第1章--绪论-计算机图形学实用技术(第3版)课件

计算机图形学计算机图形学第第1章章 绪论绪论 计算机图形学是近计算机图形学是近20年来科学技术领域中取得年来科学技术领域中取得的又一重要成就，是随着计算机及其外围设备而产的又一重要成就，是随着计算机及其外围设备而产生和发展起来的。它是近代计算机科学与雷达、电生和发展起来的。它是近代计算机科学与雷达、电视及图像处理技术的发展汇合而产生的硕果。视及图像处理技术的发展汇合而产生的硕果。在造船、航空航天、汽车、电子、机械、土建在造船、航空航天、汽车、电子、机械、土建工程、影视广告、地理信息、轻纺化工等领域中的工程、影视广告、地理信息、轻纺化工等领域中的广泛应用，推动了这门学科的不断发展，而不断解广泛应用，推动了这门学科的不断发展，而不断解决应用中提出的各类新课题，又进一步充实和丰富决应用中提出的各类新课题，又进一步充实和丰富了这门学科的内容。它现在已发展为对物体的模型了这门学科的内容。它现在已发展为对物体的模型和图像进行生成、存取和管理的新学科。和图像进行生成、存取和管理的新学科。1.1 计算机图形学的概念、发计算机图形学的概念、发展和应用展和应用 1.1.1 计算机图形学的概念计算机图形学的概念 计算机图形学（计算机图形学（Computer Graphics）是研究是研究怎样用计算机生成、处理和显示图形的一门新兴学怎样用计算机生成、处理和显示图形的一门新兴学科，国际标准化组织（科，国际标准化组织（ISO）定义为：计算机图形定义为：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。显示设备上显示的原理、方法和技术的学科。与计算机图形学的概念容易混淆的是图像处理。与计算机图形学的概念容易混淆的是图像处理。计算机图形学的基本含义是使用计算机通过算法和计算机图形学的基本含义是使用计算机通过算法和程序在显示设备上构造出图形来。与此相反，图像程序在显示设备上构造出图形来。与此相反，图像处理是将客观世界中原来存在的物体的影像处理成处理是将客观世界中原来存在的物体的影像处理成新的数字化图像的相关技术，并研究如何从图像中新的数字化图像的相关技术，并研究如何从图像中提取二维或三维物体的模型。它所研究的是计算机提取二维或三维物体的模型。它所研究的是计算机图形学的逆过程。图形学的逆过程。计算机图形学的研究内容涉及到用计算机对图形数计算机图形学的研究内容涉及到用计算机对图形数据进行处理的硬件和软件两方面的技术，主要是围绕着据进行处理的硬件和软件两方面的技术，主要是围绕着生成、表示物体的图形图像的准确性、真实性和实时性生成、表示物体的图形图像的准确性、真实性和实时性的基础算法，大致可分为以下几类：的基础算法，大致可分为以下几类：（1）基基于于图图形形设设备备的的基基本本图图形形元元素素的的生生成成算算法法，如如用用光光栅栅图图形形显显示示器器生生成成直直线线、圆圆弧弧、二二次次曲曲线线的的算算法法,封封闭闭边边界界内内的的图图案案填填充充算算法法以以及及,窗窗口口裁裁剪剪算法等。算法等。（详见第（详见第3章）章）多边形填充多边形填充多边形窗口裁剪多边形窗口裁剪（2）图形元素的几何变换，即对图形的平移、放大和）图形元素的几何变换，即对图形的平移、放大和缩小、旋转、镜像等操作。缩小、旋转、镜像等操作。（详见第（详见第4章）章）透视投影透视投影平行投影平行投影几何变换几何变换两段三次Bezier曲线的连接P0P1P2P3(Q0)Q1Q2Q3Bzier曲线曲面（3）样条曲线和样条曲面的插值、拟合、拼接、光）样条曲线和样条曲面的插值、拟合、拼接、光顺、整体和局部修改等。（详见第顺、整体和局部修改等。（详见第5章）章）P04P03P02P40P30P20P10P00P01P11P21P31P41P14P(u,0)P(0,v)Bzier曲面的控制网格曲面拼接B样条曲线曲面影视制作影视制作图1-1 自由曲面造型及应用范例（Derose，SIGGRAPH 98）（4）三维几何造型技术，对基本体素的定义、输入及它）三维几何造型技术，对基本体素的定义、输入及它们之间的布尔运算方法。们之间的布尔运算方法。（详见第6章）物体的CSG树表示（b）（a）体素构造表示（Construction Solid Geometry），或称CSG树表示（5）三维形体的实时显示，包括投影变换、坐标）三维形体的实时显示，包括投影变换、坐标变换等。变换等。（详见第4章）（6）真实感图形的生成算法，包括三维图形的消）真实感图形的生成算法，包括三维图形的消隐、光照、色彩、阴影、纹理及彩色浓淡图的生成隐、光照、色彩、阴影、纹理及彩色浓淡图的生成算法。