计算机图形学概述
计算机图形系统概述-计算机图形学-课件-北京工业大学-02
原理
交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics
LCD显示器（3/5）
液晶屏幕后面有一个背光 这个光源先穿过第一层偏光板，再来到液晶体上 当光线透过液晶体时，就会产生光线的色泽改变 从液晶体射出来的光线，再经过一块彩色滤光片以及第
三维显示设备
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交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics
CRT(Cathode ray tube) 显示器工作原理(1)
6
交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics
CRT 显示器工作原理(2)
名词解释：
象素(pixel-picture element) 分辨率(resolution）
图形系统软件
•
•
计算机图形软件标准
通用图形软件包的基本功能
2
交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics
图形输入设备(input devices)
定位设备(locator devices)：
• • • • • • 坐标数字化仪(data tablet) 鼠标器(mouse) 跟踪球(trackball) 操纵杆(joystick) 触摸屏(touch panel)：分电阻式,电容式,红外线式,声表面波式。 光笔(light pen)
帧缓冲存储器(frame buffer)
位面(planes)
单色(monochrome)显示器
每个像素占用1个bit
灰度(grayed)显示器
每个像素占用多个bit
计算机图形学面试题
计算机图形学面试题第一章概述;1、计算机图形学研究的是什么?;计算机图形学研究的是通过计算机将数据转换为图形，;2、计算机图形学处理的图形有哪些?;计算机图形学处理的图形有：专题图件、类似于照片的;3、二维图形的基本操作和图形处理算法包含哪些内容;对图形的平移、缩放、旋转、镜像、错切等操作，此外;4、什么叫科学计算可视化技术?;这是20世纪90年代计算机图形学领域的前沿课题;第一章概述1、计算机图形学研究的是什么?计算机图形学研究的是通过计算机将数据转换为图形，并在专门的设备上输出的原理、方法和技术。
2、计算机图形学处理的图形有哪些?计算机图形学处理的图形有：专题图件、类似于照片的三维逼真图形、实体的视图、抽象图等。
3、二维图形的基本操作和图形处理算法包含哪些内容?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。
4、什么叫科学计算可视化技术?这是20世纪90年代计算机图形学领域的前沿课题。
研究的是，将科学计算中大量难以理解的数据通过计算机图形显示出来，从而加深人们对科学过程的理解。
例如，有限元分析的结果，应力场、磁场的分布，各种复杂的运动学和动力学问题的图形仿真等。
5、计算机图形学的应用领域有哪些?计算机图形学处理图形的领域越来越广泛，主要的应用领域有：计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)、科学计算可视化、地理信息系统与制图、事务管理和办公自动化、虚拟现实系统、过程控制和指挥系统、计算机动画。
6、计算机图形系统的硬件设备有哪些?硬件设备包括主机、输入设备和输出设备。
输入设备通常为键盘、鼠标、数字化仪、扫描仪和光笔等。
输出设备则为图形显示器、绘图仪和打印机。
7、在彩色CRT的荫罩法技术中，说说每个象素的组成结构?谈谈彩色是如何产生的? 彩色CRT显示器中，每个象素位置上分布着呈三角形排列的三个荧光彩色点，三个荧光点分别发射红光、绿光和蓝光。
计算机图形学ppt(共49张PPT)
过程动画技术
过程动画的概念
通过定义物体的运动规律或过程，由计算机自动生成动画。
过程动画的实现方法
