计算机图形学论文

下面是小编精心推荐的《计算机图形学论文(精选3篇)》，欢迎大家借鉴与参考，希望对大家有所帮助！摘要：随着我国计算机信息技术的不断革新延展，涉及图形图像处理技术开始引起社会各界广泛关注。在此类背景影响下，笔者决定针对计算机图形学主流研究方向、发展背景、系统机理结构、日后应用领域等内容，加以细致化验证解析。

第一篇：计算机图形学论文

计算机图形学与图形图像的处理技术研究

摘要：

计算机图形学与图形图像处理技术有着不同的概念，它们属于不同的学科。图形学以及图形图形处理技术既独立有统一，二者有着不可分割的特殊联系。随着我国科技的不断进步，在实际应用过程中，它们二者之间的界限变得越来越不清晰。该文从计算机图形学以及图形图像处理技术入手分析，对二者的概念以及联系与区别进行了阐述。并且对这两种学科技术在实际生活中的应用进行了研究。

关键词：

计算机图形学 计算机图形图像处理技术 区别 应用研究

Research on Computer Graphics and Graphic Image Processing Technology

WANG Yanfang

（

KeyWords： Computer graphics; Computer graphics and image processing technology; Difference; Applied research

自從改革开放以来，我国的科学技术迅猛发展，计算机技术被应用到了各个领域之中。图形学以及图像处理技术在各行各业中都起到了积极的促进作用。比如：在艺术作品设计中就需要用到计算机的图形图像处理进行作品的设计。除此之外，在工业制造业领域以及设计等领域都会应用到计算机的这两大处理技术。计算机的这两大技术主要是可以对图片进行设计，可以存储相关的资料以及对图片进行修改，通过不同的软件来实现对图形的设计与处理。相关技术人员，如果想要加强自己计算机图形图像处理技术，那么就要深入了解计算机图形图片处理技术的原理以及对计算机图形学能够充分掌握。理解二者的区别与联系，更好地将相关技术应用到需要的领域之中。

1.计算机图形学以及图形图像处理技术概述

1.1 计算机图形学概述

计算机图形学在技术领域中比较具有前瞻性。计算机图形学包含很多内容，图像交互、图形标准化以及图形图像可视化等都属于计算机图形学领域。在对计算机图形学进行操作与研究时，主要是利用计算机技术以及相关的软件，让通过计算机相关技术制作出来的图形具有极强的真实感。相关技术人员在使用计算机图形学进行工作时，要熟悉系统的各种功能，可以灵活地处理以及运用图形与图像的处理技术，对相应的图像进行处理。与此同时，还要具备处理计算机硬件以及各种操作软件的能力。关于计算机图形学，硬件主要包括3个部分：第一，图形输入装置，就是可以通过计算机，将原始图片传到相应的软件之中。第二，图形输出装置，即可以将处理好的图形向外传输。第三，处理器装置，其涉及很多类型的处理器，根据不同的处理器可以实现的不同功能。处理器起着桥梁的作用，将计算机与图形终端联系起来，是图形图像处理技术实现的关键。通过相应的处理器，可以针对图形以及图形的数据进行计算，从而让相关系统中的图片可以更加清晰地显现出来。随着我国科技的不但进步，计算机技术也在一定程度上得到了提升，软件也随之发展起来。直到现在，我国的科技研究人员已经研发出来各种各样的图像处理软件系统，并且基本上都可以稳定运行，这就使得我国的计算机图形学又得到了进一步发展，新增了很多图形处理功能。计算机图形学的不断发展与完善对我国计算机领域以及制造业等领域的发展有着很大的促进作用。比如信息输入、传输以及存储计算功能等计算机图形处理功能，在使用计算机进行工作时，计算功能可以将一些应用的数据进行汇总运算，如将不同的元素进行合成或者将坐标进行转换等。对于存储信息的功能，工作人员可以将一些图形数据信息进行存储，在必要的时候，可以对图形信息进行检索以及维护。除此之外，还有一个信息输入与输出的功能，这个功能主要是针对图形数据的写入以及输出。

