计算机图形学

2021年2月16日星期二
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教学重点、难点
重 点：计算机图形学的定义、图形图象的定义，计算 机图形学的研究内容，ＣＧ的应用与研究前沿，计算机 图形系统，图形输入输出设备，图形显示设备，C语言 图形程序设计基础，基本图形的生成与计算，曲线曲面 的生成与计算，图形变换技术以及图形交互技术的原理 等。
说明： 1. 所谓图元是最简单的图形，如点、直线、曲线、圆、 矩形等。图元都由数学公式来表示，所存储的也是数学公 式中的参数值，例如圆可以用圆心和半径表示等等。 2. 另外，图元也可以是用多个图形（简单图元）组成的 一个带有一定含义的组合图元。组合图元的各个图元可以 单独地除去、添加、移动或修改。 3. 图形含有几何属性，更强调场景的几何表示，是由场景 的几何模型和景物物理属性 (非几何属性) 共同组成的。
1）图形图像的定义
（1）图形（Graphic） 图形也称矢量图形，简称矢量图。一般由计算机结图形
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1.1 计算机图形学的基本概念
第1章 计算机图形学的基础知识
应用程序一起创建，通常由点、线、面、体等几何元素 （图元）和灰度、色彩、线型、线宽等非几何元素组成， 内部表示为这些图元对象的集合。
说明：
1. IEEE定义：Computer graphics is the art or science of
producing graphical images with the aid of computer。
2.它是建立在传统的图学理论、应用数学及计算机科学基
础上的一门边缘学科。特点：新兴学科 边缘性学科 与
图像点阵数据
图越复杂，需要执行的指令越 多，显示越慢
容易编辑，适合 “绘制”和创 建，但表现力受限
与图的容量（含像素 点多少）有关
适于“获取”和“复 制”，表现力丰富， 但编辑起来较复杂
图 1-1
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第1章 计算机图形学的基础知识
1.1 计算机图形学的基本概念
（2）矢量图和位图的转化 图形和图像之间的转化主要包括文件在输入/输出设备之 间的硬转化和文件格式之间的软转化。 ① 硬转化 所谓硬转化是指图形和图像之间通过输入输出设备实现 相互之间的转化。 例如：有一张工程图纸： 如果用扫描仪将它扫描后导入Photoshop，那么它就变成 图像信息，因为扫描仪只能将图纸上的画面转化成点位图 ；如果用数字化仪输入AutoCAD，那么它就变成图形信息 , 因为数字化仪支持图形输入。这说明图形和图像间可以通 过输入设备来转化。 2相021同年2月地16，日星输期二出时，如果将AutoCAD中的工程图通过打印1机9
① 人类眼睛看到的实物景象。（实体物 3D） ② 用摄像机等装置获得的图片照片。（图片 2D） ③ 用绘图仪绘制出来的工程图、设计图等。（图纸）
④ 各种人工美术绘图、雕塑等。(美术作品） ⑤ 用数学方法描述的图形。（y=sin(x)函数曲线） 虽然有人认为图形与图象两个概念间的区别越来越模糊
，但我 们认为还是有区别的。
说明：
1.像素是图像上一个个带有亮度和颜色的的点，大量有序
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1.1 计算机图形学的基本概念
第1章 计算机图形学的基础知识
的点组成一幅离散化了的数字图像。也就是说，图像被分 割为一个个离散的点，所以称之为点位图，简称位图，从 而图像又可以看着是计算机内以位图(Bitmap)形式存在的 灰度信息。 2.图像一般具有信息精炼、表达精确、表达直观、易于交 流和理解的优点。
形交互技术等 。
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主讲教材和参考书
1:《计算机图形学》,王汝传、邹北骥编著, 北京:人民邮 电出版社, 2002.7.