（详见第算法。（详见第7章）章）(a)三维物体造型设计线框图(b)三维物体表面多边形填充(c)光线跟踪算法绘制图1-2 真实感图形绘制应用范例（Olin Lathrop，SIGGRAPH 94）（7）山、水、花、草、烟、云等自然景物的模）山、水、花、草、烟、云等自然景物的模拟生成算法等。拟生成算法等。(a)草的生成 (b)植物生成 (c)树、花、草等综合场景合成图1-3 花、草、树木生成应用范例（Deussen，SIGGRAPH 98）(a)自然景物造型 (b)雪景生成图1-4 雪景现象生成范例（Paul Fearing，SIGGRAPH 2000）（8）科学计算可视化和三维数据场的可视化，）科学计算可视化和三维数据场的可视化，将科学计算中大量难以理解的数据通过计算机图形将科学计算中大量难以理解的数据通过计算机图形显示出来，从而加深人们对科学过程的理解。例如显示出来，从而加深人们对科学过程的理解。例如有限元分析的结果等；应力场、磁场的分布等；各有限元分析的结果等；应力场、磁场的分布等；各种复杂的运动学和动力学问题的图形仿真等。种复杂的运动学和动力学问题的图形仿真等。1.1.2 计算机图形学的发展计算机图形学的发展 计算机图形学的发展始于计算机图形学的发展始于50年代，先后经历了年代，先后经历了准备阶段（准备阶段（50年代）、发展阶段（年代）、发展阶段（60年代）、推广年代）、推广应用阶段（应用阶段（70年代）、系统实用化阶段（年代）、系统实用化阶段（80年代）年代）和标准化智能化阶段（和标准化智能化阶段（90年代）。年代）。参见下面对比表。参见下面对比表。阶段阶段标志性硬件、软件及特点标志性硬件、软件及特点准备阶段准备阶段(50年代年代)图形显示器、绘图仪和光笔；图形显示器、绘图仪和光笔；Whirlwind I,不具备不具备人人-机交互功能；机交互功能；SAGE空中防御系统空中防御系统,有人有人-机交机交互功能。互功能。发展阶段发展阶段(60年代年代)I.E.Sutherland的的Sketchpad人人-机交互式图形系机交互式图形系统；首次使用统；首次使用Computer Graphics这个词；这个词；IBM等大公司研制了实用的等大公司研制了实用的CAD系统；使用昂贵的随系统；使用昂贵的随机扫描显示器。机扫描显示器。推广应用阶段推广应用阶段(70年代年代)系统以小型机及超级小型机为主流系统以小型机及超级小型机为主流;计算机图形技计算机图形技术在各领域得到较多的应用术在各领域得到较多的应用;使用便宜的光栅扫描使用便宜的光栅扫描显示器；显示器；ACM SIGGRAPH成立。成立。系统实用化阶系统实用化阶段段(80年代年代)系统以工作站为主；微机广泛普及和推广系统以工作站为主；微机广泛普及和推广;微机上微机上的图形软件全面出现；应用广泛。的图形软件全面出现；应用广泛。标准化智能化标准化智能化阶段阶段(90年代年代)图形标准有：图形标准有：CGI、CGM、GKS、GKS-3D和和PHIGS；智能；智能CAD系统出现。系统出现。1.1.3 计算机图形学的应用计算机图形学的应用 目前，计算机图形技术已广泛应用于工业、科目前，计算机图形技术已广泛应用于工业、科技、教育、管理、商业、艺术、娱乐等许多行业。技、教育、管理、商业、艺术、娱乐等许多行业。主要的应用领域有：主要的应用领域有：1.图形用户界面图形用户界面 过去传统的软件中约有过去传统的软件中约有60以上的程序是用来以上的程序是用来处理与用户接口有关的问题和功能，因为用户接口处理与用户接口有关的问题和功能，因为用户接口的好坏直接影响着软件的质量和效率。如今在用户的好坏直接影响着软件的质量和效率。如今在用户接口中广泛使用了图形用户界面（接口中广泛使用了图形用户界面（GUI），），如菜单、如菜单、对话框、图标和工具栏等，大大提高了用户接口的对话框、图标和工具栏等，大大提高了用户接口的直观性和友好性，也提高了相应软件的执行速度。直观性和友好性，也提高了相应软件的执行速度。2.计算机辅助设计与制造（计算机辅助设计与制造（CADCAM）由于由于CAD技术能广泛应用于产品设计和工程设技术能广泛应用于产品设计和工程设计，适合多品种小批量生产，生产周期短、效率高，计，适合多品种小批量生产，生产周期短、效率高，精确性和可靠性高，可以显著提高产品在市场上的精确性和可靠性高，可以显著提高产品在市场上的竞争力，故应用非常广泛。在产品设计和制造方面，竞争力，故应用非常广泛。在产品设计和制造方面，CAD/CAM技术被广泛用于飞机、汽车、船舶、机技术被广泛用于飞机、汽车、船舶、机电、轻工、服装的外形设计和制造。