计算机图形学系统概述1
计算机图形学第2章图形系统
2、荫罩式
根据屏幕上荧光点的排列不同，控制栅也就不 一样。普通的显示器一般用三角的排列方式，这 种显像管被称为荫罩式显像管。荫罩法常用于光 栅扫描系统，因为它能产生的彩色范围比电子束 穿透法宽广得多。
三色荧光屏
荫罩
三个电子枪
能显示16兆种颜色的显示系统叫做真彩色显示系统
3、荫栅式
普通的显象管采用的都是荫罩式显象管，显象管 的表面呈略微凸起的球面状，故称之为“球面管”。 荫罩式球面显示器几何失真大，而且三角形的荧光 点排列造成即使点很密很细也不会特别清晰，所以 近几年荫栅式显示器逐渐流行起来。
喷绘仪实物图
四、静电设备
静电设备沿纸的宽度方向一次一整行地置负电 荷于纸上，尔后，面对调色剂曝光。调色剂充以 正电，被吸引到充以负电的区域，从而产生指定 的输出。 静电绘图仪分辨率可达200dpi，其速度比笔绘 仪高，运行可靠，噪声小，但用纸特殊而价格昂 贵。
静电绘图仪结构图
五、电热式设备
电热式利用点阵打印头的热度，在热感应纸上输 出图案。
二、激光设备
在激光设备里，激光束把要打印的图形写在感光 鼓上，鼓再把这一图形转移到纸上。激光打印机 的主要构成部分有感光鼓、炭粉、打底电晕丝和 转移电晕丝。
激光打印机结构图
三、喷墨设备
喷墨法产生的输出，是沿包裹在鼓上的纸卷逐行 喷墨水来实现的。在高压下墨水形成墨雾，充电 荷的墨雾在电场控制下发生偏转，将墨雾喷印到 纸上。
热升华打印机
六、笔绘仪
笔绘仪有一支或多支笔安装在横跨纸的笔架或滑杆 上，各种彩色和不同粗细的笔用来绘制各种阴影和 线型。与前面几种点阵硬拷贝设备不同，笔绘仪属 于随机画线硬拷贝设备。 笔绘仪的绘图速度取决于绘图笔移动的速度和 加速度。这里，加速度和笔绘仪笔头的质量有关。
计算机图形学的基本原理和应用
计算机图形学的基本原理和应用计算机图形学是一门研究计算机如何呈现和处理图像的学科，它涉及到图像的生成、显示和修改等方面。
在现代社会中，计算机图形学的应用越来越广泛，涵盖了多个领域，如动画制作、游戏开发、虚拟现实等。
本文将详细介绍计算机图形学的基本原理和应用，并列举一些相关的步骤。
一、计算机图形学的基本原理1. 坐标系统：计算机图形学使用二维或三维的坐标系统来表示图像中的点或物体。
二维坐标系统由x轴和y轴组成，三维坐标系统还包括z轴。
2. 图形学基本元素：点、线、面是计算机图形学中最基本的元素，它们可以用来构建更复杂的图像。
3. 几何变换：几何变换是计算机图形学中常用的技术，它可以改变图像的位置、尺寸、旋转角度等特征，常见的几何变换包括平移、缩放、旋转等。
4. 颜色和着色：计算机图形学中不仅涉及到图像的形状，还包括颜色的处理。
颜色可以通过RGB色彩模式来表示，并且可以应用不同的着色技术，如灰度着色、阴影着色等。
5. 投影和照明：投影和照明是计算机图形学中用于实现逼真效果的重要技术。
其中，投影可以将三维物体映射到二维图像中，而照明则决定了光照效果的表现。
二、计算机图形学的应用1. 动画制作：计算机图形学在动画制作中有着广泛的应用，可以实现逼真的角色造型、精细的动作表现和丰富的背景设计等。
通过计算机生成的动画，可以呈现出无法通过传统手绘的方式实现的特效和场景。
2. 游戏开发：计算机图形学是游戏开发的核心领域之一，它可以实现游戏中各种角色、场景和特效的渲染。
利用计算机图形学的技术，游戏开发人员可以创建出逼真的游戏世界，提供更好的视觉体验。
3. 虚拟现实：虚拟现实是一种通过计算机生成的仿真环境，它可以让用户身临其境地感受到虚拟世界。
计算机图形学在虚拟现实中扮演着重要角色，它可以实现逼真的场景呈现、真实的物体交互等效果，使用户得到更加身临其境的体验。
4. 医学影像：计算机图形学在医学影像处理中起到了关键作用。
计算机图形学第一讲
计算机图形学
计算机图形学概述
1.1 研究内容
1.2 发展历史 1.3 应用举例 1.4 当前研究动态
计算机图形学
1.1 研究内容
• 什么是图形？ • 构成图形的要素是什么？ • 图形有哪两种表示法？
• 图形学所研究的内容是什么？
计算机图形学
