计算机图形学课件——first
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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……
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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
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Graphics Lab.PKU
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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
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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
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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。
计算机图形学基础教程PPT课件
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。
经典的真实感图形学
光照模型
• 简单光照模型 • 局部光照模型 • 整体光照模型
绘制方法
• 光线跟踪 • 辐射度
加速算法及其他
• 包围体树、自适应八叉树等 • 阴影算法、纹理合成
Xfrog3.0生成的挪威云杉
1974年，在Colorado大学召开了第一届SIGGRAPH 年会， 并取得了巨大的成功
图形学的杂志和会议
会议：Siggraph， Eurograph， Pacific Graphics
Computer Graphics International，
Graphics Interface
杂志: ACM Transaction on Graphics
基于多层阴影翼的软影绘制
研究热点
真实感图形实时绘制
• 物体网格模型的面片简化，LOD, Occlusion culling
• 吴建华的牛头ห้องสมุดไป่ตู้
• 基于图象的绘制、基于Vedio绘制 • 画中游
画中游
Video from HKUST:
野外自然景物的模拟：山、水、云、树、草、火等
清 华 山 水
1999
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。
• 58年提出“CAD”概念 • 图形学最高奖以他名字命名。
70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ACM成立图形标准化委 员会，制定“核心图形系统”（Core Graphics System）
经典的真实感图形学
光照模型
• 简单光照模型 • 局部光照模型 • 整体光照模型
绘制方法
• 光线跟踪 • 辐射度
加速算法及其他
• 包围体树、自适应八叉树等 • 阴影算法、纹理合成
Xfrog3.0生成的挪威云杉
1974年，在Colorado大学召开了第一届SIGGRAPH 年会， 并取得了巨大的成功
图形学的杂志和会议
会议：Siggraph， Eurograph， Pacific Graphics
Computer Graphics International，
Graphics Interface
杂志: ACM Transaction on Graphics
基于多层阴影翼的软影绘制
研究热点
真实感图形实时绘制
• 物体网格模型的面片简化，LOD, Occlusion culling
• 吴建华的牛头ห้องสมุดไป่ตู้
• 基于图象的绘制、基于Vedio绘制 • 画中游
画中游
Video from HKUST:
野外自然景物的模拟：山、水、云、树、草、火等
清 华 山 水
1999
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。
• 58年提出“CAD”概念 • 图形学最高奖以他名字命名。
70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ACM成立图形标准化委 员会，制定“核心图形系统”（Core Graphics System）
计算机图形学第1章电子教案精品PPT课件
2020/10/10
河北农业大学 张玉新
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图形的要素 几何要素和非几何要素
计算机图形学中所研究的图形 从客观世界物体中抽象出来的带有颜色及形状 信息的图和形。
2020/10/10
河北农业大学 张玉新
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图形的表示
点阵法是用具有颜色信息的点阵来表示图形的一种方法，它
强调图形由哪些点组成，并具有什么灰度或色3
主要参考书目
陈传波，计算机图形学基础，电子工业出版社 何援军，计算机图形学，机械工业出版社 李东，计算机图形学实用教程，人民邮电出版社 孙家广，计算机图形学（第三版），清华大学出版
社 王汝传，计算机图形学，人民邮电出版社 中国图形图像学报等
2020/10/10
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、生成 和处理图形的原理、方法和技术的一门学科。
IEEE 定 义 ： Computer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer.
