河北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形信息處理試題及復(fù)習(xí)題2013答案

1、計(jì)算機(jī)圖形信息處理復(fù)習(xí)題一、 簡述題1 什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)？試述計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的基本內(nèi)容及主要應(yīng)用領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究通過計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并在專用顯示設(shè)備上顯示的原理、方法和技術(shù)的學(xué)科。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)科學(xué)中一個(gè)比較年輕的分支學(xué)科，它的核心技術(shù)是如何建立所處理對象的模型并生成該對象的圖形。其主要的研究內(nèi)容大體上可以概括為如下幾個(gè)方面。（l）幾何模型構(gòu)造技術(shù)（Geometric Modelling）。如對各種不同類型幾何模型（二維、三維、分?jǐn)?shù)維（Fractsl Model）的構(gòu)造方法及性能分析，曲線與曲面的表示與處理，專用或通用模型構(gòu)造系統(tǒng)的研究等。（2）圖形生成技術(shù)（Imag

2、e Synthesis）。如線段、圓弧、字符、 區(qū)域填充的生成算法，以及線隱面消除、光照模型、濃淡處理（Shading）、紋理、陰影、灰度與色彩等各種逼真的圖形表示技術(shù)。( 3) 圖形的操作與處理方法（Picture Manipulation）。如圖形的開窗、裁剪、平移、旋轉(zhuǎn)、放大、縮小、投影等各種幾何變換操作的方法及其軟件或硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)。(4) 圖形信息的存儲(chǔ)、檢索與交換技術(shù)。如圖形信息的各種表示方法、組織形式、存取技術(shù)、圖形數(shù)據(jù)庫的管理、圖形信息通信等。(5) 人機(jī)交互及用戶接口技術(shù)。各種交互技術(shù)，如構(gòu)造技術(shù)、命令技術(shù)、選擇技術(shù)、響應(yīng)技術(shù)等的研究，以及用戶模型、命令語言、反饋方法、窗口系統(tǒng)

3、等用戶接口技術(shù)的研究。如新型定位設(shè)備、選擇設(shè)備的研究。（6）動(dòng)畫技術(shù)。研究實(shí)際高速動(dòng)畫的各種軟硬件方法、開發(fā)工具、動(dòng)畫語言等。 (7) 圖形輸出設(shè)備與輸出技術(shù)。例如各種圖形顯示器（圖形卡、圖形終端、圖形工作站等）邏輯結(jié)構(gòu)的研究，實(shí)現(xiàn)高級(jí)圖形功能的專用芯片（ASIC）的開發(fā)，圖形硬拷貝設(shè)備（特別是彩色硬拷貝設(shè)備）的研究等。（8）圖形標(biāo)準(zhǔn)與圖形軟件包的技術(shù)開發(fā)。如制定一系列國際圖形標(biāo)準(zhǔn)，以滿足多方面圖形應(yīng)用軟件開發(fā)工作的需要，并使圖形應(yīng)用軟件擺脫對硬設(shè)備的依賴，允許在不同系統(tǒng)之間方便地進(jìn)行移植。圖4 圖像處理、模式識(shí)別與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的關(guān)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域（1）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和計(jì)算機(jī)

4、輔助制造（CAM）（2）事務(wù)管理中的交互式繪圖（3）地理信息系統(tǒng)（4）辦公自動(dòng)化和電子出版技術(shù)（5）系統(tǒng)模擬（6）計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（CAI）（7）過程控制（8）計(jì)算機(jī)動(dòng)畫（9）計(jì)算機(jī)藝術(shù)2 試比較計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖像處理、模式識(shí)別的共同點(diǎn)和不同點(diǎn)。圖像處理（ Image Processing）、模式識(shí)別（ Pattern Recognition）和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)( Computer Graphics)是計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展的3個(gè)分支學(xué)科，它們之間有一定的關(guān)系和區(qū)別。由于這三者有共同的地方，因而易混淆。它們的共同之處就是計(jì)算機(jī)所處理的信息都是與圖有關(guān)的信息，但實(shí)際上它們本質(zhì)是不同的。這三者之間關(guān)系如圖4

5、所示。圖像處理是利用計(jì)算機(jī)對原來存在物體的映像進(jìn)行分析處理，然后再現(xiàn)圖像。圖像信息經(jīng)過量化（數(shù)字化）后輸入到計(jì)算機(jī)中，按照不同的應(yīng)用要求，計(jì)算機(jī)對圖像進(jìn)行各種各樣的分析處理，如對照片圖像掃描抽樣、量化、模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行加工復(fù)原（使模糊圖像清晰）、增強(qiáng)（突出某些特征）和圖像賦值（定義圖像某部分尺寸形狀和位置）等。其中人們所關(guān)心的問題是如何去除噪聲、壓縮圖像數(shù)據(jù)以便于進(jìn)行存儲(chǔ)、傳輸?shù)炔煌幚?。需要時(shí)可把加工處理后的圖像重新輸出，如工業(yè)中射線探傷。人體的CT掃描、衛(wèi)星遙感以及資源勘測等都是圖像處理的實(shí)例。早期圖像處理基本上是二維處理，而且早已遍及各個(gè)領(lǐng)域，并朝著三維圖像生成、立體成

