第7章几何造型技术(计算机图形学)综述
计算机图形学 答案
计算机图形学Ⅰ专业：计算机科学与技术计算机科学与技术20922012年12月第1章绪论1、计算机图形学的概念？（或什么是计算机图形学？）计算机图形学是研究怎样利用计算机表示、生成、处理和显示图形的(原理、算法、方法和技术)一门学科。
2、图形与图像的区别？图像是指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息；图形含有几何属性，更强调物体（或场景）的几何表示，是由物体（或场景）的几何模型(几何参数)和物理属性(属性参数)共同组成的。
3、计算机图形学的研究内容？计算机图形学的研究内容非常广泛，有图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真和虚拟现实等。
4、计算机图形学的最高奖是以 Coons 的名字命名的，而分别获得第一届（1983年）和第二届（1985年）Steven A. Coons 奖的，恰好是 Ivan E. Sutherland 和 Pierre Bézier 。
5、1971年，Gourand提出“漫反射模型+插值”的思想，被称为 Gourand 明暗处理。
6、1975年，Phong提出了著名的简单光照模型—— Phong模型。
7、1980年，Whitted提出了一个光透明模型—— Whitted模型，并第一次给出光线跟踪算法的范例，实现了Whitted模型。
8、以 SIGGRAPH 会议的情况介绍，来结束计算机图形学的历史回顾。
9、什么是三维形体重建？三维形体重建就是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。
10、在漫游当中还要根据CT图像区分出不同的体内组织，这项技术叫分割。
11、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。
12、CRT显示器的简易结构图12、LCD液晶显示器的基本技术指标有：可视角度、点距和分辨率。
计算机图形学主要研究内容
计算机图形学主要研究内容要想了解计算机图形学的研究内容，我们要弄清这样几个问题。
1.我们先来看一下“图形”这个关键词。
图形是指在载体上以几何线条和几何符号等反映事物各类特征和变化规律的表达形式；图像是图形和各种影像的总称。
相较于文字，图像所传达的信息量要巨大的多，更加直观，更易为人所接受，作为图像的组成部分，图形也具有这些特点。
以图1为例，这幅图为香港亚太设计双年展0174号展品，我们不难想象，文字是无法准确地描述出下图的会议室装修效果的，不能传达出设计师的思想。
而这幅依靠计算机3D软件做出来的图形则清楚准确地展现出了设计师的设计意图。
图1 香港亚太双年展0174这样，我们清楚地了解到了图形的作用。
2.在计算机科学中，图形又是什么呢？在计算机科学中，图形是指由外部轮廓线条构成的矢量图。
即由计算机绘制的直线、圆、矩形、曲线、图表等。
图形用一组指令集合来描述图形的内容，如描述构成该图的各种图元位置维数、形状等。
描述对象可任意缩放不会失真。
在显示方面图形使用专门软件将描述图形的指令转换成屏幕上的形状和颜色。
适用于描述轮廓不很复杂，色彩不是很丰富的对象，如：几何图形、工程图纸、CAD、3D造型软件等。
它的编辑通常用Draw程序，产生矢量图形，可对矢量图形及图元独立进行移动、缩放、旋转和扭曲等变换。
主要参数是描述图元的位置、维数和形状的指令和参数。
并且，在计算机科学中，还要注意这样一个问题，图形和图像这两个概念的区别。
一，数据来源不同。
图形一般指用计算机绘制的画面，如直线、圆、圆弧、任意曲线和图表等；图像则是指由输入设备捕捉的实际场景画面或以数字化形式存储的任意画面。
二，编辑处理方法不同。
图像是由一些排列的像素组成的，在计算机中的存储格式有BMP、PCX、TIF、GIFD等，一般数据量比较大。
它除了可以表达真实的照片外，也可以表现复杂绘画的某些细节，并具有灵活和富有创造力等特点；与图像不同，在图形文件中只记录生成图的算法和图上的某些特点，也称矢量图。
计算机图形学主要知识点归纳
计算机图形学主要知识点归纳第一章计算机图形学是:研究怎么利用计算机来显示、生成和处理图形的原理、方法和技术的一门学科。
计算机图形学的研究对象是图形。
