大连理工大学选修课——图形学：第一章 图形学概述

第一章 图形学概述

计算机图形学及其研究内容

• 计算机图形学：用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的格栅形式的科学。

图形

• 计算机图形学的研究对象为图形
• 广义来说，能在人的视觉系统形成视觉印象的客观对象都可称为图形。
  • 既包括了各种几何图形及由函数式，代数方程和表达式所描述的图形。
  • 也包括了各种输入媒体的图景、图像等实体。

图形信息特点

• 表达直观，易于理解
• 表示准确、 精练
• 能“实时”地反应过程的变化规律
• 信息量大

图形在计算机中的表示

1. 点阵法
   • 通过枚举出图形中所有的点来表示图形
   • 强调图形由哪些点构成
   • 点的颜色（灰度/RGB）
   • 最常用
2. 参数法
   • 用图形的形状参数和属性参数表示图形。
   • 形状参数：描述图形的方程或函数表达式的系数、线段和多边形的端点坐标等。
   • 属性参数：颜色、线型等。

计算机图形系统的概念

• 计算机图形系统的概念
  • 计算机图形系统是为了支持图形应用程序便于实现图形的输入、处理、输出而设计的计算机软硬件组合体，没有绘图系统的支撑，图形应用程序的编写困难。
• 计算机图形系统的组成

  • 由硬件和软件两部分组成。

  • 计算机图形系统的基本物理设备统称为硬件，包括：主机及大容量外存储器、 显示处理器、 图形输出和图形输入设备

    

                                                   计算机图形系统功能
    

    

                                                               计算机图形系统结构
    

计算机图形系统的工作方式

• 被动式和交互式两种。
  • 被动式主要以绘图机、打印机作为输出设备。通过编制一个图形程序，让计算机执行程序时控制绘图机或打印机绘制图形。
    • 生成图形的过程中无法操纵控制，若要修改，必须修改图形程序或数据。
  • 交互式由设计人员用键盘、光笔等交互设备，控制、操纵模型的建立和图形生成的过程。

图形系统中三维物体输出流水线

• 计算机内描述、构造、修改二维或三维形体，常用的几何形体表示方法：

  线框模型、表明模型、实体模型。

• 图形显示设计两个重要概念：窗口（window）和视区（viewport）。

以线框模型为例，说明计算机图形系统中三维物体透视线框图输出的过程：

主要研究内容

• 图形的输入、图形的描述、图形的计算处理、图形的输出理论、原理、算法。

• 造型技术：在计算机中建立该物体的模型，包括形体的表示、构造及运算。

  近年来出现了特征造型技术，即用形状特征、 材料特征、 公差特征等描述一个产品。
  除了不断提高计算机硬件的运算速度及图形软件的效率以外，并行计算是一个重要手段

• 真实感图形生成。

• 人机交互技术。

计算机图形学相关领域和学科

用计算机处理图形信息采用不同的方式和过程，使得图形图像处理技术的应用领域发展为五个联系密切的分支学科：

• 计算机图形学（CG)
• 数字图像处理（IP)
• 模式识别（PR)
• 计算机视觉（CV）
• 计算机辅助几何设计（CAGD）

下图说明了各个学科间的关系：

数字图像处理

    将客观世界中原来存在的物体映像处理成新的数字化图像。如对照片图像扫描采样、 量化、 模／数转换后送入计算机，由计算机按应用的需要，对数字图像信息进行加工处理，从而改善图像的视觉效果。其主要处理内容有图像去噪、 增强、 复原、 分割、 提取特征、 重建、 识别以及存储、 压缩编码和传输等 。

模式识别

    如何分析和识别输入的数字图像和图形，并从中提取二维或三维的数据模型（特征）。

计算机视觉

     研究用计算机来模拟生物外显或宏观视觉功能的科学和技术。主要内容包括图像特征提取、相机定标、立体视觉、 运动视觉、 3D重建、 物体建模与识别、 距离图像分析等。

计算机辅助集合设计

• 着重讨论几何形体在计算机内的表示、 分析和综合
• 研究怎样方便灵活地建立几何形体的数学模型，提高算法的效率
• 在计算机内如何更好地存储和管理这些模型等。

计算机图形学的发展

硬件设备的发展

在计算机图形系统的硬件中，图形显示器是最关键的设备之一，它的发展也具有一定的代表性。

20世纪60年代中期在计算机图形系统中使用的是随机扫描显示器，它具有较高的分辨率和对比度，具有良好的动态性能。
早期图形系统，图形显示器时关键，现代复杂图形应用，GPU卡时关键。

图形软件的发展及软件标准的形成

按其本身的特点和功能，计算机图形软件系统可以分为三类:

