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第1章概述一、教学目标通过本章的学习，使学生能够了解计算机图形学的基本概念、研究内容；当前的发展概况；本门课程的特点和应用。二、教学要求1.了解计算机图形学的概念和研究内容；2.了解本门课程的发展概况。三、教学内容提要1.计算机图形学的研究内容2.计算机图形学发展概况3.计算机图形学特点和应用4.计算机图形学当前研究的课题5.计算机图形生成和输出的流水线四、教学重点、难点及解决方法本章将主要围绕计算机图形学的基本概念进行介绍，介绍研究内容；当前的发展概况；本门课程的特点和应用等等。五、课时安排2学时六、教学设备多媒体七、检测教学目标实现程度的具体措施和要求通过课堂提问的方式来检测学生对基本概念的掌握程度。八、教学内容1.1计算机图形学的研究内容计算机图形学(ComputerGraphics):研究通过计算机将数据转换为图形，并在专用显示设备上显示的原理、方法和技术的学科。计算机图形表现形式(1).线条式(线框架图)用线段来表现图形，容易反映客观实体的内部结构，如各类工程技术中结构图的表示，机械设计中零件结构图及电路设计中的电路原理图等。具有面模型、色彩、浓淡和明暗层次效应，适合表现客观实体的外形或外貌，如汽车、飞机、轮船等的外形设计以及各种艺术品造型设计等。(2).真实感面模型图形跑车靓照计算机图形分类（空间）(1).二维图形（2D）：在平面坐标系中定义的图形(2).三维图形（3D）：在三维坐标系中定义的图形计算机图形产生方法(1).矢量法(短折线法)任何形状的曲线都用许多首尾相连的短直线（矢量）逼近。(2).描点法(像素点串接法)每一曲线都是由一定大小的像素点组成计算机绘图方式：(1)交互式绘图允许操作者以某种方式（对话方式或命令方式）来控制和操纵图形生成过程，使得图形可以边生成、边显示、边修改，直至符合要求为止。如AUTOCAD等(2)被动式绘图图形在生成过程中，操作者无法对图形进行操作和控制。如C语言绘图图形的操作与处理方法（PictureManipulation）如图形的开窗、裁剪、平移、旋转、放大、缩小、投影等各种几何变换操作的方法及其软件或硬件实现技术。图形信息的存储，检索与交换技术：如图形信息的各种表示方法、组织形式、存取技术、图形数据库的管理、图形信息通信等。人机交互及用户接口技术：如新型定位设备、选择设备的研究；各种交互技术，如构造技术、命令技术、选择技术、响应技术等的研究，以及用户模型、命令语言、反馈方法、窗口系统等用户接口技术的研究。1.2计算机图形学发展概况1962年美国麻省理工学院林肯实验室的IvanE·Suthland,首先提出了“计算机图形学”（ComputerGraphics）这一术语，引入了分层存储符号的数据结构，开发出了交互技术；可用键盘和光笔实现定位、选项和绘图。奠定了计算机图形学基础。60年代中期美国、英国、法国的一些汽车、飞机制造业大公司对计算机图形学开展大规模研究。60年代后期出现了存储管式显示器，可以进行简单交互。1.3计算机图形学特点和应用特点：1.计算机产生的图形有规律、光滑。它是按数学方法产生的，规矩整齐，有着像数学一样的严格性。2.计算机产生的图形纯净美观、无噪声干扰。3.通过计算机产生的图形不仅能描绘客观世界的各种对象，也能描绘纯粹是想像的主观世界中的各种对象。4.交互式计算机图形显示可由用户控制，产生的图形可修改性强，且速度快、差错少。应用领域：1.计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)计算机图形学被用来进行土建工程、机械结构和产品的设计，包括设计飞机、汽车、船舶的外形和发电厂、化工厂等的布局，也能够对电子线路或电子器件进行设计。2.事务管理中交互式绘图绘制事务管理中的各种图形，如统计数据的二维及三维图形、直方图、线条图、表示百分比的扇形图等等，还可绘制工作进程图，库存和生产进程图以及大量的其他图形。