计算机图形学系统概述1共38页
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第一章 计算机图形学概述
1.5计算机图形学生成和输出的流水线
二维图形生成和输出的流水线
基本图形的点阵转换 (1) 直线段的生成 (2) 圆弧和椭圆的生成 (3) 规则曲线的生成 (4) 自由曲线的生成
区域的填充
图形的变换
图形的裁剪
中国矿业大学 环境与测绘学院
1.5计算机图形学生成和输出的流水线
三维图形生成和输出的流水线
中国矿业大学 环境与测绘学院
1.2 计算机图形学发展概况
蓬 勃 发 展 ， 但 仍 处 于 研 究 阶 段
60年代后期 出现了存储管式显示器，可以进行简单 交互
中国矿业大学 环境与测绘学院
1962年 美国麻省理工学院林肯实验室的Ivan E·Suthland,首先提出了“计算机图形学” 这一术语， 引入了分层存储符号的数据结构，开发出了交互技术； 可用键盘和光笔实现定位、选项和绘图。奠定了计算 机图形学基础。 60年代中期 美国、英国、法国的一些汽车、飞机制 造业大公司对计算机图形学开展大规模研究。
中国矿业大学 环境与测绘学院
1.3计算机图形学特点和应用
6）计算机辅助教学（CAI）
CRT教学软件
中国矿业大学 环境与测绘学院
1.3计算机图形学特点和应用
7）地理信息系统（GIS）
中国矿业大学 环境与测绘学院
1.3计算机图形学特点和应用
8）科学计算的可视化
飓风
中国矿业大学 环境与测绘学院
1.3计算机图形学特点和应用
中国矿业大学 环境与测绘学院
1.4 计算机图形学当前研究的课题
5.CG、CAD、CAM三者一体化 计算机图形学（CG）、计算机辅助设计（CAD）和计算机 辅助制造（CAM）有机结合在一起，形成所谓一体化软件。 6.应用软件开发环境的通用化和标准化 用户界面管理系统、窗口管理系统、网络文件格式等，并 使之通用化和标准化。 7.虚拟现实环境的生成（Virtual Reality简称 VR） 利用计算机生成一种模拟环境（如飞机驾驶舱、操作现场 等），通过多种传感、设备使用户“投入”到该环境中，实 现用户与该环境直接进行自然交互的技术。 8.科学计算可视化 通过对空间数据场构造中间几何图素或用图形绘制技术在 屏幕上产生二维图像。 中国矿业大学 环境与测绘学院
《计算机图形学》课件
04
光照模型与阴影生成算法的应用广泛，例如在游戏开发、虚拟现实和 电影制作等领域。
纹理映射算法
纹理映射算法用于将图像或纹理贴图映射到三维物体 的表面。
输标02入题
常用的纹理映射算法包括纹理坐标、纹理过滤和纹理 压缩等。
01
03
纹理映射算法的应用广泛，例如在游戏开发、虚拟现 实和数字艺术等领域。
04
工业设计
使用CAD等技术进行产品设计和原型制作 。
游戏开发
创建丰富的游戏场景和角色，提供沉浸式 的游戏体验。
科学可视化
将复杂数据以图形方式呈现，帮助人们理 解和分析数据。
虚拟现实与增强现实
构建虚拟环境，实现人机交互，增强现实 感知。
02
计算机图形学基础知识
图像与图形的关系
图像
由像素组成的二维或三维数据，通常 用于表示真实世界或模拟的视觉信息 。
全息投影技术
总结词
全息投影技术能够实现三维立体显示，为观众提供沉浸式的 观影体验。
详细描述
全息投影技术利用干涉和衍射原理，将三维物体以全息图像 的形式呈现出来，使观众能够从不同角度观察到物体的立体 形态。这种技术将为电影、游戏和其他娱乐领域带来革命性 的变化。
增强现实技术
总结词
增强现实技术能够将虚拟信息与现实世界相结合，提供更加丰富的交互体验。
HSL和HSV模型
基于色调、饱和度和亮度（或 明度）来描述颜色。
RGBA模型
在RGB基础上增加透明度通道 。
图像处理技术
滤波和锐化
通过改变图像的像素值 来减少噪声、突出边缘
或细节。
色彩调整
改变图像中颜色的分布 和强度，以达到特定的
视觉效果。
图像分割
光照模型与阴影生成算法的应用广泛，例如在游戏开发、虚拟现实和 电影制作等领域。
纹理映射算法
纹理映射算法用于将图像或纹理贴图映射到三维物体 的表面。
输标02入题
常用的纹理映射算法包括纹理坐标、纹理过滤和纹理 压缩等。
01
03
纹理映射算法的应用广泛，例如在游戏开发、虚拟现 实和数字艺术等领域。
04
工业设计
使用CAD等技术进行产品设计和原型制作 。
游戏开发
创建丰富的游戏场景和角色，提供沉浸式 的游戏体验。
科学可视化
将复杂数据以图形方式呈现，帮助人们理 解和分析数据。
虚拟现实与增强现实
构建虚拟环境，实现人机交互，增强现实 感知。
02
计算机图形学基础知识
图像与图形的关系
图像
由像素组成的二维或三维数据，通常 用于表示真实世界或模拟的视觉信息 。
全息投影技术
总结词
全息投影技术能够实现三维立体显示，为观众提供沉浸式的 观影体验。
详细描述
全息投影技术利用干涉和衍射原理，将三维物体以全息图像 的形式呈现出来，使观众能够从不同角度观察到物体的立体 形态。这种技术将为电影、游戏和其他娱乐领域带来革命性 的变化。
增强现实技术
总结词
