计算机图形学Chapter1
合集下载
计算机图形学章节1PPT课件
60年代：MIT、Bell Lab、 通用汽车公司、剑 桥大学开展大规模的研究 。
60年代确立并得到发展
70年代进入技术实用化
但80年代初，图形学 依然是较小的学科，原 因是图形硬件设备十分昂贵，且基于图形的应用相 对较少。后来，情况发生了变化……
14
Graphics Lab.PKU
2020/11/6
3
Graphics Lab.PKU
2020/11/6
第一讲 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
4
Graphics Lab.PKU
2020/11/6
1.1 研究内容
?何谓图形 ?构成图形的要素 ?两种表示法 ?所研究的内容
5
Graphics Lab.PKU
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
8
Graphics Lab.PKU
2020/11/6
CAGD（Computer Aided Geometric Design）
几何形体在计算机中的表示，分析、研究怎样灵 活方便地建立几何形体的数学模型，提高算法效 率，在计算机内更好地存储和管理这些模型等。 研究曲线、曲面的表示、生成、拼接、数据拟合。
硬件发展
图形显示器的发展
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
60年代确立并得到发展
70年代进入技术实用化
但80年代初，图形学 依然是较小的学科，原 因是图形硬件设备十分昂贵，且基于图形的应用相 对较少。后来，情况发生了变化……
14
Graphics Lab.PKU
2020/11/6
3
Graphics Lab.PKU
2020/11/6
第一讲 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
4
Graphics Lab.PKU
2020/11/6
1.1 研究内容
?何谓图形 ?构成图形的要素 ?两种表示法 ?所研究的内容
5
Graphics Lab.PKU
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
8
Graphics Lab.PKU
2020/11/6
CAGD（Computer Aided Geometric Design）
几何形体在计算机中的表示，分析、研究怎样灵 活方便地建立几何形体的数学模型，提高算法效 率，在计算机内更好地存储和管理这些模型等。 研究曲线、曲面的表示、生成、拼接、数据拟合。
硬件发展
图形显示器的发展
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
计算机图形学第一章PPT课件
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
17
60年代
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--确定了交互 图形学作为一个学科分支
20
80年代
1980年Whitted提出了一个光透视模型Whitted模型，并第一次给出光线跟踪算法 的范例，实现Whitted模型
1984年，美国Cornell大学和日本广岛大学 的学者分别将热辐射工程中的辐射度方法 引入到计算机图形学中
图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发 展
21
90年代
计算机图形技术
yuli110@ 1205
整体概述
概述一
点击此处输入
相关文本内容
概述二
点击此处输入
相关文本内容
概述三
点击此处输入
相关文本内容
教材和参考书
主要参考书：
吴宾、段海波、薛凤武译，《OpenGL编程权威指 南》，中国电力出版社，2001.8
NeHe的OpenGL教程 /default.asp 周炜的NeHe中文教程 /DancingWind/
OpenGL(SGI) Direct3D (Microsoft) Xlib（X-Window系统） Adobe公司Postscript
23
计算机图形学的应用及研究前沿
