第一章绪论 计算机图形学是利用计算机研究图形的表示、生成、处理、显示的学科。经过30多年的发展,计算机图形 学已成为计算机科学中,最为活跃的分支之一,并得到广泛的应用。本章将介绍计算机图形学的研究内容、发 展历史、应用和图形学前沿的发展方向,同时介绍一些图形硬件的基本原理,使读者对图形学的有关内容有个 概括性的了解 1.1计算机图形学的研究内容 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。图形通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、线宽等非几何属性组 成。从处理技术上来看,图形主要分为两类,一类是基于线条信息表示的,如工程图、等高线地图、曲面的线 框图等,另一类是明暗图( Shanding),也就是通常所说的真实感图形。 可以说,计算机图形学一个主要的目的就是要利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形。为此,必须建 立图形所描述的场景的几何表示,再用某种光照模型,计算在假想的光源、纹理、材质属性下的光照明效果 所以计算机图形学与另一门学科计算机辅助几何设计有着密切的关系。事实上,图形学也把可以表示几何场景 的曲线曲面造型技术和实体造型技术作为其主要的研究内容。同时,真实感图形计算的结果是以数字图象的方 式提供的,计算机图形学也就和图象处理有着密切的关系。图形与图象两个概念间的区别越来越模糊,但我们 认为还是有区别的:图象纯指计算机内以位图( Bitmap)形式存在的灰度信息,而图形含有几何属性,或者说更 强调场景的几何表示,是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成的。 计算机图形学的研究内容非常广泛,如图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲 面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法,以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现 实等。作为一本面向计算机专业本科生和非计算机专业研究生的图形学教材,本书着重讨论与光栅图形生成、 曲线曲面造型和真实感图形生成相关的原理与算法 1.2计算机图形学的发展简史 1950年,第一台图形显示器作为美国麻省理工学院(MIT)旋风I号( Whirlwind i)计算机的附件诞生了 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。1958年美国 Calcot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,并称之为:“被动式"图形学。到50年代末期,MIT的林肯实验室在“旋风”计算机上 开发SAGE空中防御体系,第一次使用了具有指挥和控制功能的CRT显示器,操作者可以用笔在屏幕上指出被确 定的目标。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 1962年,MT林肯实验室的 Ivan e. Sutherland发表了一篇题为“ Sketchpad:一个人机交互通信的图形系 统”的博士论文,他在论文中首次使用了计算机图形学“ Computer graphics"这个术语,证明了交互计算机图形学 是一个可行的、有用的研究领域,从而确定了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的独立地位。他在论文中 所提出的一些基本概念和技术,如交互技术、分层存储符号的数据结构等至今还在广为应用。1964年MIT的教 授 Steven a. Coons提出了被后人称为超限插值的新思想,通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。同在60 年代早期,法国雷诺汽车公司的工程师 Pierre bezier发展了一套被后人称为 Bezier曲线、曲面的理论,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 bezier方法是CAGD最早的 开创性工作。值得一提的是,计算机图形学的最高奖是以 Coons的名字命名的,而获得第一届(1983)和第二 届(1985) Steven a. Coons奖的,恰好是 Ivan e. Sutherland和 Pierre bezier,这也算是计算机图形学的 段佳话 0年代是计算机图形学发展过程中一个重要的历史时期。由于光栅显示器的产生,在60年代就已萌芽的 光栅图形学算法,迅速发展起来,区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其相应算法纷纷诞生,图形学进 入了第一个兴盛的时期,并开始出现实用的CAD图形系统。又因为通用、与设备无关的图形软件的发展,图形 软件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)。 IS0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( Programmer' s Hierarchical Interactive Graphics Standard)等。这些标准的制定,为计算机图形学 的推广、应用、资源信息共享,起了重要作用 70年代,计算机图形学另外两个重要进展是真实感图形学和实体造型技术的产生。1970年 Bouknight提出 了第一个光反射模型,1971年 Gourand提出“漫反射模型十插值"的思想,被称为 Gourand明暗处理。975年 Phong 提出了著名的简单光照模型- Phong模型。这些可以算是真实感图形学最早的开创性工作。