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计算机图形学ppt第1页，此课件共49页哦教学要求教学要求了解图形系统的框架及其涉及的软件、了解图形系统的框架及其涉及的软件、硬件技术；硬件技术；了解图形学的基本问题，掌握图形学的了解图形学的基本问题，掌握图形学的基本概念、方法与算法；基本概念、方法与算法；对与图形相关的应用及当前的研究热点对与图形相关的应用及当前的研究热点有一个初步认识；有一个初步认识；具有一定实践体会和相关的编程能力。具有一定实践体会和相关的编程能力。第2页，此课件共49页哦教材或参考书：教材或参考书：教材教材陈元琰等，陈元琰等，“计算机图形学计算机图形学”，清华大学出，清华大学出版社，版社，2007。主要参考书：主要参考书：孙家广：计算机图形学（第三版），清华大孙家广：计算机图形学（第三版），清华大学出版社，学出版社，1999。Siggraph第3页，此课件共49页哦第第1章章 绪论绪论 计算机图形学是近计算机图形学是近20年来科学技术领域中取得的年来科学技术领域中取得的又一重要成就，是随着计算机及其外围设备而产生和又一重要成就，是随着计算机及其外围设备而产生和发展起来的。它是近代计算机科学与雷达、电视及图发展起来的。它是近代计算机科学与雷达、电视及图像处理技术的发展汇合而产生的硕果。像处理技术的发展汇合而产生的硕果。在造船、航空航天、汽车、电子、机械、土建工程、影在造船、航空航天、汽车、电子、机械、土建工程、影视广告、地理信息、轻纺化工等领域中的广泛应用，推动了视广告、地理信息、轻纺化工等领域中的广泛应用，推动了这门学科的不断发展，而不断解决应用中提出的各类新课题，这门学科的不断发展，而不断解决应用中提出的各类新课题，又进一步充实和丰富了这门学科的内容。它现在已发展为对又进一步充实和丰富了这门学科的内容。它现在已发展为对物体的模型和图像进行生成、存取和管理的新学科。物体的模型和图像进行生成、存取和管理的新学科。第4页，此课件共49页哦1.1 计算机图形学的概念、发展计算机图形学的概念、发展和应用和应用 1.1.1 计算机图形学的概念计算机图形学的概念 计算机图形学（计算机图形学（Computer Graphics）是）是研究怎研究怎样用计算机生成、处理和显示图形的一门新兴学科，样用计算机生成、处理和显示图形的一门新兴学科，国际标准化组织（国际标准化组织（ISO）定义为：计算机图形学是研究）定义为：计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形，并在专门显示设备上通过计算机将数据转换为图形，并在专门显示设备上显示的原理、方法和技术的学科。显示的原理、方法和技术的学科。第5页，此课件共49页哦 与计算机图形学的概念容易混淆的是与计算机图形学的概念容易混淆的是图像处理图像处理。计算。计算机图形学的基本含义是使用计算机通过算法和程序在显示机图形学的基本含义是使用计算机通过算法和程序在显示设备上构造出图形来。与此相反，图像处理是将客观世界设备上构造出图形来。与此相反，图像处理是将客观世界中原来存在的物体的影像处理成新的数字化图像的相关技中原来存在的物体的影像处理成新的数字化图像的相关技术，并研究如何从图像中提取二维或三维物体的模型。它术，并研究如何从图像中提取二维或三维物体的模型。它所研究的是计算机图形学的逆过程。所研究的是计算机图形学的逆过程。计算机图形学的研究内容计算机图形学的研究内容涉及到用计算机对图形数据涉及到用计算机对图形数据进行处理的硬件和软件两方面的技术，主要是围绕着生成、进行处理的硬件和软件两方面的技术，主要是围绕着生成、表示物体的图形图像的准确性、真实性和实时性的基础算表示物体的图形图像的准确性、真实性和实时性的基础算法，大致可分为以下几类：法，大致可分为以下几类：第6页，此课件共49页哦 （1）基基于于图图形形设设备备的的基基本本图图形形元元素素的的生生成成算算法法，如如用用光光栅栅图图形形显显示示器器生生成成直直线线、圆圆弧弧、二二次次曲曲线线、封封闭边界内的图案填充等。闭边界内的图案填充等。（4）三维几何造型技术，对基本体素的定义、输入）三维几何造型技术，对基本体素的定义、输入及它们之间的布尔运算方法。及它们之间的布尔运算方法。（5）三维形体的实时显示，包括投影变换、坐标）三维形体的实时显示，包括投影变换、坐标变换等。变换等。