计算机图形学绪论
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计算机图形学 答案
计算机图形学Ⅰ专业：计算机科学与技术计算机科学与技术20922012年12月第1章绪论1、计算机图形学的概念？（或什么是计算机图形学？）计算机图形学是研究怎样利用计算机表示、生成、处理和显示图形的(原理、算法、方法和技术)一门学科。
2、图形与图像的区别？图像是指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息；图形含有几何属性，更强调物体（或场景）的几何表示，是由物体（或场景）的几何模型(几何参数)和物理属性(属性参数)共同组成的。
3、计算机图形学的研究内容？计算机图形学的研究内容非常广泛，有图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真和虚拟现实等。
4、计算机图形学的最高奖是以 Coons 的名字命名的，而分别获得第一届（1983年）和第二届（1985年）Steven A. Coons 奖的，恰好是 Ivan E. Sutherland 和 Pierre Bézier 。
5、1971年，Gourand提出“漫反射模型+插值”的思想，被称为 Gourand 明暗处理。
6、1975年，Phong提出了著名的简单光照模型—— Phong模型。
7、1980年，Whitted提出了一个光透明模型—— Whitted模型，并第一次给出光线跟踪算法的范例，实现了Whitted模型。
8、以 SIGGRAPH 会议的情况介绍，来结束计算机图形学的历史回顾。
9、什么是三维形体重建？三维形体重建就是从二维信息中提取三维信息，通过对这些信息进行分类、综合等一系列处理，在三维空间中重新构造出二维信息所对应的三维形体，恢复形体的点、线、面及其拓扑关系，从而实现形体的重建。
10、在漫游当中还要根据CT图像区分出不同的体内组织，这项技术叫分割。
11、一个图形系统通常由图形处理器、图形输入设备和输出设备构成。
12、CRT显示器的简易结构图12、LCD液晶显示器的基本技术指标有：可视角度、点距和分辨率。
最新计算机图形学第1章绪论
5、真实感图形的生成算法
三维图形的消隐算法、光照模型的建立，阴影及彩色浓 淡图的生成算法。
6、科学计算可视化技术
这是20世纪90年代计算机图形学领域的前沿课题。研究 的是，将科学计算中大量难以理解的数据通过计算机图形显 示出来，从而加深人们对科学过程的理解。例如，有限元分 析的结果，应力场、磁场的分布，各种复杂的运动学和动力 学问题的图形仿真等。
2、二维图形的基本操作和图形处理算法
对图形的平移、缩放、旋转、镜像、错切等操作，此外 还包括二维图形的裁剪、多边形填充以及二维图形的布尔 运算（并、交、差）等。
3、二维图形的输入输出
用图形输入设几何造型技术
包括基本体素的建立与生成，规则曲面与自由曲面的构造， 以及三维形体之间的布尔运算等。
交互是多通道的、自然的，用来传递的信息可 以是某个操作、一个手势、一个眼神，也可以是 一个表情等。在此环境中，用户看到的是由计算 机生成的逼真图像，听到的是虚拟环境中的声音， 身体可以感受到虚拟环境所反馈的作用力，由此 产生身临其境的感觉。
▪ 六、过程控制和指挥系统
将各种实时过程的重要参数，如火箭的运行状 态，炼油厂、发电厂和电力系统送来的压力、 温度、电压、电流等数据传送到计算机，用图 形方式进行显示，管理人员对图形进行监控， 并对异常情况作出调整。
例如： 系统的描述；商业决策；天气变化趋势图等。
▪ 三、地理信息系统与制图
地理信息系统是建立在地理图形之上的关于人 口分布、矿藏分布、森林覆盖、土地利用、旅游 资源、海洋地理、地形地貌、山川河流分布、区 域规划、城市交通、管线管网等综合信息管理系 统。
目前，它在发达国家中已得到广泛应用，我国 也对其开展了广泛的研究与应用。在地理信息系 统中，计算机图形技术被用来产生高精度的上述 各种资源的专题图，并为管理者提供有效的决策 和帮助。
三维图形的消隐算法、光照模型的建立，阴影及彩色浓 淡图的生成算法。
6、科学计算可视化技术
这是20世纪90年代计算机图形学领域的前沿课题。研究 的是，将科学计算中大量难以理解的数据通过计算机图形显 示出来，从而加深人们对科学过程的理解。例如，有限元分 析的结果，应力场、磁场的分布，各种复杂的运动学和动力 学问题的图形仿真等。
2、二维图形的基本操作和图形处理算法
对图形的平移、缩放、旋转、镜像、错切等操作，此外 还包括二维图形的裁剪、多边形填充以及二维图形的布尔 运算（并、交、差）等。
3、二维图形的输入输出
用图形输入设几何造型技术
包括基本体素的建立与生成，规则曲面与自由曲面的构造， 以及三维形体之间的布尔运算等。
交互是多通道的、自然的，用来传递的信息可 以是某个操作、一个手势、一个眼神，也可以是 一个表情等。在此环境中，用户看到的是由计算 机生成的逼真图像，听到的是虚拟环境中的声音， 身体可以感受到虚拟环境所反馈的作用力，由此 产生身临其境的感觉。
▪ 六、过程控制和指挥系统
将各种实时过程的重要参数，如火箭的运行状 态，炼油厂、发电厂和电力系统送来的压力、 温度、电压、电流等数据传送到计算机，用图 形方式进行显示，管理人员对图形进行监控， 并对异常情况作出调整。
例如： 系统的描述；商业决策；天气变化趋势图等。
▪ 三、地理信息系统与制图
地理信息系统是建立在地理图形之上的关于人 口分布、矿藏分布、森林覆盖、土地利用、旅游 资源、海洋地理、地形地貌、山川河流分布、区 域规划、城市交通、管线管网等综合信息管理系 统。
目前，它在发达国家中已得到广泛应用，我国 也对其开展了广泛的研究与应用。在地理信息系 统中，计算机图形技术被用来产生高精度的上述 各种资源的专题图，并为管理者提供有效的决策 和帮助。
工程硕士课程-计算机图形学-第1章
3. 随计算机科学技术的发展而发展
微型计算机，光栅图形显示器，多种 多样的输入输出设备，……
