圖形系統(tǒng)和型.doc

《圖形系統(tǒng)和型.doc》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。

1、第1章圖形系統(tǒng)和模型計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)已經(jīng)越來越成為人們生活中的主導(dǎo)力量。電影制作、出版發(fā)行、銀行和教育等活動已經(jīng)并將繼續(xù)對我們的日常生活帶來革命性的變化。計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和復(fù)雜的人眼視覺系統(tǒng)三者相互結(jié)合并通過計(jì)算機(jī)圖形學(xué)為我們提供了顯示信息的一種全新方法，利用這種方法我們可以觀看虛擬世界、與他人和機(jī)器進(jìn)行交流。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)涉及計(jì)算機(jī)圖形或圖像生成過程的各個(gè)方面。該領(lǐng)域在四十多年前剛出現(xiàn)時(shí)顯得非常微不足道，那時(shí)只能用陰級射線管（CRT）顯示有限的幾條直線?，F(xiàn)在我們用計(jì)算機(jī)生成的圖像與真實(shí)照片幾乎沒有區(qū)別

2、?，F(xiàn)在利用仿真飛機(jī)訓(xùn)練飛行員已不鮮見，這種仿真飛機(jī)就是在一個(gè)虛擬環(huán)境里實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖形顯示。完全由計(jì)算機(jī)生成的正片長度的動畫電影已經(jīng)受到好評并且在商業(yè)上獲得成功。本章首先簡要介紹計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用，然后概述圖形系統(tǒng)和圖像處理過程。本書自始至終強(qiáng)調(diào)利用計(jì)算機(jī)繪制圖形與手工繪畫和攝影等方法的圖像形成過程之間存在相似性。我們將看到這種相似性有助于設(shè)計(jì)應(yīng)用程序、圖形庫軟件包和計(jì)算機(jī)圖形體系。在本書中，我們介紹一個(gè)具體的圖形軟件系統(tǒng)——OpenGL。OpenGL已經(jīng)成為開發(fā)圖形應(yīng)用程序的一個(gè)普遍認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)。幸運(yùn)

3、的是，OpenGL容易掌握，它具有其他流行圖形系統(tǒng)的絕大多數(shù)特性。我們采用自頂向下的方法，希望讀者盡可能早地開始編寫有圖形輸出的應(yīng)用程序。當(dāng)讀者能編寫一些簡單的程序之后，我們將討論底層的圖形庫設(shè)計(jì)和硬件的實(shí)現(xiàn)過程。本章中我們將盡可能詳盡地介紹圖形學(xué)和OpenGL，目的是讓讀者就從這里開始編寫圖形程序。1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用來自圖形用戶的需求以及軟件和硬件的升級進(jìn)步，是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展的兩大推力。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域多樣、范圍廣泛。盡管如此，我們?nèi)钥梢詫⑵浯笾聞澐譃?個(gè)主要領(lǐng)域：（1）信息顯示。

4、（2）設(shè)計(jì)。（3）仿真與動畫。（4）用戶界面。盡管計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的許多應(yīng)用橫跨兩個(gè)或多個(gè)領(lǐng)域，但該學(xué)科的發(fā)展還是基于上述4個(gè)領(lǐng)域各自獨(dú)立的工作。1.1.1信息顯示傳統(tǒng)的圖形技術(shù)是作為在人們之間傳遞信息的媒介而出現(xiàn)的。雖然口語與書面語言也是服務(wù)于類似的目的，但人類視覺系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理與模式識別方面的作用是無可替代的。早在四千多年前，巴比倫人就開始在石板上繪制建筑物的樓層規(guī)劃圖。二千多年前，古希臘人已經(jīng)能夠以圖形來表達(dá)建筑構(gòu)想，而相關(guān)的數(shù)學(xué)知識直到文藝復(fù)興時(shí)期才被發(fā)展起來。今天，建筑師、機(jī)械設(shè)計(jì)師和繪圖員

