计算机图形学概述

---

概述

1. 定义

• 广义图形的概念
  凡是能在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象都称为图形。
  • 自然图形：来自各种输入媒体（相机、扫描仪等设备）的图像、图案、图景等；
  • 描述图形：由函数式、代数方程和表达式所描述的图形。
• 计算机图形学中的图形
  是由点、线、面、体等几何要素和明暗、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。

维基百科：计算机图形学就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。
IEEE：Computer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer.
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。

---

2. 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。
一般来说，在计算机上生成一幅表示物体的图形，有三个步骤：

1. 造型技术
   在计算机中建立所要生成图像的物体的模型，即给出表示该物体的几何数据和拓扑关系。
2. 光照模型
   自然光照现象是由一些物理学定律决定的，而这些物理学定律又非常复杂，所以希望用一些简单的数学模型来近似、代替那些物理学模型，为模拟物体表面的光照物理现象的数学模型叫光照模型。
3. 绘制（渲染）技术
   选择适当的绘制算法把场景绘制（渲染）出来。就是将模型真实性（或艺术性）的显示在屏幕上。
   渲染一幅三维物体图像所涉及的知识，实际上是计算机图形中每个像素看上去应该是什么颜色的问题。

像素是构成图形的基本单位。
围绕着生成、表示物体图形的准确性——>真实性——>实时性，算法可大致分为以下几类：

• 基本图形元素的生成算法
• 图形的变换和裁剪
• 自由曲线和曲面生成算法
• 几何造型技术
• 真实感图形的生成算法
• 自然景物的生成
• 计算机动画技术
• 虚拟现实技术
• 交互式三维图形处理

---

3. 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（IMT）旋风I号计算机的附件产生。
  • 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，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。
  • 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。光栅显示器屏幕是由像素组成的。
  • 图形软件标准化、真实感图形和几何造型技术。
  • 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，通常会产生更柔和更自然的影子和反射。
    几何造型技术：用简单的一些体素来构建复杂的模型。
• 九十年代：
  • 计算机图形学开始大规模应用。

---

4. 应用领域

• 人机交互和图形用户界面
  人际交互（human Computer Interaction）HCI是研究人、计算机以及他们间相互影响的技术。而用户界面是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是计算机系统的重要组成部分。
• 计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）
  CAD/CAM是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域。
• 真实感图形绘制与自然景物仿真
• 计算机游戏、电影、动漫
• 计算机艺术
• 计算机仿真
• 科学计算可视化
• 虚拟现实
• 地理信息系统（GIS）
• 农业领域

---

5. 系统组成

一个交互式计算机图形系统应具有计算、存储、对话、输入和输出5个方面的功能。这5种功能是一个图形系统所具备的最基本功能。

• 图形系统
  • 图形软件
    • 图形应用数据结构
    • 图形应用软件
    • 图形支撑软件
  • 图形硬件
    • 图形计算机平台
    • 图形设备

5.1 图形软件

1. 图形应用数据结构：实际上对应一组图形数据文件，其中存放着欲生成的图形对象的全部描述信息。
2. 图形应用软件：是解决某种应用问题的图形软件，是图形系统中的核心部分，包括了各种图形生成和处理技术，是图形技术在各种不同应用中的抽象。如photoshop，3Dmax等。
3. 图形支撑软件：大多数图形应用程序是建立在一定的图形软件支撑上。图形支撑软件需具有规范接口。

• 图形软件的发展：
  • 用现有的某种计算机语言写成的子程序包
  • 扩充某一种计算机语言，使其具有图形生成和处理功能
  • 专用的图形系统（开发工作量大，移植性差）
• 图形软件标准
  • 由国际标注组织ISO讨论和批准的、通用的、与设备无关的图形包：
    • GKS（Graphics Kernel System）（第一个官方标准，1977）
    • PHIGS（Programmer’s Hierarchical Interactive Graphics System）（1986年公布的计算机图形系统标准）
  • 非官方图形软件标准，广泛应用与工业界，成为事实上的标准
    • DirectX(MS)
    • OpenGL(SGI)
    • Postscript(Adobe)

5.2 图形硬件

图形硬件包括图形计算机系统和图形设备两类。图形计算机系统的硬件性能与一般计算机系统相比，要求主机性能更好、速度更快、存储容量更大，外设种类更齐全。