计算机图形学的综述
摘要：计算机图形学(Computer Graphics，简称CG)是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说，计算机图形学的主要研究内容就是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。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，也就是通常所说的真实感图形。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。其中，3D 计算机图形技术作为计算机图形学理论中近期最为火热的一项技术，在影视特效中的运用已经远远超越了“电脑特技”的概念。它不但可以使用虚拟技术模式现实场景，极大地减少拍摄成本，更重要的是它的表现力可以超越现实事物，甚至完美的刻画现实中无法达到的画面和效果。广大的艺术家和影视制作者可以利用此项技术充分的实现自己的想象力，同时满足大众视觉和心理的双重需求。本文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方向。
关键词：计算机图形学；3D计算机图形技术；计算机辅助制造；虚拟现实；用户界面。1.绪论
1.1 研究内容
如何在计算机中表示图形,以及如何利用计算机进行图形的生成、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。从处理技术上来看，图形主要分为两类，一类是由线条组成的图形，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等，另一类是类似于照片的明暗图(Shading)，也就是通常所说的真实感图形。
可以说，计算机图形学的一个重要研究内容就是要利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形。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重要的研究内容。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。
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 主要组成
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。从构成要素上看，图形主要分为两类，一类是几何要素在构图中具有突出作用的图形，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等，另一类非几何要素在构图中具有突出作用的图形，如明暗图、晕渲图、真实感图形等。
1.3 主要目的
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像的方式提供的，计算机图形学也就和图像处理有着密切的关系。
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、非真实感绘制，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。
1.4 3D计算机图形技术概述
1.4.1 何为计算机 3D 技术
3D 计算机图形就是利用计算机在平面里显示出三维图形，目的就是要满足人眼近大远小特性的需求，使图形具有更高的真实感和立体感。具体来说就是利用计算机将图形图像的色彩灰度等属性进行层次处理，使其凸出的部分亮度高，凹陷的部分亮度较低，并且制造相应的阴影。
虚拟三维技术是计算机图形学的一个分支理论，与计算机图形学一样，利用计算机的各种软件和程序来制作或者调整图像，从而满足人眼的各种立体需求。3D 计算机图形技术最开始是应用于机械制造业和军事领域，后来随着计算机的普及，计算机图形学理论的迅速发展以及3D 软件的不断开发和运用，其应用领域慢慢延伸到了影视、科研、航空等等，其中距离我们最近的，可以让我们感受到3D 计算机图形魅力的就是现今我们在影院可以看到的3D 影片。
1.4.2 3D 计算机技术运用在影视中的优点
首先，3D 计算机技术运用在电影制作中可以使电影能够通过一系列视觉效果使观众看到事物和现象，具有非常高的影视艺术价值。以电影《泰坦尼克号》为例，导演为了提高该部影视的3D 效果和影视艺术价值，要求其工作人员按照当时真实沉没的泰坦尼克号游轮创作了1：1 实物特技模型。3D 版的泰坦尼克号重拍投资 2 亿多美元，让我们重新体验了其完美的视觉效果，也成为了耗资最多的电影之一。超过18 亿美元的票房收入不仅仅是因为电影的剧情美轮美奂，更多的是影院中让我们瞠目结舌的一幕幕电影特效起到了推波助澜的作用。其次，由于计算机3D 虚拟技术可以创造出非常真实而且极具视觉冲击的效果，其真实度几乎可以和真正的现实相媲美，所以3D 计算机技术运用在影视中可以重现甚至扩展现实世界的各种事物。现如今电影中为了配合剧情需要，越来越多的要用到各种毁灭性或者易毁性的镜头，如果直接用实物来进行拍摄，成本和人员伤亡的可能性都硬件的正常工作状态，降低故障发生的可能性。在机房和计算机的环境维护上，要注意对温度和湿度的适当控制，减少环境因素对整体系统的影响。在人员进出上，要进行严格的审查和管理，避免无关人员进入导致对设备进行恶意和无意的操作，避免相关损失。
2.发展历程
1963年，伊凡·苏泽兰(Ivan Sutherland)在麻省理工学院发表了名为《画板》的博士论文，它标志着计算机图形学的正式诞生。至今已有四十多年的历史。此前的计算机主要是符号处理系统，自从有了计算机图形学，计算机可以部分地表现人的右脑功能了，所以计算机图形学的建立具有重要的意义。计算机图形学在如下几方面有了长足的进展。
2.1 智能CAD
CAD 的发展也显现出智能化的趋势，就大多数流行的CAD软件来看，主要功能是支持产品的后续阶段一一工程图的绘制和输出，产品设计功能相对薄弱，利用AutoCAD最常用的功能还是交互式绘图，如果要想进行产品设计，最基本的是要其中的AutoLisp语言编写程序，有时还要用其他高级语言协助编写，很不方便。而新一代的智能CAD 系统可以实现从概念设计到结构设计的全过程。例如，德国西门子公司开发的Sigraph Design软件可以实现如下功能：①从一开始就可以用计算机设计草图，不必耗时费力的输入精确的坐标点，能随心所欲的修改，一旦结构确定，给出正确的尺寸即得到满意的图纸；②这个软件中具有关系数据结构，当你改变图纸的局部，相关部分自动变化，在一个视图上的修改，其他视图自动修改，甚至改变一个零件图，相关的其它零件图以及装配图的相关部分自动修改：③在各个专业领域中，有一些常用件和标准件，因此，希望有一个参数化图库。而Sigraph
不用编程只需画一遍图就能建成自己的图库；④Sigraph还可以实现产品设计的动态模拟用于观察设计的装置在实际运行中是否合理等等。
智能CAD的另一个领域是工程图纸的自动输入与智能识别，随着CAD技术的迅速推广应用，各个工厂、设计院都需将成千上万张长期积累下来的设计图纸快速而准确输入计算机，作为新产品开发的技术资料。多年来，CAD 中普遍采用的图形输入方法是图形数字化仪交互输入和鼠标加键盘的交互输入方法．很难适应工程界大量图纸输入的迫切需要。因此，基于光电扫描仪的图纸自动输入方法已成为国内外CAD工作者的努力探索的新课题。但由于工程图的智能识别涉及到计算机的硬件、计算机图形学、模式识别及人工智能等高新技术内容，使得研究工作的难点较大。工程图的自动输入与智能识别是两个密不可分的过程，用扫描仪将手绘图纸输入到计算机后，形成的是点阵图象。CAD 中只能对矢量图形进行编辑，这就要求将点阵图象转化成矢量图形，而这些工作都让计算机自动完成，这就带来了许多的问题。如①图象的智能识别；②字符的提取与识别；③图形拓扑结构的建立与图形的理解；
④实用化的后处理方法等等。国家自然科学基金会和863计划基金都在支持这方面的研究，国内外已有一些这方面的软件付诸实用，如美国的RVmaster，德国的VPmax，以及清华大学，东北大学的产品等。但效果都不很理想，还未能达到人们企盼的效果。
2.2 美术与设计
1952年．美国的Ben ．Laposke用模拟计算机做的波型图《电子抽象画》预示着电脑美术的开始(比计算机图形学的正式确立还要早)。计算机美术的发展可分为三个阶段：
