2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
1
计算机图形学基础
主讲,陆 枫
华中科技大学计算机学院
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
2
教学要求
? 了解图形系统的框架及其涉及的软件、硬件技术；
? 了解图形学的基本问题，掌握图形学的基本概念、
方法与算法；
? 对与图形相关的应用及当前的研究热点有一个初步
认识；
? 具有一定实践体会和相关的编程能力。
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
3
课程内容
? 概论
? 计算机图形设备
? 交互式技术
? 几何造型技术
? 基本图形生成算法
? 二维图形变换及二维观察 *
? 三维图形变换及三维观察 *
? 高级话题：曲线和曲面、真实感图形显示 *
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
4
主要参考书目
? 陈传波、陆枫，计算机图形学基础，讲义,2001
? 孙家广，计算机图形学（第三版），清华大学出版社,1999。
? 唐泽圣，计算机图形学基础，清华大学出版社,1995
? Donald Hearn,M,Pauline Baker,“Computer Graphics (C Version)”,Prentice
Hall,1997,
? James D,Foley,Andries van Dam etc.,“Introduction to Computer Graphics”,
Addison-Wesley,1996
? 倪明田等,,计算机图形学,,北京大学出版社,1999
? 唐荣锡，计算机图形学教程（修订版），科学出版社,2000
? 计算机辅助设计与图形学学报
? 中国图形图像学报
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
5
成绩评定办法
? 上机作业（含相应文档）,40%
? 笔试, 60% (or:小论文 )
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
6
第 1章 引言
提出问题
?什么是计算机图形学？
?计算机图形学研究的对象是什么？
?计算机图形处理系统的构造？
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
7
1.1 计算机图形学及其相关概念
? 计算机图形学 （ Computer Graphics）
计算机图形学 是研究怎样利用计算机来显示, 生成和
处理图形的原理, 方法和技术的一门学科 。
IEEE定义,Computer graphics is the art or science of
producing graphical images with the aid of computer,
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
8
计算机图形学与传统理论,
交叉, 界线模糊, 相互渗透
CAGD（ 计算几何 ）
逼近论 （ 计算数学 ）
微分几何
形态学
混沌学
小波理论
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
9
? 计算机图形学的研究对象 —— 图形
通常意义下的图形,
能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象都
称为图形 。
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
10
图形的要素
几何要素和非几何要素
计算机图形学中所研究的图形
从客观世界物体中抽象出来的带有颜色及形状信
息的图和形 。
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
11
? 图形的表示
点阵法 是用具有颜色信息的点阵来表示图形的一种方
法, 它强调图形由哪些点组成, 并具有什么灰度或
色彩 。
参数法 是以计算机中所记录图形的形状参数与属性参
数来表示图形的一种方法 。
通常把参数法描述的图形叫做 图形 （ Graphics）
把点阵法描述的图形叫做 图象 （ Image）
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
12
? 与计算机图形学相关的学科
计算机图形学 试图从非图象形式的数据描述来生成
（ 逼真的 ） 图象 。
数字图象处理 旨在对图象进行各种加工以改善图象
的视觉效果 。
计算机视觉 是研究用计算机来模拟生物外显或宏观
视觉功能的科学和技术 。
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
13
特征数据、结构数据
计算机图
形学
计算机
视觉
图象信号
数字图象处理
图1 - 1 图形图象处理相关学科间的关系
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
14
? 酝酿期 （ 50年代 ）
1950年, 美国 MIT的旋风 1号 (Whirlwind I)计算机配
备了阴极射线管 (CRT)来显示一些简单的图形
1.2 计算机图形学的发展
1.2.1计算机图形学的确立
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
15
? 萌芽期 （ 60年代 ）
1962年, 美国 MIT林肯实验室的 Ivan.E.Sutherland发表
了一篇题为 "Sketchpad,一个人－机通信的图形系统
"的博士论文, 其中首次使用了, Computer Graphics”
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
