计算机图形学——是什么？为什么？怎么做？

目录

一. 计算机图形学的应用领域

1.1 计算机游戏(Computer Game)

1.2 计算机辅助设计(CAD/CAM)

1.3 计算机艺术（CA）

1.4 分形艺术 

1.5 虚拟现实（VR）

1.6 计算机辅助教学（CAI）

二. 计算机图形学的概念

2.1 图形的表示方法： 

2.2 计算机图形学的研究内容

三. 计算机图形学的相关学科 

四. 计算机图形学的确立和发展

五. 图形显示器的发展及其工作原理 

5.1 阴极射线管CRT

5.2 随机扫描显示器 

5.3 直视存储管显示器

5.4 光栅扫描显示器

1）屏幕纵横比：

2）不走样直线：

3）走样直线：

4）反走样直线：

5）扫描线：

6）彩色显示器：

7）荧光点图案：

8）荫罩板：

9）位面与帧缓冲器：

10）索引色：

5.5 像素的参数：

六. 计算机图形学专栏

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一. 计算机图形学的应用领域

        “CG”是计算机图形学（Computer Graphics）的缩写。Windows操作系统的是图形化的人机交互界面是计算机图形学带来的最直接的感受。    

        计算机图形学是计算机技术与电视技术、图形图像处理技术相互融合的结果。近年来，计算机图形学已经在游戏、电影、科学、艺术、商业、广告、教学、培训和军事等领域获得了广泛的应用。

1.1 计算机游戏(Computer Game)

        计算机游戏的核心技术来自于计算机图形学，如多分辨率地形、角色动画、天空盒、碰撞检测、粒子系统等。人们学习计算机图形学的一个潜在目的就是从事游戏开发。计算机游戏主要包括单机游戏、网络游戏和网页游戏等几种类型。    

        由Eidos公司推出的《古墓丽影》动作冒险系列游戏，成功地创造了虚拟人物劳拉（Lara Croft）和各种三维场景。《古墓丽影》凭借巧妙的机关、逼真的动作，美丽的画面赢得了人们的喜爱，开创了三维动作冒险游戏的新纪元。

古墓丽影游戏截屏图

历代劳拉形象对比图

1.2 计算机辅助设计(CAD/CAM)

        计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）和计算机辅助制造（Computer Aided Manufacture，CAM）是计算机图形学最早应用的领域，也是当前计算机图形学最成熟的应用领域，典型的代表产品为AutoCAD系统软件。现在建筑、机械、飞机、汽车、轮船、电子器件等产品的开发几乎都使用AutoCAD进行设计。    

        Autodesk公司出版的另外两个三维建模、动画和渲染软件是3ds max和Maya，前者主要用于建筑物建模，后者主要用于角色建模。

1.3 计算机艺术（CA）

        计算机图形学广泛应用于美术设计中，称为计算机艺术（Computer Art，CA），动画设计是其典型代表。目前,计算机动画已经广泛应用于影视特技、商业广告、游戏、计算机辅助教学等领域。      

        许多商业广告中还用到变形（Morph）的图形处理方法，可以将一个人的脸变成另一个人的脸。

邦德与邦德女郎

1.4 分形艺术 

        分形几何学和计算机图形学相结合的一门边缘学科。分形通过递归实现复杂的图形结构，主要用于描述欧几里得几何学无法描述的自然世界。不借助于计算机图形学技术，Menger海绵和Sierpinski镂垫根本无法用手工绘制出来。

Menger海绵

Sierpinski镂垫 

1.5 虚拟现实（VR）

        虚拟现实（virtual reality，VR）技术是利用计算机生成虚拟环境，逼真地模拟人在自然环境中的视觉、听觉、运动等行为的人机交互的新技术。虚拟现实的3I特性包括：沉浸性(Immersion)、交互性(Interactivity)、想象性(Imagination)。  

        借助于一些特殊设备，如数据手套、头盔显示器等，用户可以“沉浸”到该环境中。在虚拟现实中，看到的是全彩色的影像，听到的是逼真的音响，感受到的是虚拟环境设备反馈的作用力，从而产生身临其境的感觉。视景仿真是虚拟现实技术最重要的表现形式，已经在城市规划仿真等许多领域得到广泛的应用。

