《图形学复习》课件

图形学复习本课件将回顾图形学的基础知识涵盖了从绘制图形到渲染场景的各个,重要概念通过深入理解这些基础知识我们将为接下来的图形学课程,奠定坚实的基础课件目标全面概览增强实践能力深入学习领域本课件旨在全面概述图形学的基本概通过理论讲解和实践训练相结合培养掌握图形学基础知识为进一步学习计,,念、原理和技术帮助学生建立起图形学生的图形学建模、渲染和可视化能算机图形学、游戏开发、虚拟现实等,学的整体认知力提升实际应用水平相关领域奠定坚实基础,图形学简介图形学是计算机科学的一个重要分支主要研究如何生成和,操作图像它涉及到几何建模、光照计算、图像渲染等多个领域在多媒体、游戏、仿真等应用中都有重要应用图,形学相关技术的发展推动了计算机图形和视觉的进步为人,机交互提供了更丰富、直观的体验图形学的重要性增强用户体验推动技术进步12精美的图形界面和动态可从游戏到医疗再到航天等视化大大提高了应用程序领域图形学技术的不断发,的吸引力和易用性展推动着相关行业的创新和进步促进数据分析开启创造新可能34通过高效的数据可视化图虚拟现实、增强现实等前,形学让复杂的数据信息更沿技术的发展为人们打开,易被人类理解和洞察了全新的互动体验和创意应用图形学的主要内容几何基础光照模型纹理映射渲染算法图形学研究二维和三维几何图通过分析光的传播和反射，建利用二维图像纹理，在三维表研究如何将三维场景转换为二形的表示、变换和渲染涉及立物体表面的光照模型，实现面上进行贴图，增加几何体的维图像的过程和技术，包括光坐标系统、几何体、坐标变换逼真的光影效果细节和复杂度栅化、隐藏面消除等等基础内容合理的渲染技术实时渲染1针对游戏和虚拟现实等应用场景全局光照2计算真实的光照效果获得更高度真实感,图形管线优化3降低计算和内存开销提高性能,合理的渲染技术是图形学的核心内容之一这包括实时渲染、全局光照以及优化图形管线等多个方面通过采用先进的渲染算法和优化技术可以在追求逼真效果的同时还能确保系统的高性能和交互流畅度这些渲染技术广泛应用于游戏、虚,,拟现实、设计等各种场景之中常见的坐标系笛卡尔坐标系极坐标系由两个正交的轴组成的平面利用径向距离和角度来定位,坐标系广泛应用于图形中更适合描述旋转和极向变换,2D,轻易描述位置和运动常见于极坐标图形,坐标系齐次坐标系3D在坐标系基础上增加一个在坐标系基础上增加第四2D3D正交的轴可用来表示空维度更便于处理图形变换在Z,3D,,间中的点、面和体积投影和视角变换中应用广泛几何图形2D几何图形是图形学中最基础的概念之一它们包括点、线段、多边2D形、圆等基本图形元素这些简单的图形可以用来构建更加复杂的二维场景和图像理解和掌握这些几何图形的特性、描述方法和变换操作是学习计算2D机图形学的基础从而能够更好地进行二维图形的建模和渲染变换操作2D平移通过改变图形在坐标系内的位置来实现平移变换可以沿或轴进行平移X Y缩放对图形进行等比或不等比的放大或缩小变换可以沿单个或多个坐标轴进行缩放旋转围绕坐标系原点或指定点对图形进行旋转变换旋转角度可正可负几何形状3D球体立方体圆柱体棱锥球体是最基本的几何形立方体是另一种重要的圆柱体由两个圆形底面和一棱锥有一个多边形底面和一3D3D状之一广泛应用于建模和几何形状由六个正方形面个圆形侧面组成可以用来个顶点常用于建模屋顶、,,,,渲染它可以用来描述各种组成它可用于建模建筑物建模桌腿、花瓶等物体它金字塔等尖塔建筑不同形物体如地球、、球、电子产品外壳等广泛应用于建筑和工业设计状和大小的棱锥可用于各种,planets赛场景等中应用场景变换操作3D平移1通过更改物体的坐标值来实现物体在三维空间中的位置变换缩放2调整物体的尺寸大小以达到视觉上的远近效果旋转3通过改变物体的角度来实现三维空间中的方向变换投影4将三维物体投影到二维平面上以实现透视效果三维图形学中的变换操