余 敦 辉湖北大学 数计学院计算机图形学
2
2
教材
孙家广、杨长贵,计算机图形学（新版）,清华大学出版社，
1995
主要参考书：
谢步瀛，计算机绘图教程，上海同济大学出版社,1995
倪明田、吴良芝，计算机图形学，北京大学出版社,1999.11
陈传波，陆枫，计算机图形学基础，电子工业出版社,2002 （
教材）
Donald Hearn,M,Pauline Baker.,Computer Graphics,C
version”,Prentice-Hall Inc,1997
James D,Foley,etc.,Introduction to Computer Graphics”,
Addison-Wesley publishing Company,1996
计算机辅助设计与图形学学报
3
3
平时与考试要求：
1,不迟到
2,上课不说话
3,多提问题与建议
4,课下多讨论，理论联系实际考试（成绩分布）：
1、期末考试 ----60%
2、上机作业 ----30%
3、书面作业 ----10%
4
4
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。
5
5
第一章 绪论
什么是计算机图形学？
—计算机图形学 是利用计算机研究图形的表示
、生成、处理、显示的学科。
—计算机图形学 是 计算机科学中，最为活跃、
得到广泛应用的分支之一
6
6
1.1 计算机图形学及其相关概念计算机图形学研究的对象
图形,计算机图形学的研究对象
—能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象
—包括自然景物、拍摄到的图片,用数学方法描述的图形 等等
图形的要素几何要素：
刻画形状的点、线、面、体等几何要素非几何要素：
反映物体表面属性或材质的明暗,灰度,色彩等
7
7
1.1 计算机图形学及其相关概念计算机图形学研究的对象
计算机图形学所研究图形的定义：从客观世界中抽象出来的带有颜色及形状信息的图和形。
计算机中表示图形的方法
—点阵表示
–枚举出图形中所有的点
–简称为图像（数字图像）
—参数表示
–形状参数 +属性参数
–简称为图形
a11 a12 a13 a14 a15
a21 a22 a23 a24 a25
a31 a32 a33 a34 a35
a41 a42 a43 a44 a45
a51 a52 a53 a54 a55
灰度或颜色信息
5× 5图象
0
x
y
直线的参数方程,ax+by+c=0
8
8
1.1 计算机图形学及其相关概念计算机图形学研究的对象
图形与图象
—图象纯指计算机内以位图 (Bitmap)形式存在的灰度信息 。
—图形含有几何属性，更强调场景的几何表示，
是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成的。
—图形主要分为两类
–基于线条信息表示
–明暗图 (Shading)
9
9
1.1 计算机图形学及其相关概念计算机图形学研究的对象
计算机图形学的研究内容
图形的输入
图形的处理
图形的输出
与相关学科的关系数字图像数据模型图像生成（计算机图形学）
模型（特征）提取
（计算机视觉，模式识别）
模型变换
（计算几何）
图像变换
（图像处理）
10
10
1.2 计算机图形学的发展
开创阶段（ 50年代 ~60年代）
1950年,MIT采用原理类似于示波器阴极射线管（
CRT） 作为旋风一号的图形显示器。
1958年，滚筒式绘图仪和平板式绘图仪研制成功。
50年代末,SAGE空中防御指挥系统采用光笔作为输入设备，标志着交互式图形技术的诞生。
11
11
1.2 计算机图形学的发展
迅速发展阶段
（ 60年代初 ~60年代末）
— 1962年,MIT林肯实验室的 I,E,Sutherland(
图形学之父 )发表了一篇题为,Sketchpad,一个人机交互通信的图形系统,的博士论文
— 1962年，雷诺汽车公司的工程师 Pierre
Bézier 提出 Bézier曲线、曲面的理论