家居花园外景

家居花园内景

1.6 计算机辅助教学（CAI）

        计算机辅助教学(Computer Aided Instruction)是利用计算机图形学技术展示抽象原理或不可见过程的一种新的教学方法。在多媒体教室，教师使用集图、文、声、像为一体的多媒体课件，形象、生动地进行教学，有助于学生理解和接受深奥枯燥的理论。在网络化学习（E-Learning）时代，网络公开课搭建起强有力的网络视频教学平台，使受教育者不必进入传统的课堂也能接受到优质的培训，分享全世界范围内的优质教育资源。

CRT教学软件

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二. 计算机图形学的概念

        计算机图形学是一门研究如何利用计算机表示、生成、显示和处理图形的学科。简单地说，计算机图形学是研究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。    

        图形主要分为两类，一类是基于线条表示的几何图形，如线框图、工程制图、等高线地图等，另一类是基于材质、纹理和光照表示的真实感图形。

2.1 图形的表示方法： 

• 参数法：参数法是在设计阶段采用几何方法建立数学模型时，用形状参数和属性参数描述图形的一种方法。形状参数可以是线段的起始点和终止点等几何参数。属性参数则包括线段的颜色、线型、宽度等非几何参数。一般用参数法描述的图形依旧称为图形。
• 点阵法：点阵法是在实现阶段用具有颜色信息的像素点阵来表示图形的一种方法，描述的图形常称为图像。

        计算机图形学就是研究将图形的表示法从参数法转换到点阵法的一门学科。

2.2 计算机图形学的研究内容

        图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形的生成算法、科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真和虚拟现实等。    

        计算机图形学的主要研究目的之一是生成和照片一样逼真的真实感图形。首先在计算机中构造出物体的几何模型，然后根据假定的光照、材质、纹理等条件，计算可见物体表面的反射光强。

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三. 计算机图形学的相关学科 

手写板

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四. 计算机图形学的确立和发展

• 1946年2月14日，世界上第一台计算机ENIAC在美国问世。
• 1950年，美国麻省理工学院的旋风一号计算机配备了世界上第一台显示器——阴极射线管。
• 1963年美国麻省理工学院的Ivan E.Sutherland完成了《Sketchpad：一个人机通讯的图形系统》博士学位论文。
• 1970年Bouknight提出了第一个光反射模型，并用Lambert漫反射余弦定律计算物体表面多边形的光强，对于光照射不到的地方，使用环境光代替。
• 1971年Gouraud提出了双线性光强插值模型，被称为Gouraud明暗处理。
• 1975年Phong提出了双线性法矢插值模型，被称为Phong明暗处理。

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五. 图形显示器的发展及其工作原理 

5.1 阴极射线管CRT

        CRT（Cathode Ray Tube），是光栅扫描显示器的显示部件，其功能与电视机的显像管类似，主要是由电子枪(electron gun)，偏转系统(defiection coils)，荫罩(shadow mask)，荧光粉层(phosphor)及玻璃外壳(screen)五部分组成 。

• 电子枪是由灯丝、阴极、控制栅组成。彩色CRT中有红绿蓝三支电子枪。有的显示器的电子枪是单枪三束。
• CRT通电后灯丝发热，阴极被激发射出电子，电子受到控制栅的调节形成电子束。电子束经聚焦系统聚焦后以高速轰击到荧光屏上，荧光粉层被激发后发出辉光形成一个光点。
• CRT偏转系统可以控制电子束在指定的位置上轰击荧光屏，整个荧光屏依次扫描完毕后，图像显示完成。
• 由于荧光粉具有余辉特性——电子束停止轰击荧光屏后，荧光粉的亮度并不是立即消失，而是按指数规律衰减，图像逐渐变暗，为了得到亮度稳定的图像，电子枪需要不断地根据帧缓存的内容轰击荧光屏，反复重绘同一幅图像，即不断刷新屏幕。

