什么是计算机图形学

什么是计算机图形学?

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显示的原理、方法和技术的学科

计算几何：研究几何模型和数据处理的学

科，探讨几何形体的计算机表示、分析和

综合

计算机图形学研究内容:建模,绘制,动画

图形系统的基本功能

1.计算功能

元素生成、坐标变换、求交、剪裁计算。

2.存储功能

存储数据:形体的集合数据、形体间相互关系、数据的实时检索、保存图形的编辑等信息。

3.输入功能

输入信息: 数据、图形信息、图象信息等输入。

命令关键字、操作信息。

4.输出功能

输出信息: 图形信息、文件信息；静态图形、动态图形。

5.交互功能

人─机交互:拾取对象、输入参数；接受命令、数据等。

显示器种类

阴极射线管、随机扫描、存储管式、光栅扫描、等离子和液晶显

示器

从以下几个方面介绍图形显示设备：

图形硬件显示原理

CRT;CRT是利用电子枪发射电子束来产生图像，容易受电磁波干扰液晶显示器;液晶显示器的工作原理是利用液晶的物理特性，在通电时导通，使液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时，排列则变得混乱，阻止光线通过

未来显示器

光栅显示系统的组成

图形显示方式:随机扫描存储管式扫描光栅扫描

图形显示质量与一帧的画线数量有关:当一帧线条太多，无法维持30～60帧/秒刷新频率，就会出现满屏闪烁

光栅扫描显示器的常用概念:行频、帧频（图像刷新率）

水平扫描频率为行频。垂直扫描频率为帧频。

隔行扫描、逐行扫描

隔行扫描方式是先扫偶数行扫描线，再扫奇数行扫描线。像素

屏幕被扫描线分成n 行，每行有m 个点，每个点为一个象素。整个屏幕有m ×n 个象素。具有灰度和颜色信息

分辨率

指CRT单位长度上能分辨出的最大光点(象素)数。分为水平分辨率和垂直分辨率。

点距：相邻象素点之间的距离指标相关。

带宽：（水平像素数*垂直像数数*帧频）

显示速度

指显示字符、图形特别是动态图像的速度，与显示器的分辨率及扫描频率有关。可用最大带宽来表示。

图像刷新

刷新是指以每秒30帧以上的频率反复扫描不断地显示每一帧图像。图像的刷新频率等于帧频，用每秒刷新的帧数表示。目前刷新频率标准为每秒50-120帧。

色彩与亮度等级

亮度等级又称灰度，主要指单色显示器的亮度变化。色彩包括可选择显示器颜色的数目以及一帧画面可同时显示的颜色数，与荧光屏的质量有关，并受显示存储器VRAM容量的影响。

总结：分辨率M*N、颜色个数K与帧缓存大小V的关系

举例：

分辨率是1024×1024的显示器若要显示8种颜色，需要帧缓存大小至少为多少KB? 如果是16M种颜色呢？

1024*1024*log28 (Bit)

1024*1024*log28/8/1024 (KByte)

图形软件分类:

通用编程软件包:GL、OpenGL、VRML、DirectX、Java2D和Java3D

等

图形系统标准:图形标准：图形系统及其相关应用系统中各界面之间进行数据传送和通信的接口标准，及供图形应用程序调用的子程序功能及其格式标准

前者: 数据及文件格式标准

后者: 子程序界面标准

软件标准目标：可移植性

（方便将为一个硬件系统设计的程序移植到另一个系统）

总结：图形系统标准分类:面向图形设备的接口标准：

计算机图形元文件(CGM)，(CRT,Mouse,…)

计算机图形接口(CGI).设备驱动程序

面向应用软件的标准：

三维图形核心系统GKS（Graphical Kernel System）

程序员层次交互式图形系统（PHIGS)

OpenGL:事实上的图形标准

面向图形应用系统中工程和产品数据模型及其文件格式：

基本图形转换规范（IGES）

产品数据转换规范（STEP）

直线的生成算法:画一条从(x1, y1)到(x2, y2)的直线，实质上是一个发现最佳逼近直线的像素序列，并填入色彩数据的过程。这个过程也称为直线光栅化。

直线DDA算法:

点阵通常有两种情况：内点表示边界表示填色算法分类扫描线填色种子填色

字符：点阵式字 矢量式字

反走样

用离散量表示连续量引起的失真现象称之为走样

光栅图形的走样现象：阶梯状边界；图形细节失真；狭小图形遗失：动画序列中时隐时现，产生闪烁。

反走样概念及方法

用于减少或消除走样现象的技术称为反走样

反走样方法：提高分辨率简单区域取样加权区域取样

提高分辨率方法简单，但代价非常大，而且它也只能减轻而不能消除锯齿问题

简单区域取样缺点：象素的亮度与相交区域的面积成正比，而与相交区域落在象素内的位置无关，这仍然会导致锯齿效应。直线条上沿理想直线方向的相邻两个象素有时会有较大的灰度差。

加权区域取样特点：接近理想直线的像素将被分配更多的灰度值。相邻的两个像素的滤波器相交，有利于缩小直线条上相邻像素的灰度差。

区域填充算法：边界填充和种子填充算法

区域表示方法：内点表示边界表示

曲面造型：研究在计算机内如何描述和表示一张曲面并对其控制。实体造型：研究在计算机内如何秒速、定义及表示一个三维物体。实体造型基础：1．点2．边3．环4．面5．体

•有效实体：符合正则形体的实体。简称实体

欧拉公式：V：顶点数，E：边数，F：表面数V-E+F=2

三维实体的表示方法：边界表示—多边形网格表示构造实体几何表示空间细分表示建模路线

灭点：不平行于投影平面的平行线，经过透视投影之后收敛于一点，称为灭点（投影变换）

消隐依据: 三维坐标消隐结果: 二维坐标以视点为标准将对象按空间位置排序

消隐解决方案：

先三维排序,再绘制二维→画家算法

二维绘制,同时依据三维判定可见性→Z-Buffer算法