第一章 计算机图形学简介
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《计算机图形学》课件第一章
2. 模式识别（Pattern Recognition 图形信息输入计算机后， 先对它进行特征提取等预处 理， 然后用统计判定方法或语法分析方法对图形做出识别， 最后由计算机按照使用需求给出图形的分类或描述， 这就 是模式识别。 邮政自动分拣、 中西文字符和工程图纸自动 阅读等都是模式识别技术的应用实例。 模式识别研究怎样 分析和识别输入的图形， 以便找出其中蕴涵的内在联系或 抽象模型。
到能够展示某些期望特征的新图像。
图像处理、 模式识别、 计算机图形学、 计算几何和分 形几何这些学科都已有四十余年的历史了。 但长期以来， 它们基本上是以相互独立的形式各自发展、 成长的。 到了 20世纪80年代， 由于光栅图形显示器的广泛使用， 以及大 量复杂的应用课题的研究需要， 这几门学科的相互关系和 共同技术引起了人们越来越大的兴趣， 其学科界限日益模 糊。 从计算机软硬件的角度来看， 起核心作用的是图形显 示技术。
其后， MIT发展了APT(Automatically Programmed Tools) 数控加工自动编程语言， 这是目前国际上最为通用的加工 编程工具。 整个20世纪50年代， 使用的都是电子管计算机， 用机器语言编程。 计算机仍以科学计算为主， 为之配置的 图形设备仅具有输出功能， 计算机图形学处于被动式的图 形处理阶段。
（4）图形信息的存储、 检索与交换技术。 例如， 图 形信息的各种机内外表示方法、 组织形式、存取技术、 图 形数据库的管理、 图形信息的通信等。
（5） 人机交互与用户接口技术。 例如， 新型定位设 备、 选择设备等的研发， 各种交互技术如构造技术、 命令 技术、 选择技术、 响应技术等的研究， 以及用户模型、 命 令语言、 反馈方法、 窗口系统等用户接口技术的研究等。
计算机图形学教案
计算机图形学教案第一章：计算机图形学概述1.1 课程介绍计算机图形学的定义计算机图形学的发展历程计算机图形学的应用领域1.2 图形与图像的区别图像的定义图形的定义图形与图像的联系与区别1.3 计算机图形学的基本概念像素与分辨率矢量与栅格颜色模型图像文件格式第二章：二维图形基础2.1 基本绘图函数画点函数画线函数填充函数2.2 图形变换平移变换旋转变换缩放变换2.3 图形裁剪矩形裁剪贝塞尔曲线裁剪多边形裁剪第三章：三维图形基础3.1 基本三维绘图函数画点函数画线函数填充函数3.2 三维变换平移变换旋转变换缩放变换3.3 光照与材质基本光照模型材质的定义与属性光照与材质的实现第四章：图像处理基础4.1 图像处理基本概念像素的定义与操作图像的表示与存储图像的数字化4.2 图像增强对比度增强锐化滤波4.3 图像分割阈值分割区域生长边缘检测第五章：计算机动画基础5.1 动画基本概念动画的定义与分类动画的基本原理动画的制作流程5.2 关键帧动画关键帧的定义与作用关键帧动画的制作方法关键帧动画的插值算法5.3 骨骼动画骨骼的定义与作用骨骼动画的制作方法骨骼动画的插值算法第六章：虚拟现实与增强现实6.1 虚拟现实基本概念虚拟现实的定义与分类虚拟现实技术的关键组件虚拟现实技术的应用领域6.2 虚拟现实实现技术头戴式显示器（HMD）位置追踪与运动捕捉交互设备与手势识别6.3 增强现实基本概念与实现增强现实的定义与原理增强现实技术的应用领域增强现实设备的介绍第七章：计算机图形学与人类视觉7.1 人类视觉系统基本原理视觉感知的基本过程人类视觉的特性和局限性视觉注意和视觉习惯7.2 计算机图形学中的视觉感知视觉感知在计算机图形学中的应用视觉线索和视觉引导视觉感知与图形界面设计7.3 图形学中的视觉错误与解决方案常见视觉错误分析避免视觉错误的方法提高图形可读性与美观性第八章：计算机图形学与艺术8.1 计算机图形学在艺术创作中的应用数字艺术与计算机图形学的交融计算机图形学工具在艺术创作中的使用计算机图形学与艺术的创新实践8.2 计算机图形学与数字绘画数字绘画的基本概念与工具数字绘画技巧与风格数字绘画作品的创作与展示8.3 计算机图形学与动画电影动画电影制作中的计算机图形学技术3D动画技术与特效制作动画电影的视觉艺术表现第九章：计算机图形学的未来发展9.1 新兴图形学技术的发展趋势实时图形渲染技术基于物理的渲染动态图形设计9.2 计算机图形学与其他领域的融合计算机图形学与的结合计算机图形学与物联网的结合计算机图形学与生物医学的结合9.3 计算机图形学教育的未来发展图形学教育的重要性图形学教育的发展方向图形学教育资源的整合与创新第十章：综合项目实践10.1 项目设计概述项目目标与需求分析项目实施流程与时间规划项目团队组织与管理10.2 项目实施与技术细节项目技术选型与工具使用项目开发过程中的关键技术项目测试与优化10.3 项目成果展示与评价项目成果的展示与推广项目成果的评价与反馈重点和难点解析一、图像的定义与图像的定义，图形与图像的联系与区别1. 学生是否能够理解并区分图像和图形的概念。
计算机图形学课件 1第一、二章
