计算机图形学软硬件简介与图元分析
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对齐 (左对齐、中心对齐、右对齐) 字色 ...
反走样
走样概念：由于低频取样造成的信息失真 反走样：校正不充分取样的过程
感谢聆听与指导
THANK YOU
b = y1－m*x1 y= m* x
x = y/m
Part 05
图元的属性
图元的属性
本章重点讲解内容： 线属性 曲线属性 颜色和亮度等级 区域填充属性 字符属性 反走样
属性参数
定义：任何影响图元显示方法的参数 属性选择设计
➢ 为每个输出图元功能扩充参数表 ➢ 系统当前属性值表
规范化坐标系(NC)：指独立于具体物理设备的一种坐标系，它 具有显示空间在x和y上都是0到1，主要用于在计算机内部处理 图形，对一个具体物理设备，NC与DC仅仅是相差一个比例因子， NC可被看成是一个抽象的图形设备
坐标表示
从建模坐标到设备坐标的变换序列为：
(xmc,ymc)-(xwc,ywc)-(xnc,ync)-(xdc,ydc) 为适应比例和纵横比的差别，NC变换到输
坐标表示
笛卡儿坐标：直角坐标系和斜坐标系的统称 建模坐标系/局部坐标系/主坐标系：描述单个
物体的形状、大小、尺寸所采用的坐标系 世界坐标系(WC)：把物体放入场景的适当位
置。
坐标表示
设备坐标系(DC)或屏幕坐标系：该场景的世界坐标系描述转换 为一个或多个输出设备参照系来显示。该坐标系依赖于具体的 显示输出设备
25
• 初始化（ glutInit ） • 创建窗口（ glutCreateWindow） • 设定窗口的显示模式（ glutInitDisplayMode） • 指定窗口的位置和大小
（ glutInitWindowPosition和glutInitWindowSize ） • 指定窗口的显示内容函数（ glutDisplayFunc） • 运行框架（ glutMainLoop）
17
14
曲线属性
画笔和笔刷
Eg. 矩形笔 3x3
颜色和亮度属性
颜色属性
➢ 直接存储 ➢ 颜色查找表
亮度属性
颜色和亮度属性
颜色属性
➢ 直接存储 ➢ 颜色查找表
亮度属性
区域填充属性
空
实
图案
字符属性
字体：宋体 仿宋体 楷体 黑体 隶书
字高：宋体 宋体 宋体 宋体 宋体
字宽
字倾斜角：倾斜 倾斜
只有当缓冲区被清空时，缓冲区中的命令和数据都将 传递给流水线的下一个阶段。
调用OpenGL API函数
OpenGL命 令缓冲区
变换、光照
光栅化
帧缓存地址、
像素点值
帧缓存
23
• OpenGL核心库：gl • OpenGL实用程序库： glu • OpenGL编程辅助库：aux • OpenGL实用程序工具包（OpenGL utility
属性是输出图元的特性。属性描述一个特定图元 是怎样显示的，包括强度和彩色设定，线型、文 本类型，以及填充模式
可以使用几何变换(如平移、比例、旋转、投影 等)改变物体的位置、大小或方向
软件标准
标准化图形软件的最初目标是可移植性 国际和许多国家的标准化组织努力合作开发计算机图形 标准。
➢图形核心系统GKS(Graphical Kernel System)。GKS是针对二 维图形软件标准，随后经过扩充，出现三维图形的GKS-3D。 ➢PHIGS(Programmer’s Hierarchical Interactive Graphics System)是出现的第二个图形标准，是对GKS的扩充
许多库支持这些扩展部分。
OpenGL流水线架构
顶点数据
顶点操作
光栅化
片元操作
帧缓存
像素数据
像素操作
纹理内存
相关概念——屏幕坐标系
(0,0)
Y ymax
y
X
xmax x
(X,Y)
y ymax
Y
(0,0)
图2.36 不同显示器的坐标
(X,Y) X xmax x
21
OpenGL的绘制流程——工作方式
软件标准
标准图形函数定义为独立于任何程序设计语言的一组规范。语言 联编(Language binding)则是为特定的高级程序设计语言而给出该 语言去访问各种标准图形函数的语法
CGI(Computer Graphics Interface，计算机图形接口)标准规定对 输出设备图形接口
CGM(Computer Graphics Metafile计算机图形元文件)标准规定图 形存档和传输
点的绘制
