[拼音]：jisuanji tuxingxue

[外文]：computer graphics

研究用計(jì)算機(jī)輸入、生成、檢索、修改、分析和表示圖形的學(xué)科。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中常用的方法是交互式圖形技術(shù)，即采用人機(jī)對(duì)話方式進(jìn)行圖形設(shè)計(jì)的技術(shù)。

發(fā)展概況

計(jì)算機(jī)發(fā)展初期，人們?cè)陔妭鞔蜃謾C(jī)或行式打字機(jī)上輸出粗略的圖形，可以認(rèn)為是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的開(kāi)端。1950年美國(guó)麻省理工學(xué)院首次將旋風(fēng)式計(jì)算機(jī)與陰極射線管顯示器連接輸出簡(jiǎn)單的圖形。50年代中期，美國(guó)空軍北美防空司令部采用計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)的顯示設(shè)備把不同地點(diǎn)收集來(lái)的雷達(dá)數(shù)據(jù)生成圖像。50年代末期研制成功T_X0和T_X2計(jì)算機(jī),圖形顯示技術(shù)得到迅速發(fā)展。60年代初，美國(guó)I.薩特蘭研制成功一種交互式圖形系統(tǒng)，稱(chēng)為Sketchpad。他的論文《Sketchpad：人機(jī)圖形通信系統(tǒng)》(1963)被認(rèn)為是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論方面的第一篇論文。他提出的交互式圖形設(shè)計(jì)方法至今仍在使用。70年代以來(lái)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)從理論研究逐步進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。80年代出現(xiàn)CAD工作站,使圖形處理系統(tǒng)成為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的重要組成部分。中國(guó)對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究是70年代開(kāi)始的。

理論基礎(chǔ)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的理論基礎(chǔ)包括數(shù)學(xué)方法、圖像處理和模式識(shí)別、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫(kù)理論三個(gè)方面。

數(shù)學(xué)方法

包括各種二維、三維圖形變換公式、投影幾何、曲線擬合方法、隱面消除和形成濃淡的方法等。

圖像處理和模式識(shí)別

圖像處理、模式識(shí)別與圖形學(xué)相結(jié)合(圖1)為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)提供了新的方法。三種理論的中心問(wèn)題都是圖形的計(jì)算機(jī)描述問(wèn)題，即圖形數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、圖形存儲(chǔ)、檢索、壓縮等問(wèn)題。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫(kù)理論

圖像數(shù)據(jù)的有效存儲(chǔ)和檢索是圖形學(xué)中的一個(gè)重要問(wèn)題。目前已研制出既有字母數(shù)據(jù)又有圖形數(shù)據(jù)的綜合數(shù)據(jù)庫(kù)。

應(yīng)用

計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如商業(yè)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造、計(jì)算機(jī)藝術(shù)、模擬技術(shù)、辦公室自動(dòng)化和過(guò)程控制等。

商業(yè)應(yīng)用

可用以繪制各種統(tǒng)計(jì)報(bào)表、曲線、帳單、直方圖，以及二維和三維圖形。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)技術(shù)?？捎糜诖笠?guī)模集成電路的設(shè)計(jì)和制造，電路板的自動(dòng)布線，飛機(jī)、汽車(chē)、船舶外形的設(shè)計(jì)，模型分析和制造，建筑設(shè)計(jì)等。

計(jì)算機(jī)藝術(shù)

用于制作電視廣告、動(dòng)畫(huà)片、幻燈片，設(shè)計(jì)風(fēng)景圖案、紡織品印染圖案等。

模擬技術(shù)

用于飛行模擬器，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)畫(huà)面，如運(yùn)行的車(chē)輛、云、霧以及各種形態(tài)的飛機(jī)，還用于飛船登月模擬訓(xùn)練。

辦公自動(dòng)化和電子排版

用圖形和文字終端進(jìn)行文字、圖形的編輯和排版。

過(guò)程控制

用于煉油廠、發(fā)電廠、煉鋼廠、航天飛機(jī)等設(shè)備的實(shí)時(shí)圖形顯示。

圖形輸入輸出設(shè)備

常用的圖形輸入設(shè)備有電視攝像機(jī)、圖形輸入板、光筆和鼠標(biāo)器等。常用的圖形輸出設(shè)備有圖形顯示器、繪圖機(jī)、圖形彩色打印機(jī)等。

輸出設(shè)備

在交互式圖形系統(tǒng)中最常用的是顯示器。顯示器大體分為刷新顯示器、直視存儲(chǔ)管和光柵顯示器三種。

（1）刷新顯示器(CRT)

這是最早出現(xiàn)的顯示器,由顯示控制器、緩沖存儲(chǔ)器和顯像管等組成（圖2）。緩沖存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)顯示指令和顯示文件。由控制器解釋這些指令，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，控制電子束打在屏幕上。屏幕上的熒光消失得很快，一般每秒鐘至少刷新顯示30次以上，高質(zhì)量顯示器為每秒50次。這種顯示器可用于動(dòng)態(tài)顯示，并能修改圖像上的個(gè)別元素。

（2）直視存儲(chǔ)管　又稱(chēng)雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)顯示器。電子束寫(xiě)在屏幕后的涂有介質(zhì)的網(wǎng)格上，然后由一個(gè)獨(dú)立的讀數(shù)電子槍將圖案復(fù)制到屏幕上。直視存儲(chǔ)管顯示時(shí)間可持續(xù)近1個(gè)小時(shí)，清除需1/2秒。其優(yōu)點(diǎn)是顯示時(shí)無(wú)閃爍,顯示分辨率高(203×203平方毫米有1024×1024光點(diǎn))，價(jià)格低。缺點(diǎn)是顯示速度慢,不易修改,不能用作動(dòng)態(tài)顯示。

