计算机图形学
计算机图形学基础知识重点整理
计算机图形学基础知识重点整理一、图形学的概念计算机图形学简单来说，就是让计算机去生成、处理和显示图形的学科。
它就像是一个魔法世界，把一堆枯燥的数字和代码变成我们眼睛能看到的超酷图形。
你看那些超炫的3D游戏里的场景、超逼真的动画电影，那可都是计算机图形学的功劳。
这个学科就是想办法让计算机理解图形，然后把图形按照我们想要的样子呈现出来。
二、图形的表示1. 点点是图形里最基本的元素啦。
就像盖房子的小砖头一样，很多个点组合起来就能变成各种图形。
一个点在计算机里就是用坐标来表示的，就像我们在地图上找一个地方，用经度和纬度一样，计算机里的点就是用x和y坐标（如果是3D图形的话，还有z坐标呢）来确定它在空间里的位置。
2. 线有了点，就能连成线啦。
线有各种各样的类型，直线是最简单的，它的方程可以用我们学过的数学知识来表示。
比如说斜截式y = kx + b，这里的k就是斜率，b就是截距。
还有曲线呢，像抛物线、双曲线之类的，在图形学里也经常用到。
这些曲线的表示方法可能会复杂一点，但也很有趣哦。
3. 面好多线围起来就形成了面啦。
面在3D图形里特别重要，因为很多3D物体都是由好多面组成的。
比如说一个正方体，就有六个面。
面的表示方法也有不少，像多边形表示法，就是用好多条边来围成一个面。
三、图形变换1. 平移平移就是把图形在空间里挪个位置。
这就像我们把桌子从房间的这头搬到那头一样。
在计算机里，平移一个图形就是把它每个点的坐标都加上或者减去一个固定的值。
比如说把一个点(x,y)向右平移3个单位，向上平移2个单位，那这个点就变成(x + 3,y + 2)啦。
2. 旋转旋转就更有意思啦。
想象一下把一个图形像陀螺一样转起来。
在计算机里旋转图形，需要根据旋转的角度和旋转中心来计算每个点新的坐标。
这就得用到一些三角函数的知识啦，不过也不难理解。
比如说以原点为中心，把一个点(x,y)逆时针旋转θ度，新的坐标就可以通过一些公式计算出来。
3. 缩放缩放就是把图形变大或者变小。
计算机图形学
计算机图形学1. 简介计算机图形学是研究如何使用计算机来生成、处理和显示图像的一门学科。
它主要涉及图像的几何和物理特性的建模，以及图像的渲染和表示。
计算机图形学在各个领域中都有广泛的应用，包括游戏开发、电影制作、虚拟现实、医学成像等。
2. 图形学的基本概念图形学的基本概念包括点、线、多边形和曲线等基本元素，以及相应的数学方法和算法。
这些方法和算法用于描述和处理图像的几何特性，包括位置、方向、大小和形状等。
2.1 点和线在计算机图形学中，点是图像中最基本的元素，可以通过坐标系来表示。
线是由两个点之间的连接所形成的，可以通过直线方程或参数方程来描述。
2.2 多边形和曲线多边形是由多个线段连接而成的封闭图形，可以通过顶点的集合来描述。
曲线是由多个点按照一定规律连接而成的，可以通过控制点和插值方法来表示。
3. 图形的几何建模图形的几何建模是计算机图形学中的一个重要研究方向，它涉及如何使用数学模型来表示和描述物体的几何特性。
常用的几何建模方法包括点、线、面、体和曲面等。
3.1 点云和网格模型点云模型是一组离散的点的集合，它可以用于表示不规则形状的物体。
网格模型是一组由三角形或四边形面片组成的表面模型，它可以用于表示规则形状的物体。
3.2 曲面建模曲面建模是基于数学曲面的建模方法，它将物体表面抽象为由曲线和曲面组成的，可以通过控制点和插值方法来表示。
常用的曲面建模方法包括贝塞尔曲线和贝塞尔曲面等。
4. 图形的渲染和表示图形的渲染和表示是计算机图形学中的另一个重要研究方向，它涉及如何将图像的几何信息转化为可视的图像。
常用的渲染和表示方法包括光栅化、光线追踪和纹理映射等。
4.1 光栅化光栅化是将几何对象转化为像素的过程，它涉及将线段或多边形映射到屏幕上的像素点，并进行相应的着色和填充。
常用的光栅化算法包括Bresenham算法和扫描线算法等。
4.2 光线追踪光线追踪是一种以物理光线为基础的渲染方法，它从观察者的视角出发，沿着光线的路径跟踪物体的相交和反射，最终得到图像。
计算机图形学教案