代表作品：1960年Wiuiam Ferrter为波音公司制作的人体工程学实验动态模拟．模拟飞行员在飞机中各种情况；1963年Kenneth Know Iton的打印机作品《裸体》。1967年日本GTG小组的《回到方块》。
伦敦第一次世界计算机美术大展一“控制论珍宝(Cybernehic Serendipity1为标志，进入世界性研究与应用阶段；计算机与计算机图形技术逐步成熟，一些大学开始设置相关课题，出现了一些CAD应用系统和成果，三维造型系统产生并逐渐完善。代表作品：1983年美国IBM 研究所Richerd Voss设计出分形山(可到网站“分形频道hrtp：ttfracta1．126．tom 中查找有关“分形”的知识)
个人计算机图形系统逐渐走向成熟，大批商业性美术(设计)软件面市；以苹果公司的MAC 机和图形化系统软件为代表的桌面创意系统被广泛接受，CAD成为美术设计领域的重要组成部分。代表作品：1990年Jefrey Shaw的交互图形作品“易读的城市f The legible city) 。
2.3计算机动画艺术
2.3.1 历史回顾
计算机动画技术的发展是和许多其它学科的发展密切相关的。计算机图形学、计算机绘画、计算机音乐、计算机辅助设计、电影技术、电视技术、计算机软件和硬件技术等众多学科的最新成果都对计算机动画技术的研究和发展起着十分重要的推动作用50年代到60年代之间，大部分的计算机绘画艺术作品都是在打印机和绘图仪上产生的。一直到60年代后期，才出现利用计算机显示点阵的特性，通过精心地设计图案来进行计算机艺术创造的活动。
70年代开始，计算机艺术走向繁荣和成熟。1973 年，在东京索尼公司举办了“首届国际计算机艺术展览会”80年代至今，计算机艺术的发展速度远远超出了人们的想象。在代表计算机图形研究最高水平的历届SIGGRAPH年会上，精彩的计算机艺术作品层出不穷。另外，在此期间的奥斯卡奖的获奖名单中，采用计算机特技制作电影频频上榜，大有舍我其谁的感觉。在中国，首届计算机艺术研讨会和作品展示活动于1995年在北京举行，它总结了计算机艺术在中国的发展，对未来的工作起到了重要的推动作用。
2.3.2 电影特技
计算机动画的一个重要应用就是制作电影特技，可以说电影特技的发展和计算机动画的发展是相互促进的。1987年由著名的计算机动画专家塔尔曼夫妇领导的MIRA 实验室制作了一部七分钟的计算机动画片《相会在蒙特利尔》再现了国际影星玛丽莲·梦露的风采。1988年，美国电影《谁陷害了兔子罗杰》(Who Framed Roger Rabbit?)中二维动画人物和真实演员的完美结合，令人瞠目结舌、叹为观止，其中用了不少计算机动画处理。1991年美国电影《终结者II：世界末日》展现了奇妙的计算机技术。此外，还有《侏罗纪公园》(Jurassic Park)、《狮子王》、《玩具总动员》(Toy Story)等。
2.3.3 国内情况
我国的计算机动画技术起步较晚。1990年的第11届亚洲运动会上，首次采用了计算机三维动画技术来制作有关的电视节目片头。从那时起，计算机动画技术在国内影视制作方面得到了讯速的发展，继而以3D Studio 为代表的三维动画微机软什和以Photostyler、Photoshop等为代表的微机二维平面设计软件的普及，对我国计算机动画技术的应用起到了推波助谰的作用。2006年由环球数码制作了中国第一部3D动画电影《魔比斯环》。
计算机动画的应用领域十分宽广除了用来制作影视作品外，在科学研究、视觉模拟、电子游戏、工业设计、教学训练、写真仿真、过程控制、平面绘画、建筑设计等许多方面都有重要应用，如军事战术模拟。
2.4 科学计算可视化
科学计算的可视化是发达国家八十年代后期提出并发展起来的一门新兴技术，它将科学计算过程中及计算结果的数据转换为几何图形及图象信息在屏幕上显示出来并进行交互处理，成为发现和理解科学计算过程中各种现象的有力工具。
1987年2月英国国家科学基金会在华盛顿召开了有关科学计算可视化的首次会议。会议一致认为“将图形和图象技术应用于科学计算是一个全新的领域” 科学家们不仅需要分析由计算机得出的计算数据，而且需要了解在计算机过程中数据的变化。会议将这一技术定名为“科学计算可视化(Visualization in Scientific Computing)”。科学计算可视化将图形生成技术图象理解技术结合在一起，它即可理解送入计算机的图象数据．也可以从复杂的多维数据中产生图形。它涉及到下列相互独立的几个领域：计算机图形学、图象处理、计算机视觉、计算机辅助设计及交互技术等。科学计算可视按其实现的功能来分，可以分为三个档次：(1)结果数据的后处理；(2)结果数据的实时跟踪处理及显示；(3)结果数据的实时显示及交互处理。
（1）心脏CT数据的动态显示
这也是NCSA的研究项目，它利用远程的并行计算资源．用体绘制技术实现CT扫描三维数据场动态显示。其具体内容是显示一个狗的心脏跳动周期的动态图像。
（2）动态模型的可视化
这是美国西北大学的研究项目．可以显示发生在非烧热的气体燃烧中复杂的空问瞬态图象。火焰位于两个同心圆柱之间．可燃混合气体从内圆柱注入，燃烧所生成的物质通过外圆柱送出。
依利诺大学芝加哥分校研制了一个在工作站和超级计算机上实现的可视亿应用软件。其内容是对一个七周的人类胚胎实现交互的三维显示，是由卫生和医学国家博物馆所得到的数据重构而成的。这一项目表示了对人类形态数据实现远程访问和在网络资源中实现分布计算的可能性。美国还将做整个人体的可视化，他们将两个自愿者(一男一女)做成了切片，男的被切了1780片，厚度约1毫米，女的被切了5400片，厚度约O．3毫米，数据量很大。概括起来有以下几点：空气动力学、数学、医学图象等领域。科学计算可视化的技术水平正在从后处理向实时跟踪和交互控制发展。
2.5虚拟现实
2.5.1 应用领域
（1）用于脑外科规划的双手操作空间接口工具
美国弗尼亚大学推出了一种能用于脑外科规划的被称为Netra的双手操作空间接口工具根据脑外科医生的工作环境和习惯，该系统采用一种外形象人头的控制器。脑外科医生可以根据他们的职业习惯，通过转动外形象人头的控制器，来方便地观察人脑的不部位，同时通过右手控制面板的平面来控制人脑的剥面的扫描井能根据CT或强磁共振图像所产生的主体脑模型显示所需得到观察视点着色后的真实图像。
（2）虚拟环境用于恐高症治疗
英国研制的一个虚拟现实系统可以产生以下虚拟环境：①透明的玻璃电梯，②高层建筑阳台．@位于蛱咎之上的索桥。为了增加真实的感觉，患者除了佩戴能够产生三维立体景象的头盔式显示器外，还必须站在一个特制的框架内。调节电梯、．阳台和索桥的高度就可以产生不同程度的刺激。
（3）虚拟风洞
德国信息技术国家研究中心的克鲁格等人建立了一个所谓的“虚拟风嗣，用以代替风洞实验(因风洞实验成本高，且实验难以控制)。在虚拟风洞中，其模拟的数据来自超级计算机或高性能工作站上运行的有限元程序。利用虚拟风洞，观测者通过佩戴液晶开关眼镜可以方便地对于给定的点和线进行观察，而且还可以通过放大的方式进行更细致的研究，大大方便了人们对于物体动力中特性的研究。
（4）封闭式战斗作战训练器
封闭式战斗作战训练器(CCTT)是马斯塔格利等人为美军研制的用于坦克和机械化步兵
在实际地形上进行演习的模拟装置。它与通常的虚拟环境和模拟器不同，它需要建立的是适用于军队训练的大规模复杂的虚拟环境。
（5）虚拟现实技术在建筑设计中应用
虚拟现实技术还被广泛用于建筑设计。克鲁格等将他们设计的未来建筑显现在他们发明的虚拟工作平台上，建筑学家们聚集在一起透过所佩戴的液晶眼镜，可以看到设计的立体建筑，井方便地增添或移去建筑的一部分或其它物体。同时也可以通过数据手套来设置不同的光源．模拟不同时间的日光和月光．观察在不同光线下所设计建筑的美感以及与整个环境的协调性。
（6）地理信息系统
地理信息系统(GIS: Geographical Information System）是建立在地理图形之上的关于人口、矿藏、森林、旅游等资源的综合信息管理系统。它在发达国家中[3]已得到广泛应用，我国也对其开展了广泛的研究与应用。在地理信息系统中，计算机图形学技术被用来产生高
精度的各种资源的图形，包括地理图、地形图、森林分布图、人口分布图、矿藏分布图、气象图、水资源分布图等等。地理信息系统为管理和决策者提供非常有效的支持。
总之．虚拟现实技术是一门多学科交叉和综合集成的新技术。因此，它的发展将取决于相关科学技术的发展和进步虚拟现实技术最基本的要求就是反映的实时性和场景的真实性。但一般来说，实时性与真实性往往是相互矛盾的。