1.2 计算机图形图像处理技术概述

如果说计算机图形学是理论，那么图形图像处理技术就是实践应用。计算机图形学通过图形图像处理技术完成工作目标。相关的技术人员通过图形的定义以及相关的几何手段，利用计算机软件完成图形的处理工作。在图形处理过程中，既可以是二维的图形，也可以是三维的图像。在进行计算机图形图像处理的过程中，与多方面的内容都会有关联。比如图像的复原、图形的平移与旋转变换以及颜色的变化等。相关的技术人员若想使用上述的一些功能，就要对图形与图像有一定程度上的掌握，然后将计算机软硬件结合起来，进行技术操作。

1.3 计算机图形学与图形图像处理技术之间的区别以及联系

计算机图形图像处理技术以及图形学之间有着紧密的联系，但同时二者之间有着很大的不同[1]。它们最主要的不同之处在计算机处理软件数据结构上。计算机图形学在数据结构方面主要有3个部分构成，分别是点、线以及面。这种点线面的形式存在着弊端，如果所要处理的图形特别的复杂，就会直接导致数据变得很复杂。因为一旦图形比较复杂，那么就会产生更多的数据，计算机所要处理的程序也就随之不断增加。计算机的图形图像处理在这方面就比较有优势。它不在是点线面的形式，而是将某个具体的图像作为目标。比如利用二维数据或者三维数据将一幅图表示出来。通过这种形式，数据组中就具备了成千上万的元素。所以，在进行图像处理的过程中会处理很多的数据。它们二者之间除了不同外还有着一定程度上的共通性，在实际工作过程中，可以把两种不同的技术进行结合，通过这种结合的方式，可以让图片的内容更加丰富，让图片的视觉效果更加强烈。同时，还能够增强图片的清晰程度。随着计算机时代的到来，人们已经习惯将计算机图形图像与图形学进行结合，二者之间的界限变得越来越模糊，人们开始不再对两种图形处理技术进行区分，使用中增加了它们转换的次数。

2.计算机图形学与图形图像处理技术的研究

2.1 艺术作品设计

在我国的计算机技术还不发达的时候，工作人员在进行艺术作品的设计时，基本上都是通过手工绘制图形。工艺作品的设计，需要经过很多次的修改，这些都是工作人员手工操作去修改图纸，非常辛苦，从而也导致了艺术作品制作过程极其的漫长，要花费很多的时间，并且通过手绘的方式很难将艺术作品的效果展现出来。在我国计算机计算机技术兴起以后，计算机的图形图像处理技术以及图形学应运而生，开始被广泛地应用到各个领域之中，给工艺作品的设计工作带来了一定程度上的便利。工艺作品的设计人员从此省去了反复修改的时间，并且可以通过计算机软件，将具有3D效果的图像展现到人们面前，让抽像的概念变得更加具体以及直观化。如果在设计中有一些瑕疵，完全可以利用计算机中的数据处理以及计算功能进行消除工作，让工艺作品无论是在设计方面还是在创造方面都更加完善。

当今时代，科技的不断发展，在制图上研发出了很多新的软硬件设备。相关的技术人员可以通过手绘板、手写笔以及图形交汇技术等完成图像的设计。同时，我国的软件建设也得到了一定程度的完善，技术人员可以通过相关软件完成工艺作品的修改以及作品细节的绘制，这样可以让所设计的工艺作品得到更多人的喜爱，满足现代工艺品市场的需求。除了可以设计工艺作品的之外，计算机图形图像处理技术以及图形学还可以应用在其他方面。比如对一些文字进行艺术设计，以及设计外包装以及动画的设计等。在计算机图形学以及图形图像处理技术在文字设计中，对文字进行设计的过程是非常简单的，它对工作人员的专业程度没有太大的要求，设计人员只需要选择软件中的文本框，在文本框中输入所要设计的文字[2];然后找到对应的工具栏，工具栏中可以对文字的大小以及类型颜色等进行修改。当然为了让设计出的文字更加美观，设计人员也需要在设计时花费一些心思，使用一些小的技巧，对文文字数据进行掌控[3]，让所设计的文字更加协调。在文字颜色的设计上要有一些新鲜感，能够做到迅速吸引人们的眼球，让人一眼就可以看到。以当下比较火的一个设计软件Photoshop为例。工作人员如果想通过Photoshop设计一些文字。首先要找到工具栏中的“T”字标志，这个是文本输入的意思。在输入相关的文字之后，可以通过工具栏中的文字改编功能对字体、字号以及颜色进行修改。除此之外，该软件中还可以让文字动态呈现，要通过对文字进行路径设计，就可以实现动态文字的功能。其次，计算机的图形图像处理技术以及图形学在包装中的应用。随着我国经济的提高，人们的的购买力大大增加，购物已经成为了人们生活中不可或缺的一部分。人们在购买商品时，包装的优劣直接会对人们的购买欲望产生影响。总体来说，好的包装设计是可以在一定程度上增加商品销量的。所以，商品的包装设计非常关键。Photoshop是一个功能十分强大的软件。设计人员还是可以应用Photoshop进行商品包装的设计。无论是零食的外包装，还是一些生活用品的外包装，都可以通过Photoshop来进行设计，最终形成优美的平面设计，进而引起人们的关注，从而增加商品的销售量。对于动画设计，计算机图形与图像处理技术是展现动画的主要方式[4]。在从前计算机处理技术还不成熟时，一些动画的设计并不连贯，不能给人带来良好的视觉效果。在现在，技术人员可以利用一些三维处理技术或者VR技术等与计算机图形处理技术相结合。不断优化动画效果，让所展示出来的动画画面连贯性更强，同时还能增强画面的真实感。通过将现代化的技术手段与计算机图形处理技术的结合，可以有效的促进我国动画领域的进步。

