第一章 計算機圖形學基礎

 

1.1 計算機圖形學的研究內容

計算機圖形學的主要研究內容就是研究如何利用計算機表示、生成、處理和顯示的一門學科。

1.2 計算機圖形學與圖像處理

計算機圖形是矢量型的，而計算機圖像是點陣型的。
計算機圖形系統是從數據到圖形的處理過程；計算機圖像處理是從圖像到圖像的處理過程。
計算機圖形與計算機圖像有必定的聯繫，通過處理能夠相互轉換。

1.3 計算機圖形學的發展

1963年1月，MIT林肯實驗室24歲的薩瑟蘭完成了關於人機通訊的圖形系統的博士論文。薩瑟蘭引入了分層存儲符號的數據結構，開發了交互技術，能夠用鍵盤和光筆實現定位、選項和繪圖，還提出了至今仍在沿用的許多圖形學的其餘基本思想和技術。薩瑟蘭的博士論文被認爲既是計算機圖形學的奠定，也是現代計算機輔助設計之肇始。

20世紀70年代，因爲光柵顯示器的誕生，光柵圖形學算法迅速發展起來；基本圖形操做和相應的算法紛紛出現，圖形學進入了第一個興盛時期。70年代，不少國家應用計算機圖形學，開發CAD圖形系統，並應用於設計、過程控制和管理、教育等方面。

80年代中期以來，大規模集成電路使計算機硬件性能提升，圖形學獲得飛速的發展。1980年，第一次給出了光線跟蹤算法。真實感圖形的算法逐漸成熟。

80一90年代，圖形學更加普遍地應用於動畫、科學計算可視化、CAD/CAM、虛擬現實等領域。這向計算機圖形學提出了更高、更新的要求——真實性和實時性。

1.4 計算機圖形學的應用領域

1．計算機輔助設計與製造(CAD/CAM)
這是計算機圖形學最普遍、最重要的應用領域。它使工程設計的方法發生了巨大的改變，利用交互式計算機圖形生成技術進行土建工程、機械結構和產品的設計正在迅速取代繪圖板加工字尺的傳統手工設計方法，擔負起繁重的平常出圖任務以及整體方案的優化和細節設計工做。事實上，一個複雜的大規模或超大規模集成電路板圖根本不可能手工設計和繪製，用計算機圖形系統不只能設計和畫圖，並且能夠在較短的時間內完成，將結果直接送至後續工藝進行加工處理。

2．計算機輔助教學(CAI)
在這個領域中，圖形是一個重要的表達手段，它可使教學過程形象、直觀、生動，激發學生的學習興趣，極大地提升了教學效果。隨着微機的不斷普及，計算機輔助教學系統已深刻到家庭。

3．計算機動畫
傳統的動畫片都是手工繪製的。因爲動畫放映一秒鐘須要24幅畫面，故手工繪製的工做量至關大。而經過計算機制做動畫，只需生成幾幅被稱做「關鍵幀」的畫面，而後由計算機對兩幅關鍵幀進行插值生成若干「中間幀」，連續播放時兩個關鍵幀被有機地結合起來。這樣能夠大大節省時間，提升動畫製做的效率。

4．管理和辦公自動化
計算機圖形學在管理和辦公自動化領域中應用最多的是繪製各類圖形，如統計數據的二維和三維圖形、餅圖、折線圖、直分圖等，還可繪製工做進程圖、生產調度圖、庫存圖等。全部這些圖形均以簡明形式呈現出數據的模型和趨勢，加快了決策的制定和執行。
5．國土信息和天然資源顯示與繪製
國土信息和天然資源系統將過去分散的表冊、照片、圖紙等資料整理成統一的數據庫，記錄全國的大地和重力測量數據、高山和平原地形、河流和湖泊水系、道路橋樑、城鎮鄉村、農田林地植被、國界和地區界以及地名等。利用這些存儲的信息不只能夠繪製平面地圖，並且能夠生成三維地形地貌圖，爲高層次的國土整治預測和決策、綜合治理和資源開發研究提供科學依據。

6．科學計算可視化
在信息時代，大量數據須要處理。科學計算可視化是利用計算機圖形學方法將科學計算的中間或最後結果以及經過測量獲得的數據以圖形形式直觀地表示出來。科學計算可視化普遍應用於氣象、地震、天體物理、分子生物學、醫學等諸多領域。

7．計算機遊戲
計算機遊戲目前已成爲促進計算機圖形學研究特別是圖形硬件發展的一大動力源泉。計算機圖形學爲計算機遊戲開發提供了技術支持，如三維引擎的建立。建模和渲染這兩大圖形學主要問題在遊戲開發中的地位十分重要。

8．虛擬現實
虛擬現實技術的應用很是普遍，能夠應用於軍事、醫學、教育和娛樂等領域。虛擬現實是要令人們經過帶上具備立體感受的眼睛、頭盔或數據手套，經過視覺、聽覺、嗅覺、觸覺以及形體或手勢，整個融進計算機所創造的虛擬氛圍中，從而取得身臨其境的體驗。例如走進分子結構的微觀世界裏獵奇，在新設計的建築大廈圖形裏漫遊等。這也成爲近年計算機圖形學的研究熱點之一。