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河北农业大学 张玉新
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特征数据、结构数据
计算机图 形学
CAGD
计算机 视觉
图象识别 反求工程
图象信号
数字图象处理
图 1-1 图 形 图 象 处 理 相 关 学 科 间 的 关 系
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河北农业大学 张玉新
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1.2 计算机图形学的研究对象——图形
通常意义下的图形： 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。
图形软件标准 与设备无关、与应用无关、具有较高性能
计算机图形学ppt(共49张PPT)
实现自动化、智能化的 加工和生产。
应用领域
广泛应用于机械、电子、建筑、汽车等制造业领域。
计算机游戏设计与开发
游戏引擎
基于计算机图形学技术构建游戏引擎， 实现游戏场景、角色、特效等的渲染 和交互。
应用领域
广泛应用于娱乐、教育、军事模拟等 领域。
游戏设计
利用计算机图形学技术进行游戏关卡、 任务、角色等的设计，提高游戏的可 玩性和趣味性。
纹理映射与表面细节处理
纹理坐标
定义物体表面上的点与纹理图像上的点之间 的映射关系。
Mipmapping
使用多级渐远纹理来减少纹理采样时的走样 现象。
Bump Mapping
通过扰动表面法线来模拟表面凹凸不平的细 节。
Displacement Mapping
根据高度图调整顶点位置，实现更真实的表 面细节。
透明度与半透明处理
Alpha Blending
通过混合像素的颜色和背景颜 色来实现透明度效果。
Order-Independent Transparency
一种解决透明物体渲染顺序问 题的方法，可以实现正确的透 明效果叠加。
Depth Peeling
通过多次渲染场景，每次剥离 一层深度，来实现半透明物体 的正确渲染。
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
后期制作
在影视制作后期，利用计算机图形学技术进行颜色校正、合成、剪 辑等处理，提高影片质量。
应用领域
广泛应用于机械、电子、建筑、汽车等制造业领域。
计算机游戏设计与开发
游戏引擎
基于计算机图形学技术构建游戏引擎， 实现游戏场景、角色、特效等的渲染 和交互。
应用领域
广泛应用于娱乐、教育、军事模拟等 领域。
游戏设计
利用计算机图形学技术进行游戏关卡、 任务、角色等的设计，提高游戏的可 玩性和趣味性。
纹理映射与表面细节处理
纹理坐标
定义物体表面上的点与纹理图像上的点之间 的映射关系。
Mipmapping
使用多级渐远纹理来减少纹理采样时的走样 现象。
Bump Mapping
通过扰动表面法线来模拟表面凹凸不平的细 节。
Displacement Mapping
根据高度图调整顶点位置，实现更真实的表 面细节。
透明度与半透明处理
Alpha Blending
通过混合像素的颜色和背景颜 色来实现透明度效果。
Order-Independent Transparency
一种解决透明物体渲染顺序问 题的方法，可以实现正确的透 明效果叠加。
Depth Peeling
通过多次渲染场景，每次剥离 一层深度，来实现半透明物体 的正确渲染。
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
后期制作
在影视制作后期，利用计算机图形学技术进行颜色校正、合成、剪 辑等处理，提高影片质量。
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
计算机图形学.ppt
– 1974年，在Colorado大学召开了第一届 SIGGRAPH 年会，并取得了巨大的成功
– 每年只录取大约50篇论文
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
奥迪效果图和线框图
计算机辅助设计与制造 （CAD/CAM）
– 基于工程图纸的三维形体重建
• 定义：从二维信息中提取三维信息，通过对这些 信息进行分类、综合等一系列处理，在三维空间 中重新构造出二维信息所对应的三维形体，恢复 形体的点、线、面及其拓扑关系，从而实现形体 的重建
• 优势：可以做装配件的干涉检查、以及有限元分 析、仿真、加工等后续操作，代表CAD技术的发 展方向
1.1 研究内容
?何谓图形 ?构成图形的要素 ?图形的两种表示法 ?图形学所研究的内容
图形以及构成图形的要素
• 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
什么是计算机图形学
• 定义：计算机图形学是研究怎样用数字 计算机生成、处理和显示图形的一门学 科。