计算机图形学教案第一章：计算机图形学概述1.1 课程介绍计算机图形学的定义计算机图形学的发展历程计算机图形学的应用领域1.2 图形与图像的区别图像的定义图形的定义图形与图像的联系与区别1.3 计算机图形学的基本概念像素与分辨率矢量与栅格颜色模型图像文件格式第二章：二维图形基础2.1 基本绘图函数画点函数画线函数填充函数2.2 图形变换平移变换旋转变换缩放变换2.3 图形裁剪矩形裁剪贝塞尔曲线裁剪多边形裁剪第三章：三维图形基础3.1 基本三维绘图函数画点函数画线函数填充函数3.2 三维变换平移变换旋转变换缩放变换3.3 光照与材质基本光照模型材质的定义与属性光照与材质的实现第四章：图像处理基础4.1 图像处理基本概念像素的定义与操作图像的表示与存储图像的数字化4.2 图像增强对比度增强锐化滤波4.3 图像分割阈值分割区域生长边缘检测第五章：计算机动画基础5.1 动画基本概念动画的定义与分类动画的基本原理动画的制作流程5.2 关键帧动画关键帧的定义与作用关键帧动画的制作方法关键帧动画的插值算法5.3 骨骼动画骨骼的定义与作用骨骼动画的制作方法骨骼动画的插值算法第六章：虚拟现实与增强现实6.1 虚拟现实基本概念虚拟现实的定义与分类虚拟现实技术的关键组件虚拟现实技术的应用领域6.2 虚拟现实实现技术头戴式显示器（HMD）位置追踪与运动捕捉交互设备与手势识别6.3 增强现实基本概念与实现增强现实的定义与原理增强现实技术的应用领域增强现实设备的介绍第七章：计算机图形学与人类视觉7.1 人类视觉系统基本原理视觉感知的基本过程人类视觉的特性和局限性视觉注意和视觉习惯7.2 计算机图形学中的视觉感知视觉感知在计算机图形学中的应用视觉线索和视觉引导视觉感知与图形界面设计7.3 图形学中的视觉错误与解决方案常见视觉错误分析避免视觉错误的方法提高图形可读性与美观性第八章：计算机图形学与艺术8.1 计算机图形学在艺术创作中的应用数字艺术与计算机图形学的交融计算机图形学工具在艺术创作中的使用计算机图形学与艺术的创新实践8.2 计算机图形学与数字绘画数字绘画的基本概念与工具数字绘画技巧与风格数字绘画作品的创作与展示8.3 计算机图形学与动画电影动画电影制作中的计算机图形学技术3D动画技术与特效制作动画电影的视觉艺术表现第九章：计算机图形学的未来发展9.1 新兴图形学技术的发展趋势实时图形渲染技术基于物理的渲染动态图形设计9.2 计算机图形学与其他领域的融合计算机图形学与的结合计算机图形学与物联网的结合计算机图形学与生物医学的结合9.3 计算机图形学教育的未来发展图形学教育的重要性图形学教育的发展方向图形学教育资源的整合与创新第十章：综合项目实践10.1 项目设计概述项目目标与需求分析项目实施流程与时间规划项目团队组织与管理10.2 项目实施与技术细节项目技术选型与工具使用项目开发过程中的关键技术项目测试与优化10.3 项目成果展示与评价项目成果的展示与推广项目成果的评价与反馈重点和难点解析一、图像的定义与图像的定义，图形与图像的联系与区别1. 学生是否能够理解并区分图像和图形的概念。
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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
第一章1.计算机图形学的主要研究内容是什么？答：计算机中图形的表示方法，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。
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、虚拟现实等。
2.列举三个以上图形学的应用领域。
答：计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）、可视化、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、计算机艺术等。
3.一个图形系统通常由哪些图形设备组成？答：一个图形系统通常由图形处理器、图形输入设备和图形输出设备构成。
4.有哪些常用的图形输入设备？答：键盘、鼠标、光笔和触摸屏等。
第二章1.字符串裁剪可按哪三个精度进行？答：串精度，字符精度，笔画或像素精度。
2.简述裁剪方法和中点裁剪方法的思想，并指出中点裁剪方法的改进之处及这种改进的理由。
答：（1）裁剪就是确定图形中哪些部分落在显示区之内，哪些落在显示区之外，最后只需显示落在显示区内的那部分图形，以便提高显示效率的过程。
一般的裁剪方法是：先裁剪再扫描转换。
（2）中点裁剪方法的思想是首先对线段端点进行编码，并把线段与窗口的关系分为三种情况，即在全在窗口内、完全不在窗口内和线段与窗口有交。
