計(jì)算機(jī)圖形學(xué)第1章緒論

1、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教程教程清華大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育課程系列教材清華大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育課程系列教材 陸潤(rùn)民陸潤(rùn)民 編著編著緒論緒論一、課程說明一、課程說明1.圖形學(xué)概述圖形學(xué)概述“圖形”是人類最早的文明體現(xiàn)。它 和文字、聲音等一樣，是承載信息進(jìn) 行交流的重要媒體。是一切設(shè)計(jì)工作 的核心內(nèi)容之一。圖形學(xué)作為一門科 學(xué)，歷來是人們重要的學(xué)習(xí)和研究?jī)?nèi) 容。 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究通過計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并在專用設(shè)備上顯示的原理、方法和技術(shù)的學(xué)科。 通俗地講，就是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn) 行圖形的生成、處理和輸出。 計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷完善以及計(jì)算機(jī) 圖形學(xué)這門新興學(xué)科的發(fā)展，為利用 計(jì)算機(jī)來進(jìn)行設(shè)計(jì)和圖形處理

2、開創(chuàng)了 新紀(jì)元。 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的歷史并不長(zhǎng)，但對(duì)現(xiàn) 代科學(xué)技術(shù)的影響很大?？梢哉f，任 何一個(gè)設(shè)計(jì)及圖形領(lǐng)域都不可缺少計(jì) 算機(jī)圖形技術(shù)。它是唯一能幫助人們 進(jìn)行高速度、高精度、高難度的設(shè)計(jì) 及圖形表現(xiàn)工作的一種技術(shù)。 工程界普遍認(rèn)為：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的核心內(nèi)容之一。2. 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)包含的主要內(nèi)容計(jì)算機(jī)圖形學(xué)包含的主要內(nèi)容圖形系統(tǒng)（硬、軟、標(biāo)準(zhǔn)化）基本圖形生成圖形變換圖形典型算法曲線曲面造型計(jì)算機(jī)動(dòng)畫真實(shí)感圖形圖形學(xué)的應(yīng)用 3.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的重 要組成部分和核心內(nèi)容。(1)設(shè)計(jì)工作的最后結(jié)果一般都要以圖的形式來表

3、達(dá)；(2)計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的重要基礎(chǔ)。 要掌握計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，首先必 須掌握計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)。4. 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用近 30 年來， “ 計(jì)算機(jī)圖形學(xué) ”得到了廣泛的應(yīng)用和飛速的發(fā)展。目前，其主要的應(yīng)用領(lǐng)域有：( 1 ) 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)( cad )和和輔助制造輔助制造 ( cam )這是一個(gè)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用最廣泛、最活躍和發(fā)展最快的領(lǐng)域。它被用來進(jìn)行建筑工程、機(jī)械結(jié)構(gòu)和部件等的設(shè)計(jì)，繪制加工圖紙；汽車、飛機(jī)、船舶的外形數(shù)學(xué)建模，曲線、曲面擬合與光順，并繪出圖紙；大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)與繪圖等。( 2 )動(dòng)畫與系統(tǒng)模擬動(dòng)畫與系統(tǒng)模

4、擬動(dòng)畫片、廣告；模擬各種反應(yīng)過程，如化學(xué)反應(yīng)、核反應(yīng)；碰撞、地震等過程模擬；以及各種各樣的運(yùn)動(dòng)和訓(xùn)練模擬。這樣做，不僅安全，還可以取得極大的經(jīng)濟(jì)效益。( 3 )繪制勘探、測(cè)量的圖形繪制勘探、測(cè)量的圖形處理勘探和測(cè)量所得的數(shù)據(jù)，可以繪制成地理圖、地形圖、礦藏分布圖、氣象圖，在微觀中的電場(chǎng)、電荷分布圖等。( 4 )辦公自動(dòng)化辦公自動(dòng)化可以用來繪制數(shù)學(xué)的或經(jīng)濟(jì)的各類信息二、三維圖表。如統(tǒng)計(jì)用的直方圖、扇形圖，以及各類進(jìn)程管理圖表等。這些圖可以用簡(jiǎn)明的方式提供形象化的數(shù)據(jù)和變化趨勢(shì)，以增加對(duì)復(fù)雜現(xiàn)象的了解，并協(xié)助作出決策。( 5 )計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)由于計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)能生成豐富的圖形，可用于