电、轻工、服装的外形设计和制造。如美国波音公司，由于采用如美国波音公司，由于采用CAD技术，使波音技术，使波音727的设计提前二年完成；又如美国通用汽车公司，的设计提前二年完成；又如美国通用汽车公司，利用利用CAD系统把产品设计、制造、模拟试验和检查系统把产品设计、制造、模拟试验和检查测试结合起来，组成一体化集成系统，使汽车设计测试结合起来，组成一体化集成系统，使汽车设计周期由周期由5年缩短到年缩短到3-4年。年。在电子工业中，在电子工业中，CAD技术应用到集成电路、印刷技术应用到集成电路、印刷电路板、电子线路和网络分析等方面的优势是十分明电路板、电子线路和网络分析等方面的优势是十分明显的。一个复杂的大规模或超大规模集成电路板图根显的。一个复杂的大规模或超大规模集成电路板图根本不可能用手工设计和绘制，而用本不可能用手工设计和绘制，而用CAD进行设计可以进行设计可以在较短的时间内完成，并把结果直接送至后续工艺进在较短的时间内完成，并把结果直接送至后续工艺进行加工处理。行加工处理。在工程设计方面，为了减低工程造价，提高设计在工程设计方面，为了减低工程造价，提高设计效率，在建筑、石油、冶金、地质、电力、铁路、公效率，在建筑、石油、冶金、地质、电力、铁路、公路、化工等工程设计中广泛采用路、化工等工程设计中广泛采用CAD技术。例如，在技术。例如，在应用应用CAD进行建筑设计上，不仅可以进行总体的外观进行建筑设计上，不仅可以进行总体的外观效果图设计，还可以完成结构设计、给或排水设计、效果图设计，还可以完成结构设计、给或排水设计、电器设计和装饰设计等，对密集的楼群地段也可以进电器设计和装饰设计等，对密集的楼群地段也可以进行光照分析。行光照分析。3.事务和商务数据的图形展示事务和商务数据的图形展示 应用图形学较多的领域之一是绘制事务和商务应用图形学较多的领域之一是绘制事务和商务数据的各种二、三维图表，如直方图、柱形图、扇数据的各种二、三维图表，如直方图、柱形图、扇形图、折线图、工作进程图、仓库和生产的各种统形图、折线图、工作进程图、仓库和生产的各种统计管理图表等，所有这些图表都用简明的方式提供计管理图表等，所有这些图表都用简明的方式提供形象化的数据和变化趋势，以增加对复杂对象的了形象化的数据和变化趋势，以增加对复杂对象的了解和对大量分散数据的规律分析，以便作出正确的解和对大量分散数据的规律分析，以便作出正确的决策。还有现在大家经常看到的股票涨落趋势分析决策。还有现在大家经常看到的股票涨落趋势分析图等。图等。（a）平面显示 （b）三维显示图1-5 网络通讯数据统计可视化显示范例（Stephen G.Eick，SIGGRAPH 96）4.地形地貌和自然资源的图形显示地形地貌和自然资源的图形显示 应用计算机图形生成技术产生高精度的地理图形应用计算机图形生成技术产生高精度的地理图形或自然资源的图形是另一个重要的应用领域，包括地或自然资源的图形是另一个重要的应用领域，包括地理图、地形图、矿藏分布图、海洋地理图、气象气流理图、地形图、矿藏分布图、海洋地理图、气象气流图、植物分布图以及其他各类等值线、等位面图等。图、植物分布图以及其他各类等值线、等位面图等。目前，建立在地理图形基础之上的地理信息管理系统目前，建立在地理图形基础之上的地理信息管理系统（主要包括地理信息和地图）已经在许多国家中得到（主要包括地理信息和地图）已经在许多国家中得到广泛的应用。广泛的应用。5.过程控制及系统环境模拟过程控制及系统环境模拟 用户利用计算机图形学实现与其控制或管理对用户利用计算机图形学实现与其控制或管理对象间的相互作用。例如石油化工、金属冶炼、电网象间的相互作用。例如石油化工、金属冶炼、电网控制的有关人员可以根据设备关键部位的传感器送控制的有关人员可以根据设备关键部位的传感器送来的图像和数据，对设备运行过程进行有效监视和来的图像和数据，对设备运行过程进行有效监视和控制；机场的飞行控制人员和铁路的调度人员可通控制；机场的飞行控制人员和铁路的调度人员可通过计算机产生运行状态信息来有效、迅速、准确地过计算机产生运行状态信息来有效、迅速、准确地调度，调整空中交通和铁路运输。调度，调整空中交通和铁路运输。6.电子出版及办公室自动化电子出版及办公室自动化 图文并茂的电子排版制版系统代替了传统的铅图文并茂的电子排版制版系统代替了传统的铅字排版，这是印刷史上的一次革命。随着图、声、字排版，这是印刷史上的一次革命。随着图、声、文结合的多媒体技术的发展，配合迅速发展的计算文结合的多媒体技术的发展，配合迅速发展的计算机网络，可视电话、电视会议、远程诊断以及文字、机网络，可视电话、电视会议、远程诊断以及文字、图表等的编辑和硬拷贝正在家庭、办公室普及。