2.5.2.用户界面
用户界面是计算机系统中人与计算机之间相互通讯的重要组成部分。八十年代以WIMP(窗口、图符、菜单、鼠标)为基础的图形用户界面(GUD极大地改善了计算机的可用性、可学性和有效性，迅速代替了命令行为代表的字符界面，成为当今计算机用户界面的主流。以用户为中心的系统设计思想．增进人机交互的自然性，提高人机交互的效率和带宽是用户界面的研究方向。于是提出了多通道用户界面的思想，它包括语言、姿势输入、头部跟踪、视觉跟踪、立体显示、三维交互技术、感觉反馈及自然语言界面等。可以这样说人体的表面就是人机界面。人体的任何部分都应成为人机对话的通道。虚拟现实显示是关键所在，这不仅要求软件来实现，更主要的是硬件上的实现。概括起来虚拟现实的人机交互通道可分为两个方面：主要的感觉通道和主要作用通道。多通道用户界面强调和目的的。虚拟现实的发展要求必将带动计算机图形学各学科的发展．同样虚拟现实的发展也将依赖于其他学科的发展，计算机图形前景诱人。形势逼人(我国还比较落后)，但通过努力还是可以缩短差距的。
3.发展趋势
计算机图形学狭义上是一种研究基于物理定律、经验方法以及认知原理，使用各种数学算法处理二维或三维图形数据，生成可视数据表现的科学。它是计算机科学的一个分支领域与应用方向，主要关注数字合成与操作视觉的图形内容。广义上来看，计算机图形学不仅包含了从三维图形建模、绘制到动画的过程，同时也包括了对二维矢量图形以及图像视频融合处理的研究。计算机图形学经过将近40年的发展，已进入了较为成熟的发展期。其主要应用领域包括计算机辅助设计与加工，影视动漫，军事仿真，医学图像处理，气象、地质、财经和电磁等的科学可视化等。由于计算机图形学在这些领域的成功运用，特别是在迅猛发展的动漫产业中，带来了可观的经济效益。动漫产业是各国优先发展的绿色产业，具有高科技、高投入与高产出等特点。据统计，截至2009年3月，美国动画梦工厂所拍摄的三维动画片《怪物史莱克II》在预算为1.5亿美元的情况下，获得了超过9.2亿的全球累计票房。而我国在2008年度共制作完成的国产电视动画片249部，计131042分钟，与2007年度
相比增加了近28%。另一方面，由于这些领域应用的推动，也给计算机图形学的发展提供了新的发展机遇与挑战。
从计算机图形学学科发展来看，有以下几个发展趋势：
（1）与图形硬件的发展紧密结合，突破实时高真实感、高分辨率渲染的技术难点图形渲染是整个图形学发展的核心。在计算机辅助设计，影视动漫以及各类可视化应用中都对图形渲染结果的高真实感提出了很高的要求。同时，由于显示设备的快速发展，人们要求能提供高清分辨率（1920x1080），进一步要能达到数字电影所能播放的4K分辨率(4096x2060)；色彩的动态范围也希望从原来每个通道的8Bit提高到10bit及以上。虽然已有的图形学方法已经能较为真实地再现各类视觉效果，然而为了能提供高分辨率高动态的渲染效果，必须消耗非常可观的计算能力。一帧精美的高清分辨率图像，单机渲染往往需要耗费数小时至数十小时。为此，传统方法主要采用分布式系统，将渲染任务分配到集群渲染节点中。即使这样，也需要使用上千台计算机，耗费数月时间才能完成一部标准90分钟长度的影片渲染。
基于GPU的图形硬件技术得以发展迅速，已经能在一个GPU芯片上采用64nm工艺集成上千个采用SIMD（单指令多数据流）架构的通用计算核心。而2009年底，主流图形硬件商nVidia和AMD以及Intel还会推出基于MIMD（多指令多数据流）计算核心的GPU 芯片用于图形加速绘制，以支持DirectX 11以及OpenGL 3.0图形标准。最新的图形学研究，采用GPU技术可以充分利用计算指令和数据的并行性，已可在单个工作站上实现百倍于基于CPU方法的渲染速度。
然而已知的实现方法，其实现效果还较为初步，无法实现复杂的视觉特效，离实时的高真实感渲染还有很大差距。其主要原因是：（i）缺乏良好的数据组织方法，基于GPU方法由于硬件的架构原因，数据组织无法如同CPU方法一样的组织，因此对复杂的数据结构仍无法得到很好地支持。（ii）缺乏标准高效的GPU高层编程语言、编译器以及相应调试工具,（iii）由于以上两个问题，无法完整地实现适于电影渲染制作的RenderMan标准，以及其他各类基于物理真实感的渲染算法。因此，如何充分利用GPU的计算特性，结合分布式的集群技术，解决以上这些难题，从而来构造低功耗的渲染服务是图形学的未来发展趋势之一。（本段主要根据周昆博士所作发言总结）
（2）研究和谐自然的三维模型建模方法
三维模型建模方法是计算机图形学的重要基础，是生成精美的三维场景和逼真动态效果的前提。然而，传统的三维模型方法，由于其主要思想方法来源于CAD中基于参数式调整
的形状构造方法，建模效率低而学习门槛高，不易于普及和让非专业用户使用。而随着计算机图形技术的普及和发展，各类用户都提出了高效的三维建模需求，因此研究和谐自然的三维建模方法是发展的一个重要趋势。
采用合适的交互手段，来进行三维模型的快速构造，特别是应用于概念设计和建筑设计领域已引起了国际同行的广泛关注。由于笔式或草图交互方式，非常符合人类原有日常生活中的思考习惯，是研究的重点问题。其难点是根据具体的应用领域，与视觉方法相融合，如何设计合理的交互语汇以及对应的过程式“识别-构造”方法。
与此相关的一个问题是基于规则的过程式建模方法。由于Google Earth等数字地图信息系统的广泛应用，对于地图之上的建筑物信息等存在迫切需求。为此，研究者希望通过激光扫描或者视频等获取方式获得相关信息后能迅速地重建出相关三维模型信息。然而单纯的重建方式存在精度低、稳定性差和运算量大等不足，远未能满足实际的需求。因此，最近的研究中，倾向于采用基于规则的过程式建模方法相结合来尝试高效地构造出三维建筑模型，以及相关的树木等结构化场景。
三维建模方法中的另一主要问题是研究合适的曲面表达方法，以适于各类图形学的应用。在CAD的主流方法是采用NURBS（非均匀有理B-样条）方法，然而此类方法无法很好解决非正规情况下的曲面拼合，不甚适合于图形学。为此，细分曲面方法，作为一种离散迭代的曲面构造方法，由于其构造过程朴素简单以及实现容易，是一个方兴未艾的研究热点，而且极有可能逐步取代NURBS方法。主要需要解决的问题有：（i）奇异点处的C连续性的有效构造方法；(ii)与GPU图形硬件相结合的曲面处理方法。
（3）利用日益增长的计算性能，实现具有高度物理真实的动态仿真
高度物理真实感的动态模拟，包括对各种形变、水、气、云、烟雾、燃烧、爆炸、撕裂、老化等物理现象的真实模拟，是计算机图形学一直试图达到的目标。这一技术是各类动态仿真应用的核心技术，可以极大地提高虚拟现实系统的沉浸感。然而高度物理真实性模拟，主要受限于计算机的处理能力和存储容量限制，不能处理很高精度的模拟，也无法做到很高的响应速度。所幸的是，GPU技术带来了革新这一技术的可能。充分利用GPU硬件内部的并行性，研究者开始普遍关注基于GPU的各类数学物理方程求解极其相关的有限元加速计算方法。主要研究关注焦点还是单个物理方法的GPU实现。然而，随着nVidia推出了基于GPU的PhysX通用物理加速技术，以及Havok公司与AMD合作开发了通用物理中间件技术，相信未来可为高度物理真实的动态模拟提供新的研究机遇。
（4）研究多种高精度数据获取与处理技术，增强图形技术的表现
真实感的画面与逼真动态效果，一种有效的解决途径是采用各种高精度手段获取所需的几何、纹理以及动态信息。为此，研究者正在考虑对各个尺度上的信息进行获取。小到物体表面的微结构、纹理属性和反射属性通过研制特殊装置予以捕获与处理，或采用一组同摄像机来获取演员的几何形体与动态，大到采用激光扫描获取整幢建筑物的三维数据。这里主要研究的三个问题是：（a）图形获取设备的设计与实现，这是与计算机视觉、硬件、软件相关的系统工程研究问题；（b）由于一般获取的数据均极为庞大且附加了各种噪声与冗余信息，如何进行处理与压缩以适合于图形学应用是主要问题；（c）一旦获取相关的数据，如何进行重用是一个主要课题，因此使得基于数据驱动的方法，与机器学习相交叉的图形学方法是最近的研究热点。
（5）计算机图形学与图像视频处理技术的结合
家用数字相机和摄像机的日益普及，对于数字图像与视频数据处理成为了计算机研究中的热点问题。而计算机图形学技术，恰可以与这些图像处理，视觉方法相交叉融合，来直接地生成风格化的画面，实现基于图像三维建模，以及直接基于视频和图像数据来生成动画序列。当计算机图形学正向地图像生成方法和计算机视觉中逆向地从图像中恢复各种信息方法相结合，可以带来无可限量的想象空间，构造出很多视觉特效来，最终用于增强现实、数字地图、虚拟博物馆展示等多种应用中去。
