1）各种图形模型的建立、操作、和修改均离不开图形输入设备。操作人员通过图形输入设备向系统输入构造图形模型的原始数据，输入有关操作命令和各种参数，如移动对象的位移量、旋转的角度、图形的标注文字等。图形输入设备从逻辑上分为6类，如下表所示：名称相应的典型设备基本功能定位设备(Locator)数字化仪、鼠标、操作杆输入一个点的坐标笔划设备(Stroke)图形输入板、数字化仪输入一系列点的坐标数值设备(Valuator)数字键盘、拨号盘输入一个整数或实数选择设备(Choice)按钮、功能键、由一个整数得到某种选择拾取设备(Pick)光标、鼠标拾取一个显示着的图形字符串设备(String)键盘数字、字母键输入一串字符.2023/7/28105第1章计算机图形学的基础知识1.6图形输入设备说明：这里所谓逻辑设备，是指按逻辑功能定义的设备，并非具体的物理设备。通常，一种逻辑设备对应于一种或一类特定的物理设备，而实际的物理设备往往兼具几种逻辑输入功能。此外，根据图形输入设备的工作方式，可以将它们分为向量型和光栅扫描型。

1.向量型图形输入设备主要输入的数据形式为直线或折线构成的图形。它采取跟踪轨迹，记录坐标点的方法输入图形数据。常用的向量型图形输入设备有数字化板、鼠标嚣、光笔等。

2.光栅扫描型图形输入设备主要的输入数据形式为一幅由亮度值构成的象素矩阵―图象(Image),并经过图形识别的过程，将所获得的图象数据转换为图形(Graphics)数据。它采取逐行扫描，按一定密度采样的方式输入图形数据。常用的光栅扫描型图形输入设备有扫描仪和摄象机。.2023/7/28106第1章计算机图形学的基础知识1.6图形输入设备二、常用图形输入设备（§1.6.2）1.键盘键盘是计算机上使用频率最多的输入设备之一。早期的键盘只有83键，现在增至101键、104键和107键等。键盘按应用分类为：台式机键盘、笔记本电脑键盘和工控机键盘三类。不管键盘如何变化，它的排键次序大致是不变的。整个键盘分为：主键盘区、数字辅助键盘区、F键功能键盘区、控制键区以及快捷键区。.2023/7/28107第1章计算机图形学的基础知识1.6图形输入设备2.鼠标鼠标是一种移动光标和做选择操作的计算机输入设备，除了键盘外，它已经成为计算机的主要输入工具。鼠标器是一种手持滚动设备，状如一个方盒，面上有2-4个开关，下面是两个互相垂直的轮子，或是一个球。鼠标器的一个重要特征是：只有当轮子滚动时才会产生和值变化，把鼠标器从一个位置拣起放到另一个位置，如果没有轮子的滚动，则不会输入任何信息。即鼠标器只能输入轮子的滚动值，而不能像数字化板那样输入位置值。因此，鼠标器不能用来输入图纸，而主要用于指挥屏幕上的光标。鼠标器价格便宜操作方便，是目前在图形交互上使用最广泛的图形输入设备。.2023/7/28108第1章计算机图形学的基础知识1.6图形输入设备目前鼠标有三种类型：1）光电式鼠标。利用发光二极管与光敏晶体管来测量位移：二者的夹角使二极管发光，经鼠标板反射至光敏晶体管，由于鼠标板均匀间隔的网格使反射光强弱不同，其变化转化为表示位移的脉冲；2）机械式鼠标。内有三个滚轴：空轴，X向滚轴，Y向滚轴，一个滚球；X向、Y向滚轴带动译码轮，译码轮位于两传感器之间且有一圈小孔，二极管发向光敏晶体管的光因被阻断产生位移的脉冲，而两脉冲成90度；3）光机式鼠标。内装有三个滚轴：一个空轴，X向滚轴，Y向滚轴，采用光敏半导体元件测量位移。.2023/7/28109第1章计算机图形学的基础知识1.6图形输入设备3.数字化仪

数字化仪由一块平板和一个探头定位器（光笔、鼠标）组成。按工作原理的不同分为电磁式的、超声波式的、磁致伸缩的、机械式的等多种。评价指标：有效幅面、数字化速率、最高分辨率。

1）机械式坐标数字化仪。导轨和测头沿两个方向移动，带动光栅轮移动，产生光电信号，从而得到两点相对距离的坐标数。.2023/7/28110第1章计算机图形学的基础知识1.6图形输入设备

2）超声波式坐标数字化仪。利用X，Y方向的超声波传感器和拾取坐标点的笔尖上的超声波发生器，通过记录的超声波到X，Y边的最小时间换算出两点间的距离。3）全电子式坐标数字化仪。在平板的板面下边，是一块由x方向和y方向组成的导线风印刷线路板。平板内装有一套电子线路，它向导线网的x方向线与y方向线依次进行时序脉冲扫瞄。扫描电流对导线的瞬间激励会引起一个时序脉冲的时间进行比较之后，探头所在的位置数据就可以自动得出并送入计算机。4）三维数字化仪。这类设备是能过插动的方法将3D物体的表面结构（线框）输入到计算机形成计算机内的3D线框图模型，直接用于真实感显示。

.2023/7/28111第1章计算机图形学的基础知识1.6图形输入设备

3D数字化仪的工作原理是：投射一组垂直的光线到物体上，镜子从二个视点捡取光照射后得到的的轮廓。然后用一个高精度的传感器进行扫描，经由特殊的电路将视频图象数字化从面临是到一个矩形区域的范围表（RangeMap），这是一个关于距离测量数组。数字化仪以这样每投射一组光线得到一个轮廓的办法，沿着物体的周围，扫掠一遍，直到创建一个描述整个物体的范围表为止。Cyberware每秒种收集15000个范围的测量。工作站上的数字化仪最后将范围表经由标准以太网连接送到工作站上的数据库，数据的输出可以是任何一种现有的图形CAD软件所识别的格式，如DXF等等。

.2023/7/28112第1章计算机图形学的基础知识1.6图形输入设备4.光笔

光笔是一种手持检测光的装置，它直接在屏幕上操作，拾取位置。其功能：定位、拾取、笔划跟踪等。光笔的结构和工作过程原理如下图1.32所示：

图1.32-光笔的结构和工作过程原理.2023/7/28113第1章计算机图形学的基础知识1.6图形输入设备说明：1.光笔上的按钮则控制电脉冲是否被输出，光笔的工作过程和数字化板有所类似，光笔将荧光屏当作图形平板，屏上的象素矩阵能够发光。影响光笔的分辨度与灵敏度的因素：显示器的不同分辨度、电子束的不同扫描速度、荧光粉的不同特性以及笔尖与荧光粉的不同距离与角度等。

2.光笔原理简单、操作直观，是早期CAD系统中最主要的图形输入设备.但是光笔存在不少缺点：光笔对于荧光屏上不发光的区域无法检测，而且使用者长期凝视荧屏，会感到眼睛疲劳。

.2023/7/28114第1章计算机图形学的基础知识1.6图形输入设备5.触摸屏

触摸屏属于指点输入设备，用手指直接代替了鼠标和光笔，通过触摸屏上的图形符号或文字信息来操作计算机，具有人性化、“傻瓜式”的特点，是多媒体技术应用普及中的典型代表。触摸屏的工作原理：用许多红外LED和光感器在屏幕显示区域形成一个不可见的光