1、計算機圖形學計算機圖形學教程教程清華大學計算機基礎教育課程系列教材清華大學計算機基礎教育課程系列教材 陸潤民陸潤民 編著編著緒論緒論一、課程說明一、課程說明1.圖形學概述圖形學概述“圖形”是人類最早的文明體現。它 和文字、聲音等一樣，是承載信息進 行交流的重要媒體。是一切設計工作 的核心內容之一。圖形學作為一門科 學，歷來是人們重要的學習和研究內 容。 計算機圖形學是研究通過計算機將數據轉換為圖形，并在專用設備上顯示的原理、方法和技術的學科。 通俗地講，就是應用計算機技術進 行圖形的生成、處理和輸出。 計算機技術的不斷完善以及計算機 圖形學這門新興學科的發展，為利用 計算機來進行設計和圖形處理

2、開創了 新紀元。 計算機圖形學的歷史并不長，但對現 代科學技術的影響很大。可以說，任 何一個設計及圖形領域都不可缺少計 算機圖形技術。它是唯一能幫助人們 進行高速度、高精度、高難度的設計 及圖形表現工作的一種技術。 工程界普遍認為：計算機圖形學是 現代設計方法的核心內容之一。2. 計算機圖形學包含的主要內容計算機圖形學包含的主要內容圖形系統（硬、軟、標準化）基本圖形生成圖形變換圖形典型算法曲線曲面造型計算機動畫真實感圖形圖形學的應用 3.計算機圖形學與計算機輔助設計計算機圖形學與計算機輔助設計計算機圖形學是計算機輔助設計的重 要組成部分和核心內容。(1)設計工作的最后結果一般都要以圖的形式來表

3、達；(2)計算機圖形技術是實現先進的 計算機輔助設計技術的重要基礎。 要掌握計算機輔助設計技術，首先必 須掌握計算機圖形技術。4. 計算機圖形學的應用計算機圖形學的應用近 30 年來， “ 計算機圖形學 ”得到了廣泛的應用和飛速的發展。目前，其主要的應用領域有：( 1 ) 計算機輔助設計計算機輔助設計( cad )和和輔助制造輔助制造 ( cam )這是一個計算機圖形學應用最廣泛、最活躍和發展最快的領域。它被用來進行建筑工程、機械結構和部件等的設計，繪制加工圖紙；汽車、飛機、船舶的外形數學建模，曲線、曲面擬合與光順，并繪出圖紙；大規模集成電路的設計與繪圖等。( 2 )動畫與系統模擬動畫與系統模

4、擬動畫片、廣告；模擬各種反應過程，如化學反應、核反應；碰撞、地震等過程模擬；以及各種各樣的運動和訓練模擬。這樣做，不僅安全，還可以取得極大的經濟效益。( 3 )繪制勘探、測量的圖形繪制勘探、測量的圖形處理勘探和測量所得的數據，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、電荷分布圖等。( 4 )辦公自動化辦公自動化可以用來繪制數學的或經濟的各類信息二、三維圖表。如統計用的直方圖、扇形圖，以及各類進程管理圖表等。這些圖可以用簡明的方式提供形象化的數據和變化趨勢，以增加對復雜現象的了解，并協助作出決策。( 5 )計算機輔助教學計算機輔助教學由于計算機圖形技術能生成豐富的圖形，可用于

5、輔助教學，使教學過程變得形象、直觀和生動，有助于提高學生的學習興趣和注意力，增強教學效果。5.教學安排教學安排（1）總學時）總學時48。（2）每周一次講課；上機）每周一次講課；上機20學時。學時。 （20機時課內、課外各10個。）（3）教學基本要求）教學基本要求 了解計算機圖形學所包含的基本 內容； 能用c語言編寫圖形程序； 能利用典型的圖形軟件來實現自 己的設計思想（較簡單的）； 能用c程序來實現一些典型的圖 形算法。二、二、c語言圖形功能語言圖形功能一些高級語言都擴充了圖形功能，這使得用戶可以不需配備專門的圖形軟件，就能在計算機上進行圖形工作。turbo c 2.0包含有460多個庫函數，