增强现实技术能够将虚拟信息与现实世界相结合，提供更加丰富的交互体验。
HSL和HSV模型
基于色调、饱和度和亮度（或 明度）来描述颜色。
RGBA模型
在RGB基础上增加透明度通道 。
图像处理技术
滤波和锐化
通过改变图像的像素值 来减少噪声、突出边缘
或细节。
色彩调整
改变图像中颜色的分布 和强度，以达到特定的
视觉效果。
图像分割
第一章计算机图形学简介
名称典型设备功能定位输入一个点坐标笔划图形输入板输入一系列点坐标数值数字键盘输入一个整数或实数选择功能键叉丝光笔由一个整数得到某种选择拾取光笔接触屏幕上已显示图形通过一种拾取状态来判别字符串字符键盘输入一个字符串国内自苏步青与刘鼎元合著有影响的计算几何以来cagd方面的研究成果丰富
第一章 计算机图形学简介
• 在近二十年中，国际标准化组织 （ISO）已经批准的和正在讨论 的与图形有关的标准有： 计算机图形核心系统及其语言联 编（GKS）；三维图形核心系统 及其语言联编（GKS-3D）；程序 员层次交互式图形系统及其语言 联编（PHIGS）；计算机图形元 文件（CGM）；
计算机图形接口（CGI）；基本 图形转换规范 (IGES)；产品数 据转换规范（STEP）等。
• 名称 典型设备 功能 定位 叉丝，指姆轮 输入一个点坐标 笔划 图形输入板 输入一系列点坐标 数值 数字键盘 输入一个整数或实数 选择 功能键、叉丝、光笔 由一个整数得到某种选择 拾取 光笔接触屏幕上已显示图形 通过一种拾取状态来判别 字符串 字符键盘 输入一个字符串
• 交互任务是用户输入到计算机的 一个单元信息，基本任务有四种： 定位、字串、选择、取数。
研究用计算机及其图形设备来 输入、表示、变换和输出图形 的原理、算法及系统。
经过多年的研究与发展，逐渐 形成了多个与图形相关的分支： 计算机图形（Computer Graphics）、图像处理（Image Processing）和模式识别 （Pattern Recognition）。
计算机图形：用计算机生成、 处理和显示的对象。由几何数 据和几何模型利用计算机进行 存储、显示、并修改完善后形 成。 CAD (CAGD), CAM, CAE.
• 1964年孔斯(Steve Coons)在麻 省理工学院提出了用小块曲面 片表示自由型曲面时，使曲面 片边界达到任意高次连续阶的 理论，称之为孔斯曲面。孔斯 和法国雷诺汽车公司的贝齐尔 (Pierre Bezier)并列被称为现 代计算机辅助几何设计技术的 创始人。
第一章 计算机图形学简介
• 在近二十年中，国际标准化组织 （ISO）已经批准的和正在讨论 的与图形有关的标准有： 计算机图形核心系统及其语言联 编（GKS）；三维图形核心系统 及其语言联编（GKS-3D）；程序 员层次交互式图形系统及其语言 联编（PHIGS）；计算机图形元 文件（CGM）；
计算机图形接口（CGI）；基本 图形转换规范 (IGES)；产品数 据转换规范（STEP）等。
• 名称 典型设备 功能 定位 叉丝，指姆轮 输入一个点坐标 笔划 图形输入板 输入一系列点坐标 数值 数字键盘 输入一个整数或实数 选择 功能键、叉丝、光笔 由一个整数得到某种选择 拾取 光笔接触屏幕上已显示图形 通过一种拾取状态来判别 字符串 字符键盘 输入一个字符串
• 交互任务是用户输入到计算机的 一个单元信息，基本任务有四种： 定位、字串、选择、取数。
研究用计算机及其图形设备来 输入、表示、变换和输出图形 的原理、算法及系统。
经过多年的研究与发展，逐渐 形成了多个与图形相关的分支： 计算机图形（Computer Graphics）、图像处理（Image Processing）和模式识别 （Pattern Recognition）。
计算机图形：用计算机生成、 处理和显示的对象。由几何数 据和几何模型利用计算机进行 存储、显示、并修改完善后形 成。 CAD (CAGD), CAM, CAE.
• 1964年孔斯(Steve Coons)在麻 省理工学院提出了用小块曲面 片表示自由型曲面时，使曲面 片边界达到任意高次连续阶的 理论，称之为孔斯曲面。孔斯 和法国雷诺汽车公司的贝齐尔 (Pierre Bezier)并列被称为现 代计算机辅助几何设计技术的 创始人。
计算机图形学概述分析课件
增强现实技术
将虚拟内容叠加到真实世界中，为用户提供 额外的信息或体验。
05
CATALOGUE
计算机图形学未来展望
人工智能在计算机图形学中的应用
人工智能技术为计算机图形学提供了强大的算法和数据处理能力，使得计算机能够 更好地模拟和生成复杂的图形和场景。
人工智能技术可以用于自动识别和分类图像，提高计算机图形学的自动化水平，减 少人工干预。
3
计算机图形学与艺术、设计等领域结合，可以用 于数字艺术、数字媒体等方面，推动艺术和设计 领域的发展和创新。
06
CATALOGUE
计算机图形学案例分析
游戏中的计算机图形学应用
3D模型与贴图
游戏中的角色、场景和道具都通 过3D建模技术创建，贴图用于给 模型添加纹理和细节，使其更真实。
光照与阴影
计算机图形学技术能够模拟真实的 光照效果，如全局光照和阴影映射， 使游戏画面更具有层次感和立体感。