对第一种情况，显示该线段；对第二种情况，丢弃该线段；对第三种情况，用中点分割法求出线段与窗口的交点，即从线段的一端的端点出发找出距该端点最近的可见点，并从线段的另一端点出发找出距该端点最近的可见点，两个可见点之间的连线即为线段的可见部分。
（3）中点裁剪方法改进之处：对第三种情况,不直接解方程组求交,而是采用二分法收搜索交点。
这样改进的理由是：计算机屏幕的像素通常为 1024×1024,最多十次二分搜索即可到像素级,必然能找到交点，而且中点法的主要计算过程只用到加法和除2运算,效率高,也适合硬件实现。
5计算机图形学
规则形体（下）：空间分割表示实体模型的三类表示◆边界表示（Boundary Representation,B-reps），即用一组曲面（含平面）来描述物体，这些曲面将物体分为内部和外部。
边界表示具体又包括多边形表面模型和扫描表示两种。
◆构造实体几何表示（Constructive Solid Geometry，CSG），它将实体表示成立方体、长方体、圆柱体、圆锥体等基本体素的组合，可以采用并、交、差等运算构造新的形体。
◆空间分割表示（Space-Partitioning），用来描述物体的内部性质，将包含一物体的空间区域划分成一组小的、非重叠的、连续实体（通常是立方体）。
提纲空间位置枚举表示12八叉树3BSP树空间位置枚举表示1将包含实体的空间分割为大小相同、形状规则（正方形或立方体）的体素，然后，以体素的集合来表示图形对象。
用三维数组P[I][J][K]表示物体，数组中的元素与单位小立方体一一对应当P[I][J][K] = 1时，表示对应的小立方体被物体占据当P[I][J][K] = 0时，表示对应的小立方体没有被物体占据八叉树2八叉树（octrees ）又称为分层树结构，它对空间进行自适应划分，采用具有层次结构的八叉树来表示实体。
0132456xyz八叉树2四叉树B:Boundary(边界) E:Empty(空) F:Full(满)八叉树2八叉树（octrees ）又称为分层树结构，它对空间进行自适应划分，采用具有层次结构的八叉树来表示实体。
013245601234567八叉树2基于八叉树的集合运算：E E E E E FF F 01324560 1 2 3 4 5 6 7形体A0132456F E E E E FF E 0 1 2 3 4 5 6 7形体B八叉树2基于八叉树的集合运算：E E E E E FF F 013201324545660 1 2 3 4 5 6 7F E E E E FF E 0 1 2 3 4 5 6 7FEEEE FFF 0 1 2 3 4 5 6 70132456并运算形体A形体B八叉树2基于八叉树的集合运算：E E E E E FF F 013201324545660 1 2 3 4 5 6 7F E E E E FF E 0 1 2 3 4 5 6 7EEEEE FFE 0 1 2 3 4 5 6 70132456交运算形体A形体B八叉树2基于八叉树的集合运算：E E E E E FF F 013201324545660 1 2 3 4 5 6 7F E E E E FF E 0 1 2 3 4 5 6 7EEEEE EEF 0 1 2 3 4 5 6 70132456差运算A-B形体A形体B八叉树2八叉树实例八叉树2八叉树实例八叉树2松散八叉树思想：松散八叉树的基本思想和普通八叉树一样，但是每个长方体的大小选中比较宽松。
计算机图形学
第2章 图形设备
➢计算机图形系统包含哪些外部设备？
图形输入设备：概念、特点
图形显示设备：概念、结构原理、工作方式、特点
图形绘制设备：概念、特点
1
2
如果每支电子枪发出的电子束 的强度有256个等级，则显示 器能同时显示 256*256*256=16M种颜色，称 为真彩系统
调节各电子枪发出 的电子束中所含电 子的数目，即可控 制各色光点亮度。
从结构上看，CRT为：电子枪、偏转系统、荧光屏
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(1)电子枪
电子枪的主要功能是产生一个沿管轴（Z轴）方向前进的细电子束 轰击荧光屏
电子束应满足下列要求：
a.具有足够的电流强度。
b.电流的大小和有无必须是可控的。
c.具有很高的速度。
d.在荧光屏上应能聚焦很小的光亮，以保证显示器有足够的分 辨率。
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在光栅扫描系统中，电子束横向扫描屏幕，一次一行，从顶到 底顺次进行。当电子束横向沿每一行移动时，电子束的强度不 断变化来建立亮点的图案。
