浅谈计算机图形学与图形图像处理技术_陈敏雅

计算机图形学(Computer Graphics)是借住计算机来研究图形表达、处理图像、显示生成的学科。历经30多年的发展，计算机图形学成为现代应用科学中最活跃的分支之一，并得到广泛的运用。

一、计算机图形学概述

（一）计算机图形学研究的主要内容

计算机图形学的研究内容极为广泛，如图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形算法、曲线曲面建模、实物造型、真实感图形显示算法，以及科学计算可视化、计算机动画、自然仿真、虚拟现实等。

计算机图形学主要目的就是要利用计算机表达的真实感图形。为此，必须建立图形描述的场景的几何表示，运用某种光照模型，计算出假想的光源、纹理、材质属性下的光照明效果。所以计算机图形学与计算机辅助几何设计有着密切的关系。图形学也把可以表示几何场景的曲线曲面造型技术和实体造型技术作为其主要的研究内容。同时，真实感图形计算的结果是以数字图象的方式提供的，计算机图形学和图形图象处理有着密切的联系。

（二）计算机图形图像处理的基本概念

计算机图形图像处理是指把由概念或数学描述所表示物体的几何数据或几何模型，用计算机进行显示、存储、修改、完善及进行相关有关操作的过程。图形图像处理包括的主要内容有：

（1）几何变换，如平移、旋转、缩放、透视和投影等。

（2）图像数字化、图像编码、图像增强、图像复原、图像分割和图像分析等。

（3）曲线和曲面拟合。

（4）建模或造型设计。

（5）隐线、隐面消除。

（6）明暗处理。

（7）贴图纹理。

（8）色彩设计。

图形图像处理技术主要应用在计算机辅助设计CAD、计算机辅助制造CAM、计算机辅助教育CAI、计算机艺术设计、计算机模拟、计算可视化、计算机动画和虚拟现实等领域。CAD是主要应用领域之一。

（三）计算机图形系统的组成与功能

1.计算机图形系统的组成

计算机图形系统由硬件设备和相应的图形图像软件系统两部分组成。高质量的计算机图形离不开高性能的计算机图形硬件设备。图形系统硬件通常由图形处理器，图形输出设备和输入设备组成。图形处理器是图形系统结构的重要部件，是连接计算机和显示终端的纽带。图形处理器具有存储和处理图形的功能，而且能完成大部分的图形函数计算，这大大减轻了CPU负担，提高了系统的显示能力和速度。

最常用的图形输入设备是键盘和鼠标。人们一般通过一些图形软件由键盘和鼠标直接在屏幕上定位和输入图形，如CAD系统就是用鼠标和键盘命令制作各种工程图的。此外还有跟踪球、空间球、数据手套、光笔、触摸屏等输入设备。跟踪球和空间球是根据球在不同方向受到的推或拉的压力来实现定位和选择。数据手套则是通过传感器和天线来发送手指的位置和方向的信息。这几种输入设备在虚拟现实场景的构造和漫游中特别有用。光笔是一种检测光的装置，它直接在屏幕上操作，拾取位置。

图形输出设备是指可以快速生成和处理图形的显示系统以及输出到某种介质上永久保存图形的绘图系统，主要包括显示器、绘图仪、打印机等。

随着计算机系统、图形输入/输出设备的发展，计算机图形软件也不断地更新和完善，目前有许多支持计算机图形技术的软件系统。如各种子程序包、图形函数库、甚至是专用的图形系统。随着图形系统的发展，提出了图形软件标准化的问题。为实现程序的可移植性，开发出了面向设备的驱动程序包或面向用户的图形生成及管理程序包。

2.图形系统的功能

图形系统的设计和研制是计算机科学和工程领域的重要内容。作为一个图形系统，至少应具有计算、存储、输入、输出、对话等五个方面的基本功能。

计算功能：实现设计过程中所需的计算、变换、分析等。如：图元生成、坐标变换。

存储功能：存放(形体的)几何数据、形体间的关系，并可对数据实时检索、维护。

输入功能：输入形体的几何参数及各种命令。

输出功能：可显示过程中的状态，修改后的结果，并可硬拷贝及输出。

对话功能：通过图形显示器及相应人-机交互设备直接进

浅谈计算机图形学与图形图像处理技术

［摘要］通过介绍计算机图形学的研究内容、发展历史、图形系统的组成和功能、应用领域以及真实感图形的实现技术，对图形学的基本内容进行概括，从而更好地掌握计算机图形学与图形图像处理技术。