流体动力学
模拟液体和气体的运动，如水流或火焰。
用户输入与交互
实现与虚拟环境的自然交互，如手势识别和 虚拟物体抓取。
虚拟现实与增强现实
三维立体显示
通过特殊的显示设备和眼镜，提供沉浸式的 三维视觉体验。
环境交互
允许用户与虚拟环境中的对象进行交互，如 拾取、移动或操作。
头部追踪与身体跟踪
实时跟踪用户的头部和身体动作，以实现更 真实的虚拟体验。
实时渲染
在交互式应用中，如游戏或模拟器， 实现流畅的动态场景。
03
02
动画与动力学
利用物理原理模拟物体运动和交互， 如碰撞检测和刚体动力学。
虚拟摄像机控制
提供更灵活的摄像机操作，以实现 复杂的镜头运动和场景切换。
将虚拟内容叠加到真实世界中，为用户提供 额外的信息或体验。
05
CATALOGUE
计算机图形学未来展望
人工智能在计算机图形学中的应用
人工智能技术为计算机图形学提供了强大的算法和数据处理能力，使得计算机能够 更好地模拟和生成复杂的图形和场景。
人工智能技术可以用于自动识别和分类图像，提高计算机图形学的自动化水平，减 少人工干预。
3
计算机图形学与艺术、设计等领域结合，可以用 于数字艺术、数字媒体等方面，推动艺术和设计 领域的发展和创新。
06
CATALOGUE
计算机图形学案例分析
游戏中的计算机图形学应用
3D模型与贴图
游戏中的角色、场景和道具都通 过3D建模技术创建，贴图用于给 模型添加纹理和细节，使其更真实。
光照与阴影
计算机图形学技术能够模拟真实的 光照效果，如全局光照和阴影映射， 使游戏画面更具有层次感和立体感。
流体动力学
模拟液体和气体的运动，如水流或火焰。
用户输入与交互
实现与虚拟环境的自然交互，如手势识别和 虚拟物体抓取。
虚拟现实与增强现实
三维立体显示
通过特殊的显示设备和眼镜，提供沉浸式的 三维视觉体验。
环境交互
允许用户与虚拟环境中的对象进行交互，如 拾取、移动或操作。
头部追踪与身体跟踪
实时跟踪用户的头部和身体动作，以实现更 真实的虚拟体验。
实时渲染
在交互式应用中，如游戏或模拟器， 实现流畅的动态场景。
03
02
动画与动力学
利用物理原理模拟物体运动和交互， 如碰撞检测和刚体动力学。
虚拟摄像机控制
提供更灵活的摄像机操作，以实现 复杂的镜头运动和场景切换。
第1章计算机图形学概述
P6 (1,0,2) P5(1,1,2)
P1 (1,0,0)
P3
(0,1,0) y
P2 (1,1,0)
x
立方体的坐标表示
2、几何实体的表示和建模
• 复杂物体建模：
• 对于三维物体最简单的方式是用一组包围物体内部的平 面多边形来表示。对于多面体的多边形表示精确地定义 了物体的表面特征，而对于曲面则可以采用多边形网格 进行逼近。
幕上。 存在多种投影方法可以使用，我们将在第5章详细讨 论。
Yp 窗口坐标系
窗口远平面y1y2近平面z2
世界坐标系
z1 模型坐标系
x1 x2
Xp
屏幕坐标系
视口
3、几何处理
• 在投影之前，还需对三维场景做很多处理。
• （1）变换:为了得到最终的图形，首先需要将需要显示的对 象以合适的位置、大小和方向放置于整体的场景中，需要对 该对象在场景中作平移，放大和缩小等操作，这些操作定义 了把物体从局部坐标系放到世界坐标系所需要的变换。
(2)、世界坐标系：为描述图形场景中所有图形之间的空间关系， 将它们置于一个统一的坐标系中，该坐标系被称为世界坐标系。
(3)、设备坐标系：要输出经过处理后的数字化图形，需要在输 出设备上建立一个坐标系，称为设备坐标系。
Yp 窗口坐标系
窗口
远平面
y1
y2
近平面
z2
世界坐标系
z1 模型坐标系
x1 x2
Xp
Xp
屏幕坐标系
视口
• （5）光照：为了提高显示效果，需要给场景设置光 照、颜色、材质或纹理才能让它看起来更真实，也 就是完成真实感图形的绘制。如果进行真实感图形 绘制，需要计算可见面投射到观察者眼中的光亮度 大小和色彩组成，并将它转换成适合图形设备的颜 色值，从而确定投影画面上每一象素的颜色，最终 生成图形。第8章将详细介绍光照明模型。
P1 (1,0,0)
P3
(0,1,0) y
P2 (1,1,0)
x
立方体的坐标表示
2、几何实体的表示和建模
• 复杂物体建模：
• 对于三维物体最简单的方式是用一组包围物体内部的平 面多边形来表示。对于多面体的多边形表示精确地定义 了物体的表面特征，而对于曲面则可以采用多边形网格 进行逼近。
幕上。 存在多种投影方法可以使用，我们将在第5章详细讨 论。
Yp 窗口坐标系
窗口远平面y1y2近平面z2
世界坐标系
z1 模型坐标系
x1 x2
Xp
屏幕坐标系
视口
3、几何处理
• 在投影之前，还需对三维场景做很多处理。
• （1）变换:为了得到最终的图形，首先需要将需要显示的对 象以合适的位置、大小和方向放置于整体的场景中，需要对 该对象在场景中作平移，放大和缩小等操作，这些操作定义 了把物体从局部坐标系放到世界坐标系所需要的变换。
(2)、世界坐标系：为描述图形场景中所有图形之间的空间关系， 将它们置于一个统一的坐标系中，该坐标系被称为世界坐标系。
