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1、2023/1/7第 1 章1计算机图形学概论计算机图形学概论计算机图形学概论计算机图形学概论中南大学国土测绘系主讲：主讲：主讲：主讲：向南平向南平向南平向南平 教授教授教授教授2023/1/7第 1 章2本章内容本章内容本章将介绍计算机图形学的研究内容、发展历史、应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基本原理，使读者对图形学的有关内容有个概括性的了解。的了解。作为面向计算机专业本科生的课程，着重讨论与图形作为面向计算机专业本科生的课程，着重讨论与
2、图形的裁减及几何变换、二维图形生成技术、三维图形生的裁减及几何变换、二维图形生成技术、三维图形生成技术、曲线曲面造型相关的原理与算法。成技术、曲线曲面造型相关的原理与算法。第第1 1章章 计算机图形学概述计算机图形学概述2023/1/7第 1 章31.1 1.1 引言引言1.2 1.2 计算机图形系统计算机图形系统1.3 1.3 图形输入输出设备图形输入输出设备1.4 1.4 计算机图形学研究热点计算机图形学研究热点2023/1/7第 1 章41.11.1 引言引言引言引言1.1.1 1.1.1 1.1.1 1.1.1 计算机图形学的地位计算机图形学的地位计算机图形学的地位计算机图形学的地位1
3、.1.2 1.1.2 1.1.2 1.1.2 什么叫计算机图形学什么叫计算机图形学什么叫计算机图形学什么叫计算机图形学1.1.3 1.1.3 1.1.3 1.1.3 计算机图形学的应用计算机图形学的应用计算机图形学的应用计算机图形学的应用1.1.4 1.1.4 1.1.4 1.1.4 计算机图形学的发展计算机图形学的发展计算机图形学的发展计算机图形学的发展2023/1/7第 1 章51.1.1 1.1.1 计算机图形学地位计算机图形学地位计算机科学最活跃的分支之一。计算机科学最活跃的分支之一。图形学的应用从某种意义上标志着计算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。机软、硬件的
4、发展水平。计算机图形学来源于生活、科学、工程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，技术、艺术、音乐、舞蹈、电影制作等，同时又促进了这些领域的技术发展。同时又促进了这些领域的技术发展。2023/1/7第 1 章6Computer Graphics is about animation(films)动画2023/1/7第 1 章7Games are very important in Computer Graphics 游戏2023/1/7第 1 章8Medical Imaging is another driving force医学影像2023/1/7第 1 章9
5、Computer Aided Design too计算机辅助设计2023/1/7第 1 章10Scientific Visualisation科学可视化2023/1/7第 1 章111.1.2 1.1.2 什么是计算机图形学什么是计算机图形学什么是图形什么是图形构成图形的要素构成图形的要素表示图形的方法表示图形的方法计算机图形学的定义计算机图形学的定义计算机图形学的主要研究内容计算机图形学的主要研究内容与图形学密切相关的学科与图形学密切相关的学科容易混淆的几个概念容易混淆的几个概念2023/1/7第 1 章12什么是图形什么是图形能够在人的视觉系统中形成印象的客观对象统称为图形。能够在人的视觉
6、系统中形成印象的客观对象统称为图形。图形的具体应用范围很广，但是从基本的处理技术看只有图形的具体应用范围很广，但是从基本的处理技术看只有两类：两类：一类是线条，如工程图、地图、曲线图表等；一类是线条，如工程图、地图、曲线图表等；另一类是明暗图，与照片相似，如自然界的景物，照片，另一类是明暗图，与照片相似，如自然界的景物，照片，也就是通常所说的真实感图形也就是通常所说的真实感图形 为了生成图形，首先要有原始数据或数学模型，如工程人为了生成图形，首先要有原始数据或数学模型，如工程人员构思的草图，地形航测的判读数据，飞机的总体方案模员构思的草图，地形航测的判读数据，飞机的总体方案模型，企业经营的月统