计算机辅助设计与制造(CAD/CAM) 可视化(Visualization) 真实感图形实时绘制与自然景物仿真 计算机动画 用户接口(User Interface) 计算机艺术
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
17
60年代
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--确定了交互 图形学作为一个学科分支
20
80年代
1980年Whitted提出了一个光透视模型Whitted模型，并第一次给出光线跟踪算法 的范例，实现Whitted模型
1984年，美国Cornell大学和日本广岛大学 的学者分别将热辐射工程中的辐射度方法 引入到计算机图形学中
图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发 展
21
90年代
计算机图形技术
yuli110@ 1205
整体概述
概述一
点击此处输入
相关文本内容
概述二
点击此处输入
相关文本内容
概述三
点击此处输入
相关文本内容
教材和参考书
主要参考书：
吴宾、段海波、薛凤武译，《OpenGL编程权威指 南》，中国电力出版社，2001.8
NeHe的OpenGL教程 /default.asp 周炜的NeHe中文教程 /DancingWind/
OpenGL(SGI) Direct3D (Microsoft) Xlib（X-Window系统） Adobe公司Postscript
23
计算机图形学的应用及研究前沿
计算机辅助设计与制造(CAD/CAM) 可视化(Visualization) 真实感图形实时绘制与自然景物仿真 计算机动画 用户接口(User Interface) 计算机艺术
计算机图形学第1章ppt课件
技术
计算机图 形学
计算机 视觉
试图从非图象形式 的数据描述来生成
（逼真的）图象
2020/9/23
图象信号
数字图象处理
旨在对图象进行各 种加工以改善图象
的视觉效果
12
1.2 计算机图形学的发展
1.2.1计算机图形学的确立
▪酝酿期（50年代）
1946年，第一台电子计算机的问世推动了许 多学科的发展和新学科的建立，其中就包括 现代图形学技术。
2020/9/23
16
▪ 普及期（80年代）：
光栅图形CRT, PC, WS; 大量基于图像形的应用软件 出现
– 出现了带光栅图形显示器的个人计算机和工作站。 – 光线跟踪算法和辐射度算法的提出，标志着计算
机真实感图形学的算法已经日渐成熟。
▪ 提高增强期（90年代）：
性能价格比的极大提高；标准化，集成化，智能化
2020/9/23
13
1950年，美国MIT用于空中防御系统研究的旋风1 号(Whirlwind I)计算机配备了阴极射线管(CRT)来显 示一些简单的图形，它标志着交互式图形技术的诞
生。
2020/9/23
14
▪萌芽期（60年代）
1962年，美国MIT林肯实验室的Ivan.E.Sutherland发 表了一篇题为"Sketchpad：第一个人-机通信的图形系 统 " 的 博 士 论 文 ， 其 中 首 次 使 用 了 “ Computer Graphics”术语。
把点阵法描述的图形叫做图象（Image）
2020/9/23
9
1.1计算机图形学的研究内容
▪ 计算机图形学（Computer Graphics） 计算机图形学是研究怎样利用计算机来显示、
计算机图 形学
计算机 视觉
试图从非图象形式 的数据描述来生成
（逼真的）图象
2020/9/23
图象信号
数字图象处理
旨在对图象进行各 种加工以改善图象
的视觉效果
12
1.2 计算机图形学的发展
1.2.1计算机图形学的确立
▪酝酿期（50年代）
1946年，第一台电子计算机的问世推动了许 多学科的发展和新学科的建立，其中就包括 现代图形学技术。
2020/9/23
16
▪ 普及期（80年代）：
光栅图形CRT, PC, WS; 大量基于图像形的应用软件 出现
– 出现了带光栅图形显示器的个人计算机和工作站。 – 光线跟踪算法和辐射度算法的提出，标志着计算
机真实感图形学的算法已经日渐成熟。
▪ 提高增强期（90年代）：
性能价格比的极大提高；标准化，集成化，智能化
2020/9/23
13
