最新计算机图形学第1章绪论2
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计算机图形学基础教程(第2版)
图书前言
本书是在2005版《计算机图形学基础教程》的基础上修订而成。 《计算机图形学基础教程》是根据作者在清华大学多年教学实践，并参考了国内外最新的相关教材和部分最 新的研究成果编写而成。第2版教材主要修订了以下内容： 1.增加了第1章的1.5节，介绍清华大学近年来的最新研究成果。 2.增加了第3章的3.9节，介绍格表示、简化与细分。 3.增加了第4章的4.1节，介绍图形绘制的基本概念和流程，提高本章整体上的可读性。 4.将第4章4.8节层次细节的内容移入第3章的3.9节，增加有关景物模拟的内容。 5.删除第5章VRML的内容，改写Open GL的内容，增加一些常见的功能，并给出更多的示例。 本教程第1版出版4年来，被国内一大批高等院校采用，相关的老师、同学及读者提出了许多宝贵的建议，在 此表示衷心感谢。徐昆、来煜坤参与了第2版教材的修订，在此也一并表示感谢。
序言
清华大学计算机系列教材已经出版发行了近30种，包括计算机专业的基础数学、专业技术基础和专业等课程 的教材，覆盖了计算机专业大学本科和研究生的主要教学内容。这是一批至今发行数量很大并赢得广大读者赞誉 的书籍，是近年来出版的大学计算机教材中影响比较大的一批精品。
本系列教材的作者都是我熟悉的教授与同事，他们长期在第一线担任相关课程的教学工作，是一批很受大学 生和研究生欢迎的任课教师。编写高质量的大学（研究生）计算机教材，不仅需要作者具备丰富的教学经验和科 研实践，还需要对相关领域科技发展前沿的正确把握和了解。正因为本系列教材的作者们具备了这些条件，才有 了这批高质量优秀教材的出版。可以说，教材是他们长期辛勤工作的结晶。本系列教材出版发行以来，从其发行 的数量、读者的反映、已经获得的许多国家级与省部级的奖励，以及在各个高等院校教学中所发挥的作用上，都 可以看出本系列教材所产生的社会影响与效益。
《计算机图形学》课件第一章
2. 模式识别（Pattern Recognition 图形信息输入计算机后， 先对它进行特征提取等预处 理， 然后用统计判定方法或语法分析方法对图形做出识别， 最后由计算机按照使用需求给出图形的分类或描述， 这就 是模式识别。 邮政自动分拣、 中西文字符和工程图纸自动 阅读等都是模式识别技术的应用实例。 模式识别研究怎样 分析和识别输入的图形， 以便找出其中蕴涵的内在联系或 抽象模型。
到能够展示某些期望特征的新图像。
图像处理、 模式识别、 计算机图形学、 计算几何和分 形几何这些学科都已有四十余年的历史了。 但长期以来， 它们基本上是以相互独立的形式各自发展、 成长的。 到了 20世纪80年代， 由于光栅图形显示器的广泛使用， 以及大 量复杂的应用课题的研究需要， 这几门学科的相互关系和 共同技术引起了人们越来越大的兴趣， 其学科界限日益模 糊。 从计算机软硬件的角度来看， 起核心作用的是图形显 示技术。
其后， MIT发展了APT(Automatically Programmed Tools) 数控加工自动编程语言， 这是目前国际上最为通用的加工 编程工具。 整个20世纪50年代， 使用的都是电子管计算机， 用机器语言编程。 计算机仍以科学计算为主， 为之配置的 图形设备仅具有输出功能， 计算机图形学处于被动式的图 形处理阶段。
（4）图形信息的存储、 检索与交换技术。 例如， 图 形信息的各种机内外表示方法、 组织形式、存取技术、 图 形数据库的管理、 图形信息的通信等。
（5） 人机交互与用户接口技术。 例如， 新型定位设 备、 选择设备等的研发， 各种交互技术如构造技术、 命令 技术、 选择技术、 响应技术等的研究， 以及用户模型、 命 令语言、 反馈方法、 窗口系统等用户接口技术的研究等。
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。
计算机图形学期末复习[1]
![计算机图形学期末复习[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/2155f416ff00bed5b9f31d9f.png)
计算机图形学期末复习第一章绪论●名词解释：图形、图像、点阵法、参数法。
图形：是指能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象。
点阵法：是具有灰度或颜色信息的点阵来表示图形的一种方法，它强调图形有哪些点组成，这些点具有什么灰度或色彩。
图形包括哪方面的要素参数法：是以计算机所记录的图形的形状参数与属性参数来表示图形的一种方法。
把参数法描述的图形叫做图形；把点阵法描述的图形叫做图像。
