CG第1章电子教案

计算机图形学基础王创存烟台大学计算机学院2024/5/111教学要求了解图形系统的框架及其涉及的软件、硬件技术；了解图形学的基本问题，掌握图形学的基本概念、方法与算法；对与图形相关的应用及当前的研究热点有一个初步认识；具有一定实践体会和相关的编程能力.

2024/5/112课程内容（共48学时）第1章概论 （3学时）第2章计算机图形设备 （3学时）第3章交互式技术 （3学时）第4章几何造型技术 （12学时）第5章基本图形生成算法 （12学时）第6章二维图形变换及二维观察（12学时）第7章三维图形变换及三维观察* （2学时）第8章曲线和曲面* （2学时）第9章真实感图形显示* （2学时）2024/5/113主要参考书目陈传波、陆枫，计算机图形学基础，2001孙家广，计算机图形学（第三版），清华大学出版社，1999。唐泽圣，计算机图形学基础，清华大学出版社，1995DonaldHearn,M.PaulineBaker,“ComputerGraphics(CVersion)”,PrenticeHall,1997.JamesD.Foley,AndriesvanDametc.,“IntroductiontoComputerGraphics”,Addison-Wesley,19962024/5/114第1章概论提出问题什么是计算机图形学？计算机图形学研究的对象是什么？计算机图形处理系统的构造？2024/5/1151.1计算机图形学及其相关概念计算机图形学的研究对象——图形通常意义下的图形：能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象都称为图形。如：(1)自然景物(2)照片和图片(3)工程图、设计图和方框图(4)人工美术绘画、雕塑品(5)用数学方法描述的图形（包括几何图形、代数方程、分析表达式或列表所确定的图形）2024/5/116计算机图形学的研究对象——图形计算机图形学中的图形概念:是指由点、线、面、体等几何要素和明暗、灰度（亮度）、色彩等非几何要素构成的，从现实世界中抽象出来的带有灰度、色彩及形状的图或形。2024/5/117两类图形要素：1.几何要素：点，线，面，体等；2.非几何要素：明暗，灰度，色彩等计算机图形学中所研究的图形：从客观世界物体中抽象出来的带有颜色及形状信息的图和形。2024/5/118图形的两种表示方法：点阵法是用具有颜色信息的点阵来表示图形的一种方法，它强调图形由哪些点组成，并具有什么灰度或色彩。参数法是以计算机中所记录图形的形状参数与属性参数来表示图形的一种方法。通常把参数法描述的图形叫做图形（Graphics）

把点阵法描述的图形叫做图象（Image）2024/5/1191.1计算机图形学的研究内容计算机图形学（ComputerGraphics）计算机图形学是研究怎样利用计算机来显示、生成和处理图形的原理、方法和技术的一门学科。IEEE定义：Computergraphicsistheartorscienceofproducinggraphicalimageswiththeaidofcomputer.2024/5/1110计算机图形学(computergraphics,CG)用计算机生成景物的数字模型，并将它显示在计算机屏幕上，或者绘制在纸张或胶片上。它是研究如何在计算机环境下生成、处理和显示图形的一门学科。计算机图形学的主要研究对象景物的几何建模方法(modeling)、对模型的处理方法、几何模型的绘制技术(rendering)、图形输入和控制的人机交互界面(userinterface)。2024/5/1111与计算机图形学相关的学科特征数据、结构数据计算机图形学计算机视觉图象信号数字图象处理试图从非图象形式的数据描述来生成（逼真的）图象旨在对图象进行各种加工以改善图象的视觉效果研究用计算机来模拟生物外显或宏观视觉功能的科学和技术2024/5/1112酝酿期（50年代）1946年，第一台电子计算机的问世推动了许多学科的发展和新学科的建立，其中就包括现代图形学技术。1.2计算机图形学的发展1.2.1计算机图形学的确立2024/5/1113萌芽期（60年代）1962年，美国MIT林肯实验室的Ivan.E.Sutherland发表了一篇题为"Sketchpad：第一个人-机通信的图形系统"的博士论文，其中首次使用了“ComputerGraphics”术语。他提出的计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想已被公认为对交互图形生成技术的发展奠定了基础。这些基本理论和技术至今仍是现代图形技术的基础。2024/5/1114发展期（70年代）：IC技术、计算机硬件性价比提高、廉价图形IO设备及大容量磁盘等出现;CADCAM;实用化;Lockheed,..普及期（80年代）：光栅图形CRT,PC,WS;大量基于图像形的应用软件出现提高增强期（90年代）：性能价格比的极大提高；标准化，集成化，智能化总体特征：技术发展、需求驱动2024/5/11151.2.2硬设备的发展图形显示设备60年代中期：随机扫描的显示器(闪烁，需刷新)60年代后期：存储管式显示器（不能动态显示，不能局部删除）70年代中期：光栅扫描的图形显示器（OK）。图形显示器正向着小型化、低电压、数字化方向发展2024/5/1116图形绘制设备：用于把图形画在纸上，也称硬拷贝打印机（针式，喷墨，激光，…）EpsonLX-800(1980s)EPSONStylusPhoto950(2005)2024/5/1117绘图仪（平板，滚筒，静电，笔式）1959年，美国Calcomp公司研制出的世界上第一台滚筒式绘图机，使计算机辅助绘图仪开始代替人工绘图。PloterHP3500CP2024/5/1118图形输入设备二维图形输入设备（键盘，光笔，鼠标，…）三维图形输入设备（数据手套，空间球，…）2024/5/11191.2.3图形软件的发展随着计算机图形显示器从专用设备发展成标准化的人机通信接口，图形显示及应用软件必然应有相应的发展。图形软件的发展早期的绘图软件大都采用线框式图形数据结构，该结构特别适合于图形的几何变换和交互显示，但无法在计算机内完整地定义三维物体。20世纪60年代末期开始研究和发展实体造型技术，如英国剑桥大学的I.C.Braid的BUILD系统、美国罗彻斯特大学的PADL-1系统和日本北海道大学的TIPS-1系统。这些系统都在计算机内提供了对物体的完整的几何定义，可随时提取所需信息。