计算机图形学的研究内容涉及到用计算机对图形 数据进行处理的硬件和软件两方面的技术，以及与 图形生成、显示密切相关的基础算法： 1、二维图形元素的生成算法 点、直线、圆、弧、规则曲线、自由曲线、文 本等图元的生成。 2、二维图形的基本操作和图形处理算法 对图形的平移、缩放、旋转、镜像、错切等操 作，此外还包括二维图形的裁剪、多边形填充以及 二维图形的布尔运算（并、交、差）等。
计算机图形学
60年代 1963年，MIT林肯实验室的I. 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 )。 同时，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bé zier 提出 Bé zier曲线、曲面的理论。 MIT的教授Steven 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。
计算机图形学
（3）用并行处理技术提高真实感图像的生成速 度 如采用多处理器，将一幅光栅图像的 512×512或更多个象素用几十个甚至几百个处 理器并行计算，可以明显提高图像的生成速度。 （4）探讨自然景象的模拟方法 采用纹理映射、分维技术、粒子系统等方法 再现景物表面的色彩和纹理细节，体现山峦的粗 糙岩面，重现云、火、水等飘忽不定的景色。 （5）科学可视化
计算机图形学
在医学领域，可视化有着广阔的发展前途
计算机图形学主要知识点
第一章计算机图形学是：研究怎么利用计算机来显示、生成和处理图形的原理、方法和技术的一门学科。
计算机图形学的研究对象是图形。
构成图形的要素有两类：一类是几何要素（刻画图形状的点、线、面、体），另一类是非几何要素（反映物体表面属性或材质的明暗、灰度、色彩）.。
计算机中表示图和形常有两种方法：点阵法和参数法。
软件的标准：SGI等公司开发的OpenGL，微软开发的Direct X，Adobe的Postscript 等。
计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）计算机图形系统可以定义为计算机硬件、图形输入输出设备、计算机系统软件和图形软件的集合。
交互式计算机图形系统应具有计算、存储、对话、输入和输出等五方面的功能。
真实感图形的生成一般须经历场景造型、取景变换、视域裁剪、消除隐藏面及可见面光亮度计算等步骤。
虚拟现实系统又称虚拟现实环境，是指由计算机生成的一个实时三维空间。
用户可以在其中“自由地”运动，随意观察周围的景物，并可通过一些特殊的设备与虚拟物体进行交互操作。
科学计算可视化是指运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中及计算结果的数据转换为图形及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。
第二章鼠标器是用来产生相对位置。
鼠标器按键数分为两种：MS型鼠标（双按键鼠标）和PC型鼠标（三按键鼠标）。
触摸屏也叫触摸板，分为：光学的红外线式触摸屏、电子的电阻式触摸屏和电容式触摸屏、声音的声波式触摸屏。
数据手套是由一系列检测手和手指运动的传感器的构成。
来自手套的输入可以用来给虚拟场景中的对象定位或操纵该场景。
显示设备的另一个重要组成部分的是显示控制器。
它是控制显示器件和图形处理、转换、信号传输的硬件部分，主要完成CRT的同步控制、刷新存储器的寻址、光标控制以及图形处理等功能。
阴极射线管CRT由电子枪、偏转系统及荧光屏3个基本部分组成。
电子枪的主要功能是产生一个沿管轴（Z轴）方向前进的高速的细电子束（轰击荧光屏）。
计算机图形学基础(1)
GKS,PHIGS,OpenGL, 国 际 标准 ： JBIG,JPEG,IPI/IIF;TIFF
WMF,VRML; CGM,STEP, 7. 编 辑软件 (绘图软件 ):
编辑软件 (图象处理 软件 )： Photoshop,Photostyler
AutoCAD,CorelDRAW
Graphics 与 Image 的关系
计算机图形学的研究内容
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。
计算机图形系统