6、像、多種存儲(chǔ)傳輸媒體等方向發(fā)展。模式識(shí)別是指計(jì)算機(jī)對圖形信息進(jìn)行識(shí)別和分析描述，是從圖形（圖像）到描述的表達(dá)過程。圖形信息輸入到計(jì)算機(jī)后，先對其特征進(jìn)行抽取等預(yù)處理，然后利用各種識(shí)別技術(shù)，如統(tǒng)計(jì)識(shí)別技術(shù)、句法（語法）識(shí)別技術(shù)以及基于模糊數(shù)學(xué)的模糊識(shí)別技術(shù)對圖形作出識(shí)別，按照不同應(yīng)用要求，由計(jì)算機(jī)給圖形作出分類和描述，從圖像中提取數(shù)據(jù)模型。如郵件分檢設(shè)備掃描信件上手寫的郵政編碼，并將編碼用圖像復(fù)原成數(shù)字。 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究根據(jù)給定的描述（如數(shù)學(xué)公式或數(shù)據(jù)等），用計(jì)算機(jī)生成相應(yīng)的圖形、圖像，所生成的圖形、圖像可以顯示在屏幕上、硬拷貝輸出或作為數(shù)據(jù)集存在計(jì)算機(jī)中的學(xué)科。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的是從數(shù)據(jù)描

7、述到圖形生成的過程。3 試述計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與CAD、CAM技術(shù)的關(guān)系，舉三個(gè)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用的例子。計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)應(yīng)用計(jì)算機(jī)及其圖形輸入、輸出設(shè)備，實(shí)現(xiàn)圖形顯示及繪圖輸出。它建立在圖形學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)三者結(jié)合的基礎(chǔ)上，是CADCAM的基礎(chǔ)。CAD和 CG二者主要是用于工程設(shè)計(jì)、制圖階段，對于實(shí)際的生產(chǎn)和加工而言，它們還只是一個(gè)初級(jí)階段。然而，除了現(xiàn)代化設(shè)計(jì)、自動(dòng)繪圖以外，人們更希望能夠自動(dòng)化地加工、生產(chǎn)，所以CAM技術(shù)正是為達(dá)到這一目的而提供的一個(gè)重要手段。應(yīng)當(dāng)說計(jì)算機(jī)繪圖是CAD的基礎(chǔ)，而計(jì)算機(jī)繪圖與CAD又共同構(gòu)成了CAM的基礎(chǔ)。它們?nèi)哧P(guān)系如圖7所示。CGCADCAM圖7 CG、C

8、AD、CAM關(guān)系（1）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）計(jì)算機(jī)圖形學(xué)被用來進(jìn)行土建工程、機(jī)械結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)飛機(jī)、汽車、船舶的外形和發(fā)電廠、化工廠等的布局，也能夠用來進(jìn)行電子線路或電子器件的設(shè)計(jì)。在電子工業(yè)中，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用到集成電路。印刷電路板、電子線路和網(wǎng)絡(luò)分析等方面的優(yōu)勢是十分明顯的。一個(gè)復(fù)雜的大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路版圖根本不可能用手工設(shè)計(jì)和繪制，用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)不僅能進(jìn)行設(shè)計(jì)和畫圖，而且還可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成，把其結(jié)果直接送至后續(xù)工藝進(jìn)行加工處理。在飛機(jī)制造工業(yè)中，美國波音飛機(jī)公司已用有關(guān)的CAD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)波音777飛機(jī)的整體設(shè)計(jì)和模擬，其中包括飛機(jī)外型、

9、內(nèi)部零部件的安裝和檢驗(yàn)。（2）事務(wù)管理中的交互式繪圖應(yīng)用圖形學(xué)最多的領(lǐng)域之一是繪制事務(wù)管理中的各種圖形，如統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的二維及三維圖形、直方圖、線條圖、表示百分比的扇形圖等等，還可繪制工作進(jìn)程圖、庫存和生產(chǎn)進(jìn)程圖以及大量的其他圖形。（3）地理信息系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)圖形生成技術(shù)可以繪制地理的、地質(zhì)的以及其他自然現(xiàn)象的高精度勘探、測量圖形，如地理圖、地形圖、礦藏分布圖、海洋地理圖、氣象氣流圖、人口分布圖、電場及電荷分布圖以及其他各類等值線、等位面圖。（4）辦公自動(dòng)化和電子出版技術(shù)利用電子計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行資料、文稿、書刊、手冊的編寫和修改、制圖、制表、分頁、排版，這是對傳統(tǒng)活字印刷技術(shù)進(jìn)行的重大變革，沒有交互

10、式圖形顯示技術(shù)的支持，這種電子出版技術(shù)是不可能實(shí)現(xiàn)的。（5）系統(tǒng)模擬實(shí)時(shí)模擬圖像正在被越來越廣泛地用于航天、航空駕駛和試驗(yàn)等項(xiàng)工作。所謂實(shí)時(shí)模擬就是由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生表現(xiàn)真實(shí)圖像和模擬對象隨時(shí)間變化的行為和動(dòng)作。通過觀察以圖形模式表現(xiàn)出的變化效果，我們不僅可以研究數(shù)學(xué)圖形，而且可以研究科學(xué)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型，如液體流動(dòng)、熱流、相對論、核反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)生理系統(tǒng)與器官以及有負(fù)載時(shí)的結(jié)構(gòu)變形等。例如，進(jìn)行飛機(jī)模擬訓(xùn)練時(shí)，讓飛行員坐在一間特制的屋子里，四周模擬駕駛艙的各種設(shè)施，面前擺著各種儀表和數(shù)字顯示器，在應(yīng)該有窗的地方放上大型顯示屏。當(dāng)顯示屏顯示出各種外部景物時(shí)，駕駛員的感覺如同真正駕駛飛機(jī)在天上飛。對于屏