1950年，美国MIT用于空中防御系统研究的旋风1 号(Whirlwind I)计算机配备了阴极射线管(CRT)来显 示一些简单的图形，它标志着交互式图形技术的诞
生。
2020/9/23
14
▪萌芽期（60年代）
1962年，美国MIT林肯实验室的Ivan.E.Sutherland发 表了一篇题为"Sketchpad：第一个人-机通信的图形系 统 " 的 博 士 论 文 ， 其 中 首 次 使 用 了 “ Computer Graphics”术语。
把点阵法描述的图形叫做图象（Image）
2020/9/23
9
1.1计算机图形学的研究内容
▪ 计算机图形学（Computer Graphics） 计算机图形学是研究怎样利用计算机来显示、
计算机图形学基础教程
计算机图形学基础教程第一章：引言计算机图形学是研究计算机处理和生成图像的一门学科，它涵盖了从数学、计算机科学到视觉感知等多个领域。
本教程将介绍计算机图形学的基本原理和技术，并通过实例演示来帮助读者理解和应用这些知识。
第二章：矢量图形矢量图形是计算机图形学中重要的概念之一。
本章将介绍矢量图形的定义、特点以及其在计算机图形学中的应用。
我们将学习如何使用数学表示矢量图形，如何进行矢量图形的变换和组合等。
第三章：三维图形的表示与变换三维图形的表示与变换是计算机图形学中的核心问题之一。
本章将介绍三维图形的表示方法，包括顶点表示和多边形表示，并讨论如何进行三维图形的变换，如旋转、平移、缩放等。
第四章：光照模型与渲染技术光照模型和渲染技术是实现真实感图形的重要手段。
本章将介绍光照模型的基本原理，如漫反射、镜面反射等，并讨论如何利用光照模型和渲染技术来实现真实感图形的效果。
第五章：图形管线与渲染流程图形管线是计算机图形学中的一个重要概念，它描述了图形数据如何从输入到输出的过程。
本章将介绍图形管线的基本原理和流程，并讨论图形数据的处理过程，如顶点处理、光栅化、片元处理等。
第六章：纹理映射与贴图技术纹理映射和贴图技术是计算机图形学中常用的技术之一。
本章将介绍纹理映射的原理和方法，包括纹理坐标的计算、纹理过滤、纹理混合等，并讨论如何利用纹理映射和贴图技术来增强图形的真实感。
第七章：几何建模与曲面设计几何建模和曲面设计是计算机图形学中用于创建和编辑三维模型的技术。
本章将介绍几何建模的基本原理和方法，包括点、线、面的描述，以及曲线和曲面的表示与构造等。
第八章：动画与模拟动画和模拟是计算机图形学中用于呈现动态场景的重要手段。
本章将介绍动画和模拟的基本原理和技术，包括关键帧动画、插值动画、物理模拟等，并讨论如何利用动画和模拟来实现逼真的动态效果。
第九章：图形学应用与未来发展计算机图形学的应用广泛，涵盖了游戏、电影、虚拟现实、计算机辅助设计等多个领域。
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。
计算机图形学习题参考答案(完整版)
2
区域二（下半部分）
k (x k, yk) pk 0 (7, 3) b 2(x 0 1/2)2 a 2(y01)2a 2b 2 23 1 (8, 2) p02a 2y1a 22b 2x1 361 2 (8,1) p12a 2y2 a 2 297 3 (8, 0)
2a yk pk 2 2 2 1600 b a b (1/4)a 332 768 p0 2b2x1b2 224 768 p12b 2x 2 b 2 44 768 p2 2b 2x 3 b2 208 2 640 p3 2b x 4 b 22a 2y 4 108 640 p4 2b 2x 5 b 2 288 512 p5 2b 2x 6 b 22a 2y6 244 384
10、使用中点椭圆算法，绘制中心为 (0, 0) ，长半径 a 8 ，短半径 b 6 的椭圆在第一象限中的部分。 解： 区域一（上半部分）
k (x k, yk) 2b x k 0 (0, 8) 0 1 (1, 8) 72 2 (2, 8) 144 3 (3, 8) 216 4 (4, 7) 288 5 (5, 7) 360 6 (6, 6) 432 7 (7, 6) 504 8 8, 5
第 2 章 基本图元的显示
