计算机图形学电子教案优秀课件

60年代：MIT、Bell Lab、 通用汽车公司、剑 桥大学开展大规模的研究 。
60年代确立并得到发展
70年代进入技术实用化
但80年代初，图形学 依然是较小的学科，原 因是图形硬件设备十分昂贵，且基于图形的应用相 对较少。后来，情况发生了变化……
14
Graphics Lab.PKU
2020/11/6
3
Graphics Lab.PKU
2020/11/6
第一讲 计算机图形学概述
1.1 研究内容 1.2 发展历史 1.3 应用举例 1.4 当前研究动态
4
Graphics Lab.PKU
2020/11/6
1.1 研究内容
?何谓图形 ?构成图形的要素 ?两种表示法 ?所研究的内容
5
Graphics Lab.PKU
图像生成（计算机图形学）
图像变换 （图像处理）
数
数
字
据
图
模
像
型
模型（特征）提取 （计算机视觉，模式识别）
模型变换 （计算几何）
.发展特点: 交叉、界线模糊、相互渗透
8
Graphics Lab.PKU
2020/11/6
CAGD（Computer Aided Geometric Design）
几何形体在计算机中的表示，分析、研究怎样灵 活方便地建立几何形体的数学模型，提高算法效 率，在计算机内更好地存储和管理这些模型等。 研究曲线、曲面的表示、生成、拼接、数据拟合。
硬件发展
图形显示器的发展
图形显示器是计算机图形学中关键的设备
60年代中期：画线显示器（亦称矢量显示器） 需要刷新。设备昂贵，限制普及
60年代后期：存储管式显示器 不需刷新，价格较低，缺点是不具有动态修

三维观察设备 虚拟现实系统的输出显示设备 ……
输入设备
键盘、鼠标 按钮盒、旋钮 跟踪球、空间球 操作杆 触觉反馈设备 数据手套、数据衣 数字化仪 扫描仪 触摸板 光笔 ……
硬拷贝设备
打印机 喷墨 激光 ……
绘图仪 台式 大型滚动传送式 ……
图形硬件系统组成模块示意图：
或称图形坐标系、用户坐标系、全局坐标系 如在世界坐标系中进行装配
观察坐标系（viewing coordinate）
对场景进行观察所对应的坐标系 对象经变换到该场景的一个二维投影——投影变换
规范化坐标系（normalized coordinate）
可使图形软件与特定输出设备的坐标范围无关 坐标范围：-1～1，或0 ～ 1 等等
在场景中对物体移动、旋转、缩 放、扭曲等，或转换模型坐标系
3D→2D，并对观察区域进行裁 剪和缩放
一种伪变换，对窗口上的最终输 出进行移动、缩放等
三维几何变换
可用4×4矩阵操作统一表示二维和三维几何变换
缩放、旋转、 对称、错切等
平移
投影
整体缩放
基本变换：平移、旋转、缩放
复合变换：可由平移、旋转、缩放和其他变换的矩阵乘积 （合并）形成。
图元的绘制、显示过程
顶点 法向量、颜色、纹理… 像素
图元操作、像素操作 光栅化（扫描转换）
像素信息 帧缓存 显示器
调用底层函数，如 setPixel (x,y)；将当 前像素颜色设定值存 入帧缓存的整数坐标 位置（x,y）处。
图元描述与操作
几何图元由一组顶点（Vertex）描述 这一组顶点可以是一个或是多个。每个顶点信息二维或 三维，使用 2~4 个坐标。顶点信息由位置坐标、颜色 值、法向量、纹理坐标等组成。

实时渲染技术
游戏开发中，计算机图形学还涉及实时渲染技术 ，包括OpenGL、DirectX等图形API的使用，以 及GPU加速等技术的应用。
交互体验优化
通过计算机图形学技术，游戏开发者可以优化游 戏的交互体验，例如通过动画、音效等增强游戏 的沉浸感。
影视制作中的计算机图形学应用
01
特效制作
计算机图形学广泛应用于电影、电视剧等影视作品的特效制作中。
1990年代
个人电脑的出现使得计算机图形学进入普 及阶段，各种图形软件和游戏开始广泛使 用。
互联网的出现使得计算机图形学进入新的 发展阶段，网络图像传输和浏览技术得到 了广泛应用。
计算机图形学的应用领域
娱乐产业
电影、电视、游戏等娱乐产业是计算 机图形学的最大应用领域，需要大量 的特效和动画制作。
科学可视化
计算机图形学的发展也将进一步推动艺术 和科技的结合，为艺术家提供更多的创作 工具和展示方式，同时也为科技爱好者提 供更多的探索和创新的空间。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
计算机图形学用于生成和操作科学数 据，如气象预报、医学影像、物理模 拟等。
工业设计
计算机图形学可用于产品外观设计、 机械设计等领域，提高设计效率和准 确性。
虚拟现实
计算机图形学生成虚拟环境，提供沉 浸式的体验，广泛应用于教育、培训 、娱乐等领域。
02 计算机图形学基础知识
图像的数字化
图像采样
将连续的图像转换为离散的像素集合
网格建模
使用多边形网格来表示物体的形状，这些多边形可以是由三角形组 成的简单形状，也可以是更复杂的形状。
NURBS建模
使用非均匀有理B样条曲线来表示物体的形状，这些曲线可以创建更 复杂的形状，如自由曲线和曲面。

运动图形闪烁
6
光栅图形的反走样方法主要有两类：ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 第一类是超采样或称后置滤波。这类算法的基
本思想着眼于提高分辨率即增加采样点。 第二类方法称为前置滤波。即：把像素作为一
个有限区域而不是一个面积为零的点来处理， 从而对区域采样。
3．5．1 提高分辨率
其基本思想在于提高分辨率即增加采样点，虽然 采用高分辨率的光栅图形显示器也是一个选择， 但它受到客观条件的限制，而且也不经济。
3．3 区域填充属性
3．3．1 填充模式
区域显示有三种基本填充模式：具有颜色边界的空 心区域、使用纯色填充的实心区域、使用指定图案 或设计填充的区域。
空心区域通过仅显示边界轮廓并保持其内部颜 色与背景色相同而实现。
实心区域以单一颜色对区域内部进行填充，也 可以包含其边界。
3．3．2 图案填充
通常图形变换只改变物体的几何形状和大小，但是不 改变其拓扑结构。
4．1 图形变换基础
4．1．1 矢量运算
两矢量和的和、点积、长度、叉积。
两个矢量分别为： （x1,y1,z1)和（x2,y2,z2）
4．1．2 矩阵计算
m行n列矩阵A，m╳n矩阵：
a11 a12 ... a1n
A
a
21
a22
光栅图形的走样有如下几种：
a) 产生阶梯或锯齿形； b) 细节或纹理绘制失真； c) 狭小图形遗失； d) 实时动画忽隐忽现、闪烁跳跃。
b) 细节或纹理绘制失真 造成走样的原因是由于采样频率太低造成的
欠采样。根据采样定理，为了避免走样，采样频 率至少应是信号最高频率的2倍。
c) 狭小图形遗失
对于小于像素尺寸 的图形对象，一方面， 如果它未能覆盖像素中 用于计算其属性的像素 中点，则这个对象将不 会显示出来；另一方面， 如果它覆盖了像素中用 于计算其属性的那一点， 它将不恰当地代表整个 像素的属性。