11、幕上出現(xiàn)的各種景物，如云霧、煙、夜晚燈光以及不同大小和形狀的其他飛機(jī)、飛行物等特殊景物，駕駛員作出各種反應(yīng)，模擬操作飛機(jī)運(yùn)行。這時(shí)各種儀表顯示器顯示出各種相應(yīng)的數(shù)據(jù)。駕駛員在這種駕駛室內(nèi)可以用最低廉的費(fèi)用安全地學(xué)會(huì)駕駛。同樣，為了訓(xùn)練在月球登陸，宇航員可在模擬器上演習(xí)駕駛登月艙。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)為這些實(shí)驗(yàn)、訓(xùn)練提供了安全、迅速而又費(fèi)用低廉的試驗(yàn)條件和比較、存儲(chǔ)資料的手段。（6）計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（CAI）計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)利用圖形顯示設(shè)備或電視終端，可以有聲有色生動(dòng)地演示物理、化學(xué)、生物、外語等教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生（用戶）使用人機(jī)交互手段，進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究，繪圖或仿真操作，使整個(gè)教學(xué)過程直觀形象，有利于加深

12、理解所學(xué)知識(shí)，并可自我考核打分。隨著微型計(jì)算機(jī)在家庭的普及，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)將會(huì)得到迅猛發(fā)展。（7）過程控制計(jì)算機(jī)圖形顯示設(shè)備常用來顯示系統(tǒng)中關(guān)鍵部位的狀態(tài)，如煉油廠、發(fā)電廠和電力系統(tǒng)的狀態(tài)顯示器可顯示出由傳感器送來的壓力、溫度、電壓、電流等數(shù)據(jù)，從而使操作人員可對異常情況作出反應(yīng)。機(jī)場的飛行控制人員從雷達(dá)顯示器上觀察到計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的標(biāo)志及狀態(tài)信息，可以更快、更準(zhǔn)確地管理空中交通。（8）計(jì)算機(jī)動(dòng)畫用圖形學(xué)的方法產(chǎn)生動(dòng)畫片，其形象逼真、生動(dòng)。在使用高分辨率顯示器的情況下，圖像具有很高的欣賞價(jià)值。更重要的是，用這種方法制作動(dòng)畫片的成本低。畫動(dòng)畫片時(shí)，往往一幅圖和下一幅圖之間有很小區(qū)別，或背景完全相同，

13、用人工來完成就不得不做大量重復(fù)性工作，而用計(jì)算機(jī)來做，這些重復(fù)性的資料可存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)，需要時(shí)直接調(diào)出來，再稍加改變就成了下一幅圖，有時(shí)一幅圖和另一幅圖之間景物不變，但比例或角度發(fā)生變化，這時(shí)就可以利用圖形學(xué)中窗口、旋轉(zhuǎn)等功能，毫不費(fèi)力地完成這些工作，既準(zhǔn)確又迅速，輕而易舉地解決了人工繪圖時(shí)難以解決的問題，大大地提高了工作效率。（9）計(jì)算機(jī)藝術(shù)借助于計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，藝術(shù)家們可以利用一種稱之為“畫筆”（Paintbrush）的作圖程序在熒光屏上創(chuàng)作圖形畫面，也可以利用觸針輸入設(shè)備在圖形板上作圖繪畫?！爱嫻P”程序不僅可以繪制動(dòng)畫片中人物景象，還可以用來生成各種藝術(shù)模型和景物，如山水風(fēng)景、花草樹木、

14、動(dòng)物圖案等。計(jì)算機(jī)生成藝術(shù)也廣泛地應(yīng)用于商業(yè)事務(wù)、電視廣告和商標(biāo)裝潢的制作。此外，圖形程序已在出版印刷和文字處理方面得到了大量的開發(fā)和應(yīng)用，將圖形操作與文本編輯融合在一起，成為一種“作家工作臺(tái)”，人大提高了圖形系統(tǒng)的功能。4 計(jì)算機(jī)繪圖系統(tǒng)有哪些部分組成？應(yīng)具有哪些基本功能？出計(jì)算機(jī)繪圖系統(tǒng)應(yīng)具有計(jì)算、存儲(chǔ)、對話、輸入和輸出等功能。（1）計(jì)算功能 應(yīng)包括形體設(shè)計(jì)、分析的方法程序庫和有關(guān)描述形體的圖形數(shù)據(jù)庫。在圖形數(shù)據(jù)庫中應(yīng)有坐標(biāo)的幾何變換、曲線和曲面的形成、圖形的交點(diǎn)和連接點(diǎn)計(jì)算以及包含檢驗(yàn)等功能。（2）存儲(chǔ)功能 能在存儲(chǔ)器中存放圖形數(shù)據(jù)，尤其是要存放圖形數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系，可根據(jù)設(shè)計(jì)人員的要

