图形图像是传递信息的主要途径人们使用图形来表达与交
第1章 绪 论
图形图像是传递信息的主要途径。人们使用图形来表达与交流思想有着悠久的历史，尤其在当今的工程领域和各个学科及其分支都离不开图形和图像。人的眼睛从一张图纸中吸收的信息比从一张数据表格吸收的信息要快得多，而且，如果图形和数字能够互为补充，则可使人们更深刻地认识事物的本质及其内在联系。为了能够更好地模拟出虚拟的“真实”世界，人们使用了当今最为先进的各种技术手段，研制出了许多优秀的图形软硬件系统。对于软件系统而言，OpenGL和C++(包括C)程序设计语言是推动图形学发展的重要动力。因此，为了更好地理解和学习基于OpenGL、由C++写成的Open Inventor三维图形API(Application Programming
Interface，应用程序编程接口)，本章先从计算机图形学(Computer Graphics)的发展开始，一步步加深对Open Inventor这一强大的图形编程工具的理解。
1.1 计算机图形学的简单回顾
计算机图形学是研究如何用数字计算机生成、处理和显示图形的一门学科。图形学的应用从某种意义上标志着计算机软、硬件的发展水平。人们要利用计算机进行工作，必须有人与计算机之间进行传递信息的手段——人机界面。人机界面从早期的读卡机及控制板上的开关和指示灯发展到键盘和字符中断，再发展到基于键盘、鼠标、光笔等输入设备和光栅显示器的图形用户界面，而最终必然过渡到带给用户身临其境感觉的三维用户界面——虚拟环境(虚拟现实)。计算机图形学来源于生活、科学、工程技术、艺术、音乐、舞蹈、电影制作等各行各业，反过来它又大大促进了这些领域的发展。
1.1.1 计算机图形学的发展简史 本书侧重于介绍那些源于过去、至今仍在使用而且将来大概还会继续使用的基本原理和技术，这些内容通常会贯穿于整本书中。本节简要地回顾计算机图形学的发展历史，说明当今系统的由来。关于该领域更为详尽的发展演化过程，可以参考附录中相关参考文献。编写硬件的发展历史显然要比软件的更为容易一些，因为硬件的发展状况对本领域的影响较大。因此，先从硬件谈起。
本科学生论文设计
题 目《计算机图形学与3D打印技术》
姓 名 任富祖
学 号 134130412
院 系 旅游与地理科学学院
专 业 地理信息科学
指导教师 沈盈佳
被称学术领域称之为“夏季奥运会”的计算机图形学前沿进展的暑期免费公开课于2015年7月27日，在中国科学技术大学拉开序幕。开课当天，刘利刚教授针对“计算机图形学新进展”与“3D打印中的计算机图形学研究”方面的两个课题进行了相关介绍。①
由此次中科大所研究的课题我们可以看出，计算机图形学与3D打印技术有着密不可分的联系，那么什么是计算机图形学，什么是3D打印技术呢？
什么是计算机图形学？计算机图形学(Computer Graphics，简称CG)的内容比较丰富，与很多学科都有交叉，因此这是无法严格定义的。
在“Wiki百科”和“百度百科”上，对“计算机图形学”的解释为：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。虽然通常认为CG是指三维图形的处理，事实上也包括了二维图形及图像的处理。
狭义地理解，计算机图形学是数字图象处理或计算机视觉的逆过程：计算机图形学是用计算机来画图像的学科，数字图象处理是把外界获得的图象用计算机进行处理的学科，计算机视觉是根据获取的图像来理解和识别其中的物体的三维信息及其他信息。
在学科开创之初，计算机图形学要解决的是如何在计算机中表示三维几何图形,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，产生令人赏心悦目的真实感图像。这是狭义的计算机图形学的范畴。随着近40年的发展，计算机图形学的内容已经远远不止这些了。广义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。
人机交互与人机界面的区别
人机交互与人机界面都是人们与计算机进行交互的方式，但二者之间存在着细微的差别。人机交互（HCI）是指一种涉及到用户在与计算机进行互动时所采取的方式、截留及响应等的综合科学，而人机界面（UI）则是指人与计算机之间的交互媒介。虽然二者之间存在着一定的联系和相互关联，但是它们的重点和应用在许多方面都是不同的，下面就分别对它们进行分析和解释。
