计算机图形学【笔记】

更新时间：2023-06-11 12:38:01 阅读量：实用文档文档下载

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第一章计算机图形学简介

1、什么是计算机图形学（定义）：计算机图形学是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。计算机图形学一个主要的目的就是要利用计算机生成图形。

2、研究内容－－图形

○研究计算机生成的图形

○到处是计算机生成的图形：电视、书籍、杂志

○当前的屏幕

3、

图形系统的基本构成

4、光栅图形：也称为图像，以像素数组的形式贮存在帧缓冲区中。

利用光栅图形既可以绘制直线与曲线以及线框图，也可以生成填充的多边

形。

5、应用领域：

○科学可视化○计算机辅助设计○显示模拟○流程控制○图像处理○艺术、娱乐、出版业

计算机图形学应用举例：

※计算机辅助设计

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

※科学计算可视化

–必要性：直接分析大量的测量数据或统计数据有困难

–目标：用图形表现抽象的数据

–应用领域：医学，遥感，流场等等

※信息可视化：信息流量，商业统计数据，股市行情……

※科技、教育、商业领域的交互式绘图

※计算机艺术

–书法、艺术图片

–输入工具：键盘、鼠标、手写笔等等

–软件工具：PhotoShop、CorelDraw、PaintBrush等等

–优点：功能多、创作轻松、调色方便等等

–缺点：目前难以容入人的灵感（未来的研究课题）

※地理信息系统

–建立在地理图形之上的关于各种资源的综合信息管理系统

※计算机动画及广告影视创作

–传统动画：费时费力，质量差，

–例子：《大闹天宫》，90*60*24=129，600张胶片，几十位动画工作者

近两年的时间

–计算机动画（ComputerAnimation):效率高，质量高

–例子：《侏罗纪公园》

–计算机动画创作工具：3DMAX,MAYA等等

※电脑游戏

–逼实性

–实时性

–蕴含了先进的图形处理技术

※多媒体系统

-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，其中媒体至少应包括一种“连续媒体”及一种“离散媒体”

-计算机处理的常见媒体：文本、图形、图像、语音、音频、视频、动画

-特点：媒体的多样性、操作的交互性、系统的集成性

※增强虚拟现实系统

–VirtualReality或称虚拟环境（VirtualEnvironment)

–是用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感

觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一

生成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察。

–输入输出设备

※网上虚拟现实：虚拟现实建模语言VRML

6、

组合照相机模型（图像的生成通过组合相机模型来显示）

优势：

7、模型与体系

实际方法：

变换：

裁剪：

投影：

光栅化：

光源与材料：

图像构造的要素：

基本的OPENGL语句含义：

第二章OpenGL编程

OpenGL体系：

OpenGL的函数：

OpenGL函数名称的格式：

OpenGL中的#define：

main()

init()

