第1章計算機圖形學概述內容提要計算機圖形學的基本概念計算機圖形學的發展計算機圖形學的應用計算機圖形的發展趨勢1．1計算機圖形學的基本概念1.計算機圖形學的定義：計算機圖形學（ComputerGraphics，簡稱CG）是利用計算機處理圖形信息的一門學科，包括圖形信息的表示、輸入輸出與顯示、圖形的幾何變換、圖形之間的運算以及人機交互繪圖等方面的技術。計算機圖形學既是一門科學，它包括一些數學基礎和理論，又是一門技術，包括一些技巧和方法。掌握計算機圖形學的理論和技術，有助于編寫界面更為優美的應用程序，設計出逼真的圖形或圖案。2.計算機圖形學的研究領域和目標計算機圖形學的研究領域包括以下幾個方面：

(1)圖形系統的硬件設備，如圖形處理器、圖形輸入輸出設備，特別是圖形顯示和打印設備；

(2)基本圖元的生成技術，如直線、園狐、曲線和曲面等；

(3)圖形變換技術，包括二維幾何變換、三維幾何變換和投影變換等；

(4)人機交互繪圖技術，如窗口技術、橡皮筋技術等；

(5)圖形運算和處理技術，如圖形的裁剪、填充等；(6)實體造型技術和真實圖形的表示，如消隱技術、色彩技術等3.學習計算機圖形學的目標根據用戶和計算機圖形系統的關系，可以把利用計算機圖形學的用戶分為三組：一是圖形系統的設計者，二是應用程序員，三是圖形系統的操作員圖形理論的研究與軟件包的實現者，如GKS、Core設計專業圖形應用軟件者，如Photoshop、AutoCAD產品設計者利用專業圖形軟件設計各種產品理論研究與系統實現者圖形設計程序員產品設計人員

計算機圖形學的目標在于培養前兩種人才，即理論研究與系統實現者和圖形設計程序員，研究圖形學新的理論和技術，編寫各種專業圖形處理軟件，供產品設計人員使用。4.圖形與圖像

圖形（Graphics）和圖像（Image）

圖形考慮的是幾何信息及其拓撲關系，如圖形的頂點坐標，圖形各邊、面之間的連接關系以及各種屬性信息等。圖形系統的基本單位是圖元，任何復雜的圖形都是由簡單的圖元組成的。圖形文件保存的是各個圖元的幾何信息和屬性，當打開圖形文件時，圖形系統再實時地生成圖形。圖像一般是通過攝像機、數碼相機或掃描儀等設備輸入的圖片，圖像處理的基本單位是像素（Pixel），通過每個像素的顏色的變化從而顯示出一幅美麗的圖案。

計算機圖形學是以圖形為研究對象，從圖形的幾何信息和拓撲關系來研究圖形的生成、顯示、修改和存儲，以及圖形之間的運算和處理技術。4.圖形與圖像之間的關系

程序和數據交互設備攝像或掃描圖像顯示或輸出圖形圖像圖形處理圖像處理圖像轉換圖形識別1．2計算機圖形學的起源與發展1950年，第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學院(MIT)旋風I號（WhirlwindI）計算機的附件誕生1958年美國Calcomp公司發明了滾筒式繪圖儀，GerBer公司研制出了平板式繪圖儀1962年，MIT林肯實驗室的I.E.薩瑟蘭德(I.E.Sutherland)發表了一篇題為“Sketchpad:一個人-機通信的圖形系統”的博士論文，首次使用了計算機圖形學（ComputerGraphics）這個術語

60年代中期，美國的MIT、通用汽車公司、貝爾實驗室和洛克希德等眾多的公司紛紛開展了計算機圖形學的應用和研究70年代是計算機圖形學技術進入實用化階段，美國蘋果公司的Macintosh、IBM公司的PC，Apollo、SUN公司的工作站都配備了圖形系統；在80年代，配備有光柵圖形顯示器的個人計算機和工作站已相當普及，不僅在工業、管理、藝術領域發揮巨大的作用，而且圖形系統已進入了家庭，如計算機家庭教育和游戲；90年代至今，計算機圖形學朝著標準化、集成化和智能化的方向發展。豐富多彩的Web網頁更加激勵了計算機圖形學的應用，科學計算的可視化、虛擬現實技術等新興課題又向計算機圖形學提出了更新更高的要求計算機圖形學軟件的發展計算機圖形軟件系統概括起來主要有以下三種：（1）用現有的某種計算機語言寫成的圖形子程序包，如GKS，PHIGS，GL等；（2）擴充某一種計算機語言，使其具有圖形生成和處理功能；（3）專用的圖形系統。對于某種類型的設備，可以配備專用的圖形生成語言，如HP-PLOT圖形語言。計算機圖形學在我國的發展

我國開展計算機圖形設備和計算機輔助設計方面的研究始于60年代中后期。進入80年代以來，計算機圖形學無論是在理論研究，還是在實際應用的深度和廣度方面，都取得了令人可喜的成果。（1）在圖形設備方面，我國陸續研制出各種型號的繪圖機、坐標數字化儀、圖形顯示器和圖形工作站，并已批量生產投入市場。（2）計算機圖形系統的軟件開發能力日益增強，應用范圍日益廣泛和深入。其中二維交互式繪圖軟件已進入商品階段，三維幾何造型在國內也有幾個使用的版本，在圖形學理論方面也取得了令人矚目的成績。（3）與計算機圖形學有關的學術活動在我國也很活躍。在計算機學會、工程圖學學會、自動化學會、電子學會等國家一級學會下面都設有與計算機圖形學相關的二級分會，并定期舉辦全國的學術活動。與計算機圖形學有關的學術刊物有“計算機輔助設計與圖形學學報”、“工程圖學學報”、“計算機輔助工程”、“計算機集成制造系統”等。計算機圖形學在我國的發展但是，我們應當清醒地認識到國內的研究和應用水平與國際上發達國家相比還相差甚遠，其主要原因是我國缺乏大量這方面高水平的人才，精通計算機圖形學的工程技術人員不夠，因而影響了計算機圖形學這門學科在我國的推廣應用。要使計算機圖形學在我國國民經濟中發揮應有的作用，培養計算機圖形學的研究、設計和應用等多方面的人才是關鍵。1．3計算機圖形學的應用計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）用戶界面科學計算的可視化工業模擬、控制和仿真計算機動畫、廣告和影視藝術地形地貌和自然資源的圖形顯示辦公自動化和電子出版系統計算機輔助教學和Web網頁1．4計算機圖形學的發展動向計算機圖形學是通過算法和程序在顯示器上構造出圖形的一種技術，其中有三個關鍵的技術，即實體造型技術、真實圖形的生成技術和人-機交互技術，這三種技術也是今后計算機圖形學的發展趨勢。

1．5小結計算機圖形學作為圖形顯示和處理的一門學科，具有很深的數學理論基礎和實用方法和技術。可以這樣說，數學能夠培養邏輯思維和空間想象能力，它將現實世界中的物體邏輯化和符號化，如圓形表示成X2+Y2=R2的形式。而計算機圖形學則正好相反，它是利用計算機將物體的數學表示以圖形的方式在計算機屏幕上顯現出來。計算機圖形學的基礎是數學，任何圖形的顯示都必須首先構造出數學模型，然后再通過算法程序實現圖形的顯示和處理。另一方面，為了在計算機上顯示和處理復雜的圖形，要