2.2 图像处理技术

计算机图形图像处理技术以及图形学可以在图像处理过程中得到很好的应用。比如：处理失真的图像，让其恢复到原始清晰状态，再对图形细节进行美化。对于失真图像的处理，可以通过点位预测的方式解决失真问题，利用点位不断地对图像进行调整，通过这种方式来提高图形的清晰程度[5]。在真正图像处理过程中，设计人员要找到图像中的指定区域，结合数学中的概率统计知识。确定图片中的相关点位，选择图像中的关键像素点。通过这样的方式可以在改动最小的情况下达到最佳的效果。一张图片在经过放大之后就会出现失真的情况，设计人员同样可以利用点位预测的方式处理图片放大后的失真情况。在图形的细节美化方面，设计人员设计对图片进行设计时，要重视细节的处理。无论是在亮度上还是在图片的曝光度上，都要有所掌控，不能因为没有处理好二者的关系，从而造成图片的不清晰。如果图片出现不清晰的现象，可以利用Photoshop中的滤镜功能进行调整[6]。

2.3 应用在工业制造领域

除了应用在工艺品的设计以及图像处理上之外，计算机图形处理技术对工业制造业领域有所帮助。相关的技术人员可以通过将计算机软件与相关的工业数据结合，把工业制造中的真实情景还原出来 。工业制造中涉及的图形一般较为特殊，技术人员完全可以利用计算机图形处理技术对三维立体模型进行建构，对工业零件等实现更加直观的观看效果。

3结语

综上所述，计算机图形图像处理技术与计算机图形学虽然有着明显的不同，但是可以将二者进行结合使用，可以带来更好的效果。利用好這两种技术，对我国各个领域的发展都有积极的意义。

参考文献

[1] 陶镛泽，郭天太，胡佳成，等.基于OpenCV和OpenGL的计算机视觉虚拟实验开发[J].实验室研究与探索，2021，40（4）：108-114.

[2] 谷国太，孙陆鹏，张红艳，等.一种基于GPU的枚举排序算法及其并行化[J].河南理工大学学报：自然科学版，2020，39（6）：139-143，158.

[3] 张萍宇.基于图形处理器的并行加速双能计算机层析成像重建方法[J].激光与光电子学进展，2020，57（12）：84-90.

[4] 毕韦达.关于计算机图形学与图形图像的处理技术研究[J].艺术科技，2017，30（5）：85-85.

[5] 赵靖.计算机图形学与图形图像处理技术的应用[J].电子技术与软件工程，2021，（10）：113-114.

[6] 刘嘉. 基于深度学习的图像知识提取技术研究与应用[D].成都：电子科技大学，2019.

