计算机图形学系统概述1

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。

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。

XX大学《计算机图形学》教学大纲编写单位：执笔人：审核人：XX大学xx系20xx年9 月［实验要求］本课程实验要求较高，实验内容多且相关性较强，有关实验的具体要求与内容需按实验大纲执行，本大纲中不再另行说明。

第一章绪论［教学内容］计算机图形学的目标与任务；计算机图形学的内容体系；计算机图形学相关学科；计算机图形学相关领域。

[教学目标与要求]熟练掌握：计算机图形学的内容体系；计算机图形学的目标与任务；掌握：计算机图形学的应用领域；计算机图形学的相关学科；了解：计算机图形学的发展。

[重点与难点]计算机图形学的内容体系；计算机图形学的目标与任务。

[教学时数]2学时第一节计算机图形学的目标与任务一、视觉交流是计算机图形学的目标与任务二、计算机图形学的三个基本任务第二节计算机图形学的内容体系一、基础模块二、建模与表示模块三、绘制模块四、交互技术第三节计算机图形学相关学科一、图形与图像二、相关学科第四节计算机图形学的应用领域一、计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）二、科学计算可视化三、虚拟现实四、动画第五节计算机图形学的发展一、计算机图形学的发展简史二、计算机图形学的发展趋势[复习思考题]1、图形包括哪两方面的要素？在计算机中如何表示它们？2、图形的本质是什么？3、如何看待计算机图形学的发展趋势？第二章图形系统［教学内容］Visual 图形系统概述；图形系统体系结构；图形支撑软件；图形硬件显示原理；[教学目标与要求]熟练掌握：图形系统体系结构；图形硬件显示原理掌握：图形系统基本概念和术语；了解：图形支撑软件[重点与难点]图形系统体系结构；图形硬件显示原理[教学时数]2学时第一节图形系统概述一、图形系统组成结构1.图形系统组成结构2.图形系统分类第二节图形系统体系结构一、概述二、应用程序阶段三、几何处理阶段四、光栅阶段第三节图形支撑软件一、OpenGL二、DirectX三、Java2D和Java3D第四节图形硬件显示原理一、图形显示设备及工作原理二、图形显示方式三、光栅扫描图形显示系统[复习思考题]1、从图形硬件显示原理角度，思考并分析如何显示直线？2、请你总结一下光栅显示系统的优缺点？3、在光栅显示系统中，显卡有什么作用？第三章二维图形生成［教学内容］直线生成算法；圆弧绘制算法；区域填充；字符；反走样技术；[教学目标与要求]熟练掌握：直线生成算法；区域填充；圆弧绘制算法掌握：反走样技术了解：字符编码[重点与难点]直线生成算法；区域填充；圆弧绘制算法[教学时数]8学时第一节直线生成算法一、数值微分法二、逐点比较法三、Bresenham画线法四、中点画线法第二节圆弧绘制算法一、基于光栅的整圆绘制算法二、角度离散法绘制圆弧和椭圆弧第三节区域填充一、种子填充算法二、多边形填充算法第四节字符一、字符的编码二、点阵字符三、矢量字符第五节反走样技术第六节编程实例-地图绘制一、地图绘制方法二、基于OpenGL的地图绘制[复习思考题]1、简述DDA算法、中点画线法、Bresenham画线法算法的思想？2、根据中点画圆法和Bresenham算法，绘制一条端点为（1，1）和（6，5）的直线，画出对应各像素的位置？第四章图形几何变换[教学内容］二维几何变换；三维几何变换；图形几何变换的模式；[教学目标与要求]熟练掌握：二维几何变换；三维几何变换；掌握：图形几何变换的模式；[重点与难点]二维几何变换；三维几何变换；[教学时数]6学时第一节二维几何变换一、基本变换二、二维复合变换三、二维坐标系间的变换第二节三维几何变换一、基本变换二、三维复合变换三、三维坐标系间的变换第三节图形几何变换的模式一、固定坐标系模式二、活动坐标系模式[复习思考题]1、试编写对二维点实现平移、旋转、比例变换的程序。

