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第一章
图形设备、系统和应用
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主要内容：
 计算机图形学概念与研究内容
 计算机图形学的发展简史
 计算机图形学的应用
 常用的图形设备
 当前研究热点
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计算机图形学概念与研究内容 （1）
 什么是计算机图形学？
-
利用计算机研究图形的表示、生成、处理、显示的学科；
计算机科学中，最为活跃、并得到广泛应用的分支之一；
 图形：计算机图形学的研究对象；
-
能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象；
-
包括自然景物、拍摄的图片、用数学方法描述的图形等等；
 构成图形的要素：
-
几何要素：刻画对象的轮廓、形状等；
非几何要素：刻画对象的颜色、材质等。
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计算机图形学概念与研究内容 （2）
 计算机中表示图形的方法：
-
点阵表示：
 枚举出图形中所有的点(强调图形由点构成)；
 简称为图像（数字图像）；
-
参数表示：
 由图形的形状参数(方程或分析表达式的系数，线段的端点坐标等)+
属性参数(颜色、线型等)来表示图形；
 简称为图形；
 计算机图形学研究内容：(输入、处理、输出）
-
图形的输入：
 如何利用图形输入设备及软件将图形输入计算机中去，并作各种处
理；
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计算机图形学概念与研究内容 （3）
-
图形的处理
 包括对图形进行变换(几何变换，投影变换)、运算（集合运算）、着色、形
变等…
-
图形的输出
 将图形的表示形式转换成图形输出系统能够接受的表示形式，并将图形在显
示屏或打印机等输出设备上输出。
 图形与图像的关系
-
图像纯指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息；
-
图形含有几何属性，更强调场景的几何表示，由场景的几何模型和景物
的物理属性共同组成；
-
图形主要分为两类：
 基于线条的信息表示
 明暗图(Shading)
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计算机图形学概念与研究内容 （4）
 计算机辅助几何设计（CAGD，Computer Aided Geometric Design）
-
-
几何形体在计算机中的表示与分析；
研究如何灵活地建立几何形体的数学模型，提高算法效率，以更好地存储和管
理模型等；
研究曲线、曲面的表示、生成、拼接、数据拟合；
 图像处理：
-
如何对一幅连续图像取样、量化以产生数字图像；
-
对数字图像做各种变换以方便处理；
-
滤去图像中的无用噪声；
-
压缩图像数据以便于存储和传输、图像边缘提取、特征增强和提取等；
 计算机视觉与模式识别
-
图形学的逆过程，分析和识别输入的图像并从中提取二维或三维的数据模型
（特征）。手写体识别、机器视觉；
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计算机图形学概念与研究内容 （5）
 其它研究内容：
-
-
三维景物表示，包括曲线曲面的造型，实体造型，以及纹理、云彩、波浪
等自然景物的造型与模拟；
三维场景表示，包括光栅图形生成算法、线框图形和真实感图形的理论和
算法；
图形信息的存储,检索与交换技术：包括几何和图形数据的存储，数据压缩
与解压缩；
基于图像和图形的混合绘制技术；
图形的操作与处理方法;
人机交互与用户接口技术：包括可视化技术;
动画技术;
图形硬件与输出技术;
图形标准与图形软件包的研究开发;
虚拟现实技术 ;
... ...