作者简介：王艳芳（1969—），女，本科，副教授，研究方向为计算机多媒体（图形动画）。

作者：王艳芳

第二篇：计算机图形学与图形图像处理技术研究

摘要：随着我国计算机信息技术的不断革新延展，涉及图形图像处理技术开始引起社会各界广泛关注。在此类背景影响下，笔者决定针对计算机图形学主流研究方向、发展背景、系统机理结构、日后应用领域等内容，加以细致化验证解析。希望经过上述图形学、图形处理技术内容的重新诠释过后，能够更好地调整相关技术操作人员专业技能和职业道德素质，为今后我国图形图形处理工艺可持续发展，奠定基础。

关键词：计算机;图形图像;处理技术;革新改造

Key words： computer; graphic image; processing technology; innovation and transformation

这里广泛强调的计算机图形学，实质上就是利用计算机系统进行图像图形一切内涵信息精确化表达的学科内容，可以顺势细化为图形表达、图像处理、生成显示等工序流程。随着我国现代信息技术的不断升级调试，该类学科活跃性大幅度提升，已经在我国各类领域之中得到大力推广沿用。

1 计算机图形图像处理的基础性内涵机理论述

所谓的计算机图形图像处理技术，就是主张利用概念和数学描述方式，进行特定物体几何数据和模型描述，在计算机系统之中加以显示、修改、储存完善。其核心内容可以细化为：

第一，几何变换，包括平移、缩放、透视和投影等工序环节。

第二，即图形数字化编码、增强、复原、分割和分析事务。

第三，则是曲线和曲面拟合。

第四，建模和造型改良设计。

第五，隐线、隐面的适当消除。

第六，明暗和贴图纹理调试。

第七，色彩包装修饰。

归结来讲，图形图像处理技术，长期渗透于计算机辅助设计CAD、制造CAM、教育CAI，以及虚拟现实等操作空间之中，并且当中CAD的应用最为广泛。

2 计算机图像学涉猎的主流工作内容研究

计算机图像学研究内容着实广泛，包括图形硬件、标准、交互式操作技术、曲线曲面建模、真实感图形显示计算方式、虚拟现实等结构单元。其核心动机，在于借助计算机系统将真实感图像灵活表达。因此，相关技术人员必须尽快搭建起图形描述场景几何表示体系，配合光照模型，进行假想光源、纹理结构、材质属性等层面的光照效果计算演练。另外，图像学还能够灵活呈现特殊几何场景曲线曲面和实体造型，全程利用数字图像模式加以支撑引导。总体来讲，计算机图像学和图像处理之间，保留着深刻的关联特性。

3 计算机图像学的主流应用领域解析

3.1 计算机辅助设计和制造活动方面

如今计算机图形学已经成功地应用到建筑室内施工、机械产品制造等领域，如动车、发电厂、模具厂的功能调试等事务，而CAD和CAM便是在现代工业界中最为常见的计算机图形操作程序。而在电子工业设计项目中，计算机图形学也成功地过渡转接到集成电路、电力线路网络分析等细务之上，当中呈现的优势地位也都有目共睹。单纯拿CAD程序为例，其主要应用在现代建筑工程图纸三维形体建模工序之中，主张透过一系列二维信息之中，进行三维信息提取、划分和综合化处理，进一步在立体空间内搭建起对应的形态架构，令当中一切点、线、面的交互式拓扑关系得以重整，最终贯彻所需形体的重建任务指标。

3.2 计算机图形处理的用户接口供应方面

维护控制一类图形化用户界面的优质性，第一要务便是集中一切技术手段进行图形操作软件易用性调节。事实上，自从Apple企业成功推广全新图形操作系统过后，尤其是在Windows各项应用辅助范畴之下，图形学知识开始全面灌输到计算机操作的各项事务之中。

3.3 地形地貌和自然资源模拟演示方面

计算机图形处理技术，能够将代表国家经济系统的一切国土基础信息搜集重整，进一步衍生出生动形态的平面、三维地形地貌演示图，确保至此过后，高层国土整治机构能够作出更加科学的预测和决策，真正为国土资源多元化开发利用，提供较为精准的指导线索。

3.4 计算机动画和其余艺术作品创作方面

随着我国计算机信息技术大力革新和推广布置，能够成功地在艺术创意领域中发挥指导作用的软件，几乎不胜枚举，包括二维平面的Photo Shop，三维动画建模和宣传调试程序3D MAX等，如今都已经在艺术创作和产业之中渗透交接，对于我民族文化推广和动画产业长期协调运营，都将产生极强的支撑辅助效用。

4 计算机图形、图像操作应用技术的诸多差异和关联细节探讨

首先，数据来源渠道不同。图像数据大多数情况下源自于客观世界，而图形处理数据则倾向于主观世界。

其次，处理工艺形式不同。图像处理工艺可细化为几何结构修正、图像形式变换、图像分割、图像内涵解析、图像类型识别等。相比之下，图形调试手段则包含几何变换、开窗裁剪、隐藏面消除、明暗纹理加工等。

