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《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。
2024年度-计算机图形学课件
画。
关键帧动画技术的优缺点
03
优点在于制作灵活、效果好，缺点在于需要手动设置关键帧，
工作量大。
21
过程动画技术
过程动画的概念
通过定义物体的形状、属性以及它们之间的变化过程来生成动画 。
过程动画的实现方法
参数化曲线和曲面、粒子系统、分形等。
过程动画技术的优缺点
优点在于可以生成复杂的自然现象，缺点在于难以精确控制动画效 果。
裁剪算法
用于将三维图形裁剪到指定的视口或裁剪平面内，常见算法有CohenSutherland裁剪算法和Liang-Barsky裁剪算法。
17
三维图形真实感绘制
光照模型
模拟光线在物体表面的反射和折射，常 用光照模型包括Phong光照模型和 Blinn-Phong光照模型。
阴影生成
通过计算光线在物体间的遮挡关系生 成阴影，常见方法有阴影贴图和阴影
从早期的二维图形绘制到现在的 三维图形渲染，计算机图形学经 历了数十年的发展，已经成为计 算机科学中一个重要的分支。
4
计算机图形学的应用领域
游戏开发
游戏中的场景、角色、 特效等都需要计算机图
形学的支持。
影视制作
电影、电视剧中的特效 制作、场景建模等都需 要用到计算机图形学技
术。
工业设计
汽车、飞机、家电等产 品的设计和制造过程中 ，需要进行大量的三维
计算机图形学课件
1
目 录
• 计算机图形学概述 • 计算机图形学基础 • 二维图形生成与处理 • 三维图形生成与处理 • 计算机动画原理与技术 • 计算机图形学应用实例分析
2
01 计算机图形学概 述 3
计算机图形学的定义与发展
定义
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》课件
04
光照模型与阴影生成算法的应用广泛，例如在游戏开发、虚拟现实和 电影制作等领域。
纹理映射算法
纹理映射算法用于将图像或纹理贴图映射到三维物体 的表面。
输标02入题
常用的纹理映射算法包括纹理坐标、纹理过滤和纹理 压缩等。
01
03
纹理映射算法的应用广泛，例如在游戏开发、虚拟现 实和数字艺术等领域。
04
工业设计
使用CAD等技术进行产品设计和原型制作 。
游戏开发
创建丰富的游戏场景和角色，提供沉浸式 的游戏体验。
科学可视化
将复杂数据以图形方式呈现，帮助人们理 解和分析数据。
虚拟现实与增强现实
构建虚拟环境，实现人机交互，增强现实 感知。
02
计算机图形学基础知识
图像与图形的关系
图像
由像素组成的二维或三维数据，通常 用于表示真实世界或模拟的视觉信息 。
全息投影技术
总结词
全息投影技术能够实现三维立体显示，为观众提供沉浸式的 观影体验。
详细描述
全息投影技术利用干涉和衍射原理，将三维物体以全息图像 的形式呈现出来，使观众能够从不同角度观察到物体的立体 形态。这种技术将为电影、游戏和其他娱乐领域带来革命性 的变化。
增强现实技术
总结词
增强现实技术能够将虚拟信息与现实世界相结合，提供更加丰富的交互体验。
HSL和HSV模型
基于色调、饱和度和亮度（或 明度）来描述颜色。
RGBA模型
在RGB基础上增加透明度通道 。
图像处理技术
滤波和锐化
通过改变图像的像素值 来减少噪声、突出边缘
或细节。
色彩调整
改变图像中颜色的分布 和强度，以达到特定的
视觉效果。
图像分割
光照模型与阴影生成算法的应用广泛，例如在游戏开发、虚拟现实和 电影制作等领域。
纹理映射算法
纹理映射算法用于将图像或纹理贴图映射到三维物体 的表面。
输标02入题
常用的纹理映射算法包括纹理坐标、纹理过滤和纹理 压缩等。
01
03
纹理映射算法的应用广泛，例如在游戏开发、虚拟现 实和数字艺术等领域。
04
工业设计
使用CAD等技术进行产品设计和原型制作 。
游戏开发
创建丰富的游戏场景和角色，提供沉浸式 的游戏体验。
科学可视化
将复杂数据以图形方式呈现，帮助人们理 解和分析数据。
虚拟现实与增强现实
构建虚拟环境，实现人机交互，增强现实 感知。
