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style='color:red'>应用</span></a></span><span style='font-size:10.0pt;font-family:
仿宋_GB2312'>、</span><span lang=EN-US style='font-size:10.0pt;font-family:楷体_GB2312'><a
href="http://learn.bitsde.com/hep/jisuanjituxing/Chapter1/CG_Txt_1_006.htm"><span
style='color:red'>发展简史</span></a></span><span style='font-size:10.0pt;
font-family:仿宋_GB2312'>、</span><span lang=EN-US style='font-size:10.0pt;
font-family:楷体_GB2312'><a
href="http://learn.bitsde.com/hep/jisuanjituxing/Chapter1/CG_Txt_1_007.htm"><span
style='color:red'>当前研究课题</span></a></span><span style='font-size:10.0pt;
font-family:仿宋_GB2312'>和</span><span lang=EN-US style='font-size:10.0pt;
font-family:楷体_GB2312'><a
href="http://learn.bitsde.com/hep/jisuanjituxing/Chapter1/CG_Txt_1_019.htm#1"><span
style='color:red'>图形的输入</span></a></span><span style='font-size:10.0pt;
font-family:仿宋_GB2312'>、</span><span lang=EN-US style='font-size:10.0pt;
font-family:楷体_GB2312'><a
href="http://learn.bitsde.com/hep/jisuanjituxing/Chapter1/CG_Txt_1_015.htm"><span
style='color:red'>输出设备</span></a></span><span style='font-size:10.0pt;
font-family:仿宋_GB2312'>等方面概括的介绍计算机图形学的有关内容，使读者有个较为全面的了解。<span lang=EN-US><o:p></o:p></span></span></p>
<p style='text-indent:20.25pt;line-height:130%'><span lang=EN-US
style='font-size:10.0pt;font-family:仿宋_GB2312'><span style="mso-spacerun:
yes"> </span></span></p>
<p align=center style='text-align:center'><b><span lang=EN-US style='font-size:
18.0pt;color:green'>1.1</span><span lang=EN-US style='color:green'> </span></b><b><span
style='font-size:18.0pt;font-family:仿宋_GB2312;color:green'>计算机图形学的研究内容</span></b></p>
<p style='line-height:200%'><span lang=EN-US> 如何在计算机中表示图形,以及如何利用计算机进行图形的生成、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。<span
style='color:maroon'>图形</span>通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、线宽等非几何属性组成。从处理技术上来看，图形主要分为两类，一类是由线条组成的图形，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等，另一类是类似于照片的明暗图(Shading)，也就是通常所说的<a
href="http://learn.bitsde.com/hep/jisuanjituxing/Chapter4/CG_Txt_4_001.htm"
target="_top"><span style='color:red'>真实感图形</span></a></span><span
style='font-size:10.0pt'>。<span lang=EN-US> <o:p></o:p></span></span></p>
<p style='line-height:200%'><span lang=EN-US style='font-size:10.0pt'>
</span>可以说，计算机图形学的一个重要研究内容就是要利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形。为此，必须建立图形所描述的场景的几何表示，再用某种光照模型，计算在假想的光源、纹理、材质属性下的光照明效果。所以计算机图形学与另一门学科－计算机辅助几何设计有着密切的关系。事实上，图形学也把可以表示几何场景的曲线曲面造型技术和实体造型技术作为其重要的研究内容。同时，真实感图形计算的结果是以数字图象的方式提供的，计算机图形学也就和图象处理有着密切的关系。图形与图象两个概念间的区别越来越模糊，但我们认为还是有区别的：<span
