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1.5 图形输入的基本单元 和设备
1.5.1 逻辑上的输入图形基元类型
每种设备传送特定类型的数据（如数字，字符串或坐标位 置）给程序。不同类型的数据被称为输入的基本单元。重要 的逻辑输入基本单元包括：字符串，赋值，定位，选取。
1.5.2 物理输入设备的类型
包括键盘，按钮，鼠标，写字板，操纵杆和跟踪球，数据手套， 三维物体的数字化和运动捕获。
–科学计算可视化广泛应用于地质、医学、流体力学、有限元分析、气象分析 当中
•CT照片
对多个连续的CT照片，组成立体图像，从中提取几何数据
器官轮廓显示
动物骨骼表面
X射线扫描
•
数据集可视化
•
流体可视
1.3 计算机图形学中制作图 像的基本元素
内容包括：

图元


OpenGL绘制简介
图元属性
计算机绘制的图像是由图元组成，包括： 点，线，折线，文本，填充区域，光栅图像。
3 三维建模和渲染软件包（如3DMAX，Maya）、以及 一些专门生成动画的软件（如Alias，Softimage）
•计算机艺术例子
•
娱乐与计算机动画
–主要用于制作动画、音乐录像片、电视片 –计算机动画近十多年来取得了很大的发展，已渗透到人们生活的各个角落 •商业广告、影视特技/片头、动画片、教育、军事、飞行模拟等 –分类 二维动画 –图象变形 –形状混合 三维动画 –关键帧动画 –变形物体的动画 –过程动画 –关节动画与人体动画
彩色图像的每个像素都有一个彩色值，即一组代表颜色的数组。最常用的一种是将色 彩描述为红绿蓝三色光的混合。在这种方式下，每个像素是一个三元组。用来表示 每个像素色彩的比特数称 为它的色彩深度。红绿蓝被称为三原色，（红，绿，蓝） 三元组的每个值都有一个特定的比特数，色彩深度是这些值的和。三元组的色彩深 度允许每个元素一位。许多图像都有每元素24位的色彩深度，这样每个像素有2的 24次方种色彩，这种图像被认为是真彩色图像。如每个像素一个字节即8位，一个
填充图元是指填充时的颜色或图案。填充区域的边界经常是一个 多边形。填充多边形的语句类似于：fillPolygon(poly, pattern); 其中poly保存多边形的数据，变量pattern是填充图案的描述。
1.3.4 光栅图像
光栅图像是由许多非常小的不同灰度的单元组成，每个单元被 称为像素，光栅图像以数值数值的形式存储在计算机中。这个 数组可以看成是矩形的，由某些行和列组成，每个数值代表存 储的像素值。这个数组整体被称为像素图，或称为位图。下图 为左上方6*8部分像素图的值。
1.3.5 光栅图像的灰度和色彩表示 灰度光栅图像
如果一个光栅图像只有两种像素（如 0和1），就称为二值图。1代表黑色，0
表白色，也可以反过来。一个二值图被称为每像素1位的图像。当灰度 的像
素具有两个以上的数值时，每个像素就需要大于一位的存储量。灰度图常 常按照它们的像素深度来划分，它需要的数目代表它们的灰度等级。n位的
1.3.2 文本
一些图形设备有两种显示模式，文本模式和图形模式。 --文本模式用于字符的简单输入/输出，用来控制操作系统或者 编写代码。这种方式显示的文本采用嵌入式的字符发生器。 --图形模式提供了更丰富的字符形状，字符能够被随意放置。
文本属性：字体，字符和字符串的倾斜度。（下右图点阵模式）
1.3.3 填充区域
教材和参考书

采用的教材：《计算机图形学（OpenGL版）》，清
华大学出版社，第三版，Francis S Hill.Jr ,Stephen M
Kelly著， 胡事民，刘利刚 等译