伴图表等的编辑和硬拷贝正在家庭、办公室普及。伴随计算机和高清晰度电视结合的产品的推出，这种随计算机和高清晰度电视结合的产品的推出，这种普及率将会越来越高，进而会改变传统的办公、家普及率将会越来越高，进而会改变传统的办公、家庭生活方式。庭生活方式。7.计算机动画和艺术计算机动画和艺术 由于计算机图形系统的硬件速度提高，软件功由于计算机图形系统的硬件速度提高，软件功能增强，因而利用它来制作计算机动画、广告、电能增强，因而利用它来制作计算机动画、广告、电视电影，有的影片还获得了奥斯卡奖。视电影，有的影片还获得了奥斯卡奖。目前国内外不少单位正在研制人体模拟系统，目前国内外不少单位正在研制人体模拟系统，这使得在不久的将来把历史上早已去世的著名影视这使得在不久的将来把历史上早已去世的著名影视名星重新搬上新的影视片成为可能。名星重新搬上新的影视片成为可能。将计算机图形学与专家系统和人工智能技术结将计算机图形学与专家系统和人工智能技术结合起来，可构造出丰富多彩、形状各异的艺术图像，合起来，可构造出丰富多彩、形状各异的艺术图像，如各种图案、花纹、工艺外形设计及传统的油画、如各种图案、花纹、工艺外形设计及传统的油画、中国国画和书法等。中国国画和书法等。图1-6 钢笔绘画艺术作品范例（Winkenbach，SIGGRAPH 96）图1-7 基于图像绘画艺术作品范例（Hertzmann，SIGGRAPH 98）8.科学计算的可视化科学计算的可视化 科学计算可视化就是应用计算机图形生成技术将科学计算可视化就是应用计算机图形生成技术将科学及工程计算的中间结果或最后结果以及测量数据科学及工程计算的中间结果或最后结果以及测量数据等在计算机屏幕上以图像形式显示出来，使人们能观等在计算机屏幕上以图像形式显示出来，使人们能观察到用常规手段难以观察到的自然现象和规律，实现察到用常规手段难以观察到的自然现象和规律，实现科学计算环境和工具的进一步现代化。科学计算环境和工具的进一步现代化。随着科学技术的进步，人类面临着越来越多的数随着科学技术的进步，人类面临着越来越多的数据需要进行处理。这些数据来自人造地球卫星、地震据需要进行处理。这些数据来自人造地球卫星、地震勘探、计算机层析成像和核磁共振等途径。科学计算勘探、计算机层析成像和核磁共振等途径。科学计算可视化可广泛应用于计算流体力学、有限元分析、气可视化可广泛应用于计算流体力学、有限元分析、气象科学、天体物理、分子生物学、医学图像处理等领象科学、天体物理、分子生物学、医学图像处理等领域。例如，人类基因图谱的绘制。域。例如，人类基因图谱的绘制。(a)龙卷风特性模拟 (b)气凝胶（化）分子结构特性可视化图1-8 速度向量可视化显示范例（Nelson Max、Roger Crawfis，SIGGRAPH 94）图1-9 全球天气预报（气压、温度、风速统计）可视化范例（Treinish，SIGGRAPH 94）9.工业模拟工业模拟 这是一个十分大的应用领域，包含对各种机构的这是一个十分大的应用领域，包含对各种机构的运动模拟和静、动态装配模拟，在产品和工程的设计、运动模拟和静、动态装配模拟，在产品和工程的设计、数控加工等领域迫切需要。它要求的技术主要是计算数控加工等领域迫切需要。它要求的技术主要是计算机图形学中的产品造型、干涉检测和三维形体的动态机图形学中的产品造型、干涉检测和三维形体的动态显示。显示。10.计算机辅助教学计算机辅助教学 计计算算机机图图形形学学已已广广泛泛应应用用于于计计算算机机辅辅助助教教学学系系统统中中，它它可可以以使使教教学学过过程程形形象象、直直观观、生生动动，极极大大地地提提高高了了学学生生的的学学习习兴兴趣趣和和教教学学效效果果。由由于于个个人人计计算算机机的的普及，计算机辅助教学系统将深入到家庭和幼儿教育。普及，计算机辅助教学系统将深入到家庭和幼儿教育。总之，交互式计算机图形学的应用极大地提总之，交互式计算机图形学的应用极大地提高了人们理解数据、分析趋势、观察现实或想象高了人们理解数据、分析趋势、观察现实或想象形体的能力。随着个人计算机和工作站的发展，形体的能力。随着个人计算机和工作站的发展，随着各种图形软件的不断推出，计算机图形学的随着各种图形软件的不断推出，计算机图形学的应用前景将是更加引人入胜的。应用前景将是更加引人入胜的。1.2 计算机图形系统计算机图形系统 1.2.1 计算机图形系统硬件计算机图形系统硬件 计算机图形系统与一般的计算机系统是一样的，计算机图形系统与一般的计算机系统是一样的，由硬件和软件两方面组成，硬件由主机和输入输出由硬件和软件两方面组成，硬件由主机和输入输出设备组成，软件由系统软件和应用软件组成。