§1.3 计算机图形学的应用
1. 图形用户化界面
(GUI,Graphical User Interface)
2. 交互式绘图
(Interactive Draft)
3. 计算机辅助设计/制造
(CAD/M,Computer Aided Design/Manufacturing)
4. 艺术与娱乐
(Art & Amusement)
5. 模拟与仿真
(Emulation & Simulation)
6. 计算机辅助教学
(CAI,Computer Aided Instruction)
7. 桌面排版系统与办公室自动化
(DTP & OA)
8. 多媒体
(Multimedia)
9. 地理信息系统
“ Sketchpad： A Man-Machine Graphical Communication System”中 首次提出“Computer Graphics”这个术语。
“交互式计算机图形学”
2. 图形处理
从黑白到彩色，从线条到画面，从简 单到复杂，从静态到动画，从示意图到 真实感，从批处理到实时生成，……
三维计算机图形学
3D Computer Graphics
主讲: 教授
本课程教学内容
第一章 绪 论 第二章 计算机图形系统 第三章 二维图形生成技术 第四章 二维图形变换与裁剪 第五章 曲线与曲面 第六章 三维图形学
第一章 绪 论
计算机图形学与图象处理 计算机图形学的发展史 计算机图形学的应用 计算机图形学的发展方向
微型计算机，光栅图形显示器，多种 多样的输入输出设备，……
§1.3 计算机图形学的应用
1. 图形用户化界面
(GUI,Graphical User Interface)
2. 交互式绘图
(Interactive Draft)
3. 计算机辅助设计/制造
(CAD/M,Computer Aided Design/Manufacturing)
4. 艺术与娱乐
(Art & Amusement)
5. 模拟与仿真
(Emulation & Simulation)
6. 计算机辅助教学
(CAI,Computer Aided Instruction)
7. 桌面排版系统与办公室自动化
(DTP & OA)
8. 多媒体
(Multimedia)
9. 地理信息系统
“ Sketchpad： A Man-Machine Graphical Communication System”中 首次提出“Computer Graphics”这个术语。
“交互式计算机图形学”
2. 图形处理
从黑白到彩色，从线条到画面，从简 单到复杂，从静态到动画，从示意图到 真实感，从批处理到实时生成，……
三维计算机图形学
3D Computer Graphics
主讲: 教授
本课程教学内容
第一章 绪 论 第二章 计算机图形系统 第三章 二维图形生成技术 第四章 二维图形变换与裁剪 第五章 曲线与曲面 第六章 三维图形学
第一章 绪 论
计算机图形学与图象处理 计算机图形学的发展史 计算机图形学的应用 计算机图形学的发展方向
计算机图形学-第一章
45
1.4 图形显示设备 (阴极射线管显示器)
– 带宽问题
– 高分辨率和高的刷新频率要求有高带宽 1024*768/85模式需要85M带宽 – – – –
依然是个问题！ 解决方法：隔行扫描（现在已经基本不用，主流地显示器都采用逐行扫描方式） 隔行扫描的工作原理：把一帧分两场，即奇数场与偶数场 场频：==2*帧频
12
1.2 计算机图形学的发展
Whirlwind: early graphics using VectorScope (1951)
first CAD system (IBM 1959)
Spacewars: first computer graphics game (MIT 1961)
SketchPad: first interactive graphics (1961)
a31
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5×5图像
a51
a52
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a54
a55
x
0
直线的参数方程：ax+by+c=0
7
1.1 计算机图形学及其相关概念 计算机图形学研究的对象
8
• 图形与图像
—图像纯指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的 灰度信息。
—图形含有几何属性，更强调场景的几何表示， 是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组 成的。 —图形主要分为两类 – 基于线条信息表示 – 明暗图(Shading)
24
科学可视化
25
-By Science Visualization challenge 2013
科学可视化
1.4 图形显示设备 (阴极射线管显示器)
– 带宽问题
– 高分辨率和高的刷新频率要求有高带宽 1024*768/85模式需要85M带宽 – – – –
依然是个问题！ 解决方法：隔行扫描（现在已经基本不用，主流地显示器都采用逐行扫描方式） 隔行扫描的工作原理：把一帧分两场，即奇数场与偶数场 场频：==2*帧频
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1.2 计算机图形学的发展
Whirlwind: early graphics using VectorScope (1951)
first CAD system (IBM 1959)
Spacewars: first computer graphics game (MIT 1961)
SketchPad: first interactive graphics (1961)
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直线的参数方程：ax+by+c=0
