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计算机图形学论文

学 号：

200909501114

专业：

计算机科学与技术

班级：

计算机一班

姓名：

郑雨萌

指导教师：

李刚

摘要：

计算机图形学（ComputerGraphics,简称CG）是一种使用数学算法将二维或二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。

计算机图形学是计算机与应用专业的专业主干课，它的重要性体现在人们越来越强烈地需要和谐的人机交互环境：

图形用户界面已经成为一个软件的重要组成部分，以图形的方式来表示抽象的概念或数据（可视化）已经成为信息领域的一个重要发展趋势。

设置本课程的目的就在于让软硬件开发人员了解和掌握必要的图形学概念、方法和工具。

关键词：

智能CAD,计算机美术与设计，计算机动画艺术，科学计算可视化

—引言

图形通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、线宽等非几何属性组成。

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、曲面的线框图等，另一类是明暗图，也就是通常所说的真实感图形。

计算机图形学一个主要的目的就是要利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形。

为此，必须建立图形所描述的场景的几何表示，再用某种光照模型，计算在假想的光源、纹理、材质属性下的光照明效果。

所以计算机图形学与另一门学科计算机辅助几何设计有着密切的关系。

事实上，图形学也把可以表示几何场景的曲线曲面造型技术和实体造型技术作为其主要的研究内容。

同时，真实感图形计算的结果是以数字图像的方式提供的，计算机图形学也就和图像处理有着密切的关系。

图形与图像两个概念间的区别越来越模糊，但还是有区别的：

图像纯指计算机内以位图形式存在的灰度信息，而图形含有几何属性，或者说更强调场景的几何表示，是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成的。

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、非真实感绘制，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

二发展简史

1963年，伊凡•苏泽兰（IvanSutherland）在麻省理工学院发表了名为《画板》的博士论文,它标志着计算机图形学的正式诞生。

至今已有三十多年的历史。

此前的计算机主要是符号处理系统，自从有了计算机图形学，计算机可以部分地表现人的右脑功能了，所以计算机图形学的建立具有重要的意义

1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院（MIT）旋风1号（WhirlwindI）计算机的附件诞生了。

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。

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，并称之为：

“被动式”图形学。

到50年代末期，MIT的林肯实验室在“旋风”计算机上开发SAGE空中防御体系，第一次使用了具有指挥和控制功能的CRT显示器，操作者可以用笔在屏幕上指出被确定的目标。

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。

1962年，MIT林肯实验室的IvanE.Sutherland发表了一篇题为“Sketchpad：

一个人机交互通信的图形系统”的博士论文，他在论文中首次使用了计算机图形学''ComputerGraphics"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，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。

他在论文中所提出的一些基本概念和技术,如交互技术、分层存储符号的数据结构等至今还在广为应用。

1964年MIT的教授StevenA.Coons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构造曲面。

同在60年代早期，法国雷诺汽车公司的工程师PierreBezier发展了一套被后人称Bezier曲线、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UNISURF系统。

Coons方法和Bezier方法是GAGD最早的开创性工作。

值得一提的是，计算机图形学的最高奖是以Coons的名字命名的，而获得第一届（1983）和第二届（1985）StevenA.Coons奖的,恰好是IvanE.Sutherland和PierreBezier,这也算是计算机图形学的一段佳话。

70年代是计算机图形学发展过程中一个重要的历史时期。

由于光栅显示器的产生，在60年代就已萌芽的光栅图形学算法，迅速发展起来，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，图形学进入了第一个兴盛的时期，并开始出现实用的CAD图形系统。

又因为通用、与设备无关的图形软件的发展，图形软件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ACMSIGGRAPH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”（CoreGraphicsSystem）。

IS。

随后又发布了计算机图形接口CGI（ComputerGraphicsInterface）>计算机图形元文件标准CGM（ComputerGraphicsMetafile）、计算机图形核心系统GKS（GraphicsKernelsystem）,面向程序员的层次交互图形标准PHIGS（Programmer'sHierarchicalInteractiveGraphicsStandard）等。

这些标准的制定，为计算机图形学的推广、应用、资源信息共享，起到了重要作用。

1980年Whitted提出了一个光透视模型-Whitted模型，并第一次给出光线跟踪算法的范例，实现Whitted模型；1984年，美国Cornell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入到计算机图形学中，用辐射度方法成功地模拟了理想漫反射表面间的多重漫反射效果；光线跟踪算法和辐射度算法的提出，标志着真实感图形的显示算法已逐渐成熟。