图形设备组成，软件由系统软件和应用软件组成。图形系统的选择和应用是学习和掌握计算机图形学的前系统的选择和应用是学习和掌握计算机图形学的前提，只有通过图形系统我们才有可能开拓、利用计提，只有通过图形系统我们才有可能开拓、利用计算机图形学的潜力。算机图形学的潜力。总体上，计算机图形系统与一般计算机系统相总体上，计算机图形系统与一般计算机系统相比，要求主机性能更高，速度更快，存储容量更大，比，要求主机性能更高，速度更快，存储容量更大，外设种类更齐全，具体区别是：外设种类更齐全，具体区别是：（1）图图形形运运算算要要求求CPU有有强强大大的的浮浮点点运运算算能能力力，而而一一般般计计算算机机系系统统的的应应用用侧侧重重于于整整数数运运算算，浮浮点点运运算算较少，较少，CPU的浮点运算能力要求较低。的浮点运算能力要求较低。（2）图形显示要求有功能强大的显示能力，包括）图形显示要求有功能强大的显示能力，包括要配备专业要配备专业3D图形加速卡和大屏幕显示器，而一般图形加速卡和大屏幕显示器，而一般计算机系统的应用主要侧重于字符显示，不需要专业计算机系统的应用主要侧重于字符显示，不需要专业图形加速卡和大屏幕显示器。图形加速卡目前发展很图形加速卡和大屏幕显示器。图形加速卡目前发展很快，快，3D显示卡已发展了五代，已发展成为可与中央显示卡已发展了五代，已发展成为可与中央处理器处理器(CPU)相提并论的图形处理器相提并论的图形处理器(GPU),如如nVidia公司的公司的GeForce系列显示芯片。系列显示芯片。GPU的出现使得的出现使得CPU的负担大大减轻，显示速度和质量明显提高。的负担大大减轻，显示速度和质量明显提高。（3）输入设备除了键盘和鼠标外，一般还要配备）输入设备除了键盘和鼠标外，一般还要配备数字化仪和扫描仪。数字化仪主要用于线条图形的输数字化仪和扫描仪。数字化仪主要用于线条图形的输入入,扫描仪主要用于面状图像的输入。目前扫描仪主要用于面状图像的输入。目前,扫描仪扫描仪的发展很快的发展很快,功能更全面功能更全面,配合某些矢量化软件配合某些矢量化软件,可可把线条图形扫描后自动识别输入计算机，大大提高工把线条图形扫描后自动识别输入计算机，大大提高工作效率，有取代数字化仪之势。作效率，有取代数字化仪之势。（4）输出设备一般要有面向图像的彩色打印机和）输出设备一般要有面向图像的彩色打印机和面向线条的笔式绘图仪。目前面向线条的笔式绘图仪。目前,由于喷墨打印机技术由于喷墨打印机技术的不断进步的不断进步,价格便宜价格便宜,而笔式绘图仪不易使用而笔式绘图仪不易使用,容易容易损坏损坏,热蜡式打印机和热升华打印机又过于昂贵热蜡式打印机和热升华打印机又过于昂贵,因因此此,性能优良的彩色喷墨打印机逐渐成为图形输出设性能优良的彩色喷墨打印机逐渐成为图形输出设备的主流产品和用户首选设备。备的主流产品和用户首选设备。计算机图形系统的主机主要有两大类：微型机和计算机图形系统的主机主要有两大类：微型机和图形工作站。微型机采用开放式体系，图形工作站。微型机采用开放式体系，CPU以以Intel、AMD和和Cyrix公司为主，操作系统以微软的公司为主，操作系统以微软的Windows为主，厂商有为主，厂商有Compag、IBM、Dell、Acer和联想等和联想等,价格便宜，一般在几千元左右，用户很多。图形工作价格便宜，一般在几千元左右，用户很多。图形工作站采用封闭式体系，各厂家的软硬件互不兼容。主要站采用封闭式体系，各厂家的软硬件互不兼容。主要厂家有厂家有SUN、HP、IBM、DEC和和SGI等。工作站速度等。工作站速度快，容量大，但价格昂贵，一般在快，容量大，但价格昂贵，一般在5万元左右，用户万元左右，用户较少，一般都是专业公司或专业人员才拥有。较少，一般都是专业公司或专业人员才拥有。目前，由于微型机的发展很快，微型机与图形工目前，由于微型机的发展很快，微型机与图形工作站的性能差别逐步缩小，专门为图形应用方面配备作站的性能差别逐步缩小，专门为图形应用方面配备的高档微型机已逐步成为计算机图形系统的首选，特的高档微型机已逐步成为计算机图形系统的首选，特别是对于广大的普通用户。别是对于广大的普通用户。1.2.2 计算机图形系统软件计算机图形系统软件 软件一般包括系统软件和应用软件两方面。系统软件一般包括系统软件和应用软件两方面。系统软件又分为操作系统和程序设计语言。软件又分为操作系统和程序设计语言。