001.概論

內(nèi)容：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的概念姨蝴、發(fā)展歷程和應(yīng)用

001.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容

什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(Computer Graphics)?

ISO定義：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一門研究通過計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形幻工，并在專門顯示設(shè)備上顯示的原理方法和技術(shù)的學(xué)科吁系。

IEEE：Computer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer.

通俗地講，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)就是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行圖形的生成师倔、處理和輸出路狮。 更寬泛地講尝丐，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)可以指計(jì)算機(jī)上幾乎所有不是文本或聲音的東西。

圖形(Graphics)

• 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究對(duì)象自然景物吃媒、拍攝到的圖片
• 能在人的視覺系統(tǒng)中產(chǎn)生視覺印象的客觀對(duì)象
  • 自然景物瓤介、拍攝到的圖片
  • 用數(shù)學(xué)方法描述的圖形(如sin函數(shù)曲線)
• 圖形可以是現(xiàn)實(shí)世界中已經(jīng)存在的物體,也可以是完全虛構(gòu)的物體
• 在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中指：通過計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和構(gòu)造出來(lái)的,可以用計(jì)算機(jī)生成、顯示赘那、存儲(chǔ)刑桑、處理并且輸出

圖形的基本要素

• 幾何要素：輪廓、形狀等(點(diǎn)募舟、線漾月、面、體)
• 非幾何要素：顏色胃珍、材質(zhì)等(顏色梁肿、紋理)

表示方法

參數(shù)法：由圖形的形狀參數(shù)(方程或表達(dá)式的系數(shù)，線段的端點(diǎn)坐標(biāo)等) + 屬性參數(shù)(顏色觅彰、線型等)來(lái)表示圖形簡(jiǎn)稱為圖形(graphics)吩蔑。

點(diǎn)陣法：枚舉出圖形中所有的點(diǎn)(強(qiáng)調(diào)圖形由點(diǎn)構(gòu)成)，簡(jiǎn)稱為圖像(image)

研究?jī)?nèi)容

如何在計(jì)算機(jī)中表示圖形填抬、以及利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形的計(jì)算烛芬、處理和顯示的相關(guān)原理與算法，構(gòu)成了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容飒责。

• 圖形系統(tǒng)的硬件配置赘娄，圖形輸入、輸入設(shè)備的結(jié)構(gòu)宏蛉、原理遣臼、性能;
• 圖形系統(tǒng)支撐軟件、圖形應(yīng)用軟件和交互技術(shù);
• 圖形處理的各種算法拾并，如圖形元素的生成揍堰、幾何變換鹏浅、真實(shí)感處理等。

Graphics與Image的比較

相關(guān)學(xué)科

• 計(jì)算機(jī)圖像處理
• 模式識(shí)別
• 多媒體技術(shù)
• 計(jì)算機(jī)視覺
• 計(jì)算幾何

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發(fā)展特點(diǎn): 交叉境析、界線模糊、相互滲透派诬。

1.2 發(fā)展歷史

特點(diǎn)：計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展推動(dòng)了圖形學(xué)的研究

內(nèi)容：

• 學(xué)科發(fā)展歷程
• 硬件發(fā)展
  • 圖形顯示器的發(fā)展
  • 圖形輸入設(shè)備的發(fā)展
• 軟件以及軟件標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展

介紹

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展的先驅(qū)科學(xué)是二十世紀(jì)上半葉發(fā)生的電子工程劳淆，電子和電視的進(jìn)步。

20世紀(jì)50年代：誕生

• 1950年,第一臺(tái)圖形顯示器作為美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)旋風(fēng)I號(hào)(Whirlwind I)計(jì)算機(jī)的附件誕生--CRT的出現(xiàn)為計(jì)算機(jī)生成和顯示圖形提供了可能默赂。
• 1958年,美國(guó)Calcomp公司由聯(lián)機(jī)的數(shù)字記錄儀發(fā)展成滾筒式繪圖儀,GerBer公司把數(shù)控機(jī)床式繪圖儀發(fā)展成為平板式繪圖儀沛鸵。
• MIT林肯實(shí)驗(yàn)室,在Whirlwind上開發(fā)SAGE空中防御系統(tǒng),通過光筆在屏幕上指點(diǎn)與系統(tǒng)交互。--標(biāo)志著交互式圖形技術(shù)的誕生

20世紀(jì)60年代：確立

• 1962年MIT林肯室驗(yàn)室Ivan E. Sutherland的博士論文:Sketchpad:一個(gè)人機(jī)通信的圖形系統(tǒng)缆八。首次提出“Computer Graphics”一詞
• 1962年,雷諾汽車公司的工程師Pierre Bézier 提出Bézier曲線曲掰、曲面的理論
• 1964年MIT的教授Steven A. Coons提出了超限插值的新思想,通過插值四條任意的邊界曲線來(lái)構(gòu)造曲面。
• 大公司開展大規(guī)模研究(通用奈辰、AT&T栏妖、BELL)