（2）图形元素的几何变换，即对图形的平移、放大和）图形元素的几何变换，即对图形的平移、放大和缩小、旋转、镜像等操作。缩小、旋转、镜像等操作。（3）样条曲线和样条曲面的插值、拟合、拼接、）样条曲线和样条曲面的插值、拟合、拼接、光顺、整体和局部修改等。光顺、整体和局部修改等。第7页，此课件共49页哦 （8）科学计算可视化和三维数据场的可视化，将）科学计算可视化和三维数据场的可视化，将科学计算中大量难以理解的数据通过计算机图形显示科学计算中大量难以理解的数据通过计算机图形显示出来，从而加深人们对科学过程的理解。例如有限元出来，从而加深人们对科学过程的理解。例如有限元分析的结果等；应力场、磁场的分布等；各种复杂的分析的结果等；应力场、磁场的分布等；各种复杂的运动学和动力学问题的图形仿真等。运动学和动力学问题的图形仿真等。（7）山、水、花、草、烟、云等自然景物的模拟生）山、水、花、草、烟、云等自然景物的模拟生成算法等。成算法等。（6）真实感图形的生成算法，包括三维图形的消隐、）真实感图形的生成算法，包括三维图形的消隐、光照、色彩、阴影、纹理及彩色浓淡图的生成算法。光照、色彩、阴影、纹理及彩色浓淡图的生成算法。第8页，此课件共49页哦与相关学科的关系与相关学科的关系数数字字图图像像数数据据模模型型图像生成（计算机图形学）图像生成（计算机图形学）模型（特征）提取模型（特征）提取（计算机视觉，模式识别）（计算机视觉，模式识别）模型变换模型变换（计算几何）（计算几何）图像变换图像变换（图像处理）（图像处理）第9页，此课件共49页哦1.1.2 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始于计算机图形学的发展始于50年代，先后经历了准年代，先后经历了准备阶段（备阶段（50年代）、发展阶段（年代）、发展阶段（60年代）、推广应用年代）、推广应用阶段（阶段（70年代）、系统实用化阶段（年代）、系统实用化阶段（80年代）和标准年代）和标准化智能化阶段（化智能化阶段（90年代）。年代）。1.准备阶段（准备阶段（50年代）年代）计算机图形学的发展历史应追溯到计算机图形学的发展历史应追溯到50年代末期。当年代末期。当时的计算机主要应用于科学计算，使用尚不普及，但已时的计算机主要应用于科学计算，使用尚不普及，但已开始出现图形显示器、绘图仪和光笔等图形外部设备。开始出现图形显示器、绘图仪和光笔等图形外部设备。第10页，此课件共49页哦 1950年，美国麻省理工学院年，美国麻省理工学院 Whirlwind I（旋风（旋风I号）号）计算机就配置了由计算机驱动的阴极射线管式的图形显计算机就配置了由计算机驱动的阴极射线管式的图形显示器，但不具备人示器，但不具备人-机交互功能。机交互功能。50年代末期，美国麻省理工学院林肯实验室研制年代末期，美国麻省理工学院林肯实验室研制的的SAGE空中防御系统，就已具有指挥和控制功能。这空中防御系统，就已具有指挥和控制功能。这个系统能将雷达信号转换为显示器上的图形，操作者个系统能将雷达信号转换为显示器上的图形，操作者可以借用光笔指向屏幕上的目标图形来获得所需要的可以借用光笔指向屏幕上的目标图形来获得所需要的信息，这一功能的出现预示着交互式图形生成技术的信息，这一功能的出现预示着交互式图形生成技术的诞生。诞生。第11页，此课件共49页哦 2.发展阶段（发展阶段（60年代）年代）1962年，美国麻省理工学院的年，美国麻省理工学院的I.E.Sutherland （I.E.萨瑟兰德）在他的博士论文中提出了一个名为萨瑟兰德）在他的博士论文中提出了一个名为“Sketchpad”人人机交互式图形系统，能在屏幕上进行机交互式图形系统，能在屏幕上进行图形设计和修改。图形设计和修改。萨瑟兰德在他论文中首次使用了萨瑟兰德在他论文中首次使用了“计算机图形学计算机图形学（Computer Graphics）”这个术语，证明了交互式计算这个术语，证明了交互式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。因此，机图形学作为一个崭新的科学分支的独立地位。因此，I.E.萨瑟兰德的萨瑟兰德的“Sketchpad”系统被公认为对交互图形生成系统被公认为对交互图形生成技术的发展奠定了基础。技术的发展奠定了基础。