• 计算机图形学计算机科学中，最为活跃、 得到广泛应用的分支之一
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。
如: GKS (Graphics Kernel System)
– 每年只录取大约50篇论文
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
奥迪效果图和线框图
计算机辅助设计与制造 （CAD/CAM）
– 基于工程图纸的三维形体重建
• 定义：从二维信息中提取三维信息，通过对这些 信息进行分类、综合等一系列处理，在三维空间 中重新构造出二维信息所对应的三维形体，恢复 形体的点、线、面及其拓扑关系，从而实现形体 的重建
• 优势：可以做装配件的干涉检查、以及有限元分 析、仿真、加工等后续操作，代表CAD技术的发 展方向
1.1 研究内容
?何谓图形 ?构成图形的要素 ?图形的两种表示法 ?图形学所研究的内容
图形以及构成图形的要素
• 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
什么是计算机图形学
• 定义：计算机图形学是研究怎样用数字 计算机生成、处理和显示图形的一门学 科。
• 计算机图形学计算机科学中，最为活跃、 得到广泛应用的分支之一
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。
如: GKS (Graphics Kernel System)
计算机图形学课件第一章引言常用文档
■图形的表示 Graphics Image 点阵法：用具有颜色信息的点阵来表示图形的
一种方法。（Image）
参数法：以计算机中所记录图形的形状参数与
属性参数来表示图形的一种方法。（Graphics）■与计算机图形学相关的学科
计算机图形学试图从非图象形式的数据描述来
生成（逼真的）图象。
数字图象处理旨在对图象进行各种加工以改善
■具有一定实践体会和相关的编程能力。
课程内容
■概论 ■计算机图形设备 ■交互式技术 ■几何造型技术
■基本图形生成算法 ■二维图形变换及二维观察 ■三维图形变换及三维观察
■曲线和曲面、真实感图形显示
第1章 引言
主要内容：
•什么是计算机图形学？ 3 计算机图形学的应用
图1-3 计算机图形系统的结构 •计算机图形学研究的对象是什么？ 计算机图形学基础 陈传波 陆枫 编著 计算机图形学中所研究的图形：从客观世界物体中抽象出来的带有颜色及形状信息的图和形。
图象的视觉效果。
计算机视觉是研究用计算机来模拟生物外显或
宏观视觉功能的科学和技术。
特征数据、结构数据
计算机图 形学
计算机 视觉
图象信号
数字图象处理 图1-1 图形图象处理相关学科间的关系
1.2 计算机图形学的发展
计算机图形学的确立 ■酝酿期（50年代） ■萌芽期（60年代） ■发展期（70年代） ■普及期（80年代） ■提高增强期（90年代）
■近二十年中，国际标准化组织ISO已经批准 和正在讨论的与计算机图形有关的标准有：
GKS、GKS-3D、PHIGS、CGM、 CGI、IGES、STEP ■事实标准 如SGI的OpenGL，微软的Direct X， Adobe的Postscript等
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1.5 计算机图形学当前研究的一些方向
1．几何造型技术 2．真实图形生成技术 ． 3．科学计算可视化 ． 4．计算机动画 ． 5 ．虚拟现实 6 ．地理信息系统
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7 地理和自然资源的图形显示 计算机图形学的另一个重要的应用领域是产生高精度 的地理图形或其它自然资源的图形。例如各种地理图、 地形图、矿藏分布图、海洋地理图、气象图、植被分布 图、人口分布图等。目前，地理信息管理系统（GIS）已 经得到广泛的应用，它是由图形技术、遥感技术、数据 库技术以及管理信息相结合形成的新技术，其中图形技 术起着核心和控制作用。使用地理信息管理系统可以方 便地实现地理和自然资源的三维信息管理。
计算机图形学课前简介 1．课程学时 总学时：54学时；其中讲课：36学时； 上机：18学时 2．课程主要内容 二维图形基础 自由曲线和曲面 图形变换 图形裁剪 几何造型 真实感图形生成技术 分数维图形 数字图像处理技术简介
信息工程学院 费赓柢 1
3．学习成绩考核方法 上机编程20%，平时20%
期末考试60%。
信息工程学院 费赓柢
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1.2 计算机图形学的研究内容