基于物理模拟、基于过程建模、基于行为建模等。
过程动画的应用场景
自然现象的模拟（如风、雨、雪）、物体的变形和破碎效果等。
基于物理的动画技术
基于物理的动画概念
利用物理引擎模拟现实世界中的物理现象，生成逼真的动画效果 。
表面模型（Surface Model）
用多边形面片逼近三维物体的表面。
实体模型（Solid Model）
定义三维物体的内部和外部，表示物体的实体。
光线追踪（Ray Tracing）
模拟光线在三维场景中的传播，生成真实感图形。
三维图形的变换与裁剪
几何变换（Geometric Trans…
包括平移、旋转、缩放等变换，用于改变三维物体的位置和形状。
如中点画圆算法，利用圆 的八对称性，通过计算决 策参数来生成圆。
多边形的生成算法
如扫描线填充算法，通过 扫描多边形并计算交点来 生成多边形。
二维图形的变换与裁剪
二维图形的变换
包括平移（Translation）、旋转（Rotation）、 缩放（Scaling）等变换，可以通过变换矩阵来实 现。
二维图形的裁剪
Screen-Space Methods
利用屏幕空间信息进行半透明 物体的渲染，如屏幕空间环境 光遮蔽（SSAO）和屏幕空间 反射（SSR）。
06
计算机动画技术
Chapter
计算机动画概述
计算机动画的定义
01
通过计算机生成连续的动态图像，实现虚拟场景和角色的动态
表现。
计算机动画的应用领域
02
影视特效、游戏设计、虚拟现实、工业设计等。
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
计算机图形学算法研究及应用
计算机图形学算法研究及应用一、计算机图形学的概述计算机图形学是一门研究计算机图形处理技术的学科，主要涉及的领域包括图像处理、计算机视觉、计算机动画等等。
计算机图形学的目的是通过数学和物理的方法来模拟出图像，使得计算机能够产生逼真的图像效果。
计算机图形学应用广泛，包括电影、游戏、动画、虚拟现实等领域。
在这些领域，计算机图形学提供了强大的技术支持，使得人们能够创造出更加美丽、逼真的图像和场景。
二、计算机图形学算法及应用1. 渲染算法渲染算法是计算机图形学中的一种核心算法，它主要用于将三维模型转换成二维图像的过程中。
渲染算法分为共价光线追踪算法和光线跟踪算法两种。
共价光线追踪算法主要是通过向屏幕中的每个像素投射一条光线，然后通过计算光线在视线与摄像机之间的碰撞点和反射光线的方向，来决定每一个像素的显示颜色。
这种算法的优点在于效率高，能够快速的渲染出逼真的图像。
光线跟踪算法则是通过相反的方式处理，反向追踪光线从像素点到场景中摄像机的路径。
这种算法的优点在于能够处理更广泛的光照条件下的图像，但相应的计算量也会增加。
2. 图像处理算法图像处理算法主要包括图像滤波、图像噪音处理、图像分割和图像拼接等。
在电影和游戏制作中，图像处理算法的应用非常广泛。
通过图像处理算法，可以对图像进行优化，去除噪声和模糊等问题。
3. 线性代数及变换算法线性代数及变换算法主要是用于转换和映射三维坐标关系至二维坐标形式中。
在计算机图形学中，线性代数起到了重要的推动作用，如3D对象的旋转、缩放，肉眼无法理解的物理效果的实现等等。
4. 计算机视觉算法计算机视觉算法主要用于实现计算机图像的理解和模拟，如人脸识别和场景识别等。
在图像识别和智能物流等领域，计算机视觉技术得到了广泛应用。
5. 计算机动画算法计算机动画算法主要用于模拟动画动态效果，如烟雾、火焰和水波等。
随着计算机技术的不断发展，计算机动画技术越来越成熟，计算机动画逐渐成为电影和游戏制作的重要手段之一。
计算机图形学深圳大学计算机与软件学院
学分：2.5 上课时间地点：
每周四1,2节 A209教室，，计算机图形学，北京大学出版社，1999.11 主要参考书：
1. 孙家广、胡事民，计算机图形学基础教程，清华大学出版社，2005.2 2. David F. Rogers，Procedural Elements for computer Graphics，机械工业出版社，
3
计算机图形学的研究内容（1/2）