第12页，此课件共49页哦 随后，美国通用汽车公司（随后，美国通用汽车公司（IBM）、贝尔电话公司）、贝尔电话公司和洛克希德飞机制造公司等开展了计算机图形学和计算机和洛克希德飞机制造公司等开展了计算机图形学和计算机辅助设计的大规模研究，分别推出了辅助设计的大规模研究，分别推出了DAC-1系统、系统、Graphic-1系统和系统和CADAM系统，使计算机图形学进入系统，使计算机图形学进入了迅速发展的新时期。了迅速发展的新时期。这一时期使用的图形显示器是随机扫描的显示器，它这一时期使用的图形显示器是随机扫描的显示器，它具有较高的分辨率和对比度，具有良好的动态性能。但为具有较高的分辨率和对比度，具有良好的动态性能。但为了避免图形闪烁，通常需要以了避免图形闪烁，通常需要以30次秒左右的频率不断刷次秒左右的频率不断刷新屏幕上的图形。为此需要一个刷新缓冲存储器来存放计新屏幕上的图形。为此需要一个刷新缓冲存储器来存放计算机产生的显示图形的数据和指令，还要有一个高速的处算机产生的显示图形的数据和指令，还要有一个高速的处理器。理器。第13页，此课件共49页哦 由于这一时期使用的计算机图形硬件（大型计算机和由于这一时期使用的计算机图形硬件（大型计算机和图形显示器）是相当昂贵的，因而成为影响交互式图形生图形显示器）是相当昂贵的，因而成为影响交互式图形生成技术进一步普及的主要原因。因此，只有上述这些大公成技术进一步普及的主要原因。因此，只有上述这些大公司才能投入大量资金研制开发出只供本公司产品设计使用司才能投入大量资金研制开发出只供本公司产品设计使用的实验性系统。的实验性系统。3.推广应用阶段（推广应用阶段（70年代）年代）进入进入70年代以后，由于集成电路技术的发展，计年代以后，由于集成电路技术的发展，计算机硬件性能不断提高，体积缩小，价格降低，特别算机硬件性能不断提高，体积缩小，价格降低，特别是廉价的图形输入、输出设备及大容量磁盘等的出现，是廉价的图形输入、输出设备及大容量磁盘等的出现，以小型计算机及超级小型机为基础的图形生成系统开以小型计算机及超级小型机为基础的图形生成系统开始进入市场并形成主流。始进入市场并形成主流。第14页，此课件共49页哦 由于这种系统比起大型计算机来，价格相对便宜，维由于这种系统比起大型计算机来，价格相对便宜，维护使用也比较简单，因而，护使用也比较简单，因而，70年代以来，计算机图形生年代以来，计算机图形生成技术在计算机辅助设计、事务管理、过程控制等领域成技术在计算机辅助设计、事务管理、过程控制等领域得到了比较广泛的应用，出现了许多专门开发图形软件得到了比较广泛的应用，出现了许多专门开发图形软件的公司及相应的商品化图形软件，取得了较好的经济效的公司及相应的商品化图形软件，取得了较好的经济效益，益，CAD成为工业设计部门不可缺少的工具和热门技术。成为工业设计部门不可缺少的工具和热门技术。其中，基于电视技术的光栅扫描显示器的出现极大其中，基于电视技术的光栅扫描显示器的出现极大地推动了计算机图形学的发展。光栅扫描显示器将被显地推动了计算机图形学的发展。光栅扫描显示器将被显示的图像以点阵形式存储在刷新缓存中，由视频控制器示的图像以点阵形式存储在刷新缓存中，由视频控制器将其读出并在屏幕上产生图像。将其读出并在屏幕上产生图像。第15页，此课件共49页哦 光栅扫描显示器较之随机扫描显示器有许多优光栅扫描显示器较之随机扫描显示器有许多优点。一是规则而重复的扫描比随机扫描容易实现，点。一是规则而重复的扫描比随机扫描容易实现，因而价格便宜；二是可以显示用颜色或各种模式填因而价格便宜；二是可以显示用颜色或各种模式填充的图形，这对于生成三维物体的真实感图形是非充的图形，这对于生成三维物体的真实感图形是非常重要的。三是刷新过程与图形的复杂程度无关，常重要的。三是刷新过程与图形的复杂程度无关，只要基本的刷新频率足够高，就不会因为图形复杂只要基本的刷新频率足够高，就不会因为图形复杂而出现闪烁现象。而出现闪烁现象。由于光栅扫描显示器具有许多优点，因而直至今日仍由于光栅扫描显示器具有许多优点，因而直至今日仍然成为图形显示的主要方式，工作站及微型计算机都采用然成为图形显示的主要方式，工作站及微型计算机都采用这种光栅扫描显示器。这种光栅扫描显示器。第16页，此课件共49页哦 由于众多商品化软件的出现，这一时期图形标准化由于众多商品化软件的出现，这一时期图形标准化问题也被提上议程。图形标准化要求图形软件由低层次问题也被提上议程。图形标准化要求图形软件由低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。件包。