计算机图形学
什么是计算机图形学
什么是计算机图形学?计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形，并在专门显示设备上显示的原理、方法和技术的学科计算几何：研究几何模型和数据处理的学科，探讨几何形体的计算机表示、分析和综合计算机图形学研究内容:建模,绘制,动画图形系统的基本功能1.计算功能元素生成、坐标变换、求交、剪裁计算。
2.存储功能存储数据:形体的集合数据、形体间相互关系、数据的实时检索、保存图形的编辑等信息。
3.输入功能输入信息: 数据、图形信息、图象信息等输入。
命令关键字、操作信息。
4.输出功能输出信息: 图形信息、文件信息；静态图形、动态图形。
5.交互功能人─机交互:拾取对象、输入参数；接受命令、数据等。
显示器种类阴极射线管、随机扫描、存储管式、光栅扫描、等离子和液晶显示器从以下几个方面介绍图形显示设备：图形硬件显示原理CRT;CRT是利用电子枪发射电子束来产生图像，容易受电磁波干扰液晶显示器;液晶显示器的工作原理是利用液晶的物理特性，在通电时导通，使液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时，排列则变得混乱，阻止光线通过未来显示器光栅显示系统的组成图形显示方式:随机扫描存储管式扫描光栅扫描图形显示质量与一帧的画线数量有关:当一帧线条太多，无法维持30～60帧/秒刷新频率，就会出现满屏闪烁光栅扫描显示器的常用概念:行频、帧频（图像刷新率）水平扫描频率为行频。
垂直扫描频率为帧频。
隔行扫描、逐行扫描隔行扫描方式是先扫偶数行扫描线，再扫奇数行扫描线。
像素屏幕被扫描线分成n 行，每行有m 个点，每个点为一个象素。
整个屏幕有m ×n 个象素。
具有灰度和颜色信息分辨率指CRT单位长度上能分辨出的最大光点(象素)数。
分为水平分辨率和垂直分辨率。
点距：相邻象素点之间的距离指标相关。
带宽：（水平像素数*垂直像数数*帧频）显示速度指显示字符、图形特别是动态图像的速度，与显示器的分辨率及扫描频率有关。
可用最大带宽来表示。
图像刷新刷新是指以每秒30帧以上的频率反复扫描不断地显示每一帧图像。
计算机图形学ppt(共49张PPT)
过程动画技术
过程动画的概念
通过定义物体的运动规律或过程，由计算机自动生成动画。
过程动画的实现方法
基于物理模拟、基于过程建模、基于行为建模等。
过程动画的应用场景
自然现象的模拟（如风、雨、雪）、物体的变形和破碎效果等。
基于物理的动画技术
基于物理的动画概念
利用物理引擎模拟现实世界中的物理现象，生成逼真的动画效果 。
表面模型（Surface Model）
用多边形面片逼近三维物体的表面。
实体模型（Solid Model）
定义三维物体的内部和外部，表示物体的实体。
光线追踪（Ray Tracing）
模拟光线在三维场景中的传播，生成真实感图形。
三维图形的变换与裁剪
几何变换（Geometric Trans…
包括平移、旋转、缩放等变换，用于改变三维物体的位置和形状。
如中点画圆算法，利用圆 的八对称性，通过计算决 策参数来生成圆。
多边形的生成算法
如扫描线填充算法，通过 扫描多边形并计算交点来 生成多边形。
二维图形的变换与裁剪
二维图形的变换
包括平移（Translation）、旋转（Rotation）、 缩放（Scaling）等变换，可以通过变换矩阵来实 现。
二维图形的裁剪
Screen-Space Methods
利用屏幕空间信息进行半透明 物体的渲染，如屏幕空间环境 光遮蔽（SSAO）和屏幕空间 反射（SSR）。
06
计算机动画技术
Chapter
计算机动画概述
计算机动画的定义
01
通过计算机生成连续的动态图像，实现虚拟场景和角色的动态
表现。
计算机动画的应用领域
02
影视特效、游戏设计、虚拟现实、工业设计等。
计算机图形学
第一章1.计算机图形学的主要研究内容是什么？答：计算机中图形的表示方法，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。
2.列举三个以上图形学的应用领域。
答：计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）、可视化、真实感图形实时绘制与自然景物仿真、计算机动画、用户接口、计算机艺术等。
3.一个图形系统通常由哪些图形设备组成？答：一个图形系统通常由图形处理器、图形输入设备和图形输出设备构成。
4.有哪些常用的图形输入设备？答：键盘、鼠标、光笔和触摸屏等。
第二章1.字符串裁剪可按哪三个精度进行？答：串精度，字符精度，笔画或像素精度。
2.简述裁剪方法和中点裁剪方法的思想，并指出中点裁剪方法的改进之处及这种改进的理由。
答：（1）裁剪就是确定图形中哪些部分落在显示区之内，哪些落在显示区之外，最后只需显示落在显示区内的那部分图形，以便提高显示效率的过程。
