计算机图形学
第一章 绪论
苏小红
计算机学院
教材：
李东，孙长嵩，苏小红，计算机图形学实用
教程，人民邮电出版社,2004年 7月
参
考
书
陈元琰，张晓竟，计算机图形学实用技术，科学出版社，
2000
David F,Rogers 著，石教英，彭群生等译,Procedural
Elements for Computer Graphics (Second Edition)计
算机图形学的算法基础，机械工业出版社,2002
孙家广，杨长贵，计算机图形学，清华大学出版社,1995
唐荣锡，汪嘉业，彭群生，汪国昭，计算机图形学教程
（修订版），科学出版社,2000
Donald Hearn,M,Pauline Baker,计算机图形学，电子
工业出版社,1998
齐东旭，计算机动画原理与应用，科学出版社,1998
第
1
章
绪
论
?应用领域
?与相关学科的关系
?发展简史
?研究内容
?什么是计算机图形学
?交互式计算机图形处理系统
什
么
是
计
算
机
图
形
学
Computer Graphics (CG)
计算机图形学是研究怎样用计
算机生成, 处理和显示图形的一门
学科 。
国际标准化组织 (ISO)的定义：
计算机图形学是研究通过计算机将
数据转换为图形, 并在专门显示设备上
显示的原理, 方法和技术的学科 。
它是建立在传统的图学理论, 应用
数学和计算机科学基础上的一门边缘学
科 。
图形的构成要素
广义的概念
几何要素 —— 几何属性
? 点、线、面、体
非几何要素 —— 视觉属性
? 明暗、灰度、色彩、纹理、透明性、
线型、线宽
研
究
内
容
计算机对图形数据处理的硬件和软件
围绕着生成、表示物体的图形的
准确性 ->真实性 ->实时性
算法可大致分为以下几类：
基于图形设备的基本图形元素的生成算法
图形的变换和裁剪
自由曲线和曲面 —— 计算几何
真实感图形的生成算法
三维几何造型技术
山、水、花、草、树木、云、烟、火焰、雪
景等模糊复杂景物的生成 —— 分形几何
三维或高维数据场的可视化
图形的并行处理
虚拟现实环境 —— 实时交互式三维图形处理
与
相
关
学
科
的
关
系
图像处理
计
算
机
图
形
学
模
式
识
别
图 像
计算几何
特 征 数 据
几 何 模 型
CAD/CAM
计算机艺术
计算机动画
计算机视觉
发
展
简
史
?准备阶段（ 50年代）
?1950年,MIT，第一台图形显示器,旋风 I号
(Whirlwind I)计算机的附件，类似于示波器的阴
极射线管 (CRT) 。
?到 50年代末期,MIT林肯实验室在“旋风”计
算机上开发 SAGE空中防御系统，光笔，交互式
图形生成技术。
?发展阶段（ 60年代）
?MIT林肯实验室的 I.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，首次使用 Computer Graphics术语。计算
机图形学之父。
?60年代中期，美国 MIT、通用汽车公司、贝尔
电话实验室、洛克希德飞机公司、法国雷诺汽车
公司、英国剑桥大学
?随机扫描显示器
发
展
简
史
?推广应用阶段（ 70年代）
?基于电视技术的光栅扫描显示器的出现，图形学
进入了第一个兴盛的时期，并开始出现实用的
CAD图形系统。
?众多商品化软件的出现，使图形标准化问题也被
提上议程。
?74年，美国计算机学会成立图形标准化委员会
(ACM SIGGRAPH)
?系统实用化阶段（ 80年代）
?80年代，超大规模集成电路的发展，奠定了物质
基础，工作站的出现，促进了图形学的发展。
?标准化智能化阶段（ 90年代）
?朝着标准化、集成化和智能化的方向发展
?国际标准化组织（ ISO）公布的图形标准也越多、
且更加成熟
应
用
?图形用户界面
?计算机辅助设计与制造 —— 工业领域
?CAD/CAM是 CG在工业界最广泛、最活
跃的应用领域。
?飞机、汽车、船舶、机电、轻工、服装
的外形设计
?集成电路、印刷电路板的设计
?建筑设计
?基于工程图纸的三维形体重建
?计算机动画 —— 商业领域
?广告设计
?电脑游戏
?卡通动画片
?影视特技
应
用
?计算机艺术 —— 艺术领域
?齐东旭
?潘云鹤
?智能 CAD
应
用
应
用
?过程控制
?石油化工、金属冶炼、电网控制的工作
人员根据设备关键部位的传感器送来得图
像和数据，对设备运行过程进行监控
?机场、铁路的调度人员通过计算机产生
运行状态信息来调整空中交通和铁路运输
?系统环境模拟
?飞行模拟舱 —— 用光栅扫描器产生驾驶
员在驾驶舱中预期所能看到的景象，对
飞行员进行单飞前的地面训练和飞机格
斗训练等
应
用
应
用
?事务和商务数据的图形显示
?绘制表示经济信息的各类二、三维统计
管理图表
?信息可视化,信息流量，商业统计数据，
股市行情
应
用
?地形地貌和自然资源的图形显示
?地理信息系统（ GIS）
?数字地球，地形数据作为载体，（ 70％）
全球信息化,
?军事，政府决策，旅游，资源调查。
?地理图、地形图、矿藏分布图、气象气流
图、植物分布图
应
用
?科学计算的可视化
?不同于可视化计算
?（ CT）医学图象重建，流场、湍流、激
波、核爆模拟，有限元分析、气象分析、
天体物理、分子生物学
多媒体应用
CAI,教学娱乐。
在计算机控制下，对多种媒体信息进行生
成、操作、表现、存储、通信、或集成的
信息系统
计算机处理的常见媒体：文本、图形、图
像、语音、音频、视频、动画
