计算机图形学简介

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2024年1月5日发(作者：)

计算机图形学简介

计算机图形学简介

1. 计算机图形学的研究内容：

计算机图形学的主要核心技术是如何建立所处理对象的模型并生成该对象的图形。

研究内容：

（1）几何模型构造技术

（2）图形生成技术

（3）图形操作与处理方法

（4）图形信息的存贮、检索与交换技术

（5）人机交互及用户的接口技术

（6）动画技术

（7）图形输出设备与输出技术

（8）图形标准与图形软件包的研究开发

2. 计算机图形学的应用领域：

1. 计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）

2．计算机辅助教学（CAI）

3. 计算机动画

4. 管理和办公自动化

5．国土信息和自然资源显示与绘制

6．科学计算可视化

3. 图形系统的组成：

计算机图形系统由计算机硬件系统和软件系统两部分组成。严格说来，使用系统的人也是这个系统的组成部分。

4. 位图和矢量图

4.1. 位图

位图是由像素点组成的。 这些点可以进行不同的排列和染色以构成图样。当放大位图时，可以看见赖以构成整个图像的无数单个方块。扩大位图尺寸的效果是增多单个像素，从而使线条和形状显得参差不齐。然而，如果从稍远的位置观看它，位图图像的颜色和形状又显得是连续的。由于每一个像素都是单独染色的，您可以通过以每次一个像素的频率操作选择区域而产生近似相片的逼真效果，诸如加深阴影和加重颜色。缩小位图尺寸也会使原图变形，因为此举是通过减少像素来使整个图像变小的。同样，由于位图图像是以排列的像素集合体形式创建的，所以不能单独操作（如移动）局部位图。

例如位图中一个圆，放大来看就是这样：

放大四倍可以清楚看到一个个像素点。由此，我们也可以看到位图的一个缺点。位图放大了会出现马赛克现象。倍数越大，马赛克越明显。

4.2. 矢量图

矢量图却相反，矢量图可以任意放大缩小，而又不会影像图像的质量。因为矢量图的保存和修改并不是以像素点为基础的，而是以数学绘图命令为基础。

同样是一个圆，矢量图可能是用这样的命令表示：

CIRCLE x，y ，半径，边线颜色，填充颜色。

（其中x，y是原点的坐标。）

要改变圆的位置，只要x，y变化就可以了；放大或者缩小圆形，则改变半径的数值。数值改变后，电脑根据新的数值重新绘画一次这个圆。

当然，在实际的运用中并不是这样的命令，这只是举个例子。而绘图者也不需要理会这些命令，因为都由矢量绘图软件代劳了。

绘图者所要做的只是用鼠标拖拖拉拉。两点成一直线，三点合成三角形，四点成矩形或菱形………… 一直到变化无穷的贝赛尔曲线。无论简单还是复杂的矢量图形，都是由这些简单的几何图形对象构成。

4.3. 矢量图与位图的比较

位图的质量取决于分辨率。一幅位图放大几倍后，就会明显地出现“马赛克”的现象。处理位图时，输出图像的质量决定于处理过程开始时设置的分辨率高低。分辨率是一个笼统的术语，它指一个图像文件中包含的细节和信息的大小，以及输入、输出、或显示设备能够产生的细节程度。操作位图时，分辨率既会影响最后输出的质量也会影响文件的大小。处理位图需要三思而后行，因为给图像选择的分辨率通常在整个过程中都伴随着文件。无论是在一个300

dpi的打印机还是在一个2570dpi的照排设备上印刷位图文件，文件总是以创建图像时所设的分辨率大小印刷，除非打印机的分辨率低于图像的分辨率。如果希望最终输出看起来和屏幕上显示的一样，那么在开始工作前，就需要了解图像的分辨率和不同设备分辨率之间的关系。

矢量图与分辨率无关，可以这么理解，不管矢量图放多大，都不影响它的质量和效果。矢量图的放大，只是参数的改变，电脑就会根据现有的分辨率重新计算出新的图像。

矢量图可以十分灵活地进行编辑，矢量图的基本元素是对象，每个对象都是自成一体的实体，某个对象的改变不会影响到没有关联的对象。

位图的编辑受到限制。位图是点（像素）的排列，局部移动了或者改变了就会影响到其他部分的点。

5. 图形文件格式

5.1. BMP格式

BMP是英文Bitmap（位图）的简写，它是Windows操作系统中的标准图像文件格式，能够被多种Windows应用程序所支持。随着Windows操作系统的流行与丰富的Windows应用程序的开发，BMP位图格式理所当然地被广泛应用。这种格式的特点是包含的图像信息较丰富，几乎不进行压缩，但由此导致了它与生俱生来的缺点--占用磁盘空间过大。所以，目前BMP在单机上比较流行。

5.2. GIF格式

GIF是英文Graphics Interchange Format（图形交换格式）的缩写。顾名思义，这种格式是用来交换图片的。事实上也是如此，上世纪80年代，美国一家著名的在线信息服务机构CompuServe针对当时网络传输带宽的限制，开发出了这种GIF图像格式。