(3)、设备坐标系：要输出经过处理后的数字化图形，需要在输 出设备上建立一个坐标系，称为设备坐标系。
Yp 窗口坐标系
窗口
远平面
y1
y2
近平面
z2
世界坐标系
z1 模型坐标系
x1 x2
Xp
Xp
屏幕坐标系
视口
• （5）光照：为了提高显示效果，需要给场景设置光 照、颜色、材质或纹理才能让它看起来更真实，也 就是完成真实感图形的绘制。如果进行真实感图形 绘制，需要计算可见面投射到观察者眼中的光亮度 大小和色彩组成，并将它转换成适合图形设备的颜 色值，从而确定投影画面上每一象素的颜色，最终 生成图形。第8章将详细介绍光照明模型。
计算机图形学-第一章--概述资料
它已经并将进一步给人类带来巨大的影响和
利益。现在，CAD技术的水平已成为衡量一
个国家工业技术水平的重要标志。
2024/7/19
27
1.3 计算机图形学的应用领域
• 二、科学计算可视化
• 用图形来表示大量数据计算的结果或中 间过程。例如：
科技工作者需要认真分析大量的计算结
果以确定一个系统的描述；
商业主管需要分析大量的统计数据以做
出对未来商业行为的决策；
医生需要面对大量的CT数据以确定病人
体内是否发生病变及何处发生病变；
气象人员需要处理气象卫星传回的大批
数据以绘出未来一段时间内的天气变化趋势
图。 2024/7/19
28
1.3 计算机图形学的应用领域
• 分析处理这些大批数据是艰难和枯燥的， 但如果应用计算机图形处理技术建立数据与 图形之间的关系并将它们以图形的形式在屏 幕上显示出来，则使用者很容易观察其中的 各种现象并找出变化规律。
的确立和发展也经历了从矢量显示器、存
储管显示器到光栅显示器的发展过程。
2024/7/19
22
1.2 计算机图形学的发展历史
• 图形输入设备也在发展，出现了：拇指 轮、操作杆、跟踪球、光笔、鼠标、触摸 屏、数据手套、数字化仪、扫描仪等输入 设备。
• 和图形硬件一样，图形软件也得到很 大的发展，各种图形算法、图形标准、图 形数据结构等逐渐成熟并投入使用，使计 算机图形学成为一门成熟的学科。
本自动阅读装置、还有地图符号的识别，都
是先由扫描得到图像，然后经识别还原为图
形或字符。
2024/7/19
ห้องสมุดไป่ตู้
6
第一章 概述
• 3、计算几何（Computational Geometry） • 计算几何则着重讨论几何形体在计算机
计算机图形学简介
（5）环保无辐射
缺点： 耗电量大 画质随时间递减 散热环境需良好 使用寿命较短
5.液晶显示器LCD (Liquid Crystal Display)
LCD是靠后方一组日光灯管发光，然后经由一组菱镜片 与背光模块，将光源均匀地传送到前方，依照所接收的 影像讯号，液晶画素玻璃层内的液晶分子会作相对应的 排列，决定哪些光线是需偏折或阻隔的
1974年 ANSI“与机器无关的图形技术“会议上 1977年 美国计算机协会ACM提出了CGS(核心图形系统） 国际标准化组织ISO： 计算机图形核心系统及其语言联编（GKS)
三维图形核心系统及其语言联编（GKS-3D) 程序员层次交互式图形系统及其语言联编（PHIGS) 计算机图形接口（CGI) 计算机图形源文件（CGM) 基本图形转换规范（IGES) 产品数据转换规范（STEP)
⑵利用计算机对这个模型进行必要的处理,产生 能正确反映对象的某种性质的图形输出.
2.图形学主要研究内容
⑴ 图形的生成和表示技术 ⑵ 图形的操作与处理方法 ⑶ 图形输出设备与输出技术的研究 ⑷ 图形输入设备、交互技术及用户接口技术的研究
⑸ 图形信息的数据结构及存储、检索方法 ⑹ 几何模型构造技术(造型,颅骨”克隆”技术) ⑺ 动画技术 3DMAX,FLASH ⑻ 图形软硬件的系列化、模块化和标准化的研究 ⑼ 科学计算的可视化
第四节 图形系统的硬件
1.计算机图形系统的硬件组成 计算机、显示处理器(DPU)、图形显示器、输入 设备和硬拷贝设备
2.CRT(Cathode Ray Tube)显示器工作原理图
电子枪(Electron gun)、偏转线圈(Deflection coils)、 荫罩(Shadow mask)、荧光粉层(phosphor)和玻璃外壳 （荧光屏）五部分组成
缺点： 耗电量大 画质随时间递减 散热环境需良好 使用寿命较短
5.液晶显示器LCD (Liquid Crystal Display)
LCD是靠后方一组日光灯管发光，然后经由一组菱镜片 与背光模块，将光源均匀地传送到前方，依照所接收的 影像讯号，液晶画素玻璃层内的液晶分子会作相对应的 排列，决定哪些光线是需偏折或阻隔的
1974年 ANSI“与机器无关的图形技术“会议上 1977年 美国计算机协会ACM提出了CGS(核心图形系统） 国际标准化组织ISO： 计算机图形核心系统及其语言联编（GKS)
三维图形核心系统及其语言联编（GKS-3D) 程序员层次交互式图形系统及其语言联编（PHIGS) 计算机图形接口（CGI) 计算机图形源文件（CGM) 基本图形转换规范（IGES) 产品数据转换规范（STEP)
⑵利用计算机对这个模型进行必要的处理,产生 能正确反映对象的某种性质的图形输出.