一般的裁剪方法是：先裁剪再扫描转换。
（2）中点裁剪方法的思想是首先对线段端点进行编码，并把线段与窗口的关系分为三种情况，即在全在窗口内、完全不在窗口内和线段与窗口有交。
对第一种情况，显示该线段；对第二种情况，丢弃该线段；对第三种情况，用中点分割法求出线段与窗口的交点，即从线段的一端的端点出发找出距该端点最近的可见点，并从线段的另一端点出发找出距该端点最近的可见点，两个可见点之间的连线即为线段的可见部分。
（3）中点裁剪方法改进之处：对第三种情况,不直接解方程组求交,而是采用二分法收搜索交点。
这样改进的理由是：计算机屏幕的像素通常为 1024×1024,最多十次二分搜索即可到像素级,必然能找到交点，而且中点法的主要计算过程只用到加法和除2运算,效率高,也适合硬件实现。
计算机科学中的计算机图形学
计算机科学中的计算机图形学计算机科学中的计算机图形学是一门研究计算机生成和处理图像的学科。
它涵盖了计算机图形学的基本原理、算法和技术，以及与图像相关的各种应用领域。
计算机图形学在现代科技中扮演着重要的角色，它不仅仅应用于电影、游戏和虚拟现实等娱乐产业，还广泛应用于医学、工程、设计和科学研究等领域。
计算机图形学的基础是数学和物理学。
通过数学模型和物理规律，我们可以描述和模拟现实世界中的光线、材质、形状和动作等元素。
这些元素构成了计算机图形学中的基本概念，如光照模型、渲染算法、几何变换和动画等。
通过这些基本概念，我们可以创建逼真的虚拟世界，并对其进行各种操作和分析。
计算机图形学的一个重要应用领域是计算机动画。
在电影和游戏中，计算机生成的特效和动画已经成为不可或缺的一部分。
通过计算机图形学的技术，我们可以模拟和渲染各种复杂的物体和场景，使其看起来栩栩如生。
例如，在电影《阿凡达》中，通过计算机图形学的技术，我们可以看到细致入微的植物、动物和人物，以及逼真的光照和阴影效果。
这些特效和动画不仅仅是为了娱乐观众，还可以用于教育、科研和可视化等领域。
另一个重要的应用领域是计算机辅助设计（CAD）。
在工程和设计领域，计算机图形学的技术可以帮助工程师和设计师创建和分析各种产品和建筑。
通过计算机辅助设计软件，我们可以在计算机上绘制和修改图纸，进行三维建模和仿真，以及进行结构和材料分析等。
这大大提高了设计和生产的效率，减少了成本和错误。
此外，计算机图形学还应用于医学领域。
通过计算机图形学的技术，医生可以对人体进行三维重建和可视化，以辅助诊断和手术规划。
例如，在放射学中，计算机图形学的技术可以将医学影像数据转化为三维模型，使医生能够更好地理解和分析病变和异常。
这对于疾病的早期发现和治疗非常重要。
除了以上应用领域，计算机图形学还涉及虚拟现实、增强现实、计算机游戏、数据可视化和计算机艺术等领域。
虚拟现实技术通过计算机图形学的技术，可以模拟和呈现虚拟的三维环境，使用户可以与虚拟世界进行互动。
计算机图形学
1、名词解释：直接设备、间接设备、绝对坐标设备、相对坐标设备、离散设备、连续设备、回显、约束、网格、引力域、橡皮筋技术、草拟技术、拖动、旋转、形变。
1)直接设备：直接设备指诸如触摸屏一类用户可直接用手指指点屏幕进行操作从而实现定位的设备。
2)间接设备：指诸如鼠标、操纵杆等用户通过移动屏幕上的光标实现定位的设备。
3)绝对坐标设备：绝对坐标设备包括数字化仪和触摸屏,它们都有绝对原点,定位坐标相对原点来确定。
绝对坐标设备可以改成相对坐标设备,如数字化仪,只要记录当前点位置与前一点位置的坐标差(增量),并将前一点看成是坐标原点,则数字化仪的定位范围也可变成无限大。
4)相对坐标设备：相对坐标设备可指定的范围可以任意大,然而只有绝对坐标设备才能作为数字化绘图设备。
5)离散设备：键控光标则为离散设备。
使用离散设备也难以实现精确定位。
6)连续设备：把手的连续运动变成光标的连续移动,鼠标、操纵杆、数字化仪等均为此类设备。
连续设备比离散设备更自然、更快、更容易用,且在不同方向上运动的自由度比离散设备大。
使用离散设备也难以实现精确定位。
7)回显：回显作为一种最直接的辅助方式，大部分交互式绘图过程都要求回显。
比如在定位时，用户不仅要求所选的位置可在屏幕上显示出来，还希望其数据参数也在屏幕上显示，这样可以获得精确位置来调整定位坐标。
在选择、拾取等过程中，用户也都希望能够直观地看到选择或拾取的对象以便确认。
8)约束：约束是在图形绘制过程中对图形的方向、对齐方式等进行规定和校准。
约束方式有多种，最常用的约束是水平或垂直直线约束，使用户可以轻松地绘制水平和垂直线而不必担心线的末端坐标的精度范围。
另外，其他类型的约束技术用于产生各种校准过程，如画矩形时按住一定的键可约束画正方形，画椭圆时按住一定的键可约束画圆等。
9)网格：叠加在屏幕绘图坐标区的矩形网格可以用来定位和对准对象或文本，这种技术可帮助用户方便地在高分辨率图形显示器上定义一个精确的坐标位置，以便画出更加准确、清晰的线条和图形。
