一. 序章(开题报告以及论文大概结构)
1．1引言
科学可视化（主要针对于三维大规模数据场的可视化处理技术及其应用），计算机动画和虚拟现实是近年来在计算机图形学领域内的三大热门研究方向，它们的核心技术都是真实感图形技术。当前，计算机图形学在军事，航天，航空，医学，地质勘探，三维游戏和工业CAD设计等方面有着十分广泛的应用。 随着计算机技术的发展，科学计算可视化，仿真可视化技术发展迅速。视景控制，可视化系统不仅可以帮助技术人员形象直观地查看仿真结果，而且在一定程度上可以提高技术水平，减少错误的发生，并可以对其进行实时控制。因此计算机图形技术将在各行各业得到越来越广泛的应用。有人说20世纪是计算机多媒体技术发展的世纪，21世纪将是虚拟现实飞速发展的世纪，因此，可视化系统的发展对于我国经济建设，科学研究具有重要的现实意义 。
1．2 课题简述 针对欲仿真项目，例如：漫游系统，利用图形处理软件，进行建模，然后利用开发工具以及图形标准（VC++，OPENGL等）自制一个能开发三维模型和场景的可视化系统编辑软件，对模型进一步处理，控制，生成仿真项目实例--跑步漫游系统（.EXE可执行文件）。并利用可视化系统编辑软件（如组态软件）开发发电厂能源运输系统，实现可视化技术在工业控制上的应用。
1．2．1 课题意义以及实用价值 课题意义： 现有图形处理软件能处理复杂的模型，但是较难对其进行控制以及实现个性化设计（例如3DMAX在对线段进行映射时是对整条线段一起处理，但实际较为精确的处理方法是对每一点分别进行矩阵运算），所以需要借助专用的图形接口，如OpenGL等，但OpenGL只是实现底层工作的图形处理标准，用其开发仿真项目需要开发者非常熟悉OpenGL的实现原理，函数结构等知识，为简化开发过程，将利用开发工具如VC++等，制作一个能开发三维模型和场景的可视化系统编辑软件，这样，复杂的函数可以通过熟悉的菜单式命令实现，交互性大大增强。另外，该可视化系统编辑软件还可以处理其他的仿真项目，通用性较强。 当然，针对不同的应用场景需采取不同的开发工具和手段，例如，在工业应用中（如发电厂能源运输系统），往往开发周期是最重要的评价标准，而真实感等指标是在保证实现这一点后才考虑的问题，所以本文中还将介绍一些在工业应用中常运用到的开发软件---组态软件，并利用其开发发电厂输油模拟显示系统。 实用价值： 现有的图形系统开发环境大致分为个人计算机，图形工作站和超级计算机等，在后两者中，都拥有专门的图形处理硬件来实现不同操作指令，但是在PC机往往无专用显示卡，或者显示卡不支持所有图形处理指令，显示速度较慢，导致了运用PC机开发可视化系统的应用场合落后于其他开发环境。本课题拟利用PC机，运用软件模拟的方式对图形处理指令进行操作，制作可视化系统编辑软件，并生成仿真实例。运用PC进行开发，可以节省成本，并且为低端计算机开发可视化系统提供思路，具有借鉴价值。同时利用组态软件，介绍如何研制工业上一些开发周期短的系统，这样，针对以不同的评价标准为关键的系统，可以采用不同的手段，具有全面性和通用性。
二. 计算机图形学简介(主要介绍与后面涉及到的基础知识)
计算机图形学主要研究用计算机及其图形设备来输入，表示，变换，运算和输出图形的原理，算法及系统。其中又可细分为基本图形生成算法，自由曲线和自由曲面，图形变换和裁剪窗口系统，人机交互技术，几何造型的理论，算法及系统，颜色，光照模型及真实图形显示技术，图象处理技术等。限于篇幅，这里只能介绍与后面章节最相关的基础知识—窗口视图变换,图形变换和裁剪；光照模型及真实图形显示技术。至于其它方面请参阅清华大学出版社出版的计算机图形学（新版）。 窗口视图变换 在计算机图形学中，为了通过显示设备来考察几何物体的特性，引入了一系列用于显示输出的坐标系统，这些坐标系统包括： 1)世界坐标系(world coordinate Systems)，该坐标系统主要用于计算机图形场景中的所有图形对象的空间定位和定义，包括观察者的位置、视线等等。计算机图形系统中涉及的其它坐标系统都是参照它进行定义。 2)局部坐标系(Local Coordinate System)，主要为考察物体方便起见，独立于世界坐标系来定义物体几何特性，通常是在不需要指定物体在世界坐标系中的方位的情况下，使用局部坐标系。一旦你定义“局部”物体，通过指定在局部坐标系的原点在世界坐标系中的方位，然后通过几何变换，就可很容易地将“局部”物体放入世界坐标系内，使它由局部上升为全局。 3)观察坐标系(Viewing coordinate systems)，观察坐标系通常是以视点的位置为原点，通过用户指定的一个向上的观察向量(view up vector)来定义整个坐标系统，缺省为左手坐标系，观察坐标系主要用于从观察者的角度对整个世界坐标系内的对象进行重新定位和描述，从而简化几何物体在投影面的成像的数学推导和计算。 4)成像面坐标系统，它是一个二维坐标系统，主要用于指定物体在成像面上的所有点，往往是通过指定成像面与视点之间的距离来定义成像面，成像面有时也称投影面，可进一步在构影面上定义称为窗口的方形区域来实现部分成像。 5)屏幕坐标系统，也称设备坐标系统，它主要用于某一特殊的计算机图形显示设备(如光栅显示器)的表面的点的定义，在多数情况下，对于每一个具体的显示设备，都有一个单独的坐标系统，在定义了成像窗口的情况下，可进一步在屏幕坐标系统中定义称为视图区(view port)的有界区域，视图区中的成像即为实际所观察到的。