所有这些都以简明的形式呈现出数据的模型和趋势以增加对复杂现象的理解并促进决策的制定。3.地理信息系统（GIS）地理信息系统是建立在地理图形基础上的信息管理系统，是图形技术、数据库技术以及管理信息的结合。4.办公自动化和电子出版技术图形显示技术在办公自动化和事务处理中的使用，有助于数据及其相互关系的有效表达，因而有利于人们进行正确的决策。利用交互式图形显示技术的支持可以进行资料、文稿、书刊、手册的编写、修改。制图、制表、分页、排版。5.计算机辅助教学（CAI）计算机辅助教学系统利用图形显示设备或电视终端，可以有声有色生动地演示物理、化学、生物、外语等教学内容，让学生（用户）使用人机交互手段，进行学习和研究，绘图或仿真操作，使整个教学过程直观形象，有利于加深理解所学知识。6.过程控制在过程控制中，常常将计算机与现实世界中的其他设备连成一个系统。计算机图形显示设备常用来显示系统中关键部位的状态，如炼油厂、发电厂的状态显示器可显示出由传感器送来的压力、温度、电压、电流等数据，从而使操作人员可对异常情况作出反应。1.4计算机图形学当前研究的课题1.造型技术研究的是如何在计算机中构造出二维、三维物件模型的基本方法和手段。2.三维信息重建技术研究一些算法，使得计算机图形系统能自动地将三视图转换成相应的立体图。3.图形数据库研究如何以基本的图形为数据项而建立起一个能快速查找各个图形的图形库。4.动态绘图在交互式绘图中，不仅可以在屏幕上对图形进行修改、删除、编辑等，还可以进行动态分析。5.CG、CAD、CAM三者一体化计算机图形学（CG）、计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）有机结合在一起，形成所谓一体化软件。6.应用软件开发环境的通用化和标准化用户界面管理系统UIMS、窗口管理系统、网络文件格式等，并使之通用化和标准化。7.虚拟现实环境的生成（VirtualReality简称VR）利用计算机生成一种模拟环境（如飞机驾驶舱、操作现场等），通过多种传感、设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。8.科学计算可视化通过对空间数据场构造中间几何图素或用图形绘制技术在屏幕上产生二维图像。1.5计算机图形学生成和输出的流水线再谈矢量法和描点法矢量法-向量图形-简单图形-计算机绘图命令-向量图描点法-点阵图形-复杂图形-文件存储大小-位图比较：几条自由曲线构成的图形和一幅有炫彩动物的卡通图形(1)点阵图形点的信息；(2)向量图形的尺寸变化；九、作业课后习题十、本章小结在本章中，对计算机图形学的基本概念和研究内容进行了概述，对发展概况和应用领域进行了说明。第2章计算机图形系统一、教学目标通过对本章的学习，要求熟悉计算机图形系统的组成/各种图形显示器、图形输入/输出设备。二、教学要求1、了解计算机图形系统的组成；2、了解计算机图形输入/输出设备的种类。三、教学内容提要1．计算机图形系统的组成2．计算机图形显示器3．计算机图形输入设备计算机图形输出设备4．图形核心系统（GKS）简介5.通用图形软件简介四、教学重点、难点及解决方法重点是熟悉计算机图形系统的组成/各种图形显示器、图形输入/输出设备。五、课时安排4学时六、教学设备课堂教学七、检测教学目标实现程度的具体措施和要求通过课堂提问的方式来检测学生对基本概念的掌握程度。八、教学内容2.1计算机图形系统的组成一.图形系统的结构由硬件和软件两部分组成。二.图形系统的基本功能及其硬件性能要求计算机图形系统至少应具有以下五个方面基本功能:1.计算功能（1）形体设计和分析方法的程序库，描述形体的图形数据库。（2）坐标的平移、旋转、投影、透视等几何变换程序库的数据库。（3）曲线、曲面生成和图形相互关系的检测库。2.存储功能在计算机内存储器和外存储器中，应能存放各种形体的几何数据及形体之间相互关系，可实现对有关数据的实时检索以及保存对图形的删除、增加、修改等信息。3.输入功能由图形输入设备将所设计的图形形体的几何参数（例如大小、位置等）和各种绘图命令输入到图形系统中。