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【XJTUSE计算机图形学第一章 绪论

1.1 研究内容

1.图形系统的主要任务

使用计算机显示、生成和处理图形。

建模(Modeling)

几何处理(Geometric Processing)

光栅化(Rasterization)：三维物体二维表示

片元处理(Fragment Processing)：处理一个像素

2.计算机图形学的研究对象

能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象

包括自然景物、图片、数学方法描述的图形等

3.图形元素【填空题】

几何要素：轮廓、形状等

非几何要素：描绘对象的颜色、材料等

4.图形图像表示法

1?? 点阵表示：点阵图

枚举图中的所有点，简称图像(Image)。

2?? 参数表示：矢量图

由图形的形状参数(方程或分析表达系数、线段端点坐标等。 属性参数(颜色、线型等)表示图形(Graphics)。

图像纯指计算机内的位图(Bitmap)灰度信息存在于形式中。

图形包含几何属性，强调场景的几何表示，由场景的几何模型和场景的物理属性组成。

以线条信息为基础，如工程图、等高线地图、曲面线框图等；

另一种是真实图形(明暗图)

5.图形研究的例子

图形的输入：如何开发利用图形输入设备和软件将图形输入计算机进行各种处理

图形的处理：

几何变换 平移、缩放、旋转……

投影变换 平行投影，透视投影

运算(集合运算)交，差… 着色 形变……

图形的输出: 将图形的特定表示形式转换为图形输出系统可接受的表示形式，并在显示屏或打印机等输出设备上输出图形。

6、相关学科

1.2 发展历史

历史追溯

1950年，MIT，旋风一号(Whirlwind I)类似于示波器的计算机图形显示器CRT显示简单的图形

CRT计算机生成和显示图形的出现提供了可能性

50年代末期，MIT林肯实验室，在Whirlwind上开发SAGE空中防御系统通过光笔在屏幕上与系统互动

交互式图形技术的诞生标志着交互式图形技术的诞生

1962年MIT林肯室验室Ivan.E.Sutherland博士论文：Sketchpad：人机通信图形系统。该系统确定交互图形学作为学科分支

60年代：MIT、Bell Lab、 剑桥大学通用汽车公司 开展大规模研究

20世纪70年代实用化

20世纪80年代初，图形学仍然是一门小学科，因为图形硬件设备非常昂贵，基于图形的应用相对较少

自20世纪80年代中期以来，超大规模集成电路的发展为图形学的快速发展奠定了基础

硬件发展

图形显示器的发展

图形输入设备的发展

第一阶段：控制开关、穿孔纸等

第二阶段：键盘

第三阶段：鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏等二维定位设备

第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据手套、数据服）、用户手势、表情等

第五阶段：用户的思维

软件开发及软件标准

三种计算机图形软件系统：

1?? 用某种语言写的子程序包

如:GKS (Graphics Kernel System) ,OpenGL

移植推广方便，但执行速度相对较慢，效率低

2?? 扩展计算机语言，使其具有图形生成和处理功能

如：Turbo Pascal、Turbo C，AutoLisp等。

简洁、紧凑、执行速度快，但不能移植

3?? 特殊图形系统：效率高，但系统开发量大，可移植性差

通用标准：GKS (第一个官方标准，1977)，PHIGS

事实标准：DirectX (MS)、OpenGL(SGI)、Adobe公司Postscript

1.3 计算机图形学的应用

早期计算机动画：基于关键帧的动画

基于特征的动画

基于变形物体的动画

最新：基于物理模型的计算机动画生成方法

计算弹性和流体力学的物理方程，力求

使动画过程最符合现实世界的运动规律：关节动画和人体动画

1.4 目前的研究动态

实时绘制真实图形

模拟自然景物

造型技术

几何处理

图形学的杂志和会议

会议：

Siggraph， Eurograph，Asiagraph IEEE Virtual Reality IEEE Visualization Conference

杂志

ACM Transaction on Graphics IEEE Computer Graphics and Application IEEE Visualization and Computer Graphics IEEE T. on Visualization and Computer Graphics Graphical Models Computer Graphics Forum The Visual Computer

1.5 图形设备

图形输出设备

图形输出包括图形的显示和图形的绘制

图形显示

彩色CRT显示器

CRT（CRT Cathode－Ray Tube，阴极射线管）组成：

电子枪、聚焦系统、加速系统、荧光屏磁偏转系统

工作原理： 荧光物质在高速电子的轰击下会发生电子跃迁（低能态到高能态），高能态很不稳定，返回低能态，发出荧光。

刷新频率

刷新一次是指电子束从上到下扫描一次的过程；刷新频率高到一定值后，图象才能稳定显示

隔行扫描与逐行扫描

球面显示器与柱面显示器

球面管：**荫罩式结构，**呈略微凸起的球面状；

柱面管：**荫栅式结构，**在水平方向略微凸起，在垂直方向上却是笔直的，呈圆柱状（色彩鲜艳）

LCD(Liquid Crystal Display)显示器

使用液晶：液晶受到电压的影响时，改变物理性质而发生形变，通过它的光的折射角度就会发生变化

LED（Light Emitting Diode）显示器

点亮(不同电压，不同灰度)，低电压维持。由细小氖气灯泡矩阵组成，由于氖泡有两种状态：开启、关闭，且状态可保持。高电压

有记忆功能，无需“刷新”、可动态修改图形

图形绘制

打印机【重点】

1️⃣ 针式打印机：依靠打印针击打色带在打印介质上形成色点的组合来实现规定字符和图像（24针）

控制驱动电路：

微处理器：处理打印命令，寻址，读取编码

ROM存储器：存储管理程序、字符库和汉字库

RAM存储器：需要打印的内容

2️⃣ 喷墨打印机：打印头上的喷口将墨滴按特定的方式喷到打印介质上形成文字或图像, 分为热汽泡式和压电式

打印质量较好、噪音低、较易实现低成本彩色打印等优点，适合于家用打印机领域

连续喷墨(喷绘机)、随机喷墨（用的比较多）

三色混合所产生的黑色是不纯的，为了产生真正的黑色需加入了第四种颜色的墨水-K。

3️⃣ 激光打印机：采用电子成像技术，激光束扫描感光 鼓，将墨粉吸附到感光区域，再将墨粉转印到打印介质上，最后通过加热装置将墨粉熔化固定到打印介质上

光、机、电一体化的精密设备，结构比较复杂

电荷“同性相吸”的现像被用作一种“临时性的粘合剂”：墨粉带正电荷，纸张和硒鼓带负电，而且纸张的电荷更大

核心：电子成像，融合了影像学与电子学的原理和技术以生成图像，核心部件是可以感光的感光鼓

图形处理器

图形系统结构的重要元件，连接计算机和显示终端的纽带

早期只包含简单的存储器和帧缓冲区，起了图形的存储和传递作用，操作须有CPU来控制

当前不仅存储图形，且能完成大部分图形函数，专业的图形卡已具有很强的3D处理能力，减轻了CPU的负担，提高了显示质量和显示速度

显示主芯片（ GPU ）：对系统输入的视频信息进行构建和渲染

显示缓存：存储将要显示的图形信息及保存图形运算的中间数据；大小和速度直接影响着主芯片性能的发挥

数字模拟转换器：把二进制的数字转换成为和显示器相适应的模拟信号

图形输入设备

最常用最基本的计算机输入设备——键盘和鼠标

跟踪球和空间球：根据球在不同方向受到的推或拉的压力来实现定位和选择

数据手套：通过传感器和天线来获得和发送手指的位置和方向的信息