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
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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
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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%
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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。
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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
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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
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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
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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)
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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）
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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。
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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
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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
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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
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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
。
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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
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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
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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
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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
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1.2 计算机图形学的发展硬设备的发展
21
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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
