《计算机图形学》实验报告
学院：理学院专业：信息与计算科学班级：姓名学号指导教师实验时间 4. 实验地点计算机实验室成绩实验项目名称裁剪
实
验
环
境
VC++ 6.0
实
验内容
（1）理解直线裁剪的原理（Cohen-Surtherland算法、梁友栋算法）
（2）利用VC+OpenGL实现直线的编码裁剪算法，在屏幕上用一个封闭矩形裁剪任意一条直线。
（3）调试、编译、修改程序。
实验原理编码裁剪算法的主要思想是：对于每条线段，分为三种情况处理。（1）若线段完全在窗口之内，则显示该线段，称为“取”；（2）若线段明显在窗口之外，则丢弃该线段，称为“弃”；（3）若线段既不满足“取”的条件，也不满足“舍”的条件，则把线段分割为两段。其中一段完全在窗口之外，可弃之；对另一段则重复上述处理
实验过程#include
#include
#include
#define LEFT_EDGE 1
#define RIGHT_EDGE 2
#define BOTTOM_EDGE 4
#define TOP_EDGE 8
void LineGL(int x0,int y0,int x1, int y1)
{
glBegin(GL_LINES);
glColor3f(1.0f,0.0f,0.0f); glVertex2f(x0,y0);
glColor3f(0.0f,1.0f,0.0f); glVertex2f(x1,y1);
glEnd();
}
struct Rectangle
{
float xmin,xmax,ymin,ymax;
};
Rectangle rect;
int x0,y0,x1,y1;
int CompCode(int x,int y,Rectangle rect)
{
int code=0x00;
if(y code=code|4; if(y>rect.ymax) code=code|8; if(x>rect.xmax) code=code|2; if(x code=code|1; return code; } int cohensutherlandlineclip(Rectangle rect,int&x0,int&y0,int&x1,int&y1) { int accept,done; float x,y; accept=0; done=0; int code0,code1,codeout; code0=CompCode(x0,y0,rect); code1=CompCode(x1,y1,rect); do{ if(!(code0 | code1)) { accept=1; done=1; } else if(code0 & code1) done=1; else { if(code0!=0) codeout=code0; else codeout=code1; if(codeout&LEFT_EDGE){ y=y0+(y1-y0)*(rect.xmin-x0)/(x1-x0); x=(float)rect.xmin; } else if(codeout&RIGHT_EDGE){ y=y0+(y1-y0)*(rect.xmax)/(x1-x0); x=(float)rect.xmax; } else if(codeout&BOTTOM_EDGE){ x=x0+(x1-x0)*(rect.ymin-y0)/(y1-y0); y=(float)rect.ymin; } else if(codeout&TOP_EDGE){ x=x0+(x1-x0)*(rect.ymax-y0)/(y1-y0); y=(float)rect.ymax; } if(codeout==code0) { x0=x;y0=y; code0=CompCode(x0,y0,rect); } else { x1=x;y1=y; code1=CompCode(x1,y1,rect); } } }while(!done); if(accept) LineGL(x0,y0,x1,y1); return accept; } void myDisplay() { glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); glColor3f(1.0f,0.0f,0.0f); glRectf(rect.xmin,rect.ymin,rect.xmax,rect.ymax); LineGL(x0,y0,x1,y1); glFlush(); } void Init() { glClearColor(0.0,0.0,0.0,0.0); glShadeModel(GL_FLAT); rect.xmin=100; rect.xmax=300; rect.ymin=100; rect.ymax=300; x0=450,y0=0,x1=0,y1=450; printf("Press key'c'to Clip!\nPress key'r'to Rrstore!\n"); } void Reshape(int w,int h) { glViewport(0,0,(GLsizei)w,(GLsizei)h); glMatrixMode(GL_PROJECTION); glLoadIdentity(); gluOrtho2D(0.0,(GLdouble)w,0.0,(GLdouble)h); } void keyboard(unsigned char key ,int x,int y) { switch(key) { case'c': cohensutherlandlineclip(rect,x0,y0,x1,y1); glutPostRedisplay(); break; case'r': Init(); glutPostRedisplay(); break; case'x': exit(0); break; default: break;} void main(int argc,char**argv) { glutInit(&argc,argv); glutInitDisplayMode(GLUT_RGB|GLUT_SINGLE); glutInitWindowPosition(100,100); glutInitWindowSize(640,480); glutCreateWindow("hello world"); Init(); glutDisplayFunc(myDisplay); glutReshapeFunc(Reshape); glutMainLoop(); } 实 验 结 果 实 验总结通过本次试验，理解直线裁剪的原理，利用VC+OpenGL实现直线的编码裁剪算法，在屏幕上用一个封闭矩形裁剪任意一条直线。 