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

<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">（<SPAN 
lang=EN-US>1）建立模拟对象的几何模型，按照需要的逼近精度将模型简化为平面多面体。不少系统为了简化和统一运算过程，还进一步将多面体的各个棱面分解为三角形单元。<O:P></O:P></SPAN></SPAN></FONT></P>
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face=楷体_GB2312 size=4><SPAN style="mso-bidi-font-size: 12.0pt">（<SPAN 
lang=EN-US>2）将单个物体进行组装，施加平移、旋转和比例变换，形成整个模拟环境。<O:P></O:P></SPAN></SPAN></FONT></P>
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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">（<SPAN 
lang=EN-US>3）确定观察点位置，作出显示对象的透视变换。<O:P></O:P></SPAN></SPAN></FONT></P>
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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">（<SPAN 
lang=EN-US>4）确定显示范围，相当于照相中的取景。窗口的有效范围用上下、左右、前后六个平面规定。将所有准备输出的图元都与窗口范围进行比较，裁剪出落在窗口有效边界以内的部分。<O:P></O:P></SPAN></SPAN></FONT></P>
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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">（<SPAN 
lang=EN-US>5）确定图形显示器屏面上的显示范围（称作视区），将用户定义的三维空间（称作世界坐标系）内的物体映射到显示器的屏坐标系中。<O:P></O:P></SPAN></SPAN></FONT></P>
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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">（<SPAN 
lang=EN-US>6）计算各单元三角形的法向矢量，根据光照模型确定可见三角形表面的亮度和色彩。<O:P></O:P></SPAN></SPAN></FONT></P>
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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">（<SPAN 
lang=EN-US>7）显示所有可见的三角形单元。<O:P></O:P></SPAN></SPAN></FONT></P>
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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">美国的<SPAN 
lang=EN-US>J.H.Clark 
从1979至1981年在斯坦福大学计算机系统实验室试用专用的浮点运算器组成流水线来完成上述过程。他将这类专用处理器称为几何机器。<O:P></O:P></SPAN></SPAN></FONT></P>
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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">Silicon Graphics 
公司的IRIS工作站就是采用上述工作原理的工业产品。此后，其它公司也纷纷效仿。这种持续不断的提高显示画面质量和加快交互呼应速度的努力将会继续进行，必将进一步推动计算机图形学技术的飞速发展。</SPAN></FONT></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=3>1.</A></FONT></SPAN><A name=3><FONT size=5><SPAN 
style="mso-ascii-font-family: Arial">3 </SPAN><SPAN 
style="FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'">计算机图形学的应用</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=MsoBodyTextIndent 
style="MARGIN-TOP: 1px; MARGIN-BOTTOM: 1px; LINE-HEIGHT: 150%"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 
随着计算机图形学不断发展，它的应用范围也日趋广泛。目前计算机图形学应用领域主要有：</FONT></P>
<P class=MsoBodyTextIndent 
style="MARGIN-TOP: 1px; MARGIN-BOTTOM: 1px; LINE-HEIGHT: 150%"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4><![if !supportLists]><B><SPAN lang=EN-US 
style="mso-bidi-font-size: 12.0pt">1.<SPAN 
style="FONT: 7pt 'Times New Roman'">&nbsp;&nbsp;&nbsp; </SPAN></SPAN></B><![endif]><B><SPAN 
style="mso-bidi-font-size: 12.0pt">用户接口<SPAN 