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 图形输入设备 图1-2 图形系统基本功能框图 存贮 数据库
计算机图形系统的结构
图形应用数据结构 图形软件 图 形 系 统 图形应用软件 图形支撑软件 图形硬件 图形计算机平台 图形设备 图1-3 计算机图形系统的结构
5. 屏幕坐标系
(0,0)
X
xmax x
y ymax (X,Y)
Y (X,Y) ymax y (0,0) Y
X
xmax
x
图2-30 不同显示器的坐标
二进制位图
彩色查表位图
灰度等级位图
RGB彩色页面位图
几何信息与拓扑信息
图形对象及构成它的点、线、面的位置、相互间关
系和几何尺寸等都是图形信息；
并行图形处理
工作站网络（NOW，Network of Workstation） 工作站机群（worksation cluster）
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。
计算机图形学第一章基本知识
课程内容
• 第二篇 实用图形编程技术 第八章 基于MFC的图形编程基础 第九章 基于MFC的交互绘图 第十章 OpenGL基础知识和实验框架的建立 第十一章 OpenGL的基本图形 第十二章 OpenGL的组合图形及光照和贴图 第十三章 摄像漫游与OpenGL的坐标变换
1.2 计算机图形学的发展历史
时间 五十年代 特 征 MIT 旋风一号，计算机驱动CRT+照相机， SAGE(交互式图形技术诞生)
六十年代
随机扫描显示器，图形学之父
六十年代至七十年代 存储管显示器，应用的软件包 初 七十年代至八十年代 光栅扫描显示器，新型的图形输入设备，图 初 形语言标准 八十年代至九十年代 图形工作站(Apollo,Sun,Hp) 初 九十年代至今 微机，交叉学科（多媒体等）
计算机图形学 郑州大学信息工程学院
•按工作原理分为：1、阴极射线管(CRT)
1.4.3 显 示 器
控制栅
聚焦系统
荧 光 粉 涂 层
灯丝
阴极 加速系统 偏转系统
计算机图形学 郑州大学信息工程学院
2、 等离子屏幕显示器
• 由一个细小氖泡矩阵组成，由于氖泡有两种状态：开 启(点燃)、关闭(熄灭)，且状态可保持。分为 1）前层：垂直导线 2）中层：细小氖泡 3）后层：水平导线
真实图形生成技术的发展
• 逼真地显示出该物体在现实世界中所观察到的 形象，就需要采用适当的光照模型，尽可能准 确地模拟物体在现实世界中受到各种光源照射 时的效果 • 局部光照模型模拟漫反射和镜面反射，而将许 多没有考虑到的因素用一个环境光来表示。 • 光线跟踪方法和辐射度方法为代表的全局光照 模型，使得图像的逼真程度大为提高
01交互式计算机图形学系统
图形的矢量图表示—优点
空间小
¾ 图形文件所占的空间小；
易编辑
¾ 矢量图中的各物体是独立的(以点、线、 面和体为基本构成元素，所以也称这 种图形表示为面向对象图形表示)，所 以编辑修改也比较方便；
不失真
¾ 矢量图形的输出与实际显示的分辨率 无关，放大不会失真。
3
图形的矢量图表示—缺点
看起来比较抽象 图形构造比较麻烦，有些特殊效果处理比较困难 输出必须采用矢量式输出设备，不能直接使用打印机打印 要想以光栅图形显示时则需要进行某种变换，即将矢量表示
¾
字符串（String）：输入一串字符。
1.4 图形硬件设备
输入设备
-键盘、鼠标、数字化仪、扫描仪等。
硬拷贝设备
-打印机、绘图仪
显示设备
-光栅扫描显示器
图形硬拷贝设备
绘图仪
¾ 滚筒式、平板式绘图仪
打印机
¾ 撞击式：行式打印机、点阵式打印机、 针式打印机（打印发票等）
¾ 非撞击式：激光打印机、喷墨打印机
编辑、修改相对更困难
¾ 点阵图中各物体的描述是混在一起的，对不同物体的 操作存在麻烦，不可能将某一个物体的所有像素都置 为零，这样会同时消除重叠的其它物体。
¾ 这个问题的解决方法就是引入存储器分块，并且在每 个分开的块上显示各自独立的物体。
放大操作会使图形失真
图形的矢量图表示