裁剪算法详解 在使用计算机处理图形信息时，计算机部存储的图形往往比较大，而屏幕显示的只是图的一部分。因此需要确定图形中哪些部分落在显示区之，哪些落在显示区之外，以便只显示落在显示区的那部分图形。这个选择过程称为裁剪。最简单的裁剪方法是把各种图形扫描转换为点之后，再判断各点是否在窗。但那样太费时，一般不可取。这是因为有些图形组成部分全部在窗口外，可以完全排除，不必进行扫描转换。所以一般采用先裁剪再扫描转换的方法。 (a)裁剪前 (b) 裁剪后 图1.1 多边形裁剪 1直线段裁剪 直线段裁剪算法比较简单，但非常重要，是复杂图元裁剪的基础。因为复杂的曲线可以通过折线段来近似，从而裁剪问题也可以化为直线段的裁剪问题。常 用的线段裁剪方法有三种：Cohen-Sutherland,中点分割算法和梁友栋－barskey 算法。 1.1 Cohen-Sutherland裁剪 该算法的思想是：对于每条线段P1P2分为三种情况处理。（1）若P1P2完全在窗口，则显示该线段P1P2简称“取”之。（2）若P1P2明显在窗口外，则丢弃该线段，简称“弃”之。（3）若线段既不满足“取”的条件，也不满足“弃”的条件，则在交点处把线段分为两段。其中一段完全在窗口外，可弃之。然后对另一段重复上述处理。 为使计算机能够快速判断一条直线段与窗口属何种关系，采用如下编码方法。延长窗口的边，将二维平面分成九个区域。每个区域赋予4位编码CtCbCrCl.其中各位编码的定义如下： 图1.2 多边形裁剪区域编码图5.3线段裁剪 裁剪一条线段时，先求出P1P2所在的区号code1,code2。若code1=0,且code2=0，则线段P1P2在窗口，应取之。若按位与运算code1&code2≠0，则说明两个端点同在窗口的上方、下方、左方或右方。可判断线段完全在窗口外，可弃之。否则，按第三种情况处理。求出线段与窗口某边的交点，在交点处把线段一分为二，其中必有一段在窗口外，可弃之。在对另一段重复上述处理。在实现本算法时，不必把线段与每条窗口边界依次求交，只要按顺序检测到端点的编码不为0，才把线段与对应的窗口边界求交。 Cohen-Sutherland裁减算法 #define LEFT 1 #define RIGHT 2 #define BOTTOM 4 名词解释 将图形描述转换成用像素矩阵表示的过程称为扫描转换。 1．图形 2．像素图 3．参数图 4．扫描线 5．构造实体几何表示法 6．投影 7．参数向量方程 8．自由曲线 9．曲线拟合 10．曲线插值 11．区域填充 12．扫描转换 三、填空 1．图形软件的建立方法包括提供图形程序包、和采用专用高级语言。 2．直线的属性包括线型、和颜色。 3．颜色通常用红、绿和蓝三原色的含量来表示。对于不具有彩色功能的显示系统，颜色显示为。 4．平面图形在内存中有两种表示方法，即和矢量表示法。 5．字符作为图形有和矢量字符之分。 6．区域的表示有和边界表示两种形式。 7．区域的内点表示法枚举区域内的所有像素，通过来实现内点表示。 8．区域的边界表示法枚举区域边界上的所有像素，通过给赋予同一属性值来实现边界表示。 9．区域填充有和扫描转换填充。 10．区域填充属性包括填充式样、和填充图案。 11．对于图形，通常是以点变换为基础，把图形的一系列顶点作几何变换后， 连接新的顶点序列即可产生新的变换后的图形。 12．裁剪的基本目的是判断图形元素是否部分或全部落在之内。 13．字符裁剪方法包括、单个字符裁剪和字符串裁剪。 14．图形变换是指将图形的几何信息经过产生新的图形。 15．从平面上点的齐次坐标，经齐次坐标变换，最后转换为平面上点的坐标，这一变换过程称为。 16．实体的表面具有、有界性、非自交性和闭合性。 17．集合的内点是集合中的点，在该点的内的所有点都是集合中的元素。 18．空间一点的任意邻域内既有集合中的点，又有集合外的点，则称该点为集合的。 19．内点组成的集合称为集合的。 20．边界点组成的集合称为集合的。 21．任意一个实体可以表示为的并集。 22．集合与它的边界的并集称集合的。 23．取集合的内部，再取内部的闭包，所得的集合称为原集合的。 24．如果曲面上任意一点都存在一个充分小的邻域，该邻域与平面上的（开）圆盘同构，即邻域与圆盘之间存在连续的1-1映射，则称该曲面为。 25．对于一个占据有限空间的正则（点）集，如果其表面是，则该正则集为一个实体（有效物体）。 26．通过实体的边界来表示一个实体的方法称为。 27．表面由平面多边形构成的空间三维体称为。 28．扫描表示法的两个关键要素是和扫描轨迹。 29．标量：一个标量表示。 30．向量：一个向量是由若干个标量组成的，其中每个标量称为向量的一个分量。 四、简答题 1. 什么是图像的分辨率？ 《计算机图形学》实验报告 学院：理学院专业：信息与计算科学班级：姓名学号指导教师实验时间 4. 实验地点计算机实验室成绩实验项目名称裁剪 实 验 环 境 VC++ 6.0 实 验内容 （1）理解直线裁剪的原理（Cohen-Surtherland算法、梁友栋算法） （2）利用VC+OpenGL实现直线的编码裁剪算法，在屏幕上用一个封闭矩形裁剪任意一条直线。 （3）调试、编译、修改程序。 实验原理编码裁剪算法的主要思想是：对于每条线段，分为三种情况处理。（1）若线段完全在窗口之内，则显示该线段，称为“取”；（2）若线段明显在窗口之外，则丢弃该线段，称为“弃”；（3）若线段既不满足“取”的条件，也不满足“舍”的条件，则把线段分割为两段。