计算机图形学

[拼音]：jisuanji tuxingxue

[外文]：computer graphics

用计算机对数据（图形对象的形式表示）和图形显示（图形对象的视见表示）进行相互转换的方法和技术。信息的图形表示是人们便于理解和接受的最自然的形式。计算机图形学就是研究图形的输入、模型(图形对象)的构造和表示、图形数据库管理、图形数据通信、图形的操作、图形数据的分析，以及如何以图形信息为媒介实现人机交互作用的方法、技术和应用的一门学科。它包括图形系统硬件(图形输入-输出设备、图形工作站)、图形软件、算法和应用等几个方面。

图形的输出和输入

计算机图形学处理的图形对象是用于图形输入的照相图像或借助计算机生成的由字符、专用符号、线段或具有灰度调节的区域所组成的图形。它们可以是单色的，也可以是具有灰度调节的彩色图形。这些由人工产生的输出图形，按照所使用的绘图设备的类型分为两类。一类是笔迹式图形，也称坐标图形或向量图形，它们是由一组显示命令和坐标数据产生的。这类图形在绘图设备，例如向量显示设备上输出时，首先将决定该图形的数据转换成用显示处理器能处理的显示指令表（由点指令、定位指令、向量指令、字符指令和控制指令组成），然后，由显示处理器执行这些指令并通过数模转换，将数字信息转换成控制电子束位移的模拟量，再加上亮度或颜色控制，在显示屏上产生图形。对于刷新式的显示设备，为使观察者得到稳定的显示图形，还必须将图形显示信息存放在显示文件中，以每秒30～60帧的速率重复生成图形。另一类是光栅图形，它们由按行列排列的像元阵列组成。每个像元可独立地赋予颜色或灰度值。当要输出这类图形时，先将这些信息存于像元存储器或帧缓冲存储器中，由类似电视监控器的设备控制部件，以行扫描方式产生所需的图形。对刷新式光栅显示设备，则要求以每秒25～60帧的速率重复生成图形。

图形输出设备分为被动式和交互式两类。

（1）被动式输出设备：能产生输出图形的硬拷贝的绘图设备，如平面式绘图机、滚筒式绘图机、针式打印机、静电绘图机等。附有照相或其他产生硬拷贝技术的交互式显示设备也可用作被动式输出设备。

（2）交互式输出设备：能以满足用户对话要求的速率产生显示图形。图1～3是存储管显示、刷新式向量显示和光栅显示的简单的工作方式。

图形输入设备也分为被动式和交互式两种。

（1）被动式输入设备：如输入照相图像的扫描器（将图像的灰度级或颜色转换成计算机能处理的数据）和输入笔迹图形的数字形成仪等。

（2）交互式输入设备：常用的有操纵杆鼠形定标器、轨迹球、图形输入板、数字形成仪、光笔、字符键盘和程序功能键盘等。

算法

计算机图形学中算法的研究是与图形硬件、图形软件的发展相并行的。早期的算法主要是解决如何利用绘图设备所具有的绘图能力来绘制图形和将应用程序的图形要求转换成绘图硬件可识别的命令的过程中所涉及的算法。例如，用一组离散点表示直线段算法，这是为适应只能显示点的显示器上输出直线而最先建立的算法。其他还有用点或直线段绘制圆、其他二次曲线、三次曲线，过离散点的光滑曲线等各种算法，以及为获得清晰、真实感强的线图而建立的各种隐藏线消除算法。对这些算法的要求主要有两个方面:一是逼真程度;一是所花费的计算量，包括时间、存储空间和计算复杂性等。

还有一些算法是为各种图形应用的需要而建立的，例如，在汽车、飞机设计等方面常要建立复杂的三维曲面，这些曲面应尽可能光滑，为适应这些要求，已研究出一些用于光滑曲线和曲面描述和处理的算法、曲面造型算法。此外，三维几何模型的描述和处理的算法有立体模型构造。立体模型构造主要有两种方法：一种是构造性立体几何(CSG)，立体图形用基本立体构件的布尔组合描述；一种是边界表示方法，立体图形由一组曲面聚合而成，曲面由它们的边界和顶点表示，或由曲面方程表示。

光栅设备的广泛使用和提高生成立体图形真实感的需要，促使人们研究和建立新的算法，如处理向量信息到光栅信息转换的算法，各种克服阶梯效应的算法，各种隐藏面消除算法，灰度调节型曲面生成算法和有关颜色规格说明处理的算法等。

应用

计算机图形学的应用范围相当广泛，从静态绘图到动态运动，从过程监督控制到实时交互作用。按照人-机交互作用的程度，图形应用可分为四个方面。

（1）面向批处理的图形应用：从外部文件或程序等信息源获取数据，以图形的形式输出处理结果。例如自动将科学计算的结果以图形形式输出，绘制地图、地貌立体图、等高线图、石油和采矿勘探图、天气图，以及图形数据文件的生成和输出等。

（2）交互作用绘图：显示控制台仅用于浏览计算过程的输出，除按照操作员的命令实时显示连续的帧面和简单地选择项目单，以指导浏览或进一步计算外，只要求少量的交互作用。在这些应用中，计算型的处理占主要地位，绘制图形是第二位的。例如，在飞行训练中计算机图形的作用是实时地向驾驶员提供模拟飞行中从驾驶仓窗口所见景物的图像。高质量的模拟要求生成彩色的、具有灰度调节的图像。计算机图形能帮助管理人员很快地分析数据，有效地进行信息通信和实时做出决策，从而提高经济效益。

（3）交互式制图设计：操作员使用各种交互绘图设备和程序设计技巧联机构造各种详图，绘制的图形一般是有结构的（如层次结构或网络结构）。图形或图形的部分可独立地操作和变换（平移、旋转、变比、透视变换、插入、删除，连接装配等）。例如图形编辑在艺术和娱乐方面可利用计算机图形技术制作动画片甚至制作具有规定长度的正片。在科学应用中，计算机生成动画为研究人员观察天文、化学、物理、机械方面的动态模拟提供形象的工具。

（4）交互设计系统：应用程序除布局设计外，还涉及对图形及其组成部分的分析和计算等。还要求有图形数据库或数据结构，还需要有应用数据库。这个数据库自然也应是交互作用的，用户可编辑可取用的。大部分计算机辅助设计、计算机辅助制造的应用都属于这一类。在航空、航天、机械、建筑、印制板设计，大规模集成电路设计，以及生物、医疗等许多方面都已采用计算机图形学技术。

参考书目

1. W. M. Newman　and　R. F. Sproull，Principles of Interactive　Computer Graphics， 2nd ed.， McGraw-Hill，New York，1979.

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