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主要内容：
 计算机图形学概念与研究内容
 计算机图形学的发展简史
 计算机图形学的应用
 常用的图形设备
 当前研究热点
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计算机图形学的发展简史（1）
 历史追溯
-
-
-
-
1950年，MIT，旋风一号（Whirlwind I）计算机的图形显示器，类
似于示波器的CRT来显示简单图形。－CRT的出现为计算机生
成和显示图形提供了可能 ；
50年代末期，MIT林肯实验室，在Whirlwind上开发SAGE空中
防御系统，通过光笔在屏幕上指点与系统交互。－标志着交互
式图形技术的诞生；
1962年MIT林肯室验室Ivan. E. Sutherland的博士论文：
“Sketchpad：一个人机通信的图形系统” 。－确定了交互图
形学作为一个学科分支（提出基本交互技术、图元分层表示概
念及数据结构…)；
60年代：MIT、Bell Lab、 通用汽车公司、剑桥大学开展大规
模的研究。－计算机图形学被确立并得到迅速发展；
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计算机图形学的发展简史（2）
-
70年代进入技术实用化：
 光栅图形学迅速发展
- 区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念及相应算法纷纷诞生；
 图形软件标准化
- 1974年，ACM SIGGRAPH的与“与机器无关的图形技术”的工作会议；
- ACM成立图形标准化委员会，制定“核心图形系统”（Core Graphics
System）；
- ISO发布CGI、CGM、GKS、PHIGS；
 真实感图形学
- 1970年，Bouknight提出了第一个光反射模型；
- 1971年，Gourand提出“漫反射模型＋插值” 思想，称为Gourand明暗处理；
- 1975年，Phong提出了著名的简单光照模型- Phong模型；
 实体造型技术
- 英国剑桥大学CAD小组的Build系统；
- 美国罗彻斯特大学的PADL-1系统；
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计算机图形学的发展简史（3）
-
80年代初，图形学 依然是较小的学科，原因是图形硬件设备十分
昂贵，且基于图形的应用相对较少。后来，情况发生了变化…… ；
 1980年 Whitted 提出了一个光透视模型：Whitted 模型，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；
 图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展；
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计算机图形学的发展简史（4）
 硬件发展之 ... ...
-
图形显示器的发展：图形显示器是计算
机图形学中关键设备；
画线显示器（矢量显示
 60年代中期：画线显示器（亦称矢量
器/随机扫描显示器）
显示器）：缺点：需要刷新，设备昂
贵，限制普及；
 60年代后期：存储管式显示器：优点：
存储管式显示器
不需刷新，价格较低，缺点：图形不
具有动态修改功能，不适合交互；
 70年代初，出现刷新式光栅扫描显示
器
- 以点阵形式表示图形，采用专用缓冲区
存放点阵，由视频控制器负责刷新扫描；
- 极大推动了交互式图形技术的发展：
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刷新式光栅扫描
显示器
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计算机图形学的发展简史（5）
 硬件发展之 ... ...
-
图形输入设备的发展：（五个阶段）
 第一阶段：控制开关、穿孔纸等等;
 第二阶段：键盘;
 第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、图形输入板、触
摸屏等等，语音;
 第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据手套、数据衣），
用户的手势、表情等等;
 第五阶段：用户的思维;
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计算机图形学的发展简史（6）
 图形软件发展及软件标准形成
-
计算机图形软件系统的种类：三种
 1) 用某种语言写成的子程序包：GKS (Graphics Kernel System) 、
PHIGS ( Programmer’s Hierarchical Interactive Graphics system )、
Open GL ... ...；
 2) 扩充计算机语言，使其具有图形生成和处理的功能: Turbo Pascal,
Turbo C, AutoLisp等。 特点：简练、紧凑、执行速度快，但不可移植；
 3 ) 专用图形系统：效率高，但系统开发量大，可移植性差；
 发展历程：
诸侯割据
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标准讨论
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标准形成
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计算机图形学的发展简史（7）
-
通用、与设备无关的图形包，图形标准：
 GKS (Graphics Kernel System) (第一个官方标准，1977)
 PHIGS (Programmer’s Herarchical Interactive Graphics
system)
 一些非官方图形软件，广泛应用于工业界，成为事实上的标准：
- DirectX (MS)
- Xlib (X-Window系统)
- OpenGL (SGI)
- Postscript （Adobe）
-发展趋势: 开放、高效
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主要内容：
 计算机图形学概念与研究内容
 计算机图形学的发展简史
 计算机图形学的应用
 常用的图形设备
 当前研究热点
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计算机图形学的应用（1）
 图形用户界面
-
-
-
-
介于人与计算机之间，人与机器的通信，人机界面（HCI）：
软件＋硬件;
发展：由指示灯和机械开关组成的操纵界面→由终端和键盘组
成的字符界面（80年代）→由多种输入设备和光栅图形显示设备
构成的图形用户界面（GUI）：PC，工作站，WIMP(W-windows、
I-icons、M-menu、P-pointing devices)界面，所见即所得→虚
拟现实（VR）技术（发展方向）;
由计算机发展决定： 科学计算型→无处不在的计算机，人机溶
合，提高交互效率；
专门学科：“人机交互技术”
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计算机图形学的应用（2）
 计算机辅助设计与制造CAD/CAM （1）
-
计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域：
 飞机、汽车、船舶的外形的设计；
 发电厂、化工厂等的布局;
 土木工程、建筑物的设计;
 电子线路、电子器件的设计;
 设计结果直接送至后续工艺进行加工处理，如波音777
飞机 的设计和加工过程;
 ... ...