02
计算机图形学基础知识
图像与图形的关系
图像
由像素组成的二维或三维数据，通常 用于表示真实世界或模拟的视觉信息 。
全息投影技术
总结词
全息投影技术能够实现三维立体显示，为观众提供沉浸式的 观影体验。
详细描述
全息投影技术利用干涉和衍射原理，将三维物体以全息图像 的形式呈现出来，使观众能够从不同角度观察到物体的立体 形态。这种技术将为电影、游戏和其他娱乐领域带来革命性 的变化。
增强现实技术
总结词
增强现实技术能够将虚拟信息与现实世界相结合，提供更加丰富的交互体验。
HSL和HSV模型
基于色调、饱和度和亮度（或 明度）来描述颜色。
RGBA模型
在RGB基础上增加透明度通道 。
图像处理技术
滤波和锐化
通过改变图像的像素值 来减少噪声、突出边缘
或细节。
色彩调整
改变图像中颜色的分布 和强度，以达到特定的
视觉效果。
图像分割
计算机图形学ppt课件
6
3.3 几何元素的定义 3）面 形体上一个有限、非零的区域，由一个外环和若干个内环界定其范围。面 有方向性，一般用其外法矢方向作为该面的正向。
7
3.3 几何元素的定义 4）环 环是有序、有向边组成的面的封闭边界。有内外之分，外环确定面的最大外 边界，其边按逆时针方向排序。内环确定面中孔或凸台的边界，其边按顺时针 方向排序。
10
3.4 定义形体的层次结构
在计算机中定义几何形体将几何元素按六个层次结构表示。 形体（Object)
Cube
f1 f2
f3 f4 f5 f6
e1 e2 e3 e4 …. e10 e11 e12
外壳(Sell) 面(Face) 环(Loop) 边(Edge)
v1 v2 v3 v4 v5 v6 v7 v8
为方便； 从计算机对形体的存储管理和操作运算角度看，以边界表示（BRep）最
为实用。 为了适合某些特定的应用要求，形体还有一些辅助表示方式，如单元分
解表示和扫描表示。 比较常用的造型方法：
14
1. 边界表示法 （Boundary Representation Scheme） 通过描述形体的边界来表示一个形体，将形体的边界分成有限个“面” （faces）或“片”（patches），并使每个“面”或“片”由一组边和顶点来 确定边界。
点的表示：
二维用{x,y}或{x(t),y(t)}表示。
齐次坐标用n+1维表示，即{x,y,z,h)或{x,y,h}。
5
2）边 3.3 几何元素的定义
2）边 两个邻面（正则形体）或多个邻面（非正则形体）的交线。
直线边由其端点（起点和终点）定界； 曲线边由一系列型值点或控制点表示，也可用显式、隐式方程表示。
3.3 几何元素的定义 3）面 形体上一个有限、非零的区域，由一个外环和若干个内环界定其范围。面 有方向性，一般用其外法矢方向作为该面的正向。
7
3.3 几何元素的定义 4）环 环是有序、有向边组成的面的封闭边界。有内外之分，外环确定面的最大外 边界，其边按逆时针方向排序。内环确定面中孔或凸台的边界，其边按顺时针 方向排序。
10
3.4 定义形体的层次结构
在计算机中定义几何形体将几何元素按六个层次结构表示。 形体（Object)
Cube
f1 f2
f3 f4 f5 f6
e1 e2 e3 e4 …. e10 e11 e12
外壳(Sell) 面(Face) 环(Loop) 边(Edge)
v1 v2 v3 v4 v5 v6 v7 v8
为方便； 从计算机对形体的存储管理和操作运算角度看，以边界表示（BRep）最
为实用。 为了适合某些特定的应用要求，形体还有一些辅助表示方式，如单元分
解表示和扫描表示。 比较常用的造型方法：
14
1. 边界表示法 （Boundary Representation Scheme） 通过描述形体的边界来表示一个形体，将形体的边界分成有限个“面” （faces）或“片”（patches），并使每个“面”或“片”由一组边和顶点来 确定边界。
点的表示：
二维用{x,y}或{x(t),y(t)}表示。
齐次坐标用n+1维表示，即{x,y,z,h)或{x,y,h}。
5
2）边 3.3 几何元素的定义
2）边 两个邻面（正则形体）或多个邻面（非正则形体）的交线。