工作站的操作系统可细分为底层的工作站的操作系统可细分为底层的UNIX系统和系统和上层的窗口系统，窗口系统有上层的窗口系统，窗口系统有SUN公司的公司的Open Windows，OSF公司的公司的Motif，DEC公司的公司的DEC Windows和和IBM公司的公司的Office Vision等。等。微型机的操作系统大多采用微软的微型机的操作系统大多采用微软的Windows。由。由于目前一般的计算机系统也都采用具有图形接口的窗于目前一般的计算机系统也都采用具有图形接口的窗口系统，所以操作系统方面计算机图形系统与一般计口系统，所以操作系统方面计算机图形系统与一般计算机系统基本上没有差别。算机系统基本上没有差别。程序设计语言方面，计算机图形系统要求具有较程序设计语言方面，计算机图形系统要求具有较强的图形图像处理能力，所以具有很强的图形图像处强的图形图像处理能力，所以具有很强的图形图像处理能力和发展前景的理能力和发展前景的C/C+语言逐渐成为计算机图形语言逐渐成为计算机图形系统的首选开发语言。系统的首选开发语言。例如，例如，Turbo C 2.0具有具有70多个图形函数库多个图形函数库,包括包括图形系统管理函数、屏幕管理函数、图形绘制函数、图形系统管理函数、屏幕管理函数、图形绘制函数、属性控制函数、区域填充函数和文本处理函数等。属性控制函数、区域填充函数和文本处理函数等。应用软件方面应用软件方面,可以说是五花八门可以说是五花八门,一般是针对一般是针对某一具体应用方面而言某一具体应用方面而言,有独立的图形应用软件有独立的图形应用软件,更更多的是分散在各种应用软件中。目前，图形应用软件多的是分散在各种应用软件中。目前，图形应用软件代表性产品有：代表性产品有：AutoCAD、3DS MAX、Freehand、CorelDRAW、MAYA等。等。1.3 计算机图形标准计算机图形标准 随着计算机硬件的飞速发展，加之图形输入输随着计算机硬件的飞速发展，加之图形输入输出设备种类十分繁杂，使得开发高性能的交互式图出设备种类十分繁杂，使得开发高性能的交互式图形系统变得越来越困难越复杂，并且难于在不同的形系统变得越来越困难越复杂，并且难于在不同的计算机和图形设备之间进行移植。计算机和图形设备之间进行移植。为了使应用程序在不同系统之间或不同程序之为了使应用程序在不同系统之间或不同程序之间可以移植，使应用程序与图形设备无关，使不同间可以移植，使应用程序与图形设备无关，使不同系统之间或不同程序之间相互交换图形数据成为可系统之间或不同程序之间相互交换图形数据成为可能，制订图形软件的标准是非常必要的。能，制订图形软件的标准是非常必要的。从从1974年起的二十多年中，国际标准化组织年起的二十多年中，国际标准化组织（ISO）已经批准的与计算机图形有关的标准有：已经批准的与计算机图形有关的标准有：图形核心系统（图形核心系统（GKS）及其语言联编、三维图形及其语言联编、三维图形核心系统（核心系统（GKS-3D）及其语言联编、程序员层次及其语言联编、程序员层次交互式图形系统（交互式图形系统（PHIGS）及其语言联编、计算及其语言联编、计算机图形元文件（机图形元文件（CGM）、）、计算机图形接口计算机图形接口（CGI）和基本图形交换规范（和基本图形交换规范（IGES）。）。它们的它们的层次关系如图层次关系如图1.1所示。所示。图形软件包图形软件包驱动程序驱动程序驱动程序驱动程序元文件输出程序元文件输出程序元文件元文件IGES，STEPGKS，GKS-3D，PHIGSCGICGM图形数据库图形数据库图形应用程序图形应用程序图图1-10 图形标准的层次关系图形标准的层次关系1.3.1 图形标准图形标准 GKS（Graphical Kernel System）、）、GKS-3D和和PHIGS（Programmers Hierarchical Interactive Graphical System）三个标准都是有关应用程序与三个标准都是有关应用程序与图形软件包的接口，通常称为图形软件包的接口，通常称为“应用接口应用接口”。图形。图形软件包是一组常用的有关图形处理的子程序的集合，软件包是一组常用的有关图形处理的子程序的集合，它隔离了应用程序与图形物理设备的联系，该接口它隔离了应用程序与图形物理设备的联系，该接口的标准化就可实现应用程序在源程序级的可移植性。的标准化就可实现应用程序在源程序级的可移植性。这个标准也是所谓的狭义的图形标准。这个标准也是所谓的狭义的图形标准。