其中一段完全在窗口之外，可弃之；对另一段则重复上述处理 实验过程#include } struct Rectangle { float xmin,xmax,ymin,ymax; }; Rectangle rect; int x0,y0,x1,y1; int CompCode(int x,int y,Rectangle rect) { int code=0x00; if(y 贵州大学实验报告 学院：计算机科学与信息学院专业：软件工程班级： 102班Java3D的编程思想显示如下： panel.setBackground(Color.WHITE); panel.setSize(600, 600); panel.setVisible(true); g = panel.getGraphics(); } class KeyMonitor extends KeyAdapter { public void keyPressed(KeyEvent e) { switch (e.getKeyCode()) { case KeyEvent.VK_3: BasicConstruct bc = new BasicConstruct(); bc.addMyBox(x, y, z, bc); break; default: ; } } } } 三维图形的实现类： package wangqian.draw.transform; import javax.swing.JFrame; import java.awt.*; import javax.media.j3d.Canvas3D; import com.sun.j3d.utils.universe.SimpleUniverse; import javax.media.j3d.BranchGroup; import com.sun.j3d.utils.geometry.Box; import javax.vecmath.*; import javax.media.j3d.DirectionalLight; import javax.media.j3d.BoundingSphere; import javax.media.j3d.Appearance; import javax.media.j3d.Material; import javax.media.j3d.TransformGroup; import com.sun.j3d.utils.behaviors.mouse.*; public class BasicConstruct extends JFrame { protected SimpleUniverse simpleU; protected BranchGroup rootBranchGroup; public BasicConstruct() { initial_setup(); } 计算机科学与技术学院 2013－2014学年第一学期《计算机图形学》实验报告 班级： 学号： 姓名： 教师： 成绩： 实验项目（3、二维裁剪） 一、 实验目的与要求 （1） 掌握线段裁剪算法原理，并实现其算法。 （2） 理解多边形裁剪、字符裁剪算法思想，能编程实现其算法。 二、 实验内容 设计菜单程序，利用消息处理函数，完成以下要求： （1） 实现直线段的标号法（Cohen-Sutherland ）、矩形窗口裁剪算法。 （2） 参考教材中的算法，用矩形窗口实现多边形的Sutherland-Hodgman 裁剪算法。 三、 重要算法分析 以下分析Cohen-Sutherland 和Sutherland-Hodgma n 两个算法，其中Cohen-Sutherland 算法的基本思想通过编码的方法快速实现对直线段的裁剪；Sutherland-Hodgman 算法基本思想是用窗口的四条边所在的直线依次来裁剪多边形。 （一） Cohen-Sutherland 算法 该算法的基本思想是：对于每条待裁剪的线段P 1,P 2分三种情况处理： (1) 若P 1P 2完全在窗口内，则显示该线段。 (2) 若P 1P 2完全在窗口外，则丢弃该线段。 (3) 若线段既不满足“取”的条件，也不满足“舍”的条件，则求线段与窗口边界的交点，在交点处把线段分为两段。 1. 编码原则 具体编码过程为将延长线窗口的四条边线（y T 、y B 、x R 、x L ），将二维平面分成九个区域，全为0的区域是裁剪窗口，其中各位编码的定义如下： {T y y other T C >= 10 {B y y other B C <=10 {R x x other R C >= 10 {L x x other L C <=10 按照如上定义，相应区域编码如图1所示。 计算机图形学报告 前言 计算机图形学(Computer Graphics，简称CG)是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说，计算机图形学的主要研究内容就是研究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。 其从狭义上是来说是一种研究基于物理定律、经验方法以及认知原理，使用各种数学算法处理二维或三维图形数据，生成可视数据表现的科学。广义上来看，计算机图形学不仅包含了从三维图形建模、绘制到动画的过程，同时也包括了对二维矢量图形以及图像视频融合处理的研究。由于计算机图形学在许多领域的成功运用，特别是在迅猛发展的动漫产业中，带来了可观的经济效益。另一方面，由于这些领域应用的推动，也给计算机图形学的发展提供了新的发展机遇与挑战。 计算机图形学的发展趋势包括以下几个方面： 1、与图形硬件的发展紧密结合，突破实时高真实感、高分辨率渲染的技术难点； 2、研究和谐自然的三维模型建模方法； 3、利用日益增长的计算性能，实现具有高度物理真实的动态仿真； 4、研究多种高精度数据获取与处理技术，增强图形技术的表现； 5、计算机图形学与图像视频处理技术的结合； 6、从追求绝对的真实感向追求与强调图形的表意性转变。 1、三维物体的表示 计算机图形学的核心技术之一就是三维造型三维物体种类繁多、千变万化，如树、花、云、石、水、砖、木板、橡胶、纸、大理石、钢、玻璃、塑料和布等等。