构成图形的要素有两类:一类是几何要素(刻画图形状的点、线、面、体),另一类是非几何要素(反映物体表面属性或材质的明暗、灰度、色彩).。
计算机表示图和形常有两种方法:点阵法和参数法。
软件的标准:SGI等公司开发的OpenGL,微软开发的Direct X,Adobe的Postscript 等。
计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)计算机图形系统可以定义为计算机硬件、图形输入输出设备、计算机系统软件和图形软件的集合。
交互式计算机图形系统应具有计算、存储、对话、输入和输出等五方面的功能。
真实感图形的生成一般须经历场景造型、取景变换、视域裁剪、消除隐藏面及可见面光亮度计算等步骤。
虚拟现实系统又称虚拟现实环境,是指由计算机生成的一个实时三维空间。
用户可以在其“自由地”运动,随意观察周围的景物,并可通过一些特殊的设备与虚拟物体进行交互操作。
科学计算可视化是指运用计算机图形学和图像处理技术,将科学计算过程及计算结果的数据转换为图形及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。
第二章鼠标器是用来产生相对位置。
鼠标器按键数分为两种:MS型鼠标(双按键鼠标)和PC型鼠标(三按键鼠标)。
触摸屏也叫触摸板,分为:光学的红外线式触摸屏、电子的电阻式触摸屏和电容式触摸屏、声音的声波式触摸屏。
数据手套是由一系列检测手和手指运动的传感器的构成。
来自手套的输入可以用来给虚拟场景的对象定位或操纵该场景。
显示设备的另一个重要组成部分的是显示控制器。
它是控制显示器件和图形处理、转换、信号传输的硬件部分,主要完成CRT的同步控制、刷新存储器的寻址、光标控制以及图形处理等功能。
阴极射线管CRT由电子枪、偏转系统及荧光屏3个基本部分组成。
电子枪的主要功能是产生一个沿管轴(Z轴)方向前进的高速的细电子束(轰击荧光屏)。
计算机图形学概述分析课件
将虚拟内容叠加到真实世界中，为用户提供 额外的信息或体验。
05
CATALOGUE
计算机图形学未来展望
人工智能在计算机图形学中的应用
人工智能技术为计算机图形学提供了强大的算法和数据处理能力，使得计算机能够 更好地模拟和生成复杂的图形和场景。
人工智能技术可以用于自动识别和分类图像，提高计算机图形学的自动化水平，减 少人工干预。
3
计算机图形学与艺术、设计等领域结合，可以用 于数字艺术、数字媒体等方面，推动艺术和设计 领域的发展和创新。
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CATALOGUE
计算机图形学案例分析
游戏中的计算机图形学应用
3D模型与贴图
游戏中的角色、场景和道具都通 过3D建模技术创建，贴图用于给 模型添加纹理和细节，使其更真实。
光照与阴影
计算机图形学技术能够模拟真实的 光照效果，如全局光照和阴影映射， 使游戏画面更具有层次感和立体感。
流体动力学
模拟液体和气体的运动，如水流或火焰。
用户输入与交互
实现与虚拟环境的自然交互，如手势识别和 虚拟物体抓取。
虚拟现实与增强现实
三维立体显示
通过特殊的显示设备和眼镜，提供沉浸式的 三维视觉体验。
环境交互
允许用户与虚拟环境中的对象进行交互，如 拾取、移动或操作。
头部追踪与身体跟踪
实时跟踪用户的头部和身体动作，以实现更 真实的虚拟体验。
实时渲染
在交互式应用中，如游戏或模拟器， 实现流畅的动态场景。
03
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动画与动力学
利用物理原理模拟物体运动和交互， 如碰撞检测和刚体动力学。
虚拟摄像机控制
提供更灵活的摄像机操作，以实现 复杂的镜头运动和场景切换。
计算机图形学
计算机图形学计算机图形学是研究计算机如何生成、处理和显示图像的一门技术。
它广泛应用于游戏、电影、医学、设计等领域。
随着计算机技术的发展，计算机图形学也在不断发展，涌现出许多新技术和应用。
计算机图形学包括三个主要方面：几何建模、光线追踪和渲染。
几何建模是指将物体转化为计算机可识别的几何形状。
光线追踪则是模拟光线在物体表面反射的过程，计算出每个像素对应的颜色和亮度。
渲染是将光线追踪得到的结果转化为最终图像。
在几何建模方面，最常用的方法是三维建模。
通过对物体的三维表示，可以方便地对其进行操作和变换，例如平移、旋转、缩放等。