➢ glVertex{2，3，4}{sifd}（TYPE coords） ❖参数说明： coords用一个数组或用奇次坐标（x，y，z，w） 赋顶点坐标。
❖四维奇次坐标（x，y，z，w）相当于三次坐标（ x/w，y/w， z/w）。
➢ 例如：glBegin(GL_POINTS)；
glVertex2i(1，2)； glVertex3d(1.23，2.34，3.63)； glVertex4f(1.3，2.0，-4.2，1.0)； glVertex3sv(array)； glEnd( )；
线属性
线型：实线、虚线、点线等 线宽： 线色：
线属性
线型：实线、虚线、点线等 线宽： 线色：
曲线属性
像素掩码 eg.11100 根据曲线斜率设置像素掩码的实心段和
空白段像素数目
曲线属性
水平(|m|>1)或垂直 (|m|<1)像素段
曲线属性
填充平行曲线路径之间的区域
Eg. R=16
点的大小
➢ 点的大小默认值是一个像素，可以用函数修改这个值，以设定 点的大小。
➢ void glPointsize(Glfloat size) ❖参数size：指定画点时以像素为单位的近似直径。 ❖注意：系统只支持一定大Fra Baidu bibliotek范围内的点的大小。
图形显示布局及坐标系
图（a）：整个屏幕用于绘制图形； 图（b）：时下流行的“基于窗口”的系统（如
图形应用数据结构
图形软件
图形应用软件
图
形
图形支撑软件
系
统
图形硬件
图形计算机平台
图形设备
图2.2 计算机图形系统的结构
图形硬件系统
➢显示设备 ➢图形工作站和观察系统 ➢输入设备 ➢硬拷贝设备 ➢网络图形系统
图形软件系统
➢图形软件 ➢OpenGL
Part 02
计算机图形学硬件
1、输入设备：
键盘 鼠标设备 数据手套 触摸板
toolkit，GLUT）：glut • Windows专用库：wgl
24
• 利用OpenGL实现图形绘制，首先要引入OpenGL 核心库以及其他需要使用的库的头文件。
• GLUT保证了gl.h和glu.h被正确包含。
#include <gl/glut.h> #include <windows.h>
OpenGL图形开发
OpenGL绘制管线 OpenGL库与编程环境 基本图元绘制 状态机管理 例子学习
OpenGL规范
OpenGL库是在硬件支持标准基础上，提供的一个硬件图 形加速软件库，让应用程序能够高效地访问硬件的功能。
难以用硬件实现的高级特性（如高级图元类型的支持、场 景图形和实用函数等）不是OpenGL规范的一部分。
按键盒 跟踪球 数字化仪 光笔
旋钮 空间球操纵杆 图像扫描仪 语音系统
2、硬拷贝设备
3、图形网络：图形服务器，客户
4、因特网上的图形
Part 03
计算机图形学软件
3.1坐标表示 3.2图形功能 3.3软件标准 3.4其他软件包 3.5OpenGL简介
坐标表示
笛卡尔坐标 建模坐标 世界坐标 规范化设备坐标 设备坐标或屏幕坐标
❖如：
实质上是定义二维正视投影矩阵
直线的绘制
光栅扫描系统 ➢ 屏幕位置以整数值表示; ➢ 以线路径上的离散点来显示线段 ➢ 显示的线段具有阶梯效果
直线的绘制
计算机绘制的直线是由一系列与该直线最近的像素绘制而成 理论直线与计算机绘制的直线之间总有一定的偏差 只能尽量减少偏差 偏差取决于屏幕光栅(分辨率)和光点的运动方向
Windows窗口系统）； 图（c）：OpenGL“基于窗口”的绘图系统；
点的绘制-示例1
OpenGL基本图元的绘制
第六章 - 38
点的绘制-示例1
建立坐标系统
➢ gluOrtho2D( GLdouble left, GLdouble right, GLdouble
bottom, GLdouble top);
26
• 指定窗口背景色（ glClearColor） • 颜色管理，使用RGB颜色模型。一种颜色用红、
绿、蓝三种颜色成分混合而成，每种颜色成分 使用0.0到1.0之间的任意有效浮点数来表示颜 色值。
27
Part 04
输出图元
绝对坐标与相对坐标
目前为止，我们讨论的均为绝对坐标 相对坐标是指相对于前一坐标点的坐标。 相对坐标表示法： 1.相对笛卡尔坐标：@dx，dy相对前一点的坐标增量； 2.@距离<角度 注意：相对坐标是对用户坐标系而言的，是相对前一点的； 绝对坐标是相对世界坐标系原点的
• 一个完整的窗口系统的
应用软件
OpenGL图形处理系统的结 构为：最底层为图形硬件，
OpenGL
