计算机图形学主要研究报告内容.docx

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计算机图形学主要研究报告内容

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计算机图形学主要研究内容

要想了解计算机图形学的研究内容，我们要弄清这样几个问题。

1.我们先来看一下“图形”这个关键词。

图形是指在载体上以几何线条和几何符号等反映事物各类特征和变化规律的表达形式；图像是图形和各种影像的总称。

相较于文字，图像所传达的信息量要巨大的多，更加直观，更易为人所接受，作为图像的组成部分，图形也具有这些特点。

以图1为例，这幅图为香港亚太设计双年展0174号展品，我们不难想象，文字是无法准确地描述出下图的会议室装修效果的，不能传达出设计师的思想。

而这幅依靠计算机3D软件做出来的图形则清楚准确地展现出了设计师的设计意图。

图1香港亚太双年展0174

这样，我们清楚地了解到了图形的作用。

2.在计算机科学中，图形又是什么呢？

在计算机科学中，图形是指由外部轮廓线条构成的矢量图。

即由计算机绘制的直线、圆、矩形、曲线、图表等。

图形用一组指令集合来描述图形的内容，如描述构成该图的各种图元位置维数、形状等。

描述对象可任意缩放不会失真。

在显示方面图形使用专门软件将描述图形的指令转换成屏幕上的形状和颜色。

适用于描述轮廓不很复杂，色彩不是很丰富的对象，如：

几何图形、工程图纸、CAD、3D造型软件等。

它的编辑通常用Draw程序，产生矢量图形，可对矢量图形及图元独立进行移动、缩放、旋转和扭曲等变换。

主要参数是描述图元的位置、维数和形状的指令和参数。

并且，在计算机科学中，还要注意这样一个问题，图形和图像这两个概念的区别。

一，数据来源不同。

图形一般指用计算机绘制的画面，如直线、圆、圆弧、任意曲线和图表等；图像则是指由输入设备捕捉的实际场景画面或以数字化形式存储的任意画面。

二，编辑处理方法不同。

图像是由一些排列的像素组成的，在计算机中的存储格式有BMP、PCX、TIF、GIFD等，一般数据量比较大。

它除了可以表达真实的照片外，也可以表现复杂绘画的某些细节，并具有灵活和富有创造力等特点；与图像不同，在图形文件中只记录生成图的算法和图上的某些特点，也称矢量图。

在计算机还原时，相邻的特点之间用特定的很多段小直线连接就形成曲线，若曲线是一条封闭的图形，也可靠着色算法来填充颜色。

它最大的优点就是容易进行移动、压缩、旋转和扭曲等变换，主要用于表示线框型的图画、工程制图、美术字等。

常用的矢量图形文件有3DS<用于3D造型）、DXF<用于CAD）、WMF<用于桌面出版）等。

三，表现效果不同。

图形只保存算法和特征点，所以相对于位图<图像）的大量数据来说，它占用的存储空间也较小。

但由于每次屏幕显示时都需要重新计算，故显示速度没有图像快。

另外，在打印输出和放大时，图形的质量较高而点阵图<图像）常会发生失真。

3.在了解了这些之后，计算机图形学到底是什么学科呢？

为什么会出现这样的学科呢？

计算机图形学是随着计算机技术在图形处理领域中的应用而发展起来的，且应用日益广泛的新兴学科。

人对物体图形的观察直接依赖于对物体的实物或相应模型给出的几何外形的观察，而计算机则不然。

计算机本质上处理的是数据符号，它处理图形、图像信息也是如此，只不过是利用计算机强大的数据处理能力及图形输入、输出设备，把抽象的数据符号信息转换成人们更容易接受的图形、图像信息而已。

总之，计算机处理图形、图像时离不开图形、图像的数据化。

图形、图像的数据化依赖于物体建立在坐标系基础上的数学模型，如物体几何的数学描述，也就是表现物体几何形态的曲线、曲面，依赖于相关的数学理论。

由此，需要研究用计算机及其图形设备对图形进行数学模型化生成、表示和变换及其输入、输出的原理和算法。

它的研究分为两个部分:

一部分研究几何作图,它包括平面线条作图和三维立体建模等。

另一部分研究图形表面渲染（Rendering>,它包括表面色调、光照、阴影和纹理等表面属性的研究。

简而言之，计算机图形学就是主要研究在计算机中如何表示图形以及如何利用计算机对图形进行分析、计算、处理和显示的相关原理与算法。

4.这门新兴的学科是如何产生的？

它经历了哪些发展？

计算机图形学的发展主要经历了硬件的发展、算法的发展、计算机图形标准的发展。

　　（1>硬件的发展

　　1950年，美国麻省理工学院（MIT>诞生了旋风I号（WhirlwindI>计算机及其显示器。

五十年代中期，美国战术防空系统SAGE（SemiAutomaticGroundEnvironment>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。

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

一个人机通信的图形系统”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作为一个崭新的科学分支的独立地位。