为了更加高效地进行三维建模，有许多专业软件可供使用，例如Maya、3ds Max等。
在光线追踪方面，传统的方法是基于光线与物体表面的交点的计算方式，不仅计算量大，而且无法处理光线经过透明物体时的折射和反射现象。
近年来，随着GPU技术的发展，实时光线追踪逐渐成为了一种趋势。
实时光线追踪可以透过硬件加速，快速高效地计算光线与物体的交点，同时可以处理复杂的折射和反射现象，呈现出更高质量的图像效果。
另外，计算机图形学还包括了许多其他技术，例如纹理映射、反走样等。
纹理映射是将纹理贴图应用到物体表面上，增加了物体表面的细节和真实感。
反走样则是一种消除图像锯齿的方法，采用一种特殊的抗锯齿算法来实现。
在应用方面，计算机图形学为许多领域提供了广泛的支持。
游戏中的场景和角色的建模、光照、渲染等都离不开计算机图形学技术。
电影中的特效和CGI也应用了许多计算机图形学技术。
医学影像学中，计算机图形学可以对医学影像进行三维重建，并进行可视化呈现。
设计领域中，计算机图形学可以帮助设计师进行三维建模和渲染，以实现更加真实的设计效果。
总之，计算机图形学已经成为了现代科技中不可或缺的一部分。
随着技术的不断发展，其应用范围也在不断扩大，未来光明前景。
一、计算机图形学的起源计算机图形学的起源可以追溯到20世纪50年代。
当时，计算机还没有进入人们的生活，它只是一种庞大的科学仪器。
44_计算机图形学--绪论(44页)
计算机图形学的研究动态
□ 科学计算可视化 运用计算机图形学和图像处理技术，将科
学计算过程中及计算结果的数据转换为图形及 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。
计算机图形学的研究动态
□ 并行图形处理 ■ 多计算机的并行图形处理 ■ 多图形显示子系统（显卡）实现并行计算 ■ 多GPU/VPU的并行处理
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，不怕那风雨狂，只怕先生骂我
笨，没有学问无颜见爹娘 ……” • “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
课程特点
课程内容偏重于理论，部分算法较抽象且不易 理解
课程内容涉及面广 基础算法或理论是几十年来固定不变的经典 理论的作用隐藏于日常的计算机使用中，虽然
Sutherland发表了一篇题为“Sketchpad：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”。
计算机图形学的确立
发展期（70年代） ■ 计算机图形处理技术进入实用化阶段； ■ 区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念及
算法； ■ 真实感图形学和实体造型技术；
□ 办公自动化和电子出版技术 ■ 图形显示技术在办公自动化和事务处理中的 应用，有助于数据及其相互关系的有效表达， 因而有利于人们进行正确的决策； ■ 图文并茂的电子排版系统代替了传统的铅字 排版，这是印刷史上的一次革命。
计算机图形学的应用
□ 计算机艺术 计算机图形技术已广泛应用于各种图案、
花纹、工艺外形及传统的油画、中国国画和书 法等艺术品的制作，为创作艺术和商品艺术提 供了更为广阔的空间。
第一章 绪论
计算机图形学的概念 计算机图形学研究的对象 计算机图形学的应用 计算机图形学的研究动态
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
计算机图形技术及其应用系统
浅析计算机图形技术及其应用系统摘要：作为一种视觉媒体，计算机图形技术不仅为人们提供了一种独特的艺术表现形式及其空间，还为设计师们的创意发挥带来了极大的便利。
计算机图形技术结合现代化技术手段，无论从方法、手段，还是观念方面均产生了十分深刻的影响。
因此，本文重点就计算机图形技术及其应用系统进行了分析，希望能为相关领域的研究提供理论依据。
关键词：计算机图形技术；cad；应用中图分类号：tp391.41 文献标识码：a 文章编号：1674-7712 （2013） 08-0000-01计算机图形技术始于上个世纪60年代初期，是由图形学奠基人美国麻省理工学院的i·e·sutherland首次提出的。
从此，计算机图形技术由被动转变为主动，并得到了迅速的发展，已经成为人机交互中十分重要的手段之一。
