《计算机图形学教学资料》1
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办公自动化及电子印刷 过程模拟 辅助教学
2019/8/6
计算机图形学应用举例—计算机辅助设计与制造
2019/8/6
2019/8/6
真实感图形
2019/8/6
2019/8/6
计算机动画
2019/8/6
2019/8/6
光照效果图
2019/8/6
纹理合成效果图
2019/8/6
真实感图形
2019/8/6
计算机图形学发展简史（3）
• 图形软件及算法的发展
• 图形软件系统分类
1. 用现有的某种计算机高级语言写成的子程序包。如OPENGL软件包。 2. 为语言扩充出图形功能：以某种计算机高级语言为基础，扩充了处理图形
的语句和数据类型，使其具有图形生成和处理功能。如Turbo C 3. 专用的图形系统
定义了用高级语言编写图形应用程序和 图形程序包之间的功能接口。
功能接口包括交互和非交互式设备的全 部图形处理功能。
应用程序使用图形资源必须通过GKS。 采用单层、平面图形数据结构，图形段
不能相互嵌套。不能实现图形数据的动 态修改和绘制显示。
2019/8/6
程序员分层交互式图形系统PHIGS
第二部分：接口部分
图形的输入、输出界面设计及功能实现
第三部分：软件部分
图形处理: 针对图形几何、非几何要素进行的处理
2019/8/6
相关学科
图象处理(image process)
图象（对象的图形、
图象）
计算机图形学 (computer graphics)
模式识别 (pattern recognition)
2019/8/6
几何数据和数学模型 （对象的描述）
计算几何学(computing geometry)
计算机图形学发展简史（1）
计算机图形学是伴随着电子计算机及其外围设备发 展而产生和发展起来的.
总体发展情况：
• 50年代：MIT—Whirlwind,平板和滚筒绘图仪,SAGE系统 • 60年代：1962,Sutherland博士学位论文(Sketchpad drawing
2019/8/6
图 2-6 各图形标准在图形系统中作用范围
图形软件开发方案图示
应
用 接口： 程 标准图形包 序
图 形 设备驱动程序 设 备
图形系统开发策略
2019/8/6
计算机图形学的应用（1）
图形用户界面（GUI：HCI的重要方式）
直观易记的菜单、按钮等图形对象及简洁的操作 方式，降低了软件的使用难度。
数、线段和多边形的端点坐标等）和属性参数（颜色、 线型等）来表示图形。
2019/8/6
概念辨异: “图形graphics”与“图象image”
描述方法不一样：
•图象：只有非几何信息，没有几何（轮廓）信息，用点阵来描述。 •图形：有几何和非几何信息，用参数法来描述。如轮廓：x2＋y2=r2， 颜色为红色；描述一个半径为r的红色圆。
2019/8/6
产品模型数据转换标准STEP
Standard for the Exchange of Product model Data
目的：
克服IGES的问题，扩大转换CAD/CAM 系统中几何、拓扑数据的范围。
提供中性产品数据的公共资源和应用模 型（覆盖产品整个生命周期的应用，全 面定义产品的所有数据元）。
2019/8/6
图形的表示方法
1）点阵法-----象素图（简称图象image） 用具有灰度或色彩的点阵来表示图形。强调图
形由那些点组成，并具有什么灰度或色彩。二维数字 图象用矩阵Pij(i=0,1,2,…m,j=0,1,2,…n)表示， 其中Pij 表示图象在(i,j)点的颜色值。