●图形包括哪两方面的要素，在计算机中如何表示它们？图形的要素可以分为两类，一类是刻画形状的点、线、面、体等几何要素；另一类是反应物体本身固有属性，如表面属性或材质的明暗、灰度、色彩（颜色信息）等非几何要素。
在计算机中表示带有颜色及形状的图和形常用两种方法：点阵法和参数法。
●什么叫计算机图形学？分析计算机图形学、数字图像处理和计算机视觉学科间的关系。
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。
计算机图形学试图将参数形式的数据描述转换生成（逼真的）图像。
数据图像处理则着重强调图像之间进行变换，它旨在对图像进行各种加工以改善图像的视觉效果，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，它模拟对客观事物模式的识别过程，是从图像到特征数据对象的描述表达处理过程。
●有关计算机图形学的软件标准有哪些？标准有：计算机图形核心系统（GKS）及其语言联编、三维图形核心系统（GKS-3D）及其语言联编、程序员层次交互式图形系统（PHIGS）及其语言联编、计算机图形元文件(CGM)、计算机图形接口（CGI）、基本图形转换规范（IGES）、产品数据转换规范（STEP）等。
●试发挥你的想象力，举例说明计算机图形学有哪些应用范围，解决的问题是什么？近年来计算机图形学已经广泛地用于多种领域，如科学、医药、商业、工业、政府部门、艺术、娱乐业、广告业、教育和培训等。
第二章计算机图形系统及图形硬件●名词解释：刷新、刷新频率、像素点、屏幕分辨率、位平面、屏幕坐标系。
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
计算机图形学知识要点
单元分解法优缺点
优点
表示简单 容易实现几何变换 基本体素可以按需选择，表示范围较广 可以精确表示物体 物体的表示不唯一 物体的有效性难以保证 空间位置枚举表示----同样大小立方体粘合在一起表示 物体 八叉树表示----不同大小的立方体粘合在一起表示物体 单元分解表示----多种体素粘合在一起表示物体
阴极射线管(CRT)：光栅扫描图形显示器； 平板显示器：液晶显示器、等离子体显示板等； 光点、像素、帧缓存（frame buffer）、位平面；三种 分辨率（屏幕、显示、存储）； 黑白、灰度、彩色图形的实现方法（直接存储颜色数据、 颜色查找表）； 光栅图形显示子系统的结构
基本概念
第四章 图形的表示与数据结构
2、规则三维形体的表示
形体表示的分类 线框模型
缺点 多边形表，拓扑信息： 显示和隐式表示
表面模型
显示表示：在数据结构中显式的存储拓扑结构。例如，翼边结构 表示（Winged Edges Structure） 隐式表示：即根据数据 之间的关系在运行时实
时的解算。 平面方程 多边形网格 分解表示、构造表示、边界表示
Bresenham算法绘制圆弧
基本原理 从（0，R）点，顺时针开始； 上一个确定像素点为p（x, y），则下一个像素点只 能是p1和p2中的一个；
P(x, y) P1(x＋1, y)
p2 (x＋1, y－1)
误差判据：像素点到圆心的距离平方与半径平方之 差； 一般关系式取值对应的几何意义，即和下一个像素 的对应关系；
3、椭圆的光栅化方法
计算机图形学第1章 绪论
图形主要分为两类:
基于线条信息表示 明暗图(Shading)
什么是计算机图形学
• 定义：计算机图形学是研究怎样用计 算机生成、处理和显示图形的一门学 科。 • 计算机图形学属于计算机科学中最为 活跃、得到广泛应用的分支之一
计算机图形学的研究内容
• 如何在计算机中对图形进行表示、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。
– 是用计算机技术来生成一 个逼真的三维视觉、听觉、 触觉或嗅觉等感觉世界和与 世界交互
1.1.2 当前研究热点 真实感图形实时绘制
– 物体网格模型的面片简化：对网格面片表示的 模型，在一定误差的精度范围内，删除点、边、 面，从而简化所绘制场景的复杂度，加快图形 绘制速度
– 基于图象的绘制(IBR，Image Based Rendering)： 直接从一系列已知的图象中生成未知视角的图 象，适用于野外极其复杂场景的生成和漫游
讲授内容
第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 绪论 光栅设备 基本图形生成算法 自由曲线与曲面 图形裁剪 图形变换 计算机动画
第一章 绪论
1.1 应用及研究前沿 1.2 研究内容 1.3 发展历史
1.1 应用及研究前沿
1.2.1 计算机图形学的应用
先看几个我们自己的例子
• • • • OpenGL实例 虚拟小区浏览 脑颅骨绘制实例(2D,3D) GIS软件,等等。
• 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