2:《计算机图形学》（第四版）,孙家广等编著, 北京:清 华大学出版社,2006.4
3:David F.Rogers. 《Procedural Elements for Computer Graphics》(Second Edition)[M].The McGraw-Hill
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本章目录
1.1 计算机图形学的基本概念 1.2 计算机图形学的研究内容 1.3 计算机图形学的发展概况 1.4 计算机图形学应用与研究前沿 1.5 计算机图形系统的组成 1.6 图形输入设备 1.7 图形显示设备与图形处理器 1.8 图形输出设备
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1.1 计算机图形学的基本概念
第1章 计算机图形学的基础知识
几何元素： 刻画形状的点、线、面、体等几何要素
非几何元素： 反映物体表面属性或材质的明暗、灰度、色彩等
（2）图像（Image） 图像也称点位图，一般来源于现实和虚拟世界，是用摄
像机或扫描仪等输入设备捕捉实际场景画面产生的数字图 像，其最小的可寻址的图像元素为像素。
Companies.2002 .
4:《Computer Graphics: Principles and Practice,Second Edition in C》James D.Foley Andries van Dam、Steven
K.Feniner John F.Hughes, Pearson Education Press,
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本章重点、难点
本章重点
1、计算机图形学的基本概念 2、计算机图形学的研究内容 3、计算机图形学应用与研究前沿 4、计算机图形系统的组成 5、图形输入、输出设备与图形显示设备
本章难点
1、计算机图形学的研究内容 2、计算机图形学的研究前沿 3、计算机图形系统的组成 4、图形显示设备与图形处理器
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2004.3 .
5: 配套CAI课件： 计算机图形学PPT课件 西安理工大学 应用数学系 胡钢制作 更新时间：2009年春.
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第 1章
第一章 计算机图形学基础知识
本章概述：本章主要介绍了计算机图形学 的基本概念、研究内容、发展概况与应用 领域，以及计算机图形系统的相关知识。
传统理论密切联系。
图形的具体应用范围很广，但是从基本的处理技术看主要
分为两类：
(1) 一类是线条式，如工程图、地图、曲线图表、电路的
内容、发展历史、应用和图形学前沿的发展方向， 同时介绍一些图形硬件的基本原理，使读者对图形 学的有关内容有个概括性的了解。
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1.1计算机图形学的基本概念
本节我们主要介绍计算机图形学的一些基本概念，包括： 计算机图形学的定义、图形图像的概念以及计算机图形学的 相关学科。
1.图形图像的概念 2.计算机图形学的定义 ３.计算机图形学的相关学科
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绪论
第1章 计算机图形学的基础知识
计算机图形学(Computer Graphics、简称CG)是 研究计算机绘图的一门学科，经过30多年的发展， 计算机图形学已成为计算机科学中最为活跃的分支 之一，并得到广泛的应用。它是随着计算机硬件特 别是图形显示设备的发展而逐渐产生发展起来的， 并已渗入到生产、生活的各个方面。 本章将介绍计算机图形学的一些基本概念、研究
据结构、计算方法、微机原理、高等代数、
数学分析、微分几何等。
开课学期：三年级第二学期
考核方式：考试成绩(60%)+平时成绩(10%)+上机实验
(30%)
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教学目的和要求
目 的：通过本课程的学习，使学生能够全面地掌握图 形图象处理的原理、方法和技术，能充分理解图形学中 的各种基本算法在整个计算机图形系统中的作用，对图 形系统有一个整体的概念。从而培养学生的计算机图形 处理能力，熟悉计算机图形系统和应用软件的设计、使 用及组织，为学生毕业后从事计算机绘图、计算机辅助 设计、辅助教学、辅助工程、图形处理等方面打下良好 的基础。
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1.1 计算机图形学的基本概念