象素（Pixel）：光栅显示器或图像阵列中的每个点称为一个象素。
分辨率（Dimension）：水平和垂直方向的像素数目。
2）液晶显示器
CRT显示器存在着体积大、有辐射的缺点。因此人们又推出了LCD（Liquid Crystal Display，液晶显示器）。
TN型（Twisted Nematic，扭曲向列型）液晶显示器是最典型的液晶显示器。 TNT型（Thin Film Transistor，薄膜型晶体管）是常用的液晶显示器。
2）计算机图形学 见定义。
3）图像处理 输入和输出均为图像。例如平滑、锐化等。
客观世界 （对象模型）
计 算 机 图 形 学
计 算 机 视 觉
设备环境 （图形显示）
4）计算机视觉 分析和识别输入图像，并从中提取二维或三维的数 据模型或特征，再将其变换到抽象的描述
院（MIT）旋风I号（Whirlwind I）计算机的附件诞生 了。
50年代，计算机图形学主要应用于科学计算，为 计算机配置的图形设备仅具有输出功能。计算机图形 学处于准备和酝酿时期，称之为：被动式图形学。
50年代末期，MIT第一次使用了具有指挥和控制功 能的CRT显示器，操作者可以用笔在屏幕上指出被确 定的目标，它预示着交互式计算机图形学的诞生。
例如：各种导航软件、地图软件等。
与其紧密相关的系统还有：GPS(Global Position System)、RS(remote sensing )，俗称3S。
第二章 计算机图形硬件系统
2.1图形系统的组成：
中央处理器
系统存储器
显显 示处理器数
示 主 芯
显 存
模 转 换
片
器
系统总线 输入/输出设备
根据屏幕上荧光点的 排列不同，控制栅格也就 不一样。
分辨率（Dimension）：水平和垂直方向的像素数目。
2）液晶显示器
CRT显示器存在着体积大、有辐射的缺点。因此人们又推出了LCD（Liquid Crystal Display，液晶显示器）。
TN型（Twisted Nematic，扭曲向列型）液晶显示器是最典型的液晶显示器。 TNT型（Thin Film Transistor，薄膜型晶体管）是常用的液晶显示器。
2）计算机图形学 见定义。
3）图像处理 输入和输出均为图像。例如平滑、锐化等。
客观世界 （对象模型）
计 算 机 图 形 学
计 算 机 视 觉
设备环境 （图形显示）
4）计算机视觉 分析和识别输入图像，并从中提取二维或三维的数 据模型或特征，再将其变换到抽象的描述
院（MIT）旋风I号（Whirlwind I）计算机的附件诞生 了。
50年代，计算机图形学主要应用于科学计算，为 计算机配置的图形设备仅具有输出功能。计算机图形 学处于准备和酝酿时期，称之为：被动式图形学。
50年代末期，MIT第一次使用了具有指挥和控制功 能的CRT显示器，操作者可以用笔在屏幕上指出被确 定的目标，它预示着交互式计算机图形学的诞生。
例如：各种导航软件、地图软件等。
与其紧密相关的系统还有：GPS(Global Position System)、RS(remote sensing )，俗称3S。
第二章 计算机图形硬件系统
2.1图形系统的组成：
中央处理器
系统存储器
显显 示处理器数
示 主 芯
显 存
模 转 换
片
器
系统总线 输入/输出设备
根据屏幕上荧光点的 排列不同，控制栅格也就 不一样。
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-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
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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
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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。
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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
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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(1-3章讲义汇总整理)
图形显示系统
图形显示系统是计算机图形处理系统中极其重要的部分。图形显示系统负责实时显示图 形处理的中间或最终结果，为用户提供可视的工作界面等。PC 机的图形显示系统逻辑上是 由监视器(Monitor，又称显示器)和显示卡(又称显示适配器)两大部分组成。目前显示器中主 要包括阴极射线管(CRT)，液晶显示器(LCD)和等离子显示器(PDP)。
图形输入板与坐标数字化仪