计算机图形学
第2章 图形设备
➢计算机图形系统包含哪些外部设备？
图形输入设备：概念、特点
图形显示设备：概念、结构原理、工作方式、特点
图形绘制设备：概念、特点
1
2
如果每支电子枪发出的电子束 的强度有256个等级，则显示 器能同时显示 256*256*256=16M种颜色，称 为真彩系统
调节各电子枪发出 的电子束中所含电 子的数目，即可控 制各色光点亮度。
从结构上看，CRT为：电子枪、偏转系统、荧光屏
17
(1)电子枪
电子枪的主要功能是产生一个沿管轴（Z轴）方向前进的细电子束 轰击荧光屏
电子束应满足下列要求：
a.具有足够的电流强度。
b.电流的大小和有无必须是可控的。
c.具有很高的速度。
d.在荧光屏上应能聚焦很小的光亮，以保证显示器有足够的分 辨率。
18
在光栅扫描系统中，电子束横向扫描屏幕，一次一行，从顶到 底顺次进行。当电子束横向沿每一行移动时，电子束的强度不 断变化来建立亮点的图案。
43
扫描线 0 1 2 3
n
水平扫描(显示)
水平回扫(消隐) 垂直回扫(消隐)
图2-16光栅扫描示意图
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基本概念 刷新速率：每秒60到80帧，即60Hz或80Hz。 水平回扫（horizontal retrace），行扫描 垂直回扫（verticle retrace），场扫描 逐行扫描和隔行（interlaced）扫描：隔行扫描技术主要用于较 慢的刷新速率，以避免闪烁
3
光栅扫描的显示系统
光栅扫描显示系统 特点：光栅扫描 扫描线 帧 水平回扫期 垂直回扫期
4
几个概念
➢行频、帧频 水平扫描频率为行频。垂直扫描频率为帧频。
计算机图形学
计算机图形学计算机图形学是研究计算机生成、处理和显示图像的学科领域。
它是计算机科学的一个重要分支，与计算机视觉和图像处理相关。
计算机图形学的发展促进了许多领域的进步，包括动画、游戏开发、虚拟现实等。
一、引言计算机图形学是指通过计算机技术实现图像的生成、处理和显示。
它利用算法和数学模型来模拟和渲染图像，以生成逼真的图像或动画。
计算机图形学在多个领域有着广泛的应用，如电影、游戏、建筑设计等。
二、图形学的基本原理1. 坐标系统图形学中常用的坐标系统是笛卡尔坐标系，它由横轴X、纵轴Y和垂直于二者的Z轴组成。
通过坐标系统，可以定位和描述图像中的点、线和面。
2. 图形的表示图形可以通过几何图元来表示，常见的几何图元有点、线和面。
点由坐标表示，线由两个端点的坐标表示，面由多个点或线组成。
3. 变换和投影变换是指对图像进行平移、旋转和缩放等操作，通过变换可以改变图像的形状和位置。
投影是将三维图像映射到二维平面上的过程，常见的投影方式有平行投影和透视投影。
4. 着色模型着色模型用于为图像添加颜色和材质信息，常见的着色模型有平均着色模型和Phong着色模型。
平均着色模型通过计算图像的平均颜色来实现简单的着色效果，Phong着色模型考虑了光照的影响，能够产生更加逼真的效果。
三、图形学的应用1. 电影和动画计算机图形学在电影和动画领域有着广泛的应用。
通过计算机图形学技术，电影制作人能够创建逼真的特效，包括爆炸、碰撞和飞行等场景。
动画片的制作也离不开计算机图形学的技术支持，它能够实现角色的自由移动、表情的变化等特效效果。
2. 游戏开发计算机图形学是游戏开发中不可或缺的一部分。
游戏中的人物、场景和特效都是通过计算机图形学技术来实现的。
游戏开发人员利用图形学算法和引擎来创建游戏中的3D场景和角色，并通过渲染技术使其看起来逼真。
3. 虚拟现实虚拟现实是一种模拟真实世界的计算机生成环境。
计算机图形学在虚拟现实领域的应用可以让用户身临其境地感受到虚拟环境的存在。
什么是计算机图形学
什么是计算机图形学计算机图形学是以计算机为工具，利用数学、物理、计算机科学等多个领域的知识与方法，研究如何利用计算机生成、处理、分析图形及图形相关的问题。
计算机图形学在现代工业、医学、娱乐、教育等领域中被广泛应用。
比如，运用计算机图形学，可以制作出逼真的3D模型，用于建筑、工程、汽车、航空航天等行业中的设计和模拟；可以制作出各种立体动画、视频游戏、虚拟现实等等。
计算机图形学还可以通过计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）系统，方便地创建、修改和生产产品或零件。
在医学上，计算机图形学也有很大的用处，可以用于人体的成像，如X光、CT、MRI等成像技术，将人体或器群的内部结构清晰地显示出来，便于医生进行诊断和手术操作。
计算机图形学的发展主要可以分为以下几个阶段：第一阶段是从1963年到1976年，这一时期主要是对二维图形的处理。
随着计算机的发展，人们开始尝试将图形应用到计算机中。