4.输出功能图形系统应有文字、图形、图像信息输出功能。在显示屏幕上显示设计过程当前的状态以及经过图形编辑后的结果。同时还能通过绘图仪、打印机等设备实现硬拷贝输出，以便长期保存。5.对话功能可通过显示器或其他人－机交互设备直接进行人－机通信，对计算结果和图形，利用定位、拾取等手段进行修改，同时对设计者或操作员执行的错误给予必要的提示和帮助。为了实现以上功能，对图形系统的硬件性能要求是：1.处理速度图形系统的处理速度既与图形系统硬件有关，也与图形软件的图形处理算法有关。2.存储容量存储容量包括三部分：内存储容量、显存、外部存储容量和显示缓冲区容量。3.处理精度处理精度主要是指图形采集输入质量和显示输出质量：这里主要指图形分辨率、图形色彩的显示等。而且很大一部分与所采用的图形处理软件有关。三.图形系统分类及硬件工作平台要求1.计算机图形系统的分类根据其硬件配置和信息传递方式分为:(1)脱机绘图系统将输入图形数据在主机内进行处理将图形处理后的图形数据送入中间介质，用磁盘或磁带控制绘图输出机输出图形脱机绘图系统是将图形数据和图形输出分别进行处理，避免计算机处于等待状态，加快计算机的工作效率。(2)联机绘图系统将输入图形数据在主机内进行处理计算机将图形处理信息直接送给绘图机输出图形，不需要中间介质（磁盘或磁带）传递绘图信息，处理时间缩短了。但由于绘图机是机械速度，这样造成了计算机对绘图机等待，降低了计算机工作效率。(3)交互式绘图系统绘图系统将处理结果输出到图形终端（图形显示器）或图形工作站。用户对所显示图形还可用定位、拾取和描绘等设备进行编辑和标注等。2.计算机图形系统的硬件工作平台目前，计算机图形系统的硬件平台有如下几种:(1).微型计算机（简称微机）随着微型计算机性能进一步提高，用微型计算机实现三维形体的设计及显示能力在不断提高。(2).工作站实际上是一类超级微型计算机，该系统主要用于工程设计，为研究、开发提供一整套软硬件工作环境支持。工作站是具有高速的科学计算、丰富的图形处理、灵活的窗口及网络管理功能的交互式计算机系统。美国的SUN、SGI、HP、DEC、IBM等公司均生产此类产品。(3).中、小型计算机一般在特定的部门、单位和应用领域中采用此类环境。它是大型信息系统建立的重要环境，这种环境中信息和数据的处理量是很大的，要求机器有极高的处理速度和极大的存储容量。(4).大型机以大型计算机为基础，具有容量庞大的存储器和极强的计算功能,大量的显示终端及高精度、大幅面的硬拷贝设备。还往往拥有自行开发的、功能齐全的应用软件系统。例如，美国第三大汽车公司（CHRYSLER汽车公司）就拥有庞大的计算机系统来进行计算机辅助设计、实体造型、结构分析、运动模拟、工程和科学计算、项目管理、生产过程控制等。(5).计算机网络计算机网络是指将上述四类计算机平台，或者其中某一类通过某种互联技术彼此连接，按照某种通信协议进行数据传输、数据共享、数据处理的多机工作环境。它的特点是多种计算机相连，可以充分发挥各个机器的性能和特点，以达到很高的性能价格比。网络图形系统要考虑的关键问题是网络服务器的性能，图形数据的通信、传输、共享以及图形资源的利用问题。2.2计算机图形显示器1.CRT单色显示原理电子枪灯丝加热阴极，阴极表面向外发射自由电子，控制栅控制自由电子是否向荧光屏发出，电子流在到达屏幕的途中，被加速、聚焦成很窄的电子束，由偏转系统产生电子束的偏转电场（或磁场），使电子束左右、上下偏转，在指定时刻在屏幕指定位置上产生亮点。余辉时间：电子束离开光点后光点保持的时间。屏幕刷新：荧光亮度随着时间按指数衰减，整个画面必须在每一秒钟内重复显示许多次，人们才能看到一个稳定而不闪烁的图形，因此必须重复地使荧光质发光，即驱使电子束迅速回到同一点。要保持一幅画面的稳定性，若余辉时间越短，则所需的屏幕输刷新率越高。影响刷新率的最主要因素是显示器的带宽。荧光粉的质量直接影响到CRT成像效果。电视（刷新率低，与其电路相关）由于影片播放时画面经常切换，一般采用短余辉的荧光粉。若采用长余辉的荧光粉，