GIF格式的特点是压缩比高，磁盘空间占用较少，所以这种图像格式迅速得到了广泛的应用。 最初的GIF只是简单地用来存储单幅静止图像（称为GIF87a），后来随着技术发展，可以同时存储若干幅静止图象进而形成连续的动画，使之成为当时支持2D动画为数不多的格式之一（称为GIF89a），而在GIF89a图像中可指定透明区域，使图像具有非同一般的显示效果，这更使GIF风光十足。目前Internet上大量采用的彩色动画文件多为这种格式的文件，也称为GIF89a格式文件。

此外，考虑到网络传输中的实际情况，GIF图像格式还增加了渐显方式，也就是说，在图像传输过程中，用户可以先看到图像的大致轮廓，然后随着传输过程的继续而逐步看清图像中的细节部分，从而适应了用户的"从朦胧到清楚"的观赏心理。目前Internet上大量采用的彩色动画文件多为这种格式的文件。

但GIF有个小小的缺点，即不能存储超过256色的图像。尽管如此，这种格式仍在网络上大行其道应用，这和GIF图像文件短小、下载速度快、可用许多具有同样大小的图像文件组成动画等优势是分不开的。

5.3. JPEG格式

JPEG也是常见的一种图像格式，它由联合照片专家组（Joint Photographic

Experts Group）开发并已命名为"ISO 10918-1"，JPEG仅仅是一种俗称而已。JPEG文件的扩展名为.jpg或.jpeg，其压缩技术十分先进，它用有损压缩方式去除冗余的图像和彩色数据，在取得极高的压缩率的同时能展现十分丰富生动的图像，换句话说，就是可以用最少的磁盘空间得到较好的图像质量。

同时JPEG还是一种很灵活的格式，具有调节图像质量的功能，允许你用不同的压缩比例对这种文件压缩，比如我们最高可以把1.37MB的BMP位图文件压缩至20.3KB。当然我们完全可以在图像质量和文件尺寸之间找到平衡点。

由于JPEG优异的品质和杰出的表现，它的应用也非常广泛，特别是在网络和光盘读物上，肯定都能找到它的影子。目前各类浏览器均支持JPEG这种图像格式，因为JPEG格式的文件尺寸较小，下载速度快，使得Web页有可能以较短的下载时间提供大量美观的图像，JPEG同时也就顺理成章地成为网络上最受欢迎的图像格式。

5.4. JPEG2000格式

JPEG 2000同样是由JPEG 组织负责制定的，它有一个正式名称叫做"ISO

15444"，与JPEG相比，它具备更高压缩率以及更多新功能的新一代静态影像压缩技术。

JPEG2000 作为JPEG的升级版，其压缩率比JPEG高约30%左右。与JPEG不同的是，JPEG2000 同时支持有损和无损压缩，而 JPEG 只能支持有损压缩。无损压缩对保存一些重要图片是十分有用的。JPEG2000的一个极其重要的特征在于它能实现渐进传输，这一点与GIF的"渐显"有异曲同工之妙，即先传输图像的轮廓，然后逐步传输数据，不断提高图像质量，让图象由朦胧到清晰显示，而不必是像现在的 JPEG 一样，由上到下慢慢显示。

此外，JPEG2000还支持所谓的"感兴趣区域"特性，你可以任意指定影像上你感兴趣区域的压缩质量，还可以选择指定的部份先解压缩。 JPEG 2000 和

JPEG 相比优势明显，且向下兼容，因此取代传统的JPEG格式指日可待。

JPEG2000可应用于传统的JPEG市场，如扫描仪、数码相机等，亦可应用于新兴领域，如网路传输、无线通讯等等。

5.5. TIFF格式

TIFF（Tag Image File Format）是Mac中广泛使用的图像格式，它由Aldus和微软联合开发，最初是出于跨平台存储扫描图像的需要而设计的。它的特点是图像格式复杂、存贮信息多。正因为它存储的图像细微层次的信息非常多，图像的质量也得以提高，故而非常有利于原稿的复制。

该格式有压缩和非压缩二种形式，其中压缩可采用LZW无损压缩方案存储。不过，由于TIFF格式结构较为复杂，兼容性较差，因此有时你的软件可能不能正确识别TIFF文件（现在绝大部分软件都已解决了这个问题）。目前在Mac和PC机上移植TIFF文件也十分便捷，因而TIFF现在也是微机上使用最广泛的图像文件格式之一。

5.6. PSD格式

这是著名的Adobe公司的图像处理软件Photoshop的专用格式Photoshop

Document（PSD）。PSD其实是Photoshop进行平面设计的一张"草稿图"，它里面包含有各种图层、通道、遮罩等多种设计的样稿，以便于下次打开文件时可以修改上一次的设计。在Photoshop所支持的各种图像格式中，PSD的存取速度比其它格式快很多，功能也很强大。由于Photoshop越来越被广泛地应用，所以我们有理由相信，这种格式也会逐步流行起来。

