計算機圖形學基礎王創存煙臺大學計算機學院2023/2/41教學要求了解圖形系統的框架及其涉及的軟件、硬件技術；了解圖形學的基本問題，掌握圖形學的基本概念、方法與算法；對與圖形相關的應用及當前的研究熱點有一個初步認識；具有一定實踐體會和相關的編程能力.

2023/2/42課程內容（共48學時）第1章概論 （3學時）第2章計算機圖形設備 （3學時）第3章交互式技術 （3學時）第4章幾何造型技術 （12學時）第5章基本圖形生成算法 （12學時）第6章二維圖形變換及二維觀察（12學時）第7章三維圖形變換及三維觀察* （2學時）第8章曲線和曲面* （2學時）第9章真實感圖形顯示* （2學時）2023/2/43主要參考書目陳傳波、陸楓，計算機圖形學基礎，2001孫家廣，計算機圖形學（第三版），清華大學出版社，1999。唐澤圣，計算機圖形學基礎，清華大學出版社，1995DonaldHearn,M.PaulineBaker,“ComputerGraphics(CVersion)”,PrenticeHall,1997.JamesD.Foley,AndriesvanDametc.,“IntroductiontoComputerGraphics”,Addison-Wesley,19962023/2/44第1章概論提出問題什么是計算機圖形學？計算機圖形學研究的對象是什么？計算機圖形處理系統的構造？2023/2/451.1計算機圖形學及其相關概念計算機圖形學的研究對象——圖形通常意義下的圖形：能夠在人的視覺系統中形成視覺印象的客觀對象都稱為圖形。如：(1)自然景物(2)照片和圖片(3)工程圖、設計圖和方框圖(4)人工美術繪畫、雕塑品(5)用數學方法描述的圖形（包括幾何圖形、代數方程、分析表達式或列表所確定的圖形）2023/2/46計算機圖形學的研究對象——圖形計算機圖形學中的圖形概念:是指由點、線、面、體等幾何要素和明暗、灰度（亮度）、色彩等非幾何要素構成的，從現實世界中抽象出來的帶有灰度、色彩及形狀的圖或形。2023/2/47兩類圖形要素：1.幾何要素：點，線，面，體等；2.非幾何要素：明暗，灰度，色彩等計算機圖形學中所研究的圖形：從客觀世界物體中抽象出來的帶有顏色及形狀信息的圖和形。2023/2/48圖形的兩種表示方法：點陣法是用具有顏色信息的點陣來表示圖形的一種方法，它強調圖形由哪些點組成，并具有什么灰度或色彩。參數法是以計算機中所記錄圖形的形狀參數與屬性參數來表示圖形的一種方法。通常把參數法描述的圖形叫做圖形（Graphics）