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1.1 计算机图形学及其相关概念 计算机图形学研究的对象
8
• 图形与图像
—图像纯指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的 灰度信息。
—图形含有几何属性，更强调场景的几何表示， 是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组 成的。 —图形主要分为两类 – 基于线条信息表示 – 明暗图(Shading)
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科学可视化
25
-By Science Visualization challenge 2013
科学可视化
计算机图形学第1章 绪论
图形主要分为两类:
基于线条信息表示 明暗图(Shading)
什么是计算机图形学
• 定义：计算机图形学是研究怎样用计 算机生成、处理和显示图形的一门学 科。 • 计算机图形学属于计算机科学中最为 活跃、得到广泛应用的分支之一
计算机图形学的研究内容
• 如何在计算机中对图形进行表示、计 算、处理和显示的相关原理与算法， 构成了计算机图形学的主要研究内容。
– 是用计算机技术来生成一 个逼真的三维视觉、听觉、 触觉或嗅觉等感觉世界和与 世界交互
1.1.2 当前研究热点 真实感图形实时绘制
– 物体网格模型的面片简化：对网格面片表示的 模型，在一定误差的精度范围内，删除点、边、 面，从而简化所绘制场景的复杂度，加快图形 绘制速度
– 基于图象的绘制(IBR，Image Based Rendering)： 直接从一系列已知的图象中生成未知视角的图 象，适用于野外极其复杂场景的生成和漫游
讲授内容
第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 绪论 光栅设备 基本图形生成算法 自由曲线与曲面 图形裁剪 图形变换 计算机动画
第一章 绪论
1.1 应用及研究前沿 1.2 研究内容 1.3 发展历史
1.1 应用及研究前沿
1.2.1 计算机图形学的应用
先看几个我们自己的例子
• • • • OpenGL实例 虚拟小区浏览 脑颅骨绘制实例(2D,3D) GIS软件,等等。
• 计算机中重现真实世界的场景叫做真实感 绘制 • 真实感绘制的主要任务是模拟真实物体的 物理属性，简单的说就是物体的形状、光 学性质、表面的纹理和粗糙程度、以及物 体间的相对位置、遮挡关系等等
地理信息系统（GIS）
• 建立在地理图形之上的关于各种资源的 综合信息管理系统。 • 数字地球：地形数据作为载体。
计算机图形学版(陆枫)课后习题答案部分
2. 俯视图 H
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0 -sin(- 90°) cos( - 90°)0
第三章 交互式技术 什么是输入模式的问题，有哪几种输入模式。
第四章 图形的表示与数据结构 自学，建议至少阅读一遍
第五章 基本图形生成算法 概念：点阵字符和矢量字符； 直线和圆的扫描转换算法； 多边形的扫描转换：有效边表算法；
1 / 21
区域填充： 4／ 8 连通的边界／泛填充算法； 内外测试：奇偶规则，非零环绕数规则； 反走样：反走样和走样的概念，过取样和区域取样。
1) 平移：将点 P(5,4) 平移至原点 (0,0) ， 2) 旋转：图形绕原点（ 0 点）旋转 45 度， 3) 反平移：将 P 点移回原处 (5,4) ， 4) 变换矩阵：平移—旋转—反平移
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5) 变换过程：四边形 ABCD 的规范化齐次坐标 (x,y,1) * 3 阶二维变换矩阵
计算机图形学第二版（陆枫）课后习题集 第一章 绪论 概念：计算机图形学、图形、图像、点阵法、参数法、 图形的几何要素、非几何要素、数字图像处理； 计算机图形学和计算机视觉的概念及三者之间的关系； 计算机图形系统的功能、计算机图形系统的总体结构。
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第三章 交互式技术 什么是输入模式的问题，有哪几种输入模式。
第四章 图形的表示与数据结构 自学，建议至少阅读一遍
第五章 基本图形生成算法 概念：点阵字符和矢量字符； 直线和圆的扫描转换算法； 多边形的扫描转换：有效边表算法；
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区域填充： 4／ 8 连通的边界／泛填充算法； 内外测试：奇偶规则，非零环绕数规则； 反走样：反走样和走样的概念，过取样和区域取样。
1) 平移：将点 P(5,4) 平移至原点 (0,0) ， 2) 旋转：图形绕原点（ 0 点）旋转 45 度， 3) 反平移：将 P 点移回原处 (5,4) ， 4) 变换矩阵：平移—旋转—反平移
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5) 变换过程：四边形 ABCD 的规范化齐次坐标 (x,y,1) * 3 阶二维变换矩阵
计算机图形学第二版（陆枫）课后习题集 第一章 绪论 概念：计算机图形学、图形、图像、点阵法、参数法、 图形的几何要素、非几何要素、数字图像处理； 计算机图形学和计算机视觉的概念及三者之间的关系； 计算机图形系统的功能、计算机图形系统的总体结构。
精品课件-计算机图形学(张宁蓉)-第1章
第 1 章 绪论
3. 虚拟现实也称虚拟实境, 是一种可以创建和体验虚拟世界的 计算机系统, 它利用计算机技术生成一个逼真的, 具有视、 听、 触等多种感知功能的虚拟环境。