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计算机图形学的应用（3）
 计算机辅助设计与制造CAD/CAM （2）
-
网络环境下进行异地异构系统的协同设计
 现代产品设计不再是设计领域内孤立的技术问题，而是综合了产品各个
相关领域、相关过程、相关技术资源和相关组织形式的系统化工程;
 从设计开始就考虑产品生命周期的全部因素，以达到快速响应市场需求
的目的；
 协同设计使企业生产的时空观发生了根本的变化；异地设计、异地制造、
异地装配为企业在市场竞争中赢得了宝贵的时间；
-
基于工程图纸的三维形体重建
 定义：从二维信息中提取三维信息，通过信息进行分类、综合等处理，
在三维空间中重新构造出二维信息对应的三维形体，恢复形体的点、线、
面及其拓扑关系，从而实现形体的重建；
 优势：可以做装配件的干涉检查、以及有限元分析、仿真、加工等后续
操作，代表CAD技术的发展方向；
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计算机图形学的应用（4）
 可视化
-
海量数据使得人们对数据的分析和处理变得越来越难，用图形表示
数据的迫切性与日俱增；
-
1986年，美国科学基金会（NSF）专门召开了一次研讨会，会上提出
了“科学计算可视化（Visualization in Scientific Computing）”
-
科学计算可视化(Scientific Visualization)
 必要性：直接分析大量的测量数据或统计数据有困难；
 目标：用图形表现抽象的数据；
 应用领域：医学图象重建，遥感，流场、气象、核爆模拟，有限
元分析 …
-
信息可视化：
 信息流量，商业统计数据，股市行情 …
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计算机图形学的应用（5）
 真实感图形实时绘制与自然景物仿真
-
计算机中重现真实世界的场景叫做真实感绘制；
真实感绘制的主要任务是模拟真实物体的物理属性，简单的说就是
物体的形状，光学性质，表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相对
位置，遮挡关系等等；
-
光照模型：简单光照模型、局部光照模型、整体光照模型 ...；
-
绘制方法：光线跟踪、辐射度；
-
加速算法：包围体树、自适应八叉树等等；
-
当前研究热点：
 真实感图形实时绘制：基于图象的绘制(IBR，Image Based
Rendering) 等；
 野外自然景物的模拟
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计算机图形学的应用（6）
 地理信息系统（GIS）
-
建立在地理图形之上的关于各种资源的综合信息管理系统;
-
数字地球，地形数据作为载体，（70％）全球信息化;
-
数字城市：数字港城（上海）；
-
军事，政府决策，旅游，资源调查；
 计算机动画
-
近十多年来取得了快速发展，已渗透到人们生活的各个角落；
 商业广告、影视特技/片头、动画片；
 教育、军事、飞行模拟等；
-
分类：
 二维动画：图象变形、形状混合等；
 三维动画：关键帧动画、变形物体的动画、过程动画、关节动画与
人体动画等；
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计算机图形学的应用（7）
 多媒体
-
对多种媒体信息进行生成、操作、表现、存储、通信、或集成的信
息系统，其中媒体至少应包括一种“连续媒体”及一种“离散媒体”；
-
常见媒体：文本、图形、图像、语音、音频、视频、动画；
-
特点：媒体的多样性、操作的交互性、系统的集成性；
 用户接口
-
-
是人们使用计算机的第一观感。友好的图形化的用户界面能够大大
提高软件的易用性；
图形学已经全面融入，很多软件几乎可以不看任何文档，根据其图
形、或动画界面的指示即可进行操作；
-
目前大的软件公司都在研究下一代用户界面，开发面向主流应用的、
自然、高效多通道的用户界面。
-
研究多通道语义模型、多通道整合算法及其软件结构和界面范式是当
前用户界面和接口方面研究的主流方向，而图形学在其中起主导作用。
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计算机图形学的应用（8）
 计算机艺术
-
-
-