把點陣法描述的圖形叫做圖象（Image）2023/2/491.1計算機圖形學的研究內容計算機圖形學（ComputerGraphics）計算機圖形學是研究怎樣利用計算機來顯示、生成和處理圖形的原理、方法和技術的一門學科。IEEE定義：Computergraphicsistheartorscienceofproducinggraphicalimageswiththeaidofcomputer.2023/2/410計算機圖形學(computergraphics,CG)用計算機生成景物的數字模型，并將它顯示在計算機屏幕上，或者繪制在紙張或膠片上。它是研究如何在計算機環境下生成、處理和顯示圖形的一門學科。計算機圖形學的主要研究對象景物的幾何建模方法(modeling)、對模型的處理方法、幾何模型的繪制技術(rendering)、圖形輸入和控制的人機交互界面(userinterface)。2023/2/411與計算機圖形學相關的學科特征數據、結構數據計算機圖形學計算機視覺圖象信號數字圖象處理試圖從非圖象形式的數據描述來生成（逼真的）圖象旨在對圖象進行各種加工以改善圖象的視覺效果研究用計算機來模擬生物外顯或宏觀視覺功能的科學和技術2023/2/412醞釀期（50年代）1946年，第一臺電子計算機的問世推動了許多學科的發展和新學科的建立，其中就包括現代圖形學技術。1.2計算機圖形學的發展1.2.1計算機圖形學的確立2023/2/413萌芽期（60年代）1962年，美國MIT林肯實驗室的Ivan.E.Sutherland發表了一篇題為"Sketchpad：第一個人-機通信的圖形系統"的博士論文，其中首次使用了“ComputerGraphics”術語。他提出的計算機圖形學、交互技術、分層存儲符號的數據結構等新思想已被公認為對交互圖形生成技術的發展奠定了基礎。這些基本理論和技術至今仍是現代圖形技術的基礎。2023/2/414發展期（70年代）：IC技術、計算機硬件性價比提高、廉價圖形IO設備及大容量磁盤等出現;CADCAM;實用化;Lockheed,..普及期（80年代）：光柵圖形CRT,PC,WS;大量基于圖像形的應用軟件出現提高增強期（90年代）：性能價格比的極大提高；標準化，集成化，智能化總體特征：技術發展、需求驅動2023/2/4151.2.2硬設備的發展圖形顯示設備60年代中期：隨機掃描的顯示器(閃爍，需刷新)60年代后期：存儲管式顯示器（不能動態顯示，不能局部刪除）70年代中期：光柵掃描的圖形顯示器（OK）。圖形顯示器正向著小型化、低電壓、數字化方向發展2023/2/416圖形繪制設備：用于把圖形畫在紙上，也稱硬拷貝打印機（針式，噴墨，激光，…）EpsonLX-800(1980s)EPSONStylusPhoto950(2005)2023/2/417繪圖儀（平板，滾筒，靜電，筆式）1959年，美國Calcomp公司研制出的世界上第一臺滾筒式繪圖機，使計算機輔助繪圖儀開始代替人工繪圖。PloterHP3500CP2023/2/418圖形輸入設備二維圖形輸入設備（鍵盤，光筆，鼠標，…）三維圖形輸入設備（數據手套，空間球，…）2023/2/4191.2.3圖形軟件的發展隨著計算機圖形顯示器從專用設備發展成標準化的人機通信接口，圖形顯示及應用軟件必然應有相應的發展。圖形軟件的發展早期的繪圖軟件大都采用線框式圖形數據結構，該結構特別適合于圖形的幾何變換和交互顯示，但無法在計算機內完整地定義三維物體。20世紀60年代末期開始研究和發展實體造型技術，如英國劍橋大學的I.C.Braid的BUILD系統、美國羅徹斯特大學的PADL-1系統和日本北海道大學的TIPS-1系統。這些系統都在計算機內提供了對物體的完整的幾何定義，可隨時提取所需信息。

開放式、高效率、標準化、集成化、智能化、學科交叉2023/2/420

IBM公司的CADAM系統目前國際上應用較廣的實體造型系統有IBM公司的CADAM、DassaultSystem公司的CATIA、SDRC公司的Geomod、PT公司的Pro/Engineer、SpatialTechnology公司的ACIS、Solidworks公司的Solidworks等。設計人員可直接在三維空間進行產品的設計、修改、觀察，從而使設計活動變得直觀、簡單、高效。2023/2/4211.2.3計算機圖形的標準化圖形顯示軟件由底層次的與設備有關的軟件包轉變為高層次的與設備無關的軟件包，就是圖形軟件的標準化過程。與設備無關、與應用無關，具有較高性能官方標準第一個圖形軟件標準是由德國提出的圖形核心系統GKS(GraphicsKernelSystem)，這是一個二維圖形軟件包。1988年，GKS的三維擴充GKS-3D成為三維圖形軟件標準。GKS標準下的圖形2023/2/4221986年，ISO提出程序員分層交互圖形系統PHIGS(Programmer'sHierarchicalInteractiveGraphicsSystem)，支持三維圖形的層次嵌套結構。PHIGS標準下的圖形2023/2/423近二十年中，國際標準化組織ISO已經批準和正在討論的與計算機圖形有關的標準還有： CGM(ComputerGraphicsMetafile)、 CGI(ComputerGraphicsInterface)、 IGES(InitialGraphicsExchangeSpecification)事實標準(非官方標準) 如SGI的OpenGL，微軟的DirectX，Adobe的Postscript等這些標準包括面向圖形設備的驅動程序包、面向用戶的圖形生成及管理程序包等，其主要作用是為實現程序的可移植性等。2023/2/424OpenGL1stenvironmentfordevelopingportable,interactive2Dand3Dgraphicsapplications(1992)Industry'smostwidelyusedandsupported2Dand3Dgraphicsapplicationprogramminginterface(API),awidevarietyofcomputerplatforms.2023/2/425DirectXAnadvancedsuiteofmultimediaapplicationprogramminginterfaces(APIs)builtintoMicrosoftWindows(1995)ProvidesastandarddevelopmentplatformforWindows-basedPCswithouthavingtowritehardware-specificcode.2023/2/426PostScriptAprogramminglanguageoptimizedforprintinggraphicsandtext(whetheronpaper,film,orCRT)(1985)Provideaconvenientlanguageinwhichtodescribeimagesinadeviceindependentmanner:theimageisdescribedwithoutreferencetoanyspecificdevicefeatures.2023/2/427用AdobeAcrobat處理文件2023/2/4281.3計算機圖形系統1.3.1計算機圖形系統的功能