参考书：交互式计算机图形学--基于OpenGL的自顶 向下方法（第五版），Edward Angel著，张荣华，姜 小磊等译
1280乘以1024像素的高质量图像需要超过1百万的字节（1MB）。
1.4 图形显示设备
1.4.1 线画显示 1.4.2 光栅显示器
即视频显示器。光栅显示器总是与帧缓存区联系在一起。 帧缓存区是存储器中一块足够容纳要显示图片的区域。帧缓 存区可以是显示器自带的物理存储，或者在主机中。使用 光栅显示器的计算机流程图见上图。图形软件存储在系统内 存，通过CPU的指令执行。程序计算出每个像素的数值并把 它装载到帧缓存区中；扫描控制器负责真正的显示处理过程， 它自动运行，一个像素一个像素地重复同样的工作。它引发 帧缓存区通过转换器将每个像素送到显示平面来显示平面合 适的物理位置。转换器接收像素值（如01001011），然后把 它转化为相应的色彩值，并在显示器上生成一个彩色点。
•教学与培训
• 科学计算可视化(ScientificVisualization)
–“科学家们不仅需要分析由计算机得出的计算数据，而且需要了解在计算过 程中数据的变化”
–海量的数据使得人们对数据的分析和处理变得越来越难，用图形来表示数据 的迫切性与日俱增
–1986年，美国科学基金会（NSF）专门召开了一次研讨会，会上提出了“科 学计算可视化（Visualization in Scientific Computing）”
1.3.5 光栅图像的灰度和色彩表示 灰度光栅图像
如果一个光栅图像只有两种像素（如 0和1），就称为二值图。1代表黑色，0
表白色，也可以反过来。一个二值图被称为每像素1位的图像。当灰度 的像
素具有两个以上的数值时，每个像素就需要大于一位的存储量。灰度图常 常按照它们的像素深度来划分，它需要的数目代表它们的灰度等级。n位的
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教学要求

了解图形系统的框架及其涉及的软件、硬件技术； 了解图形学的基本问题，掌握图形学的基本概念、 方法与算法； 对与图形相关的应用及当前的研究领域有一个初步 认识；
具有一定实践体会和相关的编程能力。培养使用vc 和OpenGL绘制图形的能力。
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1.4.2 光栅显示器
视频显示器
1.4.3 视频卡/3D加速器 这种硬件能够快速响应，满足数据从CPU到显示器的实时传输需要。
定义场景的几何数据必须经过大量的处理步骤。OpenGL简单指定了这些步骤
的属性和它们出现的次序，这些步骤通常称为图形管线。 可编程的硬件 可编程性允许开发者指定他们 想要的GPU通过编辑管道中加载数据的算法。 开发者可以精加工自己的顶点和像素绘制程序（或着色器）增强实用等级。 Cg是着色语言。
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1.3.1 折线 折线是由一系列的直线段相互连接而成。
drawDot(x1, y1);
一条直线段由两个端点定义：(x1, y1) 和 (x2, y2). 画一条直线段程序类似于drawLine(x1, y1, x2, y2); 画一个点的程序类似于drawDot(x1, y1); 折线可用顶点列表定义，(x0, y0), (x1, y1), (x2, 2), ...., (xn, yn) ，画折线程序类似于：drawPolyline( poly)， 其中poly为顶点列表。

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1.2 计算机图形学的应用

计算机游戏，虚拟现实技术VR，虚拟增强技术AR
•图和表 –主要用来形成报告、插图
–应用于财政、统计、数学、科学和经济数据
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•计算机辅助设计（CAD-Computer Aid Design）
--机械、建筑、电子线路等图形设计
--建筑、机械等二维制图和三维实体造型
•动画中经常利用关键帧技术。关键帧技术是加拿大NRC 研究机构的Burthyk 和Wein 在1971年提出的
•所谓“帧”在动画中是指显示的一幅画面。“关 键帧”技术的处理过程是：先选取关键帧并确 定关键点和关键点的变化路径，然后计算机自 动插值，沿此变化路径求出中间画面上关键点 的位置，再利用关键点的新位置生成中间画面。
•计算机辅助设计（CAD-Computer Aid Design）
--标准二/三维制图
•多窗口建模环境 AutoCAD
3DMAX
零件装配图ຫໍສະໝຸດ 采用渲染完成最终的产品模型
表面图和剖面图
三维装配图
•建筑平面设计图
建筑设计立体图渲染图
•计算机艺术
–主要用于美术和商业艺术中
–用计算机软件从事艺术创作
1 二维平面的画笔程序（如CorelDraw，Photoshop， PaintShop）、视频编辑软件（Premier） 2 图表绘制软件（如Visio）
1.3.2 文本
一些图形设备有两种显示模式，文本模式和图形模式。 --文本模式用于字符的简单输入/输出，用来控制操作系统或者 编写代码。这种方式显示的文本采用嵌入式的字符发生器。 --图形模式提供了更丰富的字符形状，字符能够被随意放置。
文本属性：字体，字符和字符串的倾斜度。（下右图点阵模式）
1.3.1 折线 折线是由一系列的直线段相互连接而成。
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本章内容
什么是计算机图形学 计算机图形学的应用 计算机生成图像的方法 常用的图形显示设备 交互设备

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1.1 什么是计算机图形学
计算机图形是计算机产生的图像 IEEE(美国电气与电子工程（IEEE）) 定义：Computer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer.
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作业
当一种显示器有600*800像素的分辨 率，每个像素能显示65000种颜色， 刷新率是每秒60次时，每秒钟有多少 比特传送给显示设备？ 计算机绘制的图像是由什么组成的？ 一种有效的分类是什么？