图形输入板与坐标数字化仪两者的工作原理与功能完全相同，它们都是将图形转变成计 算机能接收的数字量的专用设备。它们按工作原理的不同分为电磁式、超声波式、电位梯度 式、机械式等多种。数字化仪往往具在定位、拾取、选择的功能，其主要性能指标有分辨率、 精度和幅面。许多数字化仪提供多种压感。现在非常流行的汉字手写系统就是一种数字化仪。
光笔
光笔是一种手持检测光的装置，它直接在屏幕上操作，拾取位置。光笔原理简单，操作 直观，但荧光屏的分辨率、电子束扫描速度、荧光粉的特性、笔尖与荧光粉的距离和角度等 诸多因素都会影响光笔的分辨率与灵敏度。另外，光笔对于荧光屏上不发光的区域无法检测， 也不能用于液晶、等离子体等类型的显示器。
触摸屏
触摸屏利用手指等对屏幕的触摸位置进行定位。按工作原理可以分为：电阻式、电容式、 红外线式和声波表面波式。
计算机图形学的研究内容 计算机图形学的定义
计算机图形学是利用计算机来建立、处理、传输和存储从某个客观对象抽象得到的几何 和物理模型，并根据模型产生该对象图形输出的有关理论、方法和技术。1982 年，国际标 准化组织 ISO 将计算机图形学定义为：研究用计算机进行数据和图形之间相互转换的方法和 技术。
CRT 显示器
CRT 显示器由于分辨率和可靠性高、速度快、成本低等优点，多年来一直是图形显示系 统中最重要的设备。CRT 显示器的工作方式分为随机扫描和光栅扫描两种方式，目前以光栅 扫描方式为主，这是因为，虽然随机扫描图形显示器具有画线速度快、分辨率高等优点，但 难以生成具有多种灰度和颜色且色调能连续变化的图形，而光栅扫描图形显示器却可以生成 有高度真实感的图形，因而已成为 PC 机和 Macintosh 计算机以及各种工作站所使用的最重 要的信息显示设备。
图形显示系统是计算机图形处理系统中极其重要的部分。图形显示系统负责实时显示图 形处理的中间或最终结果，为用户提供可视的工作界面等。PC 机的图形显示系统逻辑上是 由监视器(Monitor，又称显示器)和显示卡(又称显示适配器)两大部分组成。目前显示器中主 要包括阴极射线管(CRT)，液晶显示器(LCD)和等离子显示器(PDP)。
图形输入板与坐标数字化仪
图形输入板与坐标数字化仪两者的工作原理与功能完全相同，它们都是将图形转变成计 算机能接收的数字量的专用设备。它们按工作原理的不同分为电磁式、超声波式、电位梯度 式、机械式等多种。数字化仪往往具在定位、拾取、选择的功能，其主要性能指标有分辨率、 精度和幅面。许多数字化仪提供多种压感。现在非常流行的汉字手写系统就是一种数字化仪。
光笔
光笔是一种手持检测光的装置，它直接在屏幕上操作，拾取位置。光笔原理简单，操作 直观，但荧光屏的分辨率、电子束扫描速度、荧光粉的特性、笔尖与荧光粉的距离和角度等 诸多因素都会影响光笔的分辨率与灵敏度。另外，光笔对于荧光屏上不发光的区域无法检测， 也不能用于液晶、等离子体等类型的显示器。
触摸屏
触摸屏利用手指等对屏幕的触摸位置进行定位。按工作原理可以分为：电阻式、电容式、 红外线式和声波表面波式。
计算机图形学的研究内容 计算机图形学的定义
计算机图形学是利用计算机来建立、处理、传输和存储从某个客观对象抽象得到的几何 和物理模型，并根据模型产生该对象图形输出的有关理论、方法和技术。1982 年，国际标 准化组织 ISO 将计算机图形学定义为：研究用计算机进行数据和图形之间相互转换的方法和 技术。
CRT 显示器
CRT 显示器由于分辨率和可靠性高、速度快、成本低等优点，多年来一直是图形显示系 统中最重要的设备。CRT 显示器的工作方式分为随机扫描和光栅扫描两种方式，目前以光栅 扫描方式为主，这是因为，虽然随机扫描图形显示器具有画线速度快、分辨率高等优点，但 难以生成具有多种灰度和颜色且色调能连续变化的图形，而光栅扫描图形显示器却可以生成 有高度真实感的图形，因而已成为 PC 机和 Macintosh 计算机以及各种工作站所使用的最重 要的信息显示设备。
第1章计算机图形学概述
第1章计算机图形学概述
{x,y}= {(1,2),(2,3),(3,4), (4,5),(5,6)}
y x1
第1章计算机图形学概述
The Stanford Bunny 第1章计算机图形学概述
斯坦福兔子
图形的概念
• 广义的图形概念
凡是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。如：
• 也可以是一系列坐标表示如： z
[ P 0 P 1 P 7 ] [ ( 0 , 0 , 0 ) ( 1 , 0 , 0 ) ( 1 , 1 , 0 ) ( 0 , 1 , 0 ) ( 0 , 1 , 2 ) ( 1 , 1 , 2 ) ( 1 , 0 , 2 ) ( 0 , 0 , 2 ) ] P7 (0,0,2) P4 (0,1,2)
• 除了多边形形式，其它表示三维物体的方法还有利用 Bézier曲线曲面、B样条曲线曲面、孔斯曲面以及它们的 有理形式等分段和分片参数多项式的形式来对物体表面 进行描述，这些形式第我1章们计算在机图第形9学，概述10章详细进行讲述
3、几何处理
• 由于计算机屏幕只能显示二维的图形，接下来需要将真实世 界中的三维物体的数字描述转换为二维图形，投影到二维屏
