第一章 绪论课前索引【课前思考】计算机图形学目前常用的设备有哪些?计算机图形学的主要研究内容和范围是什麽?计算机图形学有哪些应用？计算机图形标准有哪些?【学习目标】了解计算机图形学的发展历史和现状;明确计算机图形学的研究内容、应用领域和发展方向。【学习指南】查阅有关的计算机图形标准，了解计算机图形学的编程环境。【难重点】计算机图形学的输入/输出设备及其使用。【知识点】计算机图形学的发展概况；计算机图形学的研究内容及应用情况；计算机图形学目前常用的输入/输出设备。第一节计算机图形学的发展简史计算机图形学是研究用计算机表示、生成、处理和显示图形的学科。它涉及将几何模型和数据转变为图形的各种算法和技术。目前，计算机图形学已经成为计算机科学与技术中最为活跃的学科分支之一，并在众多领域（如：汽车和飞机的设计与制造、机械产品的计算机辅助设计和制造、电影特技和动画、商业、广告业、娱乐业、政府部门、军事、医学、工程、艺术、教育和培训等等）得到广泛的应用。本章将介绍计算机图形学的发展历史、研究内容、工程应用以及主要的图形硬件等基本情况，使读者对计算机图形学的概貌有个基本的了解。1.1 计算机图形学的发展简史a) 硬件的发展1950 年，美国麻省理工学院(MIT) 诞生了旋风 I 号(Whirlwind I)计算机及其显示器。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。五十年代中期，美国战术防空系统 SAGE(Semi Automatic Ground Environment)则是第一个使用具有命令和控制功能的 CRT 显示控制台的系统；在显示器上，操作员可以用光笔在屏幕上指出被确定的目标。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。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。b) 算法的发展1950 年代初到 1960 年代中，MIT 开始计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM）的研究。1964 年 MIT的教授 Steven A. Coons 提出了插值四条任意的边界曲线的 Coons 曲面，后来发展成系统的超限插值曲面造型技术，用小块曲面片组合自由曲面。1966 年，法国雷诺汽车公司的工程师 Pierre Bzier 发展了一套自由曲线和曲面的方法，成功地用于几何外形设计，并开发了用于汽车外形设计的 UNISURF 系统。Coons 方法和 Bzier 方法是计算机辅助几何设计（CAGD）早期的开创性工作。1975 年 Versprille 提出有理 B 样条的理论，后来出现了非均匀有理 B 样条（NURBS）曲线和曲面。1978 年，CatmullClark 提出了任意拓扑的细分曲面，1995 年以来，这一造型技术得到突飞猛进地发展。c) 计算机图形标准由于计算机图形和软件技术的发展，对图形系统之间的数据交换和接口提出了越来越高的要求，图形软件系统功能的标准化问题被提了出来。1974 年，美国国家标准化局（ANSI）在 ACM SIGGRAPH 的一个与与机器无关的图形技术的工作会议上，提出了制定有关标准的基本规则。此后 ACM 专门成立了一个图形标准化委员会，开始制定有关标准。该委员会于 1977、1979 年先后制定和修改了核心图形系统（Core Graphics System）。ISO 随后又发布了计算机图形接口 CGI(Computer Graphics Interface)、计算机图形元文件标准 CGM（Computer Graphics Metafile）、计算机图形核心系统 GKS(Graphics Kernel system)、面向程序员的层次交互图形标准 PHIGS(Programmers Hierarchical Interactive Graphics Standard)等。