用数学方程、数学形式对图形进行描述 ¾ 通常用图形的形状参数和属性参数来表 示图形 z 形状参数指描述图形的方程或分析表 达式的系数，线段或多边形的端点坐 标等 z 属性参数包括颜色、线型等 ¾ 矢量图的关键是如何用算法及数学公式 进行描述，并且如何将之在图形显示设 备上显示出来。
44_计算机图形学--绪论(44页)
计算机图形学的研究动态
□ 科学计算可视化 运用计算机图形学和图像处理技术，将科
学计算过程中及计算结果的数据转换为图形及 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。
计算机图形学的研究动态
□ 并行图形处理 ■ 多计算机的并行图形处理 ■ 多图形显示子系统（显卡）实现并行计算 ■ 多GPU/VPU的并行处理
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，不怕那风雨狂，只怕先生骂我
笨，没有学问无颜见爹娘 ……” • “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
课程特点
课程内容偏重于理论，部分算法较抽象且不易 理解
课程内容涉及面广 基础算法或理论是几十年来固定不变的经典 理论的作用隐藏于日常的计算机使用中，虽然
Sutherland发表了一篇题为“Sketchpad：一 个人——机通信的图形系统”的博士论文，其中 首次使用了“Computer Graphics”。
计算机图形学的确立
发展期（70年代） ■ 计算机图形处理技术进入实用化阶段； ■ 区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念及
算法； ■ 真实感图形学和实体造型技术；
□ 办公自动化和电子出版技术 ■ 图形显示技术在办公自动化和事务处理中的 应用，有助于数据及其相互关系的有效表达， 因而有利于人们进行正确的决策； ■ 图文并茂的电子排版系统代替了传统的铅字 排版，这是印刷史上的一次革命。
计算机图形学的应用
□ 计算机艺术 计算机图形技术已广泛应用于各种图案、
花纹、工艺外形及传统的油画、中国国画和书 法等艺术品的制作，为创作艺术和商品艺术提 供了更为广阔的空间。
第一章 绪论
计算机图形学的概念 计算机图形学研究的对象 计算机图形学的应用 计算机图形学的研究动态
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
计算机图形学教学大纲(word文档【经典】)
XX大学《计算机图形学》教学大纲编写单位：执笔人：审核人：XX大学xx系20xx年9 月［实验要求］本课程实验要求较高，实验内容多且相关性较强，有关实验的具体要求与内容需按实验大纲执行，本大纲中不再另行说明。
第一章绪论［教学内容］计算机图形学的目标与任务；计算机图形学的内容体系；计算机图形学相关学科；计算机图形学相关领域。
[教学目标与要求]熟练掌握：计算机图形学的内容体系；计算机图形学的目标与任务；掌握：计算机图形学的应用领域；计算机图形学的相关学科；了解：计算机图形学的发展。
[重点与难点]计算机图形学的内容体系；计算机图形学的目标与任务。
[教学时数]2学时第一节计算机图形学的目标与任务一、视觉交流是计算机图形学的目标与任务二、计算机图形学的三个基本任务第二节计算机图形学的内容体系一、基础模块二、建模与表示模块三、绘制模块四、交互技术第三节计算机图形学相关学科一、图形与图像二、相关学科第四节计算机图形学的应用领域一、计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）二、科学计算可视化三、虚拟现实四、动画第五节计算机图形学的发展一、计算机图形学的发展简史二、计算机图形学的发展趋势[复习思考题]1、图形包括哪两方面的要素？在计算机中如何表示它们？2、图形的本质是什么？3、如何看待计算机图形学的发展趋势？第二章图形系统［教学内容］Visual 图形系统概述；图形系统体系结构；图形支撑软件；图形硬件显示原理；[教学目标与要求]熟练掌握：图形系统体系结构；图形硬件显示原理掌握：图形系统基本概念和术语；了解：图形支撑软件[重点与难点]图形系统体系结构；图形硬件显示原理[教学时数]2学时第一节图形系统概述一、图形系统组成结构1.图形系统组成结构2.