在这个阶段中，人们主要关注的是如何将图形显示在屏幕上。
第二阶段是从1977年到1988年，这一时期主要是三维图形的研究。
随着计算机技术的进步，计算机图形学得到了快速的发展。
在这个阶段中，人们开始研究如何在计算机中呈现三维图形。
同时，人们还发现通过利用光线追踪算法可以实现更真实的图像效果。
第三阶段是从1989年到2002年，这一时期主要是基于物理模拟的研究。
在这个阶段中，人们开始将物理学的理论应用于计算机图形学中。
通过对物质、光线等的物理特性进行计算和模拟，人们可以更加真实地呈现出三维图形。
第四阶段是从2003年到现在，这一时期主要是计算机图形学应用的广泛和发展。
在这个阶段中，计算机图形学不仅通过游戏、影视等娱乐产业得以广泛应用，还将其应用于医疗、设计、模拟等工业领域，极大地推进了各行各业的发展。
总的来说，计算机图形学具有很多应用，广泛地应用于不同行业中。
不断创新和发展的计算机图形学技术将会极大地改变我们的生活和工作方式。
计算机图形学
计算机图形学计算机图形学是研究计算机如何生成、处理和显示图像的一门技术。
它广泛应用于游戏、电影、医学、设计等领域。
随着计算机技术的发展，计算机图形学也在不断发展，涌现出许多新技术和应用。
计算机图形学包括三个主要方面：几何建模、光线追踪和渲染。
几何建模是指将物体转化为计算机可识别的几何形状。
光线追踪则是模拟光线在物体表面反射的过程，计算出每个像素对应的颜色和亮度。
渲染是将光线追踪得到的结果转化为最终图像。
在几何建模方面，最常用的方法是三维建模。
通过对物体的三维表示，可以方便地对其进行操作和变换，例如平移、旋转、缩放等。
为了更加高效地进行三维建模，有许多专业软件可供使用，例如Maya、3ds Max等。
在光线追踪方面，传统的方法是基于光线与物体表面的交点的计算方式，不仅计算量大，而且无法处理光线经过透明物体时的折射和反射现象。
近年来，随着GPU技术的发展，实时光线追踪逐渐成为了一种趋势。
实时光线追踪可以透过硬件加速，快速高效地计算光线与物体的交点，同时可以处理复杂的折射和反射现象，呈现出更高质量的图像效果。
另外，计算机图形学还包括了许多其他技术，例如纹理映射、反走样等。
纹理映射是将纹理贴图应用到物体表面上，增加了物体表面的细节和真实感。
反走样则是一种消除图像锯齿的方法，采用一种特殊的抗锯齿算法来实现。
在应用方面，计算机图形学为许多领域提供了广泛的支持。
游戏中的场景和角色的建模、光照、渲染等都离不开计算机图形学技术。
电影中的特效和CGI也应用了许多计算机图形学技术。
医学影像学中，计算机图形学可以对医学影像进行三维重建，并进行可视化呈现。
设计领域中，计算机图形学可以帮助设计师进行三维建模和渲染，以实现更加真实的设计效果。
总之，计算机图形学已经成为了现代科技中不可或缺的一部分。
随着技术的不断发展，其应用范围也在不断扩大，未来光明前景。
一、计算机图形学的起源计算机图形学的起源可以追溯到20世纪50年代。
当时，计算机还没有进入人们的生活，它只是一种庞大的科学仪器。
计算机图形学
计算机图形学计算机图形学是研究计算机科学领域中与图形相关的技术和理论的学科。
它主要涉及计算机生成图像、图像处理、计算机动画和计算机辅助设计等方面。
在现代社会的广泛应用中，计算机图形学在许多行业中发挥着重要作用。
一、计算机图形学的发展历程计算机图形学的发展可以追溯到20世纪60年代。
当时，计算机的出现为图形学的研究和应用带来了新的机遇。
最早的图形系统是以点阵形式显示的，随后发展为矢量图形系统。
在上世纪70年代，计算机图形学的研究重点逐渐转向了实时渲染和三维建模。
随着计算机硬件和软件的不断进步，计算机图形学的应用范围也日益扩大。
如今，计算机图形学已经渗透到电影、游戏、虚拟现实等众多领域，给人们带来了沉浸式的视觉体验。
二、计算机图形学的基本原理1. 点、线和面的表示：计算机图形学中最基本的要素是点、线和面。
点是图形的最小单位，线连接两个点，而面是由多个线组成的封闭区域。
在计算机中，点、线和面可以通过数学方程或数据结构进行表示。
2. 坐标系：坐标系是计算机图形学中的重要概念。
常见的坐标系有笛卡尔坐标系和极坐标系。
在二维图形中，笛卡尔坐标系通常用来表示点的位置，而极坐标系则用来表示点相对于原点的距离和角度。
3. 变换和投影：变换是计算机图形学中的重要操作，它可以改变图形的位置、方向和大小。
常见的变换操作包括平移、旋转和缩放。
投影则是将三维空间中的图形映射到二维平面上的过程，常见的投影方式有平行投影和透视投影。
三、计算机图形学的应用领域1. 游戏开发：计算机图形学在游戏开发中起到了举足轻重的作用。
通过计算机图形学技术，游戏开发人员可以实现逼真的场景、精美的特效和流畅的动画。
2. 电影和动画制作：计算机图形学在电影和动画制作中广泛应用。