因此，不存在描述具有上述各种不同物质所有特征的统一方法。为了用计算机生成景物的真实感图形，就需要研究能精确描述物体特征的表示方法。根据三维物体的特征，可将三维物体分为规则物体和非规则物体两类。 图形裁剪算法 1.实验目的： 理解区域编码 设计直线裁剪算法 编程实现直线裁剪算法 2.实验描述： 设置裁剪窗口坐标为：wxl=250;wxr=850;wyb=250;wyt=450;裁剪前如下图所示： 裁剪后结果为： 3.算法设计： 直线裁剪算法： 假设裁剪窗口是标准矩形，由上（y=wyt）、下（y=wyb）、左（x=wxl）、右（x=wxr）四条边组成，如下图所示。延长窗口四条边形成9个区域。根据被裁剪直线的任一端点P(x，y)所处的窗口区域位置，可以赋予一组4位二进制区域码C4C3C2C1。 编码定义规则： 第一位C1：若端点位于窗口之左侧，即X 河南理工大学 万方科技学院 课程设计报告 2011 — 2012学年第二学期 课程名称计算机图形学 设计题目计算机图形学基本算法 演示系统设计 学生姓名 学号 专业班级网络11升—1班 指导教师徐文鹏 2012 年5 月28 日 目录 第1章设计内容与要求 (1) 1.1 总体目标和要求 (1) 1.2内容与要求 (1) 1.2.1 直线的生成 (1) 1.2.2 圆弧的生成 (1) 1.2.3 线段裁剪 (2) 1.2.4 多边形裁剪 (2) 1.2.5 综合 (2) 第2章总体设计 (3) 2.1 Bresenham算法画直线 (3) 2.1.1 Bresenham算法画直线理论基础 (3) 2.1.2 Bresenham算法画直线原理 (3) 2.2 Bresenham算法画圆 (4) 2.2.1 Bresenham算法画圆理论基础 (4) 2.2.2 Bresenham算法画圆原理 (5) 2.3 梁友栋-Barsky算法进行线段裁剪 (6) 2.3.1梁友栋-Barsky算法进行线段裁剪基本原理 (6) 2.4 Sutherland-Hodgman算法进行多边形裁剪 (8) 2.4.1 Sutherland—Hodgman多边形裁剪算法思想 (8) 2.4.2 点在边界内侧的判断方法 (8) 2.4.4 Sutherland-Hodgeman多边形裁剪算法特点 (8) 第3章详细设计 (9) 3.1 Bresenham算法画直线 (9) 3.1.1 Bresenham 算法画线算法具体实现过程 (9) 3.2 Bresenham算法画圆 (9) 3.2.1 Bresenham 算法画圆核心代码 (9) 《计算机图形学》思考练习题 第一章计算机图形学概论 1．比较计算机图形学与图象处理技术相同点和不同点。 计算机图形学是研究怎样用数字计算机生成、处理和显示图形的一门学科。 图像处理技术研究如何对连续图像取样、量化以产生数字图像，如何对数字图像做各种变换以方便处理，如何滤去图像中的无用噪声，如何压缩图像数据以便存储和传输，图像边缘提取，特征增强和提取。 2．列举三个计算机图形的应用实例。 勘探、绘制地形地貌，系统模拟，虚拟现实。辅助教学设计。 3．简述计算机图形学发展动向。 造型技术—真实图形生成技术—人机交互技术—基于网络的图形技术 第二章计算机图形系统概述 1．叙述计算机图形系统的基本功能。 输入、输出、计算、存储、对话 他的基本功能是帮助人们设计、分析、采集、存贮图形、视频甚至音乐等信息。 2．输入设备可有哪几种逻辑功能？请举出各自对应的物理设备。 .定位(locator): 指定一个坐标点。对应的物理设备有鼠标器、键盘、数字化仪、触摸屏等。.笔划(stroke): 指示一个坐标点系列, 如指定一条曲线的控制点等。主要物理设备有数字化仪。.送值(valuator): 输入一个数值。最常用的物理设备是键盘的数字键。 .字符串（string）：输入一个字符串。键盘字母键 .拾取(pick)：各种定位设备 .选择(choise): 鼠标器，数字化仪，键盘功能键等 3．画出图形软件的层次结构及主要组成。 ------------------------------------ | 应用程序| | ---------------------------- | | 图形支撑软件| | | ------------------- | | | 高级语言| | | | ------------ | | | | 操作系统| ------------------------------------ 主要部分：图形核心系统GKS 计算机图形元文件CGM 计算机图形设备接口CGI 程序员层次结构图形系统PHIGS 4．颜色查找表的概念及实现原理。 颜色查找表是一维线性表，其每一项的内容对应一种颜色，它的长度由帧缓存单元的位数决定。实现原理：把颜色码放在一个独立的表中，帧缓存存放的是颜色表中各项的索引值，这样在帧缓存单元的位数不增加的情况下，具有了大范围挑选颜色的能力。 5．光栅扫描显示器结构与工作原理。 简单多边形裁剪算法 摘要：多边形裁剪算法与线性裁剪算法具有更广泛的实用意义，因此它是目前 裁剪研究的主要课题。本文主要介绍了一种基于多边形顶点遍历的简单多边形裁剪算法，它有效降低了任意多边形裁剪复杂度。通过记录交点及其前驱、后继信息，生成结果多边形，该算法简化了交点的数据结构，节省了存储空间，降低了算法的时间复杂度，具有简单、易于编程实现、运行效率高的特点。 关键词：多边形裁剪；交点；前驱；后继；矢量数组 一、技术主题的基本原理 简单多边形裁剪算法综合考虑现有多边形裁剪算法的优缺点，它是一种基于多边形顶点遍历来实现简单多边形裁剪工作的。其主要的原理是遍历多边形并把多边形分解为边界的线段逐段进行裁剪，输出结果多边形。 二、发展研究现状 近年来,随着遥感绘图、CAD辅助设计、图象识别处理技术的发展,图形裁剪算法从最初在二维平面上线和图形的裁剪扩展到三维空间里体和场的裁剪,国内外相继提出不少行之有效的算法,但越来越复杂的图形和计算也对算法的速度和适用性提出了越来越高的要求。因此,不断简化算法的实现过程,完善细节处理,满足大量任意多边形的裁剪也就成了当今算法研究的焦点之一。 