计算机图形学
[拼音]：jisuanji tuxingxue
[外文]：computer graphics
研究用计算机输入、生成、检索、修改、分析和表示图形的学科。计算机图形学中常用的方法是交互式图形技术，即采用人机对话方式进行图形设计的技术。
发展概况
计算机发展初期，人们在电传打字机或行式打字机上输出粗略的图形，可以认为是计算机图形学的开端。1950年美国麻省理工学院首次将旋风式计算机与阴极射线管显示器连接输出简单的图形。50年代中期，美国空军北美防空司令部采用计算机驱动的显示设备把不同地点收集来的雷达数据生成图像。50年代末期研制成功TX0和TX2计算机,图形显示技术得到迅速发展。60年代初，美国I.萨特兰研制成功一种交互式图形系统，称为Sketchpad。他的论文《Sketchpad：人机图形通信系统》(1963)被认为是计算机图形学理论方面的第一篇论文。他提出的交互式图形设计方法至今仍在使用。70年代以来，计算机图形学从理论研究逐步进入实际应用阶段。80年代出现CAD工作站,使图形处理系统成为计算机辅助设计系统的重要组成部分。中国对计算机图形学的研究是70年代开始的。
理论基础
计算机图形学的理论基础包括数学方法、图像处理和模式识别、数据结构和数据库理论三个方面。
数学方法
包括各种二维、三维图形变换公式、投影几何、曲线拟合方法、隐面消除和形成浓淡的方法等。
图像处理和模式识别
图像处理、模式识别与图形学相结合(图1)为计算机图形学提供了新的方法。三种理论的中心问题都是图形的计算机描述问题，即图形数据的结构、图形存储、检索、压缩等问题。
数据结构和数据库理论
图像数据的有效存储和检索是图形学中的一个重要问题。目前已研制出既有字母数据又有图形数据的综合数据库。
应用
计算机图形处理技术应用于许多领域，如商业、计算机辅助设计和制造、计算机艺术、模拟技术、办公室自动化和过程控制等。
商业应用
可用以绘制各种统计报表、曲线、帐单、直方图，以及二维和三维图形。
计算机辅助设计和制造
计算机图形学是计算机辅助设计的重要基础技术。可用于大规模集成电路的设计和制造，电路板的自动布线，飞机、汽车、船舶外形的设计，模型分析和制造，建筑设计等。
计算机艺术
用于制作电视广告、动画片、幻灯片，设计风景图案、纺织品印染图案等。
模拟技术
用于飞行模拟器，产生动态画面，如运行的车辆、云、雾以及各种形态的飞机，还用于飞船登月模拟训练。
办公自动化和电子排版
用图形和文字终端进行文字、图形的编辑和排版。
过程控制
用于炼油厂、发电厂、炼钢厂、航天飞机等设备的实时图形显示。
图形输入输出设备
常用的图形输入设备有电视摄像机、图形输入板、光笔和鼠标器等。常用的图形输出设备有图形显示器、绘图机、图形彩色打印机等。
输出设备
在交互式图形系统中最常用的是显示器。显示器大体分为刷新显示器、直视存储管和光栅显示器三种。
（1）刷新显示器(CRT)
这是最早出现的显示器,由显示控制器、缓冲存储器和显像管等组成（图2）。缓冲存储器用来存储显示指令和显示文件。由控制器解释这些指令，通过数模转换将数字信号转换成模拟信号，控制电子束打在屏幕上。屏幕上的荧光消失得很快，一般每秒钟至少刷新显示30次以上，高质量显示器为每秒50次。这种显示器可用于动态显示，并能修改图像上的个别元素。
（2）直视存储管 又称双稳态存储显示器。电子束写在屏幕后的涂有介质的网格上，然后由一个独立的读数电子枪将图案复制到屏幕上。直视存储管显示时间可持续近1个小时，清除需1/2秒。其优点是显示时无闪烁,显示分辨率高(203×203平方毫米有1024×1024光点)，价格低。缺点是显示速度慢,不易修改,不能用作动态显示。
（3）光栅显示器
它采用成熟的电视技术和低廉的半导体存储器，已成为主要的图形显示器。它采用标准电视监视器，图形由一连串的光点组成，每个像素与图像内存中的一定二进制代码相对应。二进制码长度决定于每个像素可显示的灰度。图像内存的大小决定于显示的分辨率。图3为典型光栅显示器的结构。图像内存为两端口内存。一个端口由中央处理器读写，另一端口只能读出，用于数模转换。显示时，由图像内存读出一定的二进制代码，然后经过检索彩色转换表，读出红、绿、蓝三种基色对应的二进制代码，将它们的值分别作数模转换以控制电子枪。光栅显示器可以很方便地用来显示非实时的二维或三维图形，或用于图形填色。
输入设备
图形输入板是最常用的图形输入设备，又称数字化仪，它是一个特制的感应器。当用户用特制的触笔在板上作图时,可将该点X–Y坐标感应信号送入计算机。输入的图形立即在显示屏幕上绘出。用户用光笔指向屏幕时可感应产生信号，直接在屏幕上作图，非常方便。鼠标器可自由移动显示屏幕上的光标位置，用来直接在屏幕上绘图和定位。
图形软件
图形软件是用于图形设计变换、检索、分析、修改、输入的程序包。图形软件应能适用于各种不同的输入、输出设备，为此采用 FORTRAN，PASCAL等高级语言来编写。1979年,美国计算机协会(ACM)研制出核心图形系统(Core Graphics),简称CORE。它是与设备无关的图形软件,现已被美国、日本等国所采用。联邦德国研制出二维图形核心系统(Graphics Kernal System)简称GKS。1979年为国际标准化组织(ISO)所接受，作为计算机图形软件的标准，目前已被十几个国家采纳，并在此基础上研制出三维图形软件。
图形软件的结构
图形软件一般由应用数据结构、应用程序和图形系统三个部分组成（图4）。
（1）应用数据结构 应用数据结构是对图形的一种描述。数据结构中包含与图形有关的信息，如图形的形状和拓扑信息、图形坐标数据、灰度、图形间的连接关系和位置等。对图形的分析和处理实际上是对数据结构的操作。
（2）应用程序 它描述欲在图形系统上输出的二维、三维图形。应用程序描述图形不必了解机器的具体结构。
（3）图形系统 它是输入输出图形的硬件和软件组合，带有访问各种设备的子程序。
二维图形软件的基本功能是开窗口、放缩比例尺、图形平移、裁剪、旋转、变色、填色、画线、画弧、图形修改等。
三维图形软件功能是图形正投影、等轴测投影和非等轴测投影、投影角度可旋转的三维轴测图、常用坐标向球坐标投影变换、隐面处理、裁剪、色调浓淡处理等。其中隐面处理、浓淡处理是正在研究的课题。
图形软件的特点
图形软件与常规软件比较：
（1）两者所表示的数据类型不同。
（2）图形程序是交互式的，是面向事件的程序。
（3）图形软件与设备无关，特别适用于交互式绘图，如进行三维图形的描述、几何变换、色调浓淡处理等。
未来发展
在人机接口、专用硬件方面还有许多问题有待进一步研究，如三维模型，新型输入工具，平板显示器,光盘的使用,输入图像的分析，新型计算机（智能计算机）的图形系统，更完善的图像硬设备和应用软件，光栅显示器的扫描转换并行性的研究，高性能的图形语言，图形数据库，图形计算机网络等。
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文章名称：《计算机图形学》
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