通过计算机生成的图像和特效，制作人员可以实现无限想象的场景和效果，并使观众沉浸于电影或动画的世界中。
3. 工程设计：计算机图形学在工程设计中带来了极大的便利。
通过计算机辅助设计软件，工程师可以在计算机上进行模拟和设计，从而节省时间和成本。
计算机图形学
计算机图形学定义：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。
图形：表示和绘制+ 输入/输出设备计算机图形学：计算机科学中，最为活跃、得到广泛应用的分支之一数据计算机图形系统图形图形及图形的表示方法图形：计算机图形学的研究对象能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象包括自然景物、拍摄到的图片、用数学方法描述的图形等等构成图形的要素几何要素：刻画对象的轮廓、形状等非几何要素：刻画对象的颜色、材质等表示方法点阵表示枚举出图形中所有的点(强调图形由点构成)简称为图像（数字图像）参数表示由图形的形状参数(方程或分析表达式的系数，线段的端点坐标等)+属性参数(颜色、线型等)来表示图形简称为图形图形主要分为两类：1、基于线条信息表示2、明暗图(Shading)第一章绪论1.2.2 图象处理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1.2.3 计算机视觉和模式识别图形学的逆过程，分析和识别输入的图像并从中提取二维或三维的数据模型（特征）。
手写体识别、机器视觉计算几何几何问题的计算复杂性发展特点内容交叉、界限模糊、相互渗透1.3 CG的应用1.3.1 计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）CAD/CAM是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域1、飞机、汽车、船舶的外形的设计,如波音777飞机的设计和加工过程2、发电厂、化工厂等的布局3、土木工程、建筑物的设计4、电子线路、电子器件的设计,设计结果直接送至后续工艺进行加工处理1.3.2 科学计算可视化科学计算可视化广泛应用于医学、流体力学、有限元分析、气象分析当中⏹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⏹可视化的前沿与难点⏹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——Segmentation1.3.3 真实感图形的绘制与计算机仿真1、计算机中重现真实世界的场景叫做真实感绘制2、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1.3.4 其他应用⏹GIS⏹娱乐⏹多媒体⏹虚拟现实（VR)1.3.5 当前研究的热点⏹计算机动画⏹用户接口⏹计算机艺术1.4 常用图形设备图形输入设备键盘、鼠标、光笔、触摸屏、扫描仪等图形输出设备阴极射线管（CRT)、显示器（光栅扫描显示器、液晶显示器）、打印机、绘图仪等作业1.写出对计算机图形学的认识,谈谈学科发展的关键因素2.计算机图形学的主要研究内容是什么?3.计算机图形学最具潜力的应用是什么?4.谈谈对计算机图形学的前沿领域的设想和体会?第二章基本二维图形的生成概念光栅显示器显示的图形是由一系列紧靠该图形路径的像素表示的，可看作具有一种或多种颜色的像素的矩阵或集合。
计算机图形学完整ppt课件
工业设计
利用计算机图形学进行产品设计、仿 真和可视化，提高设计效率和质量。
建筑设计
建筑师使用计算机图形学技术创建三 维模型，进行建筑设计和规划。
计算机图形学的相关学科
计算机科学
计算机图形学是计算机科学的一个重 要分支，涉及计算机算法、数据结构、 操作系统等方面的知识。
物理学
计算机图形学中的很多技术都借鉴了 物理学的原理，如光学、力学等，用 于实现逼真的渲染效果和物理模拟。
02
03
显示器
LCD、LED、OLED等，用 于呈现图形图像。
投影仪
将计算机生成的图像投影 到大屏幕上，用于会议、 教学等场合。
虚拟现实设备
如VR头盔，提供沉浸式的 3D图形体验。
图形输入设备
键盘和鼠标
最基本的图形输入设备，用于操 作图形界面和输入命令。
触摸屏
通过触摸操作输入图形指令，常 见于智能手机和平板电脑。
多边形裁剪算法
文字裁剪算法
判断一个多边形是否与另一个多边形相交， 如果相交则求出交集部分并保留。
针对文字的特殊性质，采用特殊的裁剪算法 进行处理，以保证文字的完整性和可读性。
05
光照模型与表面绘制
光照模型概述
光照模型是计算机图形学中用于模拟光线与物体表面交互的数学模型。
光照模型能够模拟光线在物体表面的反射、折射、阴影等效果，从而增强图形的真 实感。
二维纹理映射原理
根据物体表面的顶点坐标和纹理坐标，计算出每个像素点对应的纹 理坐标，从而确定像素点的颜色值。