第 1 章 绪论 4. 现在的美术人员, 尤其是商业艺术设计人员都热衷于用计 算机软件从事艺术创作。 可用于美术创作的软件很多, 如二维 平面的画笔程序(CorelDraw、 PhotoShop、 PaintShop)、 专 门的图表绘制软件(Visio)、 三维建模和渲染软件包(3DMAX、 Maya), 以及一些专门生成动画的软件(Alias、 Softimage) 等, 可以说是数不胜数。
第 1 章 绪论 1.3 计算机图形学的应用 1. 计算机辅助设计与制造(CAD/CAM) 由于设计周期短、 成本低、 质量高, CAD/CAM是计算机图 形学的一个最广泛、 最活跃的应用领域, 如飞机、 汽车、 船 舶、 宇宙飞船、 计算机、 大规模集成电路、 民用建筑、 服 装等设计。
第 1 章 绪论 2. 科学计算可视化是指运用计算机图形学和图像处理技术, 将 科学计算过程中产生的数据及计算结果转换为图形或图像在屏幕 上显示出来, 并进行交互处理的理论、 方法和技术。
第 1 章 绪论 容易与计算机图形学的概念混淆的是图像处理。 随着学科 的发展, 图形和图像已经没有明确的界限了。 计算机图形学的 主要目的是由数学模型生成真实感图形, 其结果本身就是数字图 像。 当然, 图形有别于对实物拍摄或捡取的照片。 图形是运算 形成的抽象产物, 而图像是直接量化的原始信号形式。 它们的 定义及区别如下：
第 1 章 绪论 第1章 绪 论
1.1 计算机图形学概述 1.2 计算机图形学的发展史 1.3 计算机图形学的应用 1.4 计算机图形学的研究方向
计算机图形学习题参考答案(完整版)
计算机图形学习题参考答案第1章绪论1、第一届ACM SIGGRAPH会议是哪一年在哪里召开的？解：1974年，在Colorado大学召开了第一届SIGGRAPH年会。
2、计算机图形学之父是谁？解：Sutherland3、列举一些计算机图形学的应用领域（至少5个）。
解：计算机辅助设计、图示图形学、计算机艺术、娱乐、教学与培训、可视化、图像处理、图形用户界面等。
4、简要介绍计算机图形学的研究内容。
解：（1）图形的输入。
如何开发和利用图形输入设备及相关软件把图形输入到计算机中，以便进行各种处理。
（2）图形的处理。
包括对图形进行变换（如几何变换、投影变换）和运算（如图形的并、交、差运算）等处理。
（3）图形的生成和输出。
如何将图形的特定表示形式转换成图形输出系统便于接受的表示形式，并将图形在显示器或打印机等输出设备上输出。
5、简要说明计算机图形学与相关学科的关系。
解：与计算机图形学密切相关的学科主要有图像处理、计算几何、计算机视觉和模式识别等。
计算机图形学着重讨论怎样将数据模型变成数字图像。
图像处理着重研究图像的压缩存储和去除噪音等问题。
模式识别重点讨论如何从图像中提取数据和模型。
计算几何着重研究数据模型的建立、存储和管理。
随着技术的发展和应用的深入，这些学科的界限变得模糊起来，各学科相互渗透、融合。
一个较完善的应用系统通常综合利用了各个学科的技术。
6、简要介绍几种计算机图形学的相关开发技术。
解：（1）OpenGL。
OpenGL是一套三维图形处理库，也是该领域事实上的工业标准。
OpenGL独立于硬件、操作系统和窗口系统，能运行于不同操作系统的各种计算机，并能在网络环境下以客户/服务器模式工作，是专业图形处理、科学计算等高端应用领域的标准图形库。
以OpenGL为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植；OpenGL与C/C++紧密接合，便于实现图形的相关算法，并可保证算法的正确性和可靠性；OpenGL使用简便，效率高。
计算机图形学绪论
手套、数据衣），用户的手势、表情等等 第五阶段：用户的思维
山东科技大学信息学院
山东科技大学信息学院
山东科技大学信息学院
1.2.3图形软件发展及软件 标准的形成
发展历程
诸侯割据
标准讨论
标准形成
山东科技大学信息学院
图形软件发展及软件标准形成
三种类型的计算机图形软件系统： (1)用某种语言写成的子程序包 如: GKS (Graphics Kernel System) PHIGS(Programmer’sHerarchical Iuteractive Graphics system ) GL 便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低 (2）扩充计算机语言，使其具有图形生成和处理的功能 如：Turbo Pascal、Turbo C，AutoLisp等。 简练、紧凑、执行速度快，但可移植性差
山东科技大学信息学院
优点：
提供多种风格的画笔画刷 提供多种多样的纹理贴图，甚至能对图象进行雾化，
变形等操作 可以任意修改，取消败笔
不足：
无法达到传统绘画中风格化的 艺术效果 很难得到有素描效果、油画效果的艺术品
山东科技大学信息学院
山东科技大学信息学院
非真实感绘制（NPR，Non-Photorealistic Rendering）
山东科技大学信息学院
在医学领域，可视化有着广阔的发展前途
是机械手术和远程手术的基础 将医用CT扫描的数据转化为三维图象，帮助医
生判别病人体内的患处 由CT数据产生在人体内漫游的图象
可化的前沿与难点
可视化硬件的研究 实时的三维体绘制 体内组织的识别分割——Segmentation
山东科技大学信息学院
用于模拟艺术效果，研究方法有别于真实感图形 学
山东科技大学信息学院
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1.2.3图形软件发展及软件 标准的形成
发展历程
诸侯割据
标准讨论
标准形成
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图形软件发展及软件标准形成
