计算机图形学

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计算机的应用越来越广泛，应用计算机进行复杂的科学计算、产品设计等，都需要计算机能呈现出直观形象的图形来降低操作的复杂性。图形软件设计理论和应用技术成了计算学科的重要课题，计算机图形学成为许多重要应用领域的必备知识。计算机图形学，就是研究怎样用计算机生成、处理和显示图形的学科。1.1计算机图形学的发展

1964年，孔斯（S．Coons）提出了用小块曲面片组合表示自由型曲面，使曲面片边界上达到任意高阶连续的理论方法，称为孔斯曲面。法国雷诺公司的贝塞尔（P．Bezier）也提出了Bezier曲线和曲面。

孔斯和贝塞尔被认为是计算机辅助几何设计的奠基人。20世纪60年代中期

随机扫描的显示器虽具有较高的分辨率、较高的对比度以及良好的动态性能，但要有一个高速处理器。20世纪70年代中期

光栅图形显示器被显示的图形都按像素存放。图形处理和图像处理相渗透，使得算机生成的图形逼真、形象。关键硬件设备：图形显示器图形系统软件最基本的图形系统软件是用某种计算机语言写成的子程序包，如GKS、PHIGS、GL等，在这类程序包基础上开发的图形程序便于移植和推广，但相对来说执行速度慢、效率低。常见的图形软件系统是在某种计算机语言基础上进行扩充，使其具有图形生成和处理功能。目前使用的如TurboC，TurboPascal，VC++和Java等均带有相应的图形函数库，可以直接使用图形函数生成各种图形。用这类语言编写的图形软件简洁、紧凑，执行速度快。专用的图形系统是为某种类型的图形设备配置的专用图形生成语言，具有很强的图形功能，执行速度以及效率都高，但是系统开发的工作量大，且移植性较差。目前大多数绘图仪都配备有相应的图形生成语言，比较著名的有GL（GraphicsLanguage）语言和PL（PlotingLanguage）语言等。

图形系统软件1.2计算机图形系统的组成和功能

基础设备：主机、内存、外存等图形硬件基本图形设备：图形显示器、图形适器、键盘等专用图形设备：数字化仪、绘图仪、图形打印机等图形系统图形语言：程序设计语言、数据库管理语言、图形专

用语言图形软件图形数据库：图形对象库、操作方法库、模型库图形程序：图形系统程序、应用程序、图形工具

图10-1计算机图形系统结构图形输入输出功能图形定义和维护功能图形数据存贮和管理功能图形变换、图形处理和数据计算功能计算机图形系统的基本功能1.3图形显示系统图形输出的最直接、最方便、最常见的形式是屏幕显示。实现图形显示功能的硬件设备是图形显示系统，它包括图形监视器和其控制部件。

图形监视器的主要部件是阴极射线管CRT（CathodeRayTube）。CRT的基本结构是电子枪、偏转装置和荧光屏。工作过程：电子枪发射高速电子束，轰击荧光屏产生亮点，光点位置由偏转部件控制。CRT的基本结构电子枪用来发射高速运动的电子束；偏转装置通过产生静电场或电磁场控制电子束作水平、纵向偏转，达到控制荧光屏光点位置的效果；荧光屏上涂有荧光粉层，当高速电子打击荧光屏时，它会发光而形成光点。光点的颜色和余辉时间的长短由荧光粉物质的种类决定。CRT种类与扫描方式彩色图形监示器使用彩色CRT，彩色CRT有渗透型和多枪型两类。CRT电子束扫描方式也有两种：随机扫描方式和光栅扫描方式。常见的显示器图形适配器（显示卡）1.4常用的图形输入输出设备图形输入设备可将用户的图形结果及各种命令等转换成电信号并传递给计算机。常用的图形输入设备坐标数字化仪（Digitizer）图形输入板（Tablet）鼠标器（Mouse）其他定位设备，如跟踪球（Trackball）图形输入设备还有键盘（Keyboard）和按键（Button）。常用的图形输出设备除了图形显示器外，主要的图形输出设备是图形打印机和绘图仪。绘图输出设备还有热转换打印机、热化染色转换打印机、摄像机和扫描仪等。1.5计算机图形学研究的内容1）图形的生成和表示技术2）图形操作与处理方法3）图形输出设备与输出技术4）图形输入设备与输入技术5）图形信息的描述和表示6）几何模型的构造技术7）动画技术8）图形实时性和真实感9）图形标准与图形软件包1.6计算机图形学的应用1）计算机辅助设计和计算机辅助制造（CAD／CAM）2）计算机辅助绘图和科学计算的可视化3）计算机辅助教学CAI和数据绘图4）计算机艺术和计算机动画5）图形用户界面和图形选单的设计6）计算机图像分析和图像处理1.7计算机图形学的进展与展望

计算机图形学主要是研究图形（图像）的计算机生成，在图形基础研究方面可归纳为两个主要方向，即建模（Modeling）技术（又称“造型技术”）和绘制（Rendering）技术。计算机图形学研究水平的高低就是既要逼真地反映客观世界的对象，又能高速地、通常又称"实时"地绘制它们。研