2.图形学主要研究内容
⑴ 图形的生成和表示技术 ⑵ 图形的操作与处理方法 ⑶ 图形输出设备与输出技术的研究 ⑷ 图形输入设备、交互技术及用户接口技术的研究
⑸ 图形信息的数据结构及存储、检索方法 ⑹ 几何模型构造技术(造型,颅骨”克隆”技术) ⑺ 动画技术 3DMAX,FLASH ⑻ 图形软硬件的系列化、模块化和标准化的研究 ⑼ 科学计算的可视化
第四节 图形系统的硬件
1.计算机图形系统的硬件组成 计算机、显示处理器(DPU)、图形显示器、输入 设备和硬拷贝设备
2.CRT(Cathode Ray Tube)显示器工作原理图
电子枪(Electron gun)、偏转线圈(Deflection coils)、 荫罩(Shadow mask)、荧光粉层(phosphor)和玻璃外壳 （荧光屏）五部分组成
精品课件-计算机图形学-第1章 计算机图形学概述
第 1 章 计算机图形学概述
图 1.4 三维物体输出流水线图
第 1 章 计算机图形学概述
1.1.2 计算机图形学的主要研究内容 除了理论和方法已经非常成熟的基本图形元素
生成算法(也叫光栅图形学)和图形变换的内容之外, 计 算机图形学的主要内容还有造型技术、 真实感图形生成 及人机交互技术等三部分。
第 1 章 计算机图形学概述
计算机图形系统由硬件和软件两部分组成。 计算机图形系统的基本物理设备统称为硬件, 它包括主 机及大容量外存储器、 显示处理器、 图形输出和图形 输入设备。 其中图形显示器、 打印机、 绘图机、 键 盘、 数字化仪和光笔等供系统配置时由用户选用。 单 主机模式的计算机图形系统的硬件组成如图1.2所示。
第 1 章 计算机图形学概述
4) 图形信息的信息量较大 “一幅图胜过千言万语”, 这从另外一个角 度也说明图形中包含的信息量较大, 因此, 图形如何在 计算机中表示, 也是计算机图形学研究的内容之一。
第 1 章 计算机图形学概述
3. 图形在计算机中的表示 计算机中表示带有颜色及形状信息的图形常 用以下两种方法: 1) 点阵法 点阵法通过枚举出图形中所有的点来表示图 形, 它强调图形由哪些点构成, 这些点具有什么样的颜 色, 即点阵法是用具有灰度或色彩的点阵来表示图形的 一种方法。 在计算机中表示图形最常用的是点阵法。
1. 图形 计算机图形学的研究对象是图形。 广义的说, 能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象都可称 为图形。 它既包括了各种几何图形以及由函数式、 代 数方程和表达式所描述的图形, 也包括了来自各种输入 媒体的图景、 图片、 图案、 图像以及形体实体等。
第 1 章 计算机图形学概述
2. 图形信息的特点 图形信息是一种重要的信息类型, 它直接明 了, 含义丰富, 具有以下特点: 1) 图形信息表达直观, 易于理解 在科学技术高度发达的今天, 图形信息显示 出任何语言无法比拟的优越性, 它能直接反映出客观世 界变幻无穷的图像, 供全人类所共享, 不受语言限制。
计算机图形学完整课件
由于我们使用的只是d的符号，而且d的增量都是整数，只是其初始值包含小数。因此，我们可以用2d代替d，来摆脱小数，写出仅包含整数运算的算法：
void MidpointLine(x1,y1,x2,y2,color) int x1,y1,x2,y2,color; { int a,b,d1,d2,dx,y; a=y1-y2; b=x2-x1; d=2*a+b; d1=2*a; d2=2*(a+b); x=x1; y=y1;
setpixel(x,y,color); while(x<x2) { If(d<0) {x++;y++d+=d2;} else {x++;d+=d1;} setpixel(x,y,color); }
2.1.3 Bresenham 画线算法
算法分析
算法推导
可视化效果图
2.1.4 图形环境的设置
1.2 计算机图形学的发展
1.2.1 计算机图形学的发展简史 ５０年代准备阶段 ６０年代发展阶段 ７０年代推广应用阶段 ８０年代系统实用化阶段 ９０年代标准化智能化阶段
1.2.2 计算机图形学的发展方向 造型技术的发展 真实图形生成技术的发展 人—机交互技术的发展 模拟艺术的仿真 计算机动画
另外，为了方便起见，我们只考虑中心在原点，半径为整数R的圆x2+y2=R2。对于中心不在原点的圆，可先通过平移变换，化为中心在原点的圆，再进行扫描转换，把所得的像素坐标加上一个位移量即得所求像素坐标。
1.3 计算机图形学的应用
1.用户接口 2.计算机辅助设计与制造（CAD/CAM） 3.地形地貌和自然资源图 4.计算机动画和艺术 5.件 计算机图形系统软件 计算机图形显示原理 光栅扫描式图形显示器
计算机图形学概论课件
计算机图形学的发展历程
1960年代
出现了基于图形的计算机绘图 系统，如Sketchpad。
1980年代
随着个人电脑的普及，计算机 图形学进入家庭和商业领域。
1950年代
计算机图形学的萌芽期，出现 了基于文本的简单绘图程序。
1970年代
出现了三维图形系统和光线追 踪渲染技术。
1990年代至今
计算机图形学在游戏、电影、 虚拟现实等领域得到广泛应用 和发展。
工业设计实践
3D建模与渲染
学习使用工业设计软件（如SolidWorks、 Autodesk Inventor等）进行3D建模和渲染。
设计可视化
学习将工业设计成果进行可视化展示，提高设计 表现力。
ABCD
工程分析与优化
运用工程分析工具对设计进行仿真和优化，提高 产品性能。
产品发布与推广
了解产品发布与推广流程，将设计成果推向市场 。
计算机图形学涉及的领域包括几何建 模、渲染、图像处理、动画和人机交 互等。
计算机图形学的应用领域
游戏开发
游戏中的图形效果和动画需要计算机图形学 的支持。
电影和动画制作
电影特效和动画制作中，计算机图形学用于 创建逼真的场景和角色。
建筑设计
计算机图形学用于创建建筑模型和可视化效 果图。
科学可视化
计算机图形学用于将复杂的数据以可视化的 形式呈现，如气象数据、医学图像等。
颜色模型与空间
总结词
颜色模型与空间是计算机图形学中用于描述和表示颜色的重要工具，不同的颜色模型适用于不同的应用场景。
详细描述
常见的颜色模型包括RGB、CMYK、HSV等。RGB模型基于红、绿、蓝三种基本颜色，适用于屏幕显示和数字图 像。CMYK模型基于青、品、黄、黑四种颜色，适用于印刷和出版。HSV模型则基于色调、饱和度和亮度三个维 度，更接近人眼对颜色的感知。
计算机图形学第二章计算机图形系统概述
