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1999年7月 计算机图形学基础 绪论 提出问题 计算机图形学的研究对象——图形 通常意义下的图形: 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。 图形的要素 几何要素:刻画形状的点、线、面、体等几何要素 非几何要素:反映物体表面属性或材质的明暗、灰度、色彩等。 计算机图形学中所研究的图形 从客观世界物体中抽象出来的带有颜色及形状信息的图形。 图形的表示 点阵法是用具有颜色信息的点阵来表示图形的一种方法,它强调图形由哪些点组成,并具有什么灰度或色彩。 参数法是以计算机中所记录图形的形状参数与属性参数来表示图形的一种方法。通常把参数法描述的图形叫做图形(Graphics)把点阵法描述的图形叫做图象(Image) 与计算机图形学相关的学科 ?数字图象处理 利用计算机对图形和图像进行分析处理,继而再现图像。图形(图像)信息输入计算机中,按照不同的应用要求,计算机对图像进行各种各样的分析和处理 。 图像的存储、压缩、增强(突出某些特征)、复原(使模糊图像清晰)、分割、重建、编码、传输等等,最后把经过加工处理后的结果重新输出。 模式识别(Pattern Recognition) 图像的模式识别所研究的问题与计算机图形学所研究的问题是互逆的。模式识别是由图像来获得对图像本身的描述。它是以图像为依据,将图像变换成数据、符号或者是抽象的图。 例如,自动分检信封上的邮件编码、文本自动阅读装置、还有地图符号的识别,都是先由扫描得到图像,然后经识别还原为图形或字符。 计算几何(Computational Geometry)着重讨论几何形体在计算机内的表示、分析和综合,研究怎样方便灵活地建立几何形体的数学模型,提高算法的效率,在计算机内如何更好地存储和管理这些模型等。它的研究内容包括曲线曲面的表示、生成、拼接和造型、三维立体造型、离散数据插值等等。 彼此的内在联系(狭义) 图形学研究如何将数据和几何模型变为图形; 图像处理重点在于图像的压缩存储以及去除噪音问题; 模式识别讨论如何从图像中提取数据和模型; 计算几何则是上述学科的研究基石。——基础 计算机图形学的研究内容 1、二维图形元素的生成算法 点、直线、圆、弧、规则曲线、自由曲线、文本等图元的生成。 2、二维图形的基本操作和图形处理算法 对图形的平移、缩放、旋转、镜像、错切等操作,此外还包括二维图形的裁剪、多边形填充以及二维图形的布尔运算(并、交、差)等。 3、二维图形的输入输出 用图形输入设备实现人机交互及用户接口技术。 4、三维几何造型技术 包括基本体素的建立与生成,规则曲面与自由曲面的构造,以及三维形体之间的布尔运算等。 5、真实感图形的生成算法 三维图形的消隐算法、光照模型的建立,阴影及彩色浓淡图的生成算法。 6、科学计算可视化技术 这是20世纪90年代计算机图形学领域的前沿课题。研究的是,将科学计算中大量难以理解的数据通过计算机图形显示出来,从而加深人们对科学过程的理解。例如,有限元分析的结果,应力场、磁场的分布,各种复杂的运动学和动力学问题的图形仿真等。 1.2 计算机图形学的发展 酝酿期(50年代) 1950年,美国MIT的旋风1号(Whirlwind I)计算机配备了阴极射线管(CRT)来显示一些简单的图形 萌芽期(60年代) 1962年,美国MIT林肯实验室的Ivan.E.Sutherland发表了一篇题为Sketchpad:一个人-机通信的图形系统的博士论文,其中首次使用了“Computer Graphics” ?发展期(70年代) 普及期(80年代)出现了带有光栅图形显示器的个人计算机和工作站 提高增强期(90年代) 总体特征:技术发展、需求驱动 1958年,滚筒式绘图机诞生 1962年,Sutherland发表重要博士论文 1964年,Coons提出曲面拟合理论 70年代,光栅式图形显示器问世 1977年,提出第一个图形标准GKS 80年代,图形工作站,PC,Macintosh 90年代,互联网迅速发展,图形在非工业应用超过在工业方面的应用 1.2.2硬件发展 图形输入设备的发展 第一阶段:控制开关、穿孔纸等 第二阶段:键盘 第三阶段:二维定位设备,如鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏等等,语音 第四阶段:三维输入设备(如空间球、数据手套、数据衣),用户的手势、表情等 第五阶段:用户的思维 图形显示器的发展(见下页)图形显示设备的发展: 图形硬拷贝设备 打印机 绘图仪 图形输入设备 二维图形输入设备 三维图形输入设备:空间球、数据手套 1.2.3 图形软件的发展及软件标准的形成 图形软件的发展 开放式、高效率、标准化、集成化、智能化、学科交叉 ?图形软件标准 与
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