计算机图形学基本知识

•计算机图形学：是研究怎样用计算机表示、生成、处理和显示图形的一门学科。图形按基本的处理技术划分只有两类：1.线条，如工程图、地图、曲线图表等2.明暗图，与照片相似•几个计算机图形学的相关概念：1.计算机图形：用计算机表示、生成、处理和显示的对象。由几何数据和几何模型利用计算机进行存储、显示，并修改、完善后形成。2.图像处理：将客观世界中原来存在的物体的影像处理成新的数字化图像的相关技术，如CT扫描、X射线探伤等3.模式识别：对所输入的图像进行分析和识别，找出其中蕴涵的内在联系或抽象模型，如邮政分拣、地形地貌识别等4.计算几何：研究几何模型和数据处理的学科，探讨几何形体的计算机表示、分析和综合数字图像数据模型计算机图形模型识别计算几何图像处理•计算机图形学的研究起源于美国麻省理工学院,从20世纪50年代初期到60年代中期，美国麻省理工学院积极从事现代计算机辅助设计/制造技术的开拓性研究。1.1952年，在该校诞生了世界上第一台数控铣床的原型。2.随后，麻省理工学院发展了APT，这演变成国际上最通用的加工编程工具。3.1964年，孔斯(SteveCoons)在麻省理工学院提出了用小块曲面片组合表示自由型曲面时使曲面片边界达到任意高次连续阶的理论，此方法得到工业界和学术界的极大推崇，称之为孔斯曲面。4.1962年第一台光笔交互式图形显示器在美国麻省理工学院林肯实验室研制成功，•在美国工业界，研制交互式图形显示器的工作也同时开展，其中所起作用最重要的是IBM公司1.在1964年秋，IBM公司推出了IBM2250显示器。洛克希德飞机公司利用IBM2250施行开发的CADAM绘图加工系统，成为目前IBM主机上应用最广的CAD/CAM软件。2.IBM2250在1978年前后改型为IBM3250，1984年又改型为IBM5080，采用光栅扫描技术。3.20世纪60年代末和70年代初，美国Tektronix公司发展了存储管技术。4.由于大规模集成电路技术的发展和专用图形处理芯片的出现，光栅扫描型显示器的质量越来越好，价格越来越低，已成为图形显示器的常规形式。•在图形显示技术发展的历程中，需要强调两家公司的产品，这就是Evans&Sutherland公司的PS300型和SiliconGraphics公司的IRIS型显示设备。1.PS300采用数据驱动式原理；图形处理中的矩阵运算和其他基本算法使用3个位片处理机组成的流水线。三维物体轮廓线的显示亮度可以随距离远近而变化，离眼睛越远的部分线条越淡，这样可更好地体现出立体图的真实感。2.SiliconGraphics公司的IRIS工作站采用数字成像工作原理。此后，其他公司纷纷效仿。这种持续不断的提高显示画面质量、加快交互速度的努力会继续进行，必将进一步推动计算机图形学技术的飞速发展。Spacewars:firstcomputergraphicsgame(MIT1961)SketchPad:firstinteractivegraphics(1961)Whirlwind:earlygraphicsusingVectorScope(1951)firstCADsystem(IBM1959)随着计算机图形学的不断发展，它的应用范围也日趋广泛。目前，计算机图形学应用领域主要有以下几种:⒋计算机动画和艺术⒉计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)⒊地形地貌和自然资源图⒈用户接口⒌分析计算及视图中的应用6.游戏⒈用户接口Macintosh微机首先在商品化产品上用形象的图形表示操作命令，使得普通用户也会用计算机画图、作日常计算，打破了人们对操作计算机所持的神秘感。图文形式相结合大大改善了计算机交互操作的用户界面，开辟了计算机应用的很多新领域。FastestbrowserontheMac⒉计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)交互图形工作站在机械、电子、建筑等行业中迅速取代绘图板加丁字尺的传统设计方法，担负起繁重的日常绘图任务、总体方案的优化、细节设计等工作。机械CAD系统所生成的零件、装配件boeing777⒉计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)(续)⒊地形地貌和自然资源图我国正在筹建国土基础信息系统，此系统是国家经济信息系统的组成部分。成三维的地形地貌图计算机动画已经成为计算机图形学的一个分支，并逐步进入实用阶段。1996IndependenceDay因起可视效果获oscar.