计算机图形学主要是研究图形的计算机生成。在图形 基础研究方面可分为两个主要方向, 即建模技术和绘制 技术。建模技术又称为造型技术，又可分为两个不同分 支,即计算机辅助几何设计和自然景物建模。计算机辅助 几何设计追求建模的精确度、可靠性和建模的速度。自 然景物建模追求建模的逼真度和速度。所涉及的主要内 容包括基本图元的生成，例如线段、字符、圆、曲线等 的生成算法；区域填充算法；图形变换,如平移、旋转、 缩放、裁剪、透视和投影等。 计算机图形学中的绘制技术主要是指基于光栅图形 显示技术的真实感图形绘制技术,包括各种光照模型、明 暗处理、纹理生成、透明和颜色处理，以及隐藏线和隐 藏面的消除等内容。绘制技术追求的是真实感和绘制速 度。
信息工程学院 费赓柢 3
1962年，在美国亚特兰大市召开的美国计算机会议上, 美国麻省理工学院林肯实验室的Ivan.E.Sutherland 宣读 了他的博士论文研究内容“Sketchpad:一个人机交互的图 形系统”，文中首次使用了“Computer Graphics”这一术 语，证明交互式计算机图形学是一个可行且有用的研究领 域，从而确定了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的 地位。奠定了计算机图形学的基础。1965， Ivan.E.Sutherland 又发表著名论文 “Ultimate Display” （终极显示），提出了计算机图形学的发展方向。因此， Ivan.E.Sutherland 被公认为是交互图形生成技术的奠定 人。他也为此荣获1988年图灵奖。
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统计数据及事务管理的图示化 办公自动化 图形用户接口 科学计算可视化 科 学 计 算 可 视 化 (Visualization in Scientific Computing,ViSC)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。国际上关于科学计算可视化的研究始于20世纪80 年代末,它使往日冗繁、枯燥的数据变成生动、直观的图 形或图像。目前，科学计算可视化在医学图象处理、地 质勘探、气象预报、天体物理、分子生物学、计算流体 力学、有限元分析、核科学等很多方面得到了成功地应 用。目前,科学计算可视化已成为计算机图形学的一个重 要研究方向。
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长江三峡地区图1
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长江三峡地区图2
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喜马拉雅山数字地面高程模型
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8 计算机动画与娱乐 现在计算机图形方法常用于制作动画片、音乐录 象带和计算机游戏。同传统的制作方法相比较，计算 机制作方法具有时间短、成本低、形象生动逼真、重 用性强等优点。 为了避免画面闪烁，放映一秒钟的动画，就需制 作多于24幅画面，因而制作较长时间的动画，工作量 是相当大的，而用计算机来做，这些重复性的资料可 存储在计算机内，需要时直接调出来，再稍加改变就 成了下一幅图，从而大大节约了时间，提高了动画制 作的效率。
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20世纪90年代以来，虚拟现实、科学计算可视化等 应用要求促使计算机图形学向着更高阶段发展，它的 许多技术也已成为发展迅速的多媒体技术的重要组成 部分。经历了近40年的发展历程，计算机图形学在图 形基础算法、图形软件与图形硬件三方面都取得了长 足的进步,成为当代几乎所有科学和工程技术领域用来 加强信息理解和传递的技术和工具。随着计算机图形 学理论、方法的不断完善，软件、硬件技术的不断发 展，它的应用领域也必将越来越广。
4．本课程主要参考书 [1] 《计算机图形学》 纪玉波编著. [2] 《计算机图形学》 孙家广等编著.清华大学 出版社，1995 [3] 《计算机图形学C语言版》Hearn D等.影印版. 清华大学出版社,1998 [4] 《计算机图形学教程》唐荣锡等编著. 科学出 版社出版,1992 5．网上学习
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10 教学与培训 目前，计算机辅助教学（CAI）正在改变着传统的 教学方式。CAI课件的使用，远程教育的实现，计算机 图形技术都在其中起着重要作用。计算机生成的各种模 型和图形被用作教学的辅助工具。有些方面的培训要设 计专门的系统，象飞行员、汽车驾驶员、大型设备操作 员和航空控制人员的实习和培训模拟系统就是这样一种 专用系统。
