第三章 (计算机图形学基本图形算法之三)

计算机图形学中的基本算法计算机图形学是指利用计算机来生成、处理、显示和存储各种图形的学科。

它与计算机科学、数学、物理等学科密切相关。

计算机图形学中的基本算法主要包括几何变换算法、渲染算法、图像处理算法等。

下面将对这些算法进行详细的介绍。

一、几何变换算法几何变换是指将一个图形在平面内旋转、缩放、移动等操作，使其达到一定的位置、大小和角度的变化过程。

计算机图形学中的几何变换算法包括平移、旋转、缩放、错切等操作。

其中，平移是指沿着水平和垂直方向移动一个图形；旋转是指将一个图形绕着一个指定的点进行旋转；缩放是指按照指定的比例拉伸或缩小一个图形；错切则是指利用斜角度数将一个图形在平面上扭曲。

在几何变换算法中，矩阵变换是应用最广泛的算法之一。

矩阵变换的原理是将一个图形的顶点坐标与变换矩阵相乘，得到变换后的新的顶点坐标。

二、渲染算法渲染算法是指将数学模型变成可视的图像的过程。

计算机图形学中的渲染算法包括光照模型、投影、纹理映射等。

其中，光照模型主要是指计算出一个物体表面上每一个点的颜色，包括漫反射、镜面反射等各种光照情况；投影是指将一个三维模型映射成为二维的图像；纹理映射则是指将一个图像贴到一个三维模型上，使其更加逼真。

常用的渲染算法包括光线跟踪、光栅化、体积渲染等。

光线跟踪是指跟踪光线的路径，并计算出光线和物体的相交点，进而得到图像的颜色、阴影等信息；光栅化则是将物体投影到屏幕上，并对每个像素点进行操作，确定其颜色和浓度；体积渲染则是将物体看作是一个体积，通过计算对光线的投影，得出图像的颜色和亮度。

三、图像处理算法图像处理算法主要是指对二维图像进行处理和优化。

计算机图形学中的图像处理算法包括图像变换、信号处理等。

其中，图像变换主要是指对图像进行缩放、旋转、扭曲等处理，以获得更好的显示效果；信号处理则是指对图像的灰度、对比度、亮度等进行调整，以使图像更加清晰、鲜明。

常用的图像处理算法包括图像过滤、边缘检测、形态学、分割等。

计算机图形学的基本原理和算法计算机图形学是计算机科学中的一个重要分支，它研究的是如何利用计算机来进行图像和模型的处理、生成和表示。

在现代社会中，计算机图形学已经广泛应用于游戏、电影、设计等领域，它不仅为人们带来了极大的乐趣和便利，也为科学技术的发展带来了重要的推动作用。

本文将介绍计算机图形学的基本原理和算法，包括三维图形学、二维图形学和几何计算等方面的内容。

一、三维图形学三维图形学是计算机图形学的核心领域之一，它研究的是如何使用计算机来生成、处理和显示三维图像。

三维图形学的基本原理是利用数学模型来描述和表示三维图像，其中最基本的数学模型是三维坐标系和向量。

三维坐标系中的每个点都可以用三个坐标来表示，而向量则是以两个点之间的差值来表示。

在三维图形学中，常用的向量运算包括加法、减法、点积和叉积，在这些运算中，向量的长度和方向都是非常重要的参数。

三维图形学中的常用算法包括三维渲染、立体几何、曲面细分和体绘制等。

三维渲染算法是将物体表面和光线结合起来，生成真实的三维图像的过程。

其中常用的三维渲染算法包括光线跟踪、简单光照和阴影投射算法等。

另外，立体几何和曲面细分算法则是用来对三维模型进行建模和细化的，它们可以帮助设计师快速地创造各种复杂的三维模型。

最后，体绘制算法则可以将三维模型表示为一系列立体图形，以使其更加直观和易于理解。

二、二维图形学二维图形学是计算机图形学中另一个重要的分支，它主要研究的是如何使用计算机来生成、处理和显示二维图像。

在二维图形学中，最常用的数学模型是笛卡尔坐标系和矩阵运算。

笛卡尔坐标系采用了直角坐标系的表示方法，在这种坐标系中，每个点都可以用一个有序的数对来表示，其中横坐标代表点在水平方向上的位置，纵坐标则代表点在垂直方向上的位置。