style='color:maroon'>图象</span>纯指计算机内以位图<span lang=EN-US>(Bitmap)形式存在的灰度信息，而<span
style='color:maroon'>图形</span>含有几何属性，或者说更强调场景的几何表示，是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成的。</span></p>
<p style='line-height:200%'><span lang=EN-US style='font-size:10.0pt'> </span><span
lang=EN-US> 计算机图形学的研究内容非常广泛，如图形硬件、<a
href="http://learn.bitsde.com/hep/jisuanjituxing/Chapter5/CG_Txt_5_004.htm"><span
style='color:red'>图形标准</span></a>、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法，以及科学计算可视化、<a
href="http://learn.bitsde.com/hep/jisuanjituxing/Chapter1/CG_Txt_1_011.htm"><span
style='color:red'>计算机动画</span></a>、<a
href="http://learn.bitsde.com/hep/jisuanjituxing/Chapter1/CG_Txt_1_010.htm"><span
style='color:red'>自然景物仿真</span></a>、虚拟现实等。作为一本面向计算机专业本科生和非计算机专业研究生的图形学教材，本书着重讨论与<a
href="http://learn.bitsde.com/hep/jisuanjituxing/Chapter2/CG_Txt_2_001.htm"
target="_top"><span style='color:red'>光栅图形</span></a>生成、<a
href="http://learn.bitsde.com/hep/jisuanjituxing/Chapter3/CG_Txt_3_001.htm"
target="_top"><span style='color:red'>曲线曲面造型</span></a>和<a
href="http://learn.bitsde.com/hep/jisuanjituxing/Chapter4/CG_Txt_4_005.htm"><span
style='color:red'>真实感图形</span></a>生成相关的原理与算法。</span></p>
<p align=center style='text-align:center'><b><span lang=EN-US style='font-size:
18.0pt;color:green'>1.2</span><span lang=EN-US style='color:green'> </span></b><b><span
style='font-size:18.0pt;font-family:仿宋_GB2312;color:green'>计算机图形学的发展简史</span></b></p>
<p style='line-height:200%'><span lang=EN-US> 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）计算机的附件诞生了。该显示器用一个类似于示波器的阴极射线管（CRT）来显示一些简单的图形。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，GerBer公司把数控机床发展成为平板式绘图仪。在整个50年代，只有电子管计算机，用机器语言编程，主要应用于科学计算，为这些计算机配置的图形设备仅具有输出功能。计算机图形学处于准备和酝酿时期，并称之为：“被动式”图形学。到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，第一次使用了具有指挥和控制功能的CRT显示器，操作者可以用笔在屏幕上指出被确定的目标。与此同时，类似的技术在设计和生产过程中也陆续得到了应用，它预示着交互式计算机图形学的诞生。</span></p>
<p style='line-height:200%'><span lang=EN-US> 1962年，MIT林肯实验室的Ivan
E.Sutherland 发表了一篇题为“Sketchpad：一个人机交互通信的图形系统”的博士论文，他在论文中首次使用了计算机图形学“Computer
Graphics”这个术语，证明了交互计算机图形学是一个可行的、有用的研究领域，从而确定了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的独立地位。他在论文中所提出的一些基本概念和技术,如交互技术、分层存储符号的数据结构等至今还在广为应用。1964年MIT的教授Steven
A. Coons提出了被后人称为超限插值的新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。同在60年代早期，法国雷诺汽车公司的工程师Pierre Bézier发展了一套被后人称为<a