图形系统分类第二节图形系统体系结构一、概述二、应用程序阶段三、几何处理阶段四、光栅阶段第三节图形支撑软件一、OpenGL二、DirectX三、Java2D和Java3D第四节图形硬件显示原理一、图形显示设备及工作原理二、图形显示方式三、光栅扫描图形显示系统[复习思考题]1、从图形硬件显示原理角度，思考并分析如何显示直线？2、请你总结一下光栅显示系统的优缺点？3、在光栅显示系统中，显卡有什么作用？第三章二维图形生成［教学内容］直线生成算法；圆弧绘制算法；区域填充；字符；反走样技术；[教学目标与要求]熟练掌握：直线生成算法；区域填充；圆弧绘制算法掌握：反走样技术了解：字符编码[重点与难点]直线生成算法；区域填充；圆弧绘制算法[教学时数]8学时第一节直线生成算法一、数值微分法二、逐点比较法三、Bresenham画线法四、中点画线法第二节圆弧绘制算法一、基于光栅的整圆绘制算法二、角度离散法绘制圆弧和椭圆弧第三节区域填充一、种子填充算法二、多边形填充算法第四节字符一、字符的编码二、点阵字符三、矢量字符第五节反走样技术第六节编程实例-地图绘制一、地图绘制方法二、基于OpenGL的地图绘制[复习思考题]1、简述DDA算法、中点画线法、Bresenham画线法算法的思想？2、根据中点画圆法和Bresenham算法，绘制一条端点为（1，1）和（6，5）的直线，画出对应各像素的位置？第四章图形几何变换[教学内容］二维几何变换；三维几何变换；图形几何变换的模式；[教学目标与要求]熟练掌握：二维几何变换；三维几何变换；掌握：图形几何变换的模式；[重点与难点]二维几何变换；三维几何变换；[教学时数]6学时第一节二维几何变换一、基本变换二、二维复合变换三、二维坐标系间的变换第二节三维几何变换一、基本变换二、三维复合变换三、三维坐标系间的变换第三节图形几何变换的模式一、固定坐标系模式二、活动坐标系模式[复习思考题]1、试编写对二维点实现平移、旋转、比例变换的程序。
计算机图形学基础知识
计算机图形学基础知识计算机图形学是研究如何利用计算机生成和处理图形的学科。
它涵盖了许多领域，如计算机图像处理、计算机辅助设计和虚拟现实等。
掌握计算机图形学的基础知识对于理解和应用这些领域至关重要。
本文将为您介绍计算机图形学的基础知识，并分步详细列出相关内容。
1. 图形学的基础概念- 图形：在计算机图形学中，图形指的是一系列点、线和曲面等的集合。
- 图像：图像是图形学的一种特殊形式，它是由像素组成的二维数组。
- 基本元素：计算机图形学中的基本元素包括点、线和曲面等。
它们是构成图形的基本构件。
2. 图像表示与处理- 位图图像：位图图像是由像素组成的二维数组，每个像素保存着图像的颜色信息。
- 矢量图形：矢量图形使用几何形状表示图像，可以无损地进行放缩和旋转等操作。
- 图像处理：图像处理包括图像的增强、滤波、压缩和分割等操作，用于改善和优化图像。
3. 坐标系统和变换- 坐标系统：坐标系统用于描述和定位图形。
常见的坐标系统有笛卡尔坐标系统和极坐标系统等。
- 变换：变换是指将图形在坐标系统中进行移动、缩放和旋转等操作。
4. 二维图形学- 线性插值：线性插值是计算机图形学中常用的插值方法，用于在两点之间生成平滑的曲线。
- Bézier曲线：Bézier曲线是一种常用的数学曲线模型，可以用于生成平滑的曲线。
- 图形填充：图形填充是指将图形的内部区域用颜色填充，常用的填充算法有扫描线填充算法和边界填充算法。
5. 三维图形学- 三维坐标系统：三维坐标系统用于描述和定位三维空间中的点、线和曲面等。
- 三维变换：三维变换包括平移、缩放、旋转和投影等操作，用于改变和调整三维图形。
- 计算机动画：计算机动画是利用计算机生成连续变化的图像序列，用于呈现逼真的动态效果。
总结：计算机图形学是研究利用计算机生成和处理图形的学科。
它涵盖了图像表示与处理、坐标系统和变换等基础知识。
在二维图形学中，线性插值和Bézier曲线是常用的技术，图形填充则可以实现对图形内部区域的着色。
计算机图形学教学大纲文档经典
XX大学《计算机图形学》教学大纲编写单位：__________执笔人：____________审核人：____________XX大学xx系20xx年9月［实验要求］本课程实验要求较高，实验内容多且相关性较强，有关实验的具体要求与内容需按实验大纲执行，本大纲中不再另行说明。