最后，理论基础和应用价值不同。图像处理技术全程配合高端数字信号、模糊数学理论等，进行遥感、医学、军事等领域图像综合化调试。而计算机图形处理则深度联合样条、计算几何和分形理论，进行CAD计算机模拟调试和动画艺术作品创作。

而在诸多计算机图形、图像应用环节之中，两类操作技术交互式关联特性便不断呈现，如若技术人员能够及时结合外国先进操作理念和自身实践经验，进行图形、图像诸多控制优势融合，便能够在较短时间范围内令设计成品视觉效果和质量等，趋近完善形态。事实上，经过图形图形技术综合化发展步伐的逐渐加快，关于两类工艺技术交互式渗透环节中的界限也变得模糊起来。至于两者之间的联系和转换流程则具体如下图所示：

由上图观察验证得知，图形学的逆向运作过程，主要是进行输入图像三维数据模型提取，包括机器视觉和写体识别等。至于模型变换，则主张联合计算机辅助几何设计软件，进行各类几何形体数学模型灵活便利地创建，顺势提升内部算法自动化运作效率，辅助技术人员全面研究认证曲线、曲面的表示、生成、拼接拟合手法，最终在计算机系统之内更好地存储和管理特定模型结构。

5 结语

综上所述，计算机图形和图像处理技术如今已经得到全面革新发展，并且逐渐渗透到人民学习、工作、生活，以及企业产业领域之中。相关技术人员有必要不断提升相关软件程序熟练操作技能，尽量将各类数据内容灵活存储和改造沿用，相信长此以往，必将为我国计算机图形图像学和社会主义经济建设事业系统化发展，提供较为稳固的过渡支撑桥梁。

参考文献：

[1] 柳海兰.浅谈计算机图形学的发展及应用[J].电脑知识与技术，2010，35(33)：166-171.

[2] 田亮.浅析计算机图形学的应用及其发展[J].民营科技，2011，13(12)：120-166.

[3] 温玉春.计算机图像处理技术应用研究[J].现代商贸工业，2011，11(2)：88-95.

作者：陈耿

第三篇：计算机图形学教学与实践

本文根据图形工业的发展趋势和软件产业对图形技术的要求，讨论了本科生计算机图形学课程教学指导原则和教学目标。给出了复旦大学软件学院该课程的具体教学方案，包括教材选择、授课内容、进度安排和实践环节。实践表明，该教学方案和实践环节切实可行，对同类课程教学具有很高的参考价值。

1. 引言

随着集成电路制造工艺的快速发展，图形处理器(GPU，Graphics Processing Unit)作为计算机显示系统的核心部件在最近几年得到了飞速发展，众多计算机图形学应用得以迅速普及。这些应用表明，三维图形生成和显示技术将成为未来软件产品能否成功的一个关键因素。计算机图形学应成为计算机及其相关专业学生必须掌握的一门基础专业课程。

目前，国内的计算机图形学课程教学基本取材于几本经典的教科书，这些教科书重点讲述20世纪70年代、80年代的图形技术，强调计算机图形学的数学基础。此外，国内计算机图形学课程的从教人员年龄差别很大，大部分于20世纪80年代或90年代初从事该门课程的教学工作。由于成长环境的局限性和教学方法的沿袭，很多青年教师讲授计算机图形学课程时也强调图形学的数学基础，使得计算机图形学成为计算机及其相关专业学生很难掌握的一门课程。这种强调数学基础的教学方案适合数学基础优秀的学生，对于数学功底一般的计算机类学生难以适用。虽然有教师从实用角度出发来讲授计算机图形学技术，但对理论基础涉及较少，也难以深入，学生很难建立计算机图形学这门学科的体系框架。

针对上述教学中的不足，我们在吸收美国知名大学在该门课程的教学经验基础上，制定了计算机图形学的教学方案和实践环节。通过与微软亚洲研究院等工业界研究机构进行精品课程和科研项目交流与合作，进一步修订了课程方案，强调培养学生的创新能力。我们还在教学过程中增加了面向学科前沿的内容，使学生能及时了解学科发展的最前沿，开阔视野，为从事科学研究打下良好的基础。

