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📄 第一章 计算机图形学和图形系统基本知识.htm

📁 计算机图形学教程计算机图形学教程
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<HTML><HEAD><TITLE>第一章 计算机图形学和图形系统基本知识</TITLE>
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<H1 style="MARGIN-LEFT: 0px; TEXT-INDENT: 0px" align=left><B><SPAN 
style="mso-bidi-font-size: 12.0pt"><FONT face=楷体_GB2312 size=6>第一章 
</FONT></SPAN></B><FONT face=楷体_GB2312 size=6><SPAN 
style="mso-ascii-font-family: Arial">计算机图形学和图形系统基本知识</SPAN></FONT></H1>
<H2 style="MARGIN-LEFT: 0px; TEXT-INDENT: 0px" align=left><FONT 
face=楷体_GB2312><SPAN style="mso-ascii-font-family: Arial"><FONT 
size=5>1.1</FONT></SPAN><FONT size=5><SPAN style="mso-ascii-font-family: Arial"> 
</SPAN><SPAN 
style="FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'">计算机图形学的概念</SPAN></FONT><B><SPAN 
lang=EN-US 
style="FONT-SIZE: 22pt; mso-bidi-font-size: 12.0pt"><O:P></O:P></SPAN></B></FONT></H2>
<P class=MsoNormal 
style="MARGIN-TOP: 1px; MARGIN-BOTTOM: 1px; TEXT-INDENT: 28.5pt; LINE-HEIGHT: 150%"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4><SPAN 
style="mso-bidi-font-size: 12.0pt"><B>计算机图形学</B>（<SPAN lang=EN-US>Computer 
Graphics）是研究怎样用数字计算机生成、处理和显示图形的一门学科。图形的具体应用范围很广，但是从基本的处理技术看只有两类，一类是线条，如工程图、地图、曲线图表等；另一类是明暗图，与照片相似。为了生成图形，首先要有原始数据或数学模型，如工程人员构思的草图，地形航测的判读数据，飞机的总体方案模型，企业经营的月统计资料等等。这些数字化的输入经过计算机处理后变成图形输出。</SPAN></SPAN></FONT></P>
<P class=MsoNormal 
style="MARGIN-TOP: 1px; MARGIN-BOTTOM: 1px; TEXT-INDENT: 28.5pt; LINE-HEIGHT: 150%"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4><SPAN lang=EN-US 
style="mso-bidi-font-size: 12.0pt"><O:P></O:P>下面是几个图形学中的基本概念：</SPAN></FONT></P>
<P style="MARGIN: 1px 0px; TEXT-INDENT: 0cm; LINE-HEIGHT: 150%"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4><SPAN 
style="mso-ascii-font-family: Times New Roman; mso-hansi-font-family: Times New Roman"><U>计算机图形</U></SPAN></FONT><SPAN 
style="FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4>：</FONT></SPAN><SPAN 
style="FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4>用计算机生成、处理和显示图形的学科；</FONT></SPAN><SPAN 
style="FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'"><FONT 
face=楷体_GB2312 
size=4>由几何数据和几何模型，利用计算机进行显示并存储，并可以进行修改、完善以及有关操作的过程；</FONT></SPAN><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4><![if !supportLists]><![endif]></FONT></P>
<P style="MARGIN: 1px 0px; TEXT-INDENT: 0cm; LINE-HEIGHT: 150%"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4><SPAN 
style="mso-ascii-font-family: Times New Roman; mso-hansi-font-family: Times New Roman"><U>图象处理</U>：</SPAN></FONT><SPAN 
style="FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4>将客观世界中原来存在的物体影象处理成新的数字化图象的相关技术；</FONT></SPAN><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4><SPAN 
style="mso-ascii-font-family: Times New Roman; mso-hansi-font-family: Times New Roman">如</SPAN><SPAN 
lang=EN-US>CT</SPAN><SPAN 