二维图形学中常用的算法包括图形转换、图形填充、线段裁剪和图像滤波等。

图形转换算法是将图像从一个坐标系转换到另一个坐标系的过程，其中最常用的算法包括平移、缩放、旋转和剪切等。

计算机图形学实验03
《计算机图形学》实验报告
圆（椭圆）的生成算法
一、实验教学目标与基本要求
1．实现圆的生成算法；
2．实现椭圆的生成算法；
二、实验课程内容 (2学时)
1．写出完整的圆的Bresenham生成算法；
2．写出完整的椭圆的中点生成算法；
三、算法思想
1．圆的Bresenham生成算法：
如果我们构造函数 F(_,y)=_+y-R，则对于圆上的点有F(_,y)=0，对于圆外的点有F(_,y)_gt;0，对于圆内的点F(_,y)_lt;0 。

与中点画线法一样，构造判别式:d=F(M)=F(_p+1,yp-0.5)=(_p+1)+(yp-0.5)-R。

若d_lt;0，则应取P1为下一象素，而且再下一象素的判别式为：
222d=F(_p+2,yp-0.5)=(_p+2)+(yp-0.5)-R=d+2_p+3
若d≥0，则应取P2为下一象素，而且下一象素的判别式为：
d=F(_p+2,yp-1.5)=(_p+2)+(yp-
1.5)-R=d+2(_p-yp)+5我们这里讨论的第一个象素是（0,R），判别式d的初始值为：d0=F(1,R-0.5)=1.25-R。

为了进一步提高算法的效率，将上面的算法中的浮点数改写成整数，将乘法运算改成加法运算，即仅用整数实现中点画圆法。

2．椭圆的中点生成算法：
椭圆中点生成算法是将椭圆在第一象限中分为两个部分：
1)对于斜率绝对值小于1的区域内在_方向取单位量；
2)对于斜率绝对值大于1的区域内在y方向取单位量；
斜率可以通过椭圆的标准方程中获得为K = - (ry_ry)__/(r__r_)_y;这里中点椭圆222222222。

55 01e r =− （3-39） 这样，由于判别式的初值为整数，增量也为整数，因此判别式始终为整数，即中点画圆算法可用整数加减运算来计算圆周上所有像素的位置。

中点画圆算法的描述如下。

（1）输入圆的半径r 和圆心坐标(x c , y c )，先计算以原点为圆心、r 为半径的圆周上的点，令初始点为00(,)(0,)x y r =。

（2）求初始判别式d ，1d r =−。

（3）在每一个x n 的位置，从n = 0开始，进行下列检测：如果d ＜0，则圆心在原点的圆的下一个点为(x n +1, y n )，且23n d d x =++；否则，圆的下一个点为(x n +1, y n −1)，且2()5nn d dx y =+−+。

（4）确定(x n+1, y n +1)在其余7个八分圆中的对称点位置。

（5）将计算出的每个像素位置(x , y )平移到圆心位于(x c , y c )的圆的轨迹上，即分别沿水平和垂直方向平移x c 和y c ，平移后的坐标值为(x', y' )，c x x x ′=+，c y y y ′=+。

（6）重复第（3）至（5）步，直到x ≥y 时为止。

下面以半径r = 10、圆心在原点的圆为例来说明按上述算法计算第一八分圆上的像素位置的过程。

首先求出初始点(x 0, y 0) = (0, 10)，判别式d 0 = 1−r =1−10 = −9，其后续的判别式计算结果和生成的像素位置如表3-1所示。

经过计算最后生成的从(x 0, y 0)到(x 7, y 7)第一八分圆上的8个像素位置如图3-8所示。

表3-1以原点为圆心r =10的第一八分圆的判别式的值和像素位置 n d 2x n + 32x n − 2y n + 5 (x n , y n ) 0 −9 3- (0, 10) 1 −6 5- (1, 10) 2 −1 7- (2, 10) 3 6 -−9 (3, 10) 4 −3 11- (4, 9) 5 8 -−3 (5, 9) 6 5 -1 (6, 8) 7 6 - - (7, 7)3.2.4 Bresenham 画圆算法与中点画圆算法一样，Bresenham 画圆算法也是先考虑圆心在原点、半径为r 的第一四分圆的生成，即取(0, r )为起点，按顺时针方向生成第一四分圆，然后根据圆的对称特性通过对称变换生成整圆。