lang=EN-US><O:P></O:P></SPAN></SPAN></B></FONT></P>
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style="MARGIN-TOP: 1px; MARGIN-BOTTOM: 1px; MARGIN-LEFT: 0px; TEXT-INDENT: 21.25pt; LINE-HEIGHT: 150%"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4><SPAN 
style="mso-bidi-font-size: 12.0pt">图形比文字、报表更直观、逼真。所谓“一目了然”、“耳闻不如目睹”，都是说明形象观察的优越性和必要性。<SPAN 
lang=EN-US>Macintosh微机首先在商品化产品上用形象的图形表示操作命令，使得学龄前儿童也会用计算机画图和算数，打破了操作计算机的神秘感。图、文两种形式相结合大大改善了计算机交互操作的用户界面，开辟了计算机应用的很多新领域。下面简要说明某些典型的应用实例。<O:P></O:P></SPAN></SPAN></FONT></P>
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style="MARGIN-TOP: 1px; MARGIN-BOTTOM: 1px; MARGIN-LEFT: 0px; TEXT-INDENT: 0px; LINE-HEIGHT: 150%"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4><B><SPAN lang=EN-US 
style="mso-bidi-font-size: 12.0pt">2.<SPAN 
style="FONT: 7pt 'Times New Roman'">&nbsp;&nbsp;&nbsp; 
</SPAN></SPAN></B>&lt;![endif]&gt;<B><SPAN 
style="mso-bidi-font-size: 12.0pt">计算机辅助设计与制造（<SPAN 
lang=EN-US>CAD/CAM）<O:P></O:P></SPAN></SPAN></B></FONT></P>
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style="MARGIN-TOP: 1px; MARGIN-BOTTOM: 1px; MARGIN-LEFT: 0px; TEXT-INDENT: 21.25pt; LINE-HEIGHT: 150%"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4><SPAN 
style="mso-bidi-font-size: 12.0pt">这是计算机图形学在工业界应用的最重要领域。在国外，交互图形工作站在机械、电子、建筑等行业中正在迅速取代绘图板加丁字尺的传统设计方法，担负起繁重的日常出图任务以及总体方案的优化和细节设计工作。<SPAN 
lang=EN-US><O:P></O:P></SPAN></SPAN></FONT></P>
<P class=MsoNormal 
style="MARGIN-TOP: 1px; MARGIN-BOTTOM: 1px; MARGIN-LEFT: 0px; TEXT-INDENT: 0px; LINE-HEIGHT: 150%; mso-list: l0 level1 lfo1; tab-stops: list 46.5pt"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4><![if !supportLists]><B><SPAN lang=EN-US 
style="mso-bidi-font-size: 12.0pt">3.<SPAN 
style="FONT: 7pt 'Times New Roman'">&nbsp;&nbsp;&nbsp; </SPAN></SPAN></B><![endif]><B><SPAN 
style="mso-bidi-font-size: 12.0pt">地形地貌和自然资源图<SPAN 
lang=EN-US><O:P></O:P></SPAN></SPAN></B></FONT></P>
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style="MARGIN-TOP: 1px; MARGIN-BOTTOM: 1px; MARGIN-LEFT: 0px; TEXT-INDENT: 21.25pt; LINE-HEIGHT: 150%"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4><SPAN 
style="mso-bidi-font-size: 12.0pt">我国正在筹建国土基础信息系统，此系统是国家经济信息系统的一个组成部分。这是将过去分散的表册、照片、图纸等资料整理成统一的数据库，记录全国的大地和重力测量数据、高山和平原地形、河流和湖泊水系、道路桥梁、城镇乡村、农田林地植被、国界和地区界以及地名等。利用这些存贮的信息不仅可以绘制平面地图，而且可以生成三维的地形地貌图，为高层次的国土整治预测和决策，为综合治理和资源开发研究提供科学依据。<SPAN 
lang=EN-US><O:P></O:P></SPAN></SPAN></FONT></P>
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style="MARGIN-TOP: 1px; MARGIN-BOTTOM: 1px; MARGIN-LEFT: 0px; TEXT-INDENT: 21.25pt; LINE-HEIGHT: 150%"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4><SPAN 
style="mso-bidi-font-size: 12.0pt">计算机图形学在作战指挥自动化中占有重要的地位。前面已经提到，美国早期的<SPAN 