用计算机软件从事艺术创作；
 二维平面的画笔程序（如CorelDraw，Photoshop，PaintShop）；
 图表绘制软件（如Visio）；
 三维建模和渲染软件包（如3DMAX，Maya）、以及一些专门生成动画
的软件（如Alias，Softimage）；
优点：
 提供多种风格的画笔画刷；
 提供多种多样的纹理贴图，甚至能对图象进行雾化，变形等操作；
 可以任意修改，取消败笔；
不足：
 无法达到传统绘画中风格化的 艺术效果；
 很难得到有素描效果、油画效果的艺术品；
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计算机图形学的应用（9）
 Virtual Reality（虚拟现实、灵境）
-
VR 或称虚拟环境（Virtual Environment)是用计算机技术生成一个逼
真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界，让用户可以从自身的视
点出发，利用自然的技能和某些设备对这个的虚拟世界客体进行浏览和
交互考察；
-
输入输出设备；
-
在线虚拟现实：虚拟现实建模语言VRML
 娱乐
-
-
电脑游戏
 实时性；
 逼实性；
 蕴含了先进的图形处理技术；
电视广告，节目片头，科教演示（CAI）
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主要内容：
 计算机图形学概念与研究内容
 计算机图形学的发展简史
 计算机图形学的应用
 常用的图形设备
 当前研究热点
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常用的图形设备（1）
 图形显示设备
-
图形输出包括图形显示和图形绘制：
 图形显示指的在屏幕上输出图形；
 图形绘制通常指把图形画在纸上，也称硬拷贝。打印机和绘图仪是两
种最常用的硬拷贝设备；
-
彩色CRT显示器：
 CRT（CRT Cathode－Ray Tube，阴极射线管）；
 组成：
- 电子枪
- 聚焦系统
- 加速系统
- 磁偏转系统
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常用的图形设备（2）
 CRT工作原理：高速的电子束由电子枪发出，经过聚焦系统、加速系统和磁
偏转系统就会到达荧光屏的特定位置。荧光物质在高速电子的轰击下会发
生电子跃迁，即电子吸收到能量从低能态变为高能态。高能态很不稳定，
很短的时间内，荧光物质的电子会从高能态重新回到低能态，这时将发出
荧光，屏幕上的那一点就会亮了；
 －》要保持显示一幅稳定的画面，必须不断地发射电子束；
电子枪
聚焦系统 加速系统
磁偏转系统
电子束
加热灯丝
荧光屏
金属阴极 电平控制器
水平偏转板
垂直偏转板
CRT显示器的简易结构图
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常用的图形设备（3）
 电平控制器：控制电子束的强弱，加上正电压时，电子束就会大量通过，
在屏幕上形成较亮的点；控制电平加上负电压时，依据电压的大小，电子
束被部分或全部阻截，通过的电子很少，屏幕上的点就比较暗；
 聚焦系统：是个电透镜，能使大量电子聚集于一点；
 加速阳极：使电子达到轰击激发荧光屏应有的速度，由磁偏转系统来达到
指定位置；
 电子束要到达屏幕的边缘时，偏转角度就会增大。到达屏幕最边缘的偏转
角度被称为最大偏转角；
 CRT显示器屏幕越大整个显象管就越长；
 刷新频率
- 刷新一次是指电子束从上到下扫描一次的过程；
- 刷新频率高到一定值后，图象才能稳定显示；
- 隔行扫描与逐行扫描；
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常用的图形设备（4）
扫描线
0
水平回扫
1
2
3
4
5
6
垂直回扫
电子束扫描过程示意图
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常用的图形设备（5）
 CRT显示彩色的原理
-
彩色CRT显示器的荧光屏 电子枪
红
上涂有三种荧光物质，分
别能发红、绿、兰三种颜
色光。电子枪也发出三束
电子束来激发这三种物质，
中间通过一个控制栅格来
决定三束电子到达的位置;
-
三束电子经过荫罩的选择，
分别到达三个荧光点。通
过控制三个电子束的强弱
就能控制屏幕上点的颜色;