• 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
• 计算机中表示图形的方法
– 点阵表示
• 80年代后，廉价图形输入输出和大容量存储介质的出现， 图形处理芯片的出现，使得交互式图形学广泛应用。
15
计算机图形学发展历史（1/7）
• 图形显示设备的发展
（计算机视觉，模式识别）
模型变换 （计算几何）
5
计算机图形学应用举例（1/8）
• 图形用户界面
– 发展历程
命令行界面CLI 人
机 界
图形用户界面GUI
面 多通道用户界面(MMI)
– 操作系统
• Macintosh，OS/2，Windows，Unix/X-Window
6
计算机图形学应用举例（2/8）
工作者近4年的时间 (1960 – 1964年)，近7万张画作 – 计算机动画（Computer Animation):效率高，质量高 – 例子：《侏罗纪公园》 – 计算机动画创作工具：3D MAX, MAYA等等
计算机图形学复习概述
复
习
1893
图形变换
齐次坐标概念及其作用，对图形变换 效率的影响 灭点、主灭点、一（二、三）点透视 二维图形的几何变换，简单变换的种 类，特点 写复合变换矩阵
2017年10月31日1时41分
Computer Graphics
7
计 算 机 图 形 学
复
习
1893
真实图形
图多面体自隐藏面的判断方法，计算 简单光照模型的特点 三种基本的光照模型，公式意义，特 点 CIE色度图的概念（来源），作用
1893
计算机图形学
复 习
武汉大学国际软件学院 周松涛
helloiss@ QQ:1299343645 群：260797041
计 算 机 图 形 学
复
习
1893
图形设备、系统和应用
虚拟现实系统概念
2017年10月31日1时41分
Computer Graphics
2
计 算 机 图 形 学
Computer Graphics
5
2017年10月31日1时41分
计 算 机 图 形 学
复
习
1893
曲线和曲面
曲线方程的显示、隐式、参数
表示方法（举例说明），参数 方程表示的优越性 Bezier曲线拼接
2017年10月31日1时41分
Computer Graphics
6
计 算 机 图 形 学
计 算 机 图 形 学
复
习
1893
基本图形的生成算法
直线的扫描转换bresenham算法，懂原理，会 推导，能计算 种子点填充算法，缺点；改进方法（基于扫描 线的种子点填充算法） 多边形扫描线填充，边界处理遵循什么原则？ 为什么？ 直线段的编码裁剪算法，缺点，改进方法是什 么（中点分割算法） 多边形的逐边裁剪算法，以及为什么多边形的 裁剪不能用线段裁剪算法实现 反走样的概念及常用方法
计算机图形学第一章概述
•ห้องสมุดไป่ตู้
掌握计算机图形学研究的内
容、应用领域以及图形硬件和软件系统。
•
理解光栅扫描显示器和随机
扫描显示器的区别以及彩色显示机理。
• 课时安排：授课2学时。
2019/12/24
1
第一章
•
计算机图形学（Computer Graphics）是随
着计算机技术的发展而发展起来的一门新兴学科。
•
计算机图形学研究怎样通过计算机来产生图
器并行计算，可以明显提高图像的生成速度。
2019/12/24
14
1.1 计算机图形学的研究内容
• （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
2019/12/24
• 6、科学计算可视化技术
• 这是20世纪90年代计算机图形学领域 的前沿课题。研究的是，将科学计算中大 量难以理解的数据通过计算机图形显示出 来，从而加深人们对科学过程的理解。例 如：有限元分析的结果，应力场、磁场的 分布，各种复杂的运动学和动力学问题的 图形仿真等。
2019/12/24
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1.1 计算机图形学的研究内容
形。
• （1）专题图件：地形图、地貌图、资源分布
图、旅游资源图、土地利用现状图、管网分布图 等；
（2）照片、三维逼真图形等； （3）实体的视图，如：机械零件的正视图、侧 视图等；