第一章绪论［教学内容1计算机图形学的目标与任务；计算机图形学的内容体系；计算机图形学相关学科；计算机图形学相关领域。
［教学目标与要求］熟练掌握：计算机图形学的内容体系；计算机图形学的目标与任务；掌握：计算机图形学的应用领域；计算机图形学的相关学科；了解：计算机图形学的发展。
［重点与难点］计算机图形学的内容体系；计算机图形学的目标与任务。
［教学时数］2学时第一节计算机图形学的目标与任务一、视觉交流是计算机图形学的目标与任务二、计算机图形学的三个基本任务第二节计算机图形学的内容体系一、基础模块二、建模与表示模块三、绘制模块四、交互技术第三节计算机图形学相关学科一、图形与图像二、相关学科第四节计算机图形学的应用领域一、计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）二、科学计算可视化三、虚拟现实四、动画第五节计算机图形学的发展一、计算机图形学的发展简史二、计算机图形学的发展趋势［复习思考题］1、图形包括哪两方面的要素？在计算机中如何表示它们？2、图形的本质是什么？3、如何看待计算机图形学的发展趋势？第二章图形系统［教学内容1Visual图形系统概述；图形系统体系结构；图形支撑软件；图形硬件显示原理; ［教学目标与要求］熟练掌握：图形系统体系结构；图形硬件显示原理掌握：图形系统基本概念和术语；了解：图形支撑软件［重点与难点］图形系统体系结构；图形硬件显示原理［教学时数］2学时第一节图形系统概述一、图形系统组成结构1.图形系统组成结构2.图形系统分类第二节图形系统体系结构一、概述二、应用程序阶段三、几何处理阶段四、光栅阶段第三节图形支撑软件一、OpenGL二、DirectX三、Java2D 和 Java3D第四节图形硬件显示原理一、图形显示设备及工作原理二、图形显示方式三、光栅扫描图形显示系统［复习思考题］1、从图形硬件显示原理角度，思考并分析如何显示直线？2、请你总结一下光栅显示系统的优缺点？3、在光栅显示系统中，显卡有什么作用？第三章二维图形生成［教学内容1直线生成算法；圆弧绘制算法；区域填充；字符；反走样技术; ［教学目标与要求］熟练掌握：直线生成算法；区域填充；圆弧绘制算法掌握：反走样技术了解：字符编码［重点与难点］直线生成算法；区域填充；圆弧绘制算法［教学时数］8学时第一节直线生成算法一、数值微分法二、逐点比较法三、Bresenham画线法四、中点画线法第二节圆弧绘制算法一、基于光栅的整圆绘制算法二、角度离散法绘制圆弧和椭圆弧第三节区域填充一、种子填充算法二、多边形填充算法第四节字符一、字符的编码二、点阵字符三、矢量字符第五节反走样技术第六节编程实例-地图绘制一、地图绘制方法二、基于OpenGL的地图绘制［复习思考题］1、简述DDA算法、中点画线法、Bresenham画线法算法的思想？2、根据中点画圆法和Bresenham算法，绘制一条端点为（1，1）和（6, 5）的直线，画出对应各像素的位置？第四章图形几何变换［教学内容］二维几何变换；三维几何变换；图形几何变换的模式;［教学目标与要求］熟练掌握：二维几何变换；三维几何变换；掌握：图形几何变换的模式；［重点与难点］二维几何变换；三维几何变换；［教学时数］6学时第一节二维几何变换一、基本变换二、二维复合变换三、二维坐标系间的变换第二节三维几何变换一、基本变换二、三维复合变换三、三维坐标系间的变换第三节图形几何变换的模式一、固定坐标系模式二、活动坐标系模式［复习思考题］1、试编写对二维点实现平移、旋转、比例变换的程序。
计算机图形学OpenGL(第三版)课件
REPORTING
• 计算机图形学概述 • OpenGL基础知识 • 3D图形绘制 • 动画与交互 • 高级技术与应用 • 案例与实践
目录
PART 01
计算机图形学概述
REPORTING
计算机图形学的定义与分类
计算机图形学是一门研究计算机生成 和操作图形的科学，它通过数学算法 和计算机程序实现二维和三维图形的 生成、渲染和交互。
虚拟现实中的图形渲染技术
3D场景构建