GKS包括一系列交互和非交互图形设备的全部包括一系列交互和非交互图形设备的全部图形处理功能，大致可分为以下十类：图形处理功能，大致可分为以下十类：控制功能：控制功能：执行打开、关闭执行打开、关闭GKS以及使系统进入、退出活动状以及使系统进入、退出活动状态等；态等；输出功能：确定输出图形的类型；输出功能：确定输出图形的类型；输出输出属性：设定图素的各种属性以及各种图素的输出表属性：设定图素的各种属性以及各种图素的输出表现方式；现方式；变换功能：实现规格化；变换功能：实现规格化；图段功能：图段功能：对图形进行生成、删除、复制以及实现图段属性控对图形进行生成、删除、复制以及实现图段属性控制；制；输入功能：对各种输入设备初始化，设定设输入功能：对各种输入设备初始化，设定设备工作方式，确定请求、采样和事件输入；备工作方式，确定请求、采样和事件输入；询问询问功能：查询功能：查询GKS描述表、状态表、出错表、图素表描述表、状态表、出错表、图素表等；等；实用程序：实现实用程序：实现GKS的几何变换等；的几何变换等；元文元文件处理；件处理；出错处理。出错处理。PHIGS是向应用程序员提供的控制图形设备的是向应用程序员提供的控制图形设备的图形系统接口，其图形数据按层次结构组织，使多图形系统接口，其图形数据按层次结构组织，使多层次的应用模型能方便地应用层次的应用模型能方便地应用PHIGS进行描述，提进行描述，提供动态修改和绘制显示图形数据的手段。供动态修改和绘制显示图形数据的手段。PHIGS是是为具有高度动态性、交互性的三维图形应用而设计为具有高度动态性、交互性的三维图形应用而设计的图形软件工具库，其最主要的特点是能够在系统的图形软件工具库，其最主要的特点是能够在系统中高效率地描述应用模型，迅速修改图形模型的数中高效率地描述应用模型，迅速修改图形模型的数据，并能绘制显示修改后的图形模型。据，并能绘制显示修改后的图形模型。GKS-3D对对GKS进行了功能扩充，使之能用于进行了功能扩充，使之能用于三维图形程序设计。三维图形程序设计。这三个图形标准的上述所谓这三个图形标准的上述所谓“语言联编语言联编”是指是指这些图形标准都已按照所使用的语言的约定嵌入到这些图形标准都已按照所使用的语言的约定嵌入到程序设计语言中。因此，程序设计人员只要按照所程序设计语言中。因此，程序设计人员只要按照所使用语言使用语言(如如C语言语言)的语法规定调用该语言所提供的语法规定调用该语言所提供的图形程序的图形程序(函数函数)库，就可开发出符合图形标准的库，就可开发出符合图形标准的图形软件。一般用户不必详细了解具体的图形标准。图形软件。一般用户不必详细了解具体的图形标准。图形标准是一组由基本图元图形标准是一组由基本图元(点、线、面点、线、面)和属和属性性(线型、颜色等线型、颜色等)构成的标准通用图形系统。它们构成的标准通用图形系统。它们以子程序的形式支持应用图形系统。应用程序通过以子程序的形式支持应用图形系统。应用程序通过调用这些图形标准子程序，即可生成图形和图像，调用这些图形标准子程序，即可生成图形和图像，并通过交互显示设备实现图形的输入输出。并通过交互显示设备实现图形的输入输出。1.3.2 图形设备接口标准图形设备接口标准 CGI(Computer Device Interface)标准是标准是ISO TC97组提出的图形软件与图形输入输出设备之间组提出的图形软件与图形输入输出设备之间的接口标准，称之为的接口标准，称之为“虚拟图形设备接口虚拟图形设备接口”VDI(Virtual Device Interface)。CGI是第一个针对图形设备接口，而不是应用是第一个针对图形设备接口，而不是应用程序接口的交互式计算机图形标准。程序接口的交互式计算机图形标准。CGI的目标是的目标是使应用程序和图形库直接与各种不同的图形设备相使应用程序和图形库直接与各种不同的图形设备相作用，使其在各种图形设备上不经过修改就可以运作用，使其在各种图形设备上不经过修改就可以运行，即在用户程序和虚拟设备之间以一种独立于设行，即在用户程序和虚拟设备之间以一种独立于设备的方式提供图形信息的描述和通信。备的方式提供图形信息的描述和通信。CGI规定了发送图形数据到设备的输出和控制规定了发送图形数据到设备的输出和控制功能，用图形设备接收图形数据的输入、查询和控功能，用图形设备接收图形数据的输入、查询和控制功能。制功能。CGI提供的功能集包括控制功能集、独立提供的功能集包括控制功能集、独立于设备的图形对象输出功能集、图段功能集、输入于设备的图形对象输出功能集、图段功能集、输入和应答功能集以及产生、修改、检索和显示像素数和应答功能集以及产生、修改、检索和显示像素数据的光栅功能集。据的光栅功能集。CGI是设备级的计算机图形接口，该接口的标是设备级的计算机图形接口，该接口的标准化即可实现图形软件与图形设备的无关性。准化即可实现图形软件与图形设备的无关性。