（4）抽象概念的形象表示：计划图、饼图、统 计曲线、流程图等。
2019/12/24
2
第一章
• 国际标准化组织（ISO）对计算机图形
计算机图形学-消隐
共四十四页
1. 消除 自隐线、面 (xiāochú)
对于多面体的任一个面，可以根据其外法向
E
n和视矢量E的夹角θ来进行可见性检测。
法向n：规定每个多边形的法向都是指向物 体外部(wàibù)的。
前向面： θ∈(-90°,90°)时，表示该表 E 面可见，称为前向面。
后向面： θ∈[90°, -90°]时，表示该表 面不可见，称为后向面 。
θn
n 前向面 n
后向面
剔除依据：后向面总是被前向面所遮挡，从而不可见。不会 由于后向面的遮挡，而使别的棱成为不可见的。因此计算时， 可以把这些后向面全部去掉，这并不影响消隐结果。
17
共四十四页
1. 消除 自隐线、面 (xiāochú)
图中的JFAE、HCBG和 DEABC所在(suǒzài)的面均 为后向面。其它为前向 J
也称表优先级算法。
30
共四十四页
1. 画家 算法 (huàjiā)
关键：如何对场景中的物体表面按深度（远近(yuǎnjìn)）排序，建立深 度优先级表？
先讨论在深度优先级排序中两个多边形P和Q之间的关系。多边形可以 按其最大或最小z值徘序，不妨假设按多边形的最大z值进行预排序，即
zmax(P)＞zmax(Q)。
消隐(xiāo yǐn)
1
共四十四页
消隐(xiāo yǐn)
1 概述(ɡài shù) 2 线消隐 3 提高消隐算法的效率 4 面消隐
2
共四十四页
1 概述(ɡài shù)
什么叫做“消隐”？为什么要进行(jìnxíng)“消隐”？
将三维场景绘制在计算机二维显示屏上必须经过投影变换，投影 变换将三维信息变换到二维平面上，这个过程中深度信息被丢失， 生成的图形往往具有二义性。
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
计算机图形学的曲面参数化表示
计算机图形学的曲面参数化表示计算机图形学是研究计算机生成、处理和呈现图形的学科，其中曲面参数化表示是图形学中的重要内容之一。
曲面参数化表示是指将一个曲面映射到参数空间中，并通过参数方程对曲面进行表示和计算。
本文将介绍曲面参数化表示的基本概念、应用和计算方法。
1. 概述曲面参数化表示是图形学中的重要内容，它在计算机动画、游戏开发和计算机辅助设计等领域得到广泛应用。
曲面参数化表示是将一个曲面映射到参数空间中，通过参数方程对曲面进行表示和计算。
通过参数化表示，可以对曲面进行变形、纹理映射等操作，实现更加精确和自然的图形效果。
2. 曲面参数化的基本概念曲面参数化表示中，曲面可以用一个或多个参数方程进行描述。
常见的曲面参数化表示方法有参数增量法、双三次插值、贝塞尔曲线等。
参数增量法是将一个参数空间分割成若干个小块，每个小块中都有一个对应的曲面点，通过计算小块的顶点坐标和法向量，实现对曲面的表示。
3. 曲面参数化的应用曲面参数化表示在计算机图形学中有着广泛的应用。
在计算机动画中，可以通过曲面参数化表示实现对角色模型的形变和运动控制。
在游戏开发中，曲面参数化可以用来绘制场景中的地形和水面效果。
在计算机辅助设计中，曲面参数化可以用来表示和编辑三维模型，实现更加精确和自由的设计。
4. 曲面参数化的计算方法曲面参数化的计算方法主要有网格参数化和样条曲面参数化。
网格参数化是将曲面离散成网格的形式，在每个网格点处计算并存储曲面的位置和法向量信息。
样条曲面参数化是通过插值或逼近方法对曲线进行参数化表示。
在计算方法中，需要考虑曲面的拓扑和连续性等问题，以保证参数化结果的准确性和稳定性。
5. 结论曲面参数化表示是计算机图形学中的重要内容，通过将曲面映射到参数空间中，可以实现对曲面的精确表示和计算。
曲面参数化表示在计算机动画、游戏开发和计算机辅助设计等领域具有广泛的应用。
在实际应用中，需要选择合适的参数化方法，并考虑曲面的特性和要求，以实现更加逼真和自然的图形效果。