利用OpenGL的3D图形渲染能力，构建逼真的虚拟现实场景，提供 沉浸式的体验。
实时交互与动态渲染
在虚拟现实中实现实时交互，如人物移动、视角变换等，同时根据 用户行为动态调整渲染效果，提高虚拟现实的真实感和沉浸感。
虚拟现实应用开发
结合OpenGL技术，开发各种虚拟现实应用，如虚拟旅游、虚拟展览 、虚拟教育等，拓展虚拟现实技术的应用领域。
OpenGL库（如GLUT或GLEW ）。
对于Linux系统，需要安装 OpenGL库（如GLUT或SDL） 和相应的编译器。
开发者还需要了解如何配置项 目以包含OpenGL头文件和链 接OpenGL库。
OpenGL基本操作
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初始化OpenGL 上下文
绘制基本图形
变换和投影
光照和材质
纹理映射
创建窗口，设置窗口回调 函数，创建渲染上下文等 。
使用OpenGL提供的函数绘 制点、线、多边形等基本 图形。
理解并使用平移、旋转、 缩放等变换以及投影矩阵 。
设置光源、材质属性以及 光照模型。
加载和绑定纹理，对几何 图形进行纹理映射。
计算机图形学的基本理论
计算机图形学的基本理论计算机图形学是一门研究计算机如何生成、处理和显示图形的学科。
它的应用涵盖了游戏、动画、电影、虚拟现实、计算机辅助设计等多个领域。
计算机图形学的基本理论包括三维图形学和二维图形学，这两个领域有很多共同的基础理论。
一、坐标系统计算机图形学中使用的坐标系统有两种，分别是二维坐标系统和三维坐标系统。
二维坐标系统通常使用笛卡尔坐标系，其中 x轴表示水平方向，y 轴表示垂直方向。
而三维坐标系统则需要使用更复杂的空间上的坐标系，其中除了 x、y 轴之外还需要加入 z 轴，用于表示深度。
在三维坐标系中，也常常使用三维向量来表示点的位置和方向。
二、几何变换几何变换是指通过对图形的位置、大小、姿态等属性进行变换来改变图形的形状或位置。
通常在计算机图形学中使用的基本几何变换有平移、旋转、缩放和剪裁。
几何变换的核心在于矩阵平移、旋转和缩放，其中矩阵是一种能够描述线性变换的工具。
在计算机图形学中，可以将计算机上的坐标与矩阵进行运算，从而实现对图形的几何变换。
三、光照模型光照模型是计算机图形学中一个非常重要的概念。
在三维图形学中，光照模型通常用于照明效果的渲染。
在计算机图形学中，通常使用三种光照模型，分别是环境光、漫反射和镜面反射。
环境光模型用于描述整个场景中的光照情况，而漫反射和镜面反射模型则用于描述在材质表面的反射现象。
四、纹理映射纹理映射是一种在计算机图形学中被广泛使用的技术。
它用于将一个图像映射到一个三维模型的表面上，从而达到更好的渲染效果。
通常，在纹理映射的过程中，会使用一张图像来描述表面的纹理和颜色等特性。
由于纹理映射可以在计算机图形学中实现非常细致的特效，因此它在游戏、动画和电影等领域中得到了广泛的应用。
总结在计算机图形学中，上述几个基本理论是非常重要的。
它们是计算机图形学的基础，对于任何一个想要学习计算机图形学的人来说，都是必须掌握的技能。
此外，在实际的应用中，这些基础理论也有着非常广泛的应用，可以帮助开发者实现更加生动、细致和逼真的图形效果，为用户带来更好的使用体验。
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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
2013-7-10
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
滚筒式绘图机 平台式绘图机
2013-7-10
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 )
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
2013-7-10
简单的计算机图形系统
绘图机 显示器 计算机 显示处理器
打印机
输入设备
2013-7-10
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