应
用
第一章 绪论
苏小红
计算机学院
教材：
李东，孙长嵩，苏小红，计算机图形学实用
教程，人民邮电出版社,2004年 7月
参
考
书
陈元琰，张晓竟，计算机图形学实用技术，科学出版社，
2000
David F,Rogers 著，石教英，彭群生等译,Procedural
Elements for Computer Graphics (Second Edition)计
算机图形学的算法基础，机械工业出版社,2002
孙家广，杨长贵，计算机图形学，清华大学出版社,1995
唐荣锡，汪嘉业，彭群生，汪国昭，计算机图形学教程
（修订版），科学出版社,2000
Donald Hearn,M,Pauline Baker,计算机图形学，电子
工业出版社,1998
齐东旭，计算机动画原理与应用，科学出版社,1998
第
1
章
绪
论
?应用领域
?与相关学科的关系
?发展简史
?研究内容
?什么是计算机图形学
?交互式计算机图形处理系统
什
么
是
计
算
机
图
形
学
Computer Graphics (CG)
计算机图形学是研究怎样用计
算机生成, 处理和显示图形的一门
学科 。
国际标准化组织 (ISO)的定义：
计算机图形学是研究通过计算机将
数据转换为图形, 并在专门显示设备上
显示的原理, 方法和技术的学科 。
它是建立在传统的图学理论, 应用
数学和计算机科学基础上的一门边缘学
科 。
图形的构成要素
广义的概念
几何要素 —— 几何属性
? 点、线、面、体
非几何要素 —— 视觉属性
? 明暗、灰度、色彩、纹理、透明性、
线型、线宽
研
究
内
容
计算机对图形数据处理的硬件和软件
围绕着生成、表示物体的图形的
准确性 ->真实性 ->实时性
算法可大致分为以下几类：
基于图形设备的基本图形元素的生成算法
图形的变换和裁剪
自由曲线和曲面 —— 计算几何
真实感图形的生成算法
三维几何造型技术
山、水、花、草、树木、云、烟、火焰、雪
景等模糊复杂景物的生成 —— 分形几何
三维或高维数据场的可视化
图形的并行处理
虚拟现实环境 —— 实时交互式三维图形处理
与
相
关
学
科
的
关
系
图像处理
计
算
机
图
形
学
模
式
识
别
图 像
计算几何
特 征 数 据
几 何 模 型
CAD/CAM
计算机艺术
计算机动画
计算机视觉
发
展
简
史
?准备阶段（ 50年代）
?1950年,MIT，第一台图形显示器,旋风 I号
(Whirlwind I)计算机的附件，类似于示波器的阴
极射线管 (CRT) 。
?到 50年代末期,MIT林肯实验室在“旋风”计
算机上开发 SAGE空中防御系统，光笔，交互式
图形生成技术。
?发展阶段（ 60年代）
?MIT林肯实验室的 I.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，首次使用 Computer Graphics术语。计算
机图形学之父。
?60年代中期，美国 MIT、通用汽车公司、贝尔
电话实验室、洛克希德飞机公司、法国雷诺汽车
公司、英国剑桥大学
?随机扫描显示器
发
展
简
史
?推广应用阶段（ 70年代）
?基于电视技术的光栅扫描显示器的出现，图形学
进入了第一个兴盛的时期，并开始出现实用的
CAD图形系统。
?众多商品化软件的出现，使图形标准化问题也被
提上议程。
?74年，美国计算机学会成立图形标准化委员会
(ACM SIGGRAPH)
?系统实用化阶段（ 80年代）
?80年代，超大规模集成电路的发展，奠定了物质
基础，工作站的出现，促进了图形学的发展。
?标准化智能化阶段（ 90年代）
?朝着标准化、集成化和智能化的方向发展
?国际标准化组织（ ISO）公布的图形标准也越多、
且更加成熟
应
用
?图形用户界面
?计算机辅助设计与制造 —— 工业领域
?CAD/CAM是 CG在工业界最广泛、最活
跃的应用领域。
?飞机、汽车、船舶、机电、轻工、服装
的外形设计
?集成电路、印刷电路板的设计
?建筑设计
?基于工程图纸的三维形体重建
?计算机动画 —— 商业领域
?广告设计
?电脑游戏
?卡通动画片
?影视特技
应
用
?计算机艺术 —— 艺术领域
?齐东旭
?潘云鹤
?智能 CAD
应
用
应
用
?过程控制
?石油化工、金属冶炼、电网控制的工作
人员根据设备关键部位的传感器送来得图
像和数据，对设备运行过程进行监控
?机场、铁路的调度人员通过计算机产生
运行状态信息来调整空中交通和铁路运输
?系统环境模拟
?飞行模拟舱 —— 用光栅扫描器产生驾驶
员在驾驶舱中预期所能看到的景象，对
飞行员进行单飞前的地面训练和飞机格
斗训练等
应
用
应
用
?事务和商务数据的图形显示
?绘制表示经济信息的各类二、三维统计
管理图表
?信息可视化,信息流量，商业统计数据，
股市行情
应
用
?地形地貌和自然资源的图形显示
?地理信息系统（ GIS）
?数字地球，地形数据作为载体，（ 70％）
全球信息化,
?军事，政府决策，旅游，资源调查。
?地理图、地形图、矿藏分布图、气象气流
图、植物分布图
应
用
?科学计算的可视化
?不同于可视化计算
?（ CT）医学图象重建，流场、湍流、激
波、核爆模拟，有限元分析、气象分析、
天体物理、分子生物学
多媒体应用
CAI,教学娱乐。
在计算机控制下，对多种媒体信息进行生
成、操作、表现、存储、通信、或集成的
信息系统
计算机处理的常见媒体：文本、图形、图
像、语音、音频、视频、动画
应
用