1、假设 RGB 光栅系统的设计采用 810 英寸的屏幕，每个方向的分辨率为每英寸 100 个像素。如果 每个像素 6 位，存放在帧缓冲器中，则帧缓冲器需要多大存储容量（字节数）？ 解： 8100101006/8600000 （字节） 。 2、假设计算机字长为 32 位，传输速率为 1 MIP（每秒百万条指令） 。300 DPI(每英寸点数)的激光打 印机，页面大小为 8.511 英寸，要填满帧缓冲器需要多长时间。 解：
2
11、已知： A(0, 0) 、 B(1, 1) 、 C(2, 0) 、 D(1, 2) ，请判断多边形 ABCD 是否是凹多边形。 解： 多 边 形 的 边 向 量 为 AB (1,1, 0) ， BC (1, 1, 0) ， CD (1, 2, 0) ， DA(1, 2, 0) 。 因 为
区域二（下半部分）
k (x k, yk) pk 0 (7, 3) b 2(x 0 1/2)2 a 2(y01)2a 2b 2 23 1 (8, 2) p02a 2y1a 22b 2x1 361 2 (8,1) p12a 2y2 a 2 297 3 (8, 0)
2a yk pk 2 2 2 1600 b a b (1/4)a 332 768 p0 2b2x1b2 224 768 p12b 2x 2 b 2 44 768 p2 2b 2x 3 b2 208 2 640 p3 2b x 4 b 22a 2y 4 108 640 p4 2b 2x 5 b 2 288 512 p5 2b 2x 6 b 22a 2y6 244 384
10、使用中点椭圆算法，绘制中心为 (0, 0) ，长半径 a 8 ，短半径 b 6 的椭圆在第一象限中的部分。 解： 区域一（上半部分）
k (x k, yk) 2b x k 0 (0, 8) 0 1 (1, 8) 72 2 (2, 8) 144 3 (3, 8) 216 4 (4, 7) 288 5 (5, 7) 360 6 (6, 6) 432 7 (7, 6) 504 8 8, 5
第 2 章 基本图元的显示
1、假设 RGB 光栅系统的设计采用 810 英寸的屏幕，每个方向的分辨率为每英寸 100 个像素。如果 每个像素 6 位，存放在帧缓冲器中，则帧缓冲器需要多大存储容量（字节数）？ 解： 8100101006/8600000 （字节） 。 2、假设计算机字长为 32 位，传输速率为 1 MIP（每秒百万条指令） 。300 DPI(每英寸点数)的激光打 印机，页面大小为 8.511 英寸，要填满帧缓冲器需要多长时间。 解：
2
11、已知： A(0, 0) 、 B(1, 1) 、 C(2, 0) 、 D(1, 2) ，请判断多边形 ABCD 是否是凹多边形。 解： 多 边 形 的 边 向 量 为 AB (1,1, 0) ， BC (1, 1, 0) ， CD (1, 2, 0) ， DA(1, 2, 0) 。 因 为
计算机图形学-第一章
45
1.4 图形显示设备 (阴极射线管显示器)
– 带宽问题
– 高分辨率和高的刷新频率要求有高带宽 1024*768/85模式需要85M带宽 – – – –
依然是个问题！ 解决方法：隔行扫描（现在已经基本不用，主流地显示器都采用逐行扫描方式） 隔行扫描的工作原理：把一帧分两场，即奇数场与偶数场 场频：==2*帧频
12
1.2 计算机图形学的发展
Whirlwind: early graphics using VectorScope (1951)
first CAD system (IBM 1959)
Spacewars: first computer graphics game (MIT 1961)
SketchPad: first interactive graphics (1961)
a31
a32
a33
a34
a35
a41
a42
a43
a44
a45
5×5图像
a51
a52
a53
a54
a55
x
0
直线的参数方程：ax+by+c=0
7
1.1 计算机图形学及其相关概念 计算机图形学研究的对象
8
• 图形与图像
—图像纯指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的 灰度信息。
—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的物理属性共同组 成的。 —图形主要分为两类 – 基于线条信息表示 – 明暗图(Shading)