1. 用现有的某种计算机语言写成的子程序库：用户使用时按相应计算机语言的规定调用所需要的子程序生成各种图形。
2. 图形支撑软件：给用户提供描述、 控制、 分析和计算图形的语句，适用于用户设计有关图形方面的应用程序。
3. 专用的图形系统：如果需要配置一个具有综合功能的较为复杂的图形生成语言，又要求有较快的执行速度，则应开发或配置一个完整的编译系统。
   比起简单的命令语言，它具有更强的功能; 相比子程序包，它的执行速度较快，效率更高
   但它的系统开发工作量大，且移植性较差。

• 绕着生成和表示物体的图形图像的准确性、 真实性与实时性，其算法大致可分为以下几类：
  • 基于图形设备的基本图形元素的生成算法，如用光栅扫描图形显示器生成直线、 圆弧、 二次曲线、 封闭边界内的填充、 填图案和反走样等（光栅图形算法）。
  • 基本图形元素的几何变换、 投影变换、 窗口裁剪等（图形变换）。
  • 自由曲线和曲面的插值、 拟合、 拼接、 分解、 过渡、 光顺、 整体或局部修改等（曲线、曲面生成）。
  • 图形元素(点、 线、 环、 面、 体)的求交与分类以及集合运算（图形元素的布尔运算、几何计算）。
  • 隐藏线、 面消除以及具有光照颜色效果的真实图形显示（真实感图形生成）。
  • 不同字体的点阵表示，矢量中、 西文字符的生成及变换。
  • 山、 水、 花、 草、 烟、 云等模糊景物的生成（分数维图形生成）。
  • 三维或高维数据场的可视化。
  • 三维形体的实时显示和图形的并行处理。

计算机图形学的主要应用领域

计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)

计算机图形学最早、 最重要、 最活跃的一个应用领域。
特别是人机交互式图形系统，可以将人的直观感觉和判断能力与图形系统十分有效地结合起来，再加上使用高效的方法库(包括优化设计等)、 数据库技术等。

计算机绘图(CD-Computer Drawing)

图形、图表和模型图等的绘制是计算机图形学应用中的另一个重要方面
多数图形程序都具有二维或三维数据的处理能力

• 虚拟现实环境的生成及其控制算法等。
• 二维图形包括直方图、线条图、表面图或扇形图等
• 三维图形多用于显示多种形体间或者多种参数间的关系，如统计关系百分比图、 分布关系图
• 有的图形采用三维图形显示还可以表达数据的动态性质，如增长速度、变化趋势等

科学计算可视化(ViSC-Visualization in Scientific Computing)

    科学计算的可视化，可以对空间数据场构造中间几何图素，或用体绘制技术，在屏幕上产生可见图像。近年来这种技术已用于有限元分析的后处理、 分子模型构造、地震数据处理、大气科学及生物化学等领域。

计算机模拟与仿真(CS-Computer Simulation)

• 计算机模拟与仿真是利用计算机模拟某个系统、某种效应和过程
• 当前计算机仿真的六大挑战性课题，包括：
  核聚变反应、 宇宙起源、 生物基因工程、 结构材料、 社会经济和作战模拟等。

过程控制

在过程控制中，用户利用计算机图形学实现与其控制或管理对象间的相互作用。
过程控制的应用领域十分广泛，例如产品和工程的设计、 数控加工、 石油化工、 金属冶炼、矿井监测监控系统(如图1.18所示)、 交通运输监控系统等

办公室自动化(OA)与电子出版技术

办公自动化(OA)是一种解决特定行政办公类需求的信息系统
随着科学技术的迅速发展，在办公室繁琐的日常工作中，大量杂乱无章的文件数据分类、 汇总、 加工成不同要求的文字和图形报告，以及“电子邮件”通信等，都可以由价廉物美、 易于操作，具有高质量的显示设备的微型计算机系统来完成

计算机辅助教学

计算机辅助教学系统利用图形显示设备或电视终端，可以有声有色地生动地演示各个不同层次的教学内容
让学生(用户)使用人机交互手段，进行学习和研究，绘图或仿真操作

计算机动画

计算机动画发展到今天，主要分为两个阶段(或分为两大类)，这就是计算机辅助动画和计算机生成动画

• 计算机辅助动画(computer-assisted animation)，也叫“二维动画”
• 计算机生成动画(computer-generated animation)，也叫“三维动画”

计算机艺术

是科学与艺术相结合的一门新兴的交叉学科
在设计领域，对改变、 更新传统的设计思想和方法，提高产品设计质量，缩短设计周期，提高设计的艺术性和科学性，加速产品更新换代都有重要意义