地理信息系统（GIS）
• 建立在地理图形之上的关于各种资源的 综合信息管理系统。 • 数字地球：地形数据作为载体。
计算机图形学-第一章--概述资料
它已经并将进一步给人类带来巨大的影响和
利益。现在，CAD技术的水平已成为衡量一
个国家工业技术水平的重要标志。
2024/7/19
27
1.3 计算机图形学的应用领域
• 二、科学计算可视化
• 用图形来表示大量数据计算的结果或中 间过程。例如：
科技工作者需要认真分析大量的计算结
果以确定一个系统的描述；
商业主管需要分析大量的统计数据以做
出对未来商业行为的决策；
医生需要面对大量的CT数据以确定病人
体内是否发生病变及何处发生病变；
气象人员需要处理气象卫星传回的大批
数据以绘出未来一段时间内的天气变化趋势
图。 2024/7/19
28
1.3 计算机图形学的应用领域
• 分析处理这些大批数据是艰难和枯燥的， 但如果应用计算机图形处理技术建立数据与 图形之间的关系并将它们以图形的形式在屏 幕上显示出来，则使用者很容易观察其中的 各种现象并找出变化规律。
的确立和发展也经历了从矢量显示器、存
储管显示器到光栅显示器的发展过程。
2024/7/19
22
1.2 计算机图形学的发展历史
• 图形输入设备也在发展，出现了：拇指 轮、操作杆、跟踪球、光笔、鼠标、触摸 屏、数据手套、数字化仪、扫描仪等输入 设备。
• 和图形硬件一样，图形软件也得到很 大的发展，各种图形算法、图形标准、图 形数据结构等逐渐成熟并投入使用，使计 算机图形学成为一门成熟的学科。
本自动阅读装置、还有地图符号的识别，都
是先由扫描得到图像，然后经识别还原为图
形或字符。
2024/7/19
ห้องสมุดไป่ตู้
6
第一章 概述
• 3、计算几何（Computational Geometry） • 计算几何则着重讨论几何形体在计算机
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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”。 而柱面显象管采用荫栅式结构，它的表面在水平方 向仍然略微凸起，但是在垂直方向上却是笔直的， 呈圆柱状，故称之为“柱面管”
常用的荫栅式显象管有日本索尼公司的特丽珑管 （Trinitron）和三菱公司的钻石珑管（Diamondtron）
器的体积必然要加大，在使用时候就会受到 空间的限制
CRT显示器是利用电子枪发射电子束来产 生图像，容易受电磁波干扰
长期电磁辐射会对人们健康产生不良影响
2 LED显示器
优点： 外观小巧精致，厚度只有6.5~8cm左右
不会产生CRT那样的因为刷新频率低而出现的 闪烁现象
作电压低，功耗小，节约能源
没有电磁辐射，对人体健康没有任何影响
现在的图形处理器不单单存储图形，而且能完 成大部分图形函数，专业的图形卡已经具有很 强的3D处理能力，大大减轻了CPU的负担,提高 了显示质量和显示速度
➢ 图形处理器的组成
显示主芯片
➢ 显卡的核心，俗称GPU，它的主要任务是对系统输入的 视频信息进行构建和渲染
显示缓存
➢ 用来存储将要显示的图形信息以及保存图形运算的中间数 据
索尼公司的两款LCD外形
➢ LCD显示器基本原理
液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质，它具 有液体的流态性质和固体的光学性质。当液晶受到 电压的影响时，就会改变它的物理性质而发生形变， 此时通过它的光的折射角度就会发生变化，而产生 色彩
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，而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， 还得必须经过一块彩色滤光片以及第二块偏光板
红 绿兰
荫栅 荧光屏 RGB
荫栅式彩色CRT显色原理
0.25mm
G B R G B R G GB
d=0.28mm
0.31mm
点距为.25的柱 面显示器
0.22mm
点距为.28的球 面显示器
柱面和球面显示器点距定义示意图
CRT固有的物理结构限制了它向更广的显 示领域发展
屏幕的加大必然导致显象管的加长，显示
➢ LCD显示器的基本指标
可视角度 视线与屏幕中心法向成一定角度时，人们就 不能清晰地看到屏幕图象，而那个能看到 清晰图象的最大角度被我们称为可视角度。 一般所说的可视角度是指左右两边的最大 角度相加。工业上有CR10（Contrast Ratio）、CR5两种标准来判断液晶显示器 的可视角度
点距与分辨率
➢ 显存的大小和速度直接影响着主芯片性能的发挥
数字模拟转换器（RAMDAC）
➢ 它的作用就是把二进制的数字转换成为和显示器相适应的 模拟信号
计算
机控
