计算机图形学备课笔记详解.doc

第一章 概述 　　重点：掌握计算机图形学研究的内容、应用领域以及图形硬件和软件系统。 难点：理解光栅扫描显示器和随机扫描显示器的区别以及彩色显示机理。 课时安排：授课2学时。 ? 计算机图形学（Computer Graphics）是随着计算机技术的发展而发展起来的一门新兴学科。 　　计算机图形学研究怎样通过计算机来产生图形 　　（1）专题图件：地形图、地貌图、资源分布图、旅游资源图、土地利用现状图、管网分布图等；　　（2）照片、三维逼真图形等；　　（3）实体的视图，如：机械零件的正视图、侧视图等；　　（4）抽象概念的形象表示：计划图、饼图、统计曲线、流程图等。 　 　　国际标准化组织（ISO）对计算机图形学的定义 　　计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形，并在专门的设备上输出的原理、方法和技术的学科。 　　与计算机图形学密切相关的几门学科是： 　　1、图像处理（Image Processing） 　　图像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。 ?? 　　例如，进行图像的存储、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。应用实例：工业中射线探伤、人体的CT扫描、卫星遥感以及资源勘测。 　　现在图像处理正从二维处理朝着三维图像生成、立体成像、多种传输媒体等方向发展。 　　2、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。 　　3、计算几何（Computational Geometry） 　　计算几何则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。 　　计算机图形学与其他学科的关系： 　　如下图所示，计算机图形学与图像处理、模式识别、计算几何这几门相关学科之间正在不断相互渗透、相互沟通，其学科界线也变得模糊起来。 　　例如，计算机图形学课程中往往要介绍参数曲线、曲面的数学表示；工程图扫描输入后要先用图象处理技术提取画面的特征信息，然后再用模式识别技术生成矢量形式的各种几何元素。 　　图形系统的任务： 　　按照用户输入的数据和显示要求产生图形（图中用实线表示）；图形产生后，用户通过交互方式对图形进行修改和更新，形成以用户为中心闭环反馈的图形处理系统（图中用虚线表示）。 1.1 计算机图形学的研究内容 　　计算机图形学的研究内容涉及到用计算机对图形数据进行处理的硬件和软件两方面的技术，以及与图形生成、显示密切相关的基础算法： 　　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。 　　在大学本科阶段，应着重了解前面三个内容，而后面三个涉及三维图形的内容可留待研究生阶段去研究。 　　计算机图形学正以很快的速度向前发展，当前这一领域研究的前沿课题有： 　　（1）图形软件与开发环境的标准化 　　（2）提高算法的可靠性和效率 　　消隐算法、真实感彩色图像、明暗图、体素拼合中的曲面求交和拓扑处理等问题上。 　　（3）用并行处理技术提高真实感图像的生成速度 　　如采用多处理器，将一幅光栅图像的512×512或更多个象素用几十个甚至几百个处理器并行计算，可以明显提高图像的生成速度。 　　（4）探讨自然景象的模拟