5、則使用基于計(jì)算機(jī)的繪圖系統(tǒng)來生成同類信息。幾個(gè)世紀(jì)以來，地圖制作者繪制了大量的反映天體與地理信息的地圖，這些地圖對航海者探索地球的各個(gè)角落發(fā)揮了異常重要的作用。今天，在諸如地理信息系統(tǒng)等領(lǐng)域中，地圖仍然發(fā)揮著重要作用?，F(xiàn)在，通過Internet可以實(shí)時(shí)地繪制與處理地圖。一百多年來，統(tǒng)計(jì)人員已經(jīng)探索出能幫助觀察者決定數(shù)據(jù)所含信息的圖表繪制技術(shù)?，F(xiàn)在，計(jì)算機(jī)圖表繪制軟件包為我們提供了各種圖表繪制技術(shù)和色彩工具。利用這些技術(shù)和工具，我們可以處理多個(gè)大型數(shù)據(jù)集。盡管如此，要理解數(shù)據(jù)集所含的信息，還得依靠人

6、眼識別可視化模式的能力。醫(yī)學(xué)也向計(jì)算機(jī)圖形學(xué)提出了一些有趣且重要的數(shù)據(jù)分析問題。諸如計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)（CT）、核磁共振（MRI）、超聲波以及正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層成像（PET）等圖像處理新技術(shù)，生成的三維數(shù)據(jù)只有經(jīng)過圖形學(xué)算法處理后才能得到有用的信息。彩圖20是一幅人的頭像，在該圖像中皮膚是透明的而肌肉是不透明的。盡管醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)能收集到大量數(shù)據(jù)，但只有經(jīng)過計(jì)算機(jī)圖形學(xué)處理后才能得到表明其構(gòu)造的圖像。超級計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)讓許多領(lǐng)域中的研究者解決了以往看起來似乎不能解決的問題?？梢暬夹g(shù)為研究人員理解

7、各自領(lǐng)域里產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)提供了圖形工具。諸如流體力學(xué)、分子生物學(xué)和數(shù)學(xué)等領(lǐng)域產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)經(jīng)圖形學(xué)處理后得到的幾何實(shí)體可以讓研究人員深入了解其復(fù)雜過程。彩圖19顯示出地幔的流體動力學(xué)特性，該系統(tǒng)利用數(shù)學(xué)模型獲得數(shù)據(jù)并利用各種可視化技術(shù)進(jìn)行圖像顯示，有關(guān)這些內(nèi)容將在第8、9和12章進(jìn)行討論。1.1.2設(shè)計(jì)諸如工程和建筑等領(lǐng)域的專業(yè)人員更關(guān)心設(shè)計(jì)問題。工程師和建筑師從一系列設(shè)計(jì)要求出發(fā)，尋求一種符合設(shè)計(jì)要求的既省錢又美觀的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)是一個(gè)迭代過程。在真實(shí)世界里很少有這樣的問題，根據(jù)其設(shè)計(jì)說明只存在

8、一個(gè)獨(dú)一無二的最優(yōu)解。一般情況下，設(shè)計(jì)問題要么是約束條件過多，不可能存在最優(yōu)解方案；要么是約束條件不足，存在多個(gè)可能方案。因而設(shè)計(jì)師以迭代的方式工作，首先提出最初的解決方案，然后進(jìn)行測試，再根據(jù)測試結(jié)果尋找更好的設(shè)計(jì)方案。早在40年前，伊凡·蘇澤蘭就認(rèn)識到：人與CRT屏幕上顯示的圖像進(jìn)行互動，這一模式具有強(qiáng)大作用。今天在建筑、機(jī)械和大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)（VLSI）等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）領(lǐng)域里，應(yīng)用交互式圖形工具隨處可見。圖形學(xué)在這些不同的領(lǐng)域里有各自不同的應(yīng)用方式，例如在VLSI