第 1 章 计算机图形学概述

1.1 图形的概念与计算机图形学的研究内容

• 广义的图形概念 凡是能够在人的视觉系统中形成视觉

印象的客观对象都称为图形。如： (1) 自然景物 (2) 照片和图片 (3) 工程图、设计图和方框图 (4) 人工美术绘画、雕塑品 (5) 用数学方法描述的图形（包括几何图形、

代数方程、分析表达式或列表所确定的图形）

1.1.1 图形的概念

• 计算机图形学中的图形概念

是指由点、线、面、体等几何要素和明暗、灰度（亮度）、色彩等非几何要素构成的，从现实世界中抽象出来的带有灰度、色彩及形状的图或形。

1.1.2 计算机图形学的研究内容

• 计算机图形学 (computer graphics,CG) 用计算机生成景物的数字模型，并将它显示在计算机屏幕上，或者绘制在纸张或胶片上。它是研究如何在计算机环境下生成、处理和显示图形的一门学科。

• 计算机图形学的主要研究对象 景物的几何建模方法 (modeling) 、对模型的处

理方法、几何模型的绘制技术 (rendering) 、图形输入和控制的人机交互界面 (user interface) 。

1.2 计算机图形学的发展史

1.2.1 计算机图形设备和交互技术1) 1946 年，第一台电子计算机的问世推动了许

多学科的发展和新学科的建立，其中就包括现代图形学技术。

2) 1959 年，美国 Calcomp 公司研制出的世界上第一台滚筒式绘图机，使计算机辅助绘图仪开始代替人工绘图。

3) 20 世纪 50 年代末期，美国 MIT 林肯实验室研制出的空中防御系统标志着交互式图形技术的诞生。

4) 1962 年， I.E. 萨瑟兰德在其博士论文《 SKETCHPAD: 一个人机通信的图形系统》中首次提出计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想。这些基本理论和技术至今仍是现代图形技术的基础。

1.2.2 计算机图形系统1) 早期的绘图软件大都采用线框式图形数据

结构，该结构特别适合于图形的几何变换和交互显示，但无法在计算机内完整地定义三维物体。

2) 20 世纪 60 年代末期开始研究和发展实体造型技术，如英国剑桥大学的 I.C.Braid 的BUILD 系统、美国罗彻斯特大学的 PADL-1 系统和日本北海道大学的 TIPS-1 系统。这些系统都在计算机内提供了对物体的完整的几何定义，可随时提取所需信息。

3) 目前国际上应用较广的实体造型系统有 IBM公司的 CADAM 、 Dassault System 公司的 CATIA 、 SDRC 公司的 Geomod 、 PT 公司的 Pro/Engineer 、 SpatialTechnology 公司的 ACIS 、Solidworks 公司的 Solidworks 等。设计人员可直接在三维空间进行产品的设计、修改、观察，从而使设计活动变得直观、简单、高效。

IBM 公司的CADAM 系统

Dassault System 公司的 CATIA

CATIA 系统设计的轮船

PT 公司的 Pro/Engineer 系统

1.2.3 计算机图形的标准化• 官方标准

1) 第一个图形软件标准是由德国提出的图形核心系统 GKS ，这是一个二维图形软件包。

2) 1988 年， GKS 的三维扩充 GKS-3D 成为三维图形软件标准。

GKS 标准下的图形

3) 1986 年， ISO 提出程序员分层交互图形系统 PHIGS ，支持三维图形的层次嵌套结构。

PHIGS 标准下的图形

• 非官方标准– SGI 等公司开发的 OpenGL ， Sun 公司推出的 Java 3

D ， Microsoft 公司的 DirectX 等。

OpenGL 制作的游戏

Java 3D 制作的游戏 DirectX 制作的游戏

1.3 计算机图形学的应用• 计算机辅助设计与制造 (computer aided desig

n and manufactory)

• 地理信息系统 (geographical information system,GIS)

• 科学计算可视化 (visualization in scientific computing)

• 计算机动画和艺术• 计算机模拟和仿真• 虚拟现实 (virtual reality, VR)

（ 1 ）计算机辅助设计与制造 计算机辅助设计 (CAD)已广泛应用于飞机、汽车、船舶的外形设计、超大规模集成电路设计，以及建筑、服装、印染、玩具设计等领域。 CAD 技术使得工程、

雪佛莱敞篷轿车曲面造型

产品设计和施工图纸不必再由人工绘制，可大大缩短设计周期。

（ 2 ）地理信息系统 地理信息系统记录着关于人口、城镇乡村、高山平原地形、矿藏、森林、旅游等大量信息。利用地理系统中的图形软件可绘制出地理、地质的以及其他自然现象的高精度勘探、测量图形，如地理图、人口分布图、水资源分布图等。

（ 3）科学计算可视化

可视化技术广泛应用于流体力学、有限元分析、医学、天气预报、海洋和空间探测等领域。已成为一种从海量的计算数据和测量数据中发掘其蕴含的自然、物理现象和规律的新的通用手段。

（ 4）计算机动画和技术

计算机动画和艺术是用计算机来生成各种逼真的虚拟场景画面和特效效果，从而为人们提供一个充分展示个人想象力和艺术才能的空间。

影视特技

《泰坦尼克号》剧照

（ 5）计算机模拟和仿真

计算机模拟和仿真已广泛应用到产品和工程设计、航空驾驶和实验等工作中，如构造虚拟天空、地面、山峰、树木等，并产生出巨大的经济效益。

（ 6）虚拟现实

虚拟现实是指由计算机实时生成一个虚拟的三维空间，用户可在其中自由运动，随意观察周围的景物，并通过一些特殊的设备与虚拟物体进行交互操作。