计算机图形学系统概述1
计算机图形学第2章图形系统
2、荫罩式
根据屏幕上荧光点的排列不同，控制栅也就不 一样。普通的显示器一般用三角的排列方式，这 种显像管被称为荫罩式显像管。荫罩法常用于光 栅扫描系统，因为它能产生的彩色范围比电子束 穿透法宽广得多。
三色荧光屏
荫罩
三个电子枪
能显示16兆种颜色的显示系统叫做真彩色显示系统
3、荫栅式
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”。 荫罩式球面显示器几何失真大，而且三角形的荧光 点排列造成即使点很密很细也不会特别清晰，所以 近几年荫栅式显示器逐渐流行起来。
喷绘仪实物图
四、静电设备
静电设备沿纸的宽度方向一次一整行地置负电 荷于纸上，尔后，面对调色剂曝光。调色剂充以 正电，被吸引到充以负电的区域，从而产生指定 的输出。 静电绘图仪分辨率可达200dpi，其速度比笔绘 仪高，运行可靠，噪声小，但用纸特殊而价格昂 贵。
静电绘图仪结构图
五、电热式设备
电热式利用点阵打印头的热度，在热感应纸上输 出图案。
二、激光设备
在激光设备里，激光束把要打印的图形写在感光 鼓上，鼓再把这一图形转移到纸上。激光打印机 的主要构成部分有感光鼓、炭粉、打底电晕丝和 转移电晕丝。
激光打印机结构图
三、喷墨设备
喷墨法产生的输出，是沿包裹在鼓上的纸卷逐行 喷墨水来实现的。在高压下墨水形成墨雾，充电 荷的墨雾在电场控制下发生偏转，将墨雾喷印到 纸上。
热升华打印机
六、笔绘仪
笔绘仪有一支或多支笔安装在横跨纸的笔架或滑杆 上，各种彩色和不同粗细的笔用来绘制各种阴影和 线型。与前面几种点阵硬拷贝设备不同，笔绘仪属 于随机画线硬拷贝设备。 笔绘仪的绘图速度取决于绘图笔移动的速度和 加速度。这里，加速度和笔绘仪笔头的质量有关。
计算机图形学的基本原理和应用
计算机图形学的基本原理和应用计算机图形学是一门研究计算机如何呈现和处理图像的学科，它涉及到图像的生成、显示和修改等方面。
在现代社会中，计算机图形学的应用越来越广泛，涵盖了多个领域，如动画制作、游戏开发、虚拟现实等。
本文将详细介绍计算机图形学的基本原理和应用，并列举一些相关的步骤。
一、计算机图形学的基本原理1. 坐标系统：计算机图形学使用二维或三维的坐标系统来表示图像中的点或物体。
二维坐标系统由x轴和y轴组成，三维坐标系统还包括z轴。
2. 图形学基本元素：点、线、面是计算机图形学中最基本的元素，它们可以用来构建更复杂的图像。
3. 几何变换：几何变换是计算机图形学中常用的技术，它可以改变图像的位置、尺寸、旋转角度等特征，常见的几何变换包括平移、缩放、旋转等。
4. 颜色和着色：计算机图形学中不仅涉及到图像的形状，还包括颜色的处理。
颜色可以通过RGB色彩模式来表示，并且可以应用不同的着色技术，如灰度着色、阴影着色等。
5. 投影和照明：投影和照明是计算机图形学中用于实现逼真效果的重要技术。
其中，投影可以将三维物体映射到二维图像中，而照明则决定了光照效果的表现。
二、计算机图形学的应用1. 动画制作：计算机图形学在动画制作中有着广泛的应用，可以实现逼真的角色造型、精细的动作表现和丰富的背景设计等。
通过计算机生成的动画，可以呈现出无法通过传统手绘的方式实现的特效和场景。
2. 游戏开发：计算机图形学是游戏开发的核心领域之一，它可以实现游戏中各种角色、场景和特效的渲染。
利用计算机图形学的技术，游戏开发人员可以创建出逼真的游戏世界，提供更好的视觉体验。
3. 虚拟现实：虚拟现实是一种通过计算机生成的仿真环境，它可以让用户身临其境地感受到虚拟世界。
计算机图形学在虚拟现实中扮演着重要角色，它可以实现逼真的场景呈现、真实的物体交互等效果，使用户得到更加身临其境的体验。
4. 医学影像：计算机图形学在医学影像处理中起到了关键作用。
计算机图形学第一讲
计算机图形学
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
计算机图形学
1.1 研究内容
• 什么是图形？ • 构成图形的要素是什么？ • 图形有哪两种表示法？
• 图形学所研究的内容是什么？
计算机图形学
计算机图形学的研究内容涉及到用计算机对图形 数据进行处理的硬件和软件两方面的技术，以及与 图形生成、显示密切相关的基础算法： 1、二维图形元素的生成算法 点、直线、圆、弧、规则曲线、自由曲线、文 本等图元的生成。 2、二维图形的基本操作和图形处理算法 对图形的平移、缩放、旋转、镜像、错切等操 作，此外还包括二维图形的裁剪、多边形填充以及 二维图形的布尔运算（并、交、差）等。