1974年，美国计算机学会成立了一个图形标准年，美国计算机学会成立了一个图形标准化委员会（化委员会（ACM SIGGRAPH），开始有关标准的制定），开始有关标准的制定和审批工作。和审批工作。1977年该委员会提出了一个称为年该委员会提出了一个称为“核心核心图形系统图形系统CGS”的规范。的规范。1979年又公布了修改后的第二年又公布了修改后的第二版，增加了包括光栅图形显示技术在内的许多其他功版，增加了包括光栅图形显示技术在内的许多其他功能，但仍作为进一步讨论的基础。能，但仍作为进一步讨论的基础。第17页，此课件共49页哦4.系统实用化阶段（系统实用化阶段（80年代）年代）进入进入80年代以后，工作站的出现极大地促进了计算机图形学的发展。年代以后，工作站的出现极大地促进了计算机图形学的发展。比起小型计算机来，工作站在用于图形生成上具有显著的优点。首先，比起小型计算机来，工作站在用于图形生成上具有显著的优点。首先，工作站是一个用户使用一台计算机，交互作用时，响应时间短；其次，工作站是一个用户使用一台计算机，交互作用时，响应时间短；其次，工作站连网后可以共享资源，如大容量磁盘，高精度绘图仪等；而且它工作站连网后可以共享资源，如大容量磁盘，高精度绘图仪等；而且它便于逐步投资、逐步发展、使用寿命较长。因而，工作站已经取代小型便于逐步投资、逐步发展、使用寿命较长。因而，工作站已经取代小型计算机成为图形生成的主要环境。计算机成为图形生成的主要环境。80年代后期，微机的性能迅速提高，配以高分辨率显示器及窗口年代后期，微机的性能迅速提高，配以高分辨率显示器及窗口管理系统，并在网络环境下运行，使它成为计算机图形生成技术的重管理系统，并在网络环境下运行，使它成为计算机图形生成技术的重要环境。由于微机的广泛普及和推广，尤其是微机上的图形软件的全要环境。由于微机的广泛普及和推广，尤其是微机上的图形软件的全面出现，如面出现，如Windows、Office、AutoCAD、CorelDRAW、Freehand、3D Studio等，使计算机图形学的应用深度和广度得到了前所未有的等，使计算机图形学的应用深度和广度得到了前所未有的发展。发展。第18页，此课件共49页哦 5.标准化智能化阶段（标准化智能化阶段（90年代）年代）进入进入90年代，计算机图形学朝着标准化、集成化和智能化的年代，计算机图形学朝着标准化、集成化和智能化的方向发展。一方面，国际标准化组织（方向发展。一方面，国际标准化组织（ISO）公布的有关计算机）公布的有关计算机图形学方面的标准越来越多，且更加成熟。目前，由图形学方面的标准越来越多，且更加成熟。目前，由ISO发布的发布的图形标准有：计算机图形接口标准图形标准有：计算机图形接口标准CGI、计算机图形元文件标准、计算机图形元文件标准CGM、图形核心系统、图形核心系统GKS、三维图形核心系统、三维图形核心系统GKS-3D和程序员和程序员层次交互式图形系统层次交互式图形系统PHIGS。另一方面，多媒体技术、人工智能及专家系统技术和计算机图另一方面，多媒体技术、人工智能及专家系统技术和计算机图形学相结合使其应用效果越来越好，使用方法越来越容易，许多应形学相结合使其应用效果越来越好，使用方法越来越容易，许多应用系统具有智能化的特点，如智能用系统具有智能化的特点，如智能CAD系统。科学计算的可视化、系统。科学计算的可视化、虚拟现实环境的应用又向计算机图形学提出了许多更新更高的要求，虚拟现实环境的应用又向计算机图形学提出了许多更新更高的要求，使得三维乃至高维计算机图形学在真实性和实时性方面将有飞速发使得三维乃至高维计算机图形学在真实性和实时性方面将有飞速发展。展。第19页，此课件共49页哦图形学的发展现状图形学的发展现状基基本本内内容容已已成成熟熟，尤尤其其是是二二维维光光栅栅图图形形学学；3D图图形形算算法法已已较较成成熟熟，硬硬件件上上更更新新加加快快；但但无无突突破破，更更逼真更快（依赖于硬件），但难以做到完全真实。逼真更快（依赖于硬件），但难以做到完全真实。第20页，此课件共49页哦我国现状我国现状发发展展迅迅速速，图图形形算算法法水水平平高高，硬硬件件采采用用国国外最新元器件。外最新元器件。应应用用有有差差距距，商商品品化化软软件件产产品品国国际际竞竞争争力力低。低。应用不错，底层平台较差应用不错，底层平台较差人才缺乏。人才缺乏。