计算机图形学的基本概念与算法计算机图形学是研究如何利用计算机生成、处理和显示图像的学科。

它在许多领域中都有广泛应用，例如电影制作、游戏开发、医学成像等。

本文将介绍计算机图形学的基本概念和算法，并分步详细列出相关内容。

一、基本概念1. 图像表示：计算机图形学中，图像通常使用像素（Pixel）来表示。

每个像素包含了图像上一个特定位置的颜色或灰度值。

2. 坐标系统：计算机图形学使用不同的坐标系统来表示图像的位置。

常见的坐标系统有笛卡尔坐标系、屏幕坐标系等。

3. 颜色模型：计算机图形学中常用的颜色模型有RGB模型（红、绿、蓝）和CMYK模型（青、品红、黄、黑）等。

RGB模型将颜色表示为三个分量的组合，而CMYK模型用于打印颜色。

4. 变换：变换是计算机图形学中常用的操作，包括平移、旋转、缩放和剪切等。

通过变换，可以改变图像的位置、大小和方向。

5. 插值：在计算机图形学中，插值是指通过已知的数据点来推测未知位置的值。

常见的插值方法有双线性插值和双三次插值等。

二、基本算法1. 线段生成算法：线段生成是图形学中最基本的操作之一。

常见的线段生成算法有DDA算法（Digital Differential Analyzer）和Bresenham算法。

DDA算法通过计算线段的斜率来生成线段上的像素，而Bresenham算法通过绘制画板上的一个像素来逐渐描绘出整条直线。

2. 多边形填充算法：多边形填充是将一个多边形内的区域用颜色填充的过程。

常见的多边形填充算法有扫描线算法和边界填充算法。

扫描线算法通过扫描多边形的每一条水平线，不断更新当前扫描线下方的活动边并进行填充。

边界填充算法从某点开始，向四个方向延伸，逐渐填充整个多边形。

3. 圆弧生成算法：生成圆弧是计算机图形学中常见的操作之一，常用于绘制圆形和曲线。

常见的圆弧生成算法有中点圆生成算法和Bresenham圆弧生成算法。

中点圆生成算法通过计算圆弧中的每个点与圆心的关系来生成圆弧上的像素，而Bresenham圆弧生成算法通过在八个特定的扫描区域内绘制圆弧上的像素。

计算机图形学的基本算法计算机图形学是研究如何利用计算机生成、处理和显示图像的学科。

图形学的基本算法涵盖了多个方面，包括图像绘制、几何变换、光照和渲染等。

以下将详细介绍计算机图形学的基本算法及其步骤。

1. 图像绘制算法：- 像素绘制算法：基于像素的图形绘制算法包括点绘制、线段绘制和曲线绘制。

例如，Bresenham线段算法可用于绘制直线。

- 多边形填充算法：多边形填充算法用于绘制封闭曲线图形的内部区域。

常见的算法包括扫描线填充算法和种子填充算法。

2. 几何变换算法：- 平移变换：平移变换算法用于将图像在平面上进行上下左右的平移操作。

- 旋转变换：旋转变换算法用于将图像按照一定的角度进行旋转。

- 缩放变换：缩放变换算法用于按照一定的比例对图像进行放大或缩小操作。

- 剪切变换：剪切变换算法用于按照一定的裁剪方式对图像进行剪切操作。

3. 光照和渲染算法：- 光照模型：光照模型用于模拟物体与光源之间的相互作用。

常见的光照模型有Lambert模型和Phong模型等。

- 阴影生成算法：阴影生成算法用于在渲染过程中生成逼真的阴影效果。

例如，阴影贴图和阴影体积等算法。

- 光线追踪算法：光线追踪算法通过模拟光线的路径和相互作用，实现逼真的光影效果。

常见的光线追踪算法包括递归光线追踪和路径追踪等。

4. 图像变换和滤波算法：- 傅里叶变换算法：傅里叶变换算法用于将图像从时域转换到频域进行分析和处理。

- 图像滤波算法：图像滤波算法用于对图像进行平滑、锐化、边缘检测等操作。

常见的滤波算法包括均值滤波、高斯滤波和Sobel算子等。

5. 空间曲线和曲面生成算法：- Bézier曲线和曲面算法：Bézier算法可用于生成平滑的曲线和曲面，包括一阶、二阶和三阶Bézier曲线算法。

- B样条曲线和曲面算法：B样条算法可用于生成具有更高自由度和弯曲度的曲线和曲面。

以上列举的是计算机图形学中的一些基本算法及其应用。

65 3.4.3 有序边表算法1．简单的有序边表算法由于3.4.2小节介绍的一般多边形的扫描线填充算法是建立在按扫描顺序对多边形的边与扫描线交点进行排序的基础上的，所以称为有序边表算法。