计算机图形学
60年代 1963年，MIT林肯实验室的I. 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--确定了交互图形学作为一个学科分支 （提出基本交互技术、图元分层表示概念及数据结 构 )。 同时，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bé zier 提出 Bé zier曲线、曲面的理论。 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。
计算机图形学
（3）用并行处理技术提高真实感图像的生成速 度 如采用多处理器，将一幅光栅图像的 512×512或更多个象素用几十个甚至几百个处 理器并行计算，可以明显提高图像的生成速度。 （4）探讨自然景象的模拟方法 采用纹理映射、分维技术、粒子系统等方法 再现景物表面的色彩和纹理细节，体现山峦的粗 糙岩面，重现云、火、水等飘忽不定的景色。 （5）科学可视化
计算机图形学
在医学领域，可视化有着广阔的发展前途
计算机图形学主要知识点
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）.。
计算机中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。
用户可以在其中“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。
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中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）。
计算机图形学基础(1)
GKS,PHIGS,OpenGL, 国 际 标准 ： JBIG,JPEG,IPI/IIF;TIFF
WMF,VRML; CGM,STEP, 7. 编 辑软件 (绘图软件 ):
编辑软件 (图象处理 软件 )： Photoshop,Photostyler
AutoCAD,CorelDRAW
Graphics 与 Image 的关系
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。 • 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。
计算机图形系统
计算机图形系统的功能
图形输出设备 输出 显示器 交互 计算 输入 图形输入设备 图1-2 图形系统基本功能框图 存贮 数据库
计算机图形系统的结构
图形应用数据结构 图形软件 图 形 系 统 图形应用软件 图形支撑软件 图形硬件 图形计算机平台 图形设备 图1-3 计算机图形系统的结构
5. 屏幕坐标系
(0,0)
X
xmax x
y ymax (X,Y)
Y (X,Y) ymax y (0,0) Y
X
xmax
x
图2-30 不同显示器的坐标
二进制位图
彩色查表位图
灰度等级位图
RGB彩色页面位图
几何信息与拓扑信息
图形对象及构成它的点、线、面的位置、相互间关
系和几何尺寸等都是图形信息；
并行图形处理
工作站网络（NOW，Network of Workstation） 工作站机群（worksation cluster）
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。
计算机图形学第一章基本知识
课程内容
• 第二篇 实用图形编程技术 第八章 基于MFC的图形编程基础 第九章 基于MFC的交互绘图 第十章 OpenGL基础知识和实验框架的建立 第十一章 OpenGL的基本图形 第十二章 OpenGL的组合图形及光照和贴图 第十三章 摄像漫游与OpenGL的坐标变换
1.2 计算机图形学的发展历史
时间 五十年代 特 征 MIT 旋风一号，计算机驱动CRT+照相机， SAGE(交互式图形技术诞生)
六十年代
随机扫描显示器，图形学之父
六十年代至七十年代 存储管显示器，应用的软件包 初 七十年代至八十年代 光栅扫描显示器，新型的图形输入设备，图 初 形语言标准 八十年代至九十年代 图形工作站(Apollo,Sun,Hp) 初 九十年代至今 微机，交叉学科（多媒体等）