直线边由其端点（起点和终点）定界； 曲线边由一系列型值点或控制点表示，也可用显式、隐式方程表示。
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)
计算机图形学基础 ppt课件
第二章 计算机图形学基础
机械CAD/CAM
虚拟现实（Virtual Reality
第二节 图形的几何变换
图形变换指对图形的几何信息经过几何变换后产生新 的图形，提出的构造或修改图形的方法。
除图形的位置变动外，可以将图形放大或缩小，或者对图形
作不同方向的拉伸来使其扭曲变形…
• 图形变换基本知识
• 二维图形基本几何变换
（4）图形编辑
如何对图形进行组合、分解、插入、裁剪等技术。
第二章 计算机图形学基础
三 计算机图形学的应用
（1）在机械设计中的应用
机械CAD/CAM
（a）工程图
（b）线框图 （c）实体图
第二章 计算机图形学基础
机械CAD/CAM
（2）科学计算可视化
广泛应用于医学、流体力学、有限元分析及气候分析中。
（3）计算机动画
第二章 计算机图形学基础
机械CAD/CAM
（4）过程监控
用曲线来模拟火箭发射的飞行轨迹，同时不断修正参数。
（5）计算机辅助教学
利用计算机图像可以清楚的表现数学曲线、几何曲面的形成。
（6）虚拟现实技术
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，让用户可以从自己的视点出发， 利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体 进行浏览和交互考察。
平移变换
图形的每一个点在给定的方向上移动相同距离所得的变换称为 平图移形变在换x轴。方向的平移量为l， 在y轴方向的平移量为m，
则坐标点的平移变换：
几何关系
x' x l
y
'
ym
矩阵形式
1 0 0
x y 1＝x y 1 0
计算机图形学_完整版 ppt课件
图元（图素） Primitive 矢量（向量）图 Vecter-based graphics 参数图 Parametric 动画 animation
▲ 图像（Image）
➢一些相关概念： 像素 Pixel 网格图 Grid 位图 Bitmap 点阵图 光栅图 Raster 图片 Picture……
计算机图形学与虚拟现实 Computer Graphics and Virtual Reality
第一章 图形学综述 第二章 图形系统概述 第三章 输出图元 第四章 图元属性 第五章 图形变换 第六章 三维对象的表示 第七章 可见面判别算法 第八章 光照模型 第九章 图形用户界面和交互输入方法 第十章 颜色模型 第十一章 虚拟现实技术
系统 存储器
CPU
DAC
图 形
GPU
帧缓存 显存
卡
接口
视频卡
系统总线
其他输入/输出设备
图形卡工作原理示意
图形处理器
GPU
✓可看作连接计算机和显示终端的纽带。不仅存储图 形，还能完成大部分图形函数，减轻了CPU的负担， 提高了显示能力和显示速度。
图形软件体系结构
专业应用系统，如MATLAB、 AutoCAD、3DSMAX、 UG……
CGM 图元文件
CGI 设备相关服务
操作系统通信接口
图形输 入设备
图形 工作站
图形输 出设备
图形输出显示设备
阴极射线管 CRT
存储管式显示器→随机扫描显示器（矢量显示器）→ 刷新式光栅扫描显示器→彩色光栅扫描显示器
平板显示器FPD 等离子体显示板 薄膜光电显示器 发光二极管LED 液晶显示器LCD
边界表示 B-reps
使用一组多边形平面或曲面——面片，来描述 三维对象。面片将对象分为内部和外部。
▲ 图像（Image）
➢一些相关概念： 像素 Pixel 网格图 Grid 位图 Bitmap 点阵图 光栅图 Raster 图片 Picture……
计算机图形学与虚拟现实 Computer Graphics and Virtual Reality
第一章 图形学综述 第二章 图形系统概述 第三章 输出图元 第四章 图元属性 第五章 图形变换 第六章 三维对象的表示 第七章 可见面判别算法 第八章 光照模型 第九章 图形用户界面和交互输入方法 第十章 颜色模型 第十一章 虚拟现实技术
系统 存储器