作包括平移、缩放、旋转和投影平移可以移动物体的位置，缩放可以调整物体的大小，旋转可以改变物体的方向，而投影可以将三维物体映射到二维平面上这些基本变换操作为我们创造各种复杂的三维场景奠定了基础投影变换正交投影投影参数调整正交投影将三维空间上的物体投影到二维平面上,保留了物体的尺寸和长调整投影参数如视场角、近远平面等可以控制投影效果,达到所需的视觉度关系这种投影方式常用于CAD/CAM设计和工程制图呈现123透视投影透视投影模拟人眼的视觉效果,物体越远越小这种投影方式可以创造出更加真实自然的三维场景观察与视角定义观察坐标系视角定义投射矩阵视锥体观察坐标系定义了图形的视角由观察者位置、观察投射矩阵决定了物体在屏视锥体定义了可见区域视角和取景区域通常使方向和视野角度等参数确幕上的映射方式透视投通过调整近平面和远平面用右手坐标系，其中轴定合理设置视角可增强射和正交投射是两种常见可控制可见深度范围z指向观察者方向真实感和沉浸感的投射方式光照模型漫反射光照镜面反射光照物体表面粗糙不平时，入射当物体表面光滑时入射光线,光线被随机反射产生均匀的会按镜面反射定律反射到特,,漫反射亮度这种光照可模定方向这种光照可模拟金拟木材、石材等材质属、塑料等光泽材质环境光照模拟物体表面接收到的来自四面八方的间接散射光使整个场景更,加自然柔和阴影计算确定光源首先需要确定光源的位置和特性以此来计算阴影的方向,和范围遮挡检测通过遮挡检测算法识别哪些区域不会受到直接光照而产,生阴影阴影强度计算根据光源强度和几何关系计算出阴影区域的亮度值,纹理映射纹理映射概念坐标系UV将二维图像应用到三维表面可以纹理映射需要建立物体表面上的,提高渲染的真实感和细节二维坐标系将二维纹理对应UV,到三维物体纹理过滤纹理坐标生成使用合适的纹理过滤算法如线性将物体的顶点坐标映射到纹理坐,插值可以避免纹理失真和锯齿标确定每个像素的纹理值,,曲面表示隐式表达参数表达样条函数分析几何隐式表达的曲面可以通过参数表达的曲面通过一组样条函数通过一系列控制分析几何利用数学方程来一个函数方程来定义通参数变量来定义如笛卡点来描述曲面可以生成描述曲面能够精确地定,,,,常使用一个标量场来表示尔坐标系中的这光滑、复杂的几何形状义复杂的几何形状这种x,y,z空间中的几何形状这种种表示方法适用于建模网这种方法在计算机辅助设方法可以用于建模精密的方法适用于复杂的自然曲格、曲线等几何形状计等领域广泛应用工业零件等面如心形、八字形等,隐藏面消除遮挡检测1确定哪些物体被其他物体遮挡深度缓冲2记录每个像素的深度信息遮挡消除3根据深度信息去除被遮挡的面片算法优化4提高隐藏面消除的效率和速度隐藏面消除是图形学中的关键技术,用于确定哪些物体被其他物体遮挡,并据此从最终渲染结果中去除被遮挡的面片常用的方法包括深度缓冲、Z-缓冲、扫描线等,通过记录和比较每个像素的深度信息来实现遮挡检测和消除随着设备性能的提升,隐藏面消除算法也在不断优化,以提高渲染效率和速度光栅化算法光栅化基础1光栅化是将几何图元（点、线、面）转换为由像素阵列表示的图像的过程光栅化算法2主要包括直线扫描转换算法、多边形填充算法等，用于高效地计算每个像素的颜色值优化技术3采用空间子划分、提前计算等方法，可以大幅提高光栅化的速度和效率矢量图形无缝放大缩小小文件体积矢量图形由几何形状定义矢量图形文件体积较小适,,可以无限放大缩小而不会失合在网页、应用程序等场景真中使用编辑灵活性强丰富的图形效果矢量图形的各个元素可以独矢量图形可以实现阴影、渐立编辑便于进行修改和创变、旋转等多种复杂的视觉,作效果像素图形什么是像素图形？