（6）从追求绝对的真实感向追求与强调图形的表意性转变
计算机图形学在追求真实感方向的研究发展已进入一个发展的平台期，基本上各种真实感特效在不计较计算代价的前提下均能较好得以重现。然而，人们创造和生成图片的终极目的不仅仅是展现真实的世界，更重要的是表达所需要传达的信息。例如，在一个所需要描绘的场景中每个对象和元素都有其相关需要传达的信息，可根据重要度不同可采用不同的绘制策略来进行分层渲染再加以融合，最终合成具有一定表意性的图像。为此，研究者已经开始研究如何与图像处理、人工智能、心理认知等领域相结合，探索合适表意性图形生成方法。而这一技术趋势的兴起，实际上延续了已有的非真实感绘制研究中的若干进展，必将在未来有更多的发展。
4.小结
综观计算机图形学的发展，我们发现图形学的发展迅速，并且已经成为一门独立的学科，傲站在科学的前端。计算机图形学的已经应用到各个领域。比如计算机辅助设计与制造，自然景物仿真和计算机动画。在我们的生活到处可见，使我们的生活变的绚丽多彩。还有将可视化用于天气预报，使气象预报越来越准确；用于地质堪探，使地质学家可以发现新资源；
用于医学做一些精密的手术提高了人们的寿命等。总之计算机图形学的应用给人类带来了很多益处，在促进人们物质水平提高的同时，也给我们带来的精神上的享受。当然，计算机图形学在某些领域的发展还未成熟，需要图形学工作者再接再厉，不断完善它的不足之处。从长远来看。计算机图形学有着广泛的发展前景，而且将在人们的生活中起着越来越重要的作用。
5. 参考文献
[1] 王长波.计算机图形学[M]. 机械工业出版社. 2010.
[2] 陈凡，陈栩翔．数字电影3D 技术浅析[J]．影视技术，2006，（1）.
[3] 解双箭．计算机3D 技术在电影中的应用[J]．电影评价，2009，（16）．
浅析计算机图形学在实践中的应用摘要：本文对计算机图形在实践中的应用进行了论述。 关键词：图形学；发展；应用 1 计算机图形学的发展计算机图形学是利用计算机研究图形的表示、生成、处理，显示的科学。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。1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院（MIT）旋风一号——（Whirlwind）计算机的附件诞生．该显示器用一个类似示波器的阴极射线管（CRT）来显示一些简单的图形。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。 2 计算机图形学在曲面造型技术中的应用曲面造型技术是计算机图形学和计算机辅助几何设计的一项重要内容，主要研究在计算机图象系统的环境下对曲面的表示、设计、显示和分析。它肇源于飞机、船舶的外形放样工艺，经三十多年发展，现在它已经形成了以Bezier和B样条方法为代表的参数化特征设计和隐式代数曲面表示这两类方法为主体，以插值（Intmpolation）、拟合（Fitting）、逼近（Ap-proximation）这三种手段为骨架的几何理论体系。随着计算机图形显示对于真实性、实时性和交互性要求的日益增强，随着几何设计对象向着多样性、特殊性和拓扑结构复杂性靠拢的趋势的日益明显，随着图形工业和制造工业迈向一体化、集成化和网络化步伐的日益加快，随着激光测距扫描等三维数据采样技术和硬件设备的日益完善，曲面造型在近几年来得到了长足的发展。 2．1 从研究领域来看，曲面造型技术已从传统的研究曲面表示、曲面求交和曲面拼接，扩充到曲面变形、曲面重建、曲面简化、
计算机图形学发展综述 报告 专业 班级 学生 学号
计算机图形学发展综述 一、计算机图形学历史 1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院（MIT）旋风I（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“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
湖北大学学生课程设计 （论文） 题目：关于图形软件图形用户接口设计研究的一点思考 学号：2012221104210 069 姓名：刘雄 专业年级：计信2012级1班 教师姓名：余敦辉 2015年6 月2 日
目录 摘要和关键词（中文）-------------------------------------01 摘要和关键词（英文）-----------------------------------02 论文正文---------------------------------------------------03 1.图界面【GUI】的概述--------------------------------03 2.图形用户接口的定义--------------------------------03 3.图形软件图形用户接口【GUI】的表现形式-------------04 3.1屏幕的划分--------------------------------------------=--04 3.2字形的选用-----------------------------------------------05 3.3颜色、灰度的选择-----------------------------------------06 3.4窗口-----------------------------------------------------08 3.5菜单-----------------------------------------------------09 3.6图形符号和光标-------------------------------------------10 3.7按钮-----------------------------------------------------11 参考文献--------------------------------------------------12
1． voidLine_Midpoint(int x1, int y1, int x2, int y2, int color) { int x = x1, y = y1; int a = y1 - y2, b = x2 - x1; int cx = (b >= 0 ? 1 : (b = -b, -1)); int cy = (a <= 0 ? 1 : (a = -a, -1)); putpixel(x, y, color); int d, d1, d2; if (-a <= b) // 斜率绝对值 <= 1 { d = 2 * a + b; d1 = 2 * a; d2 = 2 * (a + b); while(x != x2) { if (d < 0) y += cy, d += d2; else d += d1; x += cx; putpixel(x, y, color); } } else // 斜率绝对值 > 1 { d = 2 * b + a; d1 = 2 * b; d2 = 2 * (a + b); while(y != y2) { if(d < 0) d += d1; else x += cx, d += d2; y += cy; putpixel(x, y, color); } } } 7 void Line_Midpoint(int x1, int y1, int x2, int y2, int color， int flag) { intx,y; if(flag==0) { x0=point.x; y0=point.y; flag=1; } else { flag=0; x1=point.x; y1=point.y; a=y0-y1；
计算机图形学论文 学号：11001010123 专业：信息与计算科学 班级：110010101 姓名： 指导教师：傅由甲