平板显示器___非发射显示器
非发射显示器(Nonemissive displays)
原理：将太阳光或其他光源的光转换为图形 模式，通过能阻塞或传递光的液晶材料，传 递来自周围的或内部光源的偏振光
类型：液晶显示器(LCD)
平板显示器___非发射显示器
立体显示
为观察者的每只眼睛给出不同的视图来 提供三维效果，从而场景带有深度
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。
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
立体显示
主动式立体显示系统
立体显示
被动立体显示系统示意图
图形系统的硬件工作平台类型
微机 工作站 中小型机 大型机 计算机网络
IBM Z900大型机1套，价值1500万美金
图形输入输出设备
一、图形输入设备 1、向量型图形输入设备
采取跟踪轨迹，记录坐标点的方法输入图形。主要 输入的数据形式为直线或折线构成的图形构成的图 形学数据。 ➢ 数字化板 ➢ 鼠标器 ➢ 光笔
CRT显示器
• 屏幕的刷新
电子束周期性地回到同一点的方式来保 持图象。
显示器的基本概念及技术指标
显示器的基本概念及技术指标
显示器的扫描频率，也叫刷新率 分为：
➢ 行频 ➢ 场频
显示器的基本概念及技术指标
行频(水平扫描频率)
电子枪每秒在屏幕上扫描过的水平线数
单位: KHz
公共基础知识计算机图形学基础知识概述
《计算机图形学基础知识概述》一、引言计算机图形学是一门研究如何利用计算机生成、处理和显示图形的学科。
它涉及到数学、物理学、计算机科学等多个领域，广泛应用于游戏开发、电影制作、工程设计、虚拟现实等众多领域。
随着计算机技术的不断发展，计算机图形学也在不断进步，为人们带来了更加逼真、生动的视觉体验。
二、基本概念1. 图形：图形是指由点、线、面等几何元素组成的二维或三维图像。
在计算机图形学中，图形可以分为矢量图形和光栅图形两种类型。
矢量图形是由数学公式描述的图形，具有无限放大不失真的特点；光栅图形则是由像素点组成的图形，在放大时会出现锯齿现象。
2. 像素：像素是构成光栅图形的最小单位，它是一个带有颜色和亮度信息的小方块。
在计算机图形学中，像素的颜色和亮度通常由红、绿、蓝三个颜色通道的值来决定。
3. 分辨率：分辨率是指图像中像素的数量，通常用水平像素数×垂直像素数来表示。
分辨率越高，图像越清晰，但同时也需要更多的存储空间和计算资源。
三、发展历程1. 早期阶段（20 世纪 50 年代 - 60 年代）：计算机图形学的起源可以追溯到 20 世纪 50 年代，当时计算机主要用于科学计算和工程设计。
随着计算机技术的发展，人们开始尝试利用计算机生成简单的图形，如线条图和流程图。
2. 发展阶段（20 世纪 70 年代 - 80 年代）：在这个阶段，计算机图形学得到了快速发展。
出现了许多重要的图形算法和技术，如扫描线算法、区域填充算法、隐藏面消除算法等。
同时，图形硬件也得到了不断改进，出现了专门的图形处理器（GPU），大大提高了图形处理的速度和质量。
3. 成熟阶段（20 世纪 90 年代 - 21 世纪初）：在这个阶段，计算机图形学已经成为一个成熟的学科，广泛应用于各个领域。
出现了许多先进的图形技术，如真实感图形渲染、虚拟现实、动画制作等。
同时，图形软件也得到了极大的发展，出现了许多功能强大的图形软件包，如 3D Studio Max、Maya 等。
计算机图形学系统概述
比较现有的和将来的计算机图形标准，描述它们之间的关系 为计算机图形用户和计算机图形软件的开发者提供有关标准化方面的重要信息
*
图形用户界面（GUI：HCI的重要方式） 交互式绘图 办公自动化及电子印刷 计算机辅助设计与制造（CAD：应用广泛） 科学计算可视化 艺术和商业 过程模拟 辅助教学 虚拟现实（VR） 计算机动画
图形核心系统GKS和GKS-3D
*
GKS是一个二维图形标准，GKS-3D是它的扩展，标准号是ISO IEC 8806-4。
PHIGS和PHIGS
Programmer’s Hierarchical Interactive Graphics System，功能： 向应用程序员提供控制图形设备的接口 图形数据按层次结构组织，使多层次的应用模型能方便地应用PHIGS进行描述 提供动态修改和绘制显示图形数据的手段 公布于1986年，标准号是ISO IS 9592
*
较为活跃的研究方向（2）
人-机交互技术方面 WIMP 虚拟现实交互技术 多通道技术 交互的模糊化：智能化 与计算机网络技术的结合：WWW,VRML 基于点的绘制技术
*
知识要求
程序设计和基本的数据结构方面的一些知识。 图形学算法中用到的数学知识将在课程中加以说明。
*
Chapter 1
*
图形系统概述 Introduction to Graphics System
*
鼠标器(mouse)
是一种移动光标和做选择操作的计算机输入设备.用于定位和选图.
*
光笔(light pen)
光笔是一种能检测光信号的装置其形状和大小 象一支圆珠笔. 光笔的两种工作模式:拾取(选图)和跟踪
*
触摸屏(touch panel)
*
图形用户界面（GUI：HCI的重要方式） 交互式绘图 办公自动化及电子印刷 计算机辅助设计与制造（CAD：应用广泛） 科学计算可视化 艺术和商业 过程模拟 辅助教学 虚拟现实（VR） 计算机动画
图形核心系统GKS和GKS-3D
*
GKS是一个二维图形标准，GKS-3D是它的扩展，标准号是ISO IEC 8806-4。
PHIGS和PHIGS
Programmer’s Hierarchical Interactive Graphics System，功能： 向应用程序员提供控制图形设备的接口 图形数据按层次结构组织，使多层次的应用模型能方便地应用PHIGS进行描述 提供动态修改和绘制显示图形数据的手段 公布于1986年，标准号是ISO IS 9592
*
较为活跃的研究方向（2）
人-机交互技术方面 WIMP 虚拟现实交互技术 多通道技术 交互的模糊化：智能化 与计算机网络技术的结合：WWW,VRML 基于点的绘制技术
*
知识要求
程序设计和基本的数据结构方面的一些知识。 图形学算法中用到的数学知识将在课程中加以说明。
*
Chapter 1
*
图形系统概述 Introduction to Graphics System
*
鼠标器(mouse)
是一种移动光标和做选择操作的计算机输入设备.用于定位和选图.