2. 指导原则和教学目标

我们吸收了计算机图形学领域国际顶尖大学(如Stanford、UC Berkeley、MIT、CMU、 Princeton、UIUC)教材选择、实验环节和课件的优点，通过与微软亚洲研究院进行精品课程和研究项目资助活动，在CC2001、SE2004、SGE2004[CC2001][SE2004][SGE2004]的基础上进一步修订教学内容，使得它能够反映工业界对人才的需求和学科最新进展。同时，授课内容也反映任课教师自己的研究方向和特色，用科研来促进教学和人才培养。

该课程主要面向复旦大学软件学院高年级本科生，其教学目标要求与学院整个办学思路和人才培养理念保持一致。计算机图形学课程的教学目标包括三个层次。首先，通过本门课程的学习，学生可使用当代图形API(如Direct3D、OpenGL等)编写图形应用程序，并将这类程序与其他应用相结合。其次，通过课程学习，学生不仅对计算机图形学有一个全面、感性的认识，了解学科前沿，同时能够理解和实现部分经典算法。再次，寻找一个可行解决方法对模型进行求解，利用解决方法对问题进行测试，验证模型及其解决方案的正确性训练学生以图形作为工具，对实际问题进行可视分析、建模和求解技能。

尽管国际和国内计算机图形学课程涉及的学生专业背景和从教人员背景具有很大差异，我们相信上述这种重实践、求创新、着重培养解决问题能力的课程教学和人才培养模式都具有很大的参考价值。在保持上述教学和人才培养模式精髓前提下，从教人员可以根据具体情况来制定教学方案和实践环节。

3.教学方案

我院计算机图形学课程设置为2个学分，讲授36学时。学分和学时数比国内和美国高校偏少，因此我们在教材选择、教学内容和实践环节等方面都进行了仔细思考和精心设计，来实现上述教学目标。

我们选择Donald Hearn和M. Pauline Baker合著的《Computer Graphics with OpenGL》第三版作为教材[Hearn2003]。该教材取材丰富，以跨平台的开放图形库OpenGL为基础，介绍计算图形学的基础理论、基本概念和基本算法。学生可将教材示例程序在PC上运行，从而获得对教学内容的直观理解。由于这本教材的理论讲解不够深入，我们推荐[Moller2002][Foley97]作为参考书，并指定[Woo97] 作为必读资料，通过熟悉OpenGL编程接口规范并进行应用程序编写，让学生对图形学基础理论、基本概念和基本算法有深入理解。

考虑到计算机图形学课程涉及领域较多，我们没有采用双语教学，而是以中文讲授课程，但使用英文教材、英文课件和板书，而且作业和考试也采用英文命题。在教学方面，我们借鉴美国优秀大学的先进教育方法，主讲教师上课主要侧重课程的要点、难点和方法以及理念，具体细节要求学生课后学习和实践。这种授课方法要求学生在课后自学来强化对基本概念、基础理论和算法的理解和掌握，有效地弥补了学时的不足。同时，我们借鉴国外大学经验，为该课程配备3名教学助理(Teaching Assistant—TA)，达到了平均20名学生配备一名TA。TA和主讲教师一起，根据课程内容和学生反馈意见设计作业(Homework)和实习项目(Project)，并通过多种方式给予学生指导和帮助。

该门课程的教学内容涵盖了ACM SIGGRAPH和Eurographics教育委员会推荐方案的绝大部分内容[SGE2004]，同时考虑到软件工业的特点、工业界需求和学院的科研特色，我们还增加了该学科的最新进展的相关内容，具体教学安排如下。

第一讲为引言。首先介绍计算机图形学的研究内容、应用领域、典型图形系统的构成和获得ACM 图灵奖(Turning Award)的两位图形学者。接着，讲述图形系统的输入设备和显示设备。然后，以图形绘制为主线，回顾真实感和非真实感图形的历史，直到目前最热门的表面细节绘制、基于图像的绘制和基于相机阵列的绘制技术。

第二讲主要介绍二维图形技术。以画直线算法为例，讲解光栅图形与矢量图形的不同之处。介绍曲线离散为多个直线段的思想和原理，从而完成曲线绘制。通过多边形扫描转化和种子添充算法，介绍简单二维几何图形的光栅化技术。

第三讲重点讲述几何变换。包括物体的平移、旋转、错切、缩放变换;几何变换的矩阵表示形式和多个变换的复合方法，重点解释齐次坐标引入的必要性。最后，以场景图(Scene Graph)为例, 介绍变换的层次控制方法。

