第一讲，计算机图形学概述（笔记）

什么是计算机图形学：

计算机图形学：真实世界（不限于）的数字模拟（虚拟世界）。
研究如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。

研究内容：
如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法，构成了计算机图形学的主要研究内容。

图形硬件：研究图形要有基本的支撑硬件，包括图形加速卡、显示器、图形输出设备等等。（不是本课内容

生成图形三个步骤: 

1 造型技术

在计算机中建立所要生成图像的物体的模型，即给出表示该物体的几何数据和拓扑关系。

2.光照模型

自然光照现象是由一些物理学定律决定的，而这些物理学定律又非常复杂，所以希望用一些简单的数学模型来近似、代替那些物理学的模型，为模拟物体表面的光照物理现象的数学模型叫光照模型。

3.绘制（渲染）技术
选择适当的绘制算法来把这个场景画（渲染）出 来。就是将模型真实性（或艺术性）的显示在屏幕上
渲染一幅三维物体图像所涉及的知识，实际上就是计算机 图形中每个像素看上去应该是什么颜色的问题。这很大程度上取决于不同的光照模型。

计算机屏幕是由像素构成的，像素作为构成图形的基本单位。为了在屏幕上显示一幅图形，就必须研究在哪些像素上生成图形，就必须有一套针对光栅显示器生成图形的算法。

光线跟踪、辐射度算法、纹理映射、阴影等

围绕着生成、表示物体图形的准确性->真实性->实时性，算 法可大致分为以下几类：
• 基本图形元素的生成算法
• 图形的变换和裁剪
• 自由曲线和曲面生成算法
• 几何造型技术
• 真实感图形的生成算法
• 自然景物的生成
• 计算机动画技术
• 虚拟现实技术
• 交互式三维图形处理

计算机图形学发展简史
1950年 第一台图形显示器
60年代 第一次提出graphics 这个单词，提出了图形学的最基本的概念原理和想法
70年代 光栅显示器出现
图形软件标准化
真实感图形 几何造型技术
80年代 第一次光线跟踪算法的提出
辐射度算法引入图形学 实现另一种三位真实感图形绘制技术

几何造型技术：用简单的一些体素构建复杂的模型

90年代 图形学大量应用

应用领域
1、人机交互和图形用户界面

2、计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）
3、真实感图形绘制与自然景物仿真
4、计算机游戏、电影、动漫
5、计算机艺术
6、计算机仿真
7、科学计算可视化
8、虚拟现实
9、地理信息系统（GIS）
10、农业领域的应用

计算机图形系统组成

 

一个交互式计算机图形 系统应具有计算、存储 、对话、输入和输出等 5个方面的功能。

 

1 图形软件

图形软件又分为图形应用数据结构、图形应用软件和图形
支撑软件三部分

图形应用数据结构：实际上对应一组图形数据文件，其中
存放着欲生成的图形对象的全部描述信息

图形应用软件：是解决某种应用问题的图形软件，是
图形系统中的核心部分，包括了各种图形生成和处理
技术，是图形技术在各种不同应用中的抽象。如 pohotshop、3Dmax等

图形支撑软件：大多数图形应用程序是建立在一定的
图形支撑软件上。图形支撑软件需具有规范接口

2 图形软件的发展
（A）用现有的某种计算机语言写成的子程序包
用户使用时按相应计算机语言的规定调用所需要的子程序 生成各种图形
这类子程序包很多，如OpenGL、GKS等。用其中的子程序
可实现各种基本绘图、显示功能，以及各种事件的控制和 处理

（B）扩充某一种计算机语言，使其具有图形生成和处理功能
目前具有图形生成和处理功能的计算机语言很多，如C、C++
等，即在相应的计算机语言中扩充了图形生成及控制的语句 或函数。

（C）专用的图形系统。
对于某一种类型的设备，可以配置专用的图形生成语言。优 点是执行速度较快、效率更高。缺点是系统开发工作量大， 且移植性较差

3 图形软件标准
由国际标准化组织ISO讨论和批准的通用的、与设备无关
的图形包：
GKS (Graphics Kernel System) (第一个官方标准，1977)
PHIGS (Programmer's Hierarchical Interactive Graphics System) （1986年公布的计算机图形系统标准）
一些非官方图形软件标准，广泛应用于工业界，成为事
实上的标准
DirectX (MS)
OpenGL(SGI)
Adobe公司Postscript
OpenGL（Open Graphics Library）是一个功能强大，调用
方便的底层图形库
目前图形软件正朝着标准化、开放式和高效率方向发展

4 图形硬件
图形硬件包括图形计算机系统和图形设备两类。
图形计算机系统的硬件性能与一般计算机系统相
比，要求主机性能更高、速度更快、存储容量更
大，外设种类更齐全。