15、求實(shí)現(xiàn)有關(guān)信息的實(shí)時(shí)拾取，圖形的變更、增加、刪除等處理。（3）對話功能 通過圖形顯示器直接進(jìn)行人機(jī)通信。設(shè)計(jì)人員通過顯示屏觀察設(shè)計(jì)的結(jié)果和圖形，通過鍵盤或鼠標(biāo)等對不滿意的部分發(fā)出修改指令。（4）輸入功能 把設(shè)計(jì)過程中圖形的形狀、尺寸、必要的參數(shù)和命令等輸入到計(jì)算機(jī)。（5）輸出功能 把計(jì)算機(jī)的工作結(jié)果或回答的信號(hào)以一定的形式表現(xiàn)出來。這五種功能是計(jì)算機(jī)繪圖系統(tǒng)所具備的最基本功能，至于每一功能中具有哪些能力，則因系統(tǒng)不同而不同。5 試述計(jì)算機(jī)圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化的意義。目前，計(jì)算機(jī)圖形軟件有多種不同類型，主要有以下幾種。（l）用現(xiàn)有的某種高級(jí)語言寫成程序包，用戶使用該語言調(diào)用需要的子程序生成各種圖形。由

16、于用的是高級(jí)語言，所以編程并不困難，且具有便于移植推廣的優(yōu)點(diǎn)，但執(zhí)行速度較慢，效率較低。這類圖形系統(tǒng)很多，如圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化的典型規(guī)范GKS和CORE文本就是采用程序包的形式。 (2) 將某種高級(jí)語言的功能加以擴(kuò)充，使其具有圖形生成功能。為此必須熟悉該高級(jí)語言的編譯系統(tǒng)才能正確地?cái)U(kuò)充。這種方法實(shí)現(xiàn)起來工作量較大，難以移植。其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)比較簡練、緊湊、執(zhí)行速度快?，F(xiàn)在許多高級(jí)語言已經(jīng)擴(kuò)充，并具備了屏幕圖形的生成功能，如 BASIC、Pascal、Turbo C、 Borland C、Java等。(3 )對于某種類型的設(shè)備可以配置專用的圖形生成語言。其優(yōu)點(diǎn)是功能強(qiáng)，執(zhí)行速度快。事實(shí)上目前大多數(shù)繪圖儀

17、都配備了相應(yīng)的圖形生成語言。比較著名的有GL（Graphics Language）語言。 PL（ Ploting Language）語言和 Dxy語言。由于這些語言都是與設(shè)備相關(guān)的，因此難以在不同類型的設(shè)備上使用。目前各種設(shè)備的原理、功能差異很大，難以統(tǒng)一，這就使得圖形系統(tǒng)的開發(fā)處于重重困難之中。 (4) 為了克服上述矛盾，就要求產(chǎn)生一種通用的與設(shè)備無關(guān)的圖形軟件，這就是圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化問題。為此 1997年美國計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì) ACM（Association for Computing Machinery）提出了核心圖形系統(tǒng)（Core Graphics System）規(guī)范，即原西德提出了圖形核心系統(tǒng)

18、 GKS（Graphics Kernel System）。制定標(biāo)準(zhǔn)的目的是考慮到程序的可移植性。當(dāng)使用具體圖形設(shè)備時(shí)只要和這個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)”的圖形系統(tǒng)作一個(gè)“接口”即可。隨著計(jì)算機(jī)及其圖形輸入、顯示技術(shù)和繪圖設(shè)備性能的不斷提高，圖形處理應(yīng)用范圍不斷拓展，計(jì)算機(jī)繪圖已滲透到科研、生產(chǎn)、教學(xué)和社會(huì)的各個(gè)方面。為了縮短圖形軟件研制周期，降低研制成本，便于使用并能在不同的系統(tǒng)間的相互移植，開展計(jì)算機(jī)圖形學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化方面的研究，制定圖形處理的標(biāo)準(zhǔn)是本學(xué)科發(fā)展的一個(gè)方向。當(dāng)前，計(jì)算機(jī)繪圖已在許多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化是計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)的主要發(fā)展趨勢。6 什么是交互式繪圖系統(tǒng)？它有哪幾部分組成？交

19、互式繪圖是在交互軟件的支持下，由操作員通過交互繪圖設(shè)備和計(jì)算機(jī)對話而隨機(jī)進(jìn)行的繪圖。交互技術(shù)的實(shí)現(xiàn)在很大程度上依賴于輸入設(shè)備及支撐環(huán)境。圖2所示的是交互式繪圖系統(tǒng)組成的概念化框圖。 進(jìn)行交互式繪圖，需要有具備圖形交互功能的硬件和軟件。硬件主要由主機(jī)和輸入設(shè)備及顯示設(shè)備組成，而軟件主要由應(yīng)用數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用程序和圖形系統(tǒng)組成。圖62交互式繪圖系統(tǒng)的組成7 交互式繪圖系統(tǒng)的交互任務(wù)是什么？設(shè)計(jì)交互繪圖系統(tǒng)的主要原則是什么？交互任務(wù)就是交互系統(tǒng)用戶向計(jì)算機(jī)內(nèi)送入相關(guān)信息。交互式繪圖系統(tǒng)的基本交互任務(wù)包括：定位、選擇、文本輸入和數(shù)值輸入。 1定位交互任務(wù) 2選擇交互任務(wù)3文本輸入交互任務(wù)4數(shù)值輸入交互任務(wù)

