1、高职高专 现代信息技术系列教材,人民邮电出版社,图形图像 实用教程,第1章 计算机图形学基础,1.1 计算机图形学与图像处理1.2 计算机图形学的发展与应用1.3 图形系统的组成1.4 图形与图像的基本概念1.5 图形构成与变换的基本概念,退出,1.1 计算机图形学与图像处理,计算机图形学基本内容是使用计算机通过算法和程序在显示设备上构造出图形。计算机图形学研究的对象是一种利用数学方法表示的称为矢量图的文件。图像处理是指对景物或图像的分析技术，图像处理研究的对象是一种二维的称为点阵图的文件。计算机图形学与图像处理都是利用计算机来处理图形和图像，但是一直属于两个不同的技术领域。不过，两者间的结合
2、日渐密切并相互渗透。,1.2 计算机图形学的发展与应用,1.2.1 计算机图形学的发展 1. 计算机图形学的发展进程计算机图形学是随着计算机科学技术而产生与发展起来的，它是计算机科学技术与雷达、电视及图像处理技术综合发展的产物。,（1）1950年，美国麻省理工学院（MIT）旋风I号（Whirlwind I）计算机配置了第一台图形显示器。（2）20世纪50年代末期，美国麻省理工学院的林肯实验室第一次使用了具有指挥和控制功能的CRT显示器。预示着交互式图形学的诞生。（3）1962年，美国麻省理工学院林肯实验室的Ivan E.Sutherland发表了题为Sketchpad:一个人机通信的图形系统的
3、博士论文，Ivan E.Sutherland提出的系统Sketchpad已被公认为对交互图形生成技术的发展奠定了基础。,（4）20世纪60年代的计算机主要以大型机形式出现，主要用于科学计算与事务管理。60年代是计算机图形学确立与发展的时期，图形技术的应用还不够成熟与广泛。（5）20世纪70年代，计算机图形学技术进入真正的实用化阶段。集成电路技术发展、计算机硬件性价比提高、廉价图形输入输出设备及大容量磁盘等出现，小型与超小型计算机为基础的图形生成系统进入市场并成为主流。,（6）随着20世纪80年代带有光栅图形显示器的个人计算机与工作站的出现，计算机图形学获得了极大的促进与发展。（7）进入20世纪
4、80年代后期，由于微型计算机的性能价格比的极大提高，其目前已被广泛地用于计算机图形技术的各个应用领域。,2. 图形设备的发展对硬件系统来说，除了计算机系统本身的性能外，对计算机图形学的发展产生影响的重要因素是图形显示设备。（1）20世纪60年代中期使用的是随机扫描显示器，也称为矢量显示器，它具有较高的分辨率和对比度及良好的动态显示性能，但在显示复杂的图形时会产生闪烁现象，为此需要一个刷新缓冲存储器来解决此问题。（2）60年代后期，出现了存储管理式显示器，它不需要缓冲存储器和刷新过程，消除了闪烁问题，但还不具有显示动态图形的能力等。这种显示器成为70年代计算机图形系统的典型模式。,（3）70年中
5、期出现的廉价固体电路随机存储器可以提供比以前大得多的刷新存储器，由此产生的基于电视技术的光栅图形显示器极大地推动了计算机图形学的发展。光栅图形显示器比随机扫描显示器有较多的优点，如：a它可以显示颜色或各种模式填充的图形，这对在屏幕上显示生成的三维物体的真实感图形具有很大的意义。b这种显示器的刷新过程与图形的复杂程度没有关系，只要基本的刷新频率足够高，就可以避免因图形复杂而产生闪烁的现象。,c由于规则而重复的扫描比随机扫描容易实现，因此光栅图形显示器的价格也比较便宜。基于这些优点，一段时间以来，光栅图形显示成为图形显示的主要方式。（4）在计算机图形输出设备不断发展的同时，也出现了各种不同类型的图