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在20世纪60年代，计算机图形学作为一个崭新的科学 分支得到确立和迅速发展。在70年代，由于计算机由昂贵 的大型机发展出了小型计算机及超级小型机，以及基于电 视技术的光栅扫描显示器的出现，这都极大地推动了计算 机图形学的发展，使构成计算机图形系统的价格降低，维 护使用也比较简单，是计算机图形技术进入实用化的阶段。 但是，直到20世纪80年代初，由于计算机硬软件都较昂贵， 限制了图形学的研究和普及应用。80年代以后，随着工程 工作站特别是微型计算机的出现，极大地促进了计算机图 形学的发展。80年代后期以来，微型计算机的性能迅速提 高，目前微机无论在主频、内存容量还是磁盘容量方面都 大大超过了六、七十年代相比之下极其昂贵的大型及小型 机。因此，微机已经成为计算机图形生成技术的主要处理 机，为计算机图形学研究和应用的高速发展创造了条件， 使计算机图形技术的研究与应用范围日益扩大。
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1.4 计算机图形学与图象处理
计算机图形学（Computer Graphics）和图象处理 （Image Processing）是计算机应用领域以各自独立形 式发展形成的两个分支学科，它们之间有一定的关系和 区别。它们共同之处就是计算机所处理的信息都是与图 有关的信息，但本质上却是不同的。 计算机图形学是研究根据给定的描述（如数学公式或 数据等）使用计算机通过算法和程序构造出图形来，如 直线，二次曲线面，自由曲线面的生成，图形变换，图 形消隐，真实图形生成方法等。 与此相反，图象处理是景物或图象的分析技术，它所 研究的是计算机图形学的逆过程。是利用计算机对原来 存在的物体映象进行分析处理，然后再现图象。图象信 息经过数字化后输入到计算机中按照不同的应用要求， 用计算机对数据作加工处理，如图象增强，图象分析与 识别，三维图象重建等。
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6 虚拟现实 虚拟现实(Virtual Reality，VR) 是一门近年来发展 十分迅速的计算机图形和图象应用技术。它是由计算机生 成图形和图象构成一个与客观世界十分相似的、逼真的虚 拟环境，同时由计算机把虚拟环境转换成视觉、听觉和其 它感觉信号, 并输出给用户，使用户产生身处真实场景中 的感觉。虚拟现实系统的重要特性是具有一种身临其境的 临场感。计算机场景的生动表现形式依赖于计算机图形的 效果，如精致的纹理图像等。 已开发的VR应用涉及从各种驾驶培训系统、娱乐游戏系统 到建筑学和商业规划等广泛的领域。许多应用中的虚拟世 界与现实世界十分类似, 如CAD和建筑造型。而另外的一 些应用则提供了现实世界不可能提供的更为方便的观察事 物的方法, 例如科学仿真和遥现系统，空中交通控制系统 等。
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9 计算机艺术 将计算机图形学与人工智能技术结合起来，可构造 出丰富多彩的艺术图象，为创作艺术和商品艺术的应 用开创了更广阔的前景。美术师可以使用各种计算机 方法，包括专用硬件，艺术家画笔程序及其它绘图软 件包和动画软件包来设计物体的外形及描述物体的运 动。
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1.3 计算机图形学的应用
目前，计算机图形技术已经渗透到各行各业，广泛 地用于多种领域，如科学、工程、医药、商业、工业、 政府部门、艺术、娱乐业、广告业、教育和培训等等。 1 计算机辅助及设计 计算机辅助设计（Computer Aided Design, CAD） 一直是计算机图形学重要的应用领域，使用图形生成 技术可以进行产品的元部件和系统设计，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。使用人机交互的计算机辅助设 计系统，不但可以对产品和零部件进行外形设计，还 可以对它们的机械性能、电性能或受力分布情况等进 行分析计算。并且，还可以使用设计数据控制加工制 造工具完成部件和系统制作，即计算机辅助制造（CAM， Computer Aided Manufacture ） 和 CIMS （ Computer Integrated Manufacture System)。
1.5 计算机图形学当前研究的一些方向
1．几何造型技术 2．真实图形生成技术 ． 3．科学计算可视化 ． 4．计算机动画 ． 5 ．虚拟现实 6 ．地理信息系统
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7 地理和自然资源的图形显示 计算机图形学的另一个重要的应用领域是产生高精度 的地理图形或其它自然资源的图形。例如各种地理图、 地形图、矿藏分布图、海洋地理图、气象图、植被分布 图、人口分布图等。目前，地理信息管理系统（GIS）已 经得到广泛的应用，它是由图形技术、遥感技术、数据 库技术以及管理信息相结合形成的新技术，其中图形技 术起着核心和控制作用。使用地理信息管理系统可以方 便地实现地理和自然资源的三维信息管理。