一．摘要 计算机图形学(Computer Graphics，简称CG)是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说，计算机图形学的主要研究内容就是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。计算机图形学作为计算机科学与技术学科的一个独立分支已经历了近40年的发展历程。一方面,作为一个学科,计算机图形学在图形基础算法、图形软件与图形硬件三方面取得了长足的进步,成为当代几乎所有科学和工程技术领域用来加强信息理解和传递的技术和工具。计算机图形学在我国虽然起步较晚,然而它的发展却十分迅速。我国的主要高校都开设了多门计算机图形学的课程,并有一批从事图形学基础和应用研究的研究所。在浙江大学建立的计算机辅助与图形学国家重点实验室,已成为我国从事计算机图形学研究的重要基地之一。 关键词：实现2D/3D图形的算法，纹理映射，发展简史，发展趋势 二、计算机图形学中运用到的技术算法 (1)OpenGL实现2D/3D图形的算法 OpenGL（全写Open Graphics Library）是个定义了一个跨编程语言、跨平台的编程接口的规格，它用于三维图象（二维的亦可）。OpenGL是个专业的图形程序接口，是一个功能强大，调用方便的底层图形库。OpenGL是个与硬件无关的软件接口，可以在不同的平台如Windows95、Windows NT、Unix、Linux、MacOS、OS／2之间进行移植。因此，支持OpenGL 的软件具有很好的移植性，可以获得非常广泛的应用。由于OpenGL是图形的底层图形库，没有提供几何实体图元，不能直接用以描述场景。但是，通过一些转换程序，可以很方便地将AutoCAD、3DS/3DSMAX等3D图形设计软件制作的DXF和3DS模型文件转换成OpenGL 的顶点数组。 OpenGL是一个开放的三维图形软件包，它独立于窗口系统和操作系统，以它为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植；OpenGL可以与Visual C++紧密接口，便于实现机械手的有关计算和图形算法，可保证算法的正确性和可靠性；OpenGL使用简便，效率高。它具有一下功能： 1.建模：OpenGL图形库除了提供基本的点、线、多边形的绘制函数外，还提供了复杂的三维物体（球、锥、多面体、茶壶等）以及复杂曲线和曲面绘制函数。 2.变换：OpenGL图形库的变换包括基本变换和投影变换。基本变换有平移、旋转、变比镜像四种变换，投影变换有平行投影（又称正射投影）和透视投影两种变换。 3.颜色模式设置：OpenGL颜色模式有两种，即RGBA模式和颜色索引（Color Index）。 4.光照和材质设置：OpenGL光有辐射光（Emitted Light）、环境光（Ambient Light）、漫反射光（Diffuse Light）和镜面光（Specular Light）。材质是用光反射率来表示。
第一章 1、试述计算机图形学研究的基本内容？ 答：见课本P5-6页的1.1.4节。 2、计算机图形学、图形处理与模式识别本质区别是什么？请各举一例说明。 答：计算机图形学是研究根据给定的描述，用计算机生成相应的图形、图像，且所生成的图形、图像可以显示屏幕上、硬拷贝输出或作为数据集存在计算机中的学科。计算机图形学研究的是从数据描述到图形生成的过程。例如计算机动画制作。 图形处理是利用计算机对原来存在物体的映像进行分析处理，然后再现图像。例如工业中的射线探伤。 模式识别是指计算机对图形信息进行识别和分析描述，是从图形（图像）到描述的表达过程。例如邮件分捡设备扫描信件上手写的邮政编码，并将编码用图像复原成数字。 3、计算机图形学与CAD、CAM技术关系如何？ 答：见课本P4-5页的1.1.3节。 4、举3个例子说明计算机图形学的应用。 答：①事务管理中的交互绘图 应用图形学最多的领域之一是绘制事务管理中的各种图形。通过从简明的形式呈现出数据的模型和趋势以增加对复杂现象的理解，并促使决策的制定。 ②地理信息系统 地理信息系统是建立在地理图形基础上的信息管理系统。利用计算机图形生成技术可以绘制地理的、地质的以及其它自然现象的高精度勘探、测量图形。 ③计算机动画 用图形学的方法产生动画片，其形象逼真、生动，轻而易举地解决了人工绘图时难以解决的问题，大大提高了工作效率。 5、计算机绘图有哪些特点？ 答：见课本P8页的1.3.1节。 6、计算机生成图形的方法有哪些？ 答：计算机生成图形的方法有两种：矢量法和描点法。 ①矢量法：在显示屏上先给定一系列坐标点，然后控制电子束在屏幕上按一定的顺序扫描，逐个“点亮”临近两点间的短矢量，从而得到一条近似的曲线。尽管显示器产生的只是一些短直线的线段，但当直线段很短时，连成的曲线看起来还是光滑的。 ②描点法：把显示屏幕分成有限个可发亮的离散点，每个离散点叫做一个像素，屏幕上由像素点组成的阵列称为光栅，曲线的绘制过程就是将该曲线在光栅上经过的那些像素点串接起来，使它们发亮，所显示的每一曲线都是由一定大小的像素点组成的。当像素点具有多种颜色或多种灰度等级时，就可以显示彩色图形或具有不同灰度的图形。 7、当前计算机图形学研究的课题有哪些？ 答：见课本P10-11页的1.4节。
计算机图形学论文 学号： 11001010123 专业：信息与计算科学 班级： 110010101 姓名：王俊才 指导教师：傅由甲
一．摘要 计算机图形学(Computer Graphics，简称CG)是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说，计算机图形学的主要研究内容就是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。计算机图形学作为计算机科学与技术学科的一个独立分支已经历了近40年的发展历程。一方面,作为一个学科,计算机图形学在图形基础算法、图形软件与图形硬件三方面取得了长足的进步,成为当代几乎所有科学和工程技术领域用来加强信息理解和传递的技术和工具。计算机图形学在我国虽然起步较晚,然而它的发展却十分迅速。我国的主要高校都开设了多门计算机图形学的课程,并有一批从事图形学基础和应用研究的研究所。在浙江大学建立的计算机辅助与图形学国家重点实验室,已成为我国从事计算机图形学研究的重要基地之一。 关键词：实现2D/3D 图形的算法，纹理映射，发展简史，发展趋势 二、计算机图形学中运用到的技术算法 (1)OpenGL 实现2D/3D 图形的算法 OpenGL（全写Open Graphics Library）是个定义了一个跨编程语言、跨平台的编程接口的规格，它用于三维图象（二维的亦可）。OpenGL是个专业的图形程序接口，是一个功能强大，调用方便的底层图形库。OpenGL是个与硬件无关的软件接口，可以在不同的平台如Windows 95、Windows NT、Unix、Linux、MacOS、OS／2之间进行移植。因此，支持OpenGL 的软件具有很好的移植性，可以获得非常广泛的应用。由于OpenGL是图形的底层图形库，没有提供几何实体图元，不能直接用以描述场景。但是，通过一些转换程序，可以很方便地将AutoCAD、3DS/3DSMAX等3D图形设计软件制作的DXF和3DS模型文件转换成OpenGL 的顶点数组。 OpenGL是一个开放的三维图形软件包，它独立于窗口系统和操作系统，以它为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植；OpenGL可以与Visual C++紧密接口，便于实现机械手的有关计算和图形算法，可保证算法的正确性和可靠性；OpenGL使用简便，效率高。它具有一下功能： 1.建模：OpenGL图形库除了提供基本的点、线、多边形的绘制函数外，还提供了复杂的三维物体（球、锥、多面体、茶壶等）以及复杂曲线和曲面绘制函数。 2.变换：OpenGL图形库的变换包括基本变换和投影变换。基本变换有平移、旋转、变比镜像四种变换，投影变换有平行投影（又称正射投影）和透视投影两种变换。 3.颜色模式设置：OpenGL颜色模式有两种，即RGBA模式和颜色索引（Color Index）。 4.光照和材质设置：OpenGL光有辐射光（Emitted Light）、环境光（Ambient Light）、漫反射光（Diffuse Light）和镜面光（Specular Light）。材质是用光反射率来表示。
华北电力大学 课程论文 | | 论文题目计算机图形学理论与技术发展趋势研究 课程名称计算机图形学 | | 专业班级：学生姓名： 学号：成绩： （纸张用A4，左装订；页边距：上下2.5cm,左2.9cm, 右2.1cm）* 封面左侧印痕处装订