24
科学可视化
25
-By Science Visualization challenge 2013
科学可视化
1.4 图形显示设备 (阴极射线管显示器)
– 带宽问题
– 高分辨率和高的刷新频率要求有高带宽 1024*768/85模式需要85M带宽 – – – –
依然是个问题！ 解决方法：隔行扫描（现在已经基本不用，主流地显示器都采用逐行扫描方式） 隔行扫描的工作原理：把一帧分两场，即奇数场与偶数场 场频：==2*帧频
12
1.2 计算机图形学的发展
Whirlwind: early graphics using VectorScope (1951)
first CAD system (IBM 1959)
Spacewars: first computer graphics game (MIT 1961)
SketchPad: first interactive graphics (1961)
a31
a32
a33
a34
a35
a41
a42
a43
a44
a45
5×5图像
a51
a52
a53
a54
a55
x
0
直线的参数方程：ax+by+c=0
7
1.1 计算机图形学及其相关概念 计算机图形学研究的对象
8
• 图形与图像
—图像纯指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的 灰度信息。
—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的物理属性共同组 成的。 —图形主要分为两类 – 基于线条信息表示 – 明暗图(Shading)
24
科学可视化
25
-By Science Visualization challenge 2013
科学可视化
计算机图形学讲义课件第一章
Electronic Publication
随着微型计算机及桌上印刷设备的发展， 计算机图形学及人机交互技术在办公自 动化及电子出版系统中得到广泛的应用。 昔日需要提交给专门的印刷机构出版的 资料，现在可以在办公室内印刷了，办 公自动化及电子出版系统可以产生传统 的硬拷贝文本，也可以产生电子文本， 包括正文、表格、图形及图象等内容。
路径探索
数字地球图片
HCI
HCI是设计、评估和执行交互计算机系统以及研 究由此而发生的相关现象的 HCI是未来的计算机科学。我们已经花费了至少 50年的时间来学习如何制造计算机以及如何编 写计算机程序。下一个新领域自然是让计算机 服务并适应于人类的需要，而不是强迫人类去 适应计算机。 ----Dan R. Olsen(CMU)
断 路 器 操 作 盘
远 程 控 制 界 面
医疗卫生方面
图形用户界面
介于人与计算机之间，人与机器的通信，人机界面 （HCI）：软件＋硬件 发展：由指示灯和机械开关组成的操纵界面→由终端 和键盘组成的字符界面（80年代）→由多种输入设备 和光栅图形显示设备构成的图形用户界面（GUI）， （90年代）PC，工作站，WIMP(W-windows、I-icons、 M-menu、P-pointing devices)界面，所见即所得→VR 技术（发展方向）
CAD/CAM
图形学的主要应用领域之一 建筑、机械结构和产品设计（结构分析和外形设计）、布局（各 种管道，电子线路） AutoCAD, SolidWorks, Pro/E, UG, CATIA 实例 需要用户绘制出对象的精确图形
计算机辅助设计软件
由计算机构造对象的线框图模型
实例：已绘制的图形如下
小结：概念与术语
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2
3
安徽师范大学数学计算机科学学院
计算机图形学
本课程考核
平时：考勤、平时作业、实验 期中考核：分组大作业 期末考核：卷面考试
安徽师范大学数学计算机科学学院
计算机图形学
第1章 绪论
• 什么是计算机图形学（Computer Graphics) ？
使用计算机建立、存储、处理某个具体的或抽象 的对象的模型，并根据该模型产生该对象的图形输出 的有关理论、方法和技术叫做计算机图形学。是计算 机科学中最为活跃、得到广泛应用的分支之一。
18
定位技术之一：键入坐标进行定位
安徽师范大学数学计算机科学学院