16
? 发展期 （ 70年代 ）
? 普及期 （ 80年代 ）
出现了带有光栅图形显示器的个人计算机和工作站
? 提高增强期 （ 90年代 ）
? 总体特征, 技术发展, 需求驱动
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
17
1.2.2 硬设备的发展
? 图形显示设备
60年代中期, 随机扫描的显示器
60年代后期, 存储管式显示器
70年代中期, 光栅扫描的图形显示器 。
目前正向着 小型化, 低电压, 数字化 方向发展
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
18
? 图形硬拷贝设备
打印机
绘图仪
? 图形输入设备
二维图形输入设备
三维图形输入设备
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
19
1.2.3 图形软件的发展及软件标准的形成
? 图形软件的发展
开放式, 高效率, 标准化, 集成化, 智能化, 学
科交叉
? 图形软件标准
与设备无关, 与应用无关, 具有较高性能
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
20
? 近二十年中, 国际标准化组织 ISO已经批准和正
在讨论的与计算机图形有关的标准有,
GKS,GKS-3D,PHIGS,CGM,
CGI,IGES,STEP
? 事实标准
如 SGI的 OpenGL,微软的 Direct X,Adobe的
Postscript等
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
21
1.3 计算机图形学的应用
1,计算机辅助设计与制造 （ CAD/CAM）
2,计算机辅助绘图
3,计算机辅助教学 （ CAI）
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
22
4,办公自动化和 电子出版技术 (Electronic
Publication)
5,计算机艺术
6,在工业控制及交通方面的应用
7,在医疗卫生方面的应用
8,图形用户界面
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
23
1.4 计算机图形系统
1.4.1 计算机图形系统的功能
图1-2 图形系统基本功能框图
显示器 交互
输出
计算
输入
存贮
数据库
图形输出设备
图形输入设备
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
24
1.4.2 计算机图形系统的结构
图形硬件
图形软件
图形应用数据结构
图形应用软件
图形支撑软件
图形计算机平台
图形设备
图
形
系
统
图1 - 3 计算机图形系统的结构
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
25
1.5 计算机图形学研究动态
? 计算机动画中的运动
? 计算机动画的制作
1.5.1 计算机动画
1.5.2 地理信息系统
强调对图形和图象的 空间分析和管理 。
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
26
1.5.3 人机交互
HCI是未来的计算机科学 。 我们已经花费了至少 50
年的时间来学习如何制造计算机以及如何编写计算
机程序 。 下一个新领域自然是让计算机服务并适应
于人类的需要, 而不是强迫人类去适应计算机 。
----Dan R,Olsen(CMU)
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
27
1.5.4 真实感图形显示
真实感图形的生成,
场景造型 →
取景变换 →
视域裁剪 →
消除隐藏面 →
可见面光亮度计算
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
28
1.5.5 虚拟 (Virtual-reality)现实
由计算机生成的一个实时三维空间 。
使用户产生一种身临其境的感觉 。
1,5,6 科学计算可视化 （ Visualization in
Scientific Computing）
,科学家们不仅需要分析由计算机得出的计算数
据, 而且需要了解在计算过程中数据的变化,
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
29
1.5.7 并行图形处理
工作站网络 （ NOW,Network of Workstation）
工作站机群 （ worksation cluster）
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
30
习题
1.名词解释：图形, 图象, 点阵法, 参数法,
2.图形包括哪两方面的要素, 在计算机中如何表
示它们？
3.什么叫计算机图形学？ 分析计算机图形学, 数
字图象处理和计算机视觉学科间的关系 。
4.有关计算机图形学的软件标准有哪些？
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
31
5.试从科学历史发展的角度分析计算机图形学以及
硬设备的发展过程 。
6.试发挥你的想象力, 举例说明计算机图形学有哪
些应用范围, 解决的问题是什么？
7.一个交互性计算机图形系统必须具有哪几种功能？
其结构如何？
8.试列举你所知道的图形输入与输出设备 。
9.你用过哪些图形软件包？ 对比它们的功能和特点 。
10.试说明你认为计算机图形学将来的发展方向, 并
进行设计和分析 。
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
32
实例演示
? 实例 1、实例 2,实例 3
? 实例 4、实例 5、实例 6
? 实例 7、实例 8、实例 9