第二层为操作系统，第三 层为窗口系统，第四层为
窗口系统
OpenGL，最上面的层为应 用软件。
操作系统
图形硬件 22
OpenGL的绘制流程——流水线
• OpenGL命令将被放在一个命令缓冲区中，这样命令缓 冲区中包含了大量的命令、顶点数据和纹理数据。
画线算法
问题 画线算法
➢ DDA算法 ➢ Bresenham算法
画线算法
问题 已知直线的两个端点P1(x1, y1)，P2(x2, y2) 求直线的中间各点
画线算法
已知：P1(x1,y1)，P2(x2,y2) 直线的笛卡尔斜率截距方程
y = m*x + b
m = (y2－y1)/(x2－x1)
出设备(DC)的正方形区域，以保持适当的 比例
坐标表示
观察与投影坐标系
建建模模坐坐标标系系 世界坐标系
规规范范化化设设备备 坐坐标标系系
视频监视器 绘图仪
其他输出设备
设备坐标系
图形功能
图形的基本构造块称为图形输出图元(graphics output primitives)：包括字符串和几何成分， 如点、直线、曲线、填充区域(多边形、圆等)以 及彩色阵列定义的形状。
计算机图形学
目录 Contents
1 计算机图形学综述 03
2 计算机图形学硬件 10
3 计算机图形学软件 17
4 输出图元 24
5 图元的属性 31
Part 01
计算机图形学概述
计算机图形系统的功能
图形输出设备
输出
显示器
交互
计算 输入
存贮
数据库
图形输入设备
图2.1 计算机图形系统的5个功能
计算机图形系统的结构
输出图元
点绘制 画线算法 圆生成算法 椭圆生成算法 区域填充 字符生成
OpenGL提供的所有图元（点、线、多边形）的绘制， 必须通过glBegin（）和glEnd（）函数的配对来完成。
➢ void glBegin(Glenum mode) ❖功能：描述一个几何图形顶点序列的开始。 ❖参数说明：mode指图元的类型。
➢ void glEnd(void) ❖功能：标记顶点表的结束。
例如：glBegin(GL_LINES)； glVertex2f(50.0，50.0)； glVertex2f(100.0，100.0)； glEnd( )；
几何图元类型和含义
几何图元实体
点的绘制
屏幕坐标 OpenGL中指定二维、三维世界坐标系统 OpenGL画点函数
反走样
走样概念：由于低频取样造成的信息失真 反走样：校正不充分取样的过程
感谢聆听与指导
THANK YOU
b = y1－m*x1 y= m* x
x = y/m
Part 05
图元的属性
图元的属性
本章重点讲解内容： 线属性 曲线属性 颜色和亮度等级 区域填充属性 字符属性 反走样
属性参数
定义：任何影响图元显示方法的参数 属性选择设计
➢ 为每个输出图元功能扩充参数表 ➢ 系统当前属性值表
规范化坐标系(NC)：指独立于具体物理设备的一种坐标系，它 具有显示空间在x和y上都是0到1，主要用于在计算机内部处理 图形，对一个具体物理设备，NC与DC仅仅是相差一个比例因子， NC可被看成是一个抽象的图形设备
坐标表示
从建模坐标到设备坐标的变换序列为：
(xmc,ymc)-(xwc,ywc)-(xnc,ync)-(xdc,ydc) 为适应比例和纵横比的差别，NC变换到输
坐标表示
笛卡儿坐标：直角坐标系和斜坐标系的统称 建模坐标系/局部坐标系/主坐标系：描述单个
物体的形状、大小、尺寸所采用的坐标系 世界坐标系(WC)：把物体放入场景的适当位
置。
坐标表示
设备坐标系(DC)或屏幕坐标系：该场景的世界坐标系描述转换 为一个或多个输出设备参照系来显示。该坐标系依赖于具体的 显示输出设备
25
• 初始化（ glutInit ） • 创建窗口（ glutCreateWindow） • 设定窗口的显示模式（ glutInitDisplayMode） • 指定窗口的位置和大小
（ glutInitWindowPosition和glutInitWindowSize ） • 指定窗口的显示内容函数（ glutDisplayFunc） • 运行框架（ glutMainLoop）
17
14
曲线属性
画笔和笔刷
Eg. 矩形笔 3x3
颜色和亮度属性
颜色属性
➢ 直接存储 ➢ 颜色查找表
亮度属性
颜色和亮度属性
颜色属性
➢ 直接存储 ➢ 颜色查找表
亮度属性
区域填充属性
空
实
图案
字符属性
字体：宋体 仿宋体 楷体 黑体 隶书
字高：宋体 宋体 宋体 宋体 宋体