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扫描线 0 1 2 3
n
水平扫描(显示)
水平回扫(消隐) 垂直回扫(消隐)
图2-16光栅扫描示意图
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基本概念 刷新速率：每秒60到80帧，即60Hz或80Hz。 水平回扫（horizontal retrace），行扫描 垂直回扫（verticle retrace），场扫描 逐行扫描和隔行（interlaced）扫描：隔行扫描技术主要用于较 慢的刷新速率，以避免闪烁
3
光栅扫描的显示系统
光栅扫描显示系统 特点：光栅扫描 扫描线 帧 水平回扫期 垂直回扫期
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几个概念
➢行频、帧频 水平扫描频率为行频。垂直扫描频率为帧频。
计算机图形学
计算机图形学计算机图形学是研究计算机生成、处理和显示图像的学科领域。
它是计算机科学的一个重要分支，与计算机视觉和图像处理相关。
计算机图形学的发展促进了许多领域的进步，包括动画、游戏开发、虚拟现实等。
一、引言计算机图形学是指通过计算机技术实现图像的生成、处理和显示。
它利用算法和数学模型来模拟和渲染图像，以生成逼真的图像或动画。
计算机图形学在多个领域有着广泛的应用，如电影、游戏、建筑设计等。
二、图形学的基本原理1. 坐标系统图形学中常用的坐标系统是笛卡尔坐标系，它由横轴X、纵轴Y和垂直于二者的Z轴组成。
通过坐标系统，可以定位和描述图像中的点、线和面。
2. 图形的表示图形可以通过几何图元来表示，常见的几何图元有点、线和面。
点由坐标表示，线由两个端点的坐标表示，面由多个点或线组成。
3. 变换和投影变换是指对图像进行平移、旋转和缩放等操作，通过变换可以改变图像的形状和位置。
投影是将三维图像映射到二维平面上的过程，常见的投影方式有平行投影和透视投影。
4. 着色模型着色模型用于为图像添加颜色和材质信息，常见的着色模型有平均着色模型和Phong着色模型。
平均着色模型通过计算图像的平均颜色来实现简单的着色效果，Phong着色模型考虑了光照的影响，能够产生更加逼真的效果。
三、图形学的应用1. 电影和动画计算机图形学在电影和动画领域有着广泛的应用。
通过计算机图形学技术，电影制作人能够创建逼真的特效，包括爆炸、碰撞和飞行等场景。
动画片的制作也离不开计算机图形学的技术支持，它能够实现角色的自由移动、表情的变化等特效效果。
2. 游戏开发计算机图形学是游戏开发中不可或缺的一部分。
游戏中的人物、场景和特效都是通过计算机图形学技术来实现的。
游戏开发人员利用图形学算法和引擎来创建游戏中的3D场景和角色，并通过渲染技术使其看起来逼真。
3. 虚拟现实虚拟现实是一种模拟真实世界的计算机生成环境。
计算机图形学在虚拟现实领域的应用可以让用户身临其境地感受到虚拟环境的存在。
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图形学发展历史80s
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，用辐射度方法成功地模拟了理想漫反 射表面间的多重漫反射效果。 1986年，美国科学基金会（NSF）专门召开了一 次研讨会， 会上提出了“科学计算可视化 （Visualization in Scientific Computing，简称为 ViSC）”。
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、方法和技术的 一门学科。它与一般的科学计算不同。
在一般的科学计算中，涉及的是数字运算， 在计算机图形学中则是以基本的几何元素为其 运算对象的。这些几何元素描述物体的模拟图 示表示：符号、线图、阴影区域和物体等。
研究计算机图形学的主要工具是图形显示 系统和绘图机、打印机等，乃至三维虚拟 环境。
制 图 学
以高精度的地理 或其他自然现象 的图形 —>纸或 胶片上。包括地 图、地质图、油 层图、海图、气 象、人口密度 图...
动画
用计算机可以 产生逼真的动 画效果，可用 于艺术创作， 模拟真实的环 境，或进行飞 机、驾驶等训 练。
计算机辅助设计 CAD
元部件：机械、电气、电子设备...