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_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
计算机图形学第十一章-真实感图形生成技术
假定四边形图案的四角映射到四边形曲面片四角片，即 u＝0，w＝0，在θ＝0，Φ＝π/2 u＝1，w＝0，在θ＝π/2，Φ＝π/2 u＝0，w＝1，在θ＝0，Φ＝π/4 u＝1，w＝1，在θ＝π/2，Φ＝π/4 可解得 A＝π/2，B＝0， C＝一π/4， D＝π/2 故由uw空间在θΦ空间的线性映射函数为： θ＝u·π/2，Φ＝π/2 －w·π/4 由θΦ空间至uw空间的逆映射为： u＝θ/ (π/2 ) w=（π/2 －Φ）/ (π/4)
（2）然后按实际的视点位置和观察方向，对物体实施消隐 算法，生成真正消隐后的立体图形；
（3）检索数据文件，核查消隐后生成的图形中，是否包含有在光照模型下的“隐藏面”。如有，则加以阴影符号标识这些面。
Z缓冲器方法
光线跟踪法
影域多面体方法 投射阴影生成方法
投射阴影生成方法 1、影域多面体方法 基本思想：先求出景物空间中光线被该物体轮廓多边形所 遮挡的区域，即影域多面体。然后 再判断其后物体是否在 该影域内，若在影域内为阴影。
四、影响真实感图形因素
物体本身形状
照射物体光源
物体与光源相对位置
物体周围环境
*
简单光照模型 一个物体表面为什么会出现 明暗、颜色等，主要由于物体发 光达到人眼的结果。 光照在物体表面上有三种情况： 反射光：光通过物体表面被反射； 透视光：对于透明物体光穿过该物体而从另端射出； 光被物体吸收而变成热。 我们视觉效果是反射光和透视光。
与漫反射不同，镜面反射光与物体颜色无关。
当光源不只一个，而是有m个光源，则上式可写为： 这就是简单光照模型。
Phong光照模型 综上所述，从视点观察到物体表面上任一点亮度I应为环境 光、漫反射光、镜面反射光的总和，即： I＝Ie＋Id＋Is 即： I＝Ie Ka＋Ip (Kd cosθ＋K s cosnφ)
第二章计算机图形学和计算机辅助设计技术概述
1975年Phong提出了著名的简单光照模型Phong 模型。
80年代：高分辨率，大尺寸，彩色显示设备 ，各种输入设备，软件标准化趋势；与设备无关的 驱动程序，各种图形软件包。
Whitted光透视模型，第一次给出光线跟踪算 法的范例；
图像处理
图像
计 算
模
机
式
图 形 学
识 别
特征数据 几何模型
计算几何
CAD/CAM 计算机艺术 计算机动画 计算机视觉
计算机图形学的研究内容
图形的输入：研究如何把要处理的图形输入到计算机 内，以便让计算机进行各种处理。
图形的生成、显示和输出：如何利用计算机生成图形 并在显示屏上显示或在绘图机等输出设 备上输出图形。
图像(Image)
图像处理-------将客观世界中原来存在的物 体映象处理成新的数字化图像。
例如: 卫星遥感中的资源勘测 气象预报中的云图和海图处理 人体的CT扫描 工业中的射线探伤 金相图谱分析
图像处理中关心的问题： 滤去噪声、压缩图像数据、对比度增强、图
像复原、三维图像重建。
计算机图形学与图象处理的重叠与交叉
计算机图形学所涉及的算法可分为以下几类1基于图形设备的基本图形元素的生成算法如用光栅图形显示器生成直线圆弧二次曲线封闭边界内的填色填图案反走样等2基本图形元素的几何变换投影变换窗口裁剪2基本图形元素的几何变换投影变换窗口裁剪3自由曲线和曲面的插值拟合拼接分解过渡光顺整体修改局部修改等4图形元素点线环面体的求交与分类以及集合运算5隐藏线隐藏面消除以及具有光照颜色效果的真实图形显示6不同字体的点阵表示矢量中西文字符的生成及变换7山水花草烟云等模糊景物的生成8三维或高维数据场的可视化9三维形体的实时显示和图形的并行处理10虚拟现实环境的生成及其控制算法等2
计算机图形学(C语言)教案