20、交互式繪圖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則：1設(shè)計(jì)一致性 2簡單易學(xué)3提供反饋4減少出錯(cuò)可能性5提供改錯(cuò)能力6面向多種技術(shù)層次7減少記憶量8 在交互式繪圖技術(shù)中，常用的構(gòu)圖技術(shù)有哪幾種？并作簡要說明。交互式繪圖技術(shù)可分為3類：構(gòu)圖技術(shù)、拾取技術(shù)和菜單技術(shù)，下面分別給予簡單介紹。一、構(gòu)圖技術(shù)構(gòu)圖技術(shù)是指建立或修改物體的幾何模型的技術(shù)，它可以通過選擇作圖命令和指定一系列定位點(diǎn)進(jìn)行作圖。例如選擇畫直線命令后，在作圖區(qū)先后指定兩個(gè)點(diǎn)就可以在這兩個(gè)點(diǎn)之間連一條直線。用戶可以通過觀察顯示屏上圖形，利用交互式方式改變子圖形之間相對位置，增加或減少某些子圖形來構(gòu)造一個(gè)新的圖形，常用構(gòu)圖技術(shù)有如下幾種。l定位法2約束法3引力場法

21、4橡皮筋法5拖動(dòng)法二、拾取技術(shù) 拾取圖形是交互技術(shù)的重要任務(wù)之一，在交互式圖形系統(tǒng)的增、刪、改操作中，都是以拾取圖形或以拾取圖形某一位置點(diǎn)為基礎(chǔ)的。從屏幕上拾取一個(gè)圖形，其直觀現(xiàn)象是該圖形變顏色、閃爍、增亮，其實(shí)際意義是要在存儲(chǔ)用戶圖形的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中找到存放該圖形的幾何參數(shù)及其屬性的地址，以便對該圖形作進(jìn)一步的操作，如修改其幾何參數(shù)、連接關(guān)系或某些屬性。三、菜單技術(shù)(北理工P72,華中P126) 菜單技術(shù)是一項(xiàng)非常重要的交互技術(shù)。所謂菜單，就是程序給出的可選操作表。菜單技術(shù)將程序各項(xiàng)功能或選項(xiàng)通過文字或圖形符號(hào)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，用戶可通過字符或定位輸入設(shè)備（如鍵盤、鼠標(biāo)等）選擇菜單中的項(xiàng)目。菜單設(shè)計(jì)中一

22、個(gè)重要內(nèi)容就是界面的設(shè)計(jì)，這包括屏幕區(qū)域的劃分、顯示內(nèi)容、標(biāo)識(shí)符的選用、顏色的搭配等內(nèi)容。例如屏幕區(qū)域一般 需劃分為菜單區(qū)、提示區(qū)和圖形顯示區(qū)等。9 什么是圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)？對于圖形處理，所采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮哪些要求？圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：描述一個(gè)圖形所需要的數(shù)據(jù)以及這些數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。應(yīng)包含圖形的幾何信息、非幾何信息和拓?fù)湫畔?。選用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的要求：對于一個(gè)圖形，可以用不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述，但應(yīng)考慮以下幾方面的要求：（1） 能夠記錄圖形的全部幾何信息和拓?fù)湫畔?。?） 便于對所描述的對象進(jìn)行各種操作。（3） 占用較小的存儲(chǔ)空間。10 試述窗口、視區(qū)和窗視變換的概念？窗視變換需經(jīng)過那幾個(gè)變換過程？寫出各

23、變換過程的變換矩陣、總體變換矩陣及變換公式。把圖紙上分成的矩形區(qū)域稱為窗口，由用戶選定某一矩形區(qū)域的過程稱為開窗口。圖形顯示區(qū)是一個(gè)小于屏幕面積的矩形區(qū)域，將這一區(qū)域定義為視區(qū)（或稱視見區(qū)）。將世界坐標(biāo)系中窗口內(nèi)的圖形顯示在屏幕坐標(biāo)系中的視區(qū)內(nèi)，必須經(jīng)過一定的幾何變換，這一變換過程稱為視見變換（或窗視變換）。1 變換過程（北理工P27 圖2-2）（1） 平移變換將窗口連同其中的圖形一起移動(dòng)，使窗口的左下角與WC坐標(biāo)系原點(diǎn)重合。變換矩陣為： （2） 變比變換將窗口連同其中的圖形進(jìn)行比例變換，使窗口的大小與指定的視區(qū)的大小一致。變換矩陣為： 其中 SX和SY稱為比例因子， 表示窗口到視區(qū)變換的比例

24、。（3） 平移變換把視區(qū)平移到指定的屏幕位置。變換矩陣為： 2 變換公式 世界坐標(biāo)系的點(diǎn)經(jīng)視見變換后的點(diǎn)為，則有 其中 11 簡述圖形變換的基本原理、方法和種類。二維圖形的變換實(shí)際上是一系列點(diǎn)進(jìn)行變換一般是指對圖形的幾何信息經(jīng)過幾何變換后產(chǎn)生新的圖形，它提供了構(gòu)造或修改圖形的方法。除圖形的位置變動(dòng)外，還可以將圖形放大或縮小，甚至對圖形作不同方向的拉伸來使其扭曲變形二維圖形的基本變換包括以下幾種：平移變換、旋轉(zhuǎn)變換、比例變換、對稱變換、錯(cuò)切變換。平移是將圖形中的每一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)。若將一個(gè)點(diǎn)（x,y）沿x方向移動(dòng)c單位、沿y方向移動(dòng)f單位,平移到一個(gè)新位置旋轉(zhuǎn)變換是將圖形繞已固定點(diǎn)順時(shí)針或逆時(shí)針方

