人工電離介質

[拼音]：jisuanji tuxingxue

[英文]：computer graphics

用計算機對資料（圖形物件的形式表示）和圖形顯示（圖形物件的視見表示）進行相互轉換的方法和技術。資訊的圖形表示是人們便於理解和接受的最自然的形式。計算機圖形學就是研究圖形的輸入、模型(圖形物件)的構造和表示、圖形資料庫管理、圖形資料通訊、圖形的操作、圖形資料的分析，以及如何以圖形資訊為媒介實現人機互動作用的方法、技術和應用的一門學科。它包括圖形系統硬體(圖形輸入-輸出裝置、圖形工作站)、圖形軟體、演算法和應用等幾個方面。

圖形的輸出和輸入

計算機圖形學處理的圖形物件是用於圖形輸入的照相影象或藉助計算機生成的由字元、專用符號、線段或具有灰度調節的區域所組成的圖形。它們可以是單色的，也可以是具有灰度調節的彩色圖形。這些由人工產生的輸出圖形，按照所使用的繪圖裝置的型別分為兩類。一類是筆跡式圖形，也稱座標圖形或向量圖形，它們是由一組顯示命令和座標資料產生的。這類圖形在繪圖裝置，例如向量顯示裝置上輸出時，首先將決定該圖形的資料轉換成用顯示處理器能處理的顯示指令表（由點指令、定位指令、向量指令、字元指令和控制指令組成），然後，由顯示處理器執行這些指令並通過數模轉換，將數字資訊轉換成控制電子束位移的模擬量，再加上亮度或顏色控制，在顯示屏上產生圖形。對於重新整理式的顯示裝置，為使觀察者得到穩定的顯示圖形，還必須將圖形顯示資訊存放在顯示檔案中，以每秒30～60幀的速率重複生成圖形。另一類是光柵圖形，它們由按行列排列的像元陣列組成。每個像元可獨立地賦予顏色或灰度值。當要輸出這類圖形時，先將這些資訊存於像元儲存器或幀緩衝儲存器中，由類似電視監控器的裝置控制部件，以行掃描方式產生所需的圖形。對重新整理式光柵顯示裝置，則要求以每秒25～60幀的速率重複生成圖形。

圖形輸出裝置分為被動式和互動式兩類。

（1）被動式輸出裝置：能產生輸出圖形的硬拷貝的繪圖裝置，如平面式繪圖機、滾筒式繪圖機、針式印表機、靜電繪圖機等。附有照相或其他產生硬拷貝技術的互動式顯示裝置也可用作被動式輸出裝置。

（2）互動式輸出裝置：能以滿足使用者對話要求的速率產生顯示圖形。圖1～3是儲存管顯示、重新整理式向量顯示和光柵顯示的簡單的工作方式。

圖形輸入裝置也分為被動式和互動式兩種。

（1）被動式輸入裝置：如輸入照相影象的掃描器（將影象的灰度級或顏色轉換成計算機能處理的資料）和輸入筆跡圖形的數字形成儀等。

（2）互動式輸入裝置：常用的有操縱桿鼠形定標器、軌跡球、圖形輸入板、數字形成儀、光筆、字元鍵盤和程式功能鍵盤等。

演算法

計算機圖形學中演算法的研究是與圖形硬體、圖形軟體的發展相併行的。早期的演算法主要是解決如何利用繪圖裝置所具有的繪圖能力來繪製圖形和將應用程式的圖形要求轉換成繪圖硬體可識別的命令的過程中所涉及的演算法。例如，用一組離散點表示直線段演算法，這是為適應只能顯示點的顯示器上輸出直線而最先建立的演算法。其他還有用點或直線段繪製圓、其他二次曲線、三次曲線，過離散點的光滑曲線等各種演算法，以及為獲得清晰、真實感強的線圖而建立的各種隱藏線消除演算法。對這些演算法的要求主要有兩個方面:一是逼真程度;一是所花費的計算量，包括時間、儲存空間和計算複雜性等。

還有一些演算法是為各種圖形應用的需要而建立的，例如，在汽車、飛機設計等方面常要建立複雜的三維曲面，這些曲面應儘可能光滑，為適應這些要求，已研究出一些用於光滑曲線和曲面描述和處理的演算法、曲面造型演算法。此外，三維幾何模型的描述和處理的演算法有立體模型構造。立體模型構造主要有兩種方法：一種是構造性立體幾何(CSG)，立體圖形用基本立體構件的布林組合描述；一種是邊界表示方法，立體圖形由一組曲面聚合而成，曲面由它們的邊界和頂點表示，或由曲面方程表示。

光柵裝置的廣泛使用和提高生成立體圖形真實感的需要，促使人們研究和建立新的演算法，如處理向量資訊到光柵資訊轉換的演算法，各種克服階梯效應的演算法，各種隱藏面消除演算法，灰度調節型曲面生成演算法和有關顏色規格說明處理的演算法等。

應用

計算機圖形學的應用範圍相當廣泛，從靜態繪圖到動態運動，從過程監督控制到實時互動作用。按照人-機互動作用的程度，圖形應用可分為四個方面。

（1）面向批處理的圖形應用：從外部檔案或程式等資訊源獲取資料，以圖形的形式輸出處理結果。例如自動將科學計算的結果以圖形形式輸出，繪製地圖、地貌立體圖、等高線圖、石油和採礦勘探圖、天氣圖，以及圖形資料檔案的生成和輸出等。

（2）互動作用繪圖：顯示控制檯僅用於瀏覽計算過程的輸出，除按照操作員的命令實時顯示連續的幀面和簡單地選擇專案單，以指導瀏覽或進一步計算外，只要求少量的互動作用。在這些應用中，計算型的處理佔主要地位，繪製圖形是第二位的。例如，在飛行訓練中計算機圖形的作用是實時地向駕駛員提供模擬飛行中從駕駛倉視窗所見景物的影象。高質量的模擬要求生成彩色的、具有灰度調節的影象。計算機圖形能幫助管理人員很快地分析資料，有效地進行資訊通訊和實時做出決策，從而提高經濟效益。

（3）互動式製圖設計：操作員使用各種互動繪圖裝置和程式設計技巧聯機構造各種詳圖，繪製的圖形一般是有結構的（如層次結構或網路結構）。圖形或圖形的部分可獨立地操作和變換（平移、旋轉、變比、透視變換、插入、刪除，連線裝配等）。例如圖形編輯在藝術和娛樂方面可利用計算機圖形技術製作動畫片甚至製作具有規定長度的正片。在科學應用中，計算機生成動畫為研究人員觀察天文、化學、物理、機械方面的動態模擬提供形象的工具。

（4）互動設計系統：應用程式除佈局設計外，還涉及對圖形及其組成部分的分析和計算等。還要求有圖形資料庫或資料結構，還需要有應用資料庫。這個資料庫自然也應是互動作用的，使用者可編輯可取用的。大部分計算機輔助設計、計算機輔助製造的應用都屬於這一類。在航空、航天、機械、建築、印製板設計，大規模積體電路設計，以及生物、醫療等許多方面都已採用計算機圖形學技術。

參考書目

W. M. NewmanandR. F. Sproull，Principles of InteractiveComputer Graphics， 2nd ed.， McGraw-Hill，New York，1979.