第四讲和第五讲围绕图形绘制流水线，讲述绘制流水线涉及的每个环节。包括物体的多边形表示方法、模型变换、取景变换、投影变换、视口变换、二维几何元语裁剪等多个关键步骤和算法。

第六讲为场景消隐技术。介绍了背面剔除、画家算法等物体空间隐藏面去除算法，以及多个图像空间消隐算法，如Z-buffer、面积细分、光线投射(Ray casting)、BSP树等。

第七讲为Shading技术。首先介绍双向反射分布函数(BRDF)的概念、测量方法及其表示的局限性。接着介绍包含漫反射、镜面反射和环境光的简单Shading模型。最后介绍上述局部光照明模型在OpenGL接口函数中的具体实现。

第八讲为纹理映射技术。首先介绍纹理映射的基本原理，涉及几何体的参数化和纹理分片(Texture Atlas)技术。接着讲述纹理映射在绘制流水线的执行过程，以及纹理滤波的必要性和纹理反走样方法。最后介绍目前常用的纹理映射技术，包括多纹理混合、环境映照、凸凹映射(Bump Mapping)和法向纹理(Normal Map)。

第九讲和第十讲重点讲述光线跟踪技术。首先介绍全局光照现象和Whitted全局光照明模型，然后讲述光线跟踪的基本原理和过程、软影生成方法和画面反走样技术。详细介绍了光线与景物求交的快速求解技术，包括层次包围盒、八叉树、BSP树等。在第十讲中，我们还穿插了与GPU相关的可编程技术，并以游戏编程为例来讲述GPU的应用效果。

第十一讲以全局光照明模型为重点。以绘制方程为切入点，介绍了辐射度、Monte Carlo光线跟踪技术的基本思想。

第十二讲为颜色的表示模型和图像合成技术。首先介绍了三原色原理和CIE颜色图谱，然后介绍颜色的几种表示模型及其相互转化公式，包括HSV、YIQ、RGB、YUV、CMY。图像合成技术以Alpha通道概念为基础，介绍了蓝屏扣像、贝叶斯扣像和最新的泊松扣像。

第十三讲重点介绍图形显示技术。首先介绍了目前主流的PC显示器、电视机和手持设备显示屏等显示技术，然后介绍几个新颖的显示技术：面向手持设备的投影显示技术、可折叠显示屏和基于多投影仪的显示技术(虚拟现实中心、平面显示墙、球面显示设备和CAVE)。

第十四讲简要介绍图形学中涉及的物体表示方法。包括点云、范围图像(Range Image)、多边形汤(Polygon Soup);对物体的表面表示方法，简单介绍了多边形网格、细分取曲面、参数曲面、隐式曲面。对于实体，给出了体素表示、CSG、扫描(Sweep)等表示例子。为表示整个场景，介绍了场景图这种较高层次的场景组织方式。

第十五讲至第十六讲，主要介绍参数曲线和曲面的基本概念和基本原理。重点介绍了Bezier曲线和曲面、B样条曲线和曲面以及NURBS曲线和曲面的基本概念和简单性质。

上述教学方案涉及很多概念和算法，我们并不强调学生掌握和实现算法的具体细节，而是重在基本概念和算法的思想，理解算法解决的问题和达到的效果。但同时要求掌握几个经典算法，达到夯实基础的目的。最新的研究进展是通过大量的插图和视频来介绍，这可让学生对学科前沿有概念性、直观的理解，提高学生学习兴趣，为他们快速地进入该领域从事应用开发或研究工作打下良好基础。

4. 实践环节

实践环节主要是实践项目(Project)，由任课教师和助教负责，学生可在全天候开放的专用机房完成。学生通过这些课后的实践项目来锻炼和提高分析问题和解决问题的能力。我们设计了三个实践项目：二维多边形扫描转换、虚拟场景漫游和光线跟踪算法实现。这三个实践项目的设计吸收了Princeton大学、UC Berkeley大学计算机图形学课程实践环节的优点。

第一个项目是为了让学生理解将几何表示的图形转化为光栅图形的过程及其重要意义，理解和实践图形算法中常用的增量法，以及将浮点运算转化为整数运算可提高执行效率的思想和技巧。我们根据最终可运行程序的计算效率和正确性进行评分。该技术最直接的应用是，将Flash这类矢量图形在计算机屏幕上进行快速显示，体现了图形学基础算法的重要性。