计算机图形学
定位技术之二：网格技术
安徽师范大学数学计算机科学学院
计算机图形学
橡皮筋技术：画圆的切线
安徽师范大学数学计算机科学学院
计算机图形学
•图形与图像
– 图象纯指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息。是 由像素点阵组成，包含像素位置及颜色（灰度）信息。 – 图形含有丰富的几何属性，更强调场景的几何表示，是由场 景的几何模型和景物的物理属性共同组成的。 图形主要分为两类 • 基于线条信息表示。如工程图、等高线地图、曲面的线 框图等。 • 明暗图(Shading)。即是通常所说的真实感图形。
第二种情况是人类主观构造的环境。例如，用于影视制作 或电子游戏的三维动画。环境是虚构的，几何模型和物理 模型可以完全虚构。
魔兽世界场景
第三种情况是模仿真实世界中的人类不可见的环境。例如， 分子的结构，空气中速度、温度、压力的分布等。
一个蛋白质分子的示例
虚拟现实的3I特点
1. 构想性(Inmagination)
安徽师范大学数学计算机科学学院
计算机图形学
由清华大学然景物平台生成的野外场景
安徽师范大学数学计算机科学学院
计算机图形学
计算机绘制的真实感云
Xfrog3.0生成的 挪威云杉
自然景物仿真
安徽师范大学数学计算机科学学院
计算机图形学
• 非真实感绘制（Non-Photorealistic Rendering）
安徽师范大学数学计算机科学学院
计算机图形学
•图形用户接口（GUI）
安徽师范大学数学计算机科学学院
计算机图形学
• 真实感图形实时绘制与自然景物仿真
– 计算机中重现真实世界的场景叫做真实感绘制 – 真实感绘制的主要任务是模拟真实物体的物理属性， 简单的说就是物体的形状，光学性质，表面的纹理 和粗糙程度，以及物体间的相对位置，遮挡关系等 等。
安徽师范大学数学计算机科学学院
计算机图形学
本课程学习要求
•掌握各种基本的图形算法。 •完成一定数量(7次左右)的作业。 •完成3次相关的实验，要求用VC对图形算法进行实 现，并提交实验报告。 •对OpenGL三维图形系统的实用技术有初步的掌握。 •较熟练使用3DMAX进行三维图形建模与渲染。
安徽师范大学数学计算机科学学院
计算机图形学
Computer Graphics 杭后俊 hjhang@ 2015.2
安徽师范大学数学计算机科学学院
计算机图形学
使用教材： 徐文鹏等，计算机图形学基础，清华大学出版社，2014 主要参考书
1、孙家广.计算机图形学(第三版)清华大学出版社.1998 2、蔡士杰,宋继强,蔡敏译. Computer Graphics with OpenGL(Third Edition).电子工业出版社,2005 3、孙家广 胡事民.计算机图形学基础教程.清华大学出版社.2005 4、Zhigang Xiang. Computer Graphics with OpenGL.Tsinghua University Press,2005 5、倪明田, 吴良芝.计算机图形学.北京大学出版社, 1999 6、潘云鹤,董金祥,陈德人.计算机图形学——原理、方法及应用 （修订版）.高等教育出版社,2000 7、和平鸽工作室.OpenGL三维图形系统开发与实用技术.清华大 学出版社，2003
绘制：如何将计算机中的对象用一种直观形象的 图形图像方式表现出来。 交互：通过计算机输入、输出设备，以有效的方 式实现表示与绘制的技术。
9
安徽师范大学数学计算机科学学院
计算机图形学
CG的内容体系
数学基础：向量、矩阵、齐次坐标和几何变 换等。（第四章） 软、硬件基础知识：常见图形API如OpenGL 、Direct3D等；高级语言如VC等；图形输出 设备与输出技术的简单基础知识，如光栅显 示器基本原理、颜色处理与颜色模型等。（ 第二章）
11
1、基础模块（第2,4章）
2、建模（第七章）
研究如何用图形方式表示现实或虚拟世界中 的对象与信息，如一座房子、一辆汽车、一个电 影角色等。 在计算机内部是通过坐标、连接关系所对应 的几何信息与属性信息来表示二维或三维物体。
12
计算机中如何表示三维物体？
线框模型——只通过顶点和棱边描述物体。
Georges Winkenb1ach绘制的壶和碗 (Siggraph’96)
安徽师范大学数学计算机科学学院