计算机图形学理论与技术发展趋势 研究 摘要: 计算机图形学(Computer Graphics，简称CG)是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说，计算机图形学的主要研究内容就是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。 关键字：研究领域与目的发展历程应用方面 引言：计算机图形学是计算机与应用专业的专业主干课，它的重要性体现在人们越来越强烈地需要和谐的人机交互环境：图形用户界面已经成为一个软件的重要组成部分，以图形的方式来表示抽象的概念或数据（可视化）已经成为信息领域的一个重要发展趋势。 正文：计算机图形学的主要研究内容就是研究如何在计算机上表示图形、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。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，也就是通常所说的真实感图形。 计算机图形学一个主要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。同时，真实感图形计算的结果是以数字图像的方式提供的，计算机图形学也就和图像处理有着密切的关系。 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、非真实感绘制，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。 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
计算机图形学总结 首先，感谢老师一个学期以来的教导，您的授课真的让我受益匪浅。您不仅教会了我们很多新颖的知识，还让我们对一些事情有了新的正确认识。 其次，通过一个学期的学习，经过老师细心的讲解，我对图形学这门课有了基础的认识，从您的课上我学到了不少知识，基本上对图形学有了一个大体的认识。上课的时候，您的PPT做的栩栩如生，创意新颖的FLASH就吸引了我的眼球，再加上您那详细生动的讲解，就让我对这门课产生了浓厚的兴趣，随着一节一节课的教学，您的讲课更加深深地吸引了我，并且随着对这门课越来越深入的了解更促使我产生了学好这门的欲望。您教会了我们怎们做基本知识，还教了我们不少的算法。听您的课可以说是听得津津有味。以下就是我对计算机图形学这门课的认识。 计算机图形学Computer Graphics简称CG是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说计算机图形学的主要研究内容就是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！计算机图形学主要研究两个问题：一个是如何在计算机中构造一个客观世界---几何（模型）的描述，创建和处理，一‘几何’一词统一表述之，二是如何将计算机中的虚拟世界用最形象的方式静态或动态的展示出来，几何的视觉再现，一‘绘制’一词统一表述之。由此可以说: 计算机图形学=几何+绘制 本课程让我了解了和掌握必要的图形学概念、方法和工具。智能CAD计算机美术与设计计算机动画艺术科学计算可视化。 一、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也就是通常所说的真实感图形。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
计算机图形学 姓名：李倩倩 班级：硕研10-14 学号： 第一题： #include <> #include <> void MidpintLine( HDC hDC,int x0,int y0,int x1,int y1,unsigned long color) { int a,b,delta1,delta2,d,x,y; a=y0-y1; b=x1-x0; d=2*a+b; delta1=2*a; delta2=2*(a+b); x=x0; y=y0; SetPixel(hDC,x,y,color); while(x 第一章 一、名词解释 图形；图像；点阵表示法；参数表示法； 二、选择题： 1. 下面哪个不是国际标准化组织（ISO）批准的图形标准。（） A.GKS B.PHIGS C.CGM D.DXF 2. 下面哪一项不属于计算机图形学的应用范围？（B） A. 计算机动画； B. 从遥感图像中识别道路等线划数据； C. QuickTime技术； D. 影视三维动画制作 3. 关于计算机图形标准化的论述，哪个是正确的（）； A. CGM和CGI是面向图形设备的接口标准； B. GKS、IGES、STEP均是ISO标准； C. IGES和STEP是数据模型和文件格式的标准； D. PHIGS具有模块化的功能结构； 4. 与计算机图形学相关的学科有____。 A. 图象处理 B. 测量技术 C. 模式识别 D. 计算几何 E. 生命科学 F. 分子生物学 三、判断题： 计算机图形学和图像处理是两个近似互逆的学科。[]计算机图形学处理的最基本的图元是线段。[] 四、简答题： 图形包括哪两方面的要素，在计算机中如何表示它们？ 阐述计算机图形学、数字图象处理和计算机视觉学科间的关系。 图形学作为一个学科得以确立的标志性事件是什么？ 试列举出几种图形学的软件标准？工业界事实上的标准有那些？ 举例说明计算机图形学有哪些应用范围，解决的问题是什么？ 第二章 一、选择题： 1. 触摸屏是一种（） A. 输入设备； B. 输出设备； C. 既是输入设备，又是输出设备； D. 两者都不是； 2. 空间球最多能提供（）个自由度； A. 一个； B. 三个； C. 五个； D. 六个； 3. 等离子显示器属于（） A. 随机显示器； B. 光栅扫描显示器； C. 平板显示器； D. 液晶显示器； 4. 对于一个1024×1024存储分辩率的设备来说，当有8个位平面时，显示一帧图象所需要的内存为（） A. 1M字节； B. 8M字节； C. 1M比特； D. 8M比特； 5. 分辨率为1024*1024的显示器，其位平面数为24，则帧缓存的字节数应为（） A. 3MB； B. 2MB； C. 1MB； D. 512KB； 6. 下面对光栅扫描图形显示器描述正确的是：（） A. 荧光粉涂层均匀离散分布； B. 是一种点画设备； C. 电子束从顶到底扫描； 攀枝花学院 学生课程设计（论文） 题目：图书馆图书管理系统 学生姓名：黄志强学号：201110801008 所在院(系)：计算机学院 专业：计算机科学与技术 班级： 2011级1班 指导教师：罗学刚 2012年6月13日 攀枝花学院本科学生课程设计任务书 注：任务书由指导教师填写。 课程设计（论文）指导教师成绩评定表 摘要 汉诺塔（又称河内塔）问题是一个古典的数学问题，是一个用递归方法解题的典型例子。问题是这样的：开天辟地的神勃拉玛在一个庙里留下了三根金刚石的棒，第一根上面套着64个圆的金片，最大的一个在底下，其余一个比一个小，依次叠上去，庙里的众僧不倦地把它们一个个地从这根棒搬到另一根棒上，规定可利用中间的一根棒作为帮助，但每次只能搬一个，而且大的不能放在小的上面。 利用计算机图形学进行汉诺塔演示程序设计,是利用C语言绘图函数实现汉诺塔的递归算法图形界面演示过程。通过C语言实现图形学的绘图，程序控制，以及区域填充，并根据汉诺塔的算法原理实现大小不同的盘子移动的全过程演示。 关键词汉诺塔，变换矩阵，种子填充算法，递归调用 目录 摘要 .......................................................................................................................................... I 1 需求分析 (1) 1.1 需求概述 (1) 1.2 需求环境 (1) 1.3 功能描述 (2) 2 概要设计 (3) 2.1 程序功能模块 (3) 2.2 程序流程图 (3) 2.3 数据结构的设计 (4) 3 详细设计 (5) 3.1 程序初始化 (5) 3.1.1 代码功能 (5) 3.1.2 功能实现代码 (5) 3.2 盘块的移动过程 (5) 3.2.1代码功能 (5) 3.2.2 功能实现代码 (5) 3.3 递归函数 (6) 3.3.1 流程图 (6) 3.3.2 功能实现代码 (7) 4 测试与运行 (8) 结束语 (9) 参考文献 (10) 习题 2．