⒋计算机动画和艺术ToyStory成为第一部全三维计算机动画特点的电影⒌分析计算及视图中的应用既可用二维曲线图表和三维模型，也有彩色高维几何表示⒌分析计算及视图中的应用(续)•常用的图形输入设备分为两种：1.向量型图形输入设备它采取跟踪轨迹、记录坐标点的方法输入图形。常用的有数字化仪、鼠标器、光笔等。2.光栅扫描型图形输入设备它采取逐行扫描、按一定密度采样的方式输入图形。常用的有扫描仪和摄像机。•图形输入设备的功能可分为6类：1.确定点坐标即定位2.确定一系列点的坐标即笔划3.确定数值4.进行选择5.进行图形识别6.识别字符串•几种主要图形输入设备1.键盘2.鼠标:1)光电式鼠标2)机械式鼠标3.坐标数字化仪:1)机械式坐标数字化仪2)超声波式坐标数字化仪3)全电子式坐标数字化仪4)三维数字化仪4.光笔5.触摸屏:1)电阻式和电容式2)红外线式3)声表面波式6.图形扫描仪:扫描仪通过光电转换、点阵采样的方式，将一幅画面变为数字图像美国CALCOMP公司生产的数字化仪LightPenMouseKeyboardDisplayGraphicsSystemApplicationProgramInterface(API)GraphicsApplicationJoystick常用的图形输入设备•常用的图形输出设备分为两类：1.向量型向量型设备的作画机构随着图形的输出形状而移动并成像2.光栅扫描型光栅扫描型设备的作画机构按光栅矩阵方式扫描整张图面，并按输出内容对图形成像。•几种图形输出设备介绍1.阴极射线管阴极射线管通常利用电磁场产生高速的、经过聚焦的电子束，使其偏转到屏幕的不同位置以轰击屏幕表面的荧光材料而产生可见图形。其主要组成部分如下：⑴阴极当它被加热时，发射电子。⑵控制栅控制电子束偏转的方向和运动速度。⑶加速结构用以产生高速的电子束。⑷聚焦系统保证电子束在轰击屏幕时，汇聚成很细的点。⑸偏转系统控制电子束在屏幕上的运动轨迹。⑹荧光屏当它被电子轰击时，发出亮光。所有这些部件都封闭在一个真空的圆锥形玻璃壳内，其结构如图所示:阴极射线管的组成2.显示器⑴随机扫描显示器逻辑框图如图所示:随机扫描图形显示器的逻辑框图⑵彩色阴极射线管通过把发出不同颜色的荧光物质进行组合而实现的。通常用射线穿透法和影孔板法实现彩色显示。⑶存储管式图形显示器随机扫描图形显示器使用一个独立的存储器来存储图形信息，然后不断地取出这些信息来刷新屏幕。由于存取信息速度的限制，使得显示稳定图形时的画线的长度受到限制，且造价较高。针对这些问题，20世纪70年代后期发展了利用管子本身来存储信息的技术，这就是存储管技术存储管式显示器的一般结构如图所示:⑷光栅扫描式图形显示器光栅扫描式图形显示器(简称光栅显示器)是画点设备，可看作是一个点阵单元发生器，并可控制每个点阵单元的亮度。光栅扫描式图形显示器的直线显示效果它不能直接从单元阵列中的一个可编址的像素画一条直线到另一个可编址的像素，只能用尽可能靠近这条直线路径的像素点集来近似地表示这条直线。一个黑白光栅显示器的工作状况图:在光栅图形显示器中，需要有足够的位面和帧缓冲存储器结合才能反映图形的颜色和灰度等级。具有颜色查找表的N位面灰度等级帧缓冲存储器为了限制帧缓冲存储器的增加，可采用颜色查找表来提高灰度级别，如图所示:具有颜色查找表的N位面灰度等级帧缓冲存储器彩色光栅显示器的工作状况图:全色光栅显示器工作状况图:配有颜色查找表的全色帧缓冲存储器:具有3个位面的帧缓冲存储器的颜色表:红(R)绿(G)蓝(B)黑(Black)000红(Red)100绿(Green)010蓝(Blue)001黄(Yellow)110青(Cyan)011紫(Magenta)101白(White)111⑸液晶显示器(LCD)液晶显示器LCD(LiquidCrystalDisplay)与其他显示器不同，它是由6层薄板组成的平板式显示器。⑹等离子显示器等离子显示器是用许多小氖气灯泡构成的平板阵列，每个灯泡处于“开”或“关”状态。等离子显示器的结构⑺几种显示技术的比较如表所示:性质阴极射线管等离子显示器液晶显示器性质阴极射线管等离子显示器液晶显示器功耗大中小对比度中好差屏幕大中小灰度等级好差差厚度大小小视角大中一般平面度一般中好色彩丰富中中亮度好好适中价格低中低分辨率中好一般⒊图形绘制设备图形显示设备只能在屏幕上产生各种图形，但在计算机图形学应用中还需把图形画在纸上。常用的图形绘制设备也称为硬复制设备，有打印机和绘图仪两种。⑴喷墨打印机⑵激光打印机⑶静电绘图仪是一种光栅扫描设备，它利用静电同极相斥、异极相吸的原理。⑷笔式绘图仪分为滚筒式和平板式两种绘图机