5、輔助教學(xué)，使教學(xué)過程變得形象、直觀和生動(dòng)，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和注意力，增強(qiáng)教學(xué)效果。5.教學(xué)安排教學(xué)安排（1）總學(xué)時(shí)）總學(xué)時(shí)48。（2）每周一次講課；上機(jī)）每周一次講課；上機(jī)20學(xué)時(shí)。學(xué)時(shí)。 （20機(jī)時(shí)課內(nèi)、課外各10個(gè)。）（3）教學(xué)基本要求）教學(xué)基本要求 了解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)所包含的基本 內(nèi)容； 能用c語言編寫圖形程序； 能利用典型的圖形軟件來實(shí)現(xiàn)自 己的設(shè)計(jì)思想（較簡(jiǎn)單的）； 能用c程序來實(shí)現(xiàn)一些典型的圖 形算法。二、二、c語言圖形功能語言圖形功能一些高級(jí)語言都擴(kuò)充了圖形功能，這使得用戶可以不需配備專門的圖形軟件，就能在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行圖形工作。turbo c 2.0包含有460多個(gè)庫函數(shù)，

6、其中有 70 多個(gè)圖形函數(shù)，這些函數(shù)包括了繪圖、處理圖象及圖素、屏幕及視圖區(qū)控制、顏色及線型設(shè)置、狀態(tài)查詢和出錯(cuò)處理等，這使得 turbo具有很強(qiáng)的圖形功能。.圖形顯示器的工作方式圖形顯示器的工作方式ibm pc 機(jī)的顯示器可以在兩種基本視頻方式下工作：一種是文本方式；另一種是圖形方式。( 1 )文本方式文本方式在文本方式下，屏幕上可以顯示的最小單位是字符，字符在屏幕上以行、列排列，即我們通常見到的情況。文本方式不同，屏幕上所顯示字符的行數(shù)和列數(shù)也不一樣，顏色也會(huì)有所區(qū)別。turbo c 支持 6 種不同的文本顯示方式。( 2 )圖形方式圖形方式在圖形方式下，屏幕上可以控制的最小單元稱作像素

7、( pixel ) ，它是組成圖形的基本元素，一般叫作“點(diǎn)”。通常把屏幕上所包含像素的個(gè)數(shù)叫做分辨率。分辨率越高，顯示的圖形越細(xì)致、質(zhì)量越好，這是顯而易見的。在圖形方式下，屏幕上每個(gè)像素的顯示位置用點(diǎn)坐標(biāo)系來描述。在該坐標(biāo)系中，屏幕左上角為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，坐標(biāo)值為 ( 0 , 0 ) ; 水平方向?yàn)檩S，自左向右；垂直方向?yàn)檩S，自上向下。見下圖。點(diǎn)坐標(biāo)系中坐標(biāo)值的范圍決定于所用顯示器的分辨率。分辨率不同，水平方向上和垂直方向上的點(diǎn)數(shù)也不同，即其 maxx 、maxy 的數(shù)值不同。就我們常用的 vga 顯示器來說，它通常所用的分辨率為 640480 ,即它的 maxx 值為 639 , maxy 的

8、值為 479。. 圖形函數(shù)及其用法圖形函數(shù)及其用法turbo c 的圖形函數(shù)均在一個(gè)頭文件“ graphics.h” 中定義。所以，凡是在程序中要調(diào)用這些圖形函數(shù)，都必須在源程序的開頭寫上文件包含命令：# include ( 1 ) 圖形系統(tǒng)管理圖形系統(tǒng)管理在一般默認(rèn)情況下，顯示器處于文本方式下。在文本方式下，所有的圖形函數(shù)均不能應(yīng)用。因此在調(diào)用圖形函數(shù)繪圖之前，必須先將顯示器設(shè)置為圖形模式，這就是通常所說的圖形方式初始化。在圖形工作完畢之后，又要使顯示器回到文本方式，以便進(jìn)行程序文件等的編輯工作。圖形方式初始化圖形方式初始化圖形方式初始化通過函數(shù) initgraph 來實(shí)現(xiàn)，它的功能是通過從