lang=EN-US>SAGE战术防空计划直接推动了现代的光笔图形显示器的研制。现代战争是多单位、多兵种的协同作战，战役指挥员和统帅部都必须及时了解各单位的态势情况。过去单依靠电话和地图指挥作战的方式正在发展为利用计算机网络和图形显示设备直接传输态势变化和下达作战部署。此外，计算机图形系统在陆军和海军的战役和战术对抗训练中也正在发挥巨大的作用。这类作战模拟系统使用联机的三台图形工作站，分别供红军、蓝军和导演使用。每个工作站配置显示作战态势的图形终端，显示战斗损耗的字符终端以及交互输入手段。计算机内存贮作战区域的地图、各种军标符号和模拟战斗效果的各种算法。整个演习由导演台指挥，分别向红军和蓝军布置作战任务和组织讲评。空军飞行员的空战模拟器对于图形显示器的硬件结构和软件算法提出了最苛刻的要求。飞行员在训练模拟舱内的操纵动作需要实时变换成投影在球形房顶上的飞机映象的飞行姿态。一场空战中同时有两架或三架战斗机参与，无疑整个计算机系统的研制费用极高。在国外这类系统已投入使用，我国则正在积极朝此方向努力。<O:P></O:P></SPAN></SPAN></FONT></P>
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style="MARGIN-TOP: 1px; MARGIN-BOTTOM: 1px; MARGIN-LEFT: 0px; TEXT-INDENT: 0px; LINE-HEIGHT: 150%; mso-list: l0 level1 lfo1; tab-stops: list 46.5pt"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4><![if !supportLists]><B><SPAN lang=EN-US 
style="mso-bidi-font-size: 12.0pt">4.<SPAN 
style="FONT: 7pt 'Times New Roman'">&nbsp;&nbsp;&nbsp; </SPAN></SPAN></B><![endif]><B><SPAN 
style="mso-bidi-font-size: 12.0pt">计算机动画和艺术<SPAN 
lang=EN-US><O:P></O:P></SPAN></SPAN></B></FONT></P>
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style="MARGIN-TOP: 1px; MARGIN-BOTTOM: 1px; MARGIN-LEFT: 0px; TEXT-INDENT: 14pt; LINE-HEIGHT: 150%"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4><SPAN 
style="mso-bidi-font-size: 12.0pt">计算机动画在国外已经成为计算机图形学的一个分支，并进入了实用阶段。使用巨型<SPAN 
lang=EN-US>Cray计算机和最高级的图形显示器。<O:P></O:P></SPAN></SPAN></FONT></P>
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style="MARGIN-TOP: 1px; MARGIN-BOTTOM: 1px; MARGIN-LEFT: 0px; TEXT-INDENT: 14pt; LINE-HEIGHT: 150%"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4><SPAN 
style="mso-bidi-font-size: 12.0pt">用计算机构造人体模型，有着非常广阔的应用前景。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有的造型适应人的生理、心理特征。服装设计中要将人体作为效果分析的对象。舞蹈工作者希望能有方便的编写舞谱和形象表达舞蹈动作细节的工具……。针对应用场合的不同，人体模型的构造方法<SPAN 
lang=EN-US><SPAN style="mso-spacerun: yes">&nbsp; 
</SPAN>同。最简单的是杆系模型，一般应用最多的是多面体模型，最复杂的是曲面模型，模型的活动关节数也取决于应用需要。例如为了设计战斗机驾驶舱，需要计算飞行员和视景角度，用人体模型检查身体各部分的允许活动范围，考察各种手把、开关能否操纵自如。这时使用的人体模型应该详细到包含手掌和手指。<O:P></O:P></SPAN></SPAN></FONT></P>
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style="MARGIN-TOP: 1px; MARGIN-BOTTOM: 1px; MARGIN-LEFT: 0px; TEXT-INDENT: 0px; LINE-HEIGHT: 150%; mso-list: l0 level1 lfo1; tab-stops: list 46.5pt"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4><![if !supportLists]><B><SPAN lang=EN-US 
style="mso-bidi-font-size: 12.0pt">5.<SPAN 
style="FONT: 7pt 'Times New Roman'">&nbsp;&nbsp;&nbsp; </SPAN></SPAN></B><![endif]><B><SPAN 
style="mso-bidi-font-size: 12.0pt">分析计算中的应用<SPAN 
lang=EN-US><O:P></O:P></SPAN></SPAN></B></FONT></P>
<P class=MsoNormal 
style="MARGIN-TOP: 1px; MARGIN-BOTTOM: 1px; MARGIN-LEFT: 0px; TEXT-INDENT: 0px; LINE-HEIGHT: 150%"><FONT 
face=楷体_GB2312 size=4><SPAN 
style="mso-bidi-font-size: 12.0pt">这里既有二维的曲线图表和三维模型，还可以利用彩色生成高维的几何表示。随着计算机硬件的不断 
更新以及各种图形软件的不断推出，计算机图形学的应用前景将会更加引人入胜。</SPAN></FONT></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