— 1964年 MIT的教授 Steven A,Coons提出了超限插值的新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。
12
12
降低成本阶段（ 60年代末 ~70年代初 ）
存储管显示器出现，大大降低图形硬件系统成本 。
70年代初，出现一批通用的、可移植的软件系统。
1.2 计算机图形学的发展存储管显示器的结构
13
13
发展成熟阶段（ 70年代初
~80年代初）
光栅扫描显示器得到推广。
出现许多新型的图形输入设备
，如各类图形输入板，坐标数字化仪，跟踪球，鼠标器等。
GKS,PHIGS等国际标准的建立
。
1.2 计算机图形学的发展光学跟踪球
14
14
推广应用阶段
（ 80年代中 ~90年代中）
1.2 计算机图形学的发展
SGI 图形工作站图形工作站的出现，如
Apollo,
Sun,HP等
。
15
15
目前（九十年代中至今）
微机和软件系统的普及使得图形学的应用领域日益广泛。
图形学已经同模式识别、人工智能、数据库等众多领域结合，形成一些交叉学科，如工程数据库、多媒体等。
1.2 计算机图形学的发展
16
16
发展历程五十年代 MIT 旋风一号，计算机驱动 CRT+照相机，SAGE(交互式图形技术诞生 )
六十年代 随机扫描显示器，图形学之父六十年代至七十年代初 存储管显示器，应用的软件包光栅扫描显示器，新型的图形输入设备，
图形语言标准八十年代至九十年代初 图形工作站 (Apollo,Sun,Hp)
时间 特 征九十年代至今 微机，交叉学科（多媒体等）
六十年代至七十年代初
1.2 计算机图形学的发展
17
17
1.2 计算机图形学的发展硬设备的发展
图形显示设备的发展随机扫描显示器存储管式显示器刷新式光栅扫描显示器
18
18
随机扫描显示器,
电子束轰击荧光屏产生的亮点只能持续极短的时间，为了产生静态的不闪烁的图像，电子束必须周期性地反复扫描所要绘制的图形，这个过程称为 刷新
存储管式显示器,
内置金属网受到电子束轰击之后形成 靶像,它可以持续发出电子，在荧光屏上产生静态图像
— 无需刷新，价格较低
— 没有动态修改图形的能力
刷新式光栅扫描显示器,
— 价格低
— 性能高
— 成为当前的主流显示器
1.2 计算机图形学的发展硬设备的发展
19
19
图形输入设备的发展
—第一阶段：控制开关、穿孔纸等等
—第二阶段：键盘
—第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、
图形输入板、触摸屏等等，语音
—第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据手套、数据衣），用户的手势、表情等等
—第五阶段,用户的思维
1.2 计算机图形学的发展硬设备的发展
20
20
1.2 计算机图形学的发展硬设备的发展
21
21
1.2 计算机图形学的发展硬设备的发展
图形软件的发展及软件标准的形成
—发展历程
—两类标准
–官方标准（标准组织制定的标准）,GKS(Graphical
Kernel System),PHIGS(Programmer’s
Hierarchical Interactive Graphics System)
–工业标准（事实上的标准）,SGI等公司的 OpenGL
,微软公司的 DirectX,X财团的 Xlib,Adobe公司的
PostScript等等诸侯割据 标准讨论 标准形成
22
22
绘制数学、物理以及经济函数的二维及三维图形：直方图、线条图、扇形图、进程图,.,
特点：简洁、直观
—— >数据的模型和趋势 。
1.3 计算机图形学的应用管理、科学技术：
23
23
1.3 计算机图形学的应用计算机辅助设计
—Computer-Aided
Design
—应用领域：飞机、
轮船、汽车外形，
大规模集成电路，
建筑，服装，玩具
—优点：设计周期短
，成本低，质量高
24
24
1.3 计算机图形学的应用制图学
以高精度的地理或其他自然现象的图形 — >纸或胶片上。包括地图、地质图、油层图、海图、气象、人口密度图
...