计算机图形学课前简介 1．课程学时 总学时：54学时；其中讲课：36学时； 上机：18学时 2．课程主要内容 二维图形基础 自由曲线和曲面 图形变换 图形裁剪 几何造型 真实感图形生成技术 分数维图形 数字图像处理技术简介
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3．学习成绩考核方法 上机编程20%，平时20%
期末考试60%。
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1.2 计算机图形学的研究内容
计算机图形学主要是研究图形的计算机生成。在图形 基础研究方面可分为两个主要方向, 即建模技术和绘制 技术。建模技术又称为造型技术，又可分为两个不同分 支,即计算机辅助几何设计和自然景物建模。计算机辅助 几何设计追求建模的精确度、可靠性和建模的速度。自 然景物建模追求建模的逼真度和速度。所涉及的主要内 容包括基本图元的生成，例如线段、字符、圆、曲线等 的生成算法；区域填充算法；图形变换,如平移、旋转、 缩放、裁剪、透视和投影等。 计算机图形学中的绘制技术主要是指基于光栅图形 显示技术的真实感图形绘制技术,包括各种光照模型、明 暗处理、纹理生成、透明和颜色处理，以及隐藏线和隐 藏面的消除等内容。绘制技术追求的是真实感和绘制速 度。
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1962年，在美国亚特兰大市召开的美国计算机会议上, 美国麻省理工学院林肯实验室的Ivan.E.Sutherland 宣读 了他的博士论文研究内容“Sketchpad:一个人机交互的图 形系统”，文中首次使用了“Computer Graphics”这一术 语，证明交互式计算机图形学是一个可行且有用的研究领 域，从而确定了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的 地位。奠定了计算机图形学的基础。1965， Ivan.E.Sutherland 又发表著名论文 “Ultimate Display” （终极显示），提出了计算机图形学的发展方向。因此， Ivan.E.Sutherland 被公认为是交互图形生成技术的奠定 人。他也为此荣获1988年图灵奖。
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统计数据及事务管理的图示化 办公自动化 图形用户接口 科学计算可视化 科 学 计 算 可 视 化 (Visualization in Scientific Computing,ViSC)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。国际上关于科学计算可视化的研究始于20世纪80 年代末,它使往日冗繁、枯燥的数据变成生动、直观的图 形或图像。目前，科学计算可视化在医学图象处理、地 质勘探、气象预报、天体物理、分子生物学、计算流体 力学、有限元分析、核科学等很多方面得到了成功地应 用。目前,科学计算可视化已成为计算机图形学的一个重 要研究方向。
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长江三峡地区图1
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长江三峡地区图2
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喜马拉雅山数字地面高程模型
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8 计算机动画与娱乐 现在计算机图形方法常用于制作动画片、音乐录 象带和计算机游戏。同传统的制作方法相比较，计算 机制作方法具有时间短、成本低、形象生动逼真、重 用性强等优点。 为了避免画面闪烁，放映一秒钟的动画，就需制 作多于24幅画面，因而制作较长时间的动画，工作量 是相当大的，而用计算机来做，这些重复性的资料可 存储在计算机内，需要时直接调出来，再稍加改变就 成了下一幅图，从而大大节约了时间，提高了动画制 作的效率。
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20世纪90年代以来，虚拟现实、科学计算可视化等 应用要求促使计算机图形学向着更高阶段发展，它的 许多技术也已成为发展迅速的多媒体技术的重要组成 部分。经历了近40年的发展历程，计算机图形学在图 形基础算法、图形软件与图形硬件三方面都取得了长 足的进步,成为当代几乎所有科学和工程技术领域用来 加强信息理解和传递的技术和工具。随着计算机图形 学理论、方法的不断完善，软件、硬件技术的不断发 展，它的应用领域也必将越来越广。
4．本课程主要参考书 [1] 《计算机图形学》 纪玉波编著. [2] 《计算机图形学》 孙家广等编著.清华大学 出版社，1995 [3] 《计算机图形学C语言版》Hearn D等.影印版. 清华大学出版社,1998 [4] 《计算机图形学教程》唐荣锡等编著. 科学出 版社出版,1992 5．网上学习