style="mso-ascii-font-family: Times New Roman; mso-hansi-font-family: Times New Roman">扫描、</SPAN><SPAN 
lang=EN-US>X</SPAN><SPAN 
style="mso-ascii-font-family: Times New Roman; mso-hansi-font-family: Times New Roman">射线探伤等；</SPAN></FONT></P>
<P class=MsoNormalIndent 
style="MARGIN: 1px 0px; TEXT-INDENT: 0cm; LINE-HEIGHT: 150%"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4><SPAN 
style="mso-ascii-font-family: Times New Roman; mso-hansi-font-family: Times New Roman"><U>模式识别</U>：</SPAN></FONT><SPAN 
style="FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'"><FONT 
face=楷体_GB2312 
size=4>对所输入的图象进行分析和识别，找出其中蕴涵的内在联系或抽象模型；如邮政分检设备、地形地貌识别等；</FONT></SPAN></P>
<P class=MsoNormalIndent 
style="MARGIN: 1px 0px; TEXT-INDENT: 0cm; LINE-HEIGHT: 150%"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4><SPAN 
style="mso-ascii-font-family: Times New Roman; mso-hansi-font-family: Times New Roman"><U>计算几何</U></SPAN></FONT><SPAN 
style="FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4>：</FONT></SPAN><SPAN 
style="FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'"><FONT 
face=楷体_GB2312 
size=4>研究几何模型和数据处理的学科，讨论几何形体的计算机表示、分析和综合，研究如何方便灵活、有效地建立几何形体的数学模型以及在计算机中更好地存贮和管理这些模型数据；</FONT></SPAN></P>
<H2 style="MARGIN-LEFT: 0px; TEXT-INDENT: 0px" align=left><FONT 
face=楷体_GB2312><SPAN style="mso-ascii-font-family: Arial"><FONT size=5><A 
name=2>1.</A></FONT></SPAN><A name=2><FONT size=5><SPAN 
style="mso-ascii-font-family: Arial">2 </SPAN><SPAN 
style="FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'">计算机图形学的发展</SPAN></FONT><B><SPAN 
lang=EN-US 
style="FONT-SIZE: 22pt; mso-bidi-font-size: 12.0pt"><O:P></O:P></SPAN></B></A></FONT></H2>
<P class=MsoNormal 
style="MARGIN-TOP: 1px; MARGIN-BOTTOM: 1px; TEXT-INDENT: 28.5pt; LINE-HEIGHT: 150%"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4><SPAN 
style="mso-bidi-font-size: 12.0pt">计算机图形学的研究起源于麻省理工学院。从<SPAN 
lang=EN-US>50年代初到60年代中，麻省理工学院积极从事现代计算机辅助设计／制造技术的开拓性研究。1952年在它的伺服构实验室里诞生了世界上第一台数控铣床的原型。1957年美国空军将第一批三坐标数控铣床装备了飞机工厂。大型精密数控绘图机也同时诞生。接着麻省理工学院发展了APT数控加工自动编程语言，这是目前国际上最通用的加工编程工具。1964年孔斯（Steve 
Coons）在这里提出了用小块曲面片组合表示自由型曲面时使曲面片边界上达到任意高次连续阶的理论方法，此方法得到工业界和学术界的极大推崇，称之为孔斯曲面。孔斯和法国雷诺汽车公司的贝齐埃（Pierre 
Bézier）并列被称为现代计算机辅助几何设计技术的奠基人。<O:P></O:P></SPAN></SPAN></FONT></P>
<P class=MsoNormal 
style="MARGIN-TOP: 1px; MARGIN-BOTTOM: 1px; TEXT-INDENT: 28.5pt; LINE-HEIGHT: 150%"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4><SPAN 
style="mso-bidi-font-size: 12.0pt">第一台光笔交互式图形显示器<SPAN 
lang=EN-US>1962年在麻省理工学院林肯实验室研制成功，这是Lvan 
Sutherland以博士论文形式完成的研究课题。<O:P></O:P></SPAN></SPAN></FONT></P>
<P class=MsoNormal 
style="MARGIN-TOP: 1px; MARGIN-BOTTOM: 1px; TEXT-INDENT: 28.5pt; LINE-HEIGHT: 150%"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4><SPAN 
style="mso-bidi-font-size: 12.0pt">在美国工业界，研制交互图形显示器的工作也在平行开展。其中最重要的是<SPAN 
lang=EN-US>IBM公司。在1964年秋它推出了自己的设计方案。以后经过改进，成为IBM 
2250显示器。这是IBM计算机上正式提供工业界使用的第一代刷新式随机扫描图形终端。它使用光笔作为交互输入手段，并且配有一组32个功能键，以便调用程序中的相应功能模块。洛克希德飞机公司利用IBM 