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兰
绿
荫罩
屏幕
红
荧光点
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绿
兰
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常用的图形设备（6）
红
 球面显示器与柱面显示器
-
普通显象管采用的是荫罩式显象
管，表面呈略微凸起的球面状，
故称之为“球面管”。
-
柱面显象管采用荫栅式结构，表
面在水平方向仍然略微凸起，但
在垂直方向上却是笔直的，呈圆
柱状，称为“柱面管”
-
常用的荫栅式显象管有日本索尼
公司的特丽珑管（Trinitron）
和三菱公司的钻石珑管
（Diamondtron）
绿 兰
荫栅
荧光屏
RGB
荫栅式彩色CRT显色原理
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常用的图形设备（7）
 球面显示器与柱面显示器
-
普通显象管采用的是荫罩式显象管，表面呈略微凸起的球面状，
故称之为“球面管”。
-
柱面显象管采用荫栅式结构，表面在水平方向仍然略微凸起，但
在垂直方向上却是笔直的，呈圆柱状，称为“柱面管”
-
常用的荫栅式显象管有日本索尼公司的特丽珑管（Trinitron）和
三菱公司的钻石珑管（Diamondtron）
 LCD显示器
-
CRT固有的物理结构限制了它的发展:
 屏幕加大－》显象管加长－》显示器的体积加大－》受到使用
空间的限制；
 CRT利用电子枪发射电子束产生图像－》易受电磁波干扰；
 电磁辐射会对健康产生不良影响
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常用的图形设备（8）
 LCD显示器的优点：
-
外观小巧精致，厚度为6.5－8cm左右；
-
不会产生CRT那样由于刷新频率低而出现的闪烁；
-
工作电压低，功耗小，节约能源；
-
无电磁辐射，对人体健康没有任何影响；
 LCD显示器的基本原理：
-
液晶是介于液体和固体之间的特殊物质，具有液体的流态性质和固体
的光学性质。当液晶受到电压的影响时，会改变它的物理性质而发生
形变，此时通过它的光的折射角度就会发生变化，产生色彩；
-
液晶屏幕后面有个背光，这个光源先穿过第一层偏光板，再到液晶体
上，当光线透过液晶体时，会产生光线的色泽改变，从液晶体射出来
的光线，还必须经过一块彩色滤光片以及第二层偏光板；
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常用的图形设备（9）
 液晶显示方式：主动式和被动式
-
-
被动式液晶屏幕有STN（Super TN 超扭曲向列LCD）和DSTN（Double layer
Super TN双层超扭曲向列LCD）等；
主流的主动式液晶屏幕是TFT（Thin Film Transistor薄膜晶体管）；
主动式液晶显示器使用FET场效晶体管以及共通电极－》可以让液晶体在下次电
压改变前一直保持电位状态－》主动式液晶显示器不会产生在被动式液晶显示器
中常见的画面延迟现象等；
 LCD显示器的基本指标：
-
可视角度：
 视线与屏幕中心法向成一定角度时，就不能清晰地看到屏幕图象，而能看到清
晰图象的最大角度称为可视角度。一般指左右两边最大角度相加；
-
点距与分辨率：
 点距指两个液晶颗粒（光点）的间距，一般0.28－0.32mm就能得到较好的显示
效果；
 分辨率指其真实分辨率，表示水平方向的像素点数与垂直方向的像素点数的乘
积；
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常用的图形设备（10）
 图形处理器
-
-
是图形系统结构的重要元件，连接计算机和显示终端的纽带；
早期图形处理器只包含简单的存储器和帧缓冲区，实际上只起了图形的
存储和传递作用，所有操作都必须由CPU控制；
现在的图形处理器不仅存储图形，而且能完成大部分图形函数。专业的
图形卡已经有很强的3D处理能力－》大大减轻了CPU负担,提高显示质量和
显示速度；
 图形处理器的组成
-
-
显示主芯片：显卡核心(GPU),对系统输入的视频信息进行构建和渲染;
显示缓存:存储将要显示的图形信息;保存图形运算的中间数据;显存的大
小和速度直接影响主芯片性能的发挥;