从80年代中期以来，超大规模集成电路的发展，为图形学的飞速发展奠定了物质基础。

计算机的运算能力的提高，图形处理速度的加快，使得图形学的各个研究方向得到充分发展，图形学已广泛应用于动画、科学计算可视化、CAD/CAM,影视娱乐等各个领域。

三发展及应用

1963年，伊凡•苏泽兰（IvanSutherland）在麻省理工学院发表了名为《画板》的博士论文，它标志着计算机图形学的正式诞生。

至今已有三十多年的历史。

此前的计算机主要是符号处理系统，自从有了计算机图形学，计算机可以部分地表现人的右脑功能了，所以计算机图形学的建立具有重要的意义。

近年来，计算机图形学在如下几方面有了长足的进展：

1.1智能CAD

CAD的发展也显现出智能化的趋势，就目前流行的大多数CAD软件来看，主要功能是支持产品的后续阶段一一工程图的绘制和输出，产品设计功能相对薄弱，利用AutoCAD最常用的功能还是交互式绘图，如果要想进行产品设计，最基本的是要其中的AutoLisp语言编写程序，有时还要用其他高级语言协助编写，很不方便。

而新一代的智能CAD系统可以实现从概念设计到结构设计的全过程。

例如，德国西门子公司开发的SigraphDesign软件可以实现如下功能：

智能CAD的另一个领域是工程图纸的自动输入与智能识别，随着CAD技术的迅速推广应用，各个工厂、设计院都需将成千上万张长期积累下来的设计图纸快速而准确输入计算机，作为新产品开发的技术资料。

多年来，CAD中普遍采用的图形输入方法是图形数字化仪交互输入和鼠标加键盘的交互输入方法.很难适应工程界大量图纸输入的迫切需要。

因此，基于光电扫描仪的图纸自动输入方法已成为国内外CAD工作者的努力探索的新课题。

但由于工程图的智能识别涉及到计算机的硬件、计算机图形学、模式识别及人工智能等高新技术内容，使得研究工作的难点较大。

工程图的自动输入与智能识别是两个密不可分的过程，用扫描仪将手绘图纸输入到计算机后，形成的是点阵图象.CAD中只能对矢量图形进行编辑，这就要求将点阵图象转化成矢量图形.而这些工作都让计算机自动完成.这就带来了许多的问题.国家自然科学基金会和863计划基金都在支持这方面的研究，国内外已有一些这方面的软件付诸实用，如美国的RVmaster,德国的VPmax,以及清华大学，东北大学的产品等。

但效果都不很理想.还未能达到人们企盼的效果。

2.2计算机美术与设计

一.计算机美术的发展

1952年.美国的Ben.Laposke用模拟计算机做的波型图《电子抽象画》预示着电脑美术的开始（比计算机图形学的正式确立还要早）。

计算机美术的发展可分为三个阶段：

（1）早期探索阶段（19521968年）主创人员大部分为科学家和工程师，作品以平面几何图形为主。

1963年美国《计算机与自动化》杂志开始举办年度“计算机美术比赛”。

代表作品：

1960年WiuiamFerrter为波音公司制作的人体工程学实验动态模拟.模拟飞行员在飞机中各种情况;1963年KennethKnowIton的打印机作品《裸体》。

1967年日本GTG小组的《回到方块》。

⑵中期应用阶段（1968年〜1983年）以1968年伦敦第一次世界计算机美术大展一“控制论珍宝（CybernehicSerendipityl为标志，进入世界性研究与应用阶段；计算机与计算机图形技术逐步成熟，一些大学开始设置相关课题，出现了一些CAD应用系统和成果，三维造型系统产生并逐渐完善。

代表作品：

1983年美国旧M研究所RicherdVoss设计出分形山（可到网站“分形频道hrtp：

ttfractal.126.tom中查找有关“分形"的知识）

（3）应用与普及阶段（1984年〜现在）以微机和工作站为平台的个人计算机图形系统逐渐走向成熟，大批商业性美术（设计）软件面市；以苹果公司的MAC机和图形化系统软件为代表的桌面创意系统被广泛接受，CAD成为美术设计领域的重要组成部分。

代表作品：

1990年JefreyShaw的交互图形作品"易读的城市fThelegiblecity）=

二.计算机设计学（ComputerDesignics）

包括三个方面：

环境设计（建筑、汽车）、视觉传达设计（包装）、产品设计。

CAD对艺术的介入，分三个应用层次：

（1） 计算机图形作为系统设计手段的一种强化和替代；效果是这个层次的核心（高精度、高速度、高存储）。

（2） 计算机图形作为新的表现形式和新的形象资源。

（3） 计算机图形作为一种设计方法和观念。

3. 3计算机动画艺术

1历史的回顾

计算机动画技术的发展是和许多其它学科的发展密切相关的。

计算机图形学、计算机绘画、计算机音乐、计算机辅助设计、电影技术、电视技术、计算机软件和硬件技术等众多学科的最新成果都对计算机动画技术的研究和发展起着十分重要的推动作用50年代到60年代之间，大部分的计算机绘画艺术作品都是在打印机和绘图仪上产生的。

一直到60年代后期，才出现利用计算机显示点阵的特性，通过精心地设计图案来进行计算机艺术创造的活动。

70年代开始.计算机艺术走向繁荣和成熟1973年，在东京索尼公司举办了“首

届国际计算机艺术展览会”80年代至今，计算机艺术的发展速度远远超出了人们的想