x1 x2
Xp
屏幕坐标系
第1章计算机视图口形学概述
三维实体绘制的基本任务
为了绘制三维几何实体，必须完成四个基本任务： • 第一，用数学方法建立所需三维场景的几何描述，并将他
们输入至计算机； • 第二，将三维几何描述转换为二维透视图； • 第三，将二维对象进行光栅化； • 第四，进行显示。
如果用计算机在图形设备上生成连续色调的真实感图形则 需要在上述的第二个任务之中添加上两个任务：确定场景 中的所有可见面和添加光照以计算场景中可见面的颜色， 然后再进行光栅化和显示。
{x,y}= {(1,2),(2,3),(3,4), (4,5),(5,6)}
y x1
第1章计算机图形学概述
The Stanford Bunny 第1章计算机图形学概述
斯坦福兔子
图形的概念
• 广义的图形概念
凡是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。如：
• 也可以是一系列坐标表示如： z
[ P 0 P 1 P 7 ] [ ( 0 , 0 , 0 ) ( 1 , 0 , 0 ) ( 1 , 1 , 0 ) ( 0 , 1 , 0 ) ( 0 , 1 , 2 ) ( 1 , 1 , 2 ) ( 1 , 0 , 2 ) ( 0 , 0 , 2 ) ] P7 (0,0,2) P4 (0,1,2)
• 除了多边形形式，其它表示三维物体的方法还有利用 Bézier曲线曲面、B样条曲线曲面、孔斯曲面以及它们的 有理形式等分段和分片参数多项式的形式来对物体表面 进行描述，这些形式第我1章们计算在机图第形9学，概述10章详细进行讲述
3、几何处理
• 由于计算机屏幕只能显示二维的图形，接下来需要将真实世 界中的三维物体的数字描述转换为二维图形，投影到二维屏
x1 x2
Xp
屏幕坐标系
第1章计算机视图口形学概述
三维实体绘制的基本任务
为了绘制三维几何实体，必须完成四个基本任务： • 第一，用数学方法建立所需三维场景的几何描述，并将他
们输入至计算机； • 第二，将三维几何描述转换为二维透视图； • 第三，将二维对象进行光栅化； • 第四，进行显示。
如果用计算机在图形设备上生成连续色调的真实感图形则 需要在上述的第二个任务之中添加上两个任务：确定场景 中的所有可见面和添加光照以计算场景中可见面的颜色， 然后再进行光栅化和显示。
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。
CG01-计算机图形学概述
第1章 概述
第5页
1.1 研究内容
图形的基本要素
– 几何要素 刻画对象的轮廓、形状等（点，线，面，体） – 非几何要素 刻画对象的颜色、材质等（颜色，纹理） – 例如
第1章 概述
第6页
1.1 研究内容
表示方法
–点阵法 枚举出图形中所有的点(强调图形由点构成） 简称为图像（image） –参数法 由图形的形状参数(方程或表达式的系数，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（graphics） –比较（见下页） r （x, y）
第1章 概述
第25页
1.3 图形学的应用
图形用户界面（GUI） 计算机辅助设计（CAD） 科学可视化（ Scientific Visualization ） 计算机艺术（Computer Art） 地理信息系统(GIS) 计算机动画、广告及娱乐 多媒体系统（Multimedia） 虚拟现实系统(Virtual Reality)
第1章 概述 第20页
1.2.2 硬件发展－输入设备
数据手套（主要部件是传感器）
第1章 概述
第21页
1.2.2 硬件发展－输入设备
数据衣（主要部件是传感器） 立体眼镜
第1章 概述
第22页
1.2.3 图形软件及软件标准
三种类型的计算机图形软件系统
– 用某种语言写成的子程序包
» GKS (Graphics Kernel System) » PHIGS(Programmer’s Hierarchical Interactive Graphics system ) » GL (Graphics Language ) » 便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低
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
第一章计算机图形学简介
第五节 计算机图形标准
计算机图形的标准是指图形系 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，前者为数据及 文件格式标准，后者为子程序界面 标准.
• CGI(Computer Graphics Interface) 为用户提供控制图形硬件的一种与设 备无关的方法，使得用户能够灵活方 便地直接控制图形设备，它是面向图 形设备的接口标准
第三节 计算机图形学
的应用及发展动向
• 图示图形学 • 制图学 • 计算机辅助设计和计算机辅助制造 • 计算机仿真与动画 • 计算机艺术与娱乐 • 可视化 科学计算可视化、商用可视化 • 教学与培训 • 图形用户界面 窗口、菜单和图标