［关键词］计算机；图形学；图形图像；处理技术

［中图分类号］TP911.73［文献标识码］A

［作者简介］陈敏雅（1983

行人—机通信。用户通过显示器观察设计结果和图形，通过选择拾取设备，对不满意部分作修改。系统还可追溯以前的工作步骤，对用户操作执行的错误给予必要的提示和跟踪。

以上五种功能是一个图形系统所具备的最基本功能，至于每种功能中有哪些能力，则因不同系统而异。

二、计算机图形学的发展与应用

（一）计算机图形学的发展

计算机图形学的研究起源于美国麻省理工学院(MIT ，

Massachusettes Institute of Technology )，20世纪50年代初到60年代中期，麻省理工学院积极从事计算机辅助设计和制造技术研究。它证明了交互式计算机图形学是一个可行的、有用的研究领域，从而确立了计算机图形学作为一个崭新的学科分支的独立地位。

1964年，孔斯(S.Coons )提出了用小块曲面片组合表示自由曲面，使曲面片边界上达到任意高阶连续的理论方法，称孔斯曲面。此方法受到工业界和学术界极大重视。法国雷诺公司贝赛尔（P .Bezier ）也提出了Bezier 曲线和曲面，并将其用于几何外形设计，同时开发了用于汽车外观设计的UNISURF 系统。他们被称为计算机辅助几何设计的奠基人。1964年，IBM 公司推出了第一台交互式光笔输入显示器设计方案，后经改进，成为IBM 2250显示器，如图1所示。它

预示着交互式计算机图形学的诞生。

图1

世界上第一台光笔交互式图形显示器IBM2250

洛克希德飞机公司利用IBM 2250开发了CAD 绘图加工系统（如图2所示），1974年起向外转让，成为目前应用最

广的CAD ／CAM

软件。

图21959年IBM 开发的用于汽车发动机设计的CAD 系统DAC-1

计算机图形学的理论和技术在不断发展，应用前景也将更令人瞩目，但也有许多问题还有待于解决。

（二）计算机图形学的应用领域1.计算机辅助设计与制造（CAD/CAM ）

CAD 和CAM 是计算机图形学在现代工业界应用最为广泛和流行的工具。计算机图形学被广泛应用于建筑设计、室内施工图设计、机械产品设计。包括飞机、动车、汽车、船舶的

外形设计和发电厂、模具厂等的功能布局。在电子工业设计中，计算机图形学应用到大规模集成电路、印刷电路板、电子线路和网络分析等方面发挥的优势十分明显。

CAD 是基于工程图纸的三维形体建模。三维形体建模就是从二维信息中提取三维信息，通过对这些信息进行分类、综合等一系列处理，在三维空间中重新构造出二维信息所对应的三维形体，恢复形体的点、线、面及其拓扑关系，从而实现形体的重建。

2.计算机图形化的用户接口

一个好的图形化用户界面能大大提高软件的易用性，随着Apple 公司图形界面操作系统的推出，特别是微软windows 应用操作系统的普及，标志着图形学已经融入到计算机的各个领域。

3.地形地貌和自然资源图

国土基础信息是国家经济系统的重要组成部分。利用这些存储的信息可绘制平面图、生成三维地形地貌图，为高层次的国土整治进行预测和提供决策，为综合治理和资源利用开发研究提供科学依据，在军事方面也体现着重要价值。

4.计算机动画和艺术设计

用于艺术创意和设计的软件很多，如二维平面的应用程序CorelDraw ，photoshop ，paintshop,三维动画建模和渲染软件3D MAX ，Maya 等。在现代各行各业中应用广泛，发挥着重要作用。