? 实例 10、实例 11、实例 12
? 实例 13、实例 14、实例 15
99-7
1
计算机图形学基础
主讲,陆 枫
华中科技大学计算机学院
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
2
教学要求
? 了解图形系统的框架及其涉及的软件、硬件技术；
? 了解图形学的基本问题，掌握图形学的基本概念、
方法与算法；
? 对与图形相关的应用及当前的研究热点有一个初步
认识；
? 具有一定实践体会和相关的编程能力。
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
3
课程内容
? 概论
? 计算机图形设备
? 交互式技术
? 几何造型技术
? 基本图形生成算法
? 二维图形变换及二维观察 *
? 三维图形变换及三维观察 *
? 高级话题：曲线和曲面、真实感图形显示 *
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
4
主要参考书目
? 陈传波、陆枫，计算机图形学基础，讲义,2001
? 孙家广，计算机图形学（第三版），清华大学出版社,1999。
? 唐泽圣，计算机图形学基础，清华大学出版社,1995
? Donald Hearn,M,Pauline Baker,“Computer Graphics (C Version)”,Prentice
Hall,1997,
? James D,Foley,Andries van Dam etc.,“Introduction to Computer Graphics”,
Addison-Wesley,1996
? 倪明田等,,计算机图形学,,北京大学出版社,1999
? 唐荣锡，计算机图形学教程（修订版），科学出版社,2000
? 计算机辅助设计与图形学学报
? 中国图形图像学报
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
5
成绩评定办法
? 上机作业（含相应文档）,40%
? 笔试, 60% (or:小论文 )
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
6
第 1章 引言
提出问题
?什么是计算机图形学？
?计算机图形学研究的对象是什么？
?计算机图形处理系统的构造？
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
7
1.1 计算机图形学及其相关概念
? 计算机图形学 （ Computer Graphics）
计算机图形学 是研究怎样利用计算机来显示, 生成和
处理图形的原理, 方法和技术的一门学科 。
IEEE定义,Computer graphics is the art or science of
producing graphical images with the aid of computer,
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
8
计算机图形学与传统理论,
交叉, 界线模糊, 相互渗透
CAGD（ 计算几何 ）
逼近论 （ 计算数学 ）
微分几何
形态学
混沌学
小波理论
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
9
? 计算机图形学的研究对象 —— 图形
通常意义下的图形,
能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象都
称为图形 。
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
10
图形的要素
几何要素和非几何要素
计算机图形学中所研究的图形
从客观世界物体中抽象出来的带有颜色及形状信
息的图和形 。
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
11
? 图形的表示
点阵法 是用具有颜色信息的点阵来表示图形的一种方
法, 它强调图形由哪些点组成, 并具有什么灰度或
色彩 。
参数法 是以计算机中所记录图形的形状参数与属性参
数来表示图形的一种方法 。
通常把参数法描述的图形叫做 图形 （ Graphics）
把点阵法描述的图形叫做 图象 （ Image）
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
12
? 与计算机图形学相关的学科
计算机图形学 试图从非图象形式的数据描述来生成
（ 逼真的 ） 图象 。
数字图象处理 旨在对图象进行各种加工以改善图象
的视觉效果 。
计算机视觉 是研究用计算机来模拟生物外显或宏观
视觉功能的科学和技术 。
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
13
特征数据、结构数据
计算机图
形学
计算机
视觉
图象信号
数字图象处理
图1 - 1 图形图象处理相关学科间的关系
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
14
? 酝酿期 （ 50年代 ）
1950年, 美国 MIT的旋风 1号 (Whirlwind I)计算机配
备了阴极射线管 (CRT)来显示一些简单的图形
1.2 计算机图形学的发展
1.2.1计算机图形学的确立
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
15
? 萌芽期 （ 60年代 ）
1962年, 美国 MIT林肯实验室的 Ivan.E.Sutherland发表
了一篇题为 "Sketchpad,一个人－机通信的图形系统
"的博士论文, 其中首次使用了, Computer Graphics”
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
16
? 发展期 （ 70年代 ）