25、向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。規(guī)定：逆時(shí)針方向?yàn)檎?，順時(shí)針方向?yàn)樨?fù)。比例變換使用比例因子乘以圖形的點(diǎn)集，使圖形放大或縮小的變換。錯(cuò)切變換是使圖形產(chǎn)生一個(gè)扭變。分為x和y方向的錯(cuò)切變換12 什么是復(fù)合變換？如何實(shí)現(xiàn)復(fù)合變換？有一些圖形變換，僅靠一次基本變換是不能實(shí)現(xiàn)的，有時(shí)需要對初始圖形進(jìn)行兩次甚至多次基本變換才能實(shí)現(xiàn)，這種變換稱為復(fù)合變換。其變換矩陣為各基本變換矩陣的乘積。經(jīng)過平移、某種變換、再平移的多次變換過程，而不僅僅是一種獨(dú)立的變換，稱為復(fù)合變換。1圖形相對于任一點(diǎn)作旋轉(zhuǎn)變換 2圖形相對于任一點(diǎn)作比例變換 3圖形相對于任意直線y=ax+b對稱變換如圖所示的變換可看成是先對矩形施以對y軸的對稱變換，在施以沿

26、+x軸方向的錯(cuò)切變換的復(fù)合變換而成。其變換矩陣為二基本變換矩陣的乘積。ABB*A*變換矩陣圖形相對任一點(diǎn)P（xf ,yf）的比例變換矩陣 平移 比例 平移圖形相對任一點(diǎn)P（xf ,yf）的旋轉(zhuǎn)變換矩陣13 三維立體有哪幾種構(gòu)造模型？試述各構(gòu)造模型的特點(diǎn)及應(yīng)用。一 線框模型（Wireframe Modeling）線框模型是用幾個(gè)多邊形線框來描述三維立體的方法，是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和CAD/CAM領(lǐng)域中應(yīng)用最早的用來表示形體的模型。線框模型的特點(diǎn)（1） 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，計(jì)算機(jī)內(nèi)部易于表達(dá)，處理快；模型需要的幾何信息就是線段的端點(diǎn)坐標(biāo)，輸入方便。（2） 缺點(diǎn)：有二義性；不便于用作幾何形狀的通用表達(dá)形式；無

27、表面信息。二 表面模型（Surfaace Modeling）表面模形是在線框模型的基礎(chǔ)上，增加了有關(guān)生成立體各表面的數(shù)據(jù)而構(gòu)成的模型，是由連接順序的棱邊圍成的有限區(qū)域來定義立體的表面，再有表面的集合來定義立體。這種模型通常用于構(gòu)造復(fù)雜的曲面物體，構(gòu)形時(shí)常常利用線框功能，先構(gòu)造一線框圖，然后用掃描或旋轉(zhuǎn)等手段變成曲面。也可以用系統(tǒng)提供的許多曲面圖素來建立各種曲面模型。表面模型的特點(diǎn)：表面模型是在線框模型的基礎(chǔ)上，增加了面邊（包括環(huán)邊）信息和表面的特征信息，從而滿足了求交、消隱、明暗處理和數(shù)控加工的要求。表面模型沒有解決的問題是形體究竟在表面的哪一側(cè)三 實(shí)體模型（Solid Modeling）實(shí)體

28、模形能明確無誤地反映物體的三維形貌。它主要是明確定義了表面的那一側(cè)存在形體。用有向棱邊的右手法則確定所在面外法線的方向，規(guī)定正向指向體外實(shí)體模型是三種模型中最重要的 ，也是出現(xiàn)最晚的。其主要優(yōu)點(diǎn)可以概括為：（1） 完整定義了立體圖形，能區(qū)別內(nèi)外部。（2） 能提供清晰的剖面圖。（3） 能準(zhǔn)確地計(jì)算質(zhì)量特性和有限元網(wǎng)格。（4） 方便機(jī)械運(yùn)動(dòng)模擬。14.舉例說明分解表示法中如何利用四叉樹、八叉樹描述復(fù)雜形狀物體。1 二維圖形的四叉樹法假定圖形有象素構(gòu)成，且。為了得到這種圖形的四叉樹表示，需要有關(guān)區(qū)域具有一致性的判別準(zhǔn)則。對于兩值圖形，可以簡單地把該區(qū)域的象素是否有相同值作為判別準(zhǔn)則。對于給定圖形的四

29、叉樹的形成方法如下：（1） 如果圖形所占的區(qū)域是一致的，那么該圖形對應(yīng)的四叉樹僅用一個(gè)結(jié)點(diǎn)表示，它是葉結(jié)點(diǎn)。（2） 如果圖形所占的區(qū)域是不一致的，那么該圖形用一個(gè)結(jié)點(diǎn)表示，然后將圖形等分為4個(gè)子圖形，他們又對應(yīng)不同的結(jié)點(diǎn)，既是上一層圖形對應(yīng)的根結(jié)點(diǎn)的子結(jié)點(diǎn)，又是與這個(gè)圖形相對應(yīng)的子四叉樹的根結(jié)點(diǎn)。對每一個(gè)子樹遞歸的重復(fù)上述一致性判別及必要的分解，直至每一個(gè)子圖形均可由相應(yīng)的葉結(jié)點(diǎn)表示。2 三維形體的八叉樹（見北理工P107）三維實(shí)體的八叉樹表示類似于二維物體的四叉樹表示。八叉樹表示是將研究的空間遞歸地劃分為8個(gè)卦限，從而組成八分支樹的形式。15.在幾何造型中，用邊界表示法描述實(shí)體，其表面必須滿