6、形输入设备，如光笔、鼠标及图形输入板、操纵杆、跟踪球、键盘、坐标数字化仪、图形扫描仪及触摸屏等。,3. 图形软件的标准化随着计算机图形显示器从专用设备发展成标准化的人机通信接口，图形显示及应用软件必然应有相应的发展。图形显示软件由底层次的与设备有关的软件包转变为高层次的与设备无关的软件包，就是图形软件的标准化过程。图形软件标准化问题是20世纪70年代中期被提出的，美国计算机协会（ACM）的图形标准化委员会，在1977年提出CGS（Core Graphics System核心图形系统）规范。1979年公布修改版。随后，国际标准化组织（ISO）发布：,a.计算机图形接口CGI（Computer G
7、raphics Interface）b.计算机图型元文件标准CGM（Computer Graphics Metafile）c.计算机图形核心系统GKS（Graphics Kernel System）d.程序员层次交互式图形系统PHIGS（Programmers Herarchical Interactive Graphics System）等。这些标准包括面向图形设备的驱动程序包、面向用户的图形生成及管理程序包等，其主要作用是为实现程序的可移植性等。,1.2.2 计算机图形学的应用 计算机图形系统在硬件与软件性能上的不断提高，使得计算机图形生成技术应用的领域日益广泛。主要有以下几个应用领域。,
8、1.计算机辅助设计与制造（CAD/CAM） 2.科学技术与事恶管理中的交互式绘图 3.科学计算的可视化 4.过程控制与系统环境模拟 5.工业模拟 6.电子出版系统与办公自动化 7.计算机动画与广告设计 8.计算机艺术设计 9.勘探及测量的图形显示 10.计算机辅助教学,1.3 图形系统的组成,计算机图形系统由硬件设备与软件系统两部分组成。硬件主要包括计算机主机、图形显示器及鼠标与键盘等交互工具等。通常还可以包括图形输入板、绘图机、图形打印机等图形输入输出设备。目前，数字相机、数字摄像机等也是常见的图形输入设备。软件系统主要包括操作系统、图形软件，以及其它有关的应用软件与高级语言开发环境等。,1
9、.3.1 图形系统的基本功能与分类 1. 图形系统的基本功能图形系统主要有计算、存储、输入、输出及对话等五个方面的基本功能。2. 图形系统的分类根据硬件配置的规模可以将图形系统分为四类，即以大型机为硬件平台的图形系统、以中型机及超级小型机为硬件平台的图形系统、以图形工作站为硬件平台的图形系统及以微型机为硬件平台的图形系统。,1.3.2 图形硬件设备与软件系统 1. 硬件设备除了中央处理器（CPU）、外存储器、打印机、鼠标与键盘等常规设备，以及显示处理机（图形处理器）DPU等外，通常还包括一些特殊的输入与输出设备，如图形输入板、绘图机、图形打印机等。a.显示设备主要有：阴级射线管（CRT）显示器
10、、随机扫描图形显示器、存储管式图形显示器、光栅扫描式图形显示器、液晶显示器（LCD）及离子显示器等。,b.图形绘制设备主要有：点阵式打印机、喷墨打印机、激光打印机、静电绘图仪、笔式绘图仪等。c.图形输入设备主要有：定位器（坐标数字化仪、图形输入板、鼠标）、拾取器（光笔）、定值器及键盘等。,2. 图形软件系统 一般，图形软件是分级建立的，各级软件具有不同的功能与作用。图形软件的组成主要有：零级图形软件、一级图形软件、二级图形软件及三级图形软件等。作为基本的图形软件，一般包括：系统管理软件、定义和输出图素图形的程序、图形变换程序、实时输入处理程序、交互处理程序等。,3. 其它软件资源 操作系统等系
11、统软件是计算机图形软件系统应用的基础，其功能的强弱影响着图形系统的发挥。图形软件包是以某种高级语言为基础的，功能强大的高级语言可以更好地帮助建立丰富的图形软件包。4. 图形软件标准随着计算机图形学的发展，各种图形软件得以开发应用，而各种图形设备也应运而生，这就需要有一个为大多数有关人员接受的软件标准。这些标准使得图形系统能够更好地发挥作用。,1.4 图形与图像的基本概念,1.4.1 图形与图像1.图形指可以用数学方程描述的平面或立体透视图。2.图像指通过实际拍摄或卫星遥感获得的，或者印刷或绘制出的画面。目前对图形与图像概念认识的变化与扩展。通常认为图形应包括图像、画面及利用一定设备表现出的景物
