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发展简况

  • 计算机图形技术范式演化
显示方式 对象和命令指定方式 显示控制方式 应用控制方式
字符显示 文字+数字的伪图形 命令行 文本格式编码 单任务
矢量显示 笔画文字和线画图形 命令行，功能键和菜单 伪直接操纵方式 单/多任务
二维光栅扫描显示 窗口，图标，文字和丰富色彩 GUI, WIMP 桌面隐喻，WYSIWYG 多任务，网络号 C/S 计算，多窗口管理
图形工作站及多视角投影(3DTV) 实时三维景象，实物虚化 虚拟显示，增强显示 WYSIAYG, WYPIWYG 集群化，网格化
  • 计算机使用模式：无图形系统–非直接操纵–桌面隐喻–自然多通道
  • 人机界面
    • 第一代：形式语言/类自然语言
    • 第二代：桌面隐喻，直接操纵，WYSIWYG
    • 当代：多媒体+多通道
      • 虚拟现实
    • 未来：自然人机交互
  • 硬件技术
    • 1960 字符显示器
    • 1963 矢量显示器
    • 1972 CRT显示器
    • 1986 三维图形工作站
    • 3D 输入技术，专用图形处理芯片，分式系统和并行系统
    • 2000 数字墨水显示器
  • 交互式图形系统 1963 年 SketchPad 诞生
  • 交互式图形显示技术 1950~ 防空系统 SAGE
  • 计算机图形系统标准
    • GKS(Graphical Kernal System)
    • PHIGS(Programmer’s Hierarchical Interactive Graphics System)
    • 工业系统
      • OpenGL
      • DirectX
      • X-Window
      • Postscript

主要内容

  • 建模
    • 传统内容：几何对象及其图像的生成，存储和操纵
    • 技术拓展：结合音视频的图形合成，声音和视频驱动的图形生成
    • 基础问题：如何在计算机内建立客观世界的对象模型
    • 难点：尽可能保持客观世界对象本身的性质并反映用户对它的理解
      • 交互生成
      • 感知获取
  • 绘制
    • 传统内容：在屏幕和硬拷贝设备上输出图像
    • 技术拓展：图像处理，改善图形显示和输出质量
    • 基础问题：如何在输出设备上再现客观世界的对象
    • 难点：巨量信息处理的实时性及对客观世界模拟的逼真度
      • 图形硬件的能力和性能
      • 图形绘制处理和操纵算法
  • 交互
    • 传统内容：用户对对象和图像的内容结构及外在表现的控制
    • 技术拓展：触觉输入和输入，显示化图形输入和操纵方式

软件体系

  • 计算机图形系统处理流程
    • 图形建模（建模坐标系）
    • 模型变换（世界坐标系）
    • 观察变换/视角选择（观察坐标系）
    • 投影变换（投影坐标系）
    • 工作站变换/设备选择（设备坐标系）
    • 图形显示
  • 计算机图形系统软件组成

    • 数据平台：对象描述模型，表示生成图形对象的全部描述信息（可以有数据完全刻画，也可以有数据和过程共同刻画）

      几何模型：描述图元形状（几何信息）和其相互关系（拓扑信息）

      • 点云模型
      • 线框模型
      • 曲面模型
      • 实体模型

      属性数据：描述图元外形（线型，线宽，颜色，表面纹理）等非几何数据

    • 支撑平台：图形支撑软件

      • 设备驱动程序
      • 标准图像支撑软件
        • 标准化图元生成，设备管理等功能 GKS PHIGS
      • 工业图像支撑软件
        • 建立图像数据结构
        • 标准图像编程包：提供高级程序编程的图像功能扩展及，OpenGL, DirectX, X-Window, Postscript
        • 专用图形软件编程包

    • 应用平台：应用软件

相关学科

  • 计算机图形学中
    • 图形：矢量表示
    • 图像：点阵表示
  • 图形生成
    • 光栅扫描
    • 随机扫描
  • 图形类别
    1. 全灰度/彩色图形
    2. 二值或少色图像
    3. 连续的曲线和直线
    4. 离散的点或多边形
  • 图像识别：有较低的类转换到较高的类
    • 1->2：图像分割
    • 1->3：轮廓跟踪，轮廓细化
    • 3->4：曲线分割
  • 图形绘制：从较高的类变换到较低的类
    • 4->3：插值处理，逼近处理
    • 3->2/1：轮廓填充，骨架扩展
    • 2->1：着色
  • 图像处理：类间和类内变换
    • 1/2：滤波变换
    • 3/4：坐标系统变换
    • 数据压缩
    • 三维矢量：投影，反投影
  • 相关学科
    • 计算机图形学：利用计算机表示，生成，处理和显示图像的一门学科（几何模型->图像，图像综合）
    • 计算机视觉：利用识别，分析，理解从图像中提取数据模型和丰富语义信息（图像->语义信息，图像分析）
    • 图像处理：（图像->图像）
    • 计算几何

典型应用

  • CAD(Computer Aided Design)
    • 产品外形、工程图纸设计，产品效果展示
    • 产品实时功能模拟
  • CAM(Computer Aided Manufacture)
    • 加工工艺设计和优化，加工过程模拟
  • CAE(Computer Aided Engineering)
    • 机构运动、热力学、有限元分析与模拟
  • 可视化
    • 特点：交互性，多维性，可视性
    • 处理过程：后处理–跟踪–驾驭
    • 应用：科学计算可视化，商业可视化（图示图形学），信息可视化
  • 大数据可视化：如何呈现数据集内在关系便于用户进行探索
  • GIS(地理信息系统)：地理地形相关信息的搜集、存储和分析
  • 数字化艺术
  • 数字娱乐（实时 >30fps）
  • 多媒体
  • GUI
  • 虚拟显示：Immersion, Interaction, Imagination

主要发展

  • 规则形体造型：规则形体的几何模型是数据模型，用欧式几何描述
    • 非均匀有理 B 样条 NURBS 曲面建模
    • 实体特征造型
    • 非流形造型
  • 数字几何建模（大规模场景建模）
    • 从三维扫描数据中重建三维模型：点云增强
    • 利用少样本生成大规模三维场景：结构单元+构成关系拓展
  • 不规则形体造型
    • 自然场景建模
      • 一般有几何数据+过程共同描述
      • 过程：仿射变换/文法/递归过程/动力系统方程
    • 分形几何造型：本征几何体+递归过程
    • 粒子系统：描述自然界中的不规则运动着的模糊物体
    • 形状文法
  • 动态场景建模（随机动画）
  • 群体行为建模（人工生命）
  • 柔性造型：布料和丝织物+人体
    • 复合物理特性和规律的状态
    • 本征几何+物理特性+物理规律
  • 光照效果生成
    • 光照模型
    • 消隐处理
    • 立体效果
  • 纹理生成
    • 颜色纹理，映射贴图
    • 几何纹理，几何扰动
  • 基于图像的绘制：从图像中直接获取对象或场景的几何、纹理及其运动
  • 虚拟/混合/增强现实
  • 人机交互自然化
    • 笔交互
    • 视觉交互
    • 手势交互
    • 头部与视点
    • 行为交互
    • 情感交互