另外,从1973年开 始,相继出现了英国剑桥大学CAD小组的 Build系统、美国罗彻斯特大学的PADL-1系统等实体造型系统 计算机图形学第一章第1页共17页1计算机图形学 第一章 第 1 页 共 17 页 1 第一章 绪论 计算机图形学是利用计算机研究图形的表示、生成、处理、显示的学科。经过 30 多年的发展，计算机图形 学已成为计算机科学中，最为活跃的分支之一，并得到广泛的应用。本章将介绍计算机图形学的研究内容、发 展历史、应用和图形学前沿的发展方向，同时介绍一些图形硬件的基本原理，使读者对图形学的有关内容有个 概括性的了解。 1.1 计算机图形学的研究内容 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。图形通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、线宽等非几何属性组 成。从处理技术上来看，图形主要分为两类，一类是基于线条信息表示的，如工程图、等高线地图、曲面的线 框图等，另一类是明暗图(Shanding)，也就是通常所说的真实感图形。 可以说，计算机图形学一个主要的目的就是要利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形。为此，必须建 立图形所描述的场景的几何表示，再用某种光照模型，计算在假想的光源、纹理、材质属性下的光照明效果。 所以计算机图形学与另一门学科计算机辅助几何设计有着密切的关系。事实上，图形学也把可以表示几何场景 的曲线曲面造型技术和实体造型技术作为其主要的研究内容。同时，真实感图形计算的结果是以数字图象的方 式提供的，计算机图形学也就和图象处理有着密切的关系。图形与图象两个概念间的区别越来越模糊，但我们 认为还是有区别的；图象纯指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息，而图形含有几何属性，或者说更 强调场景的几何表示，是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成的。 计算机图形学的研究内容非常广泛，如图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲 面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现 实等。作为一本面向计算机专业本科生和非计算机专业研究生的图形学教材，本书着重讨论与光栅图形生成、 曲线曲面造型和真实感图形生成相关的原理与算法。 1.2 计算机图形学的发展简史 1950 年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院(MIT)旋风 I 号（Whirlwind I)计算机的附件诞生了。 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。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，并称之为：“被动式”图形学。到 50 年代末期，MIT 的林肯实验室在“旋风”计算机上 开发 SAGE 空中防御体系，第一次使用了具有指挥和控制功能的 CRT 显示器，操作者可以用笔在屏幕上指出被确 定的目标。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。 1962 年，MIT 林肯实验室的 Ivan E. Sutherland 发表了一篇题为“Sketchpad：一个人机交互通信的图形系 统”的博士论文，他在论文中首次使用了计算机图形学“Computer Graphics”这个术语，证明了交互计算机图形学 是一个可行的、有用的研究领域，从而确定了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的独立地位。他在论文中 所提出的一些基本概念和技术，如交互技术、分层存储符号的数据结构等至今还在广为应用。1964 年 MIT 的教 授 Steven A. Coons 提出了被后人称为超限插值的新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。同在 60 年代早期，法国雷诺汽车公司的工程师 Pierre Bézier 发展了一套被后人称为 Bézier 曲线、曲面的理论，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 CAGD 最早的 开创性工作。值得一提的是，计算机图形学的最高奖是以 Coons 的名字命名的，而获得第一届（1983）和第二 届(1985) Steven A. Coons 奖的，恰好是 Ivan E. Sutherland 和 Pierre Bézier，这也算是计算机图形学的 一段佳话。 70 年代是计算机图形学发展过程中一个重要的历史时期。由于光栅显示器的产生，在 60 年代就已萌芽的 光栅图形学算法，迅速发展起来，区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其相应算法纷纷诞生，图形学进 入了第一个兴盛的时期，并开始出现实用的 CAD 图形系统。又因为通用、与设备无关的图形软件的发展，图形 软件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(Programmer’s Hierarchical Interactive Graphics Standard)等。这些标准的制定，为计算机图形学 的推广、应用、资源信息共享，起了重要作用。 70 年代，计算机图形学另外两个重要进展是真实感图形学和实体造型技术的产生。1970 年 Bouknight 提出 了第一个光反射模型，1971 年 Gourand 提出“漫反射模型＋插值”的思想，被称为 Gourand 明暗处理。1975 年 Phong 提出了著名的简单光照模型- Phong 模型。这些可以算是真实感图形学最早的开创性工作。另外，从 1973 年开 始，相继出现了英国剑桥大学 CAD 小组的 Build 系统、美国罗彻斯特大学的 PADL-1 系统等实体造型系统