计算机图形学(C语言)教案第一章：图形学概述1.1 图形学的定义介绍图形学的概念和定义解释图形学在计算机科学中的重要性1.2 图形学的发展历程回顾图形学的历史和发展趋势介绍主要的图形学里程碑和成就1.3 图形学的基本概念解释像素、分辨率、颜色模型等基本概念介绍矢量图形和位图图形的区别1.4 图形学的主要应用领域探讨图形学在游戏开发、计算机辅助设计、虚拟现实等领域的应用第二章：C语言基础2.1 C语言简介介绍C语言的历史和特点解释C语言在图形学中的应用2.2 C语言基础语法介绍C语言的基本语法和结构解释变量、数据类型、运算符等基本概念2.3 控制流程讲解条件语句和循环语句的使用示例代码展示控制流程的基本操作2.4 函数和指针介绍函数的定义和调用方式解释指针的概念和应用第三章：图形库和API3.1 图形库的概念解释图形库的作用和重要性介绍常见的图形库如SDL、OpenGL等3.2 图形库的安装和使用讲解图形库的安装步骤和注意事项示例代码展示图形库的基本使用方法3.3 API的概念和结构解释API的概念和组成介绍图形学中常见的API和接口3.4 图形库的选择和评估讨论选择图形库时需要考虑的因素评估不同图形库的优缺点和适用场景第四章：基本图形绘制4.1 绘制像素讲解如何在屏幕上绘制单个像素示例代码展示像素绘制的实现方法4.2 绘制线条介绍直线和曲线的基本算法示例代码展示线条绘制的实现方法4.3 绘制矩形和椭圆讲解矩形和椭圆的绘制方法示例代码展示矩形和椭圆绘制的实现方法4.4 绘制文本和图像介绍文本和图像的显示方法示例代码展示文本和图像绘制的实现方法第五章：图形变换5.1 坐标系和变换介绍二维和三维坐标系的概念讲解坐标变换的基本原理和方法5.2 几何变换讲解平移、旋转、缩放等几何变换的实现方法示例代码展示几何变换的效果和应用5.3 投影变换介绍正交投影和透视投影的概念讲解投影变换的实现方法和注意事项5.4 视图变换讲解视图变换的原理和方法示例代码展示视图变换的效果和应用第六章：光照和材质6.1 光照模型介绍光照模型的基本概念和重要性讲解基本的光照模型，如Lambert光照模型和Blinn-Phong光照模型6.2 光源类型介绍点光源、方向光源和平行光源等不同类型的光源解释光源属性的设置和影响6.3 材质属性讲解材质的反射率、透射率、光泽度等属性的概念和设置示例代码展示材质属性的应用和效果6.4 光照计算实例通过实例演示光照计算的过程和结果分析不同光照参数对物体渲染效果的影响第七章：纹理映射7.1 纹理映射概念介绍纹理映射的定义和作用解释纹理坐标和纹理映射的基本原理7.2 二维纹理映射讲解二维纹理映射的实现方法和步骤示例代码展示二维纹理映射的效果和应用7.3 三维纹理映射介绍三维纹理映射的概念和特点讲解三维纹理映射的实现方法和注意事项7.4 纹理压缩和多级纹理讲解纹理压缩的概念和重要性介绍多级纹理的概念和应用场景第八章：动画和模型加载8.1 动画基础介绍动画的概念和分类讲解动画的实现方法和关键技术8.2 关键帧动画讲解关键帧动画的原理和实现步骤示例代码展示关键帧动画的创建和播放8.3 骨骼动画介绍骨骼动画的定义和特点讲解骨骼动画的实现方法和关键技术8.4 模型加载和处理介绍常用的模型文件格式，如OBJ、STL等讲解模型加载和处理的基本步骤和注意事项第九章：OpenGL编程9.1 OpenGL概述介绍OpenGL的概念和特点解释OpenGL在图形学中的应用和重要性9.2 OpenGL基础讲解OpenGL的基本设置和初始化介绍OpenGL的主要函数和API9.3 OpenGL绘制几何图形示例代码展示OpenGL绘制基本几何图形的方法讲解OpenGL中的坐标系统和视图设置9.4 OpenGL高级特性讲解OpenGL的高级特性，如纹理映射、光照和动画等示例代码展示OpenGL高级特性的应用和效果第十章：项目实践10.1 项目设计介绍项目设计的思路和流程确定项目的目标和所需技能10.2 项目实现讲解项目实现的步骤和方法示例代码展示项目实现的过程和关键代码10.3 项目优化讲解项目优化的方法和技巧分析项目的性能瓶颈和优化方案10.4 项目总结总结项目实现过程中的经验和教训提出未来改进和扩展项目的建议重点和难点解析重点环节1：图形学的定义和重要性理解图形学的概念和它在计算机科学中的应用领域是学习图形学的基础。
《计算机图形学》课程教学大纲
《计算机图形学》课程教学大纲《计算机图形学》课程教学大纲一、课程概述《计算机图形学》是一门研究计算机生成和操作图形的学科。