将简单的有序边表算法描述如下。

（1）数据准备。

① 求出多边形各条边与中心扫描线的交点，并将各交点坐标(x , y +0.5)存入表中。

② 按扫描线以及扫描线上交点x 值的递增顺序对该表中存放的交点进行排序，形成有序边表。

（2）扫描转换。

① 按(x 1, y 1)和(x 2, y 2)成对地取出有序边表中的交点坐标值，表的构造保证有y = y 1 = y 2及 x 1≤ x 2。

② 在扫描线y 上激活那些x 的整数值满足x 1≤ x +0.5≤ x 2关系的像素。

2．简单有序边表算法的效率问题及解决方法简单的有序边表算法存在3个问题：一是需要生成一个很大的交点表，而且需要对整张表排序；二是求交计算中含有乘除法运算，运算复杂；三是交点计算的次数多，这是因为在计算交点时，相当于是把多边形的所有边放在一个表中，按顺序依次取出，计算该边与当前扫描线的交点，而事实上并非所有的边都与当前扫描线有交点，因此增加了许多不必要的求交计算量。

可见，求交和交点排序的计算量大是影响该算法效率的最主要的因素，为了提高算法的效率，应该尽量减少和简化求交计算。

那么如何减少和简化求交计算呢？采用活性边表的有序边表算法可以有效解决这个问题。

采用活性边表的有序边表算法与简单有序边表算法的不同之处在于，它对每条扫描线都建立一个活性边表。

那么什么是活性边和活性边表呢？我们把与当前扫描线有交点的边，称为活性边，而把用于存储活性边的表称为活性边表。

在每一个活性边表中，活性边按与扫描线交点x 坐标递增的顺序存放在一个链表中。

因此，采用活性边表后，不仅节省了求交的时间，而且还节省了交点排序的时间。

下面的问题是，在活性边表中应该存储活性边的哪些信息呢？由于存储活性边的目的是要保证存储的这些信息对计算活性边与扫描线的交点有用。

计算机图形学（三种画线算法）第⼆章：光栅图形学算法1、光栅显⽰器：光栅扫描式图形显⽰器简称光栅显⽰器，是画点设备，可看作是⼀个点阵单元发⽣器，并可控制每个点阵单元的亮度2、由来：随着光栅显⽰器的出现，为了在计算机上处理、显⽰图形，需要发展⼀套与之相适应的算法。

3、研究内容：1>直线段的扫描转换算法2>多边形的扫描转换与区域填充算法3>裁剪算法4>反⾛样算法5>消隐算法⼀、直线段的扫描转换算法1.为了显⽰⼀条直线，就在光栅显⽰器上⽤离散的像素点逼近直线，所以我们就要知道这些像素点的坐标已知P0和P1，利⽤斜截式⽅程，y=kx+b,求出k=（y1-y0）/(x1-x0),b为截距现在k,b已知，x,y未知，现在假设⼀个像素距离为y，即可求出y的值。

