计算机图形学复习资料

一、名词解释：1、计算机图形学：用计算机建立、存储、处理某个对象的模型，并根据模型产生该对象图形输出的有关理论、方法与技术，称为计算机图形学。2、计算机图形标准：计算机图形标准是指图形系统及其相关应用程序中各界面之间进行数据传送和通信的接口标准。3、图形消隐：计算机为了反映真实的图形，把隐藏的部分从图中消除。4、几何变换：几何变换的基本方法是把变换矩阵作为一个算子，作用到图形一系列顶点的位置矢量，从而得到这些顶点在几何变换后的新的顶点序列，连接新的顶点序列即可得到变换后的图形。5、计算几何：计算几何研究几何模型和数据处理的学科，讨论几何形体的计算机表示、分析和综合，研究如何方便灵活、有效地建立几何形体的数学模型以及在计算机中更好地存贮和管理这些模型数据。6、裁剪：识别图形在指定区域内和区域外的部分的过程称为裁剪算法，简称裁剪。7、透视投影：空间任意一点的透视投影是投影中心与空间点构成的投影线与投影平面的交点。8、投影变换：把三维物体变为二维图形表示的变换称为投影变换。9、走样：在光栅显示器上绘制非水平且非垂直的直线或多边形边界时，或多或少会呈现锯齿状。这是由于直线或多边形边界在光栅显示器的对应图形都是由一系列相同亮度的离散像素构成的。这种用离散量表示连续量引起的失真，称为走样（aliasing）。10、反走样：用于减少和消除用离散量表示连续量引起的失真效果的技术，称为反走样。11、窗口：世界坐标的范围是无限大的。为了使规格化设备坐标上所显示的世界坐标系中的物体有一个合适的范围与大小，必须首先对世界坐标系指定显示范围，它通常是一个矩形，这个矩形被称为窗口。12、视区：在规格化设备坐标系上也要指定一个矩形区域与窗口对应，显示窗口里的内容，这个矩形被称为视区。13、坐标系统：为了描述、分析、度量几何物体的大小、形状、位置、方向以及相互之间的各种关系使用的参考框架叫做坐标系统。14、刷新：荧光的亮度随着时间按指数衰减，整个画面必须在每一秒内重复显示许多次，人们才能看到一个稳定而不闪烁的图形，这叫屏幕的刷新。15、用户坐标系：用户坐标系用户为处理自已的图形时所采用的坐标系，单位由用户自己决定。16、规范化设备坐标系：将各个设备坐标系中的数据化为统一的数据范围从而得到的设备坐标系。17、规格化变换：图形软件根据窗口与视区的一一对应关系，自动实现从世界坐标到规格化设备坐标的转换，这种从窗口到视区的变换，称为规格化变换。18、屏幕坐标系统：屏幕坐标系统也称设备坐标系统，它主要用于某一特殊的计算机图形显示设备(如光栅显示器)的表面的点的定义，在多数情况下，对于每一个具体的显示设备，都有一个单独的坐标系统，在定义了成像窗口的情况下，可进一步在屏幕坐标系统中定义称为视图区的有界区域，视图区中的成像即为实际所观察到的图形对象。19、观察坐标系：观察坐标系通常是以视点的位置为原点，通过用户指定的一个向上的观察向量来定义整个坐标系统，缺省为左手坐标系，观察坐标系主要用于从观察者的角度对整个世界坐标系内的对象进行重新定位和描述，从而简化几何物体在投影面的成像的数学推导和计算。二、问答题：1、简述光栅扫描式图形显示器的基本原理。光栅扫描式图形显示器(简称光栅显示器)是画点设备，可看作是一个点阵单元发生器，并可控制每个点阵单元的亮度，它不能直接从单元阵列中的—个可编地址的象素画一条直线到另一个可编地址的象素，只可能用尽可能靠近这条直线路径的象素点集来近似地表示这条直线。光栅扫描式图形显示器中采用了帧缓存，帧缓存中的信息经过数字／模拟转换，能在光栅显示器上产生图形。2、分别写出平移、旋转以及缩放的变换矩阵。平移变换矩阵：1010000100001zyxTTT（2分）旋转变换矩阵：绕X轴10000cossin00sincos00001（2分）绕Y轴10000cos0sin00100sin0cos（2分）绕Z轴1000010000cossin00sincos（2分）缩放变换矩阵：1000000000000zyxSSS（2分）3、图形变换有什么特点？