5.7. PNG格式

PNG（Portable Network Graphics）是一种新兴的网络图像格式。在1994年底，由于Unysis公司宣布GIF拥有专利的压缩方法，要求开发GIF软件的作者须缴交一定费用，由此促使免费的PNG图像格式的诞生。PNG一开始便结合GIF及JPG两家之长，打算一举取代这两种格式。1996年10月1日由PNG向国际网络联盟提出并得到推荐认可标准，并且大部分绘图软件和浏览器开始支持

PNG图像浏览，从此PNG图像格式生机焕发。

PNG是目前保证最不失真的格式，它汲取了GIF和JPG二者的优点，存贮形式丰富，兼有GIF和JPG的色彩模式；它的另一个特点能把图像文件压缩到极限以利于网络传输，但又能保留所有与图像品质有关的信息，因为PNG是采用无损压缩方式来减少文件的大小，这一点与牺牲图像品质以换取高压缩率的JPG有所不同；它的第三个特点是显示速度很快，只需下载1/64的图像信息就可以显示出低分辨率的预览图像；第四，PNG同样支持透明图像的制作，透明图像在制作网页图像的时候很有用，我们可以把图象背景设为透明，用网页本身的颜色信息来代替设为透明的色彩，这样可让图像和网页背景很和谐地融合在一起。

PNG的缺点是不支持动画应用效果，如果在这方面能有所加强，简直就可以完全替代GIF和JPEG了。Macromedia公司的Fireworks软件的默认格式就是PNG。现在，越来越多的软件开始支持这一格式，而且在网络上也越来越流行。

5.8. SWF格式

利用Flash我们可以制作出一种后缀名为SWF（Shockwave Format）的动画，这种格式的动画图像能够用比较小的体积来表现丰富的多媒体形式。在图像的传输方面，不必等到文件全部下载才能观看，而是可以边下载边看，因此特别适合网络传输，特别是在传输速率不佳的情况下，也能取得较好的效果。事实也证明了这一点，SWF如今已被大量应用于WEB网页进行多媒体演示与交互性设计。此外，SWF动画是基于矢量技术制作的，因此不管将画面放大多少倍，画面不会因此而有任何损害。综上，SWF格式作品以其高清晰度的画质和小巧的体积，受到了越来越多网页设计者的青睐，也越来越成为网页动画和网页图片设计制作的主流，目前已成为网上动画的事实标准。

5.9. SVG格式

SVG可以算是目前最最火热的图像文件格式了，它的英文全称为Scalable

Vector Graphics，意思为可缩放的矢量图形。它是基于XML（Extensible Markup

Language），由World Wide Web Consortium（W3C）联盟进行开发的。严格来

说应该是一种开放标准的矢量图形语言，可让你设计激动人心的、高分辨率的Web图形页面。用户可以直接用代码来描绘图像，可以用任何文字处理工具打开SVG图像，通过改变部分代码来使图像具有互交功能，并可以随时插入到HTML中通过浏览器来观看。

它提供了目前网络流行格式GIF和JPEG无法具备的优势：可以任意放大图形显示，但绝不会以牺牲图像质量为代价；字在SVG图像中保留可编辑和可搜寻的状态；平均来讲，SVG文件比JPEG和GIF格式的文件要小很多，因而下载也很快。可以相信，SVG的开发将会为Web提供新的图像标准。

6. 其它非主流图像格式：

6.1. PCX格式

PCX格式是ZSOFT公司在开发图像处理软件Paintbrush时开发的一种格式，这是一种经过压缩的格式，占用磁盘空间较少。由于该格式出现的时间较长，并且具有压缩及全彩色的能力，所以现在仍比较流行。

6.2. DXF格式

DXF（Autodesk Drawing Exchange Format）是AutoCAD中的矢量文件格式，它以ASCII码方式存储文件，在表现图形的大小方面十分精确。许多软件都支持DXF格式的输入与输出。

6.3. WMF格式

WMF（Windows Metafile Format）是Windows中常见的一种图元文件格式，属于矢量文件格式。它具有文件短小、图案造型化的特点，整个图形常由各个独立的组成部分拼接而成，其图形往往较粗糙。

6.4. EMF格式

EMF（Enhanced Metafile）是微软公司为了弥补使用WMF的不足而开发的一种Windows 32位扩展图元文件格式，也属于矢量文件格式，其目的是欲使图

元文件更加容易接受

6.5. LIC（FLI/FLC）格式

Flic格式由Autodesk公司研制而成，FLIC是FLC和FLI的统称：FLI是最初的基于320×200分辨率的动画文件格式，而FLC则采用了更高效的数据压缩技术，所以具有比FLI更高的压缩比，其分辨率也有了不少提高。

6.6. EPS格式

EPS（Encapsulated PostScript）是PC机用户较少见的一种格式，而苹果Mac机的用户则用得较多。它是用PostScript语言描述的一种ASCII码文件格式，主要用于排版、打印等输出工作。

6.7. TGA格式

TGA（Tagged Graphics）文件是由美国Truevision公司为其显示卡开发的一种图像文件格式，已被国际上的图形、图像工业所接受。TGA的结构比较简单，属于一种图形、图像数据的通用格式，在多媒体领域有着很大影响，是计算机生成图像向电视转换的一种首选格式。

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