计算机图形学概论

Posted by Haiden on April 9, 2019

一、计算机图形学

计算机图形学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。计算机计算机上生成一幅表示物体的图形,有三个步骤:

1)造型技术:生成图像的物体的模型。

2)光照模型:用简单数学模型来近似、代替物理学的模型,为模拟物体表面的光照物理现象。

3)绘制(渲染)技术:计算机屏幕是由像素构成的,像素作为构成图形的基本单位。为了在屏幕上显示一幅图形,就必须研究在哪些像素上生成图形,就必须有一套针对光栅显示器生成图形的算法。

二、应用领域

2.1 人机交互和用户接口

人机交互是研究人、计算机以及它们间相互影响的技术。而用户界面是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口,是计算机系统的重要组成部分。

2.2 计算机辅助设计与制造

CAD/CAM是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域。

2.3 实时绘制与仿真

真实感绘制:计算机中重现真实世界的场景。

2.4 动画、游戏、电影

利用计算机科学、艺术、数学、物理学和其它相关学科知识,用计算机生成连续的虚拟真实画面。

2.5 艺术

将科学与艺术相结合,在计算机中生成图画效果。

2.6 计算机仿真

通过计算机技术建立被仿真系统的模型,并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。

2.7 科学计算可视化

通过数据可视化,解读数据之间的关系,清晰有效的传达并且沟通数据信息。

2.8 虚拟现实

利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界,提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟。

三、计算机图形系统组成

图形系统包括:图形软件和图形硬件。

图形软件:

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1.图形应用数据结构:对应一组图形数据文件,其中存放着生成的图形对象的全部描述信息。
2.图形应用软件:解决某种应用问题的图形软件,如pohotshop、3Dmax等。
3.图形支撑软件:大多数图形应用程序是建立在一定的图形支撑软件上。图形支撑软件需具有规范接口。

图形硬件:

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1.图形计算机平台
2.图形设备

四、计算机图形处理系统

一个图形处理系统通常由图形处理器、图形输入设备和输出设备构成。

4.1 图形输入设备

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1)键盘和鼠标
2)光笔:光笔是一种检测装置,它直接在屏幕上操作,拾取位置。光笔有三个基本功能:定位、拾取和笔画跟踪。
3)触摸屏:手指触摸的方式选择屏幕位置。当用手指触摸屏幕时,触点位置便以光学、电子或声音方式记录下来。
4)操纵杆:由一根小的垂直杠杆组成的可摇动装置,该杠杆装配在一个其四周可移动的底座上用来控制屏幕光标。
5)数据手套:一种戴在手上的传感器,它能给出用户所有手指关节的角度变化,可测量出手的位置和形状。
6)数字化仪:将各种图形,根据坐标值,准确地输入电脑,并能通过屏幕显示出来。
7)图像扫描仪:直接把物体输入到计算机中,经过光学扫描,灰度或彩色等级被记录下来,并按图象方式进行存储。
8)声音输入系统:采用话音识别器作为输入设备,以接收操作者的命令。
9)视频输入系统:采集来自电视信号、摄象机、录象机的视频信号。

4.2 图形显示设备

图形的输出包括图形的显示和绘制。图形的显示是指在屏幕上输出图形;图形的绘制是把图形画在纸上或硬拷贝。

显示器分为四种:CRT 显示器、LCD 显示器、LED 显示器、等离子体显示器、3D 显示器等

1)CRT显示器:是一种使用阴极射线管的显示器。

2)LCD 显示器:显示器内部有很多液晶粒子,它们有规律的排列成一定的形状,并且它们的每一面的颜色分为:红色,绿色,蓝色。

3)LED 显示器:一种能将电能转化为光能的半导体电子元件。

4)等离子显示器:在显示屏上排列上千个密封的小低压气体室,通过电流激发使其发出肉眼看不见的紫外光,然后紫外光碰击后面玻璃上的红、绿、蓝3色荧光体。

5)3D 显示器:利用“视差栅栏”,使两只眼睛分别接受不同的图像,来形成立体效果。

五、帧缓冲器与屏幕像素

5.1 帧缓冲器

帧缓冲器是一个视频输出设备,一个包含了完整帧数据的内存缓冲区和驱动帧缓冲器。

内存缓冲区中的信息通常包含屏幕上每个像素的色彩值。

驱动帧缓冲器所需的总内存量取决于输出信号的分辨率、色彩深度和调色板大小。

在计算机屏幕上画一幅图形,需要算每个像素的RGB值,在帧缓存写RGB等价于在屏幕上画颜色。帧缓冲器的单元个数至少与显示器能显示的像素总数相同,且存储单元一一对应于可寻址的屏幕像素位置。

5.2 分辨率

图形显示技术中的分辨率概念有三种,即屏幕分辨率、显示分辨率和显卡分辨率。

1)屏幕分辨率:屏幕显示分辨率就是屏幕上显示的像素个数,一般是以(水平像素数*垂直像素数)表示。

2)显示分辨率:是计算机显示控制器所能够提供的显示模式分辨率,简称显示模式。

3)显卡分辨率:表示显卡输出给显示器,并能在显示器上描绘像素点的数量。显卡能输出的最大显示分辨率并不代表自己的电脑就能达到这么高的分辨率,还必须有足够强大的显示器。

5.3 显示器的点距

点距是显示器的一个很重要的指标,是指相邻像素点之间的距离。两点之间的距离越小越好。

六、图形图像及存储格式

6.1 图形(像)的构成属性

一般分为几何属性和非几何属性

(1)几何属性:刻画对象的轮廓、形状,也称几何要素。包括点、线、面、体等。

(2)非几何属性:视觉属性,刻画对象的颜色、材质等。比如明暗、色彩、纹理、透明性、线型、线宽。

6.2 位图和矢量图的定义

1)位图(点阵图):位图又叫点阵图或像素图,计算机屏幕上的图是由屏幕上的像素构成的,每个点用二进制数据来描述其颜色与亮度等信息。

2)矢量图:面向对象的图形或绘图图形,矢量文件中的图形元素称为对象。每个对象都是一个自成 一体的实体,它具有颜色、形状、轮廓、大小和屏幕位置等属性。

6.3 位图和矢量图的区别

1)存储方式的区别

点阵文件是存储图的各个像素点的位置信息、颜色信息以及灰度信。 矢量文件是用数学方程、数学形式对图形进行描述,通常是用图形的形状参数和属性参数来表示图形。

位图(点阵)文件存储空间比矢量文件大。

2)缩放的区别

位图(点阵图)是与分辨率有关的,即在一定面积的图像上包含有固定数量的像素。

矢量图形与分辨率无关,可以将它缩放到任意大小和以任意分辨率在输出设备上打印出来,都不会影响清晰度。

3)存储格式的区别

位图(点阵图)存储格式:BMP、TIFF、GIF、JPEG、PNG

矢量图存储格式:SVG、DXF、EPS、WMF、EMF