7、计资料等等。这些数字经过计算机处型，企业经营的月统计资料等等。这些数字经过计算机处理后变成图形输出。理后变成图形输出。2023/1/7第 1 章13构成图形的要素构成图形的要素几何要素：几何要素：点、线、面、体等，用以点、线、面、体等，用以刻画对象的轮廓、形状刻画对象的轮廓、形状等。等。非几何要素：非几何要素：反映物体表面属性或材质的灰度、色彩、线型、反映物体表面属性或材质的灰度、色彩、线型、线宽等。线宽等。2023/1/7第 1 章14表示图形的方法表示图形的方法点阵法点阵法 枚举出图形中所有的点，强调图形由哪些点构成，枚举出图形中所有的点，强调图形由哪些点构成，颜色是什么。颜色是什么。点阵
8、法描述的图形称为像素图（简称图像）点阵法描述的图形称为像素图（简称图像）参数法参数法 由图形的形状参数（方程或分析表达式的系数、线由图形的形状参数（方程或分析表达式的系数、线段的端点坐标等）段的端点坐标等）+属性参数（颜色、线型等）来表示图属性参数（颜色、线型等）来表示图形形 参数法描述的图形叫做参数图（简称图形）参数法描述的图形叫做参数图（简称图形）但本课程所说的计算机图形，实际上是图形的广义概念，但本课程所说的计算机图形，实际上是图形的广义概念，即包括了图形和图像。即包括了图形和图像。2023/1/7第 1 章15计算机图形学定义计算机图形学定义计算机图形学是利用计算机研究图形的计算机图形
9、学是利用计算机研究图形的表示、生成、处理、显示的学科。表示、生成、处理、显示的学科。计算机图形学的主要研究内容是如何在计算机图形学的主要研究内容是如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法与算法.2023/1/7第 1 章16计算机图形学的主要研究内容图形的输入：如何开发利用图形输入设备及软图形的输入：如何开发利用图形输入设备及软件，如何完整的将图形输入到计算机。件，如何完整的将图形输入到计算机。图形的处理：进行变换（几何变换、投影变换图形的处理：进行变换（几何变换、投影变换等）和运算（如
10、图型的并、交、差运算）处理等）和运算（如图型的并、交、差运算）处理图形的生成和输出：将图形的表示形式转换成图形的生成和输出：将图形的表示形式转换成图型输出系统便于接受的表示形式，并通过显图型输出系统便于接受的表示形式，并通过显示屏或打印机等输出设备呈现出来。示屏或打印机等输出设备呈现出来。2023/1/7第 1 章17与图形学密切相关的学科计算机图形计算机图形：用计算机生成、处理和显示图形用计算机生成、处理和显示图形的学科；由几何数据和几何模型，利用计算机的学科；由几何数据和几何模型，利用计算机进行显示并存储，并可以进行修改、完善以及进行显示并存储，并可以进行修改、完善以及有关操作的过程；有关
11、操作的过程；图像处理图像处理：将客观世界中原来存在的物体影像：将客观世界中原来存在的物体影像处理成新的数字化图像的相关技术；如处理成新的数字化图像的相关技术；如CTCT扫描、扫描、X X射线探伤等；将连续的图像，进行采样、量射线探伤等；将连续的图像，进行采样、量化产生数字图像，并进行变换、压缩等处理。化产生数字图像，并进行变换、压缩等处理。2023/1/7第 1 章18模式识别模式识别：对所输入的图像进行分析和识别，：对所输入的图像进行分析和识别，找出其中蕴涵的信息或抽象模型；如手写汉字找出其中蕴涵的信息或抽象模型；如手写汉字的识别。机器人视觉系统。它是图形学的逆过的识别。机器人视觉系统。它是
12、图形学的逆过程。程。计算几何计算几何：研究几何模型和数据处理的学科，研究几何模型和数据处理的学科，讨论几何形体的计算机表示、分析和综合方法。讨论几何形体的计算机表示、分析和综合方法。研究如何方便灵活、有效地建立几何形体的数研究如何方便灵活、有效地建立几何形体的数学模型以及在计算机中更好地存贮和管理这些学模型以及在计算机中更好地存贮和管理这些模型数据；如曲线曲面的表示生成、三维立体模型数据；如曲线曲面的表示生成、三维立体造型等等。造型等等。2023/1/7第 1 章191.1.3 1.1.3 计算机图形学的应用计算机图形学的应用 1.1.3.1 1.1.3.1 1.1.3.1 1.1.3.1 按
13、应用领域分类按应用领域分类按应用领域分类按应用领域分类 1.1.3.2 1.1.3.2 1.1.3.2 1.1.3.2 按生成图的类型分类按生成图的类型分类按生成图的类型分类按生成图的类型分类2023/1/7第 1 章201.1.3.1 1.1.3.1 1.1.3.1 1.1.3.1 按应用领域分类按应用领域分类按应用领域分类按应用领域分类管理科学管理科学制图学制图学动画技术动画技术计算机辅助设计（计算机辅助设计（CADCAD）Virtual RealityVirtual Reality（虚拟现实、灵境）（虚拟现实、灵境）图形实时绘制与自然景物仿真图形实时绘制与自然景物仿真 过程控制过程控制艺