图形
图形是传递信息最主要的媒体之一。
人们使用图形来表达与交流思想有着悠久 的历史，工程领域和各个科学分支都离不 开图。它能使人们通观全局，一目了然。 人的眼睛从一张图纸中吸收信息比从一张 数据表格吸收信息快得多。若图形和数字 互为补充，则可使人们更深刻地认识事物 的本质及其内在联系。
计算机图形学定义
图形学发展历史50s
1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理 工学院（MIT）旋风I号（Whirlwind I）计 算机的附件诞生了。该显示器用一个类似 于示波器的阴极射线管（CRT）来显示一 些简单的图形。 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。
SIG GRAPH
SIGGRAPH 会议， “TheSpecial Interest Group on Computer Graphicsand Interactive Techniques”ACM SIGGRAPH会议是计算机图形 学最权威的国际会议，每年在美国召开，参加会 议的人在50,000人左右。世界上没有第二个领域 每年召开如此规模巨大的专业会议，SIGGRAPH 会议很大程度上促进了图形学的发展。 1974 年在Colorado 大学召开了第一届 SIGGRAPH 年会。 因为每年只录取大约50篇论文，在Computer Graphics杂志上发表，因此论文的学术水平较高， 基本上代表了图形学的主流方向。
计算机图形学相关学科
P.R.——对图象提取特征、予以分类 和描述关系，再进行模式匹配
C.G.——对非图形信息产生图形
I.P.——对图象采用增强、变换等技术进行处理 增强(对比度)：对暴光过度或不足，以及 模糊的图象进行处理。 变 换：一幅亮度范围宽的图象—>两种亮 度的图象—>线条状图形
C.G.、I.P.和P.R.之间的区别
图形学发展历史60s
1962年，MIT林肯实验室的Ivan 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， 首次使用“Computer Graphics”这个术语，证明了交互计算机图形学是 一个可行的、有用的研究领域 1964年MIT的教授Steven A. Coons提出了被后人 称为超限插值的新思想，通过插值四条任意的边 界曲线来构造曲面。同在60年代早期，法国雷诺 汽车公司的工程师Pierre Bézier发展了一套Bézier 曲线、曲面的理论，成功地用于几何外形设计。 Coons方法和Bézier方法是CAGD最早的开创性工 作。
图形学发展历史70s
ห้องสมุดไป่ตู้
70年代是计算机图形学发展过程中一个重要的历 史时期。光栅显示器的产生，图形学进入了第一 个兴盛的时期，并开始出现实用的CAD图形系统 1977、1979年开始，计算机图形学标准制定，真 实感图形学和实体造型技术的产生。
1970年Bouknight提出了第一个光反射模型，1971年 Gourand提出“漫反射模型＋插值”的思想，被称为 Gourand明暗处理。r 1975年Phong 提出了著名的简单 光照模型—Phong模型。这些可以算是真实感图形学最 早的开创性工作。 从1973年开始，相继出现了英国剑桥大学CAD小组的 Build系统、美国罗彻斯特大学的PADL-1系统等实体造 型系统。
设 计
{
系 统
{
结构(建筑物、汽车车身、飞机 和船的外壳及内部结构) 光学系统 电话及计算机网络
汽车效果图和线框图
模 拟
数学图形——科学现象的数学模 型(液体流动、相对论、核反应、 化学反应、生理系统与器官以及 有负载时结构的变形等)
DNA
皮肤结构： 真皮， 上皮及附 属结构
模 拟
云雾、烟、其他大小 形状不同的飞机等特 殊景物 飞行模拟器：固定环 境的景色 可用在月球登陆的宇 航员(练习登月）、 宇宙飞船驾驶员(首 航前训练)
计算机图形学
东北大学 闻时光
课程简介
学习方法
实验课 小组项目 联系方式
CGcourse@ 8368 8326 闻时光
参考书目
陈元琰 《计算机图形学实用技术》清华大 学出版社 2007.3 孔令德 《计算机图形学实用教程》清华大 学出版社 2008.4 Philip J.Schneider 《计算机图形学几何工具 算法详解》电子工业出版社 2005.1
C. G.
描述 图像 I.P.
P. R.
应用领域
1.管理、科学技术 2.制图学 3. 动画 4. 计算机辅助设计 CAD 5. 模拟 6. 艺术和教育 7. 办公自动化
管理、科学技术
绘制数学、物理 以及经济函数的 二维及三维图形： 直方图、线条图、 扇形图、进程 图... 特点：简洁、直 观 ——>数据的 模型和趋势。
过程控制
利用交互式图形生成 技术形成的人机交互 系统，实现人与控制 或管理对象之间的相 互作用。如工厂中的 设备、工序控制，机 场与铁路的调度等。
艺术和教育：
教学活动
蝉（线框图）
艺术和教育
艺术广告
艺术绘画
办公自动化
在办公室中，用图形方式显示并交
换文件、报表、图例和其它信息，
并在输出设备上输出、保存起来。