计算机图形学 郑州大学信息工程学院
•按工作原理分为：1、阴极射线管(CRT)
1.4.3 显 示 器
控制栅
聚焦系统
荧 光 粉 涂 层
灯丝
阴极 加速系统 偏转系统
计算机图形学 郑州大学信息工程学院
2、 等离子屏幕显示器
• 由一个细小氖泡矩阵组成，由于氖泡有两种状态：开 启(点燃)、关闭(熄灭)，且状态可保持。分为 1）前层：垂直导线 2）中层：细小氖泡 3）后层：水平导线
真实图形生成技术的发展
• 逼真地显示出该物体在现实世界中所观察到的 形象，就需要采用适当的光照模型，尽可能准 确地模拟物体在现实世界中受到各种光源照射 时的效果 • 局部光照模型模拟漫反射和镜面反射，而将许 多没有考虑到的因素用一个环境光来表示。 • 光线跟踪方法和辐射度方法为代表的全局光照 模型，使得图像的逼真程度大为提高
01交互式计算机图形学系统
图形的矢量图表示—优点
空间小
¾ 图形文件所占的空间小；
易编辑
¾ 矢量图中的各物体是独立的(以点、线、 面和体为基本构成元素，所以也称这 种图形表示为面向对象图形表示)，所 以编辑修改也比较方便；
不失真
¾ 矢量图形的输出与实际显示的分辨率 无关，放大不会失真。
3
图形的矢量图表示—缺点
看起来比较抽象 图形构造比较麻烦，有些特殊效果处理比较困难 输出必须采用矢量式输出设备，不能直接使用打印机打印 要想以光栅图形显示时则需要进行某种变换，即将矢量表示
¾
字符串（String）：输入一串字符。
1.4 图形硬件设备
输入设备
-键盘、鼠标、数字化仪、扫描仪等。
硬拷贝设备
-打印机、绘图仪
显示设备
-光栅扫描显示器
图形硬拷贝设备
绘图仪
¾ 滚筒式、平板式绘图仪
打印机
¾ 撞击式：行式打印机、点阵式打印机、 针式打印机（打印发票等）
¾ 非撞击式：激光打印机、喷墨打印机
编辑、修改相对更困难
¾ 点阵图中各物体的描述是混在一起的，对不同物体的 操作存在麻烦，不可能将某一个物体的所有像素都置 为零，这样会同时消除重叠的其它物体。
¾ 这个问题的解决方法就是引入存储器分块，并且在每 个分开的块上显示各自独立的物体。
放大操作会使图形失真
图形的矢量图表示
用数学方程、数学形式对图形进行描述 ¾ 通常用图形的形状参数和属性参数来表 示图形 z 形状参数指描述图形的方程或分析表 达式的系数，线段或多边形的端点坐 标等 z 属性参数包括颜色、线型等 ¾ 矢量图的关键是如何用算法及数学公式 进行描述，并且如何将之在图形显示设 备上显示出来。
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较为活跃的研究方向（1）
造型技术方面
几何造型技术
实体造型技术
基于物理的造型技术
真实感图形生成算法研究
裁剪、消隐、光照明模型等 基于图象的绘制技术
2013-7-10
较为活跃的研究方向（2）
人-机交互技术方面
WIMP 虚拟现实交互技术 多通道技术 交互的模糊化：智能化
滚筒式绘图机 平台式绘图机
2013-7-10
图形显示设备(displays)
图形显示器： (displays)
CRT Display
• Random-scan display
• 存储管式显示器
• Raster-scan display
平板显示器
• 液晶显示器(LCD) (liquid-crystal display )
计算机图形外围设备
一个简单的计算机图形系统包括以下五个
主要部分:
• • • • •
计算机 显示处理器 显示设备 输入设备 硬拷贝设备
2013-7-10
简单的计算机图形系统
绘图机 显示器 计算机 显示处理器
打印机
输入设备
2013-7-10
图形输入设备(input devices)
1.图形输入设备的逻辑功能分类 定位 赋值 选择 拾取
2013-7-10
加速电极 偏转Βιβλιοθήκη 统电子枪PHIGS和PHIGS
Programmer’s System，功能：
Hierarchical
Interactive
Graphics
向应用程序员提供控制图形设备的接口 图 形 数 据按层 次 结 构组织 ， 使 多层次 的 应 用模型 能 方便 地应 用 PHIGS进行描述
提供动态修改和绘制显示图形数据的手段
2013-7-10
鼠标器(mouse)
是一种移动光标和做选择操作的计算机 输入设备.用于定位和选图.