人机交互是复杂技术系统的一部分，它的目的是将人们的需求、技能和经验应用于计算机软件和硬件中，以便提高系统的可用性、易用性和用户满意度。具有良好的HCI系统，通常能够提供可预测的操作和反馈机制，同时还能更好地满足用户的需求和期望。为了达到这个目的，HCI系统通常需要以人类行为和认知为基础来设计和构建，这包括认知心理学、人类工程学、计算机图形学、交互设计等学科。
人机界面，则是为人与计算机进行交互设计的一种界面，包括视觉、听觉等多种模式。UI由软件、硬件、图形等多种因素组成，可以通过窗口、按钮、菜单、滑块、进度条等元素来与用户进行交互。一个好的UI界面能够帮助用户更好的理解和使用计算机软件，提高用户的生产力和效率。
在HCI和UI之间，相互作用是密不可分的。好的HCI需要优秀的UI界面加持，同时优秀的UI也需要无间的HCI配合，因为好的UI界面只是使用过程中的环节之一，而好的HCI才是使用过程中的核心。例如，当用户通过有限的光标和按钮来进行选择和操纵时，UI能够温和地引导用户，从而明智和正确地使用系统。不仅如此，UI也应该具有可扩展性，以适应不同的使用环境和用户需求。要实现这一点，设计师和开发者必须对观察人员、测试反馈、使用数据、用户参与和其他人机交互技术的使用加以研究和分析。
人机交互根据所面向的应用领域可分为多种类型，例如智能家居、游戏、医疗、航空、智能交通等。在不同的应用领域下，人机交互的设计和需求也会有所不同。例如，游戏人机交互的设计需求有更强的娱乐性和艺术性，而医疗人机交互的设计则更为注重安全性和科学性。对于UI而言，设计师和开发者也面临着设计适合不同应用场景的UI的压力。例如，针对不同的用户群体、任务类型和技能水平等，一个完美的UI是可以自我适应的，并能提供准确、一致和简单的用户界面。 在实践中，HCI和UI的设计和实现是需要专业知识和经验的，设计者和开发者需要与用户和其他相关人员频繁交流与合作，共同解决使用过程中的问题和挑战。为了确保HCI和UI的有效性和可用性，设计师和开发者需要深入了解用户和使用环境，跟踪相关科技和技术发展动向，并对人机交互和界面设计的最佳实践持续不断地进行研究和实践。
人机交互设备概述
1、总体概述(历史、工作原理、产品)
人机交互界面作为一个独立的、重要的研究领域受到了世界各计算机厂家的 关注。并成为90年代计算机行业的又一竞争领域。从计算机技术的发展过程来看，
人机交互界面技术还引导了相关软硬件技术的发展，是新一代计算机系统取得成 功的保证。
80年代已来，计算机的软件和硬件技术取得了较大的发展，同时，计算机的 使用者也从计算机专家迅速扩大到了广大未受过专门训练的普通用户，由此极大 地提高了用户界面在系统设计和软件开发中的重要性，强烈地刺激了人机交互界 面的进步。
人－计算机的交互作用是通过用户界面来实现的。与传统人－机系统不同的 是，人－计算机系统中的交互形式已成为用户与计算机两个“智能系统”之间的 通讯和对话。
在计算机技术发展的初期，由于系统的运行速度慢、价格昂贵并且可靠性差，
不可能进行交互使用，用户必须调整自己的行为去适应机器的要求。因此，与计 算机使用中的其它问题相比，界面只是一个小问题。随着计算机性能的提高，系 统能够用一部分资源来处理人－计算机界面，用户界面设计开始引起人们的注意。
用户界面的发展对计算机系统整体性能的提高所具有的重要性已经得到了人 们的高度重视，与此同时，围绕人机建模业已形成了计算机产业又一新的竞争领 域。在美国人机建模研究在信息技术中被列为与软件和计算机并列的六项国家关 键技术之一，并被认为“对于计算机工业有着突出的重要性，对其它工业也是很 重要的”。美国国防关键技术计划不仅把人机交互界面列为软件技术发展的重要 内容之一，而且还专门增加了与软件技术并列的人－系统界面一项内容。日本也 提出了FPIEND21计划（Future Personalized Information Enviroment Develop- ment)，其目标就是要开发21世界的计算机界面。
进入九十年代计算机软件开发已进入了以开发软件工具和建立软件开发环境 为目标的时代。作为支持人机交互软件开发环境的用户界面管理系统UIMS正日益 受到人们的关注和重视。今后UIMS将有可能进入各类实际软件开发环境，成为继 DBMS之后的又一个重要的软件开发环境和工具。