最基本的几何变换有哪些？答：图形变换的特点：大多数几何变换（如平移、旋转和变比）是保持拓扑不变的，不改变图形的连接关系和平行关系。对于线框图形，通常是以点变换为基础，把图形的一系列顶点作几何变换后，连接新的顶点序列即可产生新的变换后的图形。对于用参数方程描述的图形，可以通过参数方程几何变换，实现对图形的变换（基于效率的考虑）。最基本的几何变换有：平移、旋转、比例、错切、投影等。4、常用的线段裁剪方法有几种？简述它们的优缺点。答：常用的线段裁剪方法有三种，它们是：（1）Cohen-SutherLand裁剪算法；（2）中点分割算法；（3）参数化裁剪算法（Cyrus-Beck算法）；Cohen-SutherLand裁剪算法与中点分割算法在区码测试阶段能以位运算方式高效率地进行，因而当大多数线段能够简单地取舍时，效率较好。参数化裁剪算法（Cyrus-Beck算法）在多数线段需要进行裁剪时，效率更高。这是因为运算只涉及到参数，仅到必要时才进行坐标计算。5、简述帧缓存与显示器分辨率的关系。分辨率分别为640×480，1280×1024和2560×2048的显示器各需要多少字节位平面数为24的帧缓存？答：帧缓存的大小和显示器分辨率之间的关系是：帧缓存的大小=显示器分辨率的大小*帧缓存的位平面数/8。例如：分辨率分别为640*480的显示器所需要的缓存的大小是：640*480*24/8=921600字节；分辨率为1280*1024的显示器所需要的缓存的大小是：1280*1024*24/8=3932160字节；分辨率为2560*2048的显示器所需要的缓存的大小是：2560*2048*24/3=15728640字节。6、什么是图形扫描转换？答：确定最佳逼近图形的象素集合，并用指定的颜色和灰度设置象素的过程称为图形的扫描转换或光栅化。对于一维图形，在不考虑线宽时，用一个象素宽的直线或曲线来显示图形。二维图形的光栅化必须确定区域对应的象素集，将各个象素设置成指定的颜色和灰度，也称之为区域填充。7、为什么使用非均匀有理B样条？答：非均匀B样条函数的节点参数沿参数轴的分布是不等距的，近年来，它得到了广泛的发展和应用，主要原因是：（1）对标准的解析形状（如圆锥曲线，二次曲线，回转面等）和自由曲线，曲面提供了统一的数学表示，无论是解析形状还是自由格式的形状均有统一的表示参数，便于工程数据库的存取和应用。（2）可通过控制点和权因子来灵活的改变形状。（3）对插入节点，修改，分割，几何插值等的处理工具比较有利。（4）具有透视投影变换和仿射变换的不变性。（5）非有理B样条，有理及非有理Bezier曲线，曲面是NURBS的特例表示。8、简述非均匀有理B样条曲面（NURBS）的性质？答：非均匀有理B样条曲面（NURBS）的性质有：a.端点性质；b.仿射不变性；c.保凸性；d.局部性：当Pi,j，wi,j变化时，仅仅影响u[ui,uip1)×v[vj,vjl1)矩形区域所对应的曲面部分；e.非有理B样条和Bezier、有理Bezier曲面是NURBS曲面的特殊情况；f.不具有变差递减性。三、论述题1、论述圆的Bresenham算法的原理，方法和步骤。Bresenham画圆算法是在每一步考察两个可能的像素点中哪一个更靠近理论圆周，从而推出沿圆周的整数位置。基本思想：通过比较像素与圆的距离平方来避免开方运算。基本方法：每一步都选择一个离开实际圆周最近的点Pi(xi,yi)使其误差项最小。设圆之半径为r。先考虑圆心在（0,0），并从x=0,y=r开始的顺时针方向的1/8圆周的生成过程。在这种情况下，x每步增加1，从x=0开始，到x=y结束。