开放式、高效率、标准化、集成化、智能化、学科交叉2024/5/1120

IBM公司的CADAM系统目前国际上应用较广的实体造型系统有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。设计人员可直接在三维空间进行产品的设计、修改、观察，从而使设计活动变得直观、简单、高效。2024/5/11211.2.3计算机图形的标准化图形显示软件由底层次的与设备有关的软件包转变为高层次的与设备无关的软件包，就是图形软件的标准化过程。与设备无关、与应用无关，具有较高性能官方标准第一个图形软件标准是由德国提出的图形核心系统GKS(GraphicsKernelSystem)，这是一个二维图形软件包。1988年，GKS的三维扩充GKS-3D成为三维图形软件标准。GKS标准下的图形2024/5/11221986年，ISO提出程序员分层交互图形系统PHIGS(Programmer'sHierarchicalInteractiveGraphicsSystem)，支持三维图形的层次嵌套结构。PHIGS标准下的图形2024/5/1123近二十年中，国际标准化组织ISO已经批准和正在讨论的与计算机图形有关的标准还有： CGM(ComputerGraphicsMetafile)、 CGI(ComputerGraphicsInterface)、 IGES(InitialGraphicsExchangeSpecification)事实标准(非官方标准) 如SGI的OpenGL，微软的DirectX，Adobe的Postscript等这些标准包括面向图形设备的驱动程序包、面向用户的图形生成及管理程序包等，其主要作用是为实现程序的可移植性等。2024/5/1124OpenGL1stenvironmentfordevelopingportable,interactive2Dand3Dgraphicsapplications(1992)Industry'smostwidelyusedandsupported2Dand3Dgraphicsapplicationprogramminginterface(API),awidevarietyofcomputerplatforms.2024/5/1125DirectXAnadvancedsuiteofmultimediaapplicationprogramminginterfaces(APIs)builtintoMicrosoftWindows(1995)ProvidesastandarddevelopmentplatformforWindows-basedPCswithouthavingtowritehardware-specificcode.2024/5/1126PostScriptAprogramminglanguageoptimizedforprintinggraphicsandtext(whetheronpaper,film,orCRT)(1985)Provideaconvenientlanguageinwhichtodescribeimagesinadeviceindependentmanner:theimageisdescribedwithoutreferencetoanyspecificdevicefeatures.2024/5/1127用AdobeAcrobat处理文件2024/5/11281.3计算机图形系统1.3.1计算机图形系统的功能

2024/5/11291.计算功能计算功能包括：1）图形的描述、分析和设计；2）图形的平移、旋转、投影、透视等几何变换；3）曲线、曲面的生成；4）图形之间相互关系的检测等。2024/5/11302.存储功能和输入功能存储功能

图形数据库可以存放各种图形的几何数据及图形之间的相互关系，并能快速方便地实现对图形的删除、增加、修改等操作。输入功能

通过图形输入设备可将基本的图形数据（如点、线等）和各种绘图命令输入到计算机中，从而构造更复杂的几何图形。2024/5/11313.输出功能和交互功能输出功能

图形数据经过计算后可在显示器上显示当前的状态以及经过图形编辑后的结果，同时还能通过绘图仪、打印机等设备实现硬拷贝输出，以便长期保存。交互功能

设计人员可通过显示器或其他人机交互设备直接进行人机通信，对计算结果和图形利用定位、拾取等手段进行修改，同时对设计者或操作员输入的错误给以必要的提示和帮助。2024/5/1132图形的基本处理流程利用各种图形输入设备及软件或其他交互设备将图形输入到计算机中，以便进行处理；在计算机内部对图形进行各种变换（如几何变换、投影变换）和运算（如图形的并、交、差运算等）；处理后，将图形转换成图形输出系统便于接受的表示形式，并在输出设备上输出；在交互式的系统中上述过程可重复进行多次，直至产生满意的结果。2024/5/11331.3.2计算机图形系统的结构2024/5/11341.4计算机图形学的应用计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）计算机辅助绘图计算机辅助教学（CAI）办公自动化和电子出版技术计算机艺术设计在工业控制及交通方面的应用在医疗卫生方面的应用图形用户界面(GUI:Windows,Menu,Icon)。。。2024/5/1135（1）计算机辅助设计与制造

计算机辅助设计(CAD)已广泛应用于飞机、汽车、船舶的外形设计、超大规模集成电路设计，以及建筑、服装、印染、玩具设计等领域。CAD技术使得工程、雪佛莱敞篷轿车曲面造型产品设计和施工图纸不必再由人工绘制，可大大缩短设计周期。2024/5/1136（2）地理信息系统(GeographicalInformationSystem,GIS)

地理信息系统记录着关于人口、城镇乡村、高山平原地形、矿藏、森林、旅游等大量信息。利用地理系统中的图形软件可绘制出地理、地质的以及其他自然现象的高精度勘探、测量图形，如地理图、人口分布图、水资源分布图等。2024/5/1137（3）科学计算可视化（VisualizationinScientificComputing）