特别是光栅图形显示器的出现，其以丰富的色彩、真实的图像及低廉的价格后来者居上，为计算机图形技术的广泛应用开辟了崭新的道路。
如今，计算机图形技术已经在医学、经济管理、生产加工以及艺术等多个领域中得到了广泛的发展和应用。
一、计算机图形技术及有关内容分析作为一门新兴技术，计算机图形技术主要是以物体在计算机中的模型为依据，通过计算机的处理产生物体真实或想象的图形。
计算机图形产生的过程和拍照过程十分相似，都需要对物体进行拍照，该物体首先必须真实存在；而要想在计算机内产生其图形，需先构造其模型，然后对模型进行一系列的变换和处理，并将其展示于显示屏上。
也就是说，计算机图形技术需要解决的是造型与绘制两方面的问题。
而造型技术主要包括两个方面：几何造型技术与分形几何造成技术。
（一）几何造型技术此技术主要针对的是规则形体的造型，例如二次曲面体、平面多面体及自由曲面体等等。
对物体几何模型构建过程中，必须包括两大方面的信息，一是几何方面的信息，二是拓扑结构方面的信息。
其中，几何信息主要指的是物体的几何形状及其空间分布位置等信息，拓扑信息主要指的是各部分之间的关系。
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Computer Graphics
教材：《计算机图形学》王汝传等
编著 人民邮电出版社
第七章 几何造型简介
7.1 概述 7.1.1 几何造型定义 几何造型是计算机及其图形
工具表示描述物体形状，设计几 何形体，模拟物体动态处理过程 的一门综合技术。包括： 1、曲面造型：B样条曲面，Coons 2、实体造型 3、特征造型：面向制造全过程，实现CAD/CAM集成重要手段 三种造型关键是实体造型，后面重点讨论实体造型。
计算机图形学
7.2 几何造型系统三种模型
1、线框模型
由构成物体的一组顶点和 边来表示物体的几何形状 ，其中边可以是直线，也 可以是曲线，如圆弧、二 次曲线、B 样条曲线和 Bezier曲线。 表面模型是以物体的各个 表面为单位来表示其形体 特征的，在线框模型的基 础上增加了有关面和边的 几何信息、拓扑信息。 实体模型的核心问题是采用什 么方法来表示实体。与线框模 型和表面模型的根本区别在于 ：实体模型不仅记录了全部几 何信息，而且记录了全部点、 线、面、体的拓扑信息。
并且，由于表面模型比线框模型提供了形体更多的几 何信息，因而还可实现消隐、生成明暗图、计算表面 积、生成表面数控刀具轨迹及有限元网格等。
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缺点
操作复杂，需具备一定的曲面造型知识。 由于缺乏面与体的关系，不能区别体内与体外， 不能指出哪里是物体的内部与外部信息，
因此，表面模型仅适用于描述物体的外壳。
几何造型：在计算机内生成所需要的几何形状。 计算机图形学：在输出设备上显示所生成的图形。
计算机图形学
第七章 几何造型简介 7.1 概述 7.1.1 几何造型定义 7.1.2 几何造型历史 7.1.3 几何造型应用 7.2 几何造型三种模型 7.3 实体模型构造
第七章 几何造型简介
7.1 概述 7.1.2 几何造型历史 几何造型的基本理论和方法是在本世纪70年代开始 创立的，经过二十几年的发展和研究，现已开始被广泛 地应用在工业生产的各个领域。
表面模型的数据结构
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按生成方式不同，表面模型有以下几种：
（1）基本面：通过对一条线扫描操作得到 （2）旋转面：对一个平面绕某一轴旋转得到 （3）相交面 （4）分析法表面 （5）雕塑曲面（自由曲面） （6）组合平面：通过四边形网格和纵横边界构成
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表面模型的优点与不足：
优点
利用曲面造型能够构造诸如汽车、飞机、船舶、模具 等非常复杂的物体。
1973年在英国剑桥大学由I· C· Braid等建成了BUILD系统 1973年日本北海道大学公布了TIPS-1系统 1978年，Shape Data的ROMULUrland开始将ROMULUS投放市场
目前市场上已有许多商品化的几何造型系统。
国外： AUTOCAD、CATIA、I - DEAS 、Pro/Engineer、