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10 教学与培训 目前，计算机辅助教学（CAI）正在改变着传统的 教学方式。CAI课件的使用，远程教育的实现，计算机 图形技术都在其中起着重要作用。计算机生成的各种模 型和图形被用作教学的辅助工具。有些方面的培训要设 计专门的系统，象飞行员、汽车驾驶员、大型设备操作 员和航空控制人员的实习和培训模拟系统就是这样一种 专用系统。
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在20世纪60年代，计算机图形学作为一个崭新的科学 分支得到确立和迅速发展。在70年代，由于计算机由昂贵 的大型机发展出了小型计算机及超级小型机，以及基于电 视技术的光栅扫描显示器的出现，这都极大地推动了计算 机图形学的发展，使构成计算机图形系统的价格降低，维 护使用也比较简单，是计算机图形技术进入实用化的阶段。 但是，直到20世纪80年代初，由于计算机硬软件都较昂贵， 限制了图形学的研究和普及应用。80年代以后，随着工程 工作站特别是微型计算机的出现，极大地促进了计算机图 形学的发展。80年代后期以来，微型计算机的性能迅速提 高，目前微机无论在主频、内存容量还是磁盘容量方面都 大大超过了六、七十年代相比之下极其昂贵的大型及小型 机。因此，微机已经成为计算机图形生成技术的主要处理 机，为计算机图形学研究和应用的高速发展创造了条件， 使计算机图形技术的研究与应用范围日益扩大。
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计算机图形学（Computer Graphics）和图象处理 （Image Processing）是计算机应用领域以各自独立形 式发展形成的两个分支学科，它们之间有一定的关系和 区别。它们共同之处就是计算机所处理的信息都是与图 有关的信息，但本质上却是不同的。 计算机图形学是研究根据给定的描述（如数学公式或 数据等）使用计算机通过算法和程序构造出图形来，如 直线，二次曲线面，自由曲线面的生成，图形变换，图 形消隐，真实图形生成方法等。 与此相反，图象处理是景物或图象的分析技术，它所 研究的是计算机图形学的逆过程。是利用计算机对原来 存在的物体映象进行分析处理，然后再现图象。图象信 息经过数字化后输入到计算机中按照不同的应用要求， 用计算机对数据作加工处理，如图象增强，图象分析与 识别，三维图象重建等。
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6 虚拟现实 虚拟现实(Virtual Reality，VR) 是一门近年来发展 十分迅速的计算机图形和图象应用技术。它是由计算机生 成图形和图象构成一个与客观世界十分相似的、逼真的虚 拟环境，同时由计算机把虚拟环境转换成视觉、听觉和其 它感觉信号, 并输出给用户，使用户产生身处真实场景中 的感觉。虚拟现实系统的重要特性是具有一种身临其境的 临场感。计算机场景的生动表现形式依赖于计算机图形的 效果，如精致的纹理图像等。 已开发的VR应用涉及从各种驾驶培训系统、娱乐游戏系统 到建筑学和商业规划等广泛的领域。许多应用中的虚拟世 界与现实世界十分类似, 如CAD和建筑造型。而另外的一 些应用则提供了现实世界不可能提供的更为方便的观察事 物的方法, 例如科学仿真和遥现系统，空中交通控制系统 等。
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9 计算机艺术 将计算机图形学与人工智能技术结合起来，可构造 出丰富多彩的艺术图象，为创作艺术和商品艺术的应 用开创了更广阔的前景。美术师可以使用各种计算机 方法，包括专用硬件，艺术家画笔程序及其它绘图软 件包和动画软件包来设计物体的外形及描述物体的运 动。
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1.3 计算机图形学的应用
目前，计算机图形技术已经渗透到各行各业，广泛 地用于多种领域，如科学、工程、医药、商业、工业、 政府部门、艺术、娱乐业、广告业、教育和培训等等。 1 计算机辅助及设计 计算机辅助设计（Computer Aided Design, CAD） 一直是计算机图形学重要的应用领域，使用图形生成 技术可以进行产品的元部件和系统设计，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。使用人机交互的计算机辅助设 计系统，不但可以对产品和零部件进行外形设计，还 可以对它们的机械性能、电性能或受力分布情况等进 行分析计算。并且，还可以使用设计数据控制加工制 造工具完成部件和系统制作，即计算机辅助制造（CAM， Computer Aided Manufacture ） 和 CIMS （ Computer Integrated Manufacture System)。