25
25
用计算机可以产生完整的动画效果，可用于艺术创作，
模拟真实的环境，或进行飞机、驾驶等训练。
1.3 计算机图形学的应用动画
26
26
1.3 计算机图形学的应用模拟
数学图形 —— 科学现象的数学模型 (液体流动、相对论、核反应、
化学反应、生理系统与器官以及有负载时结构的变形等 )
DNA柱体皮肤结构：
真皮，
上皮及附属结构
27
27
1.3 计算机图形学的应用过程控制
利用交互式图形生成技术形成的人机交互系统，实现人与控制或管理对象之间的相互作用。
如工厂中的设备、
工序控制，机场与铁路的调度等。
28
28
1.3 计算机图形学的应用艺术和教育
教学活动蝉（线框图）
29
29
1.3 计算机图形学的应用办公自动化
在办公室中，用图形方式显示并交换文件、报表、图例和其它信息，并在输出设备上输出、保存起来。
30
30
1.4 计算机图形系统一,一般工作过程
计算机图形系统是一个由 软、硬相互结合 的有机整体。系统在工作时，由 主机 执行应用程序
，通过 图形输入设备,数据库或交互装置 读取数据,按一定数据结构组织起来，不断调用事先存储好的 图形显示子程序,将处理后得到的数据 送往 显示处理器，从图形显示器或其它输出设备 输出图形 。
1.4 计算机图形系统一、一般工作过程示意图数据结构 应用程序 图形子程序包交互装置 主机 显示处 理器输出通道
32
32
1.4 计算机图形系统二、基本组成
系统硬件
显示处理器,重复解释、执行 D.F,
刷新处理器,存放显示文件
交互装置,人机交互工具
硬拷贝装置,实现图形永久性输出的装置
本地计算机,生成显示文件图形互换
主机,语言的解释或编译，数据库管理等
33
33
1.4 计算机图形系统二、基本组成系统硬件示意图交互装置显示器显示处理器本地计算机主机刷新存储器硬拷贝装置
34
34
1.4 计算机图形系统二、基本组成系统软件应用程序,需要执行的指令序列应用数据结构 /模型,全面描述对象的特点图形系统,完成实际功能,是与硬件的接口
35
35
1.4 计算机图形系统二、基本组成系统软件示意图数据结构 /模型 应用程序 图形系统输入数据提取数据 子程序调用描述物体的机和特征
36
36
1.4 计算机图形系统三、基本功能
计算机图形系统的功能图形输出设备输出计算输入图形输入设备交互 存贮显示器 数据库
37
37补充：当前热点
曲面造型技术和参数化特征造型技术
真实感图像的实时动态绘制
— 复杂模型的简化及多分辨率表示算法
— 可见性检测算法
— 纹理代替特殊复杂模型
— 模型的几何压缩算法
图像生成技术与图像处理的结合 (可视化 )
虚拟现实技术将促进计算机图形学的进步
To 21
38
38
Virtual Reality
Immersion
— 沉浸 全方位投入，身临其景
Interaction
— 交互 响应用户的各种输入手势、语言命令、身体动作
Imagination
— 构想 生动形象地反映设计者的思想
39
39硬件方面的要求
跟踪系统,确定参与者头、手和躯干的位置
触觉系统,提供力和压力的反馈
音频系统,提供立体声源和判定空间位置
图像生成与显示系统,产生空间图像和立体显示
高性能计算机处理系统,高速度、大容量、联网
To 20
2
2
教材
孙家广、杨长贵,计算机图形学（新版）,清华大学出版社，
1995
主要参考书：
谢步瀛，计算机绘图教程，上海同济大学出版社,1995
倪明田、吴良芝，计算机图形学，北京大学出版社,1999.11
陈传波，陆枫，计算机图形学基础，电子工业出版社,2002 （
教材）
Donald Hearn,M,Pauline Baker.,Computer Graphics,C
version”,Prentice-Hall Inc,1997
James D,Foley,etc.,Introduction to Computer Graphics”,
Addison-Wesley publishing Company,1996
计算机辅助设计与图形学学报
3
3
平时与考试要求：
1,不迟到
2,上课不说话
3,多提问题与建议
4,课下多讨论，理论联系实际考试（成绩分布）：
1、期末考试 ----60%
2、上机作业 ----30%
3、书面作业 ----10%
4
4
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。
5
5
第一章 绪论
什么是计算机图形学？
—计算机图形学 是利用计算机研究图形的表示
、生成、处理、显示的学科。
—计算机图形学 是 计算机科学中，最为活跃、
得到广泛应用的分支之一
6
6
1.1 计算机图形学及其相关概念计算机图形学研究的对象
图形,计算机图形学的研究对象
—能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象
—包括自然景物、拍摄到的图片,用数学方法描述的图形 等等
图形的要素几何要素：
刻画形状的点、线、面、体等几何要素非几何要素：
反映物体表面属性或材质的明暗,灰度,色彩等
7
7
1.1 计算机图形学及其相关概念计算机图形学研究的对象
计算机图形学所研究图形的定义：从客观世界中抽象出来的带有颜色及形状信息的图和形。
计算机中表示图形的方法
—点阵表示
–枚举出图形中所有的点
–简称为图像（数字图像）
—参数表示
–形状参数 +属性参数
–简称为图形
a11 a12 a13 a14 a15
a21 a22 a23 a24 a25
a31 a32 a33 a34 a35
a41 a42 a43 a44 a45
a51 a52 a53 a54 a55
灰度或颜色信息
5× 5图象
0
x
y
