1.1計算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容1.2計算機(jī)圖形學(xué)與圖像處理1.3計算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展1.4計算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域1.1計算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容計算機(jī)圖形學(xué)（ComputerGraphics，CG）是研究如何用數(shù)字計算機(jī)表示、生成、處理和顯示圖形的一門學(xué)科。其核心技術(shù)是如何建立所處理對象的模型并生成該對象的圖形。計算機(jī)圖形學(xué)主要研究內(nèi)容大體上可以概括為如下幾個方面。（1）幾何模型構(gòu)造技術(shù)（GeometricModelling）。例如各種不同類型幾何模型二維或三維的構(gòu)造方法及性能分析、曲線與曲面的表示與處理、專門或通用模型構(gòu)造系統(tǒng)的研究，等等。（2）圖形生成技術(shù)（ImageSynthesis）。例如各種不同類型幾何模型二維或三維線/面消隱、光照模型、明暗處理、紋理、陰影、灰度與色彩等各種真實感圖形的顯示技術(shù)。（3）圖形操作與處理方法（PictureManipulation）。例如圖形的裁剪、平移、旋轉(zhuǎn)、放大/縮小、對稱、錯切、投影等各種變換操作方法及其軟件或硬件實現(xiàn)技術(shù)。（4）圖形信息的存儲、檢索與交換技術(shù)。例如圖形信息的各種內(nèi)外表示方法、組織形式、存取技術(shù)、圖形數(shù)據(jù)庫的管理、圖形信息的通信等。（5）人機(jī)交互及用戶的接口技術(shù)。例如新型定位設(shè)備、選擇設(shè)備的研究，各種交互技術(shù)，如構(gòu)造技術(shù)、命令技術(shù)、選擇技術(shù)、響應(yīng)技術(shù)等的研究，以及用戶模型、命名語言、反饋方法等用戶接口技術(shù)的研究。（6）動畫技術(shù)。研究實現(xiàn)高速動畫的各種軟、硬件方法，開發(fā)工具，動畫語言等。（7）圖形輸出設(shè)備與輸出技術(shù)。例如各種圖形顯示器邏輯結(jié)構(gòu)的研究，實現(xiàn)高速圖形功能的專用芯片的開發(fā)，圖形硬拷貝設(shè)備的研究等。（8）圖形標(biāo)準(zhǔn)與圖形軟件包的研究開發(fā)。例如制定一系列國際圖形標(biāo)準(zhǔn)，使之滿足多方面圖形應(yīng)用軟件開發(fā)工作的需要，并使圖形應(yīng)用軟件擺脫對硬件設(shè)備的依賴性，允許在不同系統(tǒng)之間方便地進(jìn)行移植。（9）山、水、花、草、煙、云等自然景物的模擬生成算法。（10）科學(xué)計算可視化和三維數(shù)據(jù)場的可視化，將科學(xué)計算中大量難以理解的數(shù)據(jù)通過計算機(jī)圖形顯示出來，從而加深人們對科學(xué)過程的理解。例如有限元分析的結(jié)果，應(yīng)力場、磁場的分布，各種復(fù)雜的運動學(xué)和動力學(xué)問題的圖形仿真等。

1.2計算機(jī)圖形學(xué)與圖像處理計算機(jī)圖形學(xué)的基本含義是使用計算機(jī)通過算法和程序在顯示設(shè)備上構(gòu)造出圖形，即圖形是人們通過計算機(jī)設(shè)計和構(gòu)造出來的，它可以是現(xiàn)實世界中已經(jīng)存在的物體圖形，也可以是完全虛擬的物體圖形。因此，計算機(jī)圖形學(xué)是真實物體或者虛構(gòu)物體的圖形綜合技術(shù)，其實質(zhì)就是輸入的信息是數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算機(jī)圖形系統(tǒng)處理后，輸出的結(jié)果便是圖形，如圖1-1所示。與此相反，圖像處理的景物或者圖像的分析技術(shù)，就是將客觀世界中原來存在的物體影像處理成新的數(shù)字化圖像的相關(guān)技術(shù)，它所研究的是計算機(jī)圖形學(xué)的逆過程，包括圖像的恢復(fù)、圖像壓縮、圖像變換、圖像分割、圖像增強(qiáng)、模式識別、景物分析、計算機(jī)視覺等，并研究如何從圖像中提取二維或者三維物體的模型。計算機(jī)圖像處理系統(tǒng)的輸入信息是圖像，經(jīng)處理后的輸出仍然是圖像，如圖1-2所示。從表面上看，計算機(jī)圖形與計算機(jī)圖像都與圖相關(guān)，容易使人混淆，但實際上它們有著本質(zhì)的不同，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）計算機(jī)圖形是矢量型的，而計算機(jī)圖像是點陣型的，或者說是由像素組成的。（2）計算機(jī)圖形系統(tǒng)是從數(shù)據(jù)到圖形的處理過程，而計算機(jī)圖像處理系統(tǒng)則是從圖像到圖像的處理過程。（3）計算機(jī)圖形與計算機(jī)圖像有一定的聯(lián)系，經(jīng)過處理可以相互轉(zhuǎn)換，如用著色算法對計算機(jī)圖形著色（Render）后即生成一幅計算機(jī)圖像，反之對一幅計算機(jī)圖像進(jìn)行矢量化即可得到該圖像中的一些輪廓圖形。隨著人們對圖形概念認(rèn)識的深入，圖形圖像處理技術(shù)也逐步出現(xiàn)分化。