试证明下述几何变换的矩阵运算具有互换性： （1）两个连续的旋转变换；（2）两个连续的平移变换； （3）两个连续的变比例变换；（4）当比例系数相等时的旋转和比例变换； （1）证明：设第一次的旋转变换为： cosθ1 sinθ1 0 T1= - sinθ1 cosθ1 0 0 0 1 第二次的旋转变换为： Cosθ2 s inθ2 0 T2= - sinθ2 cosθ2 0 0 0 1 则因为 T1*T2 = cosθ1 sinθ1 0 cosθ2 sinθ2 0 - sinθ1 cosθ1 0 - sinθ2 cosθ2 0 0 0 1 0 0 1 = cosθ1 cosθ2+sinθ1 sinθ2 cosθ1 sinθ2+ sinθ1 cosθ2 0 - sinθ1 cosθ2- cosθ1 sinθ2 -sinθ1 sinθ1+ cosθ1 cosθ2 0 0 0 1 Cos（θ1+θ2）sin（θ1+θ2） 0 = - sin（θ1+θ2） cos（θ1+θ2） 0 0 0 1 cosθ2 sinθ2 0 cosθ1 sinθ1 0 T2*T1 = - sinθ2 cosθ2 0 - sinθ1 cosθ1 0 0 0 1 0 0 1 cosθ1 cosθ2+ sinθ1 sinθ2 cosθ1 sinθ2+ sinθ1 cosθ2 0 = - sinθ2cosθ1- cosθ2 sinθ1 -sinθ1 sinθ1+ cosθ1 cosθ2 0 0 0 1 Cos（θ1+θ2）sin（θ1+θ2） 0 = - sin（θ1+θ2） cos（θ1+θ2） 0 0 0 1 即T1*T2= T2*T1, 两个连续的旋转变换具有互换性 （2）证明：设第一次的平移变换为： 1 0 0 T1= 0 1 0 Tx1 Ty1 1 第二次的平移变换为： 1 0 0 T2= 0 1 0 Tx2 Ty2 1 则因为 T1*T2 = 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 Tx1 Ty1 1 Tx2 Ty2 1 1 0 0 = 0 1 0 Tx1+Tx2 Ty1+Ty2 1 而 T2*T1 = 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 Tx2 Ty2 1 Tx1 Ty1 1 1 0 0 = 0 1 0 第三章图形标准 3.1 图形标准的分类 建立图形标准的目的是使图形与计算机硬件无关，实现程序的可移植和数据的可交换。 图形标准的分类： 应用程序接口 图形数据交换 3.2 应用程序接口标准 1）GKS（Graphics Kernel System） 1985年，第一个ISO国际计算机图形信息标准，图形核心系统（GKS），正式颁布。 GKS提供了在应用程序和图形输入输出设备之 间的功能接口，定义了一个独立于语言的图形核 心系统。 GKS是一个二维图形标准，使用GKS编制出来 的应用程序可方便地在具有GKS的不同图形系统 之间移植。以后又开发出了三维图形核心系统（GKS-3D）。 2）PHIGS （Programmer’s Hierarchical Interactive Graphics System） PHIGS（ Programmer's Hierarchical Interactive Graphics System ）是ISO于1986年公布的计算机图形系统标准。PHIGS是为具有高度动态性，交互性的三维图形应用而设计的图形软件工具库，其最主要的特点是能够在系统中高效率地描述应用模型，迅速修改图形模型的数据，并能绘制显示修改后的图形模型，它也是在程序与图形设备之间提供了一种功能接口。 3.3 图形数据交换标准 1）CGM （Computer Graphic Metafile） 1980年开始，美国国家标准委员会ANSI和国 际标准化组织ISO专门成立了标准化组着手计算机 图元文件（CGM）标准的制定，并于1987年正式成为ISO标准， CGM提供了一个在虚拟设备接口上存贮与传输图形数据及控制信息的机制。它具有广泛的适用性，大部分的二维图形软件都能够通过CGM进行信息存贮和交换。CGM标准是由一套标准的与设备无关的定义图形的语法和词法元素组成。 计算机图形学综述 魏仁斌20122712软件4班 计算机图形学是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说，计算机图形学的主要研究内容就是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。 如何在计算机中表示图形,以及如何利用计算机进行图形的生成、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。从处理技术上来看，图形主要分为两类，一类是由线条组成的图形，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等，另一类是类似于照片的明暗图，也就是通常所说的真实感图形。 可以说，计算机图形学的一个重要研究内容就是要利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形。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重要的研究内容。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形式存在的灰度信息。 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。 智能CAD的发展也显现出智能化的趋势，就大多数流行的CAD软件来看，主要功能是支持产品的后续阶段一一工程图的绘制和输出，产品设计功能相对薄弱，利用AutoCAD 最常用的功能还是交互式绘图，如果要想进行产品设计，最基本的是要其中的AutoLisp语言编写程序，有时还要用其他高级语言协助编写，很不方便。而新一代的智能CAD系统可以实现从概念设计到结构设计的全过程。 智能CAD的另一个领域是工程图纸的自动输入与智能识别，随着CAD技术的迅速推广应用，各个工厂、设计院都需将成千上万张长期积累下来的设计图纸快速而准确输入计算机，作为新产品开发的技术资料。多年来，CAD中普遍采用的图形输入方法是图形数字化仪交互输入和鼠标加键盘的交互输入方法．很难适应工程界大量图纸输入的迫切需要。因此，基于光电扫描仪的图纸自动输入方法已成为国内外CAD工作者的努力探索的新课题。但由于工程图的智能识别涉及到计算机的硬件、计算机图形学、模式识别及人工智能等高新技术内容，使得研究工作的难点较大。工程图的自动输入与智能识别是两个密不可分的过程，用扫描仪将手绘图纸输入到计算机后，形成的是点阵图象。CAD中只能对矢量图形进行编辑，这就要求将点阵图象转化成矢量图形．而这些工作都让计算机自动完成。 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。从构成要素上看，图形主要分为两类，一类是几何要素在构图中具有突出作用的图形，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等，另一类非几何要素在构图中具有突出作用的图形，如明暗图、晕渲图、真实感图形等。 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像的方式提供的，计算机图形学也就和图像处理有着密切的关系。 计算机图形学论文题目：边缘填充算法思想与改进 院（系） 专业计算机系 班级 学号 姓名 指导老师 摘要 计算机图形学边缘填充算法的基本思想是，逐边向右取补。它适用于具有帧缓冲区的图形系统。边缘填充算法包括传统的边缘填充算法﹑栅栏填充算法和打标志算法。本文通过对边缘填充算法的描述引出栅栏填充算法的改进，通过改进栅栏的选择来。边缘填充是一类多边形扫描转换算法, 算法思路清晰, 结构简单。算法的一个不足是对复杂图形的每一象素都要进行多次I/O操作, 影响算法的效率。本文对此作了改进,给出的改进算法对象素的访问次数较少, 因而有较高的效率。 