二维纹理映射实现方法
使用OpenGL中的纹理映射函数，将纹理图像映射到物体表面。
三维纹理映射技术
三维纹理坐标
定义在三维空间中的坐标，表示纹理图像上的位置。
计算机图形学
1.2计算机图形系统的组成和功能
图形系统 形专
图形硬件 图形软件
基础设备：主机、内存、外存等 基本图形设备：图形显示器、 图形适器、键盘等
专用图形设备：数字化仪、绘图仪、图形打印机等
图形语言：程序设计语言、数据库管理语言、图
用语言 图形数据库：图形对象库、操作方法库、模型库
图形程序：图形系统程序、应用程序、图形工具
组网技术
计算机图形学
计算机的应用越来越广泛，应用计算机 进行复杂的科学计算、产品设计等，都需要计 算机能呈现出直观形象的图形来降低操作的复 杂性。
图形软件设计理论和应用技术成了计算 学科的重要课题，计算机图形学成为许多重要 应用领域的必备知识。
计算机图形学，就是研究怎样用计算机 生成、处理和显示图形的学科。
20世纪60年代中期 随机扫描的显示器 虽具有较高的分辨率、较高的对比度以及
良好的动态性能，但要有一个高速处理器。 20世纪70年代中期 光栅图形显示器 被显示的图形都按像素存放。图形处理
和图像处理相渗透，使得算机生成的图形逼 真、形象。
图形系统软件
▪ 最基本的图形系统软件是用某种计算机语言写成 的子程序包，如GKS、PHIGS、GL等，在这类程 序包基础上开发的图形程序便于移植和推广，但 相对来说执行速度慢、效率低。
坐标数字化仪（Dig，如跟踪球（Trackball）
图形输入设备还有键盘（Keyboard）和按键 （Button）。
常用的图形输出设备
除了图形显示器外，主要的图形输 出 设备是图形打印机和绘图仪。
绘图输出设备还有热转换打印机、 热 化染色转换打印机、摄像机和扫描仪等。
1.7计算机图形学的进展与展望
计算机图形学主要是研究图形（图像）的计算机生成， 在图形基础研究方面可归纳为两个主要方向，即建模 （Modeling）技术（又称“造型技术”）和绘制（Rendering） 技术。
计算机图形学_PPT完整版
图形软件主要类型
3. 专用图形软件包 针对某一种设备或应用，设计/配置专用的图形 生成语言或函数集，例如： 场景描述：Open Inventor 建立虚拟世界的三维模型：VRML 生成三维Web显示：Java3D 创建Java applet中的二维场景：Java 2D 生成各种光照模型下的场景：Renderman Interface（Pixar）……
图元的绘制、显示过程
顶点
法向量、颜色、纹理…
像素
图元操作、像素操作 光栅化（扫描转换）
像素信息 帧缓存 显示器
调用底层函数，如 setPixel (x,y)；将当 前像素颜色设定值存 入帧缓存的整数坐标 位置（x,y）处。
图元描述与操作
几何图元由一组顶点（Vertex）描述 这一组顶点可以是一个或是多个。每个顶点信息二维或 三维，使用 2~4 个坐标。顶点信息由位置坐标、颜色 值、法向量、纹理坐标等组成。 图元操作： 几何变换、光照、反走样、消隐、像素操作等，然后准 备进行光栅化处理。 扫描转换或光栅化（Rasterization ） 将对象的数学描述、颜色信息转换成像素信息（像素段 写入帧缓存），送到屏幕显示。
应用程序
图形应用程序
图形语言连接 外部应用 数据库 内部应用 数据库 API GKS/GKS 3D PHIGS OpenGL
图形编程软件包，如OpenGL、 VRML、Java2D、Java3D……
GKSM
图形设备驱动程序，如显卡驱动、 打印机/绘图仪驱动…… 支持图形处理的操作系统,如 Macintosh、Windows、Unix、 Linux 、各种嵌入式OS…… 图形输
计算机图形软件的标准化意义
可移植性 通用、与设备无关 推动、促进计算机图形学的推广、应用 资源信息共享
计算机图形学
计算机图形学a.扫描线算法：⽬标：利⽤相邻像素之间的连贯性，提⾼算法效率。
处理对象：简单多边形，⾮⾃交多边形（边与边之间除了顶点外⽆其它交点）。
扫描线：平⾏于坐标轴的直线，⼀般取平⾏于X轴。
区间：扫描线与边的交点间的线段。
基本原理：将整个绘图窗⼝内扫描多边形的问题分解到⼀条条扫描线，只要完成每条扫描线的绘制就实现了多边形的扫描转换；⼀条扫描线与多边形的边有偶数个交点，每2个点形成⼀区间。
步骤：(对于每⼀条扫描线)(1)计算扫描线与边的交点(2)交点按x坐标从⼩到⼤排序(3)交点两两配对，填充区间。
算法：1、建⽴ET；2、将扫描线纵坐标y的初值置为ET中⾮空元素的最⼩序号，如图中，y=1；3、置AEL为空；4、执⾏下列步骤直⾄ET和AEL都为空．4.1、如ET中的第y类⾮空，则将其中的所有边取出并插⼊AEL 中；4.2、如果有新边插⼊AEL，则对AEL中各边排序；4.3、对AEL中的边两两配对，（1和2为⼀对，3和4为⼀对，…），将每对边中x坐标按规则取整，获得有效的填充区段，再填充．4.4、将当前扫描线纵坐标 y 值递值1；4.5、将AEL中满⾜y = ymax边删去（因为每条边被看作下闭上开的）；4.6、对AEL中剩下的每⼀条边的x 递增deltax，即x = x+deltax．b.⾛样与反⾛样：⾛样：⽤离散量（像素）表⽰连续的量（图形）⽽引起的失真，称为⾛样，或称为混淆。