2013-7-10
光笔(light pen)
光笔是一种能检测光信号的装置其形状和大小 象一支圆珠笔.
光笔的两种工作模式:拾取(选图)和跟踪
2013-7-10
触摸屏(touch panel)
是一种定位设备,一种能对物体触摸产生 反映的屏幕.
公布于1986年，标准号是ISO IS 9592
2013-7-10
图形功能库GL
最初是在图形工作站上广泛使用的工业标准图形程序库， 运行于UNIX操作系统下
近年来扩展出可运行于Windows NT和Windows 95下 的微机版如OpenGL并得以快速推广 提供功能：
2013-7-10
图形输出设备(output devices)(1)
打印机(printer)
(1)喷墨打印机 (2)激光打印机 (3)针打点阵打印机
2013-7-10
图形输出设备(output devices)(2)
绘图仪(graph plotter)
(1)静电绘图仪 (2)笔式绘图仪(自动绘图机)
• 等离子(plasma)显示器 • Flat-plane CRT display
2013-7-10
CRT阴极射线管(Cathode Ray Tube)(1)
(1)构造和功能(Principle of CRT display)
聚焦系统 阴极 灯丝 垂直偏转 水平偏转 荧光屏
• 光子
栅极(控制 极)负电压
设备驱动程序
示 设 备
图形系统开发策略
2013-7-10
计算机图形学应用举例—计算机辅助设计与制造
2013-7-10
2013-7-10
真实感图形
2013-7-10
2013-7-10
计算机动画
2013-7-10
几何（Geometry）信息？
2013-7-10
2013-7-10
非几何信息
与计算机网络技术的结合：WWW,VRML 基于点的绘制技术
2013-7-10
知识要求
程序设计和基本的数据结构方面的一些知
识。
图形学算法中用到的数学知识将在课程中 加以说明。
2013-7-10
Chapter 1
图形系统概述
Introduction to Graphics System
2013-7-10
光照(illumination) & 纹理(texture)
2013-7-10
光照效果图
2013-7-10
纹理合成效果图
2013-7-10
真实感图形
2013-7-10
2013-7-10
2013-7-10
曲面重构(surface recontstructiong)
2013-7-10
其它
2013-7-10
电阻式触摸屏 电容式触摸屏 红外线式触摸屏 声表面波触摸屏
2013-7-10
坐标数字化仪 (data tablet)
将图形转换成计算机能接收的数字形式的设备
(图形输入板或图形数字化仪)
由图板和定位器两个主要部分.
2013-7-10
图形扫描仪(image scaner)
图形扫描仪是直接把图形和图象扫描输 入到计算机中，以象素信息进行存储表 示的设备。
基本图素生成 坐标变换 设置图形属性和显示方式 输入/输出处理 真实图形显示
2013-7-10
图 2-6 各图形标准在图形系统中作用范围
计算机图形参考模型CGRM
比较现有的和将来的计算机图形标准，
描述它们之间的关系
为计算机图形用户和计算机图形软件
的开发者提供有关标准化方面的重要
信息
2013-7-10
图形核心系统GKS和GKS-3D
应 用 程 序
面向应用层 依赖语言的接口层 图形核心 GKS 操 作 系 统 其它资源 图形资源
GKS是一个二维图形 标 准 ， GKS-3D 是 它 的扩展，标准号是 ISO IEC 8806-4。
GKS 在应用中的地位
2013-7-10
图 2-6 各图形标准在图形系统中作用范围
计算机图形学的应用
图形用户界面（GUI：HCI的重要方式） 交互式绘图 办公自动化及电子印刷 计算机辅助设计与制造（CAD：应用广泛） 科学计算可视化 艺术和商业 过程模拟 辅助教学 虚拟现实（VR） 计算机动画
2013-7-10
图形软件开发方案图示
应 用 接口： 程 标准图形包 序 显