1983 年，美国国家标准局发布了初始图形交换规范 IGES(Initial Graphics Exchange Specification)。1992 年，美国 SGI(Silicon Graphics, Inc.)推出了 OpenGL，这是目前在工作站和 PC上都被广泛应用的一个图形应用编程接口（API）。这些标准的制定，使图形应用系统与计算机硬件无关，提高了程序的可移植性，为计算机图形学的推广、应用、资源信息共享，起到了极其重要的作用。1.2 计算机图形学的研究内容计算机图形学一个主要的目的就是要利用计算机及其显示设备产生令人赏心悦目的真实感图形。为此，它需要研究以下几方面的内容：作为面向计算机专业本科生、非计算机专业研究生和同等学历硕士研究生的一本计算机图形学的网络课程的教材，将重点讨论与光栅图形生成、曲线曲面造型和真实感图形生成有关的原理和算法。 a) 三维景物的表示，这是计算机图形显示的前提和基础；包括曲线曲面的造型技术，实体造型技术，以及纹理、云彩、波浪等等自然景物的造型和模拟；b) 三维场景的显示，包括光栅图形生成算法、线框图形和真实感图形的理论和算法；c) 基于图象和图形的的混合绘制技术；d) 自然景物仿真；e) 图形用户接口；f) 虚拟现实g) 动画技术；h) 可视化技术；i) 几何和图形数据的存储，包括数据压缩和解压缩； j) 图形硬件、图形标准、图形交互技术，等等。1.3 计算机图形学的应用计算机图形学的应用主要包括以下几个方面：a) CAD/CAM包括机械、汽车、航空航天、纺织、服装、电子、建筑等领域的计算机辅助设计和制造。b) 地形地貌和自然资源图绘制平面地形图、三维地貌图等，资源发布和天气预报等等；c) 过程控制及系统模拟生成生产过程的动态场景，对系统进行仿真；d) 计算机辅助教学将图形信息形象、直观和生动的特点应用于计算机辅助教学；e) 艺术造型和模拟艺术品的设计和制造，动画和电影特技的制作；f) 数据场可视化用图形直接反映科学计算的结果，如有限元分析、分子模型、核爆炸过程、地震、大气科学等。1.4 常用的图形设备计算机图形系统通常由图形软件、三维图形处理器、图形输入和输出设备构成。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。这一节我们将介绍有关的图形输入和输出设备。1.4.1 图形输入设备常用的输入设备有：1) 键盘有 ASCII 编码键、命令控制键和功能键，是计算机的一种最基本的输入设备。2) 鼠标将移动距离及方向的信息变成数字脉冲信息，由计算机转换成光标的坐标数据。a) 光电式鼠标由发光二极管、光敏晶体管和鼠标板等等构成。发光二极管发出光，经鼠标板反射至光敏晶体管，由于鼠标板均匀间隔的网格使反射光强弱不同，光敏晶体管能够将其变化转化为表示位移的脉冲。 b) 机械式鼠标内有一个滚球和三个滚轴，即空轴、X 向滚轴和 Y 向滚轴。X 向、Y 向滚轴带动译码轮，译码轮位于两传感器之间且有一圈小孔，二极管发向光敏晶体管的光因被阻断产生位移的脉冲，而两脉冲成90 度。c) 光笔利用笔尖处的孔，荧光屏上的光透过透镜聚集到光导纤维，传至光电倍增器，形成电信号。d) 触摸屏触摸屏允许用手指触摸显示屏幕的位置进行选择。有光学的、电子的和声学的触摸屏三类。光学的触摸屏是利用红外线发生和接受装置检测光线的遮挡情况导致的电平变化，或通过测量投射屏幕两边的阴影范围来确定手指的位置。电子触摸屏是由相互间有一较小距离的两块透明板构成，其中一块涂有导电材料另一块涂有电阻材料。它是利用两涂层间的电阻和电容的变化确定触摸位置。声学触摸屏是利用手触及使声波发生衰减，从而转换为 X，Y 坐标的。e) 图象扫描仪图象扫描仪按固态器件可分为电荷耦合器件（CCD）扫描仪、MOS 电路扫描仪和紧贴型扫描仪。