2023/2/4291.計算功能計算功能包括：1）圖形的描述、分析和設計；2）圖形的平移、旋轉、投影、透視等幾何變換；3）曲線、曲面的生成；4）圖形之間相互關系的檢測等。2023/2/4302.存儲功能和輸入功能存儲功能

圖形數據庫可以存放各種圖形的幾何數據及圖形之間的相互關系，并能快速方便地實現對圖形的刪除、增加、修改等操作。輸入功能

通過圖形輸入設備可將基本的圖形數據（如點、線等）和各種繪圖命令輸入到計算機中，從而構造更復雜的幾何圖形。2023/2/4313.輸出功能和交互功能輸出功能

圖形數據經過計算后可在顯示器上顯示當前的狀態以及經過圖形編輯后的結果，同時還能通過繪圖儀、打印機等設備實現硬拷貝輸出，以便長期保存。交互功能

設計人員可通過顯示器或其他人機交互設備直接進行人機通信，對計算結果和圖形利用定位、拾取等手段進行修改，同時對設計者或操作員輸入的錯誤給以必要的提示和幫助。2023/2/432圖形的基本處理流程利用各種圖形輸入設備及軟件或其他交互設備將圖形輸入到計算機中，以便進行處理；在計算機內部對圖形進行各種變換（如幾何變換、投影變換）和運算（如圖形的并、交、差運算等）；處理后，將圖形轉換成圖形輸出系統便于接受的表示形式，并在輸出設備上輸出；在交互式的系統中上述過程可重復進行多次，直至產生滿意的結果。2023/2/4331.3.2計算機圖形系統的結構2023/2/4341.4計算機圖形學的應用計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）計算機輔助繪圖計算機輔助教學（CAI）辦公自動化和電子出版技術計算機藝術設計在工業控制及交通方面的應用在醫療衛生方面的應用圖形用戶界面(GUI:Windows,Menu,Icon)。。。2023/2/435（1）計算機輔助設計與制造

計算機輔助設計(CAD)已廣泛應用于飛機、汽車、船舶的外形設計、超大規模集成電路設計，以及建筑、服裝、印染、玩具設計等領域。CAD技術使得工程、雪佛萊敞篷轎車曲面造型產品設計和施工圖紙不必再由人工繪制，可大大縮短設計周期。2023/2/436（2）地理信息系統(GeographicalInformationSystem,GIS)

地理信息系統記錄著關于人口、城鎮鄉村、高山平原地形、礦藏、森林、旅游等大量信息。利用地理系統中的圖形軟件可繪制出地理、地質的以及其他自然現象的高精度勘探、測量圖形，如地理圖、人口分布圖、水資源分布圖等。2023/2/437（3）科學計算可視化（VisualizationinScientificComputing）