9、磁盤上裝入一個(gè)圖形驅(qū)動(dòng)程序來初始化圖形系統(tǒng)，并將系統(tǒng)設(shè)置為圖形模式。其調(diào)用格式為：initgraph ( gdriver, gmode, path ) ;調(diào)用該函數(shù)需用的三個(gè)參數(shù)含義為：調(diào)用該函數(shù)需用的三個(gè)參數(shù)含義為：gdriver :是一個(gè)整型值，用來指定裝入的驅(qū)動(dòng)程序名。gmode :是一個(gè)整型值，用來設(shè)置圖形顯示模式。path :是一個(gè)字符串，用來指明驅(qū)動(dòng)程序所在的路徑。舉例：假設(shè)使用 vga 顯示器，圖形顯示模式為 vgahi ,即高分辨率圖形模式，分辨率為 640480 。則初始化調(diào)用方式如下：int gdriver = vga , gmode = vgahi ;initgraph

10、(&gdriver , &gmode , “c: tc”);關(guān)閉圖形模式關(guān)閉圖形模式在運(yùn)行圖形程序結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)關(guān)閉圖形模式，回到文本方式，以進(jìn)行其他工作。關(guān)閉圖形模式用函數(shù) closegraph , 其調(diào)用方法為：closegraph ( ) ;（該函數(shù)不需參數(shù)）( 2 ) 繪圖函數(shù)繪圖函數(shù)從理論上來說，用像素點(diǎn)幾乎可以畫出任何圖形，但畢竟是效率太低。為此，turbo c 的 bgi 提供了一些基本的繪圖函數(shù)，以方便圖形設(shè)計(jì)。所有繪圖函數(shù)調(diào)用時(shí)的參數(shù)，其類型均為整型，因此填入?yún)?shù)表的參數(shù)，應(yīng)為整數(shù)或整型變量。line 函數(shù)：在指定兩點(diǎn)之間畫直線。如：line ( x1 , y1 , x2 ,

11、 y2 ) ;lineto 函數(shù)：從當(dāng)前點(diǎn)畫線到指定點(diǎn)。如：lineto ( x , y ) ;moveto 函數(shù)：把當(dāng)前點(diǎn)移到指定點(diǎn)（不畫線）。如：moveto ( x , y ) ;circle 函數(shù)：指定圓心和半徑畫圓。如：circle ( xc , yc , r ) ;arc 函數(shù)：畫一段圓弧。要求指定圓弧所在圓的圓心、半徑，以及圓弧的起始角和終止角。如：arc ( xc , yc , angs , ange , r ) ;rectangle 函數(shù)：指定矩形的兩對(duì)角點(diǎn)畫一個(gè)矩形。如：rectangle ( x1 , y1 , x2 , y2 ) ;drawpoly 函數(shù)：畫一條任意多邊

12、折線。如：drawpoly ( nps , xy ) ;其中，nps 為多邊折線的頂點(diǎn)數(shù)；xy 為存放頂點(diǎn)坐標(biāo)值的數(shù)組名。如果首尾兩點(diǎn)重合，則可以繪制一個(gè)任意多邊形。( ) 圖形屬性控制圖形屬性控制圖形的屬性指顏色和線型，顏色又有背景色和前景色之分。背景色指的是屏幕的顏色，即底色；前景色指的是繪圖用的顏色。任何繪圖函數(shù)都是在當(dāng)前顏色（背景色和前景色）和線型的狀態(tài)下作圖的。系統(tǒng)的默認(rèn)值為：背景色為黑色；前景色為白色；線型為實(shí)線。setbkcolor 函數(shù)：設(shè)置背景顏色。如：setbkcolor ( colorname ) ;setcolor 函數(shù)：設(shè)置前景顏色。（用法同上）setlinestyle 函數(shù)：設(shè)置線型。如：setlinestyle ( lsty , 0 , width ) ;（）繪圖程序簡(jiǎn)例