字宽
字倾斜角：倾斜 倾斜
只有当缓冲区被清空时，缓冲区中的命令和数据都将 传递给流水线的下一个阶段。
调用OpenGL API函数
OpenGL命 令缓冲区
变换、光照
光栅化
帧缓存地址、
像素点值
帧缓存
23
• OpenGL核心库：gl • OpenGL实用程序库： glu • OpenGL编程辅助库：aux • OpenGL实用程序工具包（OpenGL utility
属性是输出图元的特性。属性描述一个特定图元 是怎样显示的，包括强度和彩色设定，线型、文 本类型，以及填充模式
可以使用几何变换(如平移、比例、旋转、投影 等)改变物体的位置、大小或方向
软件标准
标准化图形软件的最初目标是可移植性 国际和许多国家的标准化组织努力合作开发计算机图形 标准。
➢图形核心系统GKS(Graphical Kernel System)。GKS是针对二 维图形软件标准，随后经过扩充，出现三维图形的GKS-3D。 ➢PHIGS(Programmer’s Hierarchical Interactive Graphics System)是出现的第二个图形标准，是对GKS的扩充
许多库支持这些扩展部分。
OpenGL流水线架构
顶点数据
顶点操作
光栅化
片元操作
帧缓存
像素数据
像素操作
纹理内存
相关概念——屏幕坐标系
(0,0)
Y ymax
y
X
xmax x
(X,Y)
y ymax
Y
(0,0)
图2.36 不同显示器的坐标
(X,Y) X xmax x
21
OpenGL的绘制流程——工作方式
软件标准
标准图形函数定义为独立于任何程序设计语言的一组规范。语言 联编(Language binding)则是为特定的高级程序设计语言而给出该 语言去访问各种标准图形函数的语法
CGI(Computer Graphics Interface，计算机图形接口)标准规定对 输出设备图形接口
CGM(Computer Graphics Metafile计算机图形元文件)标准规定图 形存档和传输
点的绘制
➢ glVertex{2，3，4}{sifd}（TYPE coords） ❖参数说明： coords用一个数组或用奇次坐标（x，y，z，w） 赋顶点坐标。
❖四维奇次坐标（x，y，z，w）相当于三次坐标（ x/w，y/w， z/w）。
➢ 例如：glBegin(GL_POINTS)；
glVertex2i(1，2)； glVertex3d(1.23，2.34，3.63)； glVertex4f(1.3，2.0，-4.2，1.0)； glVertex3sv(array)； glEnd( )；
线属性
线型：实线、虚线、点线等 线宽： 线色：
线属性
线型：实线、虚线、点线等 线宽： 线色：
曲线属性
像素掩码 eg.11100 根据曲线斜率设置像素掩码的实心段和
空白段像素数目
曲线属性
水平(|m|>1)或垂直 (|m|<1)像素段
曲线属性
填充平行曲线路径之间的区域
Eg. R=16
点的大小
➢ 点的大小默认值是一个像素，可以用函数修改这个值，以设定 点的大小。
➢ void glPointsize(Glfloat size) ❖参数size：指定画点时以像素为单位的近似直径。 ❖注意：系统只支持一定大Fra Baidu bibliotek范围内的点的大小。
图形显示布局及坐标系
图（a）：整个屏幕用于绘制图形； 图（b）：时下流行的“基于窗口”的系统（如
图形应用数据结构
图形软件
图形应用软件
图
形
图形支撑软件
系
统
图形硬件
图形计算机平台
图形设备
图2.2 计算机图形系统的结构
图形硬件系统
➢显示设备 ➢图形工作站和观察系统 ➢输入设备 ➢硬拷贝设备 ➢网络图形系统
图形软件系统
➢图形软件 ➢OpenGL
Part 02
计算机图形学硬件
1、输入设备：
键盘 鼠标设备 数据手套 触摸板
toolkit，GLUT）：glut • Windows专用库：wgl
24
• 利用OpenGL实现图形绘制，首先要引入OpenGL 核心库以及其他需要使用的库的头文件。
• GLUT保证了gl.h和glu.h被正确包含。
#include <gl/glut.h> #include <windows.h>
OpenGL图形开发
OpenGL绘制管线 OpenGL库与编程环境 基本图元绘制 状态机管理 例子学习
OpenGL规范