href="http://learn.bitsde.com/hep/jisuanjituxing/Chapter3/CG_Txt_3_014.htm"><span
style='color:red'>Bézier曲线、曲面</span></a>的理论，成功地用于几何外形设计，并开发了用于汽车外形设计的UNISURF系统。Coons方法和Bézier方法是CAGD最早的开创性工作。值得一提的是，计算机图形学的最高奖是以
Coons的名字命名的，而获得第一届（1983）和第二届(1985) Steven A.Coons 奖的，恰好是Ivan E.Sutherland和Pierre
Bézier，这也算是计算机图形学的一段佳话。</span></p>
<p style='line-height:200%'><span lang=EN-US> 70年代是计算机图形学发展过程中一个重要的历史时期。由于光栅显示器的产生，在60年代就已萌芽的<a
href="http://learn.bitsde.com/hep/jisuanjituxing/Chapter2/CG_Txt_2_005.htm"><span
style='color:red'>光栅图形学</span></a>算法，迅速发展起来，<a
href="http://learn.bitsde.com/hep/jisuanjituxing/Chapter2/CG_Txt_2_017.htm"><span
style='color:red'>区域填充</span></a>、<a
href="http://learn.bitsde.com/hep/jisuanjituxing/Chapter2/CG_Txt_2_024.htm"><span
style='color:red'>裁剪</span></a>、<a
href="http://learn.bitsde.com/hep/jisuanjituxing/Chapter2/CG_Txt_2_035.htm"><span
style='color:red'>消隐</span></a>等基本图形概念、及其相应算法纷纷诞生，图形学进入了第一个兴盛的时期，并开始出现实用的CAD图形系统。又因为通用、与设备无关的图形软件的发展，图形软件功能的标准化问题被提了出来。1974年，美国国家标准化局（ANSI）在ACM
SIGGRAPH的一个与“与机器无关的图形技术”的工作会议上，提出了制定有关标准的基本规则。此后ACM专门成立了一个图形标准化委员会，开始制定有关标准。该委员会于1977、1979年先后制定和修改了“核心图形系统”（Core
Graphics System）。ISO随后又发布了计算机图形接口CGI(Computer Graphics Interface)、计算机图形元文件标准CGM（Computer
Graphics Metafile）、计算机图形核心系统GKS(Graphics Kernel system)、面向程序员的层次交互图形标准 PHIGS（Programmer's
Hierarchical Interactive Graphics Standard）等。这些标准的制定，为计算机图形学的推广、应用、资源信息共享，起到了重要作用。</span></p>
<p style='line-height:200%'><span lang=EN-US> 70年代，计算机图形学另外两个重要进展是<a
href="http://learn.bitsde.com/hep/jisuanjituxing/Chapter4/CG_Txt_4_005.htm"><span
style='color:red'>真实感图形学</span></a>和实体造型技术的产生。1970年Bouknight提出了第一个光反射模型，1971年Gourand提出“漫反射模型＋插值”的思想，被称为<a
href="http://learn.bitsde.com/hep/jisuanjituxing/Chapter4/CG_Txt_4_022.htm#1"><span
style='color:red'>Gourand明暗处理</span></a>。1975年Phong提出了著名的<a
href="http://learn.bitsde.com/hep/jisuanjituxing/Chapter4/CG_Txt_4_019.htm"><span
style='color:red'>简单光照模型-Phong模型</span></a>。这些可以算是真实感图形学最早的开创性工作。另外，从1973年开始，相继出现了英国剑桥大学CAD小组的Build系统、美国罗彻斯特大学的PADL-1系统等实体造型系统。</span></p>
<p style='line-height:200%'><span lang=EN-US> 1980年Whitted提出了一个<a
href="http://learn.bitsde.com/hep/jisuanjituxing/Chapter4/CG_Txt_4_035.htm"><span
style='color:red'>光透视模型-Whitted模型</span></a>，并第一次给出光线跟踪算法的范例，实现Whitted模型；1984年，美国Cornell大学和日本广岛大学的学者分别将热辐射工程中的<a
href="http://learn.bitsde.com/hep/jisuanjituxing/Chapter4/CG_Txt_4_048.htm"><span
style='color:red'>辐射度方法</span></a>引入到计算机图形学中，用辐射度方法成功地模拟了理想漫反射表面间的多重漫反射效果；<a