2013-7-10
加速电极 偏转Βιβλιοθήκη 统电子枪PHIGS和PHIGS
Programmer’s System，功能：
Hierarchical
Interactive
Graphics
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
2013-7-10
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.
2013-7-10
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
2013-7-10
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.
公布于1986年，标准号是ISO IS 9592
2013-7-10
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：
2013-7-10
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
2013-7-10
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)
• 等离子(plasma)显示器 • Flat-plane CRT display
2013-7-10
CRT阴极射线管(Cathode Ray Tube)(1)
(1)构造和功能(Principle of CRT display)
聚焦系统 阴极 灯丝 垂直偏转 水平偏转 荧光屏
• 光子
栅极(控制 极)负电压
设备驱动程序
示 设 备
图形系统开发策略
2013-7-10
计算机图形学应用举例—计算机辅助设计与制造
2013-7-10
2013-7-10
真实感图形
2013-7-10
2013-7-10
计算机动画
2013-7-10
几何（Geometry）信息？
2013-7-10
2013-7-10
非几何信息
与计算机网络技术的结合：WWW,VRML 基于点的绘制技术
2013-7-10
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。
2013-7-10
Chapter 1
图形系统概述
Introduction to Graphics System
2013-7-10
光照(illumination) & 纹理(texture)
2013-7-10
光照效果图
2013-7-10
纹理合成效果图
2013-7-10
真实感图形
2013-7-10
2013-7-10
2013-7-10
曲面重构(surface recontstructiong)
2013-7-10
其它
2013-7-10
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
2013-7-10
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.
2013-7-10
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。
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
2013-7-10
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
2013-7-10
图形核心系统GKS和GKS-3D
应 用 程 序
面向应用层 依赖语言的接口层 图形核心 GKS 操 作 系 统 其它资源 图形资源
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。
GKS 在应用中的地位
2013-7-10
图 2-6 各图形标准在图形系统中作用范围
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
2013-7-10
图形软件开发方案图示
应 用 接口： 程 标准图形包 序 显