2) 参数法-----参数图（简称图形graphics ） 用形状参数（描述图形的方程或分析表达式的系
2019/8/6
子程序界面标准
•面向图形应用软件的标准。
供图形应用程序调用的子程 序功能及格式标准。包括：
•GKS(图形核心系统) •PHIGS(程序员层次交互式图形系
统)
•GL(图形功能库)
2019/8/6
图形核心系统GKS和GKS-3D
Graphical Kernel System 功能：
Programmer’s Hierarchical Interactive Graphics System 功能：
为具有高度动态性、交互性的三维图形应用而 设计的图形软件工具库
图形数据按层次结构组织，便于描述多层次的 应用模型
支持三维图形的层次嵌套结构，任何一个图形 结构经适当的几何变换后可成为更复杂对象的 组成部分
的数据交换。 内容：定义了一套表示CAD/CAM系统中常
用的几何和非几何数据格式以及相应的文件结 构。
使用：由系统中的IGES前、后处理器完成
IGES格式文件的输出（系统格式转换为IGES 格式）、输入（IGES格式转换为系统格式）。
问题：数据不精确、不完整（不同CAD系统
中概念不一样）、数据量太大等
计算机图形学的应用（2）
科学计算可视化
建立大量的枯燥的数据和图形间的关系，并将关系 以图形形式在屏幕上显示，使观察者易发现其中的各种 变化规律。如根据气相卫星传回的大批数据绘出未来一 段时间天气的变化趋势。
艺术
如用绘图软件（Photoshop）通过鼠标，触摸屏等 输入设备在计算机上绘图：修改方便，通过系统调色版 调色容易，提供剪切、拼贴、过虑等效果 。
几何要素（刻划形状)：点、线、面 非几何要素(反映物体表面属性或材质）：颜
色，灰度等
2019/8/6
几何（Geometry）信息
2019/8/6
非几何信息
光照(illumination) & 纹理(texture)
2019/8/6
图形的概念
定义：从客观世界的物体（对象）中抽象 出来的，具有灰度、颜色（色彩） 和形状的图或形 。。
计算机图形学：是研究通过计算机将数据转换为图形， 并在专用的图形设备上进行显示的原理、方法和技术 的学科。
具体讲，计算机图形学是研究如何生成、存储、处理、 显示、输入和输出图形的学科。
2019/8/6
计算机图形学总体研究内容
第一部分：硬件部分
输入输出设备：与相应软件共同完成图形的输入输出
2019/8/6
图形功能库GL
图形工作站上的工业标准图形程序库（UNIX操作系统） OpenGL（Windows 操作系统） 提供功能：
•基本图素（直线、多边形、曲线、曲 面、字符等）的生成 •坐标变换 •设置图形属性和显示方式 •输入/输出处理(启动输入，输出设 备) •真实图形显示
2019/8/6
图形软件标准
2019/8/6
数据及文件格式标准
面向图形设备的接口标准： CGI(计算机图形接口)
提供控制图形硬件的一种与设 备无关的方法。可看作是图形设 备驱动程序的一种标准。
CGM(计算机图形元文件)
是一套与设备无关的语义词法 定义的图形文件格式。
2019/8/6
数据及文件格式标准
交互式绘图
通过交互方式绘制图形。如教师绘制数学、物理 的图形；统计工作者绘制统计的直方图，饼形图来直 观简明反映数据的变化趋势。
计算机辅助设计与制造（CAD：应用广泛）
CAD已广泛的用于飞机如波音777的设计，轮船和 汽车的设计，超大规模集成电路的设计，缩短了设计 2019/8/6
图形的实例
人眼所看到的自然景物； 用摄影机、录象机等装置获得的照片、图片； 用绘图机或绘图工具绘制的工程图、设计图、
方框图； 各种人工美术绘画、雕塑品； 用数学方法描述的图形（包括几何图形、代
