计算机图形学1——概论

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前言

备考博士，自学计算机图形学这门课。文章内容来自于中国大学MOOC（慕课）赵明老师的计算机图形学课程

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一、计算机图形学概述

1、什么是计算机图形学

        “图形”是人类最早的文明体现。它和文字、声音等一样，是承载信息进行交流的重要媒体。

        什么是计算机图形学？ “计算机图形学”这个术语，在不同的背景下具有不同的含义。简单来说，计算机图形是计算机产生的图像。

        计算机图形学的历史并不长，但对现代科学技术的影响很大。可以说，计算机图形技术已经渗透到几乎个各领域，它已经深深地影响了我们的生活！

        计算机图形学的发展和应用在某种意义上已成为计算机软、硬件发展水平的标志。

        它已成为一门成熟的学科，是信息技术中不可缺少的重要内容和发展基石。计算机图形学课程也已成为大学许多相关学科尤其是理工科专业的一门主干课程。

       

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。

        图形硬件： 研究图形要有基本的支撑硬件，包括图形加速卡，显示器、图形输出设备等等。

       

一般来说，要在计算机上生成一幅表示物体的图形，有三个步骤：

       

       

像素相关生成图形的算法

3、计算机图形学的发展历史

• 五十年代：
  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（Whirlwind I）计算机的附件诞生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50年代末期，MIT的林肯实验室在“旋风”计算机上开发SAGE空中防御体系；

       

• 六十年代：
  1963年，MIT林肯实验室的I.E.Sutherland发表了一篇题为《Sketchpad: "A Man Machine Graphical
  Communication System”》 “Sketchpad：一个人机交互通信的图形系统”的博士论文，这篇博士论文提出了图形学一些最基本的概念、原理和想法，第一次提出了graphics这个词。Sutherland被公认为开创交互式图形技术的奠基人，被称为“计算机图形学”之父”。并于1988年获“图灵奖”
  1962年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bézier 提出Bézier曲线、曲面的理论，而成为CAGD的先驱。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

       

• 七十年代：
  光栅显示器出现了。光栅显示器屏幕是由像素组成的在这样一个基本的前提下，必须发展大量、配套的图形算
  法来帮助在光栅显示器上显示、处理图形。在这个期间，很多大量的算法就诞生了。如区域填充、裁剪、消隐等基
  本图形概念、及其相应算法。
  图形软件标准化： 大量图形系统出现以后，计算机本身也有配置问题。不同厂商生产的显卡要兼容，这就提出了图形标准化问题。
  70年代对图形学来说是个非常了不起的年代，大量的概念、算法出现了，真实感图形（像照片一样逼真的图形学）和几何造型技术这个时候也开始出现了。
  1975年，Phong提出了著名的简单光照模型- Phong模型（标志着真实感图形的出现和实用化，到现在为止，Phong模型还被大量的采用）

       

• 八十年代：
  Phong模型只能刻画物体表面的明暗，但不能模拟透明效果，比如玻璃杯、窗户做不出来。1980年Whitted提出了一个光透视模型-Whitted模型。第一次提出了光线跟踪算法的范例。光线跟踪是图形学当中最重要、最著名的算法之一。
  1984年，美国Cornell大学的Greenberg和日本广岛大学的Nishita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，实现了另一种三维真实感图形绘制技术和倾向于只在一个表面上模拟一次光的反射的直接光照算法(例如光线跟踪)不同，像辐射度算法这样的全局光照算法模拟光在一个场景里的多次反射，通常会导致更柔和更自然的影子和反射。
  
  1984年，美国Cornell大学的Greenberg和日本广岛大学的Nishita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，实现了另一种三维真实感图形绘制技术
  和倾向于只在一个表面上模拟一次光的反射的直接光照算法(例如光线跟踪)不同，像辐射度算法这样的全局光照算法模拟光在一个场景里的多次反射，通常会导致更柔和更自然的影子和反射
  
  
  

4、计算机图形学的应用领域

5、计算机图形系统组成

5.1、图形软件

5.2、图形软件的发展

5.3、 图形软件标准

5.4、 图形硬件

       

       

二、交互式计算机图形处理系统

1.图形输入设备的发展

       

       

2.图形显示设备

       

       

三、帧缓冲器与屏幕象素

        光栅扫描的$帧缓冲器$对屏幕每一点都有存储强度/颜色信息的能力。在计算机屏幕上画一幅图形，需要算每个像素的RGB值，在帧缓存写RGB等价于在屏幕上画颜色。

        帧缓冲器的单元个数至少与显示器能显示的像素总数相同，且存储单元一一对应于可寻址的屏幕像素位置。
       

       

四、帧缓冲器、分辨率与颜色种类之间的关系

1、显示器分辨率

        显示器分辨率表示的是在屏幕上扫描一行共有多少个点，共有多少行扫描线。

        比如$1024\times 768$表示一行有1024个点，有768行扫描线。分辨率越高，屏幕显示一幅图像的质量就越清晰。

2、帧缓冲器存储单元位长

       

        1b = 8bit = 1字节

3、例子

       

       

五、几个相关的概念

1、分辨率

1.1、屏幕分辨率

1.2、显示分辨率

1.3、显卡分辨率

2、显示器的点距

3、显示卡的作用和性能指标

       

       

六图形图像的区别及存储格式

1、图形图像的区别

2、图形（像）的构成属性

3、位图和矢量图的定义

4、位图和矢量图的区别

4.1、存储方式的区别

4.2、缩放的区别

4.3、存储格式的区别

5、小结

注：文章内容来自于中国大学MOOC（慕课）赵明老师的计算机图形学课程