三种类型的计算机图形软件系统： (1)用某种语言写成的子程序包 如: GKS (Graphics Kernel System) PHIGS(Programmer’sHerarchical Iuteractive Graphics system ) GL 便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低 (2）扩充计算机语言，使其具有图形生成和处理的功能 如：Turbo Pascal、Turbo C，AutoLisp等。 简练、紧凑、执行速度快，但可移植性差
山东科技大学信息学院
优点：
提供多种风格的画笔画刷 提供多种多样的纹理贴图，甚至能对图象进行雾化，
变形等操作 可以任意修改，取消败笔
不足：
无法达到传统绘画中风格化的 艺术效果 很难得到有素描效果、油画效果的艺术品
山东科技大学信息学院
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非真实感绘制（NPR，Non-Photorealistic Rendering）
山东科技大学信息学院
在医学领域，可视化有着广阔的发展前途
是机械手术和远程手术的基础 将医用CT扫描的数据转化为三维图象，帮助医
生判别病人体内的患处 由CT数据产生在人体内漫游的图象
可化的前沿与难点
可视化硬件的研究 实时的三维体绘制 体内组织的识别分割——Segmentation
山东科技大学信息学院
用于模拟艺术效果，研究方法有别于真实感图形 学
第1讲 计算机图形学与CAD技术-绪论
1) 计算功能
机械CAD系统除了要进行各种数值的计算之外，还应能运用已积 累的设计经验，获得设计对象的几种设计方案，对结构进行物性 参数计算和力学性能分析。
2) 人机交互功能
在机械CAD中，人机接口是用户与系统的桥梁。友好的界面是保 证用户有效地完成复杂设计任务的基本条件，此外还需要交互设 备，以实现人与计算机之间的对话。
– CAD是一种技术，其中人与机（计算机）结合为一个问题 求解组，紧密配合，发挥各自所长，从而使其工作优于每 一方，并为应用多学科的方法的综合性协作提供了可能
华中科技大学CAD中心
CAD基本概念综合定义
CAD是用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程进行设计、 修改、分析和优化的一种设计方法。
在CAD系统中人与计算机密切合作，在不同的方面人与计算机 充分发挥各自的特长，因此CAD系统是一个人机结合的系统。
支持复杂计算，计算精度高，减轻设计强度，提 高了设计精度和可靠性
设计、分析综合，能进行产品性能分析优化，有 利提高产品质量 设计信息、知识、资源及设计过程共享 可重用性好（拷贝修改） ，设计效率高、周期短 有利于产品全生命周期的信息集成
华中科技大学CAD中心
思考问题：
结合自己的专业背景，指出CAD的优势有哪些 ? ?
CAPP工艺路线及工序的编制；
CAM生成刀具加工轨迹，生成加工代码； PLM（PDM）管理产品全生命开发过程中的数据、流程、 团队、项目任务，实现协同开发（并行工程），集成 开发平台。
华中科技大学CAD中心
CAD
CAE
CAPP
CAM
华中科技大学CAD中心
1.2.2 机械CAD系统的内容
CAD系统的基本功能：
机械CAD系统除了要进行各种数值的计算之外，还应能运用已积 累的设计经验，获得设计对象的几种设计方案，对结构进行物性 参数计算和力学性能分析。
2) 人机交互功能
在机械CAD中，人机接口是用户与系统的桥梁。友好的界面是保 证用户有效地完成复杂设计任务的基本条件，此外还需要交互设 备，以实现人与计算机之间的对话。
– CAD是一种技术，其中人与机（计算机）结合为一个问题 求解组，紧密配合，发挥各自所长，从而使其工作优于每 一方，并为应用多学科的方法的综合性协作提供了可能
华中科技大学CAD中心
CAD基本概念综合定义
CAD是用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程进行设计、 修改、分析和优化的一种设计方法。
在CAD系统中人与计算机密切合作，在不同的方面人与计算机 充分发挥各自的特长，因此CAD系统是一个人机结合的系统。
支持复杂计算，计算精度高，减轻设计强度，提 高了设计精度和可靠性
设计、分析综合，能进行产品性能分析优化，有 利提高产品质量 设计信息、知识、资源及设计过程共享 可重用性好（拷贝修改） ，设计效率高、周期短 有利于产品全生命周期的信息集成
华中科技大学CAD中心
思考问题：
结合自己的专业背景，指出CAD的优势有哪些 ? ?
CAPP工艺路线及工序的编制；
CAM生成刀具加工轨迹，生成加工代码； PLM（PDM）管理产品全生命开发过程中的数据、流程、 团队、项目任务，实现协同开发（并行工程），集成 开发平台。
华中科技大学CAD中心
CAD
CAE
CAPP
CAM
华中科技大学CAD中心
1.2.2 机械CAD系统的内容
CAD系统的基本功能：
浙江大学工程计算机图形学第一章 绪论
1984年，美国Cornell大学和日本广岛大学的学者 分别将热辐射工程中的辐射度方法引入到计算机图 形学中
图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展
工程及计算机图形学
浙江大学工程及计算机图学所
计算机图形学的发展
提高增强期（90年代）
90年代：微机和软件系统的普及使得图形学的应用领 域日益广泛。
1962年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bézier 提出 Bézier曲线、曲面的理论
1964年MIT的教授Steven A. Coons提出了超限插值的 新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。
工程及计算机图形学
浙江大学工程及计算机图学所
计算机图形学的计算机来显示、生成 和处理图形的原理、方法和技术的一门学科。
IEEE定义：Computer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer.