因为像素的坐标是整数，所以y值还要进⾏取整处理2.在计算机中加法的运算更快，乘法较慢，故可以把上述⽅法优化来提⾼效率1>数值微分法（DDA）2>中点划线法3>Bresenham算法数值微分法（DDA）-----增量算法（只有⼀个加法）这个式⼦的含义是：当前步的y值等于前⼀步的y值加上斜率k（增量）例⼦：思考：x递增1，y递增k，是否适合任意的k？可改进的点：1>⼀般情况下，k都是⼩数，且每⼀步均要对y四舍五⼊，唯⼀改进的途径是把浮点运算变为整数加法！2>⽅程还有两点式，⼀般式当|k|<=1时，伪代码如下：voidDDALine(int x0,int y0,int x1,int y1,int color){Int x;Float dx,dy,y,k;dx=x1-x0;dy=y1-y0;K=dy/dx;y=y0;For(x=x0,x<=x1;x++){Drawpixel(x,int(y+0.5),color);//drawpixel(x, y, color)在(x, y)像素点绘制颜⾊为color的点Y=y+k;}}中点画线法采⽤直线的⼀般式⽅程：Ax+By+C=0 F(x,y)=0，其中a = y0 - y1， b = x1 - x0，c = x0y1 - x1y0令F(x, y)=0则得出直线⽅程，代⼊ (x0, y0)和(x1, y1)，便可得到三个⽅程，可求出a,b,c的值⼀条直线把平⾯分成了三个部分，直线上⽅，直线上，直线下⽅x⽅向上+1，y⽅向上加不加1需判断如何判断Q在M的上⽅还是下⽅？把M点的坐标带⼊⽅程,其中a = y0 - y1， b = x1 - x0分析计算量？两个乘法，四个加法，推导出d的增量公式d的初始值包含⼩数，因此可以⽤2d来代替d实现整数加法，所以d=2a+b伪代码如下：Void MidPointLine(int x0,int y0,int x1,int y1,int color){Int a,b,delta1,delta2,d,x,y;a=y0-y1;b=x1-x0;d=2*a+b;Delta1 = 2*a;Delta2 =2*(a+b);X = x0;Y=y0;//在对应的x,y像素点着⾊putpixel(x,y,GREEN);while(x<x1){if(d<0){x++;y++;d+=delta2;}else{x++;d+=delta1;}//在对应的x,y像素点着⾊putpixel(x,y,GREEN);}Bresenham算法每步的进化：DDA把算法效率提⾼到每步只做⼀个加法中点算法进⼀步把效率提⾼到每步只做⼀个整数加法Bresenham算法提供了⼀个更⼀般的算法，该算法不仅有好的效率，⽽且有更⼴泛的适⽤范围如何把算法的效率也提⾼到整数加法？改进⼀：令e=d-0.5因为d的初值为0，所以e的初值为-0.5，e=e+k,如果e>0,e=e-1改进⼆：在计算e值的情况下还是关于浮点数的计算，所以把浮点数化为整数。

《计算机图形学》课程教学大纲课程编号：20211501总学时数：32(理论18、实验14)总学分数：2课程性质：专业基础课适用专业：地理信息系统一、课程的任务和基本要求：课程任务：通过学习本课程，使学生加深对计算机图形学理论知识的理解；了解和掌握计算机图形学的基本编程技能与方法，培养独立分析解决问题的能力，具备一定的图形应用系统开发能力。

基本要求：掌握线段、圆等各类图形的生成方法、区域填充方法、线段和区域的裁剪方法、反走样方法和图形变换等理论方法，并用编程语言进行编程，在计算机上实现相关方法和算法。

二、基本内容和要求：第1章图形设备、系统和应用1.1 计算机图形学的发展及应用1.2 图形输入设备1.3 图形显示设备1.4 图形绘制设备1.5 图形系统和工作站要求：了解计算机图形学的发展阶段和基本应用，以及图形系统的软硬件构成第2章交互技术与用户接口2.1 用户接口的常用形式2.2 交互设备和交互任务2.3 输入控制2.4 如何构造一个交互系统要求：了解系统与用户之间的交互技术和用户接口，掌握构造交互系统的基本方法第3章基本图形生成算法3.1 直线的扫描转换3.2 圆与椭圆的扫描转换3.3 区域填充3.4 线宽与线型的处理3.5 裁剪要求：掌握基本图形的各类生成算法原理，并用编程语言实现第4章曲线和曲面4.1 基础知识4.2 常用的参数曲线4.3 常用的参数曲面要求：掌握曲线和曲面的生成算法原理，并用编程语言实现第5 图形变换第5章图形变换5.1 窗口视图变换5.2 几何变换5.3 形体的投影变换要求：掌握图形变换基本理论和计算，并用编程语言实现三、实践环节和要求：实验方式：1．由指导教师讲清各项实验的目的、内容、实验步骤、要求及安全事项；2．实验分组进行，由学生独立操作或教师演示进行；要求：1．熟悉各类图形的生成方法2．掌握二维和三维图形的变换的方法3．通过编程语言实现各类图形的生成和图形变换本大纲安排7个实验项目，每2学时做一个实验项目，计14学时。