14、术艺术办公自动化办公自动化应应 用用2023/1/7第 1 章21管理科学管理科学管理科学管理科学绘制数学、物理以及经济函数的二维及三维图形：直方图、线条图、扇形图、进程图.特点：简洁、直观 数据的模型和趋势。应应 用用2023/1/7第 1 章22测绘与制图学测绘与制图学测绘与制图学测绘与制图学产生高精度的地理或其他自然现象的图形。包括地形图、地质图、油层图、海图、旅游图、交通图、气象图、人口密度图.应应 用用2023/1/7第 1 章23动画技术动画技术动画技术动画技术应应 用用计算机动画是计算机应用的重要领域之一，它计算机动画是计算机应用的重要领域之一，它综合了计算机图形、人工智能、美术
15、和电影技综合了计算机图形、人工智能、美术和电影技术，借助计算机生成一系列可供动态实时演播术，借助计算机生成一系列可供动态实时演播的连续图象的连续图象。事实上计算机动画也只是生成一幅幅静态的图事实上计算机动画也只是生成一幅幅静态的图象，但是每一幅都是对前一幅做一小部分修改象，但是每一幅都是对前一幅做一小部分修改（如何修改便是计算机动画的研究内容），这（如何修改便是计算机动画的研究内容），这样，当这些画面连续播放时，整个场景就动起样，当这些画面连续播放时，整个场景就动起来了。来了。2023/1/7第 1 章24动画技术动画技术动画技术动画技术早期的计算机动画灵感来源于传统的卡通片，在生成几幅被称做
16、早期的计算机动画灵感来源于传统的卡通片，在生成几幅被称做“关键帧关键帧”的画面后，由计算机对两幅关键帧进行插值生成若干的画面后，由计算机对两幅关键帧进行插值生成若干“中间帧中间帧”，连续播放时两个关键帧就被有机地结合起来了。近，连续播放时两个关键帧就被有机地结合起来了。近年来转向基于物理模型的计算机动画生成方法，运用弹性力学和年来转向基于物理模型的计算机动画生成方法，运用弹性力学和流体力学的方程进行计算，流体力学的方程进行计算，力求使动画过程体现出最适合真实世力求使动画过程体现出最适合真实世界的运动规律。界的运动规律。2023/1/7第 1 章252023/1/7第 1 章26计算机辅助设计（
17、计算机辅助设计（CAD）CAD/CAMCAD/CAM是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域。是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域。计算机图形学被用来进行土建工程、机械结构和产品的设计，计算机图形学被用来进行土建工程、机械结构和产品的设计，包括设计飞机、汽车、船舶的外形和发电厂、化工厂等的布包括设计飞机、汽车、船舶的外形和发电厂、化工厂等的布局以及电子线路、电子器件等。局以及电子线路、电子器件等。在电子工业中，计算机图形学应用到集成电路、印刷电路板、在电子工业中，计算机图形学应用到集成电路、印刷电路板、电子线路和网络分析等方面的优势是十分明显的。电子线路和网络分析等方面的优势是
18、十分明显的。CADCAD领域另一个非常重要的研究内容，就是基于工程图纸的三领域另一个非常重要的研究内容，就是基于工程图纸的三维形体重建。三维形体重建就是从二维信息中提取三维信息，维形体重建。三维形体重建就是从二维信息中提取三维信息，通过对这些信息进行分类、综合等一系列处理，在三维空间通过对这些信息进行分类、综合等一系列处理，在三维空间中重新构造出二维信息所对应的三维形体，恢复形体的点、中重新构造出二维信息所对应的三维形体，恢复形体的点、线、面及其拓扑关系，从而实现形体的重建。线、面及其拓扑关系，从而实现形体的重建。2023/1/7第 1 章27奥迪效果图和线框图奥迪效果图和线框图应应 用用20
19、23/1/7第 1 章282023/1/7第 1 章29Virtual Reality（虚拟现实、灵境）Virtual Reality 或称虚拟环境（或称虚拟环境（Virtual Environment)是用计算机技术来生成一个是用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界，让用户可或嗅觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察。交互考察。输入输出设备是关键输入输出设备是关键2023/1/7第 1 章30图
