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计算机图形学基础

目录计算机图形学概述图形显示原理与设备基本图形生成算法图形变换与裁剪光照模型与表面绘制曲线与曲面造型计算机动画原理与技术

01计算机图形学概述Chapter

计算机图形学是研究如何利用计算机生成、处理和显示图形的科学。定义从早期的二维图形处理到三维图形渲染，再到现在的虚拟现实、增强现实等技术的融合应用。发展历程计算机图形学的定义与发展

电影、电视中的特效制作，如爆炸、烟火、水流等。产品外观设计、结构设计等。VR游戏、VR教育、VR医疗等。游戏中的场景、角色、道具等的设计和渲染。建筑效果图、室内设计等。影视特效游戏开发工业设计建筑设计虚拟现实计算机图形学的应用领域

计算机图形学不仅仅是技术的堆砌，还需要考虑视觉效果和审美体验，因此美学也是重要的相关学科之一。计算机图形学中的很多算法和理论都涉及到数学知识，如线性代数、微积分、概率统计等。计算机图形学是计算机科学的一个分支，涉及计算机算法、数据结构、操作系统等方面的知识。计算机图形学中的很多现象和效果都需要借助物理学原理来实现，如光照模型、碰撞检测等。数学计算机科学物理学美学计算机图形学的相关学科

02图形显示原理与设备Chapter

基于像素阵列的显示方式，通过控制每个像素的颜色和亮度来实现图像显示。光栅扫描显示原理矢量扫描显示原理三维图形显示原理基于矢量图形的显示方式，通过绘制线条、多边形等图形元素来构建图像。基于计算机图形学中的三维模型表示和渲染技术，实现在二维平面上呈现三维视觉效果。030201图形显示原理

03等离子显示器（PDP）通过气体放电激发磷光体发光，具有自发光的特性，可实现高亮度和高对比度显示。01阴极射线管显示器（CRT）通过电子束扫描屏幕上的磷光体，激发磷光体发光来显示图像。02液晶显示器（LCD）利用液晶分子的旋光效应，通过控制液晶分子的排列方式来改变光的透过率，从而实现图像显示。图形显示设备辨率指显示器能够显示的像素数量，通常以水平像素数乘以垂直像素数表示，如1920x1080。色域覆盖率指显示器能够显示的色彩范围与标准色域的比值，用于衡量显示器的色彩表现能力。刷新率指显示器每秒更新图像的次数，以赫兹（Hz）为单位，较高的刷新率可以减少图像闪烁和眼睛疲劳。对比度和亮度对比度指显示器最亮和最暗部分的亮度比值，亮度指显示器的整体亮度水平，两者共同影响图像的清晰度和层次感。图形显示设备的性能指标

03基本图形生成算法Chapter

直线的生成算法DDA算法通过计算直线上的每一个点的坐标来生成直线，适用于任意斜率的直线。Bresenham算法通过决策参数的选择，在每一步选择离理想直线最近的像素点，适用于斜率在0到1之间的直线。中点画线法通过计算直线与像素网格的交点，选择离交点最近的像素点，适用于任意斜率的直线。

中点画圆法通过计算圆与像素网格的交点，选择离交点最近的像素点，适用于任意半径的圆。Bresenham画圆法类似于Bresenham画线算法，通过决策参数的选择，在每一步选择离理想圆最近的像素点。八分法将圆分成八个对称的部分，只需要计算其中一个部分的像素点，然后通过对称性得到完整的圆。圆的生成算法

椭圆的生成算法01可以采用类似于圆的生成算法，如八分法、中点画圆法等，但需要考虑到椭圆的长短轴不同。多边形的生成算法02可以通过计算多边形的顶点坐标，然后按照顺序连接顶点来生成多边形。对于复杂的多边形，可以采用扫描线填充算法来进行填充。曲线的生成算法03曲线的生成算法比较复杂，可以采用参数方程、贝塞尔曲线、B样条曲线等方法来生成曲线。这些方法可以生成平滑的曲线，并且可以方便地控制曲线的形状和精度。其他基本图形的生成算法

04图形变换与裁剪Chapter图形在平面上沿某一方向移动一定的距离，不改变图形的形状和大小。平移变换将图形绕某一点旋转一定的角度，不改变图形的形状和大小。旋转变换将图形在某一方向上按比例放大或缩小，不改变图形的形状。缩放变换将图形关于某一直线或点进行对称，得到一个新的图形。对称变换二维图形变换

三维图形变换将三维物体在空间中沿某一方向移动一定的距离，不改变物体的形状和大小。将三维物体绕某一轴旋转一定的角度，不改变物体的形状和大小。将三维物体在某一方向上按比例放大或缩小，不改变物体的形状。将三维物体关于某一平面进行对称，得到一个新的物体。平移变换旋转变换缩放变换对称变换

图形裁剪算法Cohen-Sutherland裁剪算法通过计算直线与裁剪窗口边界的交点，将直线裁剪到窗口内。Liang-Barsky裁剪算法通过参数化直线方程，利用参数的范围来判断直线与裁剪窗口的相交情况，并进行裁剪。Weiler-Atherton裁剪算法适用于多边形裁剪，通过求多边形与裁剪窗口的交点，将多边形裁剪到