主芯片
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
制信
号
模拟信号输出 RAMDAC
显存
显卡工作原理简单示意图
1.4.3 图形输入设备
结束语
谢谢大家聆听！！！
22
计算机图形学第1章绪论2
1.4 图形设备
一个图形系统通常由图形处理器、图形输入设 备和输出设备构成。
▪ 1.4.1 图形显示设备
➢ 图形输出包括图形的显示和图形的绘制 ➢ 图形显示指的是在屏幕上输出图形，图形绘制
通常指把图形画在纸上，也称硬拷贝，打印机 和绘图仪是两种最常用的硬拷贝设备
➢ 球面显示器与柱面显示器
液晶屏幕的点距就是两个液晶颗粒（光点）之 间的距离，一般0.28~0.32mm就能得到较好 的显示效果
通常所说的液晶显示器的分辨率是指其真实分 辨率，表示水平方向的像素点数与垂直方向的 像素点数的乘积
1.4.2 图形处理器
图形处理器是图形系统结构的重要元件，是连 接计算机和显示终端的纽带
早期的图形处理器只包含简单的存储器和帧缓 冲区，它们实际上只起了一个图形的存储和传 递作用，一切操作都必须有CPU来控制
常用的荫栅式显象管有日本索尼公司的特丽珑管 （Trinitron）和三菱公司的钻石珑管（Diamondtron）
器的体积必然要加大，在使用时候就会受到 空间的限制
CRT显示器是利用电子枪发射电子束来产 生图像，容易受电磁波干扰
长期电磁辐射会对人们健康产生不良影响
2 LED显示器
优点： 外观小巧精致，厚度只有6.5~8cm左右
不会产生CRT那样的因为刷新频率低而出现的 闪烁现象
作电压低，功耗小，节约能源
没有电磁辐射，对人体健康没有任何影响
现在的图形处理器不单单存储图形，而且能完 成大部分图形函数，专业的图形卡已经具有很 强的3D处理能力，大大减轻了CPU的负担,提高 了显示质量和显示速度
➢ 图形处理器的组成
显示主芯片
➢ 显卡的核心，俗称GPU，它的主要任务是对系统输入的 视频信息进行构建和渲染
显示缓存
➢ 用来存储将要显示的图形信息以及保存图形运算的中间数 据
索尼公司的两款LCD外形
➢ LCD显示器基本原理
液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质，它具 有液体的流态性质和固体的光学性质。当液晶受到 电压的影响时，就会改变它的物理性质而发生形变， 此时通过它的光的折射角度就会发生变化，而产生 色彩
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，而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， 还得必须经过一块彩色滤光片以及第二块偏光板
红 绿兰
荫栅 荧光屏 RGB
荫栅式彩色CRT显色原理
0.25mm
G B R G B R G GB
d=0.28mm
0.31mm
点距为.25的柱 面显示器
0.22mm
点距为.28的球 面显示器
柱面和球面显示器点距定义示意图
CRT固有的物理结构限制了它向更广的显 示领域发展
屏幕的加大必然导致显象管的加长，显示
➢ LCD显示器的基本指标
可视角度 视线与屏幕中心法向成一定角度时，人们就 不能清晰地看到屏幕图象，而那个能看到 清晰图象的最大角度被我们称为可视角度。 一般所说的可视角度是指左右两边的最大 角度相加。工业上有CR10（Contrast Ratio）、CR5两种标准来判断液晶显示器 的可视角度
点距与分辨率
➢ 显存的大小和速度直接影响着主芯片性能的发挥
数字模拟转换器（RAMDAC）
➢ 它的作用就是把二进制的数字转换成为和显示器相适应的 模拟信号
计算
机控
主芯片
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
制信
号
模拟信号输出 RAMDAC
显存
显卡工作原理简单示意图
1.4.3 图形输入设备
结束语
谢谢大家聆听！！！
22
计算机图形学第1章绪论2
1.4 图形设备
一个图形系统通常由图形处理器、图形输入设 备和输出设备构成。
▪ 1.4.1 图形显示设备
➢ 图形输出包括图形的显示和图形的绘制 ➢ 图形显示指的是在屏幕上输出图形，图形绘制
通常指把图形画在纸上，也称硬拷贝，打印机 和绘图仪是两种最常用的硬拷贝设备
➢ 球面显示器与柱面显示器
液晶屏幕的点距就是两个液晶颗粒（光点）之 间的距离，一般0.28~0.32mm就能得到较好 的显示效果
通常所说的液晶显示器的分辨率是指其真实分 辨率，表示水平方向的像素点数与垂直方向的 像素点数的乘积
1.4.2 图形处理器
图形处理器是图形系统结构的重要元件，是连 接计算机和显示终端的纽带
早期的图形处理器只包含简单的存储器和帧缓 冲区，它们实际上只起了一个图形的存储和传 递作用，一切操作都必须有CPU来控制