数方程或分析表达式所确定的图形）；
2019/8/6
构成图形的两个要素：
2019/8/6
章节安排
第一章：计算机图形学概述(ch1) 第二章：交互技术与用户接口(ch2) 第三章：基本图形生成算法(ch3) 第四章：图形几何变换(ch4) 第五章：三维观察(ch5) 第六章：光照明模型基础(ch6) *曲线生成基础 (ch7)
2019/8/6
本课程知识体系结构
第一部分：图形设备（ch1 & 2） 第二部分：介绍图形界面设计及接口技术（ch2） 第三部分：图形生成、显示及处理技术
姓名: 杨新武 单位: 计算机学院
2019/8/6
计算机图形学
Computer Graphics
2019/8/6
参考书目(reference book)
计算机图形学教程，孙正兴主编，机械工业出版社，2006 计算机图形学教程，王汝传，黄海平，人民邮电出版社，2009 孙家广，胡事民，计算机图形学，清华大学出版社，2005 计算机图形学，倪明田，吴良芝，北京大学出版社，1999 计算机图形学，孙家广，杨长贵等编，清华大学出版社，1995
2019/8/6
计算机图形学的应用（3）
计算机动画
利用动画制作软件在计算机制作动画：用造型工 具创作出形象逼真的演员、场景；可在关键画面之间自 动插入中间画面。大大提高了动画制作的质量和效率。
虚拟现实（VR）
用计算机模拟三维图形空间，并使用户能自然地 与该空间进行交互。常用于航空航天、医学、教育、艺 术、建筑等领域。
2019/8/6
2019/8/6
2019/8/6
曲面重构(surface reconstruction)
2019/8/6
较为活跃的研究方向（1）
造型技术方面
造型技术：研究如何在计算机中构造出二维、三维物体 的模型，并用合适的数据结构将它用一批数据及相互之 间的拓扑关系表示出来。
根据是否能以欧氏几何（整数维）方法描述，形体分为： 规则形体（直线段、多边形、多面体、多项式曲线等,统 称几何模型）和不规则形体（山、树，云等自然景物）。
• 图形软件功能标准化
• 1974年ACM SIGGRAPH举办“与机器无关的图形技术会议” • 成立了一个图形标准化委员会，开始标准的制定 • ISO和ANSI批准的第一个国际图形标准是：GKS（计算机图形学核心系统） 事实上是企业标准与国际标准并存，如：OpenGL,DirectX等
2019/8/6
60年代：矢量(vector)显示器（刷新能力非常有限） 60年代末期：存储管式显示器（使用金属网构造靶像）
70年代，开花结果的时期，进入这种技术的实用阶段
70年代初期：刷新式光栅(raster)扫描显示器 输入设备：二维：鼠标，跟踪球，光笔，触摸屏，操纵杆：三维：
空间球，数据手套。形式多样、推陈出新，向着使人能够更自然、 更方便地与计算机进行交互的方向发展
计算机图形软件的标准化
计算机图形软件的标准通常是指图形系统及其 相关应用系统中各界面之间进行数据传送和通信 的接口标准,以及供图形应用程序调用的子程序功 能及其格式标准。
前者称之为数据及文件格式标准(包括CGI，CGM，
IGES 和STEP)
后者称为子程序界面标准(包括GKS，PHIGS和GL）
光栅图形的生成（ch3） 图形处理（ch4 & 5） 光照明模型基础（ch6） 三维图形造型技术（ch7）
2019/8/6
绪言 Introduction to Computer Graphics
2019/8/6
什么是图形(Graphics)
广义范畴 能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象.