目前，與圖形圖像處理相關(guān)的學(xué)科有計算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)字圖像處理（DigitalImageProcessing）和計算機(jī)視覺（ComputerVision）,這些相關(guān)學(xué)科間的關(guān)系如圖1-3所示。1.3計算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展計算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用可追溯到20世紀(jì)50年代初，麻省理工學(xué)院（MIT）旋風(fēng)1號（Whirlwind1）計算機(jī)的附件——圖形顯示器的誕生。它用一個類似于示波器所用的陰極管（CRT）來顯示一些簡單圖形。當(dāng)時的計算機(jī)多用電子管組成，用機(jī)器語言編程，主要應(yīng)用于科學(xué)計算，其配置的各種圖形輸出設(shè)備也僅具有圖形輸出功能。1962年，美國麻省理工學(xué)院林肯實驗室的伊凡·薩瑟蘭德（IvanE.Sutherland）發(fā)表了一篇題為“圖板：一個人機(jī)通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文，其中首次使用了“計算機(jī)圖形”這個術(shù)語。此論文指出，交互式計算機(jī)圖形學(xué)是一個可行的、有用的研究領(lǐng)域，從而確立了計算機(jī)圖形學(xué)作為一個嶄新的學(xué)科分支的獨立地位。1964年，孔斯（S.Coons）提出了孔斯曲面，就是一種用小塊曲面片組合表示自由曲面，使曲面片邊界上達(dá)到任意高階連續(xù)的理論方法。此方法受到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大重視。法國雷諾公司的貝塞爾（P.Bezier）也提出了Bezier曲線和曲面，因此，孔斯和貝賽爾被稱為計算機(jī)輔助幾何設(shè)計的奠基人。20世紀(jì)70年代是計算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展過程中一個重要的歷史時刻，計算機(jī)圖形技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)入了實用化階段，交互式圖形系統(tǒng)在許多國家得到應(yīng)用；許多新的、更加完備的圖形系統(tǒng)不斷被研制出來。除了在軍事上和工業(yè)上應(yīng)用之外，計算機(jī)圖形學(xué)還進(jìn)入了教育、科研以及事務(wù)管理等領(lǐng)域。作為計算機(jī)圖形學(xué)中關(guān)鍵的設(shè)備——圖形顯示器，也隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展不斷完善。光柵顯示器的產(chǎn)生，使得在20世紀(jì)60年代就已萌芽的光柵圖形學(xué)算法迅速發(fā)展起來，區(qū)域填充、裁剪、消隱等基本圖形概念及其相應(yīng)算法紛紛誕生，圖形學(xué)進(jìn)入了第一個興盛時期，并開始出現(xiàn)實用的CAD圖形系統(tǒng)。因為通用、與設(shè)備無關(guān)的圖形軟件的發(fā)展，圖形軟件功能的標(biāo)準(zhǔn)化問題被提了出來。這些標(biāo)準(zhǔn)的制定，對計算機(jī)圖形學(xué)的推廣、應(yīng)用、資源信息共享起到了重要作用。由于圖形設(shè)備昂貴、功能簡單以及缺乏相應(yīng)的軟件支持，直到20世紀(jì)80年代，計算機(jī)圖形學(xué)還只是一個較小的學(xué)科領(lǐng)域。自20世紀(jì)80年代中期以來，超大規(guī)模集成電路的發(fā)展為圖形學(xué)的飛速發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。個人計算機(jī)和圖形工作站也得到迅猛發(fā)展，主機(jī)和圖形顯示器融為一體，光柵掃描技術(shù)更加成熟。計算機(jī)運算能力的提高，圖形處理速度的加快，使得圖形學(xué)在各個研究方向得到充分發(fā)展，廣泛應(yīng)用于動畫、科學(xué)計算可視化、CAD/CAM、影視娛樂等各個領(lǐng)域，其應(yīng)用深度和廣度得到了前所未有的發(fā)展。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，計算機(jī)圖形學(xué)的功能除了隨著計算機(jī)圖形設(shè)備的發(fā)展而提高外，其自身也朝著標(biāo)準(zhǔn)化、集成化和智能化的方向發(fā)展。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）發(fā)布了一系列圖形標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)為開發(fā)圖形支持軟件提供了具體的規(guī)范和統(tǒng)一的術(shù)語，使得在此標(biāo)準(zhǔn)支撐的軟件基礎(chǔ)上開發(fā)的應(yīng)用軟件具有良好的可移植性，并使得圖形學(xué)從軟件到硬件逐步實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，對今后圖形設(shè)備的研制有指導(dǎo)意義。