第一章 计算机图形学概述

本章主要学习内容 计算机图形学的概念与研究内容 1.1 计算机图形学的发展历史 1.2 计算机图形学的应用 1.3

1.1 计算机图形学的概念和研究内容 广义的图形概念 凡是能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象都称为图形。如： (1)自然景物 (2)照片和图片 (3)工程图、设计图和方框图 (4)人工美术绘画、雕塑品 (5)用数学方法描述的图形 （包括几何图形、代数方 程、分析表达式或列表所 确定的图形）

是指由点、线、面、体等几何要素和明暗、灰度（亮度）、色彩等非几何要素构成的，从现实世界中抽象出来的带有灰度、色彩及形状的图或形。 1.1 计算机图形学的概念和研究内容 计算机图形学中的图形概念 是指由点、线、面、体等几何要素和明暗、灰度（亮度）、色彩等非几何要素构成的，从现实世界中抽象出来的带有灰度、色彩及形状的图或形。

1.1 计算机图形学的概念和研究内容 计算机图形学(Computer Graphics,简称：CG)是研究如何在 计算机环境下生成、处理和显示图形的一门学科。 计算机图形学的主要研究对象 在计算机环境下景物的几何建模方法(modeling)、对模型的处理方法、几何模型的绘制技术(rendering)、图形输入和控制的人机交互界面(user interface)。 例如，要研究如何在计算机上表示飞机和汽车外形、方便地对飞机和汽车外形进行修改、快速地绘制它们的真实感图形

1.1 计算机图形学的概念和研究内容 计算机图形学产生真实感图形的过程 绘制 处理 建模 通过绘制过程生成物体 的真实感图形 对物体做一系列的变换，以 反映观察者和物体的位置关系 处理 建立对物体完整的几何描述 建模

1.1 计算机图形学的概念和研究内容 图像处理（Image Processing ） 它是用摄像机或扫描仪等手段将客观世界中原来存在的图形摄制成数字化图像，对图像进行处理、分析和理解，从图像中提取所关注的图形的二维或者三维几何信息。 图像 处理的研究内容 图像增强、边缘提取和图像分割、图像压缩、纹理分析、形状特征提取、模式识别和三维形体重建等。

1.2 计算机图形学的发展史 50年代 1959年，美国Calcomp公司研制出的世界上第一台滚筒式绘图机，使计算机辅助绘图仪开始代替人工绘图。 1) 1946年，第一台电子计算机的问世推动了许多学科的发展和新学科的建立，其中就包括现代图形学技术。

1.2 计算机图形学的发展史 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， --确定了交互图形学作为一个学科分支（提出基本交互技术、图元分层表示概念及数据结构…)

1.2 计算机图形学的发展史 PT公司的Pro/Engineer系统 CATIA系统设计的轮船 目前国际上应用较广的实体造型系统有IBM公司的CADAM、Dassault System公司的CATIA、SDRC公司的Geomod、PT公司的Pro/Engineer、SpatialTechnology公司的ACIS、Solidworks公司的Solidworks等。设计人员可以直接在三维空间进行产品的设计、修改、观察，从而使设计活动变得直观、简单、高效。 CATIA系统设计的轮船 Dassault System公司的CATIA PT公司的Pro/Engineer系统

1.2 计算机图形学的发展史 70年代 PHIGS标准下的图形 GKS标准下的图形 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 1971年，法国雷诺汽车公司的贝塞尔(Bézier)发表了一种用控制多边形定义曲线和曲面的方法。同期，法国雪铁龙汽车公司的德卡斯特里奥也独立地研究出与贝塞尔类似的方法。孔斯和贝塞尔被称为现代计算机辅助几何设计的奠基人。 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 PHIGS标准下的图形 GKS标准下的图形

1.2 计算机图形学的发展史 80年代后期，美国的皮格尔和蒂勒将有理B样条发展成为非均匀有理B样条（NURBS）方法，并已成为当前自由曲线和曲面描述的最广为流行的技术，使有关曲面的设计、分析与计算达到了前所未有的高度。

1.3 计算机图形学的应用 计算机辅助设计与制造 (computer aided design and manufactory，CAD/CAM) 地理信息系统 ( geographical information system, GIS) 科学计算可视化 (visualization in scientific computing，VS) 计算机动画和艺术 计算机模拟和仿真 虚拟现实 (virtual reality, VR)

1.3 计算机图形学的应用 （1）计算机辅助设计与制造 应用CAD系统进行设计，可1）获得产品的精确表示和显示结果，2）在计算 机中建立对象的数据模型，3）进行各种性能分析计算，4）对设计做修改， 5）制造过程和设计结果联系起来，设计结果直接传送至后续工艺进行加工。 计算机辅助设计(CAD)已广泛应用 于飞机、汽车、 船舶的外形设计 、电路设计，以及建筑、 服装、 印染、玩具设计等领域。 CAD技 术使得工程、产品设计和施工图 纸不必再由人工绘制，可大大缩 短设计周期。 雪佛莱敞篷轿车曲面造型

1.3 计算机图形学的应用 （2）科学计算可视化 科学计算可视化就是利用计算机图形生成技术，将科学及工程 计算中的计算数据和测量数据等以图形的形式显示出来，使人 们能观察到用常规手段难以观察到的自然规律和自然现象。 可视化技术已广泛应用于流 体力学、有限元分析、医学、 天气预报、海洋和空间探测 等领域。

1.3 计算机图形学的应用 （3）计算机动画 计算机生成的场景可单独显示，也可以与演员及实际场景混合 显示，以生成各种逼真的虚拟场景画面和特技效果，从而为人 们提供一个充分展示个人想象力和艺术才能的空间。

1.3 计算机图形学的应用 （4）计算机模拟和仿真 计算机模拟和仿真是利用计算机产生真实（虚拟）场景，模拟场景中对象随时间变化的行为和规律。通过虚拟对象的行为和规律，研究液体流动、热流、核反应、结构有负载时的变形、复杂产品的加工过程和大工程的完工后的效果等。

1.3 计算机图形学的应用 （5） 虚拟现实 虚拟现实（Virtual Reality: VR）是指由计算机实时生成一个虚拟的三维空间。用户可在其中自由的运动，随意观察周围的景物，通过一些特殊的设备与虚拟物体进行交互操作。在此环境中，用户看到的是全立体彩色景象，听到的是虚拟环境中的声响，手或脚可以感受到虚拟环境所反馈给它的作用力，从而使用户产生一种身临其境的感觉。