第1章 计算机图形学的基础知识
一、图形图像的概念（§1.1.1）
人类用来表达和交流的方式有很多：语言文字、图形 图象、肢体语言（手势、点头、眼神等）。图作为交流与 语言文字相比，有一些文字无法替代的优势：
① 图形图像信息易于交流和理解。（语言受地域，国别 的限制）
第1章 计算机图形学的基础知识
1.1 计算机图形学的基本概念
，那么必须先对图形进行点阵化，才能被打印机识别。
这个过程就是图形图像间的硬转化。如果用绘图仪输出
，则无须转化，因为绘图仪支持图形输出。
② 软转化
所谓软转化是指利用图形图像处理软件（应用软件）来
转化文件的格式。
例如：
将AutoCAD的DWG矢量图转化为BMP、GIF等格式点位
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本章学习目标
1. 充分理解计算机图形学的一些基本概念， 如ＣＧ的定义、图形与图象的概念等。
2. 熟练掌握计算机图形学的研究内容。 3. 明确计算机图形学应用领域与研究前沿。 4. 掌握计算机图形系统的组成，包括系统的
结构、基本功能及其硬件性能要求。 5. 了解并掌握常用的图形输入与输出设备。 6. 了解图形显示设备与图形处理器。
图就属于图形图像之间的软转化。目前，提供图形图像
之间软转化功能的应用程序（软件）有CorelDraw、 Phot -oshop、ACDSee等。 图形图像间的软转化和硬转化在理论和实际中都是可行
的，不过两者间的转化会造成一些细节的丢失或失真。
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第1章 计算机图形学的基础知识
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课程简介
课程代码：08110310
学 分： 3.5
学时分配：理论教学：40学时； 周学时：4学时； 实
验上机：16学时
课程性质：专业基础课、学位课
适用专业：计算机、数学、工业设计以及信息类等相
关专业
先修课程：先修课是C（C++）高级语言程序设计、数
2）矢量图和位图的比较及转换
（1）矢量图和位图的比较 如下图1-1所示，两者之间的差异如下：
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1.1 计算机图形学的基本概念
第1章 计算机图形学的基础知识
容量 文件内容 显示速度
应用特点
矢量图（图形）
与图的复杂程度有关，一般较 小
图形指令
位图（图像）
与图的尺寸和颜色有 关，一般较大
要 求：要求了解计算机图形学的基本知识，包括：研 究内容、发展历史、应用与研究前沿等。并掌握计算机 图形系统的组成、图形输入输出设备、图形显示设备、 基本图形的生成与计算、曲线与曲面的生成与计算、图 形变换技术、图形交互技术以及C语言图形程序设计基 础等基本内容。经过系统的理论学习和上机实验操作， 提高学生对图形图象系统的研究和开发能力。
1.1 计算机图形学的基本概念
二、计算机图形学的定义（§1.1.2）
什么是计算机图形学呢？简单地讲，计算机图形学是 研究计算机绘图的一门学科。但是这样的定义并不科学 规范，因为这样容易使人们将计算机图形学与计算机图 象处理（Image Processing）混淆。计算机图形学所 研究的图形为从客观世界的物体中抽象出来的带有灰度 或色彩及形状的图或形。根据国际标准化组织（ISO）， 对计算机图形学作如下定义：
难 点：图形图象的定义与区别，ＣＧ的研究内容，计
算机图形系统的组成，ＣＲＴ阴极射线管的基本原理，
图形显示设备的工作原理和分类，Ｃ语言图形函数的使
用，直线段和圆弧的生成算法、区域填充、字符的生成、
反走样技术、图形裁剪，Bezier、B样条曲线技术，
Bezier、B样条曲面技术，三维图形的变换技术以及图
计算机图形学（Computer Graphics、简称CG）是研 究通过计算机将数据转换为图形，并在专用的显示设备 上显示的原理、方法和技术的学科，换句话说，是指利 用计算机研究图形的表示、生成、处理、显示的学科。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第1章 计算机图形学的基础知识
1.1 计算机图形学的基本概念
② 图形图像信息精炼：一图胜于言，百闻不如一见。 ③ 图形图像表达精确：用语言描述一个人的外貌，总有
信息丢失，拍照就不会产生信息丢失。 ④ 图形图像表达直观：形象，深刻。（书中除文字解释
外还配有插图）
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第1章 计算机图形学的基础知识
1.1 计算机图形学的基本概念
那在我们的现实生活中哪些是图呢：