href="http://learn.bitsde.com/hep/jisuanjituxing/Chapter4/CG_Txt_4_044.htm"><span
style='color:red'>光线跟踪算法</span></a>和辐射度算法的提出，标志着真实感图形的显示算法已逐渐成熟。从80年代中期以来，超大规模集成电路的发展，为图形学的飞速发展奠定了物质基础。计算机的运算能力的提高，图形处理速度的加快，使得图形学的各个研究方向得到充分发展，图形学已广泛应用于动画、科学计算可视化、CAD/CAM、影视娱乐等各个领域。</span></p>
<p style='line-height:200%'><span lang=EN-US> 最后，我们以SIGGRAPH会议的情况，来结束计算机图形学的历史回顾。ACM
SIGGRAPH会议是计算机图形学最权威的国际会议，每年在美国召开，参加会议的人在50,000人左右。世界上没有第二个领域每年召开如此规模巨大的专业会议，SIGGRAPH会议很大程度上促进了图形学的发展。SIGGRAPH会议是由Brown大学教授Andries
van Dam (Andy) 和IBM公司Sam Matsa在60年代中期发起的，全称是“the Special Interest Group on
Computer Graphics and Interactive Techniques”。1974年，在Colorado大学召开了第一届SIGGRAPH 年会，并取得了巨大的成功，当时大约有600位来自世界各地的专家参加了会议。到了1997年，参加会议的人数已经增加到48,700。因为每年只录取大约50篇论文，在Computer
Graphics杂志上发表，因此论文的学术水平较高，基本上代表了图形学的主流方向。</span></p>
<p align=center style='text-align:center'><b><span lang=EN-US style='font-size:
18.0pt;color:green'>1.3</span><span lang=EN-US style='color:green'> </span></b><b><span
style='font-size:18.0pt;font-family:楷体_GB2312;color:green'>应用及研究前沿</span></b></p>
<p><b><span lang=EN-US style='font-size:10.0pt;font-family:幼圆;color:gray'><a
href="http://learn.bitsde.com/hep/jisuanjituxing/Chapter1/CG_Txt_1_008.htm"><span
style='text-decoration:none;text-underline:none'><!--[if gte vml 1]><v:shape
id="_x0000_i1029" type="#_x0000_t75" alt="" href="..\CG_Txt_1_008.htm"
style='width:21pt;height:37.5pt' o:button="t">
<v:imagedata src="./第一章%20绪论.files/image002.gif" o:href="http://learn.bitsde.com/hep/jisuanjituxing/material/CG_Gif_pub_021.gif"/>
</v:shape><![endif]--><![if !vml]><img border=0 width=28 height=50
src="./第一章%20绪论.files/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1029"><![endif]></span></a></span></b><b><span
lang=EN-US style='font-family:幼圆;color:gray'><a
href="http://learn.bitsde.com/hep/jisuanjituxing/Chapter1/CG_Txt_1_008.htm"><span
style='color:gray'>计算机辅助设计与制造</span></a><o:p></o:p></span></b></p>
<p style='line-height:200%'><span lang=EN-US>CAD/CAM是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域。计算机图形学被用来进行土建工程、机械结构和产品的设计，包括设计飞机、汽车、船舶的外形和发电厂、化工厂等的布局以及电子线路、电子器件等。有时，着眼于产生工程和产品相应结构的精确图形，然而更常用的是对所设计的系统、产品和工程的相关图形进行人-机交互设计和修改，经过反复的迭代设计，便可利用结果数据输出零件表、材料单、加工流程和工艺卡，或者
数据加工代码。在电子工业中，计算机图形学应用于集成电路、印刷电路板、电子线路和网络分析等方面的优势是十分明显的。一个复杂的大规模或超大规模集成电路版图根本不可能用手工设计和绘制，用计算机图形系统不仅能进行设计和画图，而且可以在较短的时间内完成，并把结果直接进行后续工艺加工处理。在飞机工业中，美国波音飞机公司已用有关的CAD系统实现波音777飞机的整体设计和模拟，其中包括飞机外型、内部零部件的安装和检验。</span></p>
<p style='line-height:200%'><span lang=EN-US style='font-size:10.0pt'>