　　（2>软件及算法的发展

20世纪70年代是计算机图形学发展过程中一个重要的历史时期，具有实际应用价值的CAD图形系统开始出现，另外两个重要进展是真实感图形学和实体造型技术的产生。

从1973年开始,相继出现了英国剑桥大学CAD小组的Build系统、美国罗彻斯特大学的PADLI系统等实体造型系统。

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的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。

　　（3>计算机图形标准的发展

　　1974年，美国国家标准化局

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"

ISO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、面向程序员的层次交互图形标准PHIGS（Programmer''sHierarchicalInteractiveGraphicsStandard>等。

1983年，美国国家标准局发布了初始图形交换规范IGES（InitialGraphicsExchangeSpecification>。

1992年，美国SGI（SiliconGraphics,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

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。

<4）计算机图形实际应用的发展

从20世纪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。

5.计算机图形学研究的目的是什么？

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。

6.最后，我们来看看计算机图形学的主要研究内容。

从总体上来说，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。

从计算机图形学的特点目的以及发展过程来看，首先，计算机图形学是一个不断发展的过程，那么它的研究内容必然是不断发生变化，不断丰富的过程。

计算机图形学由最初的硬件研究而产生，并随着硬件的发展不断丰富，因此，图形硬件是其重要的研究内容之一。

图形输出、输入设备和技术，包括显示器结构体系，硬件交互、接口、功能，请求模式等等。

人们要利用计算机进行工作，首先必须实现与计算机间的信息传递，计算机与人之间的交流界面随着计算机软件、硬件的发展而越来越简单、友好，这也反映了计算机图形学的发展变化。

人机界面从早期的读卡机及控制板上的开关、指示灯发展到键盘和字符终端，再发展到目前基于键盘、鼠标、光笔等输入设备和显示器上的图形用户界面。

这个发展过程正好对应着计算机技术从初级到高级的发展过程。

而这些发展都依赖于对算法的不断研究与探寻，计算机图形学涉及的算法非常丰富，围绕着生成、表示物体的图形图象的准确性、真实性和实时性，其算法可以分以下几类：

　　（1>基于图形设备的基本图形元素的生成算法，如用光栅图形显示器生成直线、圆弧、二次曲线、封闭边界内的填色、填图案、反走样等。

　　（2>基本图形元素的几何变换、投影变换、窗口裁剪等。

　　（3>自由曲线和曲面的插值、拟合、拼接、分解、过渡、光顺、整体修改、局部修改等

　　（4>图形元素（点、线、面、体、环>的求交与分类以及集合运算。

　　（5>隐藏线、面消除以及具有光照颜色效果的真实图形显示。

　　（6>不同字体的点阵表示。

　　（7>山、水、花、烟云等模糊景物的生成。

　　（8>三维形体的实时显示和图形的并行处理。

　　（9>虚拟现实环境的生成以及控制算法等。

图形交互技术；图像生成表示，包括算法、色彩处理等方面；图形操作和处理；几何变化、裁剪、分割、压缩等等；图形优化和加速；图形信息的描述和表示，数据结构、存储和检索、信息编码等等，这些都成为计算机图形学的主要研究内容。

计算机图形学所研究的问题来源于日常生活和科学，来源于工程技术、艺术、音乐、舞蹈、电影制作等，反过来，它又大大促进了这些领域的发展。

目前,计算机图形学的应用已深入到真实感图形、科学计算可视化、虚拟环境、多媒体技术、计算机动画、计算机辅助工程制图等领域。

那么，计算机图形学的研究内容将不断扩大，包括了几何三维模型的构造；动画，与动态图形仿真相关，包括图形的实时性和真实感；业内相关的软件包。

从具体内容来看，图形学主要研究内容有：

<1）图形生成技术：

直线、圆、椭圆等基本图形元素的生成算法，以及光照模型、消隐面等各种图形表示技术。

<2）几何造型技术：

各种不同几何模型的构造方法，表示几何场景的曲线、曲面造型技术和实体造型技术也是其重要的研究内容

<3）图形操作的预处理技术：

确定显示范围，根据规定的窗口范围，将所有的输出图元与其进行比较，利用图形裁剪算法，裁剪出落在窗口有效边界以内的部分；将单个物体组装，进行平移、旋转和比例变换等操作，形成整体模拟环境；确定观测点位置，进行显示对象的透视变换。

<4）人机交互与用户接口技术：

各种交互技术的研究，如选择技术、构造技术、命令技术、响应技术以及用户模型等。

<5）计算机动画：

高速动画的各种实现方法的研究。

<6）显示出真实感图形。

如何利用计算机产生真实感图形是计算机图形学的饿一个重要研究内容。

为此，首先建立图形所描述的场景的几何表示，再利用光照模型，生成在某些光源、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——计算机辅助设计有着密切的关系。

计算机图形学只处理与图形相关的部分，它是计算机辅助设计技术的核心部分。

真实感图形计算的结果是以利用数字图像的方式提供，因此计算机图形学也和图像处理有着密切的关系。

所有这些研究内容，可以归纳为计算机图形学设计和研究的主要问题，即利用计算机进行图形信息的输入、表达、存储、显示、检索、变换和图形编辑等。