工程及计算机图形学
无需将芯片植入大脑 感应帽便可读出人的思想
美国纽约大学的研究人员发 明“感应帽”，即在一个头 盔上安装64个电极，这些电 极可以从大脑皮层灵敏地捕 捉到大脑发出的信号。已有4 名试验者在经过一段时间训 练后可以通过思想来操纵电 脑显示器的光标。
牛津大学神经外科教授 Tipu Aziz 等人研究可刺 激性欲和增加爽感的脑植 入芯片
中国计算机图形学大会 Chinagraph (/)
SIGGRAPH
SIGGRAPH ASIA
截稿 23 January 2008 Late May 2008
会议 11-15 August 2008 11-13 Dec. 2008
图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展
工程及计算机图形学
浙江大学工程及计算机图学所
计算机图形学的发展
提高增强期（90年代）
90年代：微机和软件系统的普及使得图形学的应用领 域日益广泛。
1962年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bézier 提出 Bézier曲线、曲面的理论
1964年MIT的教授Steven A. Coons提出了超限插值的 新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。
工程及计算机图形学
浙江大学工程及计算机图学所
计算机图形学的计算机来显示、生成 和处理图形的原理、方法和技术的一门学科。
IEEE定义：Computer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer.
工程及计算机图形学
无需将芯片植入大脑 感应帽便可读出人的思想
美国纽约大学的研究人员发 明“感应帽”，即在一个头 盔上安装64个电极，这些电 极可以从大脑皮层灵敏地捕 捉到大脑发出的信号。已有4 名试验者在经过一段时间训 练后可以通过思想来操纵电 脑显示器的光标。
牛津大学神经外科教授 Tipu Aziz 等人研究可刺 激性欲和增加爽感的脑植 入芯片
中国计算机图形学大会 Chinagraph (/)
SIGGRAPH
SIGGRAPH ASIA
截稿 23 January 2008 Late May 2008
会议 11-15 August 2008 11-13 Dec. 2008
图形学绪论
6/19/2014 37
计算机图形学发展历史 图形显示设备的发展
画线显示器（矢量显示器/随机扫描显示器）60年代中 存储管式显示器（60年代末） 刷新式光栅扫描显示器（70年代初）
6/19/2014
38
计算机图形学发展历史
刷新式
电子束轰击荧光屏产生的亮点只能持续极短的 时间，为了产生静态的不闪烁的图像，电子 束必须周期性地反复扫描所要绘制的图形， 这个过程称为刷新
=1秒/荧光物质的持续发光时间 （例如）=1000ms/40ms=25Hz
6/19/2014 重庆邮电学院 46
图形显示设备
像素(Pixel:Picture Cell)：构成屏 幕（图像）的最小元素 分辨率(Resolution)：CRT在水平或 竖直方向单位长度上能识别的最大像 素个数，单位通常为dpi（dots per inch)。在假定屏幕尺寸一定的情况 下，也可用整个屏幕所能容纳的像素 个数描述，如640*480，800*600， 1024*768，1280*1024等等
光照模型
简单光照模型 局部光照模型 整体光照模型
绘制方法
光线跟踪 辐射度
加速算法
包围体树、自适应八叉树等等
6/19/2014
31
6/19/2014
32
6/19/2014
33
6/19/2014
34
1.3 计算机图形学发展历史 50年代
1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理 工学院（MIT）旋风I号（Whirlwind I）计 算机的附件诞生了 50年代末期，MIT的林肯实验室在“旋风” 计算机上开发SAGE空中防御体系，标志交互 式图形技术的文字诞生。
6/19/2014 36
计算机图形学发展历史
计算机图形学发展历史 图形显示设备的发展
画线显示器（矢量显示器/随机扫描显示器）60年代中 存储管式显示器（60年代末） 刷新式光栅扫描显示器（70年代初）
6/19/2014
38
计算机图形学发展历史
刷新式
电子束轰击荧光屏产生的亮点只能持续极短的 时间，为了产生静态的不闪烁的图像，电子 束必须周期性地反复扫描所要绘制的图形， 这个过程称为刷新
=1秒/荧光物质的持续发光时间 （例如）=1000ms/40ms=25Hz
6/19/2014 重庆邮电学院 46
图形显示设备
像素(Pixel:Picture Cell)：构成屏 幕（图像）的最小元素 分辨率(Resolution)：CRT在水平或 竖直方向单位长度上能识别的最大像 素个数，单位通常为dpi（dots per inch)。在假定屏幕尺寸一定的情况 下，也可用整个屏幕所能容纳的像素 个数描述，如640*480，800*600， 1024*768，1280*1024等等
光照模型
简单光照模型 局部光照模型 整体光照模型
绘制方法
光线跟踪 辐射度
加速算法
包围体树、自适应八叉树等等
6/19/2014
31
6/19/2014
32
6/19/2014
33
6/19/2014
34
1.3 计算机图形学发展历史 50年代
1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理 工学院（MIT）旋风I号（Whirlwind I）计 算机的附件诞生了 50年代末期，MIT的林肯实验室在“旋风” 计算机上开发SAGE空中防御体系，标志交互 式图形技术的文字诞生。
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计算机图形学发展历史
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计算机图形学
山东科技大学 图象工程研究所 虚拟现实实验室
教学要求
了解图形系统的框架及其涉及的软件、 硬件技术； 了解图形学的基本问题，掌握图形学的 基本概念、方法与算法； 对与图形相关的应用及当前的研究热点 有一个初步认识； 具有一定实践体会和相关的编程能力。