数字模拟转换器（RAMDAC）:把二进制数字转换为与显示器相适应的模拟
信号；
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常用的图形设备（11）
 图形输入设备
-
最常用的是基本的计算机输入设备：键盘与鼠标；
跟踪球和空间球：根据球在不同方向受到推或拉的压力实现定位和选
择。
-
数据手套：通过传感器和天线来获得和发送手指的位置和方向的信息。
-
跟踪球、空间球、数据手套在虚拟现实场景的构造和漫游中有用；
-
光笔：一种检测光的装置，它直接在屏幕上操作，拾取位置；
 形状和大小象一支圆珠笔，笔尖处开有一个圆孔，让荧光屏的光通
过这个孔进入光笔。光笔的头部有一组透镜，把所收集的光聚集至
光导纤维的一个端面上，光导纤维再把光引至光笔另一端的光电倍
增管，将光信号转换成电信号，经过整形后输出一个合适信噪比的
逻辑电平，作为中断信号送给计算机；
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常用的图形设备（12）
 数字化仪：把图形转成计算机能接收的数字形式专用设备
-
基本工作原理：采用电磁感应技术；
由一块数据板和一根触笔组成。数据板中布满了金属栅格，当触笔在
数据板上移动时，其正下方的金属栅格上就会产生相应的感应电流。
根据产生电流的金属栅格位置，判断出触笔当前的几何位置；
 扫描仪：
-
图形扫描仪：把图形和图象扫描到计算机中以象素信息进行存储；
-
大多数采用的固态器件是电荷耦合器件(CCD: Charge Coupled Device)；
-
工作原理:
 用光源照射原稿，投射光线经过一组光学镜头射到CCD器件上，得
到元件的颜色信息，经过模/数转换器，图象数据暂存器等，最终
输入到计算机；
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常用的图形设备（13）
 真实物体的三维信息的输入
-
在实际生产过程中，许多零件和样
板要进行大规模的生产，就必须在计
算机中生成三维实体模型，有时这个
模型要通过已有的实物零件得到－》
需要一种设备来采集实物表面各个点
的位置信息；
-
一般方法：激光扫描，国外已有许
多这样的商业仪器；
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应用：扫描保存古代名贵的雕塑和
其它艺术品的三维信息；
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主要内容：
 计算机图形学概念与研究内容
 计算机图形学的发展简史
 计算机图形学的应用
 常用的图形设备
 当前研究热点
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当前研究热点（1）
 造型技术
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规则形体：欧氏几何方法
不规则形体：
 分形几何方法
 粒子系统
 纹理映射
 实体造型
 基于物理的造型
 基于图像的造型
 真实感图形绘制技术
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复杂模型的简化及多分辨率表示算法
可见性检测算法
纹理代替特殊复杂模型
模型的几何压缩算法
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当前研究热点（2）
 人机交互技术
 与计算机网络技术的紧密结合：
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远程医疗与诊断
远程导航与维修
远程教育
 图像生成技术与图像处理的结合(可视化)
 虚拟现实技术：将促进计算机图形学的进步；
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Immersion
 沉浸：全方位投入，身临其景；
Interaction
 交互：响应用户的各种输入手势、语言命令、身体动作；
Imagination
 构想：生动形象地反映设计者的思想；
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谢谢!
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