第21页，此课件共49页哦1.1.3 计算机图形学的应用计算机图形学的应用 由于计算机图形系统的硬、软件性能日益提高，而价格却由于计算机图形系统的硬、软件性能日益提高，而价格却逐步降低，这必然促使计算机图形生成技术的应用日益广泛，逐步降低，这必然促使计算机图形生成技术的应用日益广泛，并已应用于工业、科技、教育、管理、商业、艺术、娱乐等许并已应用于工业、科技、教育、管理、商业、艺术、娱乐等许多行业。目前，主要的应用领域有：多行业。目前，主要的应用领域有：1.图形用户界面图形用户界面 软件的用户接口是人们使用计算机的第一观感。过去传统软件的用户接口是人们使用计算机的第一观感。过去传统的软件中约有的软件中约有60以上的程序是用来处理与用户接口有关的问以上的程序是用来处理与用户接口有关的问题和功能，因为用户接口的好坏直接影响着软件的质量和效率。题和功能，因为用户接口的好坏直接影响着软件的质量和效率。如今在用户接口中广泛使用了如今在用户接口中广泛使用了图形用户界面（图形用户界面（GUI），），如菜单、如菜单、对话框、图标和工具栏等，大大提高了用户接口的直观性和友对话框、图标和工具栏等，大大提高了用户接口的直观性和友好性，也提高了相应软件的执行速度。好性，也提高了相应软件的执行速度。第22页，此课件共49页哦2.计算机辅助设计与制造（计算机辅助设计与制造（CADCAM）计算机辅助设计是计算机图形学的一个最广泛、最活跃的应用计算机辅助设计是计算机图形学的一个最广泛、最活跃的应用领域。由于领域。由于CAD技术能广泛应用于产品设计和工程设计，适合多品技术能广泛应用于产品设计和工程设计，适合多品种小批量生产，生产周期短、效率高，精确性和可靠性高，可以显种小批量生产，生产周期短、效率高，精确性和可靠性高，可以显著提高产品在市场上的竞争力，故越来越受到人们的关注，应用也著提高产品在市场上的竞争力，故越来越受到人们的关注，应用也越来越广泛。在产品设计和制造方面，越来越广泛。在产品设计和制造方面，CAD/CAM技术被广泛用于技术被广泛用于飞机、汽车、船舶、机电、轻工、服装的飞机、汽车、船舶、机电、轻工、服装的外形设计和制造。外形设计和制造。如美国波音公司，由于采用如美国波音公司，由于采用CAD技术，使波音技术，使波音727的设计提的设计提前二年完成；又如美国通用汽车公司，利用前二年完成；又如美国通用汽车公司，利用CAD系统把产品设计、系统把产品设计、制造、模拟试验和检查测试结合起来，组成一体化集成系统，使制造、模拟试验和检查测试结合起来，组成一体化集成系统，使汽车设计周期由汽车设计周期由5年缩短到年缩短到3-4年。年。第23页，此课件共49页哦 在电子工业中，在电子工业中，CAD技术应用到集成电路、印刷电路板、电子技术应用到集成电路、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。一个复杂的大规模或线路和网络分析等方面的优势是十分明显的。一个复杂的大规模或超大规模集成电路板图根本不可能用手工设计和绘制，而用超大规模集成电路板图根本不可能用手工设计和绘制，而用CAD进进行设计可以在较短的时间内完成，并把结果直接送至后续工艺进行行设计可以在较短的时间内完成，并把结果直接送至后续工艺进行加工处理。加工处理。在工程设计方面，为了减低工程造价，提高设计效率，在建筑、在工程设计方面，为了减低工程造价，提高设计效率，在建筑、石油、冶金、地质、电力、铁路、公路、化工等工程设计中广泛采用石油、冶金、地质、电力、铁路、公路、化工等工程设计中广泛采用CAD技术。例如，在应用技术。例如，在应用CAD进行建筑设计上，不仅可以进行总体进行建筑设计上，不仅可以进行总体的外观效果图设计，还可以完成结构设计、给或排水设计、电器设计的外观效果图设计，还可以完成结构设计、给或排水设计、电器设计和装饰设计等，对密集的楼群地段也可以进行光照分析。和装饰设计等，对密集的楼群地段也可以进行光照分析。第24页，此课件共49页哦工程图及其三维重建结果第25页，此课件共49页哦3.事务和商务数据的图形展示事务和商务数据的图形展示 应用图形学较多的领域之一是绘制事务和商务数据的各种二、应用图形学较多的领域之一是绘制事务和商务数据的各种二、三维图表，如直方图、柱形图、扇形图、折线图、工作进程图、仓三维图表，如直方图、柱形图、扇形图、折线图、工作进程图、仓库和生产的各种统计管理图表等，所有这些图表都用简明的方式提库和生产的各种统计管理图表等，所有这些图表都用简明的方式提供形象化的数据和变化趋势，以增加对复杂对象的了解和对大量分供形象化的数据和变化趋势，以增加对复杂对象的了解和对大量分散数据的规律分析，以便作出正确的决策。