12、等。3.从计算机图形显示结果角度来说，一般可以将通过计算机处理、生成、显示及输出的图形或图像通称为图形。,4.从具体的计算机处理技术与过程来说，图形与图像在表示与生成过程等方面还是有一定的区别的:a.图形是用矢量表示的，可以存储为矢量文件。b.图像是用点阵表示的，可以存储为点阵文件。c.矢量文件是一种存储生成图形所需要的坐标、形状及颜色等几何或属性数据的集合，这些数据反映了图形中有关对象间的内在联系。d.点阵文件是一种存储图中各个像素点的颜色属性值等数据的集合，这些数据反映了图的外在表现。e.矢量图与点阵图可以相互转化。,1.4.2 矢量图与点阵图1.矢量图是指用数学方程或形式来描述的画面。a
13、.如何用算法及数学表示来描述图形，并将其在光栅图形显示器上显示出来是矢量图处理技术的关键。b.矢量图所占的存储空间一般都很小，并且编辑处理的方法也比较简单。c.对矢量图的处理主要根据图形的几何特征等进行的。d.图形输出与实际显示分辨率无关，与输出设备有关。e.因矢量式输出设备较少，通常将矢量图转换成点阵图表示，以便在常见的光栅图形显示器或各种打印机上输出。,2.点阵图是由许多像素点组成的画面，其像素排列的形状为矩形。a.点阵图以像素的形式直观地表示图像的内容，可以利用数字相机、数字摄像机或图形扫描仪等获得，也可以利用图形或动画软件生成。b.由于点阵图表示形式的特点，所以其适合于在激光打印机与喷
14、墨打印机等硬拷贝设备上输出。c.通常，点阵图需要大量的存储空间。对点阵图进行编辑处理相对来说要困难些。,1.4.3 图形动态显示1.图形的动态显示效果是利用人眼观察对象状态变化时的视觉残留效应来获得的。2.利用计算机系统完成图形的动态显示，简单地说可以有两种方式:,a.一种是先将需要播放的图形画面生成出来，并以某种存放在一定的存储介质中，然后，让计算机系统在1/25秒内完成从存储介质中取出一帧图形画面，并传送至帧缓冲器中。帧缓冲器中的图像在显示器上的显示一般由硬件设备来完成。b.另一种方式是一边生成一边传送并显示图形画面。.这种方式对计算机系统的运算速度与数据传送速度要求很高。为了避免在传送画
15、面时因等待画面生成所带来的速度上降低，对于画面简单的动态显示，可以采用双帧缓冲器的技术来实现。,1.5 图形构成与变换的基本概念,1.如何构成与变换图形是计算机图形学的基本问题。2.点、直线、面及体等是构成图形的基本几何元素，为准确描述各类物体的构成及运动特征，就要建立相应的几何参照系，以及图形在各种参照系中变换的算法或机制。,1.5.1 空间维数与坐标系1.空间维数 a.在计算机图形学中，一般用维这个概念来描述与区分各种类型物体的体量与运动特征。 b.当将点看作是一个图形对象且不需表现其体量及运动特征时，就不需用任何度量来描述其体量及运动特征，即可以用零维来描述它。 c.当一个点沿着一条直线
16、运动时，就需要用一个度量来描述它离运动起点的相对位置，即可以用一维来描述。,d.当点在平面上运动时，就可以用两个度量来描述它离运动起点的相对位置，即可以用二维来描述。 e.当点在立体空间中运动时，可用三个度量来描述它离运动起点的相对位置，即可以用三维来描述。 f.维作为描述空间延伸状态的数学概念含义更广泛。 2.坐标系 a.常用的坐标系有直角坐标系，如二维直角坐标系与三维直角坐标系。在直角坐标系中，利用坐标轴来标定点的相对位置的值，如三个坐标轴可以分别用XYZ来标示。,b.点的坐标值描述了点相对于坐标原点的位置，而坐标值的变化就可以相应地反映点的位置变化。 c.坐标系用于确定对象相对位置。因为