像素图形是由一个个小方格像素组成的数字图像每个像素都有自己的色彩和亮度,共同构成了整体画面基本图元点图元线段图元多边形图元曲线图元点图元是图形学中最基础的线段图元表示二维平面上的多边形图元可以表示各种凸曲线图元可以表示二维平面图元它代表二维平面上的直线线段线段可用于绘制多边形如三角形、矩形、上的各种曲线如贝塞尔曲,,,单个像素点可用于绘制散轮廓、网格、几何形状等六边形等多边形可用于绘线、样条曲线等曲线可用点图、星空等制复杂的几何图形于绘制自然流畅的形状数字图像处理图像采集图像处理算法利用数字相机或扫描仪将图包括滤波、增强、分割、压像转换为计算机可读的数字缩等功能，以提高图像质量格式和分析效果图像分析和理解图像存储和传输通过提取特征、识别模式等采用合适的数字图像格式和技术对图像进行高级处理和压缩技术对图像进行存储和分析传输计算机动画基础动画技术基础动作捕捉与编辑12包括关键帧动画、补间动通过运动捕捉设备记录人画、骨骼动画等常见的计体动作并对其进行编辑和,算机动画技术修改渲染与特效时间轴管理34运用高级渲染技术和粒子合理安排动作时间和节奏,系统等来实现逼真的动画使动画流畅自然特效虚拟现实基础沉浸体验度视角360虚拟现实通过头显设备带来全新虚拟现实支持全景度画面用360,的沉浸式体验让用户感受身临其户可以自由观察四周环境,境交互操作运动跟踪虚拟现实支持手柄操控允许用户虚拟现实通过运动传感器实现用,自然交互与操作虚拟世界户动作捕捉增强沉浸感,实时渲染技术高帧率渲染1以每秒60帧或更高的速度渲染画面,实现流畅的交互体验动态光照计算2实时计算光源和物体之间的复杂光照效果捕捉环境变化,高性能算法优化3利用硬件加速和并行计算技术高效处理海量的几何数据,实时渲染技术是图形学中的核心技术之一其关键在于能够以高帧率呈现动态、逼真的图像内容这不仅需要快速的几何计算和光照处理能,力还需要针对性的算法优化和硬件加速手段随着计算能力的不断提升实时渲染技术正在向更逼真、更流畅的方向发展,,图形算法优化缓存优化并行化处理12通过缓存常用数据和中间利用或多核进行GPU CPU结果来减少访存次数，提并行计算充分利用硬件资,高运算效率源算法选择内存管理优化34根据具体场景选择合适的合理分配和回收内存减少,算法避免使用低效的算法内存分配和释放的开销,图形编程APIOpenGL DirectX是一种行业标准的图是微软开发的一套图OpenGL DirectX形编程提供了广泛的功形编程主要用于API,API,能和高度的灵活性适用于各平台上的游戏和多,Windows种图形应用程序的开发媒体应用程序开发Vulkan Metal是一种新兴的低开销是苹果公司开发的一种Vulkan Metal、跨平台的图形和计算面向硬件的图形编程针API,API,可以提高图形性能和效率对和平台进行了iOS macOS优化性能评估与调优性能测试报告分析代码性能优化系统资源监控持续优化改进全面分析性能测试报告找采用各种优化手段如算法实时监控、内存、磁盘不断总结优化经验持续优,,CPU,出关键性能指标准确定位改进、内存管理、多线程并、网络等系统资源使用情况化系统性能确保应用程序,,性能瓶颈行化等提高代码执行效率找出性能瓶颈所在在各种负载情况下都能稳定,,高效运行未来图形学发展虚拟现实的发展增强现实的应用虚拟现实技术将持续进化带来更增强现实将与各行业深度融合成,,身临其境的沉浸式体验融合感知为日常生活中不可或缺的工具改,,、交互等更智能化的特性善人机交互体验实时渲染技术助力图形学AI硬件性能的提升和算法的优化将人工智能的发展将为图形学领域,使实时渲染技术更加高效可靠满带来新的突破如基于机器学习的,,足图形学应用的实时需求建模、渲染、动画等技术总结和问答这就是我们对图形学基础知识的全面综述我们从基本概念和定义开始逐步深入探讨了各种图形学技术和算法包括渲染,,、变换、投影、光照、纹理等希望通过本次课件同学们能够全面地了解图形学的重要性以及其在计算机图像、虚拟现实,等领域的广泛应用接下来让我们进行相关的提问环节欢迎大家积极发言互相交流探讨,,。