计算机图形学与图形处理技术.ppt

第7章 计算机图形学与图形处理技术 计算机图形学(Computer Graphics)是利用计算机研究图形表示、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活跃的分支之一，并得到广泛的应用。本章介绍计算机图形学的研究内容、发展历史、应用领域和真实感图形的实现技术，对图形学的基本内容进行介绍。 7.1 计算机图形学概论 7.1.1 计算机图形学研究的主要内容 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。 图形通常有点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线形线宽等非几何属性组成。 从处理技术上看，图形主要分为两类： 1.基于线条信息表示的，用于刻划物体形状的点、线、面、体等几何要素。如工程图、等高线地图等。 2.反映物体表面属性或材质的灰度颜色等非几何要素。它侧重于根据给定的物体描述模型、光照来生成真实感图形。如通过摄像机来生成的真实感图形。 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。 计算机图形学一个主要的目的就是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，计算机图形学与计算机辅助设计有着密切联系。 7.1.2 计算机图形处理的基本概念 计算机图形处理是指把由概念或数学描述所表示物体的几何数据或几何模型，用计算机进行显示、存储、修改、完善及有关操作的过程。 图形处理包括的主要内容有: 几何变换，如平移、旋转、缩放、透视和投影等 曲线和曲面拟合 建模或造型 隐线、隐面消除 阴暗处理 纹理产生 着色 图形处理技术主要应用在计算机辅助设计CAD、计算机辅助制造CAM、计算机辅助教育CAI、计算机艺术、计算机模拟、计算可视化、计算机动画和虚拟现实等领域。CAD是主要应用领域之一。 7.1.3 计算机图形系统的组成与功能 1.计算机图形系统的组成 计算机图形系统由硬件设备和相应的图形软件系统两部分组成。  高质量的计算机图形离不开高性能的计算机图形硬件设备。 图形系统硬件通常由图形处理器，图形输出设备和输入设备构成。图形处理器是图形系统结构的重要部件，是连接计算机和显示终端的纽带。图形处理器具有存储和处理图形的功能，而且能完成大部分图形函数计算，这大大减轻了CPU负担，提高了系统显示能力和速度。 最常用的图形输入设备是键盘和鼠标。人们一般通过一些图形软件由键盘和鼠标直接在屏幕上定位和输入图形，如CAD系统就是用鼠标和键盘命令制作各种工程图的。此外还有跟踪球、空间球、数据手套、光笔、触摸屏等输入设备。跟踪球和空间球是根据球在不同方向受到的推或拉的压力来实现定位和选择。数据手套则是通过传感器和天线来发送手指的位置和方向的信息。这几种输入设备在虚拟现实场景的构造和漫游中特别有用。光笔是一种检测光的装置，它直接在屏幕上操作，拾取位置。 图形输出设备是指可以快速生成和处理图形的显示系统以及输出到某种介质上永久保存图形的绘图系统，主要包括显示器、绘图仪、打印机等。 随着计算机系统、图形输入/输出设备的发展，计算机图形软件也不断更新和完善，目前有许多支持计算机图形技术的软件系统。如各种子程序包、图形函数库、甚至是专用的图形系统。随着图形系统的发展，提出了图形软件标准化的问题。为实现程序的可移植性，开发出了面向设备的驱动程序包或面向用户的图形生成及管理程序包。 2. 图形系统的功能 图形系统的设计和研制是计算机科学和工程领域的重要内容。作为一个图形系统，至少应具有计算、存储、输入、输出、对话等五个方面的基本功能。 计算功能实现设计过程中所需的计算、变换、分析等。如：图元生成、坐标变换； 存储功能 存放(形体的)几何数据、形体间的关系，并可对数据实时检索、维护； 输入功能 输入形体的几何参数及各种命令。 输出功能 可显示过程中的状态，修改后的结果，并可硬拷贝及输出。 对话功能 通过图形显示器及相应人—机交互设备直接进行人—机通信。用户通过显示器观察设计结果和图形，通过选择拾取设备，对不满意部分作修改。系统还可追溯以前的工作步骤，对用户操作执行的错误给予必要的提示和跟踪。 以上五种功能是一个图形系统所具备的最基本功能，至于每种功能中有