system) 。60年代后期，一些大公司、著名实验室开展相关研 究
• 70年代：开始进入实用阶段 • 80年代：软硬件技术的快速发展使图形学得到广泛应用 • 90年代：进入标准化、集成化、智能化研究阶段
2019/8/6
计算机图形学发展简史（2）
图形学发展的三个阶段(图形硬件的发展水平)：
50年代,准备和酝酿的时期,“被动”的图形学 60年代,蓬勃发展的时期
处理方法不一样：
•图形处理常用各种几何变换：投影，平移，旋转等； •图象常用增强，还原等方法。
表示精度不一样：
图形用参数方程描述，放大显示时精度不变；
图象用象素点阵描述，放大时象素个数不变，线度变大，图象变粗糙。
2019/8/6
什么是计算机图形学(Computer Graphics)
ISO在其数据处理词典中给出如下定义：
面向图形应用系统中的工 程和产品数据模型及其文 件格式的标准： IGES(基本图形转换规范) STEP(产品模型数据转换 标准)
2019/8/6
基本图形转换规范IGES
Initial Graphics Exchange Specification 是实际上的工业标准。 目的：处理在不同的CAD/CAM系统间进行
2019/8/6
计算机图形学应用举例—计算机辅助设计与制造
2019/8/6
2019/8/6
真实感图形
2019/8/6
2019/8/6
计算机动画
2019/8/6
2019/8/6
光照效果图
2019/8/6
纹理合成效果图
2019/8/6
真实感图形
2019/8/6
计算机图形学发展简史（3）
• 图形软件及算法的发展
• 图形软件系统分类
1. 用现有的某种计算机高级语言写成的子程序包。如OPENGL软件包。 2. 为语言扩充出图形功能：以某种计算机高级语言为基础，扩充了处理图形
的语句和数据类型，使其具有图形生成和处理功能。如Turbo C 3. 专用的图形系统
定义了用高级语言编写图形应用程序和 图形程序包之间的功能接口。
功能接口包括交互和非交互式设备的全 部图形处理功能。
应用程序使用图形资源必须通过GKS。 采用单层、平面图形数据结构，图形段
不能相互嵌套。不能实现图形数据的动 态修改和绘制显示。
2019/8/6
程序员分层交互式图形系统PHIGS
第二部分：接口部分
图形的输入、输出界面设计及功能实现
第三部分：软件部分
图形处理: 针对图形几何、非几何要素进行的处理
2019/8/6
相关学科
图象处理(image process)
图象（对象的图形、
图象）
计算机图形学 (computer graphics)
模式识别 (pattern recognition)
2019/8/6
几何数据和数学模型 （对象的描述）
计算几何学(computing geometry)
计算机图形学发展简史（1）
计算机图形学是伴随着电子计算机及其外围设备发 展而产生和发展起来的.
总体发展情况：
• 50年代：MIT—Whirlwind,平板和滚筒绘图仪,SAGE系统 • 60年代：1962,Sutherland博士学位论文(Sketchpad drawing
2019/8/6
图 2-6 各图形标准在图形系统中作用范围
图形软件开发方案图示
应
用 接口： 程 标准图形包 序
图 形 设备驱动程序 设 备
图形系统开发策略
2019/8/6
计算机图形学的应用（1）
图形用户界面（GUI：HCI的重要方式）
直观易记的菜单、按钮等图形对象及简洁的操作 方式，降低了软件的使用难度。
数、线段和多边形的端点坐标等）和属性参数（颜色、 线型等）来表示图形。
2019/8/6
概念辨异: “图形graphics”与“图象image”
描述方法不一样：
•图象：只有非几何信息，没有几何（轮廓）信息，用点阵来描述。 •图形：有几何和非几何信息，用参数法来描述。如轮廓：x2＋y2=r2， 颜色为红色；描述一个半径为r的红色圆。
2019/8/6
产品模型数据转换标准STEP
Standard for the Exchange of Product model Data
目的：
克服IGES的问题，扩大转换CAD/CAM 系统中几何、拓扑数据的范围。
提供中性产品数据的公共资源和应用模 型（覆盖产品整个生命周期的应用，全 面定义产品的所有数据元）。
2019/8/6
图形的表示方法
1）点阵法-----象素图（简称图象image） 用具有灰度或色彩的点阵来表示图形。强调图