2250开发的CADAM绘图加工系统，从1974年起向外界转让，成为IBM主机上目前应用最广的CAD／CAM软件。<O:P></O:P></SPAN></SPAN></FONT></P>
<P class=MsoNormal 
style="MARGIN-TOP: 1px; MARGIN-BOTTOM: 1px; TEXT-INDENT: 28.65pt; LINE-HEIGHT: 150%"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4><SPAN lang=EN-US style="mso-bidi-font-size: 12.0pt">IBM 
2250在1978年前后改型为IBM 3250，但在原理上并无明显变化。1984年又改型为IBM 
5080，采用光栅扫描技术，带彩色，有局部处理能力，并可以用旋钮直接放大、平移、旋转画面。光笔也改为电笔，与输入板配合使用，并操纵屏面上的光标。<O:P></O:P></SPAN></FONT></P>
<P class=MsoNormal 
style="MARGIN-TOP: 1px; MARGIN-BOTTOM: 1px; TEXT-INDENT: 28.65pt; LINE-HEIGHT: 150%"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4><SPAN lang=EN-US 
style="mso-bidi-font-size: 12.0pt">60年代末、70年代初，美国Tektronix公司发展了存贮管技术。显示器型号先后有4006，4010，4012等。Tektronix 
4014曾经是70年代末CAD和工程分析中应用最广的图形终端。它的屏面尺寸是19英寸，画面线条清晰，分辨率可以达到4096×3072，价格不到刷新式同类显示器的一半。一次输入显示命令后可以保留画面一小时，因此编程简单，复杂的画面不会象刷新式显示器那样出现闪烁。它的缺点是不能局部动态修改显示画面。<O:P></O:P></SPAN></FONT></P>
<P class=MsoNormal 
style="MARGIN-TOP: 1px; MARGIN-BOTTOM: 1px; TEXT-INDENT: 28.5pt; LINE-HEIGHT: 150%"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4><SPAN 
style="mso-bidi-font-size: 12.0pt">光栅扫描型显示器采用电视机的类似工作原理，最初主要用作图象处理。屏面象素的分辨率不很高，大多用<SPAN 
lang=EN-US>512×512，但是色彩层次十分丰富，可以高24个二进制位，即红绿蓝三原色各占8位，各有2<SUP>8</SUP>＝256种层次，最终组合成2<SUP>24</SUP>种色彩或灰度等级。当分辨率低时，这类显示器显示线条的效果不很好，有明显的锯齿形，而且要作向量到点阵的相互转换，交互响应速度受到一定影响。图形显示缓冲器占用的存贮量大。到了80年代初，个人计算机象Apple，IBM－PC以及Apollo，SUN等工程工作站问世，并迅速得到广大用户的欢迎，销售量激增。在这些设计中，主机和图形显示器融为一体，都用光栅扫描型显示，并呆以同时生成高质量的线型图和逼真的彩色明暗图。由于大规模集成电路技术的发展和专用图形处理芯片的出现，使得光栅扫描型显示的质量越来越好，价格越来越低，现已成为图形显示器的当前常规形式。在工程设计中，联网的分布式工作站的应用也正在逐渐取代分时形式的大型主机连接几十个图形终端的结构。<O:P></O:P></SPAN></SPAN></FONT></P>
<P class=MsoNormal 
style="MARGIN-TOP: 1px; MARGIN-BOTTOM: 1px; TEXT-INDENT: 28.5pt; LINE-HEIGHT: 150%"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4><SPAN 
style="mso-bidi-font-size: 12.0pt">在图形显示技术发展的里程碑中，需要提出两家公司的产品，这就是<SPAN 
lang=EN-US>Evans &amp; Sutherland公司的PS300型和Silicon 
Graphicsr的IRIS型。它们采用了新的体系结构来提高图形的处理速度，在某种程度上达到了实时的要求。<O:P></O:P></SPAN></SPAN></FONT></P>
<P class=MsoNormal 
style="MARGIN-TOP: 1px; MARGIN-BOTTOM: 1px; TEXT-INDENT: 28.5pt; LINE-HEIGHT: 150%"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4><SPAN lang=EN-US style="mso-bidi-font-size: 12.0pt">Evans 
和Sutherland都是知名的计算机图形学专家。后者就是前面提到的光笔图形系统的研制人。PS 
300脱离了传统的冯诺依曼机结构，不是逐条执行操作命令，而是采用数据驱动式原理。各个操作的执行次序取决于数据的到达时刻。当一次操作所需的全部输入数据都已齐备时，操作便启动执行。这样可以方便地组织并行处理。图形处理中的矩阵运算和其它基本算法使用三个位片处理机组成流水线，使得屏面上显示的线框图可以用旋钮实时旋转、平移和放大缩小，并且快速显示运动机构的动作过程，以便从不同角度观察各个元件间的协调关系。三维物体轮廓线的显示亮度可以随距离远近而变化，离眼睛越远的部分线条越淡，这样则可更好的体现出立体图的真实感。<O:P></O:P></SPAN></FONT></P>
<P class=MsoNormal 
style="MARGIN-TOP: 1px; MARGIN-BOTTOM: 1px; TEXT-INDENT: 28.5pt; LINE-HEIGHT: 150%"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4><SPAN 
style="mso-bidi-font-size: 12.0pt"><U>数字成象的一般处理过程</U>是：<SPAN 
lang=EN-US><O:P></O:P></SPAN></SPAN></FONT></P>
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