17、面上的点可以用两个参数来描述其位置，所以通常将用于确定面上点的参数集称为二维空间。可以用二维坐标系来描述面的形态。 d.常见的笛卡尔平面坐标系表示的就是一个二维平面，它由标有刻度的两条相互垂直的轴线构成，两条轴线将平面分成四个象限。如图1-1。,e.坐标轴线上的刻度可以用实数表示，如原点的坐标表示为（0，0），其它点沿两个方向延伸，分别用正负值表示。在实际设计系统中有时规定只沿正向延伸，即使用坐标系的第1象限。这样，在平面坐标系中原点就可有四种定位方式，如图1-2，这四种坐标定位方式是可以相互转换的。另外，坐标轴线的刻度还可以用对数来标记。 f.如果在二维平面坐标系的原点处增加一条垂直于平面的
18、轴线，称为Z轴，则构成了笛卡尔三维坐标系。,g.三维坐标系中的任意两个轴线均构成一个坐标平面，如XY、YZ、ZX平面。见图1-3。 h.对于三维直角坐标系，确定坐标轴相对次序的方法一般有右手坐标系与左手坐标系两种。 i.在三维空间中也可以用角度来确定点的方位，如用一个量值与两个角度来确定点的方位，其中量值为点到原点的距离，角度为点到原点的连线与三维坐标系中的两个坐标平面所形成的夹角的度数。这种坐标系称为经纬坐标，常用于从观察者的视角出发定位物体。,1.5.2 图形变换 1. 变换的种类 a.在计算机图形学中，可以对图形进行两种基本的变换，即图形的几何变换与参照坐标系变换。 b.几何变换是指物体
19、图形的几何属性，如位置、尺寸及形状等产生变化而进行的变换。 c.参照坐标系变换是指物体图形本身的几何属性不改变，而其所在的参照坐标系发生变化而进行的变换。 d.参照坐标系变换可以说就是指观察物体图形的参照坐标系的变换，直观上，相对于观察者而言就是其观察物体图形的视角及位置的变换。,2. 全局、局部及用户参照系 a.利用几何参照系描述的点的位置是点相对于其所处的坐标系而言的。为了说明物体造型的体量与运动特征及确定其在各种参照系中变换的机制，在三维设计中，引进了全局坐标系、局部坐标系及用户坐标系等概念。 全局坐标系是以物体所在环境作为参照的坐标系。 局部坐标系是以物体本身作为参照的坐标系。 用户坐
20、标系是以用户方位及观察点作为参照的坐标系。,3. 图形变换过程 构成图形的基本元素是点，通过对点的变换可以实现对图形的变换。在几何坐标系中，通过坐标矩阵的计算就可以实现图形的几何变换与坐标系变换等。a.坐标系的变换是物体在不同坐标系间的坐标变换，利用坐标矩阵的计算就可以进行这种变换。b.几何变换可以是物体在一个用户坐标系中的坐标变换，常见的几何变换有移动、旋转、缩放及错切等。,c.图形在屏幕上的显示是通过投影变换等获得的。如果视平面是根据用户观察的视点确定的，则图形显示就是用户以确定的视角来观察三维图形时所看到的景象。此时应用的坐标系称为观察坐标系，而这时所做的变换就可以看作是从图形原有坐标系
21、到观察坐标系的观察变换。d.根据透视原理，可以将用户坐标系中的图形投影到沿视线方向的一个视平面上，视平面的可视区域及其离视点的距离均可以按照设计来确定。这时用到的是透视变换及图形的裁剪。这种变换与裁剪确定了图形在视平面上产生的透视图形。,e.对于三维图形在屏幕上的显示来说，还有一种图形变换就是将视平面上的透视图影射到显示屏幕的坐标系中。这种变换称为影射变换。另外，屏幕上显示的图形画面可以作移动、旋转、缩放、叠加等变换。,4. 正投影视图与透视图可以利用透视方法将三维坐标系中的图形投射到其中的三个二维平面坐标系中，也可以利用图形上的点在三个二维平面上的坐标值将其还原到三维坐标系中。a.通过正投影得到的是正投影视图，主要有由互相垂直的投影面确定的主视图、侧视图及俯视图，即分别为从图形的正面、侧面及顶部观察所看到的图形显示。,在一般国外的三维设计软件中对应的视图分别称为前视图（Front）、右视图（Right）及顶视图（Top）。利用这三个投影面图可以表示对应的三维物体图形。b.通过透视投影可以得到透视图。物体图形的透视图与正投影视图之间存在着确定的对应关系。利用对二维的正投影视图的操作，可以实现对三维造型的控制及变换。同样，对透视图的改变也会使正投影视图产生相应的变化。,
