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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。
图元的生成实验报告一、实验目的本实验旨在通过使用计算机图形学中的图形库，实现图元的生成过程，加深对图形学中图元生成算法的理解，并通过实验总结掌握运用图形库生成图元的方法。
二、实验器材与环境- 软件：计算机图形学图形库、Python编程环境、Markdown编辑器- 硬件：一台装有计算机图形学图形库的计算机三、实验过程与方法1. 实验准备首先确保计算机上已安装计算机图形学图形库，并配置好Python编程环境。
2. 实验步骤1. 编写程序代码，导入所需的计算机图形学图形库。
2. 创建画布，并设置画布的大小、背景颜色等基本参数。
3. 使用图形库提供的函数，生成所需的图元。
可以选择绘制直线、圆、多边形等基本图元，也可以根据需要自己设计复杂的图元。
4. 将生成的图元加入画布中，设置图元的位置、颜色、线条样式等。
5. 显示画布，并将生成的图元显示在屏幕上。
四、实验结果与分析本次实验的目的是掌握使用计算机图形学图形库生成图元的方法，因此不要求生成特定的图元形状，可以选择自己感兴趣的形状进行实验。
在本次实验中，我们选择了绘制一个五角星作为图元，代码如下：pythonimport graphics创建画布win = graphics.GraphWin("Experiment", 500, 500) 绘制五角星p1 = graphics.Point(250, 50)p2 = graphics.Point(225, 200)p3 = graphics.Point(350, 100)p4 = graphics.Point(175, 100)p5 = graphics.Point(300, 200)line1 = graphics.Line(p1, p3)line2 = graphics.Line(p3, p5)line3 = graphics.Line(p5, p2)line4 = graphics.Line(p2, p4)line5 = graphics.Line(p4, p1)line1.draw(win)line2.draw(win)line3.draw(win)line4.draw(win)line5.draw(win)显示画布win.getMouse()win.close()运行以上代码后，我们生成了一个五角星，并显示在屏幕上。
计算机图形学计算机图形学是研究计算机生成和处理图像的学科领域。
它涵盖了多个方面，包括图像表示、图像处理、图像合成、计算机动画等。
下面是计算机图形学中一些重要的概念和技术：1.图像表示：计算机图形学中的图像通常以数字形式表示，通过像素阵列来表示空间上的图像。
每个像素代表着图像中的一个点，其颜色值描述了该点的外观特性。
2.三维建模：三维建模是将三维对象转换为计算机可识别的形式。
常见的三维建模方法包括多边形网格建模、曲面建模、体素建模等。
三维建模为计算机图形学中的可视化和渲染提供了基础。
3.渲染：渲染是将计算机建模的三维场景转化为二维图像的过程。
它涉及到光照、阴影、纹理映射、透明度等照明和材质属性的计算。
常见的渲染方法有光栅化渲染、光线追踪等。
4.图像处理：图像处理是对图像进行各种操作和修改的过程。
这包括图像滤波、边缘检测、图像增强、图像分割等。
这些操作可以通过算法和数学方法在计算机上实现。
5.计算机动画：计算机动画是通过连续变化的图像帧来模拟和呈现动态图像。
它包括关键帧动画、骨骼动画、物理模拟等技术，可以模拟物体的运动、变形和碰撞等自然现象。
6.虚拟现实：虚拟现实使用计算机图形学技术来模拟和呈现逼真的虚拟环境。
它包括虚拟现实头盔、交互设备等技术，使用户能够与虚拟环境进行互动。
计算机图形学广泛应用于电子游戏、电影和动画制作、计算机辅助设计、医学图像处理、虚拟现实等领域。
它不仅提供了高度逼真和交互性的视觉体验，还支持人们进行创作、设计和科学研究。
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。
任课教师：李陶深教授tshli@12直线生成算法圆与椭圆的绘制算法5图元的概念436区域填充算法裁剪反走样技术4.4 区域填充算法4.4 区域填充算法—基础知识（3）线框多边形物体:只需扫描转换线段填充多边形物体:要扫描转换多边形本质：点阵表示。
特点：面着色，画面明暗自然、色彩丰富。
4.4 区域填充算法4.4 区域填充算法—基础知识（4）图形学中多边形的两种表示方式顶点表示：用多边形的有序顶点序列表示多边形点阵表示：用位于多边形内部的像素集合来表示多边形4.4 区域填充算法多边形边界的矢量形式数据之上，可用于程序填色，也可用于交互填色。