光栅图形的⾛样现象：阶梯（锯齿）状边界、图形细节失真、狭⼩图形遗失：动画序列中时隐时现，产⽣闪烁。
反⾛样：在图形显⽰过程中，⽤于减少或消除⾛样（混淆）现象的⽅法。
⽅法：提⾼分辨率⽅法{⽅法简单，但代价⾮常⼤，显⽰器的⽔平、竖直分辩率各提⾼⼀倍，则显⽰器的点距减少⼀倍，帧缓存容量则增加到原来的4倍，⽽扫描转换同样⼤⼩的图元却要花4倍时间}、⾮加权区域采样{扫描转换线段的两点假设：像素是数学上抽象的点，它的⾯积为0，它的亮度由覆盖该点的图形的亮度所决定；直线段是数学上抽象直线段，它的宽度为0。
2024版计算机图形学孙家广
优点
可以生成更为真实和自然的动画效果；且可以模拟复 杂的物理现象，如流体、烟雾等。
缺点
需要对物理现象进行精确的建模和计算，技术 难度较大；且计算量较大，需要高性能的计算 机硬件支持。
07
计算机图形学前沿技术
虚拟现实技术
VR技术的应用领域：广泛应用于游戏、影视、教育、 医疗、军事、航空航天等领域，为用户带来沉浸式的交 互体验。
增强图形的立体感和层次感。
03
图形变换与裁剪
二维图形变换
平移变换
将图形在二维平面内沿某个方向移动一定 的距离，不改变图形的形状和大小。
旋转变换
以二维平面内某一点为旋转中心，将图形 旋转一定的角度，改变图形的方向。
缩放变换
将图形在二维平面内按一定比例进行放大 或缩小，改变图形的大小。
反射变换
以二维平面内某一条直线为对称轴，将图 形进行对称变换。
3
三维打印技术的发展趋势 随着材料科学的不断发展和打印技术的持续创新， 三维打印技术将实现更加高精度、高效率的制造。
计算机视觉与图形学结合
计算机视觉与图形学的结合
计算机视觉是研究如何让计算机从图像或视频中获取信息、理解内容并作出决策的科学；而 计算机图形学则是研究计算机生成和操作图形的科学。将两者结合可以实现更加智能化、自 然化的图形处理和交互方式。
GUI提供了直观、易用的操作界面， 使用户能够更轻松地与计算机进 行交互，提高了用户的使用体验。
窗口系统与事件驱动机制
窗口系统的概念
窗口系统是GUI的核心组成部分，它负责管理屏幕上的多个窗口以 及窗口之间的交互。
事件驱动机制
在窗口系统中，用户的操作被抽象为一系列事件，如鼠标点击、键 盘输入等。事件驱动机制允许程序根据用户的事件进行相应的处理。
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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。
主要参考书目：
• 蔡士杰等，计算机图形学（第二版），电子 工业出版社，2002。 • 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. 南京大学出版社。
第一章 绪论
• 90年代（深入发展）
– 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
第一章 绪论
硬件发展
• 图形显示器的发展
• 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。
4、研究内容简述 5、本章小结
第一章 绪论
发展历史
?历史追溯 ?硬件发展 图形显示器的发展 图形输入设备的发展 ?图形软件及软件标准的发展
第一章 绪论
历史追溯
• 二十世纪50年代（酝酿期）
– 1950年，第一台CRT，美国麻省理工学院 （MIT）旋风I号（Whirlwind I）计算机的显示 设备. – 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年代末期美国战术防空系统SAGE，CRT显 控台，可交互。
第一章 绪论
• 80年代（普及期）
– 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 –图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展， 出现了带有图形显示器的个人PC和工作站。
– 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
第一章 绪论
地理信息系统（GIS）
• 基于位置相关的地理图形的关于各种资源的综合 信息系统 • 军事国防，决策支持，旅游，资源调查等。 • 数字地球，地形和地理数据作为载体的全球信息 化.