图形学主要研究内容
• 图形的生成和表示技术 • 图形的操作与处理方法 • 图形输出设备与输出技术的研究 • 图形输入设备、交互技术及用户接
第一节 计算机图形学
计算机图形学 指用计算机产 生对象图形的输出的技术。
更确切地说，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。
模型：能够正确地表达出一个对象性质、 结构和行为的描述信息。
图形最终表示是由点和如何显示这些点 的绘图算法表示的。
图形软件：通用编程软件包－开发
专用应用ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ件包－应用
通用图形编程软件包提供一 个可用于高级程序语言的图形功 能扩展集。其包括生成图形元素、 设置颜色和亮度值、选择视图和 应用转换功能。
专用图形应用软件包－CAD、
CoreDraw
成交互任务的基础。 交互设备有定位、键盘、选择、
取值和拾取。 交互任务是用户输入到计算机
第一章计算机图形学介绍
比如，可以设想一个小孩来到地方博物馆的一个数字地球陈列室， 当他戴上头盔显示器，她将看到就象是出现在空中的地球。使用 “数据手套”，她开始放大景物，伴随越来越高的分辨率，她会 看到大洲，随之是区域、国家、城市、最后是房屋、树木以及其 它各种自然和人造物体。在发现自己特别感兴趣的某地块时，她 可乘上“魔毯”，即通过地面三维图象显示去深入查看。当然， 地块信息只是她可以了解的多种信息中的一种。使用数字地球系 统的声音识别装置，小孩还可以询问有关的土地覆盖、植物和动 物种类的分布、实时的气候、道路、行政区线，以及人口等方面 的信息。在这里，她还可以看到自己以及世界各地的学生们为 “全球项目”收集的环境信息。这些信息可以无缝地融入数字地 图或地面数据里。用数据手套向超连接部分敲击，她还可以获得 更多的有关她所见物体的信息。比如，为了准备全家去国家黄石 公园渡假，她策划一个完美的步行旅游，去观看刚从书中读到的 喷泉、北美野牛和巨角岩羊。甚至在离开她家乡的地方博物馆之 前，她就可以把要去步行旅游的地方从头到尾地浏览一遍。
硬件发展
• 图形显示器Leabharlann 发展 图形显示器是计算机图形学中关键的设备
• 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。
硬件发展
• 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。
• 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
硬件发展
• 图形显示器Leabharlann 发展 图形显示器是计算机图形学中关键的设备
• 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。
硬件发展
• 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。
• 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
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• 交互式计算机图形学是指用计算机交互 式地产生图形的技术。
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College of Computer Science and Technology
相关学科
• 图象处理是指用计算机来改善图象质量 的数字技术。
• 模式识别是指用计算机对输入图形进行 识别的技术。
• 计算几何学是研究几何模型和数据处理 的学科。
–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。
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Computer Graphics
•60年代
College of Computer Science and Technology
–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。 他在论文中首次使用了计算机图形学 “Computer Graphics”这个术语，证明了交 互计算机图形学是一个可行的、有用的研究 领域，从而确定了计算机图形学作为一个崭 新的科学分支的独立地位。他在论文中所提 出的一些基本概念和技术,如交互技术、分层 存储符号的数据结构等至今还在广为应用。 成就“图形学之父”的英名。
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Computer Graphics
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参考书