直线的参数方程,ax+by+c=0
8
8
1.1 计算机图形学及其相关概念计算机图形学研究的对象
图形与图象
—图象纯指计算机内以位图 (Bitmap)形式存在的灰度信息 。
—图形含有几何属性，更强调场景的几何表示，
是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成的。
—图形主要分为两类
–基于线条信息表示
–明暗图 (Shading)
9
9
1.1 计算机图形学及其相关概念计算机图形学研究的对象
计算机图形学的研究内容
图形的输入
图形的处理
图形的输出
与相关学科的关系数字图像数据模型图像生成（计算机图形学）
模型（特征）提取
（计算机视觉，模式识别）
模型变换
（计算几何）
图像变换
（图像处理）
10
10
1.2 计算机图形学的发展
开创阶段（ 50年代 ~60年代）
1950年,MIT采用原理类似于示波器阴极射线管（
CRT） 作为旋风一号的图形显示器。
1958年，滚筒式绘图仪和平板式绘图仪研制成功。
50年代末,SAGE空中防御指挥系统采用光笔作为输入设备，标志着交互式图形技术的诞生。
11
11
1.2 计算机图形学的发展
迅速发展阶段
（ 60年代初 ~60年代末）
— 1962年,MIT林肯实验室的 I,E,Sutherland(
图形学之父 )发表了一篇题为,Sketchpad,一个人机交互通信的图形系统,的博士论文
— 1962年，雷诺汽车公司的工程师 Pierre
Bézier 提出 Bézier曲线、曲面的理论
— 1964年 MIT的教授 Steven A,Coons提出了超限插值的新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。
12
12
降低成本阶段（ 60年代末 ~70年代初 ）
存储管显示器出现，大大降低图形硬件系统成本 。
70年代初，出现一批通用的、可移植的软件系统。
1.2 计算机图形学的发展存储管显示器的结构
13
13
发展成熟阶段（ 70年代初
~80年代初）
光栅扫描显示器得到推广。
出现许多新型的图形输入设备
，如各类图形输入板，坐标数字化仪，跟踪球，鼠标器等。
GKS,PHIGS等国际标准的建立
。
1.2 计算机图形学的发展光学跟踪球
14
14
推广应用阶段
（ 80年代中 ~90年代中）
1.2 计算机图形学的发展
SGI 图形工作站图形工作站的出现，如
Apollo,
Sun,HP等
。
15
15
目前（九十年代中至今）
微机和软件系统的普及使得图形学的应用领域日益广泛。
图形学已经同模式识别、人工智能、数据库等众多领域结合，形成一些交叉学科，如工程数据库、多媒体等。
1.2 计算机图形学的发展
16
16
发展历程五十年代 MIT 旋风一号，计算机驱动 CRT+照相机，SAGE(交互式图形技术诞生 )
六十年代 随机扫描显示器，图形学之父六十年代至七十年代初 存储管显示器，应用的软件包光栅扫描显示器，新型的图形输入设备，
图形语言标准八十年代至九十年代初 图形工作站 (Apollo,Sun,Hp)
时间 特 征九十年代至今 微机，交叉学科（多媒体等）
六十年代至七十年代初
1.2 计算机图形学的发展
17
17
1.2 计算机图形学的发展硬设备的发展
图形显示设备的发展随机扫描显示器存储管式显示器刷新式光栅扫描显示器
18
18
随机扫描显示器,
电子束轰击荧光屏产生的亮点只能持续极短的时间，为了产生静态的不闪烁的图像，电子束必须周期性地反复扫描所要绘制的图形，这个过程称为 刷新
存储管式显示器,
内置金属网受到电子束轰击之后形成 靶像,它可以持续发出电子，在荧光屏上产生静态图像
— 无需刷新，价格较低
— 没有动态修改图形的能力
刷新式光栅扫描显示器,
— 价格低
— 性能高
— 成为当前的主流显示器
1.2 计算机图形学的发展硬设备的发展
19
19
图形输入设备的发展
—第一阶段：控制开关、穿孔纸等等
—第二阶段：键盘
—第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、
图形输入板、触摸屏等等，语音
—第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据手套、数据衣），用户的手势、表情等等
—第五阶段,用户的思维
1.2 计算机图形学的发展硬设备的发展
20
20
1.2 计算机图形学的发展硬设备的发展
21
21
1.2 计算机图形学的发展硬设备的发展
图形软件的发展及软件标准的形成
—发展历程
—两类标准
–官方标准（标准组织制定的标准）,GKS(Graphical
Kernel System),PHIGS(Programmer’s
Hierarchical Interactive Graphics System)
–工业标准（事实上的标准）,SGI等公司的 OpenGL
,微软公司的 DirectX,X财团的 Xlib,Adobe公司的
PostScript等等诸侯割据 标准讨论 标准形成
22
22
绘制数学、物理以及经济函数的二维及三维图形：直方图、线条图、扇形图、进程图,.,
特点：简洁、直观
—— >数据的模型和趋势 。
1.3 计算机图形学的应用管理、科学技术：
23
23
1.3 计算机图形学的应用计算机辅助设计
—Computer-Aided
Design
—应用领域：飞机、
轮船、汽车外形，
大规模集成电路，
建筑，服装，玩具
—优点：设计周期短
，成本低，质量高
24
24
1.3 计算机图形学的应用制图学
以高精度的地理或其他自然现象的图形 — >纸或胶片上。包括地图、地质图、油层图、海图、气象、人口密度图
...