CPU
DAC
图 形
GPU
帧缓存 显存
卡
接口
视频卡
系统总线
其他输入/输出设备
图形卡工作原理示意
图形处理器
GPU
✓可看作连接计算机和显示终端的纽带。不仅存储图 形，还能完成大部分图形函数，减轻了CPU的负担， 提高了显示能力和显示速度。
图形软件体系结构
专业应用系统，如MATLAB、 AutoCAD、3DSMAX、 UG……
CGM 图元文件
CGI 设备相关服务
操作系统通信接口
图形输 入设备
图形 工作站
图形输 出设备
图形输出显示设备
阴极射线管 CRT
存储管式显示器→随机扫描显示器（矢量显示器）→ 刷新式光栅扫描显示器→彩色光栅扫描显示器
平板显示器FPD 等离子体显示板 薄膜光电显示器 发光二极管LED 液晶显示器LCD
边界表示 B-reps
使用一组多边形平面或曲面——面片，来描述 三维对象。面片将对象分为内部和外部。
计算机图形学完整ppt课件
工业设计
利用计算机图形学进行产品设计、仿 真和可视化，提高设计效率和质量。
建筑设计
建筑师使用计算机图形学技术创建三 维模型，进行建筑设计和规划。
计算机图形学的相关学科
计算机科学
计算机图形学是计算机科学的一个重 要分支，涉及计算机算法、数据结构、 操作系统等方面的知识。
物理学
计算机图形学中的很多技术都借鉴了 物理学的原理，如光学、力学等，用 于实现逼真的渲染效果和物理模拟。
02
03
显示器
LCD、LED、OLED等，用 于呈现图形图像。
投影仪
将计算机生成的图像投影 到大屏幕上，用于会议、 教学等场合。
虚拟现实设备
如VR头盔，提供沉浸式的 3D图形体验。
图形输入设备
键盘和鼠标
最基本的图形输入设备，用于操 作图形界面和输入命令。
触摸屏
通过触摸操作输入图形指令，常 见于智能手机和平板电脑。
多边形裁剪算法
文字裁剪算法
判断一个多边形是否与另一个多边形相交， 如果相交则求出交集部分并保留。
针对文字的特殊性质，采用特殊的裁剪算法 进行处理，以保证文字的完整性和可读性。
05
光照模型与表面绘制
光照模型概述
光照模型是计算机图形学中用于模拟光线与物体表面交互的数学模型。
光照模型能够模拟光线在物体表面的反射、折射、阴影等效果，从而增强图形的真 实感。
二维纹理映射原理
根据物体表面的顶点坐标和纹理坐标，计算出每个像素点对应的纹 理坐标，从而确定像素点的颜色值。
二维纹理映射实现方法
使用OpenGL中的纹理映射函数，将纹理图像映射到物体表面。
三维纹理映射技术
三维纹理坐标
定义在三维空间中的坐标，表示纹理图像上的位置。
计算机图形学PPT课件
三维图形投影方法
正投影
平行光线垂直投射到投影面上 ，形成物体的正投影。
斜投影
平行光线与投影面成一定角度 投射，形成物体的斜投影。
透视投影
从视点出发，通过透视变换将 三维物体投影到二维平面上。
阴影生成
根据光源位置和物体形状，计 算阴影的位置和形状。
05
真实感图形绘制技术
Chapter
消隐技术
消隐算法分类
计算机图形学PPT课件
目录
• 引言 • 图形系统基础 • 基本图形生成算法 • 三维图形变换与观察 • 真实感图形绘制技术 • 曲线与曲面绘制技术 • 计算机动画技术 • 计算机图形学前沿技术
01
引言
Chapter
计算机图形学概述
01
02
03
计算机图形学定义
研究计算机生成、处理和 显示图形的一门科学。
平移变换 旋转变换 缩放变换 镜像变换
将三维图形沿x、y、z方向移动一 定距离，不改变图形形状和大小 。
在x、y、z方向分别进行缩放，可 改变图形的大小和形状。
三维图形复合变换
变换顺序
先进行缩放、旋转，再进行平移，注意变换顺序对结果的影响。
变换矩阵
将各种基本变换表示为矩阵形式，便于进行复合变换的计算。
医学诊断
通过计算机图形学技术，医生可以更 直观地了解病人病情，进行更准确的 诊断和治疗。
军事模拟
计算机图形学在军事模拟和训练中发 挥重要作用，提高训练效果和作战能 力。
THANKS
感谢观看
通过模拟自然现象或物理过程，生成具有真实感的动画效 果。
过程动画制作流程
建立自然现象或物理过程的数学模型，利用计算机图形学 技术模拟模型的运动和变化过程，生成具有真实感的动画 效果。