GLUT函数

定义多边形的限制条件：

视窗

三维图形：

三维图形应用程序：

隐藏面的消除：

Z缓冲区算法：

第3章输入与交互

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回调：

GLUT中的回调函数：

GLUT中的事件循环：

显示回调函数：

标识重新显示：

动画：（用双缓冲区和空闲回调函数来实现动画）

双缓存：

空闲回调的应用：

第4章几何对象与变换

几何

几何要素：

向量：

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向量运算：

向量没有位置：

点：表示空间中的位置，用大写字母表示

仿射空间：表示点加上向量的构造的空间

向量的内外积：

法向量：

几何表示

坐标系：

（向量没有固定的位置）

标架：

在标架中的表示：

齐次坐标：变换

平移：

对象的平移：把一个对象上的所有点沿同一向量平移。

二维旋转：

三维旋转：

绕z轴的旋转

旋转矩阵

绕x轴和y轴的旋转

绕原点的一般旋转：

绕不同于原点的固定点旋转

实例：

（绕固定点的旋转）

示例：

多边形网格

多边形网格的优势

多边形网格的类型

多边形的内外面

公共边

利用表面绘制立方体

平面几何投影分为：平行投影和透视投影；平行投影中又分~~~

【重点】

平面投影：投影到平面上的标准投影。投影线为直线，这些直线汇聚于投影中心，或者彼

此平行。这种投影保持共线性，但不一定保角。

平面几何投影的分类图：

平行投影：投影中心与投影面之间的距离为无限，因此，只需给出投影方向即可。平行投

影是透视投影的极限状态。

优势与不足：1）保持了距离与角度

2）不能看到对象真正的全局形状，因为许多面在视点中不可见。

透视投影：投影线回聚于投影中心（COP）

优势与不足：1）同样大小的对象，离视点越远，投影结果就越小，但是看起来

更真实。

2）在一条直线等距离的几点投影后不一定等距（非均匀收缩）。

3）只有在平行于投影面的平面上角度被保持。

4）相对于平行投影而言，更难用手工进行绘制（但对计算机而言，没有增加更多的困难。）

在opengl中就有透视投影《投影线汇聚一点，过来后图形会有点改变》、正交投影（是平行

投影的一种，投影线垂直于投影面）。

相机设置：

1）在opengl中，初始的世界标架和照相机标架相同，初始的模型——视图矩阵是单位阵。

2）照相机位于原点，并指向Z轴的负向。

3）Opengl也指定了默认的视景体，它是一个中心在原点的边长为2的立方体。缺省的投

影矩阵是单位阵，默认的投影是正交投影。

光源和材质的交互作用：

1）照射在对象上的光线部分被吸收，部分被反射。

2）如果对象是透明的，有些光被折射。

3）反射部分的多少确定对象的颜色和亮度——对象表面在白光上看起来是红的，就是因为

光线中的红色分量被反射，而其它分量被吸收。

4）反射光被反射的方式是由表面的光滑程度和定向确定的。光强项包括：漫反射光、镜面反射、环境光——对应材料部分简单光照模型包括四个向量（光源方向、观察者方向、法向、理想反射镜方向——在计算光强和距离项（反比关系）

【重点】点光源（表示时按RGB的方式）

1）点光源由位置和颜色表示。

2）理想的点光源向各个方向发射光。

3）远光源：在无穷远处的光源，光线为平行线（约等于）

4）电光源的亮度函数I（p0）=[Ir（p0），Ig（P0），Ib（P0）]

5）在点P接受的光亮度反比于光源与点的距离。

点光源加了个距离项，其可忽略，可不写

1值每一点法向，先差边，再差中间）《opengl中没这函数，要用时得自己编程序》

2）Gouraud方法

也叫光滑明暗处理方法，其应用的是插值算法（沿多边形边插值和多边形内部插值）

3）Phong方法

插值处理与Gouraud方法相似；顶点法向代替顶点颜色（根据每个顶点的法向，插值出多边形内部各点的法向后基于光照模型计算出各点的颜色）；得到的图形比应用Gouraud方法的结果更光滑，但是由于法向的计算还是比较复杂，一般无法得到实在的图形；所花费的时间通常是Gouraud方法的6到8倍；opengl实现的是Gouraud方法。冲区

缓冲区的相关概念：

屏幕上所绘的图形都是由象素组成的，每个象素都有一个固定的颜色或带有相应点

的其它信息，如深度等。在绘制图形时，内存中必须为每个象素均匀地保存数据，这块为所有象素保存数据的内存区就叫缓冲区，又叫缓存（buffer）。

存贮一位象素信息的缓存叫位面（bitplane）。

系统中所有的缓存统称为帧缓存（Framebuffer），可以利用不同的缓存进行颜色设

置、隐藏面消除、场景反走样和模板等操作。

深度缓存（DepthBuffer）

深度缓存保存每个象素的深度值。深度通常用视点到物体的距离来度量，这样带有较大深度值的象素就会被带有较小深度值的象素替代，即远处的物体被近处的物体遮挡住了。深度缓存也称为z-buffer，因为在实际应用中，x、y常度量屏幕上水平与垂直距离，而z常被用来度量眼睛到屏幕的垂直距离。计算机图形学中的缓冲区共有4种：颜色缓存、深度缓存、模板缓存、累积缓存

位图和图像的区别

位图经常用于处理文字，opengl中无处理文本的函数，所以经常用位图处理

【重点】、环境映射、凸凹映射

考虑策略：正向映射和逆向映射、点取样和区域平均

实现方法：两步1）设置个中间体，将纹理贴到中间体上去，这个中间体可以先知道其参

数

2）从中间体到实际物体上去

纹理映射在哪进行：最终在光栅化时实现了纹理映射

点采样：毛病：会产生走样

区域平均采样：为了防走样，去除走样的功能

第八章

1、【重点】曲线建模两种方式：插值、逼近