20、形实时绘制和自然图形仿真图形实时绘制和自然图形仿真在计算机中重现真实世界的场景叫做真实感绘在计算机中重现真实世界的场景叫做真实感绘制。真实感绘制的主要任务是模拟真实物体的制。真实感绘制的主要任务是模拟真实物体的物理属性，简单的说就是物体的形状、光学性物理属性，简单的说就是物体的形状、光学性质、表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相质、表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位置、遮挡关系等等。对位置、遮挡关系等等。另外，真实感绘制已经从最初绘制简单的室内另外，真实感绘制已经从最初绘制简单的室内场景发展到现在大量模拟野外自然景物，比如场景发展到现在大量模拟野外自然景物，比如绘制山、水、云、树、火等等
21、。绘制山、水、云、树、火等等。2023/1/7第 1 章31图形实时绘制和自然图形仿真图形实时绘制和自然图形仿真人们提出了多种方法来绘制这些自然景物，比如人们提出了多种方法来绘制这些自然景物，比如绘制火和草的粒子系统绘制火和草的粒子系统(Particle System)(Particle System)，基，基于生理模阿型的绘制植物的方法。于生理模阿型的绘制植物的方法。近年来出现了一些自然景物仿真绘制的综合平台，近年来出现了一些自然景物仿真绘制的综合平台，如德国如德国Lintermann Lintermann 和和 DeussenDeussen的绘制植物的平的绘制植物的平台台XforgXfor
22、g，日本，日本Yoshinori DobashiYoshinori Dobashi等人绘制的真等人绘制的真实感云（实感云（Siggraph2000,Special Interest Siggraph2000,Special Interest Group on Computer Graphics ,Group on Computer Graphics ,美国计算机协美国计算机协会计算机绘图专业组会计算机绘图专业组),),以及清华大学自主开发的以及清华大学自主开发的自然景物设计平台。自然景物设计平台。2023/1/7第 1 章32日本YoshinoriDobashi等人绘制的真实感云2023/1/
23、7第 1 章33由清华大学自然景物平台生成的野外场景2023/1/7第 1 章34Xfrog3.0生成的挪威云杉2023/1/7第 1 章35过程控制过程控制过程控制过程控制应应 用用将计算机和现实世将计算机和现实世界中的其他设备连界中的其他设备连成一个系统成一个系统.利用交利用交互式图形生成技术互式图形生成技术形成的人机交互系形成的人机交互系统，实现人与控制统，实现人与控制或管理对象之间的或管理对象之间的相互作用。如工厂相互作用。如工厂中的设备、工序控中的设备、工序控制，机场与铁路的制，机场与铁路的调度等。调度等。2023/1/7第 1 章36艺术艺术艺术艺术 可用于美术创作的软件很多，如二
24、维平面的画笔可用于美术创作的软件很多，如二维平面的画笔程序（如程序（如CorelDrawCorelDraw，PhotoshopPhotoshop，PaintShopPaintShop）、专门）、专门的图表绘制软件（如的图表绘制软件（如VisioVisio）、三维建模和渲染软件包）、三维建模和渲染软件包（如（如3DMAX3DMAX，MayaMaya，Google SketchUPGoogle SketchUP）、以及一些专）、以及一些专门生成动画的软件（如门生成动画的软件（如AliasAlias，SoftimageSoftimage）等，可以）等，可以说是数不胜数。这些软件不仅提供多种风格的画笔
25、画说是数不胜数。这些软件不仅提供多种风格的画笔画刷，而且提供多种多样的纹理贴图，甚至能对图象进刷，而且提供多种多样的纹理贴图，甚至能对图象进行雾化，变形等操作。其中大部分功能是传统的绘画行雾化，变形等操作。其中大部分功能是传统的绘画艺术家无法实现也不可想象的。艺术家无法实现也不可想象的。应应 用用2023/1/7第 1 章37艺术艺术模拟艺术效果的非真实感绘制（模拟艺术效果的非真实感绘制（NPR Non-NPR Non-Photorealistic RenderingPhotorealistic Rendering）也在逐渐发展。钢笔素）也在逐渐发展。钢笔素描是非真实感绘制的一个重要内容，描是