• 孙家广等，计算机图形学（第三版），清华大学出版 社，2002
• 计算机图形学（第三版） 电子工业出版社 Donald Hearn M.Pauline Baker著 蔡士杰 吴春镕 等译
图像生成（计算机图形学）
图像变换 （图像处理）
数
数
字
据
图
模
像
型
模型（特征）提取 （计算机视觉，模式识别）
模型变换 （计算几何）
发展特点: 交叉、界线模糊、相互渗透
2020/Байду номын сангаас/31
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第一节
College of Computer Science and Technology
计算机图形学
• 计算机图形学是指用计算机产生对象图形 的输出的技术。是利用计算机研究图形的 表示、生成、处理、显示的学科。
• 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。
主要研制各种显示器和打 印、绘图设备，如液晶显 示器、等离子显示器以及 携带更方便、色彩更丰富 的新一代显示器
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Computer Graphics
College of Computer Science and Technology
第二节 计算机图形学的起源
• 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。
Computer Graphics
计算机图形学
冯月萍
计算机科学与技术学院 Email:fengyp@
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Computer Graphics
College of Computer Science and Technology
课程的主要内容
• 图形基元的显示 • 图形变换 • 曲线和曲面 • 图形运算 • 形体的表示及其数据结构 • 消除隐藏线和隐藏面的算法 • 真实感图形的绘制
• 潘云鹤等，“计算机图形学—原理、方法及应用”， 高等教育出版社，2003
成绩=作业+上机成绩+期末考试
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第一章 计算机图形学简介
第一节 第二节 第三节
第四节 第五节
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计算机图形学 计算机图形学的起源 计算机图形学的应用
及发展动向 图形系统的硬件 计算机图形标准
College of Computer Science and Technology
•图形信息的数据结构及存储、检索方法 •几何模型构造技术 •动画技术（游戏） •图形软硬件的系列化、模块化 和标准化 的研究 •科学计算的可视化
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图形学主要研究内容
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。
• 图形的生成和表示技术
• 图形的操作与处理方法
• 图形输出设备与输出技术的研究
• 图形输入设备、交互技术及用户接口技 术的研究
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计算机图形学的研究内容
图形的输入 图形的表示 图形的存储
定义
具体内容
研究将图形或图形数据输入到计算 键盘、鼠标、图形输入板、
机中的技术和设备
扫描仪等设备的研制
研究在计算机中用点、线、面的坐 标值(几何信息)和连接关系(拓扑 信息)建立几何模型的方法
按一定数据结构组织图形数据并将 其存储在动态或永久性介质中
线框模型、面模型、体模 型等
常用的数据结构有线性链 表、二叉树、四叉树等
图形的处理 图形的显示 与输出
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对图形进行几何变换或投影变换以 及并、交、差运算等操作
将计算机内特定表示形式的图形转 换成图形输出设备能够接受的表示 形式，并将图形在计算机屏幕上或 者打印机等输出设备上显示或绘制 输出
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相关学科
• 图象处理是指用计算机来改善图象质量 的数字技术。
• 模式识别是指用计算机对输入图形进行 识别的技术。
• 计算几何学是研究几何模型和数据处理 的学科。
–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。
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•60年代
College of Computer Science and Technology