计算机图形学
• 非真实感绘制——钢笔画效果
安徽师范大学数学计算机科学学院
计算机图形学
Oliver Deussen绘制的素描树 (Siggraph’2000)
•计算机艺术
分形造型技术 生成的图案
– 基于图像的建模 (Image based modeling) – 几何处理……
安徽师范大学数学计算机科学学院
计算机图形学
3、绘制（第3,5,6,8,10章）
将计算机中对象的数字几何模型转换为直观 形象的图形或图像形式，是数字几何模型的视觉 可视化过程。由计算机系统的图形流水线实现。
MC
模型变换
UC PC
观察变换
VC NC
视口变换
投影变换
规范化变换
三维图形流水线
DC
17
4、交互（第9章）
图形系统要为用户提供友好的人机界面，和 合适的输入方法、操作方法（交互技术），从而 高效地完成模型的创建。 交互技术 典型的人机交互技术：定位技术、菜单技术、 拾取技术、定值技术、橡皮筋技术、拖拽技术、 网格与捕捉技术等 图形用户界面：Windows窗口，Icon图标， Menu菜单，Pointers指标
给定包围物体的长方体空间 将此空间划分为小的立方体单元，称为体素 (voxel) 记录每个体素的信息
安徽师范大学数学计算机科学学院
计算机图形学
如何创建物体的三维模型？
– 建模工具 (3DS Max, Maya,AutoCAD等) – 三维扫描仪——得到点云数据PCD
– 使用微软的Kinect生成点云数据
地理信息系统（GIS)
虚拟现实（VR)
虚拟现实（Virtual Reality）就是研究一种计算机技 术，把人们想象中的东西转化为一种虚拟境界和虚拟存在， 而这种虚拟境界和虚拟存在对我们的感觉器官就象真的客 观存在一样。
虚拟现实系统中的“现实”（即所虚拟的环境）大致可分 为三种情况： 第一种情况是模仿真实世界中的环境。
安徽师范大学数学计算机科学学院
计算机图形学
计算机图形学的发展历史 计算机图形学硬件系统的发展 计算机图形学软件系统的发展
诞生：1950---1960 线框图形学：1960---1970 光栅图形学：1970---1980 真实感图形学：1980---1990 实时图形学：1990见教材P12-17
安徽师范大学数学计算机科学学院
计算机图形学
图形（矢量图）
图像（位图）
计算机图形学
安徽师范大学数学计算机科学学院
安徽师范大学数学计算机科学学院
计算机图形学
安徽师范大学数学计算机科学学院
计算机图形学
安徽师范大学数学计算机科学学院
计算机图形学
安徽师范大学数学计算机科学学院
计算机图形学
计算机图形学与相关学科
听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、甚至包括味 觉感知、嗅觉感知等
– 计算机生成一个给人多种感官刺激的虚拟环境：视觉感知、
2. 交互性(Interaction )
– 指人能以自然方式与虚拟世界进行交互操作 – 专用交互设备，如数据手套、跟踪器、触觉和力反馈装置
3. 沉浸感（Immersion,存在感、临场感）
计算机图形学
本课程主要内容
•绪论（第一章） •图形系统（第二章） ★ 基本光栅图形生成算法（基本图形的光栅扫描转换、区域填充、字符 生成技术等 ）（第三章）。 ★图形变换（图形的几何变换、坐标变换、投影变换、图形裁剪、三维 图形流水线等）（第四、五、六章）。 •几何建模概述（三维实体表示、曲线曲面造型初步（三次参数曲线 （面）、Bezier曲线（面）、B样条曲线（面）、NURBS曲线（面） 等 ））（第七章）。 ★真实感图形学初步（图形反走样技术、常见的消隐算法、简单的光照 模型、纹理映射技术等）（第八章）。 •交互绘图技术（第九章）。 •计算机动画（第十章）。 穿插学习：VC++的图形处理功能、OpenGL 图形系统的基本开发技术、 3DMAX 的基本建模技术。
安徽师范大学数学计算机科学学院
计算机图形学
•建模（Modeling）：物体特性的几何表示以及和光 的相互作用。
•渲染（Rendering）：在给定视觉条件下，刻画被 表示物体的图像的创建过程。 3D 2D
安徽师范大学数学计算机科学学院
计算机图形学
CG的基本任务
表示：将客观世界用二维或三维的方式表示。
2D ← 3D 图像生成（计算机图形学）
图像变换 （图像处理）