26、非真实感绘制的一个重要内容，由于钢笔素描与传统的图形学绘制方法差别很大，所由于钢笔素描与传统的图形学绘制方法差别很大，所以研究起来难度也颇大以研究起来难度也颇大 以下是华盛顿大学的以下是华盛顿大学的 Michael P.Salisbury Michael P.Salisbury 在在SiggraphSiggraph会议上发表的高水平的论文中的作品。会议上发表的高水平的论文中的作品。2023/1/7第 1 章38Georges Winkenb1ach绘制的壶和碗(Siggraph96)2023/1/7第 1 章39Salisbury绘制的茶壶(Siggraph97)2023/1/7第 1 章40
27、Salisbury绘制的熊(Siggraph97)2023/1/7第 1 章41Oliver Deussen绘制的素描树(Siggraph2000)2023/1/7第 1 章422023/1/7第 1 章43办公自动化办公自动化办公自动化办公自动化应应 用用在办公室中，用图形方式显示并交在办公室中，用图形方式显示并交换文件、报表、图例和其它信息，换文件、报表、图例和其它信息，并在输出设备上输出、保存起来。并在输出设备上输出、保存起来。2023/1/7第 1 章441.1.3.2 1.1.3.2 1.1.3.2 1.1.3.2 按生成图的类型分类按生成图的类型分类按生成图的类型分类按生成图的类型
28、分类从处理技术上来看，图形主要分为两类，一类是基于从处理技术上来看，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，另一类是明暗图框图等，另一类是明暗图(Shanding)(Shanding)，也就是通常所，也就是通常所说的真实感图形。说的真实感图形。1.1.线图：二维或三维（没有图的概念，只有线）线图：二维或三维（没有图的概念，只有线）,三三维带隐生线维带隐生线2.2.二维多色图形，带有灰度色彩的图形二维多色图形，带有灰度色彩的图形3.3.实体：有真实感的图形实体：有真实感的图形(三维实体图三维实体图)应应 用用
29、2023/1/7第 1 章45线图和二维多彩图形线图和二维多彩图形线图和二维多彩图形线图和二维多彩图形应应 用用2023/1/7第 1 章46线图和三维实体图线图和三维实体图线图和三维实体图线图和三维实体图应应 用用2023/1/7第 1 章47Perspective View 透视图2023/1/7第 1 章48Depth Cue 深度线画2023/1/7第 1 章49Hidden Line Removal add colour 隐线消除-增添色彩 2023/1/7第 1 章50Constant Shading Ambient恒底纹-环境 2023/1/7第 1 章51Faceted Sha
30、ding Flat 分面底纹-平面2023/1/7第 1 章52Gouraud shading,no specular highlights高氏着色，无镜面高光 2023/1/7第 1 章53Specular highlights added加高光2023/1/7第 1 章54Phong shading 普郎阴影2023/1/7第 1 章55Texture mapping 纹理映射 2023/1/7第 1 章56完整的视频效果2023/1/7第 1 章571.1.4 计算机图形学的发展 开创阶段（开创阶段（5050年代年代6060年代）年代）迅速发展阶段（迅速发展阶段（6060年代初年代初60
31、60年代末）年代末）降低成本阶段（降低成本阶段（6060年代末年代末7070年代初）年代初）发展成熟阶段（发展成熟阶段（7070年代初年代初8080年代初）年代初）推广应用阶段（推广应用阶段（8080年代中年代中9090年代中）年代中）目前（九十年代中至今）目前（九十年代中至今）硬件发展硬件发展 图形软件发展及软件标准形成图形软件发展及软件标准形成2023/1/7第 1 章58发发 展展开创阶段（开创阶段（开创阶段（开创阶段（5050年代年代年代年代 6060年代）年代）年代）年代）19501950年，年，MITMIT采用原理类似于示波器阴极射线管采用原理类似于示波器阴极射线管（CRTCRT）
32、作为旋风一号的图形显示器。）作为旋风一号的图形显示器。19581958年，美国年，美国CalcompCalcomp公司由联机的数字记录仪公司由联机的数字记录仪发展成滚筒式绘图仪和平板式绘图仪。发展成滚筒式绘图仪和平板式绘图仪。5050年代末，年代末，SAGESAGE空中防御指挥系统采用光笔作空中防御指挥系统采用光笔作为输入设备，标志着交互式图形技术的诞生。为输入设备，标志着交互式图形技术的诞生。2023/1/7第 1 章59迅速发展阶段迅速发展阶段（60年代初年代初60年代末）年代末）大公司纷纷开展图形学科学研究，出现各种系统软件和大公司纷纷开展图形学科学研究，出现各种系统软件和应用软件。应用