第二个项目要求学生实现虚拟场景漫游。该项目采用三角形/多边形作为场景表示的基本方式，用户通过键盘输入运动信息，绘制程序根据这些信息交互生成虚拟场景画面，从而实现虚拟相机漫游效果。通过该实践项目，学生将熟悉OpenGL函数接口、理解和控制固定功能的图形绘制流水线，体验人机交互的特点。该项目涉及物体造型、场景变换、三维观察、投影变换、多边形光栅化、视口变换以及多边形shading等图形绘制过程所涉及的多个关键步骤和算法。该项目完成后，学生应充分理解从三维物体空间坐标系到二维窗口像素坐标系图形原语的整个变换流程。对固定功能绘制流水线的深刻理解为日后使用顶点着色器和像素着色器对绘制流水线进行定制打下良好基础。

第三个项目重点练习光线跟踪算法。要求学生实现场景物体为简单几何体，如球面、柱面、多边形网格，场景包含多个点光源情况下，能处理反射、折射以及阴影效果的光线跟踪算法。要求使用包围盒、BSP树和八叉树中至少一种数据结构，来加速光线与场景物体的交点计算过程。本项目要求物体必须带有颜色纹理，将凸凹纹理(Bumping Mapping)、位移映射(Displacement Mapping)作为选作内容。为解决采样不足引起的画面走样问题，选作分布式光线跟踪(Distributed Ray-tracing )算法。第三个项目的设计要求学生能够理解全局光照明模型相对于局部光照明模型的优点，以及从图像空间出发，如何逆向递归地计算成像平面像素的颜色值。而第二个项目涉及的绘制流水线则从物体空间出发，且使用局部光照明模型，因此，第三个项目和第二个项目相互补充，帮助学生理解真实感图形基本概念、基本原理和基本算法。

除课程实习项目外，高年级优秀本科生还可进入交互式图形学实验室，参与计算机图形学及其相关领域的科研工作，进一步加强实践环节训练的广度和难度。交互式图形学实验室配了20台左右高端PC，具有12个节点的高性能集群图形绘制系统，以及基于多投影仪的大屏幕显示墙设备。研究项目来自国家纵向基金、企业的横向合作项目以及国际知名IT企业的研究资助(如微软亚洲研究院)，主要研究方向包括图形系统和体系结构(Graphics System and Architecture)、大规模显示技术(Large Scale Display Technology)、实时绘制(Real-time Rendering)、网络图形学(Internet Graphics)以及移动图形学(Mobile Graphics)。这些研究课题主要应用于虚拟现实、移动增值服务、多媒体计算、视频游戏和娱乐系统。

通过该门课程学习，大部分学生能够完成三个实践项目，基本达到教学目标的要求;能够利用图形编程接口进行图形程序开发，并将它们结合到其他应用中;对图形学基础理论、基本概念有直观感性的理解，能了解学科前沿，理解和实现部分典型的算法;对于在实验室参与研究工作的学生，在以图形作为工具来分析问题、解决问题方面得到很好的训练。实验室参与科研工作的两名本科生，在2005年第九届挑战杯飞利浦大学生课外学术科技作品竞赛中获得了一等奖，他们的参赛作品涉及基于视频的绘制、流式媒体传输和普适计算技术，是典型的图形新技术与其他技术领域相融合的例子。该作品以微软亚洲研究院游戏与图形主题支持项目“面向移动平台的游戏引擎”为基础，进一步拓展了移动图形技术在城市导航、虚拟旅游、基于位置的多媒体服务等领域的应用，体现出很强的创新能力。然而，对于其他不在图形学实验室工作的学生，他们在形象表示、分析和传递技能方面的训练仍显不足，只有少数学生能自觉使用图形作为问题描述和交流的工具。

5. 结束语

三维图形生成和显示技术将成为未来软件产品能否成功的一个关键因素。根据图形工业的发展趋势和软件产业对图形技术的要求，吸收了美国知名大学该课程的教学经验，制定了本科生计算机图形学的教学方案和实践环节。通过微软亚洲研究院的精品课程和研究项目资助，进一步修订教学方案，使它能反应工业界对人才的需求和学科最新进展，强调培养学生的创新能力。同时，授课内容也反映任课教师的研究方向和特色，用科研来促进教学和人才培养。实践表明，这种重实践、求创新、着重培养解决问题能力的课程教学和人才培养模式具有很大的参考价值。

参考文献

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作者：姜忠鼎