OpenGL库是在硬件支持标准基础上，提供的一个硬件图 形加速软件库，让应用程序能够高效地访问硬件的功能。
难以用硬件实现的高级特性（如高级图元类型的支持、场 景图形和实用函数等）不是OpenGL规范的一部分。
按键盒 跟踪球 数字化仪 光笔
旋钮 空间球操纵杆 图像扫描仪 语音系统
2、硬拷贝设备
3、图形网络：图形服务器，客户
4、因特网上的图形
Part 03
计算机图形学软件
3.1坐标表示 3.2图形功能 3.3软件标准 3.4其他软件包 3.5OpenGL简介
坐标表示
笛卡尔坐标 建模坐标 世界坐标 规范化设备坐标 设备坐标或屏幕坐标
❖如：
实质上是定义二维正视投影矩阵
直线的绘制
光栅扫描系统 ➢ 屏幕位置以整数值表示; ➢ 以线路径上的离散点来显示线段 ➢ 显示的线段具有阶梯效果
直线的绘制
计算机绘制的直线是由一系列与该直线最近的像素绘制而成 理论直线与计算机绘制的直线之间总有一定的偏差 只能尽量减少偏差 偏差取决于屏幕光栅(分辨率)和光点的运动方向
Windows窗口系统）； 图（c）：OpenGL“基于窗口”的绘图系统；
点的绘制-示例1
OpenGL基本图元的绘制
第六章 - 38
点的绘制-示例1
建立坐标系统
➢ gluOrtho2D( GLdouble left, GLdouble right, GLdouble
bottom, GLdouble top);
26
• 指定窗口背景色（ glClearColor） • 颜色管理，使用RGB颜色模型。一种颜色用红、
绿、蓝三种颜色成分混合而成，每种颜色成分 使用0.0到1.0之间的任意有效浮点数来表示颜 色值。
27
Part 04
输出图元
绝对坐标与相对坐标
目前为止，我们讨论的均为绝对坐标 相对坐标是指相对于前一坐标点的坐标。 相对坐标表示法： 1.相对笛卡尔坐标：@dx，dy相对前一点的坐标增量； 2.@距离<角度 注意：相对坐标是对用户坐标系而言的，是相对前一点的； 绝对坐标是相对世界坐标系原点的
• 一个完整的窗口系统的
应用软件
OpenGL图形处理系统的结 构为：最底层为图形硬件，
OpenGL
第二层为操作系统，第三 层为窗口系统，第四层为
窗口系统
OpenGL，最上面的层为应 用软件。
操作系统
图形硬件 22
OpenGL的绘制流程——流水线
• OpenGL命令将被放在一个命令缓冲区中，这样命令缓 冲区中包含了大量的命令、顶点数据和纹理数据。
画线算法
问题 画线算法
➢ DDA算法 ➢ Bresenham算法
画线算法
问题 已知直线的两个端点P1(x1, y1)，P2(x2, y2) 求直线的中间各点
画线算法
已知：P1(x1,y1)，P2(x2,y2) 直线的笛卡尔斜率截距方程
y = m*x + b
m = (y2－y1)/(x2－x1)
出设备(DC)的正方形区域，以保持适当的 比例
坐标表示
观察与投影坐标系
建建模模坐坐标标系系 世界坐标系
规规范范化化设设备备 坐坐标标系系
视频监视器 绘图仪
其他输出设备
设备坐标系
图形功能
图形的基本构造块称为图形输出图元(graphics output primitives)：包括字符串和几何成分， 如点、直线、曲线、填充区域(多边形、圆等)以 及彩色阵列定义的形状。
计算机图形学
目录 Contents
1 计算机图形学综述 03
2 计算机图形学硬件 10
3 计算机图形学软件 17
4 输出图元 24
5 图元的属性 31
Part 01
计算机图形学概述
计算机图形系统的功能
图形输出设备
输出
显示器
交互
计算 输入
存贮
数据库
图形输入设备
图2.1 计算机图形系统的5个功能
计算机图形系统的结构
输出图元
点绘制 画线算法 圆生成算法 椭圆生成算法 区域填充 字符生成
OpenGL提供的所有图元（点、线、多边形）的绘制， 必须通过glBegin（）和glEnd（）函数的配对来完成。
➢ void glBegin(Glenum mode) ❖功能：描述一个几何图形顶点序列的开始。 ❖参数说明：mode指图元的类型。
➢ void glEnd(void) ❖功能：标记顶点表的结束。
例如：glBegin(GL_LINES)； glVertex2f(50.0，50.0)； glVertex2f(100.0，100.0)； glEnd( )；
几何图元类型和含义
几何图元实体
点的绘制
屏幕坐标 OpenGL中指定二维、三维世界坐标系统 OpenGL画点函数