? 普及期 （ 80年代 ）
出现了带有光栅图形显示器的个人计算机和工作站
? 提高增强期 （ 90年代 ）
? 总体特征, 技术发展, 需求驱动
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
17
1.2.2 硬设备的发展
? 图形显示设备
60年代中期, 随机扫描的显示器
60年代后期, 存储管式显示器
70年代中期, 光栅扫描的图形显示器 。
目前正向着 小型化, 低电压, 数字化 方向发展
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
18
? 图形硬拷贝设备
打印机
绘图仪
? 图形输入设备
二维图形输入设备
三维图形输入设备
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
19
1.2.3 图形软件的发展及软件标准的形成
? 图形软件的发展
开放式, 高效率, 标准化, 集成化, 智能化, 学
科交叉
? 图形软件标准
与设备无关, 与应用无关, 具有较高性能
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
20
? 近二十年中, 国际标准化组织 ISO已经批准和正
在讨论的与计算机图形有关的标准有,
GKS,GKS-3D,PHIGS,CGM,
CGI,IGES,STEP
? 事实标准
如 SGI的 OpenGL,微软的 Direct X,Adobe的
Postscript等
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
21
1.3 计算机图形学的应用
1,计算机辅助设计与制造 （ CAD/CAM）
2,计算机辅助绘图
3,计算机辅助教学 （ CAI）
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
22
4,办公自动化和 电子出版技术 (Electronic
Publication)
5,计算机艺术
6,在工业控制及交通方面的应用
7,在医疗卫生方面的应用
8,图形用户界面
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
23
1.4 计算机图形系统
1.4.1 计算机图形系统的功能
图1-2 图形系统基本功能框图
显示器 交互
输出
计算
输入
存贮
数据库
图形输出设备
图形输入设备
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
24
1.4.2 计算机图形系统的结构
图形硬件
图形软件
图形应用数据结构
图形应用软件
图形支撑软件
图形计算机平台
图形设备
图
形
系
统
图1 - 3 计算机图形系统的结构
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
25
1.5 计算机图形学研究动态
? 计算机动画中的运动
? 计算机动画的制作
1.5.1 计算机动画
1.5.2 地理信息系统
强调对图形和图象的 空间分析和管理 。
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
26
1.5.3 人机交互
HCI是未来的计算机科学 。 我们已经花费了至少 50
年的时间来学习如何制造计算机以及如何编写计算
机程序 。 下一个新领域自然是让计算机服务并适应
于人类的需要, 而不是强迫人类去适应计算机 。
----Dan R,Olsen(CMU)
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
27
1.5.4 真实感图形显示
真实感图形的生成,
场景造型 →
取景变换 →
视域裁剪 →
消除隐藏面 →
可见面光亮度计算
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
28
1.5.5 虚拟 (Virtual-reality)现实
由计算机生成的一个实时三维空间 。
使用户产生一种身临其境的感觉 。
1,5,6 科学计算可视化 （ Visualization in
Scientific Computing）
,科学家们不仅需要分析由计算机得出的计算数
据, 而且需要了解在计算过程中数据的变化,
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
29
1.5.7 并行图形处理
工作站网络 （ NOW,Network of Workstation）
工作站机群 （ worksation cluster）
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
30
习题
1.名词解释：图形, 图象, 点阵法, 参数法,
2.图形包括哪两方面的要素, 在计算机中如何表
示它们？
3.什么叫计算机图形学？ 分析计算机图形学, 数
字图象处理和计算机视觉学科间的关系 。
4.有关计算机图形学的软件标准有哪些？
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
31
5.试从科学历史发展的角度分析计算机图形学以及
硬设备的发展过程 。
6.试发挥你的想象力, 举例说明计算机图形学有哪
些应用范围, 解决的问题是什么？
7.一个交互性计算机图形系统必须具有哪几种功能？
其结构如何？
8.试列举你所知道的图形输入与输出设备 。
9.你用过哪些图形软件包？ 对比它们的功能和特点 。
10.试说明你认为计算机图形学将来的发展方向, 并
进行设计和分析 。
2013-3-1 华中科技大学计算机学院 陆枫
99-7
32
实例演示
? 实例 1、实例 2,实例 3
? 实例 4、实例 5、实例 6
? 实例 7、实例 8、实例 9
? 实例 10、实例 11、实例 12
? 实例 13、实例 14、实例 15