形由那些点组成，并具有什么灰度或色彩。二维数字 图象用矩阵Pij(i=0,1,2,…m,j=0,1,2,…n)表示， 其中Pij 表示图象在(i,j)点的颜色值。
2) 参数法-----参数图（简称图形graphics ） 用形状参数（描述图形的方程或分析表达式的系
2019/8/6
子程序界面标准
•面向图形应用软件的标准。
供图形应用程序调用的子程 序功能及格式标准。包括：
•GKS(图形核心系统) •PHIGS(程序员层次交互式图形系
统)
•GL(图形功能库)
2019/8/6
图形核心系统GKS和GKS-3D
Graphical Kernel System 功能：
Programmer’s Hierarchical Interactive Graphics System 功能：
为具有高度动态性、交互性的三维图形应用而 设计的图形软件工具库
图形数据按层次结构组织，便于描述多层次的 应用模型
支持三维图形的层次嵌套结构，任何一个图形 结构经适当的几何变换后可成为更复杂对象的 组成部分
的数据交换。 内容：定义了一套表示CAD/CAM系统中常
用的几何和非几何数据格式以及相应的文件结 构。
使用：由系统中的IGES前、后处理器完成
IGES格式文件的输出（系统格式转换为IGES 格式）、输入（IGES格式转换为系统格式）。
问题：数据不精确、不完整（不同CAD系统
中概念不一样）、数据量太大等
计算机图形学的应用（2）
科学计算可视化
建立大量的枯燥的数据和图形间的关系，并将关系 以图形形式在屏幕上显示，使观察者易发现其中的各种 变化规律。如根据气相卫星传回的大批数据绘出未来一 段时间天气的变化趋势。
艺术
如用绘图软件（Photoshop）通过鼠标，触摸屏等 输入设备在计算机上绘图：修改方便，通过系统调色版 调色容易，提供剪切、拼贴、过虑等效果 。
几何要素（刻划形状)：点、线、面 非几何要素(反映物体表面属性或材质）：颜
色，灰度等
2019/8/6
几何（Geometry）信息
2019/8/6
非几何信息
光照(illumination) & 纹理(texture)
2019/8/6
图形的概念
定义：从客观世界的物体（对象）中抽象 出来的，具有灰度、颜色（色彩） 和形状的图或形 。。
计算机图形学：是研究通过计算机将数据转换为图形， 并在专用的图形设备上进行显示的原理、方法和技术 的学科。
具体讲，计算机图形学是研究如何生成、存储、处理、 显示、输入和输出图形的学科。
2019/8/6
计算机图形学总体研究内容
第一部分：硬件部分
输入输出设备：与相应软件共同完成图形的输入输出
2019/8/6
图形功能库GL
图形工作站上的工业标准图形程序库（UNIX操作系统） OpenGL（Windows 操作系统） 提供功能：
•基本图素（直线、多边形、曲线、曲 面、字符等）的生成 •坐标变换 •设置图形属性和显示方式 •输入/输出处理(启动输入，输出设 备) •真实图形显示
2019/8/6
图形软件标准
2019/8/6
数据及文件格式标准
面向图形设备的接口标准： CGI(计算机图形接口)
提供控制图形硬件的一种与设 备无关的方法。可看作是图形设 备驱动程序的一种标准。
CGM(计算机图形元文件)
是一套与设备无关的语义词法 定义的图形文件格式。
2019/8/6
数据及文件格式标准
交互式绘图
通过交互方式绘制图形。如教师绘制数学、物理 的图形；统计工作者绘制统计的直方图，饼形图来直 观简明反映数据的变化趋势。
计算机辅助设计与制造（CAD：应用广泛）
CAD已广泛的用于飞机如波音777的设计，轮船和 汽车的设计，超大规模集成电路的设计，缩短了设计 2019/8/6
图形的实例
人眼所看到的自然景物； 用摄影机、录象机等装置获得的照片、图片； 用绘图机或绘图工具绘制的工程图、设计图、
方框图； 各种人工美术绘画、雕塑品； 用数学方法描述的图形（包括几何图形、代
数方程或分析表达式所确定的图形）；
2019/8/6
构成图形的两个要素：
2019/8/6
章节安排
第一章：计算机图形学概述(ch1) 第二章：交互技术与用户接口(ch2) 第三章：基本图形生成算法(ch3) 第四章：图形几何变换(ch4) 第五章：三维观察(ch5) 第六章：光照明模型基础(ch6) *曲线生成基础 (ch7)
2019/8/6
本课程知识体系结构