即有：xi+1=xi+1相应的yi+1则在两种可能中选择：yi+1=yi，或者yi+1=yi-1选择的原则是考察精确值y靠近yi还是靠近yi-1，计算式为：y2=r2-(xi+1)2d1=yi2-y2=yi2-r2+(xi+1)2d2=y2-(yi-1)2=r2-(xi+1)2-(yi-1)2令pi=d1-d2，并代入d1,d2，则有pi=2(xi+1)2+yi2+(yi-1)2-2r2(1)pi称为误差。如果pi0则yi+1=yi，否则yi+1=yi-1。pi的递归式为：pi+1=pi+4xi+6+2(y2i+1-yi2)-2(yi+1-yi)(2)pi的初值由式（1）代入xi=0,yi=r而得pi=3-2r(3)根据上面的推导，圆周生成算法步骤为：1、求误差初值，pi=3-2r；i=1；画点(0,r)；2、求下一个光栅位置：xi+1=xi+1；ifpi0则yi+1=yi；否则yi+1=yi-1；3、画点（xi+1,yi+1）4、计算下一个误差：ifpi0则pi+1=pi+4xi+6；否则pi+1=pi+4(xi-yi)+10；5、i=i+1；ifx=y则end；否则返2。虽然式（2）式表示pi+1的算法似乎很复杂，但因为yi+1只能取值yi或yi-1，因此在算法中，第4步的算式变得很简单，只须作加法和4的乘法。因此圆的Bresenham算法运行速度也是很快的，并适宜于硬件实现。2、简述Bezier曲线的性质？答：Bezier曲线P（t）具有以下性质：（1）端点性质：P(0)=P1；P(1)=Pn（2）端点切矢量：P‘(0)=n(P1-P0)；P‘(1)=n(Pn-Pn-1)（3）端点的曲率：P（t）在两端点的曲率分别为：这是因为（4）对称性：若保持原全部顶点的位置不变，只是把次序颠倒过来，则新的Bezier曲线形状不变，但方向相反。（5）几何不变性Bezier曲线的位置和形状只与特征多边形的顶点的位置有关，它不依赖坐标系的选择。（6）凸包性因为P(t)是多边形各顶点P1，P2，，Pn的加权平均，而权因子0Bi,n(t)1，这反映在几何图形上有两重含义：a.Bezier曲线P（t）位于其控制顶点P1，P2，，Pn的凸包之内；b.Bezier曲线P（t）随着其控制多边形的变化而变化；（7）变差缩减性对于平面Bezier曲线P（t），平面内任意条直线与其交点的个数不多于该直线与其控制多边形的交点个数；3、写出一次、二次、三次B样条曲线的矩阵表示。答：（1）一次B样条曲线设空间P0,P1,…,Pn为n+1个控制点，其中每相邻两个点和构造出一段一次的样条函数。其中的第i段一次B样条函数Pi(t)的矩阵表示为：（2）二次B样条曲线设空间P0P1,…,Pn为n+1个控制点，其中每相邻三个点和构造出一段二次的样条函数。其中的第i段二次B样条函数Pi(t)的矩阵表示为：端点位置矢量：Pi,3(0)=(Pi+Pi-1)/2;Pi,3(1)=(Pi+Pi+1)/2端点的一阶导数矢量：P’i,3(0)=Pi-Pi-1；P’i,3(1)=Pi+1-Pi；P’i,3(1)=P’i+1,3(0)；端点的二阶导数矢量：P’i,3(t)=Pi-1-2Pi+Pi+1；曲线段的二阶导数矢量等于该曲线的两条边矢量Pi-1-Pi和Pi+1-Pi所构成的对角线矢量。（3）三次B样条曲线设空间P0P1,…,Pn为n+1个控制点，其中每相邻四个点和构造出一段三次的样条函数。其中的第i段三次B样条函数Pi(t)的矩阵表示为：4、用Bresenham算法生成直线段。要求：根据已知条件，先列出计算式算出各点的坐标值，然后在下面的方格中标出各点（用“●”）。已知：线段的起点(0，0)，终点(-6，-4)0)(2)()(0)22)()(2)(111iiiiiixyxxxxyxxxyx（误差初值误差计算公式：方向计长以解：Xxy16406|04|步共走走步数6616txk是第三象限的线段