三、图形与图像的区别与联系

1.数据来源不同：图像数据来自客观世界；图形数据来自主观世界。

2.处理方法不同：图像处理方法包括几何修正、图像变换、

图像增强、图像分割、图像理解、图像识别等；图形处理方法包括几何变换、开窗和裁剪、隐藏线和隐藏面消除、曲线和曲面拟合、明暗处理、纹理产生等。

3.理论基础不同：图像处理主要用到数字信号处理、概率与统计、模糊数学等理论；计算机图形学主要用到仿射与透视变换、样条几何、计算几何、分形等理论。

4.用途不同：图像处理主要用于遥感、医学、工业、航天航空、军事等。计算机图形学主要用于CAD/CAM/CAE/CAI 计算机艺术、计算机模拟、计算机动画等。

在实际应用中，图形、图像技术又是相互关联的。把图形、图像处理技术相结合，可以使视觉效果和质量更加完善，更加精美。

随着图形图像技术的发展，两者之间相互交叉、相互渗透，其界线也越来越模糊，计算机图形与图像处理之间的联系与转换如图3

所示。

图3

图形与图像处理之间的联系与转换

（下转第146页）

京副教授换偶案、长江大学学生救人事件等，最近发生且极具教育意义；而马加爵案、硫酸泼熊案等发生在大学生身上的案件也比较合适，但因发生的时间有些久远似乎不提也罢，毕竟有损大学生的形象。许霆案针对的是用自己的银行卡在自动取款机上取钱而构成犯罪，清洁女工捡黄金案针对的是“捡”东西而构成犯罪。虽然两个案件同样都构成犯罪，似乎与“基础”课内容并不相符，但此时我们是举重以言轻，因为两个案例都涉及到法律与道德的双重问题。用自己的卡取钱本身并无问题，但在明知自动取款机存在故障的情况下还反复取钱的行为，涉及到犯罪，同时也涉及到即使我们不知道该种行为可能构成犯罪，但我们应不应该那样做，这涉及到道德问题。道德和法律正是“基础”课的两大主线，学生明白了这学期要讲什么。而该门课的重要性和趣味性通过这两个案例的讲解也是显而易见的。实质上，这主要体现出了知识魅力。再如“基础课”的第三章，我们在教学中放映了2010年春我国西南五省旱情的的图片、文字和视频，这显然是为世界观、人生观和价值观作铺垫，而不是仅仅是为了关注旱情而设。当学生看了图片、视频而发出“哎哟”的惊叹之时，我们适时提出问题，“旱灾是由什么原因引起的？”“我们能战胜干旱吗？”实际上是要引出“人类能战胜自然吗”（世界观）但我们并没有直接问。接着的问题是“我们从哪儿来，要到哪儿去”？“从来到去这一短暂的瞬间，我们要做点什么”（人生观、价值观）？一下子将学生的积极性、主动性、创造性及辩证的思维等都调动起来，而使该章的课堂变得有趣了，教学效果很好。

当然，任何教学方法都不是孤立的，综合运用方可相得益彰，方显教学艺术之美。

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图形学的逆过程是分析识别输入的图像并从中提取二维或三维的数据模型（特征）。例如手写体识别、机器视觉。

模型变换是采用计算机辅助几何设计CAGD(Computer Aided Geometric Design)技术，CAGD技术适用于几何形体在计算机中的表示，分析、研究如何灵活方便地创建几何形体的数学模型，提高算法效率，研究曲线、曲面的表示、生成、拼接、数据拟合，怎样在计算机内更好地存储和管理模型等。

四、真实感图形技术

计算机真实感图形是一种光栅图形。光栅图形显示器的屏幕由一系列显示单元组成，每个显示单元称为一个像素。在生成一幅真实感图形时，必须逐个像素地计算画面上相应景物表面区域的颜色。在计算可见景物表面区域颜色时，不但要考虑光源对该区域入射光的光亮度，而且还要考虑该表面区域对光源的方向，表面材料和反射性质等。这种计算必

须基于一定的光学物理模型，称为光照明模型。基于场景几何和光照模型生成一幅真实感图形的过程称为绘制。由于光栅图形屏幕通常包含百万计像素，因此，如何利用景物的空间连贯性和图像空间连贯性，提高绘制算法效率是真实感图形技术研究的重点。

真实感图形是一种计算机图形生成技术，它首先在计算机中构造出所需场景的几何模型，然后根据假定的光照条件，计算画面上可见的各景物表面的光亮度，使观者产生身临其境，如见其物的视觉效果。随着计算机图形学和计算机本身的发展，真实感图形学在我们日常的工作、学习和生活中已经得到非常广泛的应用。

参考文献：

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2006.（上接第139页）