*
光笔(light pen)
光笔是一种能检测光信号的装置其形状和大小 象一支圆珠笔. 光笔的两种工作模式:拾取(选图)和跟踪
*
触摸屏(touch panel)
计算机图形学课件
具体操作
裁剪和交叠的实现需要用到裁剪面和 视景体等概念，裁剪面是指与图形相 交的面，视景体是指观察者所能看到 的区域。在进行裁剪时，需要判断图 形的各个部分是否在裁剪面内，并根 据情况对图形进行裁剪；在进行交叠 时，需要将图形按照一定的顺序排列 ，以避免重叠遮挡。
应用
裁剪和交叠广泛应用于计算机图形学 中的图形绘制和渲染等领域，它们能 够提高绘制的效率和效果。
04
计算机图形学高级技术
真实感图形渲染
总结词
通过复杂的算法和计算，将图形渲染为具有高度真实感的图像。
详细描述
真实感图形渲染技术包括对光线的模拟、阴影的处理、反射和折射的效果等 ，以产生具有真实感的图像。
纹理映射和环境贴图
总结词
将纹理和环境贴图映射到三维模型上，增加模型的细节和视觉效果。
详细描述
个基本属性。
光照和阴影
环境光
来自周围环境的均匀照射光。
点光源
从一个点发出的光，可以产生阴影效果。
方向光
纹理映射
来自一个特定方向的光，可以产生阴影效果 。
将纹理图像映射到三维模型表面，增加视觉 效果的真实感。
纹理和材质
纹理贴图
将纹理图像映射到三维模型表面，增加视 觉效果的真实感。
纹理坐标
指定纹理贴图在三维模型表面的位置和方 向。
分类
视图变换分为固定视角和自由视 角两种，固定视角是指观察者视 角固定，只能观察到场景的某一 个固定方向，而自由视角则允许 观察者在场景中自由移动，观察 到场景的任意方向。
应用
视图变换广泛应用于三维游戏、 虚拟现实等领域，它能够提供更 加真实的观察体验。
裁剪和交叠
定义
裁剪是指在绘制图形时，将图形的一 部分隐藏在视景体之外，以避免不必 要的绘制；交叠是指在绘制多个图形 时，将它们按照一定的顺序排列，以 避免重叠遮挡。
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2020/3/27
图形软件开发方案图示
应
用 接口： 程 标准图形包 序
显 示 设备驱动程序 设 备
图形系统开发策略
2020/3/27
计算机图形学应用举例—计算机辅助设计与制造
2020/3/27
2020/3/27
真实感图形
2020/3/27
2020/3/27
计算机动画
2020/3/27
几何（Geometry）信息？
计算机图形外围设备
一个简单的计算机图形系统包括以下五个 主要部分:
• 计算机 • 显示处理器 • 显示设备 • 输入设备 • 硬拷贝设备
2020/3/27
简单的计算机图形系统
绘图机 计算机
显示处理器
显示器
打印机
输入设备
2020/3/27
图形输入设备(input devices)
1.图形输入设备的逻辑功能分类 定位 赋值 选择 拾取
2020/3/27
CRT阴极射线管(Cathode Ray Tuble of CRT display)
聚焦系统 垂直偏转 水平偏转
荧光屏
阴极
灯丝
• 光子
栅极(控制 加速电极 极)负电压
电子枪
2020/3/27
偏转系统
谢谢！
2020/3/27
图 2-6 各 图 形 标 准 在 图 形 系 统 中 作 用 范 围
计算机图形参考模型CGRM
比较现有的和将来的计算机图形标准， 描述它们之间的关系
为计算机图形用户和计算机图形软件 的开发者提供有关标准化方面的重要 信息
2020/3/27
计算机图形学的应用
图形用户界面（GUI：HCI的重要方式） 交互式绘图 办公自动化及电子印刷 计算机辅助设计与制造（CAD：应用广泛） 科学计算可视化 艺术和商业 过程模拟 辅助教学 虚拟现实（VR） 计算机动画
与计算机网络技术的结合：WWW,VRML 基于点的绘制技术
2020/3/27
知识要求
程序设计和基本的数据结构方面的一些知 识。
图形学算法中用到的数学知识将在课程中 加以说明。
2020/3/27
Chapter 1 图形系统概述
Introduction to Graphics System
2020/3/27
电阻式触摸屏 电容式触摸屏 红外线式触摸屏 声表面波触摸屏
2020/3/27
坐标数字化仪 (data tablet)
将图形转换成计算机能接收的数字形式的设备
(图形输入板或图形数字化仪)
由图板和定位器两个主要部分.
2020/3/27
图形扫描仪(image scaner)
图形扫描仪是直接把图形和图象扫描输 入到计算机中，以象素信息进行存储表 示的设备。
2020/3/27
其它
2020/3/27
较为活跃的研究方向（1）
造型技术方面
几何造型技术 实体造型技术 基于物理的造型技术
真实感图形生成算法研究
裁剪、消隐、光照明模型等 基于图象的绘制技术
2020/3/27
较为活跃的研究方向（2）
人-机交互技术方面
WIMP 虚拟现实交互技术 多通道技术 交互的模糊化：智能化
2020/3/27
2020/3/27
非几何信息
光照(illumination) & 纹理(texture)
2020/3/27
光照效果图
2020/3/27
纹理合成效果图
2020/3/27
真实感图形
2020/3/27
2020/3/27
2020/3/27
曲面重构(surface recontstructiong)
2020/3/27
图形输出设备(output devices)(1)
打印机(printer)
(1)喷墨打印机 (2)激光打印机 (3)针打点阵打印机
2020/3/27
图形输出设备(output devices)(2)
绘图仪(graph plotter)
(1)静电绘图仪 (2)笔式绘图仪(自动绘图机)
PHIGS和PHIGS
Programmer’s Hierarchical Interactive Graphics System，功能：
向应用程序员提供控制图形设备的接口 图形数据按层次结构组织，使多层次的应用模型能方便地应用
PHIGS进行描述 提供动态修改和绘制显示图形数据的手段
公布于1986年，标准号是ISO IS 9592
2020/3/27
鼠标器(mouse)
是一种移动光标和做选择操作的计算机 输入设备.用于定位和选图.