CGI的目的是提供控制图形硬件的一种与设备无关的方的目的是提供控制图形硬件的一种与设备无关的方法，实际上也可看作是图形设备驱动程序的一种标法，实际上也可看作是图形设备驱动程序的一种标准。它既可以以子程序包的形式直接提供给用户使准。它既可以以子程序包的形式直接提供给用户使用，也可作为隐含的标准支持软件实现用，也可作为隐含的标准支持软件实现GKS、PHIGS等高层的图形标准。等高层的图形标准。1.3.3 图形元文件标准图形元文件标准 CGM(Computer Graphics Metafile)是是一一种种数数据据接接口口，它它规规定定了了记记录录图图形形信信息息的的数数据据文文件件的的格格式式。该该标标准准使使程程序序与与程程序序之之间间或或系系统统与与系系统统之之间间相互交换图形数据成为可能。相互交换图形数据成为可能。CGM标准由一套标准的、与设备无关的定义图标准由一套标准的、与设备无关的定义图形的语法和词法元素组成。它分为形的语法和词法元素组成。它分为4个部分。第一个部分。第一部分是功能描述部分是功能描述,包括元素标识符、语义说明以及包括元素标识符、语义说明以及参数描述参数描述;其余三部分为其余三部分为CGM标准的标准的3种编码形式种编码形式,即字符编码、二进制数编码和正文编码。即字符编码、二进制数编码和正文编码。CGM标标准利用上述准利用上述3种不同的标准数据编码形式来实现元种不同的标准数据编码形式来实现元文件的元素功能。文件的元素功能。一个符合一个符合CGM标准的图形元文件是一个有序标准的图形元文件是一个有序的元素序列。这个序列具有简单的两层式结构。的元素序列。这个序列具有简单的两层式结构。第一层是由一个元文件描述和若干个逻辑上独立第一层是由一个元文件描述和若干个逻辑上独立的画面组成，第二层即每个画面是由一个画面描的画面组成，第二层即每个画面是由一个画面描述和一个包含了实际画面定义的画面体组成。述和一个包含了实际画面定义的画面体组成。设计设计CGM的主要目的是：的主要目的是：提供图形存储的提供图形存储的数据格式；数据格式；提供一种以假脱机方式绘图的图形协提供一种以假脱机方式绘图的图形协议；议；为图形设备接口标准化创造条件；为图形设备接口标准化创造条件；便于检便于检查图形中的错误，保证图形质量；查图形中的错误，保证图形质量；提供了把不同提供了把不同图形系统所产生的图形集成到一起的一种手段。图形系统所产生的图形集成到一起的一种手段。1.3.4 基本图形交换规范基本图形交换规范 随着随着CAD/CAM技术在工业界得到广泛应用技术在工业界得到广泛应用,越越来越多的用户需要把它们的图形数据在不同的来越多的用户需要把它们的图形数据在不同的CAD/CAM系统之间交换。基本图形交换规范系统之间交换。基本图形交换规范(IGES：Initial Graphics Exchange Specification)就是为了解就是为了解决数据在不同的决数据在不同的CAD/CAM系统间进行传送的问题，系统间进行传送的问题，它定义了一套表示它定义了一套表示CAD/CAM系统中常用的几何和非系统中常用的几何和非几何数据格式以及相应的文件结构。几何数据格式以及相应的文件结构。IGES文件由文件由5或或6个段组成个段组成:标志段标志段(Flag);开始段开始段(Start)；全局段全局段(Global)；目录入口目录入口段段(Directory Entry);参数数据段参数数据段(Parameter Data);结束段结束段(Terminate)。一个一个IGES文件可以包含任意类型、任意数量的文件可以包含任意类型、任意数量的实体实体,每个实体在目录入口段和参数数据段中各有每个实体在目录入口段和参数数据段中各有一项。目录入口项提供了一个入口并包含一些数据一项。目录入口项提供了一个入口并包含一些数据的描述性属性的描述性属性,参数数据项提供了特定实体的定义。参数数据项提供了特定实体的定义。目录入口项的格式是固定的目录入口项的格式是固定的,参数数据项是与实体参数数据项是与实体有关的有关的,不同的实体的参数数据项的格式和长度不不同的实体的参数数据项的格式和长度不同。同。另外，在另外，在CAD/CAM应用领域，为了在不同的应用领域，为了在不同的CAD/CAM系统之间进行数据交换，还提出了产品系统之间进行数据交换，还提出了产品模型数据交换标准模型数据交换标准(STEP：Standard for the Exchange of Product model Data)。实际上是定义。实际上是定义了一些标准的文件格式。了一些标准的文件格式。AutoCAD的的DXF文件格式文件格式因其普遍使用也已成为事实上的标准。因其普遍使用也已成为事实上的标准。