散数据的规律分析，以便作出正确的决策。4.地形地貌和自然资源的图形显示地形地貌和自然资源的图形显示 应用计算机图形生成技术产生高精度的地理图形或自然资源应用计算机图形生成技术产生高精度的地理图形或自然资源的图形是另一个重要的应用领域，包括地理图、地形图、矿藏分的图形是另一个重要的应用领域，包括地理图、地形图、矿藏分布图、海洋地理图、气象气流图、植物分布图以及其他各类等值布图、海洋地理图、气象气流图、植物分布图以及其他各类等值线、等位面图等。目前，建立在地理图形基础之上的地理信息管线、等位面图等。目前，建立在地理图形基础之上的地理信息管理系统（主要包括地理信息和地图）已经在许多国家中得到广泛理系统（主要包括地理信息和地图）已经在许多国家中得到广泛的应用。的应用。第26页，此课件共49页哦 地理信息系统是当前信息社会中政府部门对资源和环境进行科学地理信息系统是当前信息社会中政府部门对资源和环境进行科学管理和快速决策时不可缺少的工具，可广泛应用于农林、地质、旅游、管理和快速决策时不可缺少的工具，可广泛应用于农林、地质、旅游、交通、测绘、城市规划、土地管理、环境保护、资源开发和灾害监测交通、测绘、城市规划、土地管理、环境保护、资源开发和灾害监测以及各种与地理空间有关的行业部门。以及各种与地理空间有关的行业部门。5.过程控制及系统环境模拟过程控制及系统环境模拟 用户利用计算机图形学实现与其控制或管理对象间的相互用户利用计算机图形学实现与其控制或管理对象间的相互作用。例如石油化工、金属冶炼、电网控制的有关人员可以根作用。例如石油化工、金属冶炼、电网控制的有关人员可以根据设备关键部位的传感器送来的图像和数据，对设备运行过程据设备关键部位的传感器送来的图像和数据，对设备运行过程进行有效监视和控制；机场的飞行控制人员和铁路的调度人员进行有效监视和控制；机场的飞行控制人员和铁路的调度人员可通过计算机产生运行状态信息来有效、迅速、准确地调度，可通过计算机产生运行状态信息来有效、迅速、准确地调度，调整空中交通和铁路运输。调整空中交通和铁路运输。第27页，此课件共49页哦6.电子出版及办公室自动化电子出版及办公室自动化 图文并茂的电子排版制版系统代替了传统的铅字排版，这是印刷图文并茂的电子排版制版系统代替了传统的铅字排版，这是印刷史上的一次革命。随着图、声、文结合的多媒体技术的发展，配合迅史上的一次革命。随着图、声、文结合的多媒体技术的发展，配合迅速发展的计算机网络，可视电话、电视会议、远程诊断以及文字、图速发展的计算机网络，可视电话、电视会议、远程诊断以及文字、图表等的编辑和硬拷贝正在家庭、办公室普及。伴随计算机和高清晰度表等的编辑和硬拷贝正在家庭、办公室普及。伴随计算机和高清晰度电视结合的产品的推出，这种普及率将会越来越高，进而会改变传统电视结合的产品的推出，这种普及率将会越来越高，进而会改变传统的办公、家庭生活方式。的办公、家庭生活方式。7.计算机动画和艺术计算机动画和艺术 由于计算机图形系统的硬件速度提高，软件功能增强，由于计算机图形系统的硬件速度提高，软件功能增强，因而利用它来制作计算机动画、广告，甚至电视电影，其中因而利用它来制作计算机动画、广告，甚至电视电影，其中有的影片还获得了奥斯卡奖。有的影片还获得了奥斯卡奖。第28页，此课件共49页哦 目前国内外不少单位正在研制人体模拟系统，这使得在不目前国内外不少单位正在研制人体模拟系统，这使得在不久的将来把历史上早已去世的著名影视名星重新搬上新的影视久的将来把历史上早已去世的著名影视名星重新搬上新的影视片成为可能。将计算机图形学与专家系统和人工智能技术结合片成为可能。将计算机图形学与专家系统和人工智能技术结合起来，可构造出丰富多彩、形状各异的艺术图像，如各种图案、起来，可构造出丰富多彩、形状各异的艺术图像，如各种图案、花纹、工艺外形设计及传统的油画、中国国画和书法等。花纹、工艺外形设计及传统的油画、中国国画和书法等。8.科学计算的可视化科学计算的可视化 科学计算可视化就是应用计算机图形生成技术将科学及工程计算科学计算可视化就是应用计算机图形生成技术将科学及工程计算的中间结果或最后结果以及测量数据等在计算机屏幕上以图像形式显的中间结果或最后结果以及测量数据等在计算机屏幕上以图像形式显示出来，使人们能观察到用常规手段难以观察到的自然现象和规律，示出来，使人们能观察到用常规手段难以观察到的自然现象和规律，实现科学计算环境和工具的进一步现代化。