本课程旨在让学生掌握计算机图形学的基本原理和技术，包括图形处理流程、几何变换、光照模型、纹理映射、曲线和曲面构造等。
通过本课程的学习，学生将了解计算机图形学在游戏开发、电影制作、虚拟现实等领域的应用，并为进一步深入相关领域的研究和工作打下基础。
二、课程目标1、掌握计算机图形学的基本原理和流程，了解图形处理单元（GPU）的工作方式。
2、熟悉常用图形库和开发工具，能够使用它们进行基本的图形编程。
3、学习并掌握常见图形算法和数据结构，如凸包、BSP树、八叉树等。
4、理解并掌握光照模型、纹理映射、曲线和曲面构造等基本技术。
5、了解计算机图形学在各个领域的应用，并能够根据实际需求进行简单的应用开发。
三、课程内容1、计算机图形学概述：介绍计算机图形学的定义、发展历程和应用领域。
2、基本图形生成：讲述如何使用数学表达式生成基本图形，如直线、圆、多边形等。
3、图形变换：介绍几何变换的基本原理和方法，包括平移、旋转、缩放等。
4、光照模型：介绍光照的基本原理和常见光照模型，如Phong模型、Blinn-Phong模型等。
5、纹理映射：讲述如何将图像映射到几何表面上，实现表面的纹理效果。
6、曲线和曲面构造：介绍曲线和曲面的基本概念和构造方法，如Bezier曲线、B样条曲线等。
7、图形算法与数据结构：学习凸包、BSP树、八叉树等常见图形算法和数据结构。
8、图形软件和工具：介绍常用图形软件和开发工具，如OpenGL、Unity、Maya等。
9、计算机图形学应用：探讨计算机图形学在游戏开发、电影制作、虚拟现实等领域的应用。
四、教学方法1、理论教学：通过课堂讲解，让学生掌握计算机图形学的基本原理和技术。
2、实践教学：让学生在计算机上实践操作，使用编程语言和图形软件实现各种图形效果。
3、案例分析：通过分析实际案例，让学生了解计算机图形学的应用场景和技术要求。
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1.1什么计算机图形学
表示（representation ）：如何利用图形的几 何和物理信息来描述图形。
生成（create ）：如何快速、有效的生成图形 的几何和物理信息。
处理（manipulate）：对现有的图形信息进行 存储、加工、处理以满足实际的需要。 显示（display)：根据图形的几何和物理信息， 如何将图形在图形设备上显示出来。
1.3计算机图形学的应用领域
1.3.1图形用户接口（GUI）
通过图标或代表一定意义的图形作为人们与机器 设备的接口，通过gui人们可以更加直观、更加简 单的实现人机交互。
1.3计算机图形学的应用领域
1.3.2 计算机辅助设计（CAD）
CAD是计算机图形学在工业界最广泛、最 活跃的 应用领域。
通过虚拟画笔和虚拟画纸，画家可以用数字化输入设备代 替传统的纸和笔来创作美术作品
虚拟毛笔
1.3计算机图形学的应用领域
非真实感绘制技术
非真实绘制就是将图形绘制成各种手绘的艺术效果， 是80年代后期兴起的计算机图形学的一个研究热点。在艺 术、娱乐和工程领域得到了广泛的应用，非真实感绘制的 研究又有两个研究内容：一个是针对三维模型通过边缘检 测、光照处理等技术将三维模型输出为某种手绘或艺术风 格的图像；另一个是将一幅数字照片转化成某种艺术风格 的图像。
第一季度 第二季度 第三季度 第四季度
1.3计算机图形学的应用领域
1.3.4计算机美术（computer art )
计算机美术是计算机图形学最直接、最活跃、最 广泛的应用领域之一，计算机美术的研究主要有 两个方面： 虚拟绘画工具 非真实感绘制技术。
1.3计算机图形学的应用领域
虚拟绘制工具：
Computer graphics
C version. Second Edition
第一讲： 计算机图形学概述
Survey of Computer Graphics
山东师范大学传播学院 李大锦
2008.8.28
1.1什么计算机图形学
图形与图像
图像： 以像素点阵来表示图像信息 图形： 是以图形的几何、物理属性来表示图形。
Fetter称之为 "First Man".