CCD 扫描仪用光源照射被扫描的图象，将反射光通过一组光学镜头射到电荷耦合器件上，然后经过模/数转换，数据缓存器等等，最后传输到计算机中。为了使投射在原稿上的光线均匀分布，扫描仪中使用的是长条形光源。扫描仪的两个重要指标是分辨率和支持的颜色数，例如：分辨率为1200dpi（dots per inch） ，颜色为 32 位真彩色。1.4.2 常用的图形输出设备1) 阴极射线管（CRT）图 1.1 所示是阴极射线管的原理示意图。带负电荷的阴极被灯丝加热后，发出的电子束，经过聚焦系统和偏转系统，加速射向涂荧光层的屏幕上的指定位置。聚焦系统把阴极发出的电子束聚焦成很细的电子束，使其轰击荧光屏时会聚到一个小点。由于荧光屏反射的光亮度衰减得很快，必须控制电子束反复重画图象，以维持其亮度不变。图 1.1 CRT 原理图2) 显示器显示器的种类有：随机扫描显示器（又称矢量显示器） 、存储管式显示器、光栅扫描式显示器、液晶（LCD）显示器、等离子显示器等。现在的图形显示设备绝大多数是基于阴极射线管 CRT（CathodeRay Tube）的监视器。CRT 显示器经历了多个发展阶段，出现过各种不同类型的 CRT 监视器。如：存储管式显示器和随机扫描显示器，但这些显示器的图形表现能力很弱，缺点是很明显的。70 年代开始出现的刷新式彩色光栅扫描显示器是图形显示技术走向成熟的一个标志，它的出现更将人们带入了一个多彩的世界。a) 光栅扫描式显示器光栅扫描式显示器是画点设备，它将屏幕分成由像素构成的光栅网格，其中像素具有灰度和颜色。CRT 的水平和垂直偏转线圈分别产生水平和垂直磁场，电子束则在不同方向磁场力作用下进行行和列扫描， 一个黑白光栅显示器每个像素需一位存储器，彩色显示器就需要多个位面的帧缓冲存储器。b) 液晶显示器目前，光栅扫描式显示器技术已经越来越成熟，显示质量也越来越好，但由于它是利用电子枪发射电子束来产生图像，产生辐射与电磁波干扰是它的不足之处，长期使用会对人们的健康产生不良影响。在这种情况下，人们推出了液晶显示器 LCD（Liquid Crystal Display） 。液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质，它具有液体的流态性质和固体的光学性质。当液晶受到电压的影响时，就会改变它的物理性质而发生形变，此时通过它的光的折射角度就会发生变化，而产生色彩。液晶显示有主动式和被动式两种，其实这两种的成像原理大同小异，只是背光源和偏光板的设计和方向有所不同。现在最流行的主动式液晶屏幕是薄膜晶体管 TFT（Thin Film Transistor） ，被动式液晶屏幕有超扭曲向列 STN（Super TN）LCD 和双层超扭曲向列 DSTN（Double layer Super TN）LCD等。3) 打印机目前常用的打印机主要是激光打印机和彩色喷墨打印机。4) 绘图机1） 滚筒式绘图机：两只步进电机带动绘图纸和绘图工具笔运动，控制两只步进电机协调动作进行绘图。绘图工具可以是笔，也可以是彩色喷墨头。2） 平板式绘图机：图纸平铺，横梁和笔架运动。这种绘图仪目前已经很少见。【本章小结】本章首先概述了计算机图形学的硬件设备、主要算法和图形标准的发展情况，然后介绍了计算机图形学的研究内容及其应用情况，最后对图形学的输入和输出设备作了简单地介绍，使读者对计算机图形学的概貌有一些基本的了解。【课后习题】1. 试描述您所熟悉的计算机图形系统的硬软件环境。计算机图形系统是计算机硬件、图形输入输出设备、计算机系统软件和图形软件的集合。 例如：计算机硬件采用 PC、操作系统采用 windows2000，图形输入设备有键盘、鼠标、光笔、触摸屏等，图形输出设备有 CRT、LCD 等，安装 3D MAX 图形软件。2. 计算机图形系统与一般的计算机系统最主要的差别是什么？3. 图形硬件设备主要包括哪些？请按类别举出典型的物理设备?图形输入设备：鼠标、光笔、触摸屏和坐标数字化