7.3.1 概述
目前常用实体造型方法有：边界方法、构造实体几何法、
扫描法和分解表示法。 1、形体描述 在计算机内，通常用体、面、环、边、顶点五 个层次来 描述。 （1）体：由封闭表面围成，如 右图。 （2）面：由外环和内环所定范 (a)正则形体 (b) 非正则形体 围，如图 (a) 有六个环。 图8.5 正则形体和非正则形体 （3）环：有序、有向边组成的 面上封闭边界，如图 (a) V5V6V7V8 （4）边：环的组成元素 （5）顶点：边端点或曲线的型值点
UnigraphicsⅡ、 ACIS、Parasolid等。
国内：高华、金银花、管道CAD、 制造工程师 （ME）、
NPU-CAD/CAM系统
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第七章 几何造型简介
7.1 概述 7.1.3 几何造型应用 工业上应用：1、航空工业：飞机设计 2、汽车工业：车身设计 3、船舶工业 4、模具设计 医学上应用：1、CT图象三维模型 2、模拟解剖 建筑工业： 1、建筑图自动绘制 2、物理特性计算，如：计算重心、体积 3、结构有限元分析 服装业应用、动画制作、人体造型、计算机辅助教学
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7.2 几何造型系统三种模型
3、实体模型 反映物体三维形貌，明确定义表面哪一侧存在实体。
实体表示模型
实体模型的优点： （1）完整定义了立体图形，能区分内外部； （2）能提供清晰的剖面图； （3）能准确计算质量特征和有限元网格； （4）方便机械运动的模拟。
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7.3 实体模型的构造
画、边、点之间的拓扑关系
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7.3.2 边界表示（B-rep）法
2、形体边界表示法 （1）分层表示 将形体面、边、顶点的信息分别记录，建立层与层 之间的关系，其信息包括几何信息和拓扑信息。 （2）翼边结构 以边为核心来组织形体数据
利用投影变换，从三维线框模型可方便 地生成各种正投影图、轴测图和任意观 察方向的透视投影图。
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缺点:
中间打孔的长方体
— 易出现二义性理解； — 缺少曲面边缘侧影轮廓线；
—缺少边与面、面与体之间关系的信息，不能描述产品
。
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7.2 几何造型系统三种模型 2、表面模型 在线框模型基础上，增加了有关生成立体各表面的数据 而构成的模型。
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7.3 实体模型的构造
7.3.1 概述 2、实体表示基本要求 （1）适用范围尽量大 （2）无二义性 （3）惟一性 （4）近似性 （5）有效性 （6）为节省存储空间，表示方法应该紧凑
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7.3.2 边界表示（B-rep）法 1、形体的拓扑关系 对于一个形体，不但有几何信息（大小、位置等），同时 还有拓扑信息。所谓形体的拓扑信息是指形体上所有顶点、 棱边、表面之间的相互连接关系，实体的面、边、点之间共 有9种不同类型的拓扑关系。 如图，V：顶点，E：边， F：面，V－>{E}表示由一 个顶点对应相交于此顶点 的所有边；F－>表示由一 个面找出该面所有边。
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2、表面模型
3、实体模型
7.2 几何造型系统三种模型 1、 线框模型 最早表示形体模型，用线框表示物体，如图。
线框模型的数据结构
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线框模型的优缺点
优点: 构造模型时操作简便，处理速度快且占 用内存少。 特别适用于设计构思、建立 设计图的总体空间位置关系及图形的动态 交互显示。