计算机图形学基础知识计算机图形学是研究如何利用计算机生成和处理图形的学科。

它涵盖了许多领域，如计算机图像处理、计算机辅助设计和虚拟现实等。

掌握计算机图形学的基础知识对于理解和应用这些领域至关重要。

本文将为您介绍计算机图形学的基础知识，并分步详细列出相关内容。

1. 图形学的基础概念- 图形：在计算机图形学中，图形指的是一系列点、线和曲面等的集合。

- 图像：图像是图形学的一种特殊形式，它是由像素组成的二维数组。

- 基本元素：计算机图形学中的基本元素包括点、线和曲面等。

它们是构成图形的基本构件。

2. 图像表示与处理- 位图图像：位图图像是由像素组成的二维数组，每个像素保存着图像的颜色信息。

- 矢量图形：矢量图形使用几何形状表示图像，可以无损地进行放缩和旋转等操作。

- 图像处理：图像处理包括图像的增强、滤波、压缩和分割等操作，用于改善和优化图像。

3. 坐标系统和变换- 坐标系统：坐标系统用于描述和定位图形。

常见的坐标系统有笛卡尔坐标系统和极坐标系统等。

- 变换：变换是指将图形在坐标系统中进行移动、缩放和旋转等操作。

4. 二维图形学- 线性插值：线性插值是计算机图形学中常用的插值方法，用于在两点之间生成平滑的曲线。

- Bézier曲线：Bézier曲线是一种常用的数学曲线模型，可以用于生成平滑的曲线。

- 图形填充：图形填充是指将图形的内部区域用颜色填充，常用的填充算法有扫描线填充算法和边界填充算法。

5. 三维图形学- 三维坐标系统：三维坐标系统用于描述和定位三维空间中的点、线和曲面等。

- 三维变换：三维变换包括平移、缩放、旋转和投影等操作，用于改变和调整三维图形。

- 计算机动画：计算机动画是利用计算机生成连续变化的图像序列，用于呈现逼真的动态效果。

总结：计算机图形学是研究利用计算机生成和处理图形的学科。

它涵盖了图像表示与处理、坐标系统和变换等基础知识。

在二维图形学中，线性插值和Bézier曲线是常用的技术，图形填充则可以实现对图形内部区域的着色。

XX大学《计算机图形学》教学大纲编写单位：__________执笔人：____________审核人：____________XX大学xx系20xx年9月［实验要求］本课程实验要求较高，实验内容多且相关性较强，有关实验的具体要求与内容需按实验大纲执行，本大纲中不再另行说明。