第一章 绪论
地理信息系统（GIS）
第一章 绪论
– 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
• 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
数字地球： 1998年1月，美国副总统戈尔在美国地理 信息系统年会上提出了这一设想。 在数字地球技术的支持下。“一个小孩” 可以虚拟的、同时又是“真实的”对全球感兴 趣区域、感兴趣信息的进行发现和漫游。
第一章 绪论
虚拟现实（Virtual Reality简称VR）
虚拟现实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，让用 户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某 些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交 互考察。
第一章 绪论
真实感图形实时绘制与自然景物仿真
– 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
第一章 绪论
真实感图形实时绘制与自然景物仿真
– 光照模型
• 简单光照模型 • 局部光照模型 • 整体光照模型
第一章 绪论
图形软件发展及软件标准形成
发展历程
诸侯割据 标准讨论 标准形成
第一章 绪论
第一章 绪论
1、基本概念 2、发展历史
3、应用与研究前沿
4、研究内容简述 5、本章小结
第一章 绪论
图形用户界面
• 介于人与计算机之间，人与机器的通信，人机 界面（HCI）：软件＋硬件 • 发展：由指示灯和机械开关组成的操纵界面→ 由终端和键盘组成的字符界面（80年代）→由 多种输入设备和光栅图形显示设备构成的图形 用户界面（GUI）（90年代）：PC，工作站， WIMP(W-windows 、 I-icons 、 M-menu 、 Ppointing devices)界面，所见即所得→VR技术 （发展方向）
第一章 绪论
• 70年代（发展期）
– 光栅图形学
• 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
• ACM成立图形标准化委员会，制定“核心图形系统” （Core Graphics System） • ISO发布CGI、CGM、GKS-3D、PHIGS等 • 工业界事实上的标准OpenGL，DirectX，Postscript
三种类型的计算机图形软件系统发展：
（1）用某种语言写成的子程序包，如：
GKS (Graphics Kernel System) PHIGS(Programmer’s Herarchical Graphics system ) GL，OpenGL，DirectX Interactive
特点：平台适应性较好，便于移植和推广； 但执行速度相对较慢（事实工业标准得到硬件支 持，基本上不存在这个问题）；使用不方便。
第一章 绪论
计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）
-CAD/CAM是计算机图形学在工业界最广泛、 最活跃的应用领域
• • • • 飞机、汽车、船舶的外形的设计 发电厂、化工厂等的布局 土木工程、建筑物的设计 电子线路、电子器件的设计
• 设计结果直接送至后续工艺进行加工处理，如波 音777飞机的设计和加工过程；我国战斗机FC－1 的设计也采用了这种方法。
课程考核方法
• 平时成绩10%：考勤、学习态度； • 上机实验和作业30%； • 期末笔试60%；
第一章 绪论
第一章 绪论
1、基本概念 2、发展历史
3、应用与研究前沿
4、研究内容简述 5、本章小结
第一章 绪论
第一章 绪论
提出问题
•什么是计算机图形学？
•计算机图形学研究的对象是什么？
•计算机图形处理系统的构造？
第一章 绪论
工程图及其三维重建结果1
第一章 绪论
工程图及其三维重建结果2
第一章 绪论
可视化
• 科学计算可视化(Scientific Visualization)
– 海量的数据使得人们对数据的分析和处理变得 越来越难，用图形来表示数据的迫切性与日俱 增 – 1986年，美国科学基金会（NSF）专门召开了 一次研讨会，会上提出了“科学计算可视化 （Visualization in Scientific Computing）” – 科学计算可视化广泛应用于医学、流体力学、 有限元分析、气象分析当中
第一章 绪论
• 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
• 可视化的前沿与难点
• 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
– 第一阶段：控制开关、穿孔纸等等 – 第二阶段：键盘 – 第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、 图形输入板、触摸屏等等，语音
– 第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据 手套、数据衣），用户的手势、表情等等
– 未来发展：用户的思维
第一章 绪论
第一章 绪论
第一章 绪论
图形软件发展及软件标准形成
第一章 绪论
图形软件发展及软件标准形成
（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。
特点：简练、紧凑、执行速度快，但可移植性差。
（3）专用图形系统，如： AUTOCAD、3DS MAX 特点：效率高，但系统开发量大，可移植性差。
第一章 绪论
• 60年代（萌芽期）
– 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 – 1964年MIT的教授S. 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。
aid of computer.
第一章 绪论
• 计算机图形学与传统理论关系 ：
– 计算几何 – 计算数学 – 微分几何 – 形态学 – 混沌学 – 小波理论
学科交叉 界线模糊 相互渗透
第一章 绪论
• 计算机图形学的研究对象－>图形：
通常意义上的图形－－能够在人的视觉系统 中形成视觉印象的客观对象都称为图形，包 括自然景物、拍摄到的图片、用数学方法描 述的图形等等 计算机图形学上的图形－－从客观世界物体中 抽象出来的带有颜色及形状信息的可见图形以 及不可见的数学/几何描述。
第一章 绪论
计算机图形学及其相关概念
定义：计算机图形学（Computer Graphics）是研