人体造型与动画

人机工程中需要考察人和机器以及周围环境的关系，工业设计中要使生活用具的造型适应人的生理和心理特征。

用户界面

介于用户与计算机之间，完成人与计算机通信工作的部件称人机界面(HCI-Human Computer Interface)，它由软件部分和硬件部分组成。

随着计算机技术以及图形学技术的发展，人机界面从最原始的由指示灯和机械开关组成的操纵板界面，过渡到由终端和键盘组成的字符界面，并发展到现在基于多种输入设备和光栅图形显示设备的图形用户界面 (GUI-Graphical User Interface)。

医疗卫生方面的应用

计算机图形学在医疗卫生方面的应用包括:

• 用来做病历的检索和统计以及医疗方案的研究
• 用显示设备显示病历，显示各种药物的剂量、性能；对某种病的治愈率作统计分析
• 对病人的医疗方案(如放射线照射)进行研究，以提高治疗效率
• 计算机辅助手术(Computer Aided Surgery); 远程医疗/手术系统等

医学上还往往结合图像处理和计算机图形学来建模和研究物理功能

计算机图形学当前的研究动态

真实感图形显示

• 真实感图形是一种光栅图形，在计算机图形系统中生成具有光照、色彩、 纹理、 阴影、 层次等真实感的三维空间物体图形的技术；还可以称作真实感图形合成。
• 为了产生图形的真实感，一般需要解决以下几方面的图形综合技术问题:
  (1) 利用消隐技术在图形中消除在特定观察点看不见的物体或部分物体，从而产生空间物体的层次感;
  (2) 利用纹理映射技术在物体表面生成各种各样的纹理，以增强物体的质感;
  (3) 利用光照模型、 光线跟踪、 辐射度技术尽可能精确地模拟光源照射的物理效果，使空间物体具有像拍照片一样的光照效果和明暗层次;
  (4) 模拟透明物体的效果;
  (5) 利用图形保真技术（也成为反走样）在显示设备有限的离散精度范围内尽量保持图形具有自然的光影过渡和连续性。

人机交互技术

是指通过计算机输入、输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话的技术。
包括机器通过输出或显示设备给人提供大量有关信息及提示请示等，人通过输入设备给机器输入有关信息，回答问题及提示请示等。
常用交互技术(计算机图形学研究的内容)可以分成如下几类:
(1) 定位技术
(2) 橡皮筋技术
(3) 拖拉技术
(4) 选择技术

计算机动画

是利用计算机生成一系列可供实时演播的画面的技术

• 可辅助传统卡通动画片的制作，也可通过对三维空间中虚拟摄像机、 光源及物体运动和变化(形状、 色彩等)的描述，逼真地模拟客观世界中真实的或虚构的三维场景随时间而演变的过程。
• 计算机动画中运动控制和描述的技术可归纳为三个方面:
  • 动画控制方法
  • 动画控制设施
  • 动画控制的层次结构

与计算机网络技术的结合

科学计算可视化

科学计算过程中及计算结果的数据转换为图形及图像显示在屏幕上的方法与技术。
科学计算可视化按其实现的功能，可以分为三个层次:

1. 结果数据的后处理，即对计算数据或测量数据进行脱机处理，然后用图像显示出来，这一层次的功能对计算能力的需求相对较低。
2. 中间数据或结果数据的实时跟踪处理及显示。
3. 中间数据或结果数据的实时跟踪处理、 显示及交互控制。 这一层次的功能不但能对数据进行实时跟踪显示，而且还可以交互式地修改原始数据、 边界条件或其它参数，以使计算结果更为满意。

主要研究内容有以下几个方面:

1. 标量、 矢量、 张量场的显示
2. 数值模拟和计算过程的交互控制和引导
3. 面向图形的程序设计环境
4. 高带宽网络及其协议
5. 用于图形和图像处理的向量、 并行算法及特殊硬件结构

可视化过程如下：

虚拟现实

有四个主要特征，用以区别相邻技术：

(1) 多感知性(Multi-Sensation)。
(2) 沉浸感(Immension)。
(3) 交互性(Interaction)。
(4) 自主性(Autonomy)

VR系统的模型与组成

地理信息系统

是用来获取、 储存、 管理、 分析和显示空间数据及空间实体的属性数据的信息系统
除计算机科学与技术以及图形学外，它还涉及地理、 测绘、 制图等学科

并行图形处理

单指令多数据流 (SIMD);

并行向量处理机 (PVP);

对称多处理机 (SMP);

大规模并行处理机 (MPP);

工作站集群 (COW)

分布共享存储器 (DSM)多处理机。

图形图像技术的融合

基于画面进行二维或二维物体模型的重建，这在很多场合都是十分重要的
如高空监测摄影、 宇航探测器收集到的月球或行星的慢速扫描电视图像、 工业机器人“眼”中测到的电视图像、 染色体扫描、 X射线图像、 断层扫描、 指纹分析等，都需要图像处理技术。