6、其中有 70 多個圖形函數，這些函數包括了繪圖、處理圖象及圖素、屏幕及視圖區控制、顏色及線型設置、狀態查詢和出錯處理等，這使得 turbo具有很強的圖形功能。.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和列數也不一樣，顏色也會有所區別。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”。通常把屏幕上所包含像素的個數叫做分辨率。分辨率越高，顯示的圖形越細致、質量越好，這是顯而易見的。在圖形方式下，屏幕上每個像素的顯示位置用點坐標系來描述。在該坐標系中，屏幕左上角為坐標系的原點，坐標值為 ( 0 , 0 ) ; 水平方向為軸，自左向右；垂直方向為軸，自上向下。見下圖。點坐標系中坐標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數也不同，即其 maxx 、maxy 的數值不同。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。. 圖形函數及其用法圖形函數及其用法turbo c 的圖形函數均在一個頭文件“ graphics.h” 中定義。所以，凡是在程序中要調用這些圖形函數，都必須在源程序的開頭寫上文件包含命令：# include ( 1 ) 圖形系統管理圖形系統管理在一般默認情況下，顯示器處于文本方式下。在文本方式下，所有的圖形函數均不能應用。因此在調用圖形函數繪圖之前，必須先將顯示器設置為圖形模式，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 initgraph 來實現，它的功能是通過從

9、磁盤上裝入一個圖形驅動程序來初始化圖形系統，并將系統設置為圖形模式。其調用格式為：initgraph ( gdriver, gmode, path ) ;調用該函數需用的三個參數含義為：調用該函數需用的三個參數含義為：gdriver :是一個整型值，用來指定裝入的驅動程序名。gmode :是一個整型值，用來設置圖形顯示模式。path :是一個字符串，用來指明驅動程序所在的路徑。舉例：假設使用 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 。則初始化調用方式如下：int gdriver = vga , gmode = vgahi ;initgraph

10、(&gdriver , &gmode , “c: tc”);關閉圖形模式關閉圖形模式在運行圖形程序結束后，應及時關閉圖形模式，回到文本方式，以進行其他工作。關閉圖形模式用函數 closegraph , 其調用方法為：closegraph ( ) ;（該函數不需參數）( 2 ) 繪圖函數繪圖函數從理論上來說，用像素點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，以方便圖形設計。所有繪圖函數調用時的參數，其類型均為整型，因此填入參數表的參數，應為整數或整型變量。line 函數：在指定兩點之間畫直線。如：line ( x1 , y1 , x2 ,

11、 y2 ) ;lineto 函數：從當前點畫線到指定點。如：lineto ( x , y ) ;moveto 函數：把當前點移到指定點（不畫線）。如：moveto ( x , y ) ;circle 函數：指定圓心和半徑畫圓。如：circle ( xc , yc , r ) ;arc 函數：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：指定矩形的兩對角點畫一個矩形。如：rectangle ( x1 , y1 , x2 , y2 ) ;drawpoly 函數：畫一條任意多邊

12、折線。如：drawpoly ( nps , xy ) ;其中，nps 為多邊折線的頂點數；xy 為存放頂點坐標值的數組名。如果首尾兩點重合，則可以繪制一個任意多邊形。( ) 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。任何繪圖函數都是在當前顏色（背景色和前景色）和線型的狀態下作圖的。系統的默認值為：背景色為黑色；前景色為白色；線型為實線。setbkcolor 函數：設置背景顏色。如：setbkcolor ( colorname ) ;setcolor 函數：設置前景顏色。（用法同上）setlinestyle 函數：設置線型。如：setlinestyle ( lsty , 0 , width ) ;（）繪圖程序簡例