形边界的图像形式数据之上，并还需提供多边形边界内一点的坐标。
概括地说，该算法先画边界，然后对内定义区域填充。
所以，它一般只能用于人机交互填色，而难以用于程序填色。
4.4 区域填充算法—多边形填色算法的问题多边形填色算法面临的一个首要问题，是判断一个像素是在多边形内还是多边形外。
Question1: How to Judge…?Question2: How to improve …?图4.14 射线法图4.15 转角法4.4 区域填充算法4.4 区域填充算法4.4 区域填充算法4.4 区域填充算法4.4 区域填充算法大量的求交、乘除运算4.4 区域填充算法—扫描线填色算法（1）基本思路：扫描线算法按扫描线的顺序计算出扫描线与多边形的相交区间，然后用要求的颜色填充这些区间内的像素。
该算法利用了扫描线的连续性和边的连续性，避免对像素的逐点判断和反复求交运算，减少了计算量，提高了算法速度。
具体处理过程：先求出扫描线与多边形边的交点，利用扫描线的连续性求出多边形与扫描线相交的连续区域，然后利用多边形边的连续性，求出下一条扫描线与多边形的交点，对所有扫描线由上到下依次处理。
4.4 区域填充算法—扫描线填色算法（2） 算法实现的步骤：对每一条扫描线执行如下四步:(1) 求交：求扫描线与多边形各边的交点;(2) 排序：将求得的交点按递增顺序进行排序;(3) 交点配对：确定相交区间;(4) 区间填色：将相交区间内的像素置成多边形色, 相交区间外的像素置成背景色。
计算机图形学定义：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。
图形：表示和绘制+ 输入/输出设备计算机图形学：计算机科学中，最为活跃、得到广泛应用的分支之一数据计算机图形系统图形图形及图形的表示方法图形：计算机图形学的研究对象能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象包括自然景物、拍摄到的图片、用数学方法描述的图形等等构成图形的要素几何要素：刻画对象的轮廓、形状等非几何要素：刻画对象的颜色、材质等表示方法点阵表示枚举出图形中所有的点(强调图形由点构成)简称为图像（数字图像）参数表示由图形的形状参数(方程或分析表达式的系数，线段的端点坐标等)+属性参数(颜色、线型等)来表示图形简称为图形图形主要分为两类：1、基于线条信息表示2、明暗图(Shading)第一章绪论1.2.2 图象处理研究如何对一幅连续图像取样、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1.2.3 计算机视觉和模式识别图形学的逆过程，分析和识别输入的图像并从中提取二维或三维的数据模型（特征）。
手写体识别、机器视觉计算几何几何问题的计算复杂性发展特点内容交叉、界限模糊、相互渗透1.3 CG的应用1.3.1 计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）CAD/CAM是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域1、飞机、汽车、船舶的外形的设计,如波音777飞机的设计和加工过程2、发电厂、化工厂等的布局3、土木工程、建筑物的设计4、电子线路、电子器件的设计,设计结果直接送至后续工艺进行加工处理1.3.2 科学计算可视化科学计算可视化广泛应用于医学、流体力学、有限元分析、气象分析当中⏹在医学领域，可视化有着广阔的发展前途⏹是机械手术和远程手术的基础⏹将医用CT扫描的数据转化为三维图象，帮助医生判别病人体内的患处⏹由CT数据产生在人体内漫游的图象⏹可视化的前沿与难点⏹可视化硬件的研究⏹实时的三维体绘制⏹体内组织的识别分割——Segmentation1.3.3 真实感图形的绘制与计算机仿真1、计算机中重现真实世界的场景叫做真实感绘制2、真实感绘制的主要任务是模拟真实物体的物理属性，简单的说就是物体的形状，光学性质，表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位置，遮挡关系等等1.3.4 其他应用⏹GIS⏹娱乐⏹多媒体⏹虚拟现实（VR)1.3.5 当前研究的热点⏹计算机动画⏹用户接口⏹计算机艺术1.4 常用图形设备图形输入设备键盘、鼠标、光笔、触摸屏、扫描仪等图形输出设备阴极射线管（CRT)、显示器（光栅扫描显示器、液晶显示器）、打印机、绘图仪等作业1.写出对计算机图形学的认识,谈谈学科发展的关键因素2.计算机图形学的主要研究内容是什么?3.计算机图形学最具潜力的应用是什么?4.谈谈对计算机图形学的前沿领域的设想和体会?第二章基本二维图形的生成概念光栅显示器显示的图形是由一系列紧靠该图形路径的像素表示的，可看作具有一种或多种颜色的像素的矩阵或集合。