30、足什么條件？該方法的主要特點(diǎn)是什么？ 用B-rep法描述實(shí)體，其表面必須滿足一定條件：封閉、有向、不自交、有限并相連接，能區(qū)分實(shí)體邊界內(nèi)、外、面上的點(diǎn)。邊界表示法的最大優(yōu)點(diǎn)是：允許絕大多數(shù)有關(guān)幾何體結(jié)構(gòu)的運(yùn)算直接用幾何體的面、邊、頂點(diǎn)定義的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)，有利于生成和繪制線框圖、投影圖以及對有限元網(wǎng)格的劃分和幾何特性的計(jì)算。缺點(diǎn)是：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存儲(chǔ)量大，幾何運(yùn)算時(shí)間長，對實(shí)體的整體描述能力差。16.在三維幾何造型的各個(gè)階段表示形體的坐標(biāo)系有哪些？它們之間的關(guān)系如何？i. 造型坐標(biāo)系通常定義為右手坐標(biāo)系，用于定義基本形體。每一個(gè)被定義的體素都有自己的坐標(biāo)原點(diǎn)，便于定義和調(diào)用。通過調(diào)用可將它放置在世

31、界坐標(biāo)系中任意位置，因此也稱局部坐標(biāo)系。ii. 世界坐標(biāo)系又稱用戶坐標(biāo)系。與造型坐標(biāo)系一致，兩者是全局與局部的關(guān)系。iii. 觀察坐標(biāo)系（投影坐標(biāo)系）為了獲得在世界坐標(biāo)系中已經(jīng)建模的三維立體景物的顯示，必須建立用于觀察的坐標(biāo)系。17.形體的幾何信息和拓?fù)湫畔⒏靼男﹥?nèi)容？各起什么作用？舉例說明之。1、幾何信息是指物體在空間的形狀、尺寸及位置的描述。 幾何信息包括點(diǎn)、線、面、體的信息。只用幾何信息表示物體并不充分，常會(huì)產(chǎn)生二義性。 五個(gè)頂點(diǎn)用兩種不同方式連接，表達(dá)兩種不同的理解。所以幾何信息必須與拓?fù)湫畔?yīng)同時(shí)給出。2、拓?fù)湫畔⒎从沉巳S形體中各幾何元素?cái)?shù)量及其相互之間連接關(guān)系。拓?fù)湫畔⒉煌?/p>

32、即使幾何信息相同，最終構(gòu)造的實(shí)體可能完全不同。 拓?fù)涮匦缘葍r(jià)的立方體和圓柱體拓?fù)潢P(guān)系允許三維實(shí)體隨意地伸張扭曲，兩個(gè)形狀和大小不一樣的實(shí)體的拓?fù)潢P(guān)系可能是等價(jià)的。 18.消隱的意義是什么？消隱算法有哪兩類？并舉例說明之。非消隱圖的有時(shí)具有二義性確定哪些邊、哪些面是可見的，哪些邊、哪些面是不可見的，并消除那些不可見的棱線和表面，就是所謂的消隱問題。 消隱算法一般分為兩類，區(qū)分的依據(jù)是看消隱算法是在那種空間中實(shí)現(xiàn)的。如果算法是在顯示對象的物理坐標(biāo)系中實(shí)現(xiàn)的，稱為物理空間算法。如果算法是在顯示圖形的屏幕坐標(biāo)系中實(shí)現(xiàn)的，稱為圖像空間算法。19.背面消除法適應(yīng)于哪種立體的消隱？寫出此方法的計(jì)算過程。 背

33、面消除不是一種完整的隱面消除方法，但它是隱面消除算法中的關(guān)鍵部分，適應(yīng)于凸多邊體。（凸多邊體：連接形體上不屬于同一表面的任意兩點(diǎn)的線段完全位于形體內(nèi)部。）計(jì)算過程：（1） 求平面的法向量n；（2） 求平面的視線向量v;（3） 計(jì)算；（4）根據(jù)符號(hào)判別該面是否可見20.簡述Bezier曲線的特性。1.貝塞爾曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式由n+1個(gè)點(diǎn)定義n次多項(xiàng)式。曲線各段的參數(shù)方程為 9-12其中， 是伯恩斯坦多項(xiàng)式，稱為基函數(shù)。 2. 貝塞爾曲線的性質(zhì)（1） 貝塞爾曲線的起點(diǎn)和終點(diǎn)分別是特征多邊形的第一個(gè)頂點(diǎn)和最后一個(gè)頂點(diǎn)。 (2)曲線在起點(diǎn)和終點(diǎn)處的切線分別是特征多邊形的第一條邊和最后一條邊，且切矢的模長

34、分別為相應(yīng)邊長的n倍。 (3)凸包性 (4)幾何不變性 貝塞爾曲線的凸包性曲線的形狀由特征多邊形的頂點(diǎn)唯一確定，與坐標(biāo)系的選取無關(guān)。3 幾個(gè)低次貝塞爾曲線（1） 一次貝塞爾曲線 （2） 二次貝塞爾曲線（3） 三次貝塞爾曲線21.簡單光照模型對物體有什么假設(shè)，有哪三種光組成？寫出這三種光亮度的計(jì)算公式。如果計(jì)算出物體上每一個(gè)可見點(diǎn)所“發(fā)出”的光強(qiáng)度和色彩，把它轉(zhuǎn)化為顯示屏幕上相應(yīng)像素的灰度和色彩強(qiáng)度，就能得到物體的真實(shí)感圖形。光照模型就是模擬光在物體間的傳遞過程，以確保物體可見表面每一點(diǎn)的亮度和顏色。當(dāng)光照射到一個(gè)物體表面時(shí)，光可能被吸收、反射或折射。反射和折射的光使物體可見。如果入射光全部被吸