第一章绪论［教学内容1计算机图形学的目标与任务；计算机图形学的内容体系；计算机图形学相关学科；计算机图形学相关领域。

［教学目标与要求］熟练掌握：计算机图形学的内容体系；计算机图形学的目标与任务；掌握：计算机图形学的应用领域；计算机图形学的相关学科；了解：计算机图形学的发展。

［重点与难点］计算机图形学的内容体系；计算机图形学的目标与任务。

［教学时数］2学时第一节计算机图形学的目标与任务一、视觉交流是计算机图形学的目标与任务二、计算机图形学的三个基本任务第二节计算机图形学的内容体系一、基础模块二、建模与表示模块三、绘制模块四、交互技术第三节计算机图形学相关学科一、图形与图像二、相关学科第四节计算机图形学的应用领域一、计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）二、科学计算可视化三、虚拟现实四、动画第五节计算机图形学的发展一、计算机图形学的发展简史二、计算机图形学的发展趋势［复习思考题］1、图形包括哪两方面的要素？在计算机中如何表示它们？2、图形的本质是什么？3、如何看待计算机图形学的发展趋势？第二章图形系统［教学内容1Visual图形系统概述；图形系统体系结构；图形支撑软件；图形硬件显示原理; ［教学目标与要求］熟练掌握：图形系统体系结构；图形硬件显示原理掌握：图形系统基本概念和术语；了解：图形支撑软件［重点与难点］图形系统体系结构；图形硬件显示原理［教学时数］2学时第一节图形系统概述一、图形系统组成结构1.图形系统组成结构2.图形系统分类第二节图形系统体系结构一、概述二、应用程序阶段三、几何处理阶段四、光栅阶段第三节图形支撑软件一、OpenGL二、DirectX三、Java2D 和 Java3D第四节图形硬件显示原理一、图形显示设备及工作原理二、图形显示方式三、光栅扫描图形显示系统［复习思考题］1、从图形硬件显示原理角度，思考并分析如何显示直线？2、请你总结一下光栅显示系统的优缺点？3、在光栅显示系统中，显卡有什么作用？第三章二维图形生成［教学内容1直线生成算法；圆弧绘制算法；区域填充；字符；反走样技术; ［教学目标与要求］熟练掌握：直线生成算法；区域填充；圆弧绘制算法掌握：反走样技术了解：字符编码［重点与难点］直线生成算法；区域填充；圆弧绘制算法［教学时数］8学时第一节直线生成算法一、数值微分法二、逐点比较法三、Bresenham画线法四、中点画线法第二节圆弧绘制算法一、基于光栅的整圆绘制算法二、角度离散法绘制圆弧和椭圆弧第三节区域填充一、种子填充算法二、多边形填充算法第四节字符一、字符的编码二、点阵字符三、矢量字符第五节反走样技术第六节编程实例-地图绘制一、地图绘制方法二、基于OpenGL的地图绘制［复习思考题］1、简述DDA算法、中点画线法、Bresenham画线法算法的思想？2、根据中点画圆法和Bresenham算法，绘制一条端点为（1，1）和（6, 5）的直线，画出对应各像素的位置？第四章图形几何变换［教学内容］二维几何变换；三维几何变换；图形几何变换的模式;［教学目标与要求］熟练掌握：二维几何变换；三维几何变换；掌握：图形几何变换的模式；［重点与难点］二维几何变换；三维几何变换；［教学时数］6学时第一节二维几何变换一、基本变换二、二维复合变换三、二维坐标系间的变换第二节三维几何变换一、基本变换二、三维复合变换三、三维坐标系间的变换第三节图形几何变换的模式一、固定坐标系模式二、活动坐标系模式［复习思考题］1、试编写对二维点实现平移、旋转、比例变换的程序。

计算机图形学的基本理论计算机图形学是一门研究计算机如何生成、处理和显示图形的学科。

它的应用涵盖了游戏、动画、电影、虚拟现实、计算机辅助设计等多个领域。

计算机图形学的基本理论包括三维图形学和二维图形学，这两个领域有很多共同的基础理论。

一、坐标系统计算机图形学中使用的坐标系统有两种，分别是二维坐标系统和三维坐标系统。

二维坐标系统通常使用笛卡尔坐标系，其中 x轴表示水平方向，y 轴表示垂直方向。

而三维坐标系统则需要使用更复杂的空间上的坐标系，其中除了 x、y 轴之外还需要加入 z 轴，用于表示深度。

在三维坐标系中，也常常使用三维向量来表示点的位置和方向。

二、几何变换几何变换是指通过对图形的位置、大小、姿态等属性进行变换来改变图形的形状或位置。

通常在计算机图形学中使用的基本几何变换有平移、旋转、缩放和剪裁。

几何变换的核心在于矩阵平移、旋转和缩放，其中矩阵是一种能够描述线性变换的工具。

在计算机图形学中，可以将计算机上的坐标与矩阵进行运算，从而实现对图形的几何变换。

三、光照模型光照模型是计算机图形学中一个非常重要的概念。

在三维图形学中，光照模型通常用于照明效果的渲染。

在计算机图形学中，通常使用三种光照模型，分别是环境光、漫反射和镜面反射。

环境光模型用于描述整个场景中的光照情况，而漫反射和镜面反射模型则用于描述在材质表面的反射现象。

四、纹理映射纹理映射是一种在计算机图形学中被广泛使用的技术。

它用于将一个图像映射到一个三维模型的表面上，从而达到更好的渲染效果。

通常，在纹理映射的过程中，会使用一张图像来描述表面的纹理和颜色等特性。

由于纹理映射可以在计算机图形学中实现非常细致的特效，因此它在游戏、动画和电影等领域中得到了广泛的应用。

总结在计算机图形学中，上述几个基本理论是非常重要的。

它们是计算机图形学的基础，对于任何一个想要学习计算机图形学的人来说，都是必须掌握的技能。

此外，在实际的应用中，这些基础理论也有着非常广泛的应用，可以帮助开发者实现更加生动、细致和逼真的图形效果，为用户带来更好的使用体验。