山东科技大学信息学院
教材或参考书：
教材
60年代中期：画线显示器（亦称矢量显示器） 需要刷新。设备昂贵，限制普及 60年代后期：存储管式显示器 不需刷新，价格较低，缺点是不具有动态修 改 图形功能，不适合交互式。
山东科技大学信息学院
70年代初，刷新式光栅扫描显示器出现， 大大地推动了交互式图形技术的发展。 以点阵形式表示图形，使用专用的缓冲区 存放点阵，由视频控制器负责刷新扫描。
1.1.1 图形与图象
定义：计算机图形学是研究怎样用数字 计算机生成、处理和显示图形的一门学 科。
山东科技大学信息学院
计算机图形学的研究内容
如何在计算机中表示图形、以及利用计 算机进行图形的计算、处理和显示的相 关原理与算法，构成了计算机图形学的 主要研究内容。
图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形 生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形 计算与显示算法，以及科学计算可视化、计算机动 画、自然景物仿真、虚拟现实等。
山东科技大学信息学院
图形显示设备的发展：
画线显示器（矢量显示器/随机扫描显示器） 存储管式显示器
山东科技大学信息学院
70年代
光栅图形学迅速发展
区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其相 应算法纷纷诞生
图形软件标准化
1974年，ACM SIGGRAPH的与“与机器无关的 图形技术”的工作会议
ACM成立图形标准化委员会，制定“核心图形系 统”（Core Graphics System）
1958年，美国Calcomp公司由联机的数字记录仪发 展成滚筒式绘图仪，GerBer公司把数控机床发展成 为平板式绘图仪
50年代末期，MIT的林肯实验室在“旋风”计算机 上开发SAGE空中防御体系
山东科技大学信息学院
60年代
1962年，MIT林肯实验室的I. E. Sutherland发表了 一篇题为“Sketchpad：一个人机交互通信的图形
图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展
山东科技大学信息学院
90年代：微机和软件系统的普及使得图形学的 应用领域日益广泛。 标准化、集成化、智能化 多媒体技术、人工智能、科学计算可视化、
虚拟现实 三维造型技术
山东科技大学信息学院
ACM SIGGRAPH会议小知识
全称 “the Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques”
山东科技大学信息学院
图象处理的研究内容
研究如何对一幅连续图像取样、量化以产生数字 图像，如何对数字图像做各种变换以方便处理， 如何滤去图像中的无用噪声，如何压缩图像数据 以便存储和传输，图像边缘提取，特征增强和提 取。
山东科技大学信息学院
1.1.2 计算机图形学与图象处 理的联系与区别(图1-1)
ISO发布CGI、CGM、GKS、PHIGS
山东科技大学信息学院
真实感图形学
1970年，Bouknight提出了第一个光反射模型 1971年Gourand提出“漫反射模型＋插值”的思
想，被称为Gourand明暗处理 1975年，Phong提出了著名的简单光照模型-
Phong模型
实体造型技术
1.2计算机图形学的发展历史
1.2.1 历史追溯 1.2.2 硬件发展
图形显示器的发展 图形输入设备的发展 1.2.3 图形软件及软件标准的发 展
山东科技大学信息学院
1.2.1 历史追溯
50年代
1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院 （MIT）旋风I号（Whirlwind I）计算机的附件诞生 了
山东科技大学信息学院
第一章 绪论
1.1 计算机图形学与图象处理 1.2 计算机图形学的发展历史 1.3 计算机图形学的应用 1.4 计算机图形学的发展动向
山东科技大学信息学院
1.1 计算机图形学与图象处理
1.1.1 图形与图象 1.1.2 计算机图形学与图象处理
的联系与区别（见图1-1）
山东科技大学信息学院
英国剑桥大学CAD小组的Build系统 美国罗彻斯特大学的PADL-1系统
山东科技大学信息学院
80年代
1980年Whitted提出了一个光透视模型Whitted模型，并第一次给出光线跟踪算法 的范例，实现Whitted模型
1984年，美国Cornell大学和日本广岛大学 的学者分别将热辐射工程中的辐射度方法引 入到计算机图形学中
60年代中期，由Brown 大学的教授Andries van Dam (Andy) 和IBM公司的Sam Matsa发起
1974年，在Colorado大学召开了第一届SIGGRAPH 年会，并取得了巨大的成功
每年只录取大约50篇论文
山东科技大学信息学院
1.2.2 硬件发展
图形显示器的发展 图形显示器是计算机图形学中关键的设备
系统”的博士论文--确定了交互图形学作为一 个学科分支（提出基本交互技术、图元分层 表示概念及数据结构…)。
1962年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bézier 提出 Bézier曲线、曲面的理论 的新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲 面。
孙家广：计算机图形学(第三版），清华大学出版社，2002。 孙家广，胡事民：计算机图形学基础教程。清华大学出版 社，2005 唐泽圣：计算机图形学基础，清华大学出版社，1998。 唐荣锡、汪嘉业：计算机图形学教程。科学出版社，2002
主要参考书：
倪明田等，“计算机图形学”，北京大学出版社，1999。 Donald Hearn, M. Pauline Baker ,“Computer Graphics (C Version)”, Prentice Hall , 1997. 常明、朱林。计算机图形学。华中科技大学出版社‘2001
山东科技大学 图象工程研究所 虚拟现实实验室
教学要求