33、软件。6060年代中期出现随机扫描显示器。年代中期出现随机扫描显示器。19621962年，年，MITMIT林肯实验室的林肯实验室的Ivan E.SutherlandIvan E.Sutherland发表了一发表了一篇题为篇题为“SketchpadSketchpad：一个人机交互通信的图形系统：一个人机交互通信的图形系统”的的博士论文，他在论文中首次使用了计算机图形学博士论文，他在论文中首次使用了计算机图形学“Computer Graphics”Computer Graphics”这个术语，证明了交互计算机图这个术语，证明了交互计算机图形学是一个可行的、有用的研究领域形学是一个可行的、有用的研究
34、领域（提出基本交互技术、（提出基本交互技术、图元分层表示概念及数据结构图元分层表示概念及数据结构)，从而确定了计算机图形，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。因此，他被后学作为一个崭新的科学分支的独立地位。因此，他被后人尊称为图形学之父。人尊称为图形学之父。发发 展展图形学之父图形学之父2023/1/7第 1 章60迅速发展阶段迅速发展阶段 （60年代初年代初60年代末）年代末）19641964年年MITMIT的教授的教授Steven A.CoonsSteven A.Coons提出了被后人称为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超限插值的新思想，通
35、过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。同在构造曲面。同在6060年代早期，法国雷诺汽车公司的工年代早期，法国雷诺汽车公司的工程师程师Pierre BzierPierre Bzier发展了一套被后人称为发展了一套被后人称为BzierBzier曲线、曲线、曲面的理论，成功地用于几何外形设计，并开发了用曲面的理论，成功地用于几何外形设计，并开发了用于汽车外形设计的于汽车外形设计的UNISURFUNISURF系统。值得一提的是，计算系统。值得一提的是，计算机图形学的最高奖是以机图形学的最高奖是以CoonsCoons的名字命名的，而获得第的名字命名的，而获得第一届（一届（19831983）和第二届）和第二
36、届(1985)Steven A.Coons(1985)Steven A.Coons 奖的，奖的，恰好是恰好是Ivan E.SutherlandIvan E.Sutherland和和Pierre BzierPierre Bzier。2023/1/7第 1 章61降低成本阶段降低成本阶段（60年代末年代末70年代初）年代初）发发 展展存储管显示器出现，大大降低图形硬件系统成本。70年代初，出现一批通用的、可移植的软件系统。存储管显示器的结构存储管显示器的结构存储管显示器的结构存储管显示器的结构2023/1/7第 1 章62发展成熟阶段发展成熟阶段（70年代初年代初80年代初）年代初）发发 展展光栅
37、图形学迅速发展光栅图形学迅速发展 区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其相区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其相应算法纷纷诞生，并开始出现实用的应算法纷纷诞生，并开始出现实用的CADCAD图形系统。图形系统。图形软件标准化图形软件标准化19741974年，年，ACM SIGGRAPHACM SIGGRAPH的与的与“与机器无关的图形技与机器无关的图形技术术”的工作会议的工作会议ACMACM成立图形标准化委员会，制定成立图形标准化委员会，制定“核心图形系统核心图形系统”（Core Graphics SystemCore Graphics System）ISOISO发布发布CGICGI、CG
38、MCGM、GKSGKS、PHIGSPHIGS计算机图形核心系统计算机图形核心系统GKS(Graphics Kernel GKS(Graphics Kernel system)system)、面向程序员的层次交互图形标准、面向程序员的层次交互图形标准PHIGS(Programmers Hierarchical Interactive PHIGS(Programmers Hierarchical Interactive Graphics Standard)Graphics Standard)等国际标准的建立。等国际标准的建立。光学跟踪光学跟踪光学跟踪光学跟踪球球球球2023/1/7第 1 章63真