2020/3/27
光笔(light pen)
光笔是一种能检测光信号的装置其形状和大小 象一支圆珠笔.
光笔的两种工作模式:拾取(选图)和跟踪
2020/3/27
触摸屏(touch panel)
是一种定位设备,一种能对物体触摸产生 反映的屏幕.
滚筒式绘图机 平台式绘图机
2020/3/27
图形显示设备(displays)
图形显示器： (displays)
CRT Display
• Random-scan display • 存储管式显示器 • Raster-scan display
平板显示器
• 液晶显示器(LCD) (liquid-crystal display ) • 等离子(plasma)显示器 • Flat-plane CRT display
2020/3/27
图形功能库GL
最初是在图形工作站上广泛使用的工业标准图形程序库， 运行于UNIX操作系统下
近年来扩展出可运行于Windows NT和Windows 95下 的微机版如OpenGL并得以快速推广
提供功能：
基本图素生成 坐标变换 设置图形属性和显示方式 输入/输出处理 真实图形显示
图形软件开发方案图示
应
用 接口： 程 标准图形包 序
显 示 设备驱动程序 设 备
图形系统开发策略
2020/3/27
计算机图形学应用举例—计算机辅助设计与制造
2020/3/27
2020/3/27
真实感图形
2020/3/27
2020/3/27
计算机动画
2020/3/27
几何（Geometry）信息？
计算机图形外围设备
一个简单的计算机图形系统包括以下五个 主要部分:
• 计算机 • 显示处理器 • 显示设备 • 输入设备 • 硬拷贝设备
2020/3/27
简单的计算机图形系统
绘图机 计算机
显示处理器
显示器
打印机
输入设备
2020/3/27
图形输入设备(input devices)
1.图形输入设备的逻辑功能分类 定位 赋值 选择 拾取
2020/3/27
CRT阴极射线管(Cathode Ray Tuble of CRT display)
聚焦系统 垂直偏转 水平偏转
荧光屏
阴极
灯丝
• 光子
栅极(控制 加速电极 极)负电压
电子枪
2020/3/27
偏转系统
谢谢！
2020/3/27
图 2-6 各 图 形 标 准 在 图 形 系 统 中 作 用 范 围
计算机图形参考模型CGRM
比较现有的和将来的计算机图形标准， 描述它们之间的关系
为计算机图形用户和计算机图形软件 的开发者提供有关标准化方面的重要 信息
2020/3/27
计算机图形学的应用
图形用户界面（GUI：HCI的重要方式） 交互式绘图 办公自动化及电子印刷 计算机辅助设计与制造（CAD：应用广泛） 科学计算可视化 艺术和商业 过程模拟 辅助教学 虚拟现实（VR） 计算机动画
与计算机网络技术的结合：WWW,VRML 基于点的绘制技术
2020/3/27
知识要求
程序设计和基本的数据结构方面的一些知 识。
图形学算法中用到的数学知识将在课程中 加以说明。
2020/3/27
Chapter 1 图形系统概述
Introduction to Graphics System
2020/3/27
电阻式触摸屏 电容式触摸屏 红外线式触摸屏 声表面波触摸屏
2020/3/27
坐标数字化仪 (data tablet)
将图形转换成计算机能接收的数字形式的设备
(图形输入板或图形数字化仪)
由图板和定位器两个主要部分.
2020/3/27
图形扫描仪(image scaner)
图形扫描仪是直接把图形和图象扫描输 入到计算机中，以象素信息进行存储表 示的设备。
2020/3/27
其它
2020/3/27
较为活跃的研究方向（1）
造型技术方面
几何造型技术 实体造型技术 基于物理的造型技术
真实感图形生成算法研究
裁剪、消隐、光照明模型等 基于图象的绘制技术
2020/3/27
较为活跃的研究方向（2）
人-机交互技术方面
WIMP 虚拟现实交互技术 多通道技术 交互的模糊化：智能化
2020/3/27
2020/3/27
非几何信息
光照(illumination) & 纹理(texture)
2020/3/27
光照效果图
2020/3/27
纹理合成效果图
2020/3/27
真实感图形
2020/3/27
2020/3/27
2020/3/27
曲面重构(surface recontstructiong)
2020/3/27
图形输出设备(output devices)(1)
打印机(printer)
(1)喷墨打印机 (2)激光打印机 (3)针打点阵打印机
2020/3/27
图形输出设备(output devices)(2)
绘图仪(graph plotter)
(1)静电绘图仪 (2)笔式绘图仪(自动绘图机)
PHIGS和PHIGS
Programmer’s Hierarchical Interactive Graphics System，功能：
向应用程序员提供控制图形设备的接口 图形数据按层次结构组织，使多层次的应用模型能方便地应用
PHIGS进行描述 提供动态修改和绘制显示图形数据的手段
公布于1986年，标准号是ISO IS 9592
2020/3/27
鼠标器(mouse)
是一种移动光标和做选择操作的计算机 输入设备.用于定位和选图.
2020/3/27
光笔(light pen)
光笔是一种能检测光信号的装置其形状和大小 象一支圆珠笔.
光笔的两种工作模式:拾取(选图)和跟踪
2020/3/27
触摸屏(touch panel)
是一种定位设备,一种能对物体触摸产生 反映的屏幕.
滚筒式绘图机 平台式绘图机
2020/3/27
图形显示设备(displays)
图形显示器： (displays)
CRT Display
• Random-scan display • 存储管式显示器 • Raster-scan display
平板显示器
• 液晶显示器(LCD) (liquid-crystal display ) • 等离子(plasma)显示器 • Flat-plane CRT display
2020/3/27
图形功能库GL
最初是在图形工作站上广泛使用的工业标准图形程序库， 运行于UNIX操作系统下
近年来扩展出可运行于Windows NT和Windows 95下 的微机版如OpenGL并得以快速推广
提供功能：
基本图素生成 坐标变换 设置图形属性和显示方式 输入/输出处理 真实图形显示