以往多边形裁剪算法不是要求剪裁多边形是矩形，就是必须判断多边形顶点的顺时针和逆时针性，即存在不实用或者是增加了多边形裁剪算法的难度。为了解决现在的问题，我们研究现在的新多边形算法，其中，裁剪多边形和被裁剪多边形都可以是一般多边形，且不需要规定多边形输入方向。它采用矢量数组结构，只需遍历剪裁多边形和被裁剪多边形顶点即完成多边形的裁剪，具有算法简单、运行效率高的特点。 三、新算法设计 1、算法的思想 本算法是为了尽量降低任意多边形裁剪算法复杂度而提出的，其主要思想是采用矢量数组结构来遍历裁剪多边形和被裁多边形顶点，记录裁剪多边形和被裁减多边形交点及其前驱、后继信息，并通过记录相邻交点的线段，然后通过射线法选择满足条件的线段，之后进行线段连接，输出对应的裁剪结果。算法数据结构简单，即没有用常用的数据结构，如线性链表结构、双向链表结构和树形结构，这样就节省了存储空间，增加算法的效率。 2、主要数据结构 多边形裁剪算法的核心是数据结构，它决定了算法的复杂度和计算效率。兼顾数据结构简单和节省存储空间的目的，简单多边形裁剪算法是基于矢量数组vector的数据结构进行裁剪的，多边形矢量数组的每个元素表示多边形顶点，且按顶点输入的顺序存储。裁剪多边形和被裁剪多边以下我们分别用S和C表示， 3D计算机图形学综述 摘要：计算机图形学(Computer Graphics，简称CG)是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说，计算机图形学的主要研究内容就是研究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。其中3D计算机图形学是计算机图形学理论最为火热的一门学科。其主要应用在计算机辅助设计、科学计算可视化、计算机动画、计算机艺术和虚拟现实等领域。 关键词：计算机图形学，三维图像，发展历史，研究热点，发展趋势 一、前言 图形是传递信息的最主要的媒体之一。人们使用图形来表达与交流思想有着悠久的历史，工程领域和各个学科分支都离不开图。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，则可使人们更深刻的认识事物的本质及其内在联系。计算机图形处理使计算机在处理复杂问题后输出离散数据的同时，有可能以图形的形式输出器连续模型。计算机图形学得以飞速发展，其根本原因是图形为传递信息的最主要媒体之一。所有现代科学和工程领域几乎都可以采用计算机图形以加强信息的传递和理解。 计算机图形学作为计算机科学与技术学科的一个独立分支已经历了近40年的发展历程。一方面，作为一个学科，计算机图形学在图形基础算法、图形软件与图形硬件三方面取得了长足的进步，成为当代几乎所有科学和工程技术领域用来加强信息理解和传递的技术和工具。另一方面，计算机图形学的硬件和软件本身已发展成为一个巨大的产业，1996年总产值达500 亿美元，预计到2000年将达到1000亿美元。因此，当前全世界从事计算机图形学研究、应用和产业的队伍十分庞大，这也是为什么每年参加SIG-GRAPH年会的人数多达3～4万人的理由。 其中，3D 计算机图形就是利用计算机在平面里显示出三维图形，以满足人眼近大远小特性的需求，使图形具有更高的真实感和立体感。具体来说就是利用计算机将图形图像的色彩灰度等属性进行层次处理，使其凸出的部分亮度高，凹陷的部分亮度较低，并且制造相应的阴影。 计算机图形学在我国虽然起步较晚，然而它的发展却十分迅速。我国的主要高校都开设了多门计算机图形学的课程，并有一批从事图形学基础和应用研究的研究所。在浙江大学建立的计算机辅助与图形学国家重点实验室，已成为我国从事计算机图形学研究的重要基地之一。我国学者的论文从80年代后期开始进入国际一流的SIGGRAPH和Eurographics等学术会议和重要的学术刊物，标志着我国在这一领域的研究水平已接近或部分达到国际先进水平。 二、计算机图形学发展历史 计算机图形学是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说，计算机图形学的主要研究内容就是研究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。 1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院(MIT)旋风号—(Whirlwind)计算机的附件诞生了。该显示器用一个类似示波器的阴极射线管(CRT)来显示一些简单的图形。在整个50年代，只有晶体管计算机，用机器语言编程，主要应用于科学计算，为这些计算机置的图形设备仅具有输出功能。计算机图形学处于准备和酝酿时期并称之为：“被动式”图形学。 1963年，伊凡?苏泽兰在麻省理工学院发表了名为《画板》的博士论文，它标志着计 一、实验目标 1.了解Cohen-SutherLand线段裁剪算法、Liang-Barsky线段裁剪算法、SutherLand-Hodgeman多边形裁剪算法的基本思想； 2.掌握Cohen-SutherLand线段裁剪算法、Liang-Barsky线段裁剪算法、SutherLand-Hodgeman多边形裁剪算法的算法实现； 二、实验内容 本次实验主要是实现Cohen-SutherLand线段裁剪算法、Liang-Barsky线段裁剪算法、SutherLand-Hodgeman多边形裁剪算法。 Cohen-sutherland线段裁剪算法思想： 该算法也称为编码算法，首先对线段的两个端点按所在的区域进行分区编码，根据编码可以迅速地判明全部在窗口内的线段和全部在某边界外侧的线段。只有不属于这两种情况的线段，才需要求出线段与窗口边界的交点，求出交点后，舍去窗外部分。 对剩余部分，把它作为新的线段看待，又从头开始考虑。两遍循环之后，就能确定该线段是部分截留下来，还是全部舍弃。 Cohen-sutherland线段裁剪算法步骤： 1、分区编码 延长裁剪边框将二维平面分成九个区域，每个区域各用一个四位二进制代码标识。各区代码值如图中所示。 