39、实感图形学真实感图形学19701970年，年，BouknightBouknight提出了第一个光反射模型提出了第一个光反射模型19711971年，年，GourandGourand提出提出“漫反射模型插值漫反射模型插值”的思的思想，被称为想，被称为GourandGourand明暗处理明暗处理19751975年，年，PhongPhong提出了著名的简单光照模型提出了著名的简单光照模型-Phong-Phong模型模型 新型的图形输入设备新型的图形输入设备 .如各类图形输入板，坐标数字化仪，跟踪球，鼠标如各类图形输入板，坐标数字化仪，跟踪球，鼠标 器等。器等。实体造型技术实体造型技术英国剑桥大学英国剑
40、桥大学CADCAD小组的小组的BuildBuild系统系统美国罗彻斯特大学的美国罗彻斯特大学的PADL-1PADL-1系统系统发展成熟阶段发展成熟阶段（70年代初年代初80年代初）年代初）2023/1/7第 1 章64推广应用阶段推广应用阶段（80年代中年代中90年代中）年代中）发发 展展图形工作站的出现，如Apollo,Sun,HP等。SGISGI 图形工作站图形工作站图形工作站图形工作站2023/1/7第 1 章6519801980年年WhittedWhitted提出了一个光透视模型提出了一个光透视模型-WhittedWhitted模型，并第一次给出光线跟踪算法模型，并第一次给出光线跟踪算
41、法的范例，实现的范例，实现WhittedWhitted模型。模型。19841984年，美国年，美国CornellCornell大学和日本广岛大学大学和日本广岛大学的学者分别将热辐射工程中的辐射度方法引的学者分别将热辐射工程中的辐射度方法引入到计算机图形学中。入到计算机图形学中。图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展。展。推广应用阶段推广应用阶段（80年代中年代中90年代中）年代中）2023/1/7第 1 章66目前（九十年代中至今）目前（九十年代中至今）发发 展展微机和软件系统的普及使得图形学的应用领域微机和软件系统的普及使得图形学的应用领域日益广泛。日益广
42、泛。图形学已经同模式识别、人工智能、数据库等图形学已经同模式识别、人工智能、数据库等众多领域结合，形成一些交叉学科，如工程数众多领域结合，形成一些交叉学科，如工程数据库、多媒体等。据库、多媒体等。2023/1/7第 1 章67计算机图形学发展历程汇总表时时 代代阶阶 段段特特 征征50年代年代开创阶段开创阶段MIT MIT 旋风一号，计算机驱动旋风一号，计算机驱动CRT+CRT+照相机，照相机，SAGE(SAGE(交互式图形交互式图形技术诞生技术诞生)60年代初至年代初至60年代末年代末迅速发展阶段迅速发展阶段随机扫描显示器，图形学之父随机扫描显示器，图形学之父60年代末至年代末至70年代初年
43、代初降低成本阶段降低成本阶段存储管显示器，应用软件包存储管显示器，应用软件包70年代初至年代初至80年代初年代初发展成熟阶段发展成熟阶段光栅扫描显示器，新型的图形输光栅扫描显示器，新型的图形输入设备，图形语言标准化入设备，图形语言标准化80年代初子年代初子90年代中年代中推广应用阶段推广应用阶段图形工作站图形工作站(Apollo,Sun,Hp)(Apollo,Sun,Hp)90年代至今年代至今微机，交叉学科（多媒体等）微机，交叉学科（多媒体等）2023/1/7第 1 章68 硬件发展图形显示器是计算机图形学中关键的设备 画线显示器（矢量显示器/随机扫描显示器）存储管式显示器刷新式光栅扫描显示器
44、2023/1/7第 1 章69图形输出设备的发展图形输出设备的发展6060年代中期：画线显示器（亦称矢量显示器）年代中期：画线显示器（亦称矢量显示器）需要刷新。设备昂贵，限制普及需要刷新。设备昂贵，限制普及6060年代后期：存储管式显示器年代后期：存储管式显示器 不需刷新，价格较低，缺点是不具有动态修不需刷新，价格较低，缺点是不具有动态修 改图形功能，不适合交互式。改图形功能，不适合交互式。7070年代初：刷新式光栅扫描显示器年代初：刷新式光栅扫描显示器 推推动动了了交交互互式式图图形形技技术术的的发发展展。它它是是以以点点阵阵形形式式表表示示图图形形，使使用用专专用用的的缓缓冲冲区区存存放放