实现科学计算环境和工具的进一步现代化。第29页，此课件共49页哦 随着科学技术的进步，人类面临着越来越多的数据需要进行处随着科学技术的进步，人类面临着越来越多的数据需要进行处理。这些数据来自高速计算机，人造地球卫星，地震勘探，计算机理。这些数据来自高速计算机，人造地球卫星，地震勘探，计算机层析成像和核磁共振等途径。科学计算可视化可广泛应用于计算流层析成像和核磁共振等途径。科学计算可视化可广泛应用于计算流体力学、有限元分析、气象科学、天体物理、分子生物学、医学图体力学、有限元分析、气象科学、天体物理、分子生物学、医学图像处理等领域。像处理等领域。9.工业模拟工业模拟 这是一个十分大的应用领域，包含对各种机构的运动模拟和这是一个十分大的应用领域，包含对各种机构的运动模拟和静、动态装配模拟，在产品和工程的设计、数控加工等领域迫切静、动态装配模拟，在产品和工程的设计、数控加工等领域迫切需要。它要求的技术主要是计算机图形学中的产品造型、干涉检需要。它要求的技术主要是计算机图形学中的产品造型、干涉检测和三维形体的动态显示。测和三维形体的动态显示。第30页，此课件共49页哦 10.计算机辅助教学计算机辅助教学 计计算算机机图图形形学学已已广广泛泛应应用用于于计计算算机机辅辅助助教教学学系系统统中中，它它可可以以使使教教学学过过程程形形象象、直直观观、生生动动，极极大大地地提提高高了了学学生生的的学学习习兴兴趣趣和和教教学学效效果果。由由于于个个人人计计算算机机的的普普及及，计计算算机机辅辅助助教教学学系系统统将将深深入入到家庭和幼儿教育。到家庭和幼儿教育。总之，交互式计算机图形学的应用极大地提高了人们理解总之，交互式计算机图形学的应用极大地提高了人们理解数据、分析趋势、观察现实或想象形体的能力。随着个人计算数据、分析趋势、观察现实或想象形体的能力。随着个人计算机和工作站的发展，随着各种图形软件的不断推出，计算机图机和工作站的发展，随着各种图形软件的不断推出，计算机图形学的应用前景将是更加引人入胜的。形学的应用前景将是更加引人入胜的。第31页，此课件共49页哦1.2 计算机图形系统计算机图形系统 1.2.1 计算机图形系统硬件计算机图形系统硬件 计算机图形系统与一般的计算机系统是一样的，由硬件和计算机图形系统与一般的计算机系统是一样的，由硬件和软件两方面组成，硬件由主机和输入输出设备组成，软件由系软件两方面组成，硬件由主机和输入输出设备组成，软件由系统软件和应用软件组成。图形系统的选择和应用是学习和掌握统软件和应用软件组成。图形系统的选择和应用是学习和掌握计算机图形学的前提，只有通过图形系统我们才有可能开拓、计算机图形学的前提，只有通过图形系统我们才有可能开拓、利用计算机图形学的潜力。利用计算机图形学的潜力。总体上，计算机图形系统与一般计算机系统相比，要求总体上，计算机图形系统与一般计算机系统相比，要求主主机性能更高，速度更快，存储容量更大，外设种类更齐全，机性能更高，速度更快，存储容量更大，外设种类更齐全，具体具体区别是：区别是：第32页，此课件共49页哦 （1）图图形形运运算算要要求求CPU有有强强大大的的浮浮点点运运算算能能力力，而而一一般般计计算算机机系系统统的的应应用用侧侧重重于于整整数数运运算算，浮浮点点运运算算较较少少，CPU的的浮浮点点运运算算能力要求较低。能力要求较低。（2）图形显示要求有功能）图形显示要求有功能强大的显示能力强大的显示能力，包括要配备专业，包括要配备专业3D图形加速卡和大屏幕显示器（一般图形加速卡和大屏幕显示器（一般17英寸以上），而一般计算英寸以上），而一般计算机系统的应用主要侧重于字符显示，不需要专业图形加速卡和大机系统的应用主要侧重于字符显示，不需要专业图形加速卡和大屏幕显示器。图形加速卡目前发展很快，屏幕显示器。图形加速卡目前发展很快，3D显示卡已发展了五代，显示卡已发展了五代，已发展成为可与中央处理器（已发展成为可与中央处理器（CPU）相提并论的图形处理器）相提并论的图形处理器（GPU），如），如nVidia公司的公司的GeForce 3显示芯片。显示芯片。GPU的出现使的出现使得得CPU的负担大大减轻，显示速度和质量明显提高。的负担大大减轻，显示速度和质量明显提高。第33页，此课件共49页哦 （3）输入设备除了常用的键盘和鼠标之外，）输入设备除了常用的键盘和鼠标之外，一般还要配备数一般还要配备数字化仪和扫描仪。字化仪和扫描仪。