计算机图形学教材第一章绪论(希赛教育基础学院).docx

★ 第一章 绪论 ◇课前索引 【课前思考】 计算机图形学目前常用的设备有哪些? 计算机图形学的主要研究内容和范围是什麽? 计算机图形学有哪些应用？ 计算机图形标准有哪些? 【学习目标】 了解计算机图形学的发展历史和现状; 明确计算机图形学的研究内容、应用领域和发展方向。 【学习指南】 查阅有关的计算机图形标准，了解计算机图形学的编程环境。 【难重点】 计算机图形学的输入/输出设备及其使用。 【知识点】 计算机图形学的发展概况； 计算机图形学的研究内容及应用情况； 计算机图形学目前常用的输入/输出设备。第一节 计算机图形学的发展简史 计算机图形学是研究用计算机表示、生成、处理和显示图形的学科。它涉及将几何模型和数据转变为图形的各种算法和技术。目前，计算机图形学已经成为计算机科学与技术中最为活跃的学科分支之一，并在众多领域（如：汽车和飞机的设计与制造、机械产品的计算机辅助设计和制造、电影特技和动画、商业、广告业、娱乐业、政府部门、军事、医学、工程、艺术、教育和培训等等）得到广泛的应用。本章将介绍计算机图形学的发展历史、研究内容、工程应用以及主要的图形硬件等基本情况，使读者对计算机图形学的概貌有个基本的了解。 计算机图形学的发展简史 硬件的发展 1950 年，美国麻省理工学院(MIT) 诞生了旋风 I 号(Whirlwind I)计算机及其显示器。该显示器用一个类似于示波器的阴极射线管 (CRT) 来显示一些简单的图形。五十年代中期，美国战术防空系统 SAGE(Semi Automatic Ground Environment)则是第一个使用具有命令和控制功能的 CRT 显示控制台的系统；在显示器上，操作员可以用光笔在屏幕上指出被确定的目标。1958 年美国Calcomp 公司由联机的数字记录仪发展成滚筒式绘图仪，GerBer 公司把数控机床发展成为平板式绘图仪。在整个 50 年代，只有电子管计算机，用机器语言编程，主要应用于科学计算，为这些计算机配置的图形设备仅具有输出功能。计算机图形学处于准备和酝酿时期。与此同时，类似的技术在设计和生产过程中也陆续得到了应用，它预示着交互式计算机图形学的诞生。 算法的发展 1950 年代初到 1960 年代中，MIT 开始计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM）的研究。1964 年 MIT 的教授 Steven A. Coons 提出了插值四条任意的边界曲线的 Coons 曲面，后来发展成系统的超限插值曲面造型技术，用小块曲面片组合自由曲面。1966 年，法国雷诺汽车公司的工程师Pierre Bézier 发展了一套自由曲线和曲面的方法，成功地用于几何外形设计，并开发了用于汽车外形设计的 UNISURF 系统。Coons 方法和 Bézier 方法是计算机辅助几何设计（CAGD）早期的开创性工作。1975 年Versprille 提出有理B 样条的理论，后来出现了非均匀有理 B 样条（NURBS）曲线和曲面。1978 年，Catmull－Clark 提出了任意拓扑的细分曲面，1995 年以来，这一造型技术得到突飞猛进地发展。 计算机图形标准 由于计算机图形和软件技术的发展，对图形系统之间的数据交换和接口提出了越来越高的要求，图形软件系统功能的标准化问题被提了出来。1974 年，美国国家标准化局（ANSI）在ACM SIGGRAPH 的一个与与机器无关的图形技术的工作会议上，提出了制定有关标准的基本规则。此后 ACM 专门成立了一个图形标准化委员会，开始制定有关标准。该委员会于 1977、1979 年先后制定和修改了核心图形系统（Core Graphics System）。ISO 随后又发布了计算机图形接口 CGI(Computer Graphics Interface)、计算机图形元文件标准 CGM（Computer Graphics Metafile）、计算机图形核心系统 GKS(Graphics Kernel system)、面向程序员的层次交互图形标准 PHIGS(Programmers Hierarchical Interactive Graphics Standard)等。1983 年， 美国国家标准局发布了初始图形交换规范 IGES(Initial Graphics Exchange Specification)。1992 年， 美国 SGI(Silicon Graphics, Inc.)推出了OpenGL，这是目前在工作站和PC 上都被广泛应用的一个图形应用编程接口（API）。这些标准的制定，使图形应用系统与计算机硬件无关，提高了程序的可移植性，为计算机图形学的推广、应用、资源信息共享，起到了极其重要的作用。 计算机图形学的研究内容 计算机图形学一个主要的目的就是要利用计算