45、点点阵阵，由由视视频频控控制制器负责刷新扫描。器负责刷新扫描。硬件发展2023/1/7第 1 章70 硬件发展图形输入设备的发展图形输入设备的发展第一阶段：控制开关、穿孔纸等等第一阶段：控制开关、穿孔纸等等第二阶段：键盘第二阶段：键盘第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、图形输第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏等等，语音入板、触摸屏等等，语音第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据手套、第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据手套、数据衣），用户的手势、表情等等数据衣），用户的手势、表情等等第五阶段：用户的思维第五阶段：用户的思维2023/1/7第 1 章71数据手套2023
46、/1/7第 1 章72发展模式发展模式诸侯割据标准讨论标准形成 图形软件发展及软件标准的形成标准形成过程标准形成过程：先有应用，由于应用中数据交换、成果共享的：先有应用，由于应用中数据交换、成果共享的需要，导致标准的讨论，最后才形成软件标准。需要，导致标准的讨论，最后才形成软件标准。图形标准图形标准：图形系统及其相关应用系统中各界面之间进行数据：图形系统及其相关应用系统中各界面之间进行数据传送和通信的接口标准，以及供图形应用程序调用的子程序功传送和通信的接口标准，以及供图形应用程序调用的子程序功能及其格式标准，前者称为数据及文件格式标准，后者称为子能及其格式标准，前者称为数据及文件格式标准，后
47、者称为子程序界面标准。程序界面标准。2023/1/7第 1 章73图形系统标准分类图形系统标准分类面向图形设备的接口标准：面向图形设备的接口标准：计算机图形元文件计算机图形元文件(CGM)(CGM)，(CRT,Mouse,)(CRT,Mouse,)计算机图形接口计算机图形接口(CGI)(CGI)，设备驱动程序。，设备驱动程序。面向应用软件的标准：面向应用软件的标准：程序员层次交互式图形系统（程序员层次交互式图形系统（PHIGSPHIGS）,GL(,GL(图形图形程序包程序包)（三维）图形核心系统（三维）图形核心系统（3D-)GKS3D-)GKS面向图形应用系统工程和产品数据模型及文件格式：面向
48、图形应用系统工程和产品数据模型及文件格式：基本图形转换规范（基本图形转换规范（IGESIGES）产品数据转换规范（产品数据转换规范（STEPSTEP）2023/1/7第 1 章74CGICGI（ISO DP 9636)ISO DP 9636)-提供控制图形硬件的一种与设备无关的方法。提供控制图形硬件的一种与设备无关的方法。-也可看作图形设备驱动程序的一种标准。也可看作图形设备驱动程序的一种标准。-在用户程序和虚拟设备之间，以一种独立于设备的方在用户程序和虚拟设备之间，以一种独立于设备的方式提供图形信息的描述和通信。式提供图形信息的描述和通信。CGMCGM（ISO IS8632)ISO IS86
49、32)-与设备无关的语义、词法定义的图形文件格式。与设备无关的语义、词法定义的图形文件格式。-规定了生成、存储、传送图形信息的格式。规定了生成、存储、传送图形信息的格式。-面向系统和系统开发者，和面向系统和系统开发者，和CGICGI配套提供。配套提供。-通用性是其关键属性。通用性是其关键属性。2023/1/7第 1 章75GKSGKS-提供了在应用程序和图形输入输出设备之间的功能接口。与语言无关。提供了在应用程序和图形输入输出设备之间的功能接口。与语言无关。-GKS-GKS提供了一个称为元文件的顺序文件接口。提供了一个称为元文件的顺序文件接口。-应用程序的所有图形资源由应用程序的所有图形资源由
50、GKSGKS控制（通过控制（通过GKSGKS元文件元文件-GKSM-GKSM）-GKSM-GKSM用于用于:图形信息存档、系统传送图形信息、在图形信息存档、系统传送图形信息、在GKSGKS应用程序间传送图应用程序间传送图形信息、与图形信息相关的非图形信息的存储和复用。形信息、与图形信息相关的非图形信息的存储和复用。PHIGSPHIGS（ISO IS9592ISO IS9592）-向应用程序员提供的控制图形设备的图形系统接口；向应用程序员提供的控制图形设备的图形系统接口；-图形数据按层次结构组织；图形数据按层次结构组织；-提供动态修改和显示图形数据的手段。是一个高度动态化和交互式图形提供动态修改