20世紀(jì)70年代：理論發(fā)展及標(biāo)準(zhǔn)化

• 光柵圖形學(xué)迅速發(fā)展
  • 區(qū)域填充、裁剪奖恰、消隱等基本圖形概念吊趾、及其相應(yīng)算法紛紛誕生
• 真實(shí)感圖形學(xué)
  • 1970年,Bouknight提出了第一個(gè)光反射模型
  • 1971年Gourand提出“漫反射模型+插值”的思想,被稱為Gourand明暗處理
  • 1975年,Phong提出了著名的簡(jiǎn)單光照模型- Phong模型
• 實(shí)體造型技術(shù)
  • 英國(guó)劍橋大學(xué)CAD小組的Build系統(tǒng)
  • 美國(guó)羅徹斯特大學(xué)的PADL-1系統(tǒng)
• 圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化
  • 1974年,ACM SIGGRAPH的與“與機(jī)器無(wú)關(guān)的圖形技術(shù)”的工作會(huì)議
  • ACM成立圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì),制定“核心圖形系統(tǒng)”(Core Graphics System)
  • ISO發(fā)布CGI、CGM瑟啃、GKS论泛、PHIGS

20世紀(jì)80年代：實(shí)用化

• 更完備的硬件系統(tǒng),個(gè)人計(jì)算機(jī)、工作站系統(tǒng)
• 大量圖形應(yīng)用軟件出現(xiàn)
• 圖形硬件設(shè)備十分昂貴,且基于圖形的應(yīng)用相對(duì)較少

20世紀(jì)90年代：廣泛應(yīng)用

• 標(biāo)準(zhǔn)化蛹屿、集成化屁奏、智能化
• 多媒體技術(shù)、人工智能蜡峰、科學(xué)計(jì)算可視化了袁、虛擬現(xiàn)實(shí)
• 三維造型技術(shù)
• 硬件集成化大幅提高:GPU(nVidia 和 ATI圖形加速硬件公司)

圖形現(xiàn)實(shí)設(shè)備的發(fā)展

60年代中期

• 畫線顯示器(亦稱矢量顯示器)需要刷新。較高分辨率和對(duì)比度,良好的動(dòng)態(tài)性能湿颅。設(shè)備昂貴,限制普及载绿。

60年代后期

• 存儲(chǔ)管式顯示器。不需刷新,價(jià)格較低,缺點(diǎn)是不具有動(dòng)態(tài)修改圖形功能,不適合交互式油航。

70年代初

• 刷新式光柵掃描顯示器崭庸。以點(diǎn)陣形式表示圖形,使用專用的緩沖區(qū)存放點(diǎn)陣,由視頻控制器負(fù)責(zé)刷新掃描。大大地推動(dòng)了交互式圖形技術(shù)的發(fā)展谊囚。

90年代后

• 液晶和等離子顯示器
• 新的顯示設(shè)備

圖形輸入設(shè)備的發(fā)展

• 第一階段：控制開關(guān)怕享、穿孔紙等等
• 第二階段:鍵盤
• 第三階段:二維定位設(shè)備，如鼠標(biāo)镰踏、光筆函筋、圖形輸入板、觸摸屏等等,語(yǔ)音奠伪、操縱桿
• 第四階段:三維輸入設(shè)備跌帐，如空間球、數(shù)據(jù)手套绊率、數(shù)據(jù)衣,用戶的手勢(shì)谨敛、表情等等
• 第五屆段：用戶的思維(未來(lái))

圖形軟件及軟件標(biāo)準(zhǔn)

• 三種類型的計(jì)算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)
  • 用某種語(yǔ)言寫成的子程序包：便于移植和推廣、但執(zhí)行速度相對(duì)較慢,效率低
    • GKS (Graphics Kernel System)
    • PHIGS(Programmer’s Hierarchical Interactive Graphics system )
    • GL (Graphics Language )
  • 擴(kuò)充計(jì)算機(jī)語(yǔ)言,使其具有圖形生成和處理的功能：簡(jiǎn)練滤否、緊湊脸狸、執(zhí)行速度快,但不可移植
    • Turbo Pascal、Turbo C,Visual C++(GDI)等藐俺。
  • 專用圖形系統(tǒng):效率高,但系統(tǒng)開發(fā)量大,可移植性差
• ISO標(biāo)準(zhǔn)
  • GKS (Graphics Kernel System) (第一個(gè)官方標(biāo)準(zhǔn),1977)
  • GKS-3D
  • PHIGS(Programmer’s Hierarchical Iuteractive Graphics system)
  • CGM炊甲、 CGI、IGES欲芹、STEP
• 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
  • OpenGL (SGI):工業(yè)界;平臺(tái)無(wú)關(guān)
  • DirectX (MS):娛樂界;Widows平臺(tái)
  • Xlib (X財(cái)團(tuán)):X-Widows
  • Postscript (Adobe):印刷業(yè)

1.3 應(yīng)用

應(yīng)用

• 圖形用戶界面 GUI
• 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) CAD
• 科學(xué)可視化 Scientific Visualization
• 計(jì)算機(jī)藝術(shù) Computer Art
• 地理信息系統(tǒng) GIS
• 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫蜜葱、廣告及娛樂
• 多媒體系統(tǒng) Multimeadia
• 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) Virtual Reality