–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。 他在论文中首次使用了计算机图形学 “Computer Graphics”这个术语，证明了交 互计算机图形学是一个可行的、有用的研究 领域，从而确定了计算机图形学作为一个崭 新的科学分支的独立地位。他在论文中所提 出的一些基本概念和技术,如交互技术、分层 存储符号的数据结构等至今还在广为应用。 成就“图形学之父”的英名。
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参考书
• 孙家广等，计算机图形学（第三版），清华大学出版 社，2002
• 计算机图形学（第三版） 电子工业出版社 Donald Hearn M.Pauline Baker著 蔡士杰 吴春镕 等译
图像生成（计算机图形学）
图像变换 （图像处理）
数
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据
图
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像
型
模型（特征）提取 （计算机视觉，模式识别）
模型变换 （计算几何）
发展特点: 交叉、界线模糊、相互渗透
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第一节
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计算机图形学
• 计算机图形学是指用计算机产生对象图形 的输出的技术。是利用计算机研究图形的 表示、生成、处理、显示的学科。
• 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。
主要研制各种显示器和打 印、绘图设备，如液晶显 示器、等离子显示器以及 携带更方便、色彩更丰富 的新一代显示器
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第二节 计算机图形学的起源
• 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。
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计算机图形学
冯月萍
计算机科学与技术学院 Email:fengyp@
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课程的主要内容
• 图形基元的显示 • 图形变换 • 曲线和曲面 • 图形运算 • 形体的表示及其数据结构 • 消除隐藏线和隐藏面的算法 • 真实感图形的绘制
• 潘云鹤等，“计算机图形学—原理、方法及应用”， 高等教育出版社，2003
成绩=作业+上机成绩+期末考试
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第一章 计算机图形学简介
第一节 第二节 第三节
第四节 第五节
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计算机图形学 计算机图形学的起源 计算机图形学的应用
及发展动向 图形系统的硬件 计算机图形标准
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•图形信息的数据结构及存储、检索方法 •几何模型构造技术 •动画技术（游戏） •图形软硬件的系列化、模块化 和标准化 的研究 •科学计算的可视化
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图形学主要研究内容
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。
• 图形的生成和表示技术
• 图形的操作与处理方法
• 图形输出设备与输出技术的研究
• 图形输入设备、交互技术及用户接口技 术的研究
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计算机图形学的研究内容
图形的输入 图形的表示 图形的存储
定义
具体内容
研究将图形或图形数据输入到计算 键盘、鼠标、图形输入板、
机中的技术和设备
扫描仪等设备的研制
研究在计算机中用点、线、面的坐 标值(几何信息)和连接关系(拓扑 信息)建立几何模型的方法
按一定数据结构组织图形数据并将 其存储在动态或永久性介质中
线框模型、面模型、体模 型等
常用的数据结构有线性链 表、二叉树、四叉树等
图形的处理 图形的显示 与输出
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对图形进行几何变换或投影变换以 及并、交、差运算等操作
将计算机内特定表示形式的图形转 换成图形输出设备能够接受的表示 形式，并将图形在计算机屏幕上或 者打印机等输出设备上显示或绘制 输出