在此后的十幾年時間里，計算機(jī)圖形學(xué)與多媒體技術(shù)、人工智能及專家系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，使得許多圖形應(yīng)用系統(tǒng)出現(xiàn)了智能化的特點，使用起來更方便、高效。另一方面，計算機(jī)圖形學(xué)與科學(xué)計算可視化、虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合，使得計算機(jī)圖形學(xué)在真實性和實時性方面有了飛速發(fā)展。我國開展計算機(jī)圖形技術(shù)的研究和應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代。近年來，隨著計算機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，計算機(jī)圖形學(xué)的理論和技術(shù)也得到迅速發(fā)展，并取得可喜的成果。在硬件方面，我國陸續(xù)研制出多種系列和型號的繪圖機(jī)、數(shù)字化儀和圖形顯示器，其技術(shù)指標(biāo)居國際先進(jìn)水平，已批量進(jìn)入市場。與計算機(jī)圖形學(xué)有關(guān)的軟件開發(fā)和應(yīng)用也迅速發(fā)展起來。1.4計算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域隨著計算機(jī)圖形學(xué)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍也日趨廣泛。目前計算機(jī)圖形學(xué)的主要應(yīng)用領(lǐng)域如下。1.計算機(jī)輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）CAD/CAM是計算機(jī)圖形學(xué)最廣泛、最重要的應(yīng)用領(lǐng)域。它使工程設(shè)計的方法發(fā)生了巨大的改變，即利用交互式計算機(jī)圖形生成技術(shù)進(jìn)行土建工程、機(jī)械結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的設(shè)計正在迅速取代繪圖板加丁字尺的傳統(tǒng)手工設(shè)計方法，擔(dān)負(fù)起繁重的日常出圖任務(wù)以及總體方案的優(yōu)化和細(xì)節(jié)設(shè)計工作。事實上，一個復(fù)雜的大規(guī)模或者超大規(guī)模集成電路板圖根本不可能通過手工設(shè)計和繪制，而應(yīng)用計算機(jī)圖形學(xué)系統(tǒng)不僅能設(shè)計和畫圖，還可以在較短的時間內(nèi)完成并將結(jié)果直接送至后續(xù)工藝進(jìn)行加工處理。2.計算機(jī)輔助教學(xué)（CAI）在CAI領(lǐng)域中，圖形是一個重要的表達(dá)手段，它可以使教學(xué)過程形象、直觀、生動，較大程度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，極大地提高了教學(xué)效果。隨著微機(jī)的不斷普及，計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)已深入到家庭。3.計算機(jī)動畫通過計算機(jī)制作動畫，只需生成幾幅被稱作“關(guān)鍵幀”的畫面，然后由計算機(jī)對兩幅關(guān)鍵幀進(jìn)行插值生成若干“中間幀”，連續(xù)播放時兩個關(guān)鍵幀被有機(jī)地結(jié)合起來。這樣可以大大節(jié)省時間，提高動畫制作的效率。動畫不僅可以廣泛應(yīng)用于電影、電視、電腦游戲等娛樂領(lǐng)域，而且可以模擬各種試驗，如汽車碰撞時的化學(xué)反應(yīng)、地震破壞等，既節(jié)省開支，又安全可靠。4.管理和辦公自動化計算機(jī)圖形學(xué)在管理和辦公自動化領(lǐng)域中應(yīng)用較多的是對各種圖形的繪制，還可繪制工作進(jìn)程圖、生產(chǎn)調(diào)度圖、庫存圖等。所繪圖形均以簡單形式呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)的模型和趨勢，加快了決策的制定和執(zhí)行。5.國土信息和自然資源顯示與繪制國土信息和自然資源系統(tǒng)將過去分散的表冊、照片、圖紙等資料整理成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，記錄全國的大地和重力測量數(shù)據(jù)、高山和平原地形、河流和湖泊水系、道路橋梁、城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村、農(nóng)田林地植被、國界和地區(qū)界以及地名等。利用這些存儲的信息不僅可以繪制平面地圖，而且可以生成三維地形地貌圖，為高層次的國土整治預(yù)測和決策、綜合治理和資源開發(fā)研究提供科學(xué)依據(jù)。6.科學(xué)計算可視化在信息時代，大量數(shù)據(jù)需要處理。科學(xué)計算可視化是利用計算機(jī)圖形學(xué)方法將科學(xué)計算的中間或最后結(jié)果以及通過測量得到的數(shù)據(jù)以圖形形式直觀地表示出來。科學(xué)計算可視化廣泛應(yīng)用于氣象、地震、天體物理、分子生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域。7.計算機(jī)游戲計算機(jī)游戲目前已經(jīng)成為促進(jìn)計算機(jī)圖形學(xué)研究特別是