35、收，物體將不可見，稱物體為黑體。一個(gè)物體表面呈現(xiàn)的顏色是有物體表面向視線方向輻射的光能中各種波長的分布所確定的。如果物體是不透明的，則物體表面呈現(xiàn)的顏色僅有其反射光決定，通常把反射光考慮成環(huán)境反射光、漫反射光和鏡面反射光三個(gè)分量的組合。一、 環(huán)境反射光環(huán)境反射光是由于鄰近物體所造成的光多次反射所產(chǎn)生的。光是來自四面八方的，如從墻壁、地板以及天花板等反射回來的光，是一種分布光源。通常將這種光產(chǎn)生的效應(yīng)簡化為在各個(gè)方向都有均勻的光亮度。一個(gè)物體只有環(huán)境光照明是，其上各點(diǎn)的明暗程度完全一樣。其光亮度表示為： 其中， 物體的環(huán)境光反射光亮度； 環(huán)境光亮度； 物體表面的環(huán)境光反射系數(shù)。二、 漫反射光漫反

36、射光是由特定的光源在物體表面反射光中那些向空間各方向均勻反射出去的光。這種光的反射強(qiáng)度與觀察點(diǎn)的位置是無關(guān)的，它的光強(qiáng)度與入射光方向和反射點(diǎn)處表面法線間的夾角余弦成正比。設(shè)物體表面在P點(diǎn)法線為N，從P點(diǎn)指向光源的向量為L，兩者夾角為。點(diǎn)P處漫反射光亮度為： 其中， 表面漫反射光亮度。 入射光的光亮度。 漫射系數(shù)（決定與表面材料及入射光波長）。 入射光線與法線間的夾角，。 漫反射三、 鏡面反射光鏡面反射光是朝一個(gè)方向的反射光。對于理想鏡面，入射到表面的光嚴(yán)格地遵守光的反射定律，只有在反射方向上，觀察者才能看到從鏡面反射出來的光線，如下圖a。對于一般光滑表面，由于表面具有一定的粗糙度，其表面實(shí)際上

37、是有許多朝向不同的微小表面組成，其鏡面反射光散布在反射方向周圍，如下圖b。 a) 純鏡面 b)光滑表面 鏡面反射鏡面反射光亮度可表示為 其中， 觀察者接受到的鏡面反射光亮度。 入射光的亮度。 鏡面反射系數(shù)（與材料性質(zhì)和入射光波長有關(guān)）。 鏡面反射方向和視線方向的夾角。 鏡面反射光的會(huì)聚系數(shù)（與物體表面的光滑度有關(guān)），一般取12000。對于較光滑的表面，其鏡面反射光會(huì)聚程度較高，值較大；而較粗糙的鏡面反射光呈發(fā)散狀態(tài)，值較小。22陰影有哪兩類？分別說明之。陰影分為自身陰影和投射陰影。自身陰影是物體本身遮擋而使光線照不到的某些面。投射陰影是由于物體的遮擋使場景中位于它后面的的物體受不到光照而形成。

38、(投射陰影有本影和半影之分。在觀察一個(gè)物體影子時(shí)，可以看到位于中間全黑的輪廓分明部分就是本影；本影周圍半明半暗的區(qū)域?yàn)榘胗啊?自身陰影和投射陰影本影是哪些沒有被光源直接照射的部分；而半影是那些被一部分光源直接照射但未被其余光源照射的部分。半影計(jì)算比較復(fù)雜，計(jì)算量大，在許多場合下一般只考慮本影，也就是假設(shè)環(huán)境由點(diǎn)光源或平行光源照明。本影計(jì)算工作量與光源位置有關(guān)。如果光源位于無窮遠(yuǎn)處，計(jì)算陰影比較容易，可由正投影來處理。而對于有限遠(yuǎn)處的點(diǎn)光源，問題多些，這時(shí)需要透視投影技術(shù)來處理；最困難的情況是點(diǎn)光源位于視區(qū)之內(nèi)的情形，這時(shí)需要將空間分成若干區(qū)域，并分別計(jì)算各區(qū)域中的陰影)二、 分別用圖形說明在鏈

39、表中插入元素和刪除元素前后，數(shù)據(jù)的邏輯狀態(tài)和物理狀態(tài)的變化。 常見運(yùn)算是插入結(jié)點(diǎn)和刪除結(jié)點(diǎn)（見北理工p92）在鏈表中刪除元素三、 繪制二維編碼裁剪算法程序流程框圖。四、 繪制二維中點(diǎn)分割裁剪算法程序流程框圖。五、 繪制掃描線種子填充算法程序流程框圖。六、 繪制畫家消隱算法的程序框圖。七、 編寫一算法，計(jì)算Coons曲面片上某一點(diǎn)處的單位法矢。算法：確定曲面參數(shù)方程和曲面上已知點(diǎn)P坐標(biāo)，設(shè)兩條曲面上過P的曲線12，先求出12在P點(diǎn)處的切向量12，若12的叉乘為零，則重新選擇12；若12的叉乘不為零，則可按公式求得曲面在P處的法向量n。具體算法如下例所示：問題：曲面的參數(shù)方程為x = x(u , v) , y = y(u , v) , z = z(u , v)，上的點(diǎn) 與u , v平面上的點(diǎn)（u0 , v0）對應(yīng)，怎樣確定在點(diǎn)X0處的法向量？注釋：設(shè)x(u , v) , y(u , v) , z(u , v) 在（u0 , v0）