四位二进制代码的编码规则是： (1)第一位置1：区域在左边界外侧 (2)第二位置1：区域在右边界外侧 (3)第三位置1：区域在下边界外侧 (4)第四位置1：区域在上边界外侧 裁剪窗口内（包括边界上）的区域，四位二进制代码均为0。 设线段的两个端点为P1（x1，y1）和P2（x2，y2），根据上述规则，可以求出P1和P2所在区域的分区代码C1和C2。 2、判别 根据C1和C2的具体值，可以有三种情况： （1）C1=C2＝0，表明两端点全在窗口内，因而整个线段也在窗内，应予保留。 （2）C1&C2≠0（两端点代码按位作逻辑乘不为0），即C1和C2至少有某一位同时为1，表明两端点必定处于某一边界的同一外侧，因而整个线段全在窗外，应予舍弃。 （3）不属于上面两种情况，均需要求交点。 3、求交点 假设算法按照：左、右、下、上边界的顺序进行求交处理，对每一个边界求完交点，并相关处理后，算法转向第2步，重新判断，如果需要接着进入下一边界的处理。 为了规范算法，令线段的端点P 1为外端点，如果不是这样，就需要P 1 和P 2 交换端点。 当条件(C1&0001≠0)成立时，表示端点P1位于窗口左边界外侧，按照求交公式，进行对左边界的求交运算。 依次类推，对位于右、下、上边界外侧的判别，应将条件式中的0001分别改为0010、0100、1000即可。 求出交点P后，用P1=P来舍去线段的窗外部分，并对P1重新编码得到C1，接下来算法转回第2步继续对其它边界进行判别。 Liang-Barsky线段裁剪算法思想： 我们知道，一条两端点为P1（x1，y1）、P2（x2，y2）的线段可以用参数方程形式表示： x= x1+ u·（x2-x1）= x1+ u·Δx y= y1+ u·（y2-y1）= y1+ u·Δy0≤u≤1式中，Δx=x2-x1，Δy=y2-y1，参数u在0～1之间取值，P（x，y）代表了该线段上的一个点，其值由参数u确定，由公式可知，当u=0时，该点为P1（x1，y1），当u=1时，该点为P2（x2，y2）。如果点P（x，y）位于由坐标（xw min， 1、计算机图形学的相关学科有哪些？它们之间的相互关系怎样？ 与计算机图形学密切相关的几门学科有：图像处理、模式识别、计算几何。它们研究的都是与图形图象处理有关的数据模型、图象再现的内容，它们相互结合、相互渗透。 2、图形系统的任务是什么？ 图形系统的任务是：建立数学模型、视像操作、图形显示。 3、计算机图形学的主要研究内容是什么？ 计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形，并在专门的设备上输出的原理、方法和技术的学科。 4、举出六种你所知道的图形输出设备。 光栅扫描显示器、随机扫描显示器、直视存储管显示器、激光打印机、笔绘仪、喷墨绘图仪、静电绘图仪等。 5、什么叫刷新？刷新频率与荧光物质的持续发光时间的关系如何？ 屏幕上的荧光涂层受到电子束打击后发出的荧光只能维持很短的时间，为了使人们看到一个稳定而不闪烁的图形，整个画面必须在每秒钟内重复显示许多次，这也称为屏幕刷新。 刷新频率与荧光物质的持续发光时间成反比，即荧光物质的持续发光时间越长，刷新频率可以低一些；否则，荧光物质的持续发光时间越短，刷新频率必须高。 6、随机扫描显示器和光栅扫描显示器显示图形有什么不同？它们各自依靠什么对屏幕图形进行刷新的？ 随机扫描显示器显示图形时，电子束的移动方式是随机的,电子束可以在任意方向上自由移动，按照显示命令用画线的方式绘出图形，因此也称矢量显示器。而光栅扫描显示器显示图形时，电子束依照固定的扫描线和规定的扫描顺序进行扫描。电子束先从荧光屏左上角开始，向右扫一条水平线，然后迅速地回扫到左边偏下一点的位置，再扫第二条水平线，照此固定的路径及顺序扫下去，直到最后一条水平线，即完成了整个屏幕的扫描。 随机扫描显示器依靠显示文件对屏幕图形进行刷新；光栅扫描显示器则依靠帧缓存实现对屏幕图形的刷新。 7、光栅扫描显示系统为什么要采用彩色表？隔行扫描的优点是什么？ 对于光栅扫描显示系统，为了显示很多种颜色，帧缓存的容量就要很大。但实际上对一幅具体的画面而言，其使用的颜色数目并不多（几百至几千种）。为了解决帧缓存容量不能过大而又满足实际需要，产生了彩色表。采用彩色表后，一幅画面实际使用的颜色值放入彩色表，而帧缓存各单元保存的不再是相应象素的颜色值，而仅是该象素颜色的一个索引，它是彩色表的某个入口地址。 隔行扫描只需用逐行扫描一半的时间就能看见整个屏幕显示，因此隔行扫描技术用于较慢的刷新频率。 计算机图形学 课程设计报告 一、实验题目 三维真实感图形设计与绘制 （1）题目容说明： 本题目要求应用OpenGL的光照技术和纹理技术实现一个简单的三维真实感图形的程序设计。具体要现功能： 1）通过对话方式实现交互式设计光照模型功能。 2）实现三维模型纹理映射功能 3）用鼠标跟踪球方法实现三维模型的空间旋转 2）实现鼠标跟踪球方法程序 二、需求分析 真实感图形的设计与绘制，是计算机图形学中的一个重要研究领域，也是三维实体造型系统和特征造型系统的重要组成部分。一般地，三维实体在计算机显示屏上有三种表现形式: 简单线框图、线框消隐图和真实感图形。其中，简单线框图能够粗略表达实体的形状，但由于简单线框图的二义性，从而导致表达其的实体形状具有不确定性。而线框消隐图虽然能反映实体各表面间的相互遮挡关系，从而达到消除简单线框图产生的二义性的目的，但是这两者一样地只能反映实体的几何形状和实体间的相互关系，而不能反映实体表面的特征，如表面的颜色、材质、纹理等。所以，只有真实感图形才能表现实体的这些特征，因此，在三维实体造型中，生成三维实体的光照模型，进行实体的真实感绘制与显示占有重要的地位，是很有必要的，也是我做此设计的初衷。 在设计中，我主要使用Opengl绘制真实感图形，它作为一种强大的三维图形开发工具，通过便捷的编程接口提供了处理光照和物体材质、颜色属性等通用功能。真实感图形学是计算机图形的核心容之一，是最能直接反映图形学魅力的分支。 寻求能准确地描述客观世界中各种现象与景观的数学模型，并逼真地再现这些现象与景观，是图形学的一个重要研究课题。很多自然景物难以用几何模型描述，如烟雾、植物、水波、火焰等。本文所讨论的几种建模及绘制技术都超越了几何模型的限制，能够用简单的模型描述复杂的自然景物。 