5.2 随机扫描显示器 

• 20世纪60年代中期出现随机扫描显示器。
• 图像的定义是存放在文件存储器中的一组画线命令。随机扫描显示器周期性地读取画线命令，依次在屏幕上画出线条，当所有的画线命令都执行完毕后，图像就显示出来。这时随机扫描显示器又返回到第一条命令行进行屏幕刷新。
• 随机扫描显示器可以直接按指定路径画线，直线光滑没有锯齿，主要用于显示高质量的图像。
• 随机扫描显示器也称作矢量显示器，属于画线设备，不能显示有阴影的图像。
• 示波器是随机扫描显示器。

随机扫描显示器

5.3 直视存储管显示器

• 70年代后期发展了利用CRT本身来存储信息，而且不再需要刷新屏幕的显示器。 DVST使用紧贴在荧光层后的存储栅的电荷分布来存储图形。
• DVST使用两支电子枪，一支是写电子枪，用来存储图形；另一支是读电子枪，用来图形显示。
• 从表面上看DVST极象是一个长余辉的CRT，一条线一旦画在屏幕上，在一小时之内都将是可见的。
• 这种显示器的电子束不是直接打在荧光屏上，而是先用写入电子枪将图像信息以正电荷“写”在一个每英寸有250条细丝的存储栅上。读电子枪发出的电子流再把存储栅上的图像“重写”在屏幕上。紧靠着存储栅后面的是收集栅，主要作用是使读出的电子流均匀，并以垂直方向射向屏幕。读电子枪发出的电子流以低速流经收集栅，并被吸引到存储栅上存有图像信息的正电荷上去，而存储栅上的非正电荷部分则被排斥。被吸引过去的电子直接通过存储栅并轰击荧光粉形成图像。

直视存储管显示器

5.4 光栅扫描显示器

        光栅扫描显示器电子束的强度可以不断变化，所以容易生成颜色连续变化的真实感图像。光栅扫描显示器是画点设备，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，这些点阵单元被称为像素（Picture Element，Pixel）。

1）屏幕纵横比：

        屏幕纵横比（Aspect Ratio）: 显示设备中显示图像的横向尺寸与纵向尺寸的比例，最常见的为4:3，目前的高清晰度电视和一些新型显示设备采用了16:9。  

        800×600  

        1024×768  

        800/600=1024/768＝4/3 

2）不走样直线：

        在绘制水平，垂直直线及45°时，像素点集在直线路径上的位置是准确的，直线不走样。 

3）走样直线：

        点阵形成的斜线呈阶梯状，形成锯齿线，这称为走样直线。

4）反走样直线：

        游戏中称为抗锯齿。

5）扫描线：

        光栅显示器为了在能整个屏幕上显示出图形，电子束需要从屏幕的左上角开始，沿着水平方向从左至右匀速地扫描，一直扫描到屏幕的右下角，显示出一帧图像。

6）彩色显示器：

荫罩式显示器

7）荧光点图案：

荧光点图案

8）荫罩板：

9）位面与帧缓冲器：

• 1位面： 

        如果屏幕上每个像素的颜色只用一位（Bit）表示，其值非0即1，屏幕只能显示黑白二色图像，称为黑白显示器，此时帧缓冲器只有一个位面。

二值图像

1位面帧缓冲器

• 8位面：

        如果每个像素的颜色可以用一个字节（Byte）表示，帧缓冲器需要用八个位面，可表示256种灰度，称为灰度显示器。 

灰度图像

8位面帧缓冲器

•  24位面

        如果每个像素用R、G、B三原色混合表示，其中每种原色分别用一个字节表示，各对应一把电子枪，每种颜色可有256种亮度，三种颜色的组合是224颜色，共有24个位面。 

彩色图像

24个位面帧缓冲器

10）索引色：

        为了进一步提高颜色的种类，控制帧缓冲的增加，可把帧缓冲中的位面号作为颜色索引表的索引号，为每组原色配置一个颜色索引表，颜色索引表有256项，每一项具有w位字宽，当w大于8时，如w＝10，可以有210种亮度等级，但每次只能有256种不同的亮度等级可用，这种颜色称为索引色。

5.5 像素的参数：

        一个像素的参数为位置坐标（x,y）和颜色值Color。

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六. 计算机图形学专栏

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