了解图形系统的框架及其涉及的软件、 硬件技术； 了解图形学的基本问题，掌握图形学的 基本概念、方法与算法； 对与图形相关的应用及当前的研究热点 有一个初步认识； 具有一定实践体会和相关的编程能力。
山东科技大学信息学院
教材或参考书：
教材
60年代中期：画线显示器（亦称矢量显示器） 需要刷新。设备昂贵，限制普及 60年代后期：存储管式显示器 不需刷新，价格较低，缺点是不具有动态修 改 图形功能，不适合交互式。
山东科技大学信息学院
70年代初，刷新式光栅扫描显示器出现， 大大地推动了交互式图形技术的发展。 以点阵形式表示图形，使用专用的缓冲区 存放点阵，由视频控制器负责刷新扫描。
1.1.1 图形与图象
定义：计算机图形学是研究怎样用数字 计算机生成、处理和显示图形的一门学 科。
山东科技大学信息学院
计算机图形学的研究内容
如何在计算机中表示图形、以及利用计 算机进行图形的计算、处理和显示的相 关原理与算法，构成了计算机图形学的 主要研究内容。
图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形 生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形 计算与显示算法，以及科学计算可视化、计算机动 画、自然景物仿真、虚拟现实等。
山东科技大学信息学院
图形显示设备的发展：
画线显示器（矢量显示器/随机扫描显示器） 存储管式显示器
山东科技大学信息学院
70年代
光栅图形学迅速发展
区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其相 应算法纷纷诞生
图形软件标准化
1974年，ACM SIGGRAPH的与“与机器无关的 图形技术”的工作会议
ACM成立图形标准化委员会，制定“核心图形系 统”（Core Graphics System）
1958年，美国Calcomp公司由联机的数字记录仪发 展成滚筒式绘图仪，GerBer公司把数控机床发展成 为平板式绘图仪
50年代末期，MIT的林肯实验室在“旋风”计算机 上开发SAGE空中防御体系
山东科技大学信息学院
60年代
1962年，MIT林肯实验室的I. E. Sutherland发表了 一篇题为“Sketchpad：一个人机交互通信的图形
图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展
山东科技大学信息学院
90年代：微机和软件系统的普及使得图形学的 应用领域日益广泛。 标准化、集成化、智能化 多媒体技术、人工智能、科学计算可视化、
虚拟现实 三维造型技术
山东科技大学信息学院
ACM SIGGRAPH会议小知识
全称 “the Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques”
山东科技大学信息学院
图象处理的研究内容
研究如何对一幅连续图像取样、量化以产生数字 图像，如何对数字图像做各种变换以方便处理， 如何滤去图像中的无用噪声，如何压缩图像数据 以便存储和传输，图像边缘提取，特征增强和提 取。
山东科技大学信息学院
1.1.2 计算机图形学与图象处 理的联系与区别(图1-1)
ISO发布CGI、CGM、GKS、PHIGS
山东科技大学信息学院
真实感图形学
1970年，Bouknight提出了第一个光反射模型 1971年Gourand提出“漫反射模型＋插值”的思
想，被称为Gourand明暗处理 1975年，Phong提出了著名的简单光照模型-
Phong模型
实体造型技术
1.2计算机图形学的发展历史
1.2.1 历史追溯 1.2.2 硬件发展
图形显示器的发展 图形输入设备的发展 1.2.3 图形软件及软件标准的发 展
山东科技大学信息学院
1.2.1 历史追溯
50年代
1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院 （MIT）旋风I号（Whirlwind I）计算机的附件诞生 了
山东科技大学信息学院
第一章 绪论
1.1 计算机图形学与图象处理 1.2 计算机图形学的发展历史 1.3 计算机图形学的应用 1.4 计算机图形学的发展动向
山东科技大学信息学院
1.1 计算机图形学与图象处理
1.1.1 图形与图象 1.1.2 计算机图形学与图象处理
的联系与区别（见图1-1）
山东科技大学信息学院
英国剑桥大学CAD小组的Build系统 美国罗彻斯特大学的PADL-1系统
山东科技大学信息学院
80年代
1980年Whitted提出了一个光透视模型Whitted模型，并第一次给出光线跟踪算法 的范例，实现Whitted模型
1984年，美国Cornell大学和日本广岛大学 的学者分别将热辐射工程中的辐射度方法引 入到计算机图形学中
60年代中期，由Brown 大学的教授Andries van Dam (Andy) 和IBM公司的Sam Matsa发起
1974年，在Colorado大学召开了第一届SIGGRAPH 年会，并取得了巨大的成功
每年只录取大约50篇论文
山东科技大学信息学院
1.2.2 硬件发展
图形显示器的发展 图形显示器是计算机图形学中关键的设备
系统”的博士论文--确定了交互图形学作为一 个学科分支（提出基本交互技术、图元分层 表示概念及数据结构…)。
1962年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bézier 提出 Bézier曲线、曲面的理论 的新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲 面。
孙家广：计算机图形学(第三版），清华大学出版社，2002。 孙家广，胡事民：计算机图形学基础教程。清华大学出版 社，2005 唐泽圣：计算机图形学基础，清华大学出版社，1998。 唐荣锡、汪嘉业：计算机图形学教程。科学出版社，2002
主要参考书：
倪明田等，“计算机图形学”，北京大学出版社，1999。 Donald Hearn, M. Pauline Baker ,“Computer Graphics (C Version)”, Prentice Hall , 1997. 常明、朱林。计算机图形学。华中科技大学出版社‘2001