在计算机的图形设备上实现真实感图形必须完成的四个基本任务。 1. 三维场景的描述。三维造型。 2. 将三维几何描述转换成为二维透视图。透视变换。 3. 确定场景中的所有可见面。消隐算法，可见面探测算法。 4. 计算场景中可见面的颜色。根据基于光学物理的光照模型计算可见面投射到观察者眼中的光亮度大小和色彩组成。 三、设计简介及设计方案论述 计算机图形学实验报告 一、实验原理 三维直线坐标的表示： ()z y x ,,表示空间中一点，因此可以用点的集合（简称点集）来表示一个平面 图形或三维立体，写成矩阵的形式为：????? ???? ???n n n z y x z y x z y x 222 111。 旋转变换： 三维旋转变换是3个二维旋转变换，且旋转轴分别为x 、y 、z 轴。 绕x 轴旋转α角 变换矩阵为：????? ?? ?? ???-=10 000cos sin 00sin cos 000 01 αααα rx T 绕y 轴旋转β角 变换矩阵为：????? ? ??? ???-=10 000cos 0sin 0010 0sin 0cos ββββry T 绕z 轴旋转γ角 变换矩阵为：????? ?? ?? ???-=10 00010000cos sin 00 sin cos λ λλλrz T 平移变换： 将空间一点),,(z y x 平移到一个新的位置),,('''z y x 的变换为： [] [][]1101000010000111'' ' n z m y k y n m k z y x z y x +++=????? ?? ?? ???= 其中：k 、m 、n 分别为沿x 、y 、z 方向上的平移量。 投影变换-正面投影： 将物体向正面投影，即令Y=0, 点在V 面上投影的坐标变换为： [] [][]1010 00 01000000000111'' ' z x z y x z y x =????? ???? ???= 窗口： 在计算机中，窗口是图形的可见部分，是在用户坐标系中定义的确定显示内容的一个矩形区域，只有在这个区域内的图形才能在设备坐标系下输出，而窗口外的部分则被裁掉。 视区： 视区是在这杯坐标系（通常是屏幕）中定义的一个矩形区域，用于输出窗口中的图形。视区决定了窗口中的图形要显示于屏幕上的位置和大小。 窗口--视区变换 窗口中一点),(w w y x W 变换到视区中对应的点),(v v y x V 之间的关系 为：??? ? ??? +---=+---=yb yb w yb yt yb yt v xl xl w xl xr xl xr v V w y W W V V y V W x W W V V x )()( 二、实验步骤 1. 定义一个齐次三维直线。 2. 对直线进行旋转变换（绕x 轴旋转30度），变换矩阵为 ???? ? ???? ???-=1000030cos 30sin 0030sin 30cos 00001 rx T 。 3. 将旋转后的直线向正面投影，即令Y=0，变换矩阵为????? ???? ???=10 0001000000 0001 T 。 4. 定义一个窗口，用Liang-Barsky 裁剪算法对投影的直线进行裁剪 5. 进行窗口-视区变换，并且显示出裁剪前后的图形。 三、源程序 void CHView::OnDraw(CDC* pDC) { 实验六二维裁剪算法Cohen_Sutherland的实现 一、实验目的： 理解并掌握直线裁剪算法。使用Visual C++实现二维直线的裁剪的Cohen_Sutherland算法。对窗口进行编码，并实现相应的裁剪函数。 二、实验内容及要求： 1、要求用消息映射的方式，绘制出一个裁剪窗口，大小为200×150象素； 2、按照例程的步骤画出3条典型线段，分别对应于完全在裁剪窗口内、完全在裁剪窗口外、穿过 裁剪窗口三种情况，并按照本实验例程的方法用颜色分别表示出裁剪后的情况； 3、按要求撰写实验报告，写出实验心得，并在实验报告中附上程序的核心算法代码。 三、实验设备： 微机，Visual C++6.0 四、实验内容及步骤： 1、打开VC，新建一个MFC Appwizard项目，选择创建单文档工程（SDI工程）。假设工程名为Clip。 如图1和图2所示。 图1 图2 2、在图2的界面上点击Finish，完成工程的创建。 3、在视图类ClipView中定义变量CRect rect; 用于记录裁剪窗口的位置； 4、在ClipView.cpp文件中定义四个宏，记录裁剪窗口的上下左右四个位置： #define LEFT 100 #define RIGHT 300 #define TOP 150 #define BOTTOM 310 5、在视图类的构造函数中为rect赋值； CClipView::CClipView() { // TODO: add construction code here rect = CRect(LEFT, TOP, RIGHT, BOTTOM); } 6、在视图类（类CFillView中）的OnDraw()函数中绘制裁剪矩形，OnDraw函数的代码如下： void CClipView::OnDraw(CDC* pDC) { CClipDoc* pDoc = GetDocument(); ASSERT_V ALID(pDoc); // TODO: add draw code for native data here pDC->Rectangle(&rect); } 7、在视图类（类CFillView中）添加成员函数int Encode(int x, int y)，该函数用于对线段的两个顶点 进行Cohen_Sutherland编码。函数体如下： int CClipView::Encode(int x, int y) { int nCode = 0; if(x < LEFT) nCode = nCode | 0x01; if(x > RIGHT) nCode = nCode | 0x02; if(y > BOTTOM) 、计算机图形学中的图形是指由点、线、面、体等和明暗、灰度（亮度）、色彩等构成的，从现实世界中抽象出来的带有灰度、色彩及形状的图或形。 