关键词（宋体小三号）：计算机图形学；边缘填充算法；栅栏填充算法；改进。 目录 摘要 (1) 引言 (3) 一、算法原理 (4) 二、适用领域 (4) 三、算法种类 (4) 四、算法程序节选 (4) 五、算法改进 (6) 结语 (7) 参考文献 (8) 引言 近年来, 随着计算机技术的迅速发展及图形设备价格的下降, 光栅图形技术发展很快, 它的应用领域不断扩大, 并己成为计算机图形学的一个重要分支。 边缘填充算法采用求余的方法, 免去了有序边表算法中对边排序的工作量, 而改用求余运算代替。其特点为可以按任意顺序处理多边形的边。算法的主要不足之处在于, 对于较复杂的图形每一象素可能被访问多次, 因此这一算法受到输入=输出条件的限制。栅栏填充算法要比边缘填充算法访问象素的次数减少。 本文最后给出的栅栏填充改进算法在传统的栅栏填充算法思想上，改进了栅栏的选取，通过过多边形两个顶点的连线作为栅栏线，然后去各个边到栅栏的投影取补，循环一周形成填充效果。（宋体小四号，字号、行距均同正文） 计算机图形学概论论文 题目：图形显示原理 姓名：谢春晖 学号;08315122 学院：机械与电子工程学院 专业：机械电子工程 通过课堂的学习我们了解了计算机图形学的图形学的一些专业知识，首先我们明白了，图形的显示过程，扫描显示原理，光栅扫描显示，随机扫描显示等等关于计算机图形学的相关知识。 一，图形显示过程 图形的显示过程应该从硬件和软件两个方面来说。就硬件方面来说，当电子束扫描到屏幕上某一像素的位置（坐标）时，显示器中的显示处理器dpu（display processing unit）会同时从对应的显示缓冲单元中取出像素值，并以此查找彩色表的地址，从该地址处得到该像素的红、绿、蓝三基色分量，经d／a转换后分别控制三基色电子枪，使屏幕上该像素显示出三基色的混合色。在图2示例中，彩色表的红、绿分量分别为15，而蓝分量为0，因此，屏幕上该像素的颜色会是黄色。 就软件方面来说，要完成图形显示的初始化及图形的加工。这里，初始化的意思是要将计算机的显示方式设置为显示器所能够显示的某一种模式，并将所有的显示缓冲单元清零，另外，对彩色表的每一个单元要分别填上预定的颜色值，使彩色索引与具体的颜色联系起来。 图形加工则是图形软件的主要任务，其主要内容是：根据需要显示的图形内容，随时改写显示缓冲单元的内容。这是因为屏幕上显示的图形是由显示卡上显示缓冲区中的内容唯一决定的。一旦在显示缓冲单元中写入要求的彩色索引值，图形就自然在屏幕上显示出来了。 二，扫描显示原理 1.光栅扫描显示 （1）光栅扫描显示的帧：在刷新式CRT光栅扫描方式中，电子束总是不断地从左到右、从上到下反复扫描整个屏幕。电子束从左到右(横向)扫描一次为一条扫描线。在每条扫描线末端，电子束返回到屏幕的左边，又开始显示下一条扫描线。从屏幕顶部到屏幕底部(纵向)的扫描线构成一帧图像。一帧图像是显示系统执行一次全屏幕循环扫描(一次屏幕刷新)所产生的图像。每帧终了，电子束返回到屏幕的左上角，开始下一帧。在扫描过程中，只要在对应时刻、对应位置控制电子束的强度就能显示所要的图形。 （2）光栅扫描的逐行扫描：扫描线在屏幕上自上而下一条一条地扫描。当电子束从左到右到达屏幕的右边在每条扫描线末端，电子束返回到屏幕的左边，又开始显示下一条扫描线。在回扫过程中，电子束几乎不发射出电子，而且速度也很快。水平回扫(horizontal retrace)：每条扫描线扫过后，返回到屏幕左端。垂直回扫(vertical retrace)：当电子束到达屏幕底部时，又返回到屏幕左上角。然后，从头开始扫描下一帧。 （3）光栅扫描的隔行扫描：某些系统采用隔行(interlaced)刷新方式，每帧显示分为两趟：第一趟：电子束从顶到底，一行隔一行地扫描。第二趟：垂直回扫后，电子束则再扫描另一半扫描线。以这种方式的隔行扫描使在逐行扫描所需时间的一半时就能看到整个屏幕显示。隔行扫描技术主要用于较慢的刷新速率。例如，对一个较老的每秒30帧的非隔行扫描显示，可注意到它的闪烁。采用隔行扫描，两趟中的每一趟可以1/60秒完成，也就是说，刷新速率接近每秒60帧。这是避免闪烁且提供相邻扫描线包含类似的显示信息的有效技术，也是降低成本而不增加闪烁感的有效办法。 （4）光栅扫描刷新频率：光栅扫描显示器每秒刷新的循环数称CRT的刷新频率。 计算机图形学的应用及研究前沿 摘要 计算机图形学是一门研究计算机图形原理、方法和技术，使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的学科。它的研究分为两个部分：一部分就按就几何作图，它包括平面线条作图和三维立体建模等；另一部分是研究图形表面渲染，它包括表面色调、光照、阴影和纹理等表面属性的研究。目前，计算机图形学的应用已经深入到真实感图形、科学计算可视化、虚拟环境、多媒体技术、计算机动画、计算机辅助工程制图等领域。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。本文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方向。 关键词：应用；计算机；研究前沿；CAD技术；三维；可视化。 Abstract Computer Graphics is the study of computer graphics principles, methods and techniques Using mathematical algorithms to translate two-dimensional or three-dimensional computer graphics into the display grid in the form of discipline. Its research is divided into two parts: one to press on the geometric construction, which includes the line drawing and three-dimensional surface modeling; the other is the surface rendering of graphics, which include surface color, light, shadow and texture, and so the surface property of. Currently, the application of computer graphics has gone deep into the realistic graphics, scientific visualization, virtual environments, multimedia technology, computer animation, computer aided engineering drawings and other fields. After 30 years of development, computer graphics, computer science has become a branch of one of the most active and widely used. This article describes research in computer graphics, history, application and direction of cutting edge graphics. Key words: application ；computer；Research Frontiers；technology of CAD ； three-dimension ;Visualization 。 1计算机图形学简介极其发展史 计算机图形学属于可视化计算机领域，是研究如何用计算机生成可视图形和如何用计算机模拟现实世界的科学。计算机图形学源于学术兴趣，起初依靠政府的资助发展，但随着图形学软件在广播电视和电影领域的广泛应用，越来越多的商业团体投资该领域，最后商业投资成为图形学发展的主要因素。计算机图形学考核题库
《计算机图形学》课程设计论文(参考)
计算机图形学答案,第七章
计算机图形学：第三章 图形标准
计算机图形学综述
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