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 诞生了。
1.2计算机图形学的起源与发展
50年代末，MIT的林肯实验室在Whirlwind计算机上 开发SAGE空中防御体系。第一次用光笔在屏幕上选 取图形。预示着交互式图形生成技术的诞生。 MIT的TX-2计算机的研制成功，使交互计算成为可能， 使交互式图形学研究迈出了重要的一步。 60年代是计算机图形学确立和兴起的年代 1962年，MIT林肯实验室的I. E. Sutherland发表了 一篇题为“Sketchpad：A man-machine graphical communication system ”的博士论文。开始了图形 学研究的黄金年代。各大公司和高校迅速投入到计算 机图形学的研究领域之中。(基于TX-2计算机）
1.2计算机图形学的起源与发展
在70年代，除了传统的军事和工业领域，计算 机图形学还被广泛的应用于教育、科研、艺术、 娱乐等行业。 80年代是计算机图形系统迅速推广应用的年代。 计算机图形软件功能开始部分地由硬件来实现， 微机的推广，更加进一步拓宽了图形学的应用和 研究。graphical user interface (GUI) 得到广泛的 应用。 90年代3d图形学在游戏，动画，多媒体领域得到 了更广泛的应用，95年pixar制作了第一步完全有 计算机生成的三维动画大片-玩具总动员。
计算机图形学是计算机科学中，最为活跃、应 用最广泛的分支之一。
1.2计算机图形学的起源与发展
最早使用computer graphics 一词的是波音飞机公 司William Fetter，于1960年提出computer graphics 一词。他在研究人机工程学时利用计算 机生成最早的人体图形，被称为“Boeing Man”,
1.2计算机图形学的起源与发展
70年代是图形学迅速发展并结出累累硕果 的年代。
光栅图形学迅速发展
区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其相应 算法纷纷诞生。
图形软件标准化
1974年，ACM SIGGRAPH的 “与机器无关的图形 技术”的工作会议 ACM成立图形标准化委员会，制定“核心图形系统” （Core Graphics System） ISO发布CGI、CGM、GKS、PHIGS
计算机图形学
美国的James Foley在其著作中定义：计算机 图形学是运用计算机描述、输入、表示、存储、 处理（检索/变换/图形运算）、显示、输出图形的 一门学科。
1.1什么计算机图形学
1982年，ISO给出的定义：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。 ※计算机图形学是研究利用计算机来表示、生成、 处理、显示图形的学科。
1.2计算机图形学的起源与发展
1962年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bézier 提出Bézier曲线、曲面的理论 1964年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。 IBM迅速推出了IBM 2250 图形终端，成为第一 个商业图形计算机。 各种专门研究团体、学术会议、图形标准相继 诞生，69年，著名的SIGGRAPH （Special Interest Group in Graphic机图形学的应用领域
汽车外形设计
1.3计算机图形学的应用领域
1.3.3示例图形（Presentation Graphics） 用于研究、管理报告或消费者信息发布或其他报 告中的有关金融、统计、数学、科学、经济等数据 的图形表示，
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 东部 西部 北部
1.2计算机图形学的起源与发展
真实感图形学
1970年，Bouknight提出了第一个光反射模型 1971年 Gourand提出“漫反射模型＋插值”的思想， 被称为Gourand明暗处理 1975年，Phong提出了著名的简单光照模型- Phong 模型
实体造型技术
英国剑桥大学CAD小组的Build系统 美国罗彻斯特大学的PADL-1系统