数字化仪主要用于线条图形的输入，扫描仪数字化仪主要用于线条图形的输入，扫描仪主要用于面状图像的输入。目前，扫描仪的发展很快，功能主要用于面状图像的输入。目前，扫描仪的发展很快，功能更全面，配合某些矢量化软件，也可把线条图形扫描后自动更全面，配合某些矢量化软件，也可把线条图形扫描后自动识别输入计算机，大大提高工作效率，有取代数字化仪之势。识别输入计算机，大大提高工作效率，有取代数字化仪之势。（4）输出设备一般要有）输出设备一般要有面向图像的彩色打印机和面向线条的笔式面向图像的彩色打印机和面向线条的笔式绘图仪。绘图仪。彩色打印机一般可分为低档的彩色喷墨打印机、中档彩色打印机一般可分为低档的彩色喷墨打印机、中档的热蜡式打印机和高档的热升华打印机。目前，由于喷墨打的热蜡式打印机和高档的热升华打印机。目前，由于喷墨打印机技术的不断进步，价格便宜，而笔式绘图仪不易使用，印机技术的不断进步，价格便宜，而笔式绘图仪不易使用，容易损坏，热蜡式打印机和热升华打印机又过于昂贵，因此，容易损坏，热蜡式打印机和热升华打印机又过于昂贵，因此，性能优良的彩色喷墨打印机逐渐成为图形输出设备的主流产性能优良的彩色喷墨打印机逐渐成为图形输出设备的主流产品和用户首选设备。品和用户首选设备。第34页，此课件共49页哦 计算机图形系统的主机目前主要有两大类，计算机图形系统的主机目前主要有两大类，一类是个人计算机或微一类是个人计算机或微型计算机，另一类是图形工作站。型计算机，另一类是图形工作站。两者互不兼容。个人计算机采用开两者互不兼容。个人计算机采用开放式体系，放式体系，CPU以以Intel、AMD和和Cyrix公司为主，操作系统以公司为主，操作系统以Microsoft公司的公司的Windows为主，厂商以为主，厂商以Compag、IBM、Dell、Acer和联想公司为主，价格便宜，一般在和联想公司为主，价格便宜，一般在1万元左右，用户很多。万元左右，用户很多。图形工作站采用封闭式体系，不同的厂家采用的硬件和软件都不图形工作站采用封闭式体系，不同的厂家采用的硬件和软件都不相同，不能相互兼容。主要厂家有相同，不能相互兼容。主要厂家有SUN、HP、IBM、DEC和和SGI等。工作站速度快，容量大，但价格昂贵，一般在等。工作站速度快，容量大，但价格昂贵，一般在5万元左右，用万元左右，用户较少，一般都是专业公司或专业人员才拥有。户较少，一般都是专业公司或专业人员才拥有。目前，由于个人计算机的发展很快，个人计算机与图形工作目前，由于个人计算机的发展很快，个人计算机与图形工作站的性能差别逐步缩小，专门为图形应用方面配备的高档个人计站的性能差别逐步缩小，专门为图形应用方面配备的高档个人计算机已逐步成为计算机图形系统的首选，特别是对于广大的普通算机已逐步成为计算机图形系统的首选，特别是对于广大的普通用户。用户。第35页，此课件共49页哦1.2.2 计算机图形系统软件计算机图形系统软件 计算机图形系统的软件一般包括系统软件和应用软件两方面。计算机图形系统的软件一般包括系统软件和应用软件两方面。系统软件又分为操作系统和程序设计语言。系统软件又分为操作系统和程序设计语言。工作站的操作系统工作站的操作系统可细分为底层的可细分为底层的UNIX系统和上层的窗口系系统和上层的窗口系统，窗口系统有统，窗口系统有SUN公司的公司的Open Windows，OSF公司的公司的Motif，DEC公司的公司的DEC Windows和和IBM公司的公司的Office Vision等。等。个人计算机的操作系统个人计算机的操作系统大多采用底层的大多采用底层的DOS和上层的和上层的Windows，它们都是，它们都是Microsoft公司的产品。目前公司的产品。目前DOS和和Windows已合二为一，成为不可分割的一个整体。由于目前一已合二为一，成为不可分割的一个整体。由于目前一般的计算机系统也都采用具有图形接口的窗口系统，所以操作般的计算机系统也都采用具有图形接口的窗口系统，所以操作系统方面计算机图形系统与一般计算机系统基本上没有差别。系统方面计算机图形系统与一般计算机系统基本上没有差别。第36页，此课件共49页哦 程序设计语言方面，计算机图形系统当然要求程序设计语程序设计语言方面，计算机图形系统当然要求程序设计语言具有较强的图形图像处理能力，所以具有很强的图形图像处言具有较强的图形图像处理能力，所以具有很强的图形图像处理能力和发展前景的理能力和发展前景的C/C+语言语言逐渐成为计算机图形系统的首选逐渐成为计算机图形系统的首选开发语言，其它