（3）光柵顯示器

它采用成熟的電視技術(shù)和低廉的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，已成為主要的圖形顯示器。它采用標(biāo)準(zhǔn)電視監(jiān)視器，圖形由一連串的光點(diǎn)組成，每個(gè)像素與圖像內(nèi)存中的一定二進(jìn)制代碼相對(duì)應(yīng)。二進(jìn)制碼長(zhǎng)度決定于每個(gè)像素可顯示的灰度。圖像內(nèi)存的大小決定于顯示的分辨率。圖3為典型光柵顯示器的結(jié)構(gòu)。圖像內(nèi)存為兩端口內(nèi)存。一個(gè)端口由中央處理器讀寫(xiě)，另一端口只能讀出，用于數(shù)模轉(zhuǎn)換。顯示時(shí)，由圖像內(nèi)存讀出一定的二進(jìn)制代碼，然后經(jīng)過(guò)檢索彩色轉(zhuǎn)換表，讀出紅、綠、藍(lán)三種基色對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼，將它們的值分別作數(shù)模轉(zhuǎn)換以控制電子槍。光柵顯示器可以很方便地用來(lái)顯示非實(shí)時(shí)的二維或三維圖形，或用于圖形填色。

輸入設(shè)備

圖形輸入板是最常用的圖形輸入設(shè)備，又稱(chēng)數(shù)字化儀，它是一個(gè)特制的感應(yīng)器。當(dāng)用戶用特制的觸筆在板上作圖時(shí),可將該點(diǎn)X–Y坐標(biāo)感應(yīng)信號(hào)送入計(jì)算機(jī)。輸入的圖形立即在顯示屏幕上繪出。用戶用光筆指向屏幕時(shí)可感應(yīng)產(chǎn)生信號(hào)，直接在屏幕上作圖，非常方便。鼠標(biāo)器可自由移動(dòng)顯示屏幕上的光標(biāo)位置，用來(lái)直接在屏幕上繪圖和定位。

圖形軟件

圖形軟件是用于圖形設(shè)計(jì)變換、檢索、分析、修改、輸入的程序包。圖形軟件應(yīng)能適用于各種不同的輸入、輸出設(shè)備，為此采用 FORTRAN，PASCAL等高級(jí)語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)。1979年,美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)(ACM)研制出核心圖形系統(tǒng)(Core Graphics),簡(jiǎn)稱(chēng)CORE。它是與設(shè)備無(wú)關(guān)的圖形軟件,現(xiàn)已被美國(guó)、日本等國(guó)所采用。聯(lián)邦德國(guó)研制出二維圖形核心系統(tǒng)(Graphics Kernal System)簡(jiǎn)稱(chēng)GKS。1979年為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)所接受，作為計(jì)算機(jī)圖形軟件的標(biāo)準(zhǔn)，目前已被十幾個(gè)國(guó)家采納，并在此基礎(chǔ)上研制出三維圖形軟件。

圖形軟件的結(jié)構(gòu)

圖形軟件一般由應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用程序和圖形系統(tǒng)三個(gè)部分組成（圖4）。

（1）應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)　應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是對(duì)圖形的一種描述。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包含與圖形有關(guān)的信息，如圖形的形狀和拓?fù)湫畔?、圖形坐標(biāo)數(shù)據(jù)、灰度、圖形間的連接關(guān)系和位置等。對(duì)圖形的分析和處理實(shí)際上是對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的操作。

（2）應(yīng)用程序　它描述欲在圖形系統(tǒng)上輸出的二維、三維圖形。應(yīng)用程序描述圖形不必了解機(jī)器的具體結(jié)構(gòu)。

（3）圖形系統(tǒng)　它是輸入輸出圖形的硬件和軟件組合，帶有訪問(wèn)各種設(shè)備的子程序。

二維圖形軟件的基本功能是開(kāi)窗口、放縮比例尺、圖形平移、裁剪、旋轉(zhuǎn)、變色、填色、畫(huà)線、畫(huà)弧、圖形修改等。

三維圖形軟件功能是圖形正投影、等軸測(cè)投影和非等軸測(cè)投影、投影角度可旋轉(zhuǎn)的三維軸測(cè)圖、常用坐標(biāo)向球坐標(biāo)投影變換、隱面處理、裁剪、色調(diào)濃淡處理等。其中隱面處理、濃淡處理是正在研究的課題。

圖形軟件的特點(diǎn)

圖形軟件與常規(guī)軟件比較：

（1）兩者所表示的數(shù)據(jù)類(lèi)型不同。

（2）圖形程序是交互式的，是面向事件的程序。

（3）圖形軟件與設(shè)備無(wú)關(guān)，特別適用于交互式繪圖，如進(jìn)行三維圖形的描述、幾何變換、色調(diào)濃淡處理等。

未來(lái)發(fā)展

在人機(jī)接口、專(zhuān)用硬件方面還有許多問(wèn)題有待進(jìn)一步研究，如三維模型，新型輸入工具，平板顯示器,光盤(pán)的使用,輸入圖像的分析，新型計(jì)算機(jī)（智能計(jì)算機(jī)）的圖形系統(tǒng)，更完善的圖像硬設(shè)備和應(yīng)用軟件，光柵顯示器的掃描轉(zhuǎn)換并行性的研究，高性能的圖形語(yǔ)言，圖形數(shù)據(jù)庫(kù)，圖形計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等。

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標(biāo)簽：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)

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文章名稱(chēng)：《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》

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