</span>随着计算机网络技术的发展，在网络环境下进行异地异构系统的协同设计，已经成为<span lang=EN-US>CAD领域最热门的课题之一。现代产品设计已不再是一个设计领域内孤立的技术问题，而是综合了产品各个相关领域、相关过程、相关技术资源和相关组织形式的系统化工程。它要求设计团队在合理的组织结构下，采用群体工作方式来协调和综合设计者的专长，并且从设计一开始就考虑产品生命周期的全部因素，从而达到快速响应市场需求的目的，协同设计的出
现使企业生产的时空观发生了根本的变化。异地设计、异地制造、异地装配成为可能，从而为企业在市场竞争中赢得了宝贵的时间。</span></p>
<p style='line-height:200%'><span lang=EN-US style='font-size:10.0pt'>
</span>三维几何造型系统具有许多优点，例如，可以进行装配件的干涉检查，可以用于有限元分析、仿真、数控加工等后续操作，它基本上代表了<span
lang=EN-US>CAD技术的发展方向。CAD领域另一个非常重要的研究领域就是基于工程图纸的三维形体重建。三维形体重建就是从二维信息中提取三维信息，通过对这些信息进行分类、综合等一系列处理，在三维空间中重新构造出二维信息所对应的三维形体，恢复形体的点、线、面及其拓扑关系。二维图纸设计在工程界中仍占有主导地位，工程上有大量旧的透视图和投影图片可以利用、借鉴，许多新的设计可凭借原有的设计基础进行修改即可完成，所以，三维形体重建在工程中有重要的意义。不过，目前的三维形体重建算法主要是针对多面体和对主轴方向有严格限制的二次曲面体的。任意曲面体的三维形体重建，至今仍是一个未解决的世界难题。</span></p>
<p align=center style='text-align:center'><span lang=EN-US><!--[if gte vml 1]><v:shape
id="_x0000_i1030" type="#_x0000_t75" alt="CG_Gif_1_001.gif" style='width:278.25pt;
height:236.25pt'>
<v:imagedata src="./第一章%20绪论.files/image003.gif" o:href="http://learn.bitsde.com/hep/jisuanjituxing/Chapter1/CG_Gif_1_001.gif"/>
</v:shape><![endif]--><![if !vml]><img border=0 width=371 height=315
src="./第一章%20绪论.files/image003.gif" alt="CG_Gif_1_001.gif" v:shapes="_x0000_i1030"><![endif]></span></p>
<p align=center style='text-align:center'><span style='font-family:隶书;
color:#FF9900'>（<span lang=EN-US>a）工程图</span></span></p>
<p align=center style='text-align:center'><span lang=EN-US><!--[if gte vml 1]><v:shape
id="_x0000_i1031" type="#_x0000_t75" alt="CG_Gif_1_002.gif" style='width:276.75pt;
height:241.5pt'>
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</v:shape><![endif]--><![if !vml]><img border=0 width=369 height=322
src="./第一章%20绪论.files/image005.gif" alt="CG_Gif_1_002.gif" v:shapes="_x0000_i1031"><![endif]></span></p>
<p align=center style='text-align:center'><span style='font-family:隶书;
color:#FF9900'>（<span lang=EN-US>b）线框图</span></span></p>
<p align=center style='text-align:center'><span lang=EN-US><!--[if gte vml 1]><v:shape
id="_x0000_i1032" type="#_x0000_t75" alt="CG_Gif_1_003.gif" style='width:283.5pt;
height:261pt'>
<v:imagedata src="./第一章%20绪论.files/image006.gif" o:href="http://learn.bitsde.com/hep/jisuanjituxing/Chapter1/CG_Gif_1_003.gif"/>
</v:shape><![endif]--><![if !vml]><img border=0 width=378 height=348
src="./第一章%20绪论.files/image006.gif" alt="CG_Gif_1_003.gif" v:shapes="_x0000_i1032"><![endif]></span></p>
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