25
25
用计算机可以产生完整的动画效果，可用于艺术创作，
模拟真实的环境，或进行飞机、驾驶等训练。
1.3 计算机图形学的应用动画
26
26
1.3 计算机图形学的应用模拟
数学图形 —— 科学现象的数学模型 (液体流动、相对论、核反应、
化学反应、生理系统与器官以及有负载时结构的变形等 )
DNA柱体皮肤结构：
真皮，
上皮及附属结构
27
27
1.3 计算机图形学的应用过程控制
利用交互式图形生成技术形成的人机交互系统，实现人与控制或管理对象之间的相互作用。
如工厂中的设备、
工序控制，机场与铁路的调度等。
28
28
1.3 计算机图形学的应用艺术和教育
教学活动蝉（线框图）
29
29
1.3 计算机图形学的应用办公自动化
在办公室中，用图形方式显示并交换文件、报表、图例和其它信息，并在输出设备上输出、保存起来。
30
30
1.4 计算机图形系统一,一般工作过程
计算机图形系统是一个由 软、硬相互结合 的有机整体。系统在工作时，由 主机 执行应用程序
，通过 图形输入设备,数据库或交互装置 读取数据,按一定数据结构组织起来，不断调用事先存储好的 图形显示子程序,将处理后得到的数据 送往 显示处理器，从图形显示器或其它输出设备 输出图形 。
1.4 计算机图形系统一、一般工作过程示意图数据结构 应用程序 图形子程序包交互装置 主机 显示处 理器输出通道
32
32
1.4 计算机图形系统二、基本组成
系统硬件
显示处理器,重复解释、执行 D.F,
刷新处理器,存放显示文件
交互装置,人机交互工具
硬拷贝装置,实现图形永久性输出的装置
本地计算机,生成显示文件图形互换
主机,语言的解释或编译，数据库管理等
33
33
1.4 计算机图形系统二、基本组成系统硬件示意图交互装置显示器显示处理器本地计算机主机刷新存储器硬拷贝装置
34
34
1.4 计算机图形系统二、基本组成系统软件应用程序,需要执行的指令序列应用数据结构 /模型,全面描述对象的特点图形系统,完成实际功能,是与硬件的接口
35
35
1.4 计算机图形系统二、基本组成系统软件示意图数据结构 /模型 应用程序 图形系统输入数据提取数据 子程序调用描述物体的机和特征
36
36
1.4 计算机图形系统三、基本功能
计算机图形系统的功能图形输出设备输出计算输入图形输入设备交互 存贮显示器 数据库
37
37补充：当前热点
曲面造型技术和参数化特征造型技术
真实感图像的实时动态绘制
— 复杂模型的简化及多分辨率表示算法
— 可见性检测算法
— 纹理代替特殊复杂模型
— 模型的几何压缩算法
图像生成技术与图像处理的结合 (可视化 )
虚拟现实技术将促进计算机图形学的进步
To 21
38
38
Virtual Reality
Immersion
— 沉浸 全方位投入，身临其景
Interaction
— 交互 响应用户的各种输入手势、语言命令、身体动作
Imagination
— 构想 生动形象地反映设计者的思想
39
39硬件方面的要求
跟踪系统,确定参与者头、手和躯干的位置
触觉系统,提供力和压力的反馈
音频系统,提供立体声源和判定空间位置
图像生成与显示系统,产生空间图像和立体显示
高性能计算机处理系统,高速度、大容量、联网
To 20