第一部分：图形设备（ch1 & 2） 第二部分：介绍图形界面设计及接口技术（ch2） 第三部分：图形生成、显示及处理技术
姓名: 杨新武 单位: 计算机学院
2019/8/6
计算机图形学
Computer Graphics
2019/8/6
参考书目(reference book)
计算机图形学教程，孙正兴主编，机械工业出版社，2006 计算机图形学教程，王汝传，黄海平，人民邮电出版社，2009 孙家广，胡事民，计算机图形学，清华大学出版社，2005 计算机图形学，倪明田，吴良芝，北京大学出版社，1999 计算机图形学，孙家广，杨长贵等编，清华大学出版社，1995
2019/8/6
计算机图形学的应用（3）
计算机动画
利用动画制作软件在计算机制作动画：用造型工 具创作出形象逼真的演员、场景；可在关键画面之间自 动插入中间画面。大大提高了动画制作的质量和效率。
虚拟现实（VR）
用计算机模拟三维图形空间，并使用户能自然地 与该空间进行交互。常用于航空航天、医学、教育、艺 术、建筑等领域。
2019/8/6
2019/8/6
2019/8/6
曲面重构(surface reconstruction)
2019/8/6
较为活跃的研究方向（1）
造型技术方面
造型技术：研究如何在计算机中构造出二维、三维物体 的模型，并用合适的数据结构将它用一批数据及相互之 间的拓扑关系表示出来。
根据是否能以欧氏几何（整数维）方法描述，形体分为： 规则形体（直线段、多边形、多面体、多项式曲线等,统 称几何模型）和不规则形体（山、树，云等自然景物）。
• 图形软件功能标准化
• 1974年ACM SIGGRAPH举办“与机器无关的图形技术会议” • 成立了一个图形标准化委员会，开始标准的制定 • ISO和ANSI批准的第一个国际图形标准是：GKS（计算机图形学核心系统） 事实上是企业标准与国际标准并存，如：OpenGL,DirectX等
2019/8/6
60年代：矢量(vector)显示器（刷新能力非常有限） 60年代末期：存储管式显示器（使用金属网构造靶像）
70年代，开花结果的时期，进入这种技术的实用阶段
70年代初期：刷新式光栅(raster)扫描显示器 输入设备：二维：鼠标，跟踪球，光笔，触摸屏，操纵杆：三维：
空间球，数据手套。形式多样、推陈出新，向着使人能够更自然、 更方便地与计算机进行交互的方向发展
计算机图形软件的标准化
计算机图形软件的标准通常是指图形系统及其 相关应用系统中各界面之间进行数据传送和通信 的接口标准,以及供图形应用程序调用的子程序功 能及其格式标准。
前者称之为数据及文件格式标准(包括CGI，CGM，
IGES 和STEP)
后者称为子程序界面标准(包括GKS，PHIGS和GL）
光栅图形的生成（ch3） 图形处理（ch4 & 5） 光照明模型基础（ch6） 三维图形造型技术（ch7）
2019/8/6
绪言 Introduction to Computer Graphics
2019/8/6
什么是图形(Graphics)
广义范畴 能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象.
system) 。60年代后期，一些大公司、著名实验室开展相关研 究
• 70年代：开始进入实用阶段 • 80年代：软硬件技术的快速发展使图形学得到广泛应用 • 90年代：进入标准化、集成化、智能化研究阶段
2019/8/6
计算机图形学发展简史（2）
图形学发展的三个阶段(图形硬件的发展水平)：
50年代,准备和酝酿的时期,“被动”的图形学 60年代,蓬勃发展的时期
处理方法不一样：
•图形处理常用各种几何变换：投影，平移，旋转等； •图象常用增强，还原等方法。
表示精度不一样：
图形用参数方程描述，放大显示时精度不变；
图象用象素点阵描述，放大时象素个数不变，线度变大，图象变粗糙。
2019/8/6
什么是计算机图形学(Computer Graphics)
ISO在其数据处理词典中给出如下定义：
面向图形应用系统中的工 程和产品数据模型及其文 件格式的标准： IGES(基本图形转换规范) STEP(产品模型数据转换 标准)
2019/8/6
基本图形转换规范IGES
Initial Graphics Exchange Specification 是实际上的工业标准。 目的：处理在不同的CAD/CAM系统间进行