、一个计算机图形系统至少应具有、、输入、输出、等基本功能。 、常用的字符描述方法有：点阵式、和。 、字符串剪裁的策略包括、和笔划/像素精确度。 、所谓齐次坐标就是用维向量表示一个n维向量。 、投影变换的要素有：投影对象、、、投影线和投影。 、输入设备在逻辑上分成定位设备、描画设备、定值设备、、拾取设备和。 、人机交互是指用户与计算机系统之间的通信，它是人与计算机之间各种符号和动作的。 、按照光的方向不同，光源分类 为：，，。 10、从视觉的角度看，颜色包含3个要素：即、和亮度。 二、单项选择题（每题 2分，共 30 分。请将正确答案的序号填在题后 的括号内） 1、在CRT显示器系统中，（）是控制电子束在屏幕上的运动轨 迹。 A. 阴极 B. 加速系统 C. 聚焦系统 D. 偏转系统 2、分辨率为1024×1024的显示器需要多少字节位平面数为16的帧缓存（） A. 512KB B. 1MB C. 2MB D. 3MB 3、计算机图形显示器一般使用什么颜色模型（） A. RGB B. CMY C. HSV D. HLS 4、下面哪个不属于图形输入设备（） A. 键盘 B. 绘图仪 C. 光笔 D. 数据手套 5、多边形填充算法中，错误的描述是（）。 A. 扫描线算法对每个象素只访问一次，主要缺点是对各种表的维持和排序的耗费较大 B. 边填充算法基本思想是对于每一条扫描线与多边形的交点，将其右方象素取补 C. 边填充算法较适合于帧缓冲存储器的图形系统 D. 边标志算法也不能解决象素被重复访问的缺点 6、 在扫描线填色算法中，扫描线与顶点相交时，对于交点的取舍问题，下述说法正确的是（ ）。 A. 当共享顶点的两条边分别落在扫描线的两边时，交点只算2个 B. 当共享交点的两条边在扫描线的同一边时，若该点是局部最高点取1个 C. 当共享交点的两条边在扫描线的同一边时，若该点是局部最低点取2个 D. 当共享顶点的两条边分别落在扫描线的两边时，交点只算0个 7、在多边形的逐边裁剪法中，对于某条多边形的边(当前处理的顶点为P ，先前已处理的多边形顶点为S)与某条裁剪线(窗口的某一边)的比较结果共有以下四种情况，分别需输出一些顶点。请问哪种情况下输出的顶点是错误的（ ） A. S 和P 均在可见的一侧，则输出点P B. S 和P 均在不可见的一侧，则输出0个顶点 C. S 在可见一侧，P 在不可见一侧，则输出线段SP 与裁剪线的交点和点S D. S 在不可见的一 侧，P 在可见的一侧，则输出线段SP 与裁剪 线的交点和P 8、使用下列二维图形变换矩阵：，将产生变换的结果为（ ）。 A. 图形放大2倍 B. 图形放大2倍，同时沿X 、Y 坐标轴方向各移动1个绘图单位 C. 沿X 坐标轴方向各移动2个绘图单位 ?? ??? ?????=111010002T 《计算机图形学》课程教学大纲 一、课程基本信息 课程代码：110053 课程名称：计算机图形学 英文名称：Computer Graphics 课程类别：专业课 学时：72 学分：3.5 适用对象：信息与计算科学专业本科生 考核方式：考试（平时成绩占总成绩的30%） 先修课程：高级语言程序设计、数据结构、高等代数 二、课程简介 中文简介： 计算机图形学是研究计算机生成、处理和显示图形的学科。它的重要性体现在人们越来越强烈地需要和谐的人机交互环境：图形用户界面已经成为一个软件的重要组成部分，以图形的方式来表示抽象的概念或数据已经成为信息领域的一个重要发展趋势。通过本课程的学习，使学生掌握计算机图形学的基本原理和基本方法，理解图形绘制的基本算法，学会初步图形程序设计。 英文简介： Computer Graphics is the subject which concerned with how computer builds， processes and shows graphics. Its importance has been shown in people’s more and more intensively need for harmony human-machine interface. Graphics user interface has become an important part of software. It is a significant trend to show abstract conception or data in graphics way. Through the learning of this course, students could master Computer Graphics’basic theories and methods，understand graphics basic algorithms and learn how to design basic graphics program. 三、课程性质与教学目的 《计算机图形学》是信息与计算科学专业的一门主要专业课。通过本课程的学习，使学生掌握基本的二、三维的图形的计算机绘制方法，理解光栅图形生成基本算法、几何造型技术、真实感图形生成、图形标准与图形变换等概念和知识。学会图形程序设计的基本方法，为图形算法的设计、图形软件的开发打下基础。 四、教学内容及要求 第一章绪论 (一)目的与要求计算机图形学裁剪算法详解
计算机图形学试题附答案完整版
计算机图形学裁剪
计算机图形学实验--实验六 三维立方体
计算机图形学实验报告-二维裁剪
计算机图形学课程总结
计算机图形学_实验报告三_图形裁剪算法
梁友栋-Barsky直线裁剪算法计算机图形学课程设计
计算机图形学
计算机图形学(简单多边形裁剪算法)
3D计算机图形学综述
计算机图形学裁剪算法
计算机图形学复习题
计算机图形学课程设计-三维真实感图形设计与绘制
计算机图形学之三维直线变换
计算机图形学 二维裁剪算法Cohen_Sutherland的实现
《计算机图形学》试卷及答案
《计算机图形学》课程教学大纲
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