《图形绘制与处理》课件

图形绘制与处理掌握图形绘制和处理的基础知识助力图形可视化和交互设计涉及图形的,创建、变换、渲染等核心概念和技术课程大纲图形基础概念二维图形绘制探讨什么是图形、图形的表示介绍绘制直线、多边形和圆椭/方式以及相关的数据结构圆等二维图形的算法三维图形绘制图形变换讨论三维坐标系、三维物体表学习二维和三维图形变换的原示以及三维图形投影的相关技理及其变换矩阵的应用术图形基础概念什么是图形图形的表示方式图形数据结构图形是由点、线、面等基本元素构成的图形主要有矢量图和像素图两种表示方图形数据包括点、线、面、曲线等基本视觉表达形式它可以是静态的二维图式矢量图用数学公式描述图形放大不几何元素以及它们之间的拓扑关系合,,像也可以是动态的三维模型图形是信失真像素图则由像素点阵组成具有更丰理的数据结构可以优化图形的存储和处,;,息传达的重要手段之一富的色彩表现理效率什么是图形表现现实世界数字化表示图形是用线条、图案和颜色在计算机系统中图形采用数,等视觉元素来表现现实世界字化的方式进行表示和存储,中事物的形状、结构和特征通常包括点、线、面等基本的视觉表达方式图形元素应用广泛图形广泛应用于工程设计、艺术创作、用户界面设计等领域是重要,的视觉传达工具图形的表示方式栅格图形由二维矩阵的像素点构成,每个点包含颜色和亮度信息适用于照片和复杂图像矢量图形由几何图形元素如点、线、曲线和多边形构成可无限缩放而不失真适用于简单插图网格图形由顶点、边和面组成的三维多边形网格可表示复杂的三维物体图形数据结构像素数组几何数据结构层次数据结构场景图最基本的图形数据结构是二更常见的是使用几何图元如复杂图形可以采用层次数据场景图是一种常见的层次数维像素数组每个像素包含点、线段和多边形来表示图结构将图形划分为更小的据结构通过构建节点树来,,,颜色和位置信息这种方式形这种方式更加高效可以部件方便管理和处理这表示图形对象及其关系支,,,,适用于光栅图像但处理效支持缩放和旋转等变换种结构可以支持更灵活的交持复杂场景的渲染和交互,率较低互和编辑二维图形的绘制线段绘制多边形绘制圆和椭圆绘制利用数学算法将虚拟的线段转换为可在将多边形分割成三角形或扫描线逐个利用参数方程或数学运算计算出圆或,,显示器上成像的像素点序列常用的算填充内部区域像素常见的算法有种子椭圆形状的边界像素点坐标代表算法法包括算法和算法填充法和扫描转换算法有中点画圆法和椭圆算法DDA Bresenhammidpoint直线绘制算法算法Bresenham1基于整数运算的高效直线绘制算法算法DDA2基于浮点计算的简单直线绘制算法中点算法3利用直线方程的中点计算绘制算法直线绘制算法是图形处理的基础技术之一常用的算法包括算法、算法和中点算法等它们各有优缺点Bresenham DDA,算法利用整数运算高效快速算法简单易实现而中点算法则利用直线方程的特性进行绘制选择合适的算法可以Bresenham,DDA,大大提高图形绘制的性能多边形绘制算法边表法提取多边形的边信息,按照扫描线逐步绘制多边形通过边表有效管理边缘数据,提高绘制效率填充算法根据多边形的顶点坐标,使用扫描线或分区方法填充内部区域,生成完整的多边形图形抗锯齿处理采用超采样或平滑处理等技术,消除多边形边缘的锯齿感,提升图形的视觉质量圆和椭圆绘制算法算法Bresenham1一种简单高效的整数步进算法中点圆算法2根据圆的几何特性计算像素坐标椭圆绘制算法3使用参数方程描绘椭圆曲线圆和椭圆是常见的二维基本图形它们的绘制算法是图形学的基础之一算法和中点圆算法分别提供了快速高效的圆绘,Bresenham制方法而椭圆绘制则需要利用参数方程来描绘椭圆曲线这些算法为图形渲染和图形变换奠定了重要基础,三维图形的绘制三维坐标系三维图形建模需要在三维空间中定义坐标系描述对象的位置和方向信息,三维物体的表示三维物体可以用多边形网格、曲面等方式进行数学建模和计算机表示三维图形的投影将三维物体投影到二维平面上以便在显示设备上渲染和展示,三维坐标系直角坐标系极坐标系12三维空间中使用三个相互垂使用半径、仰角和方位角三直的坐标轴、和来定位个参数来表示三维空间中的X YZ物体位置点同质坐标系应用举例34增加一个同质坐标使得平面三维坐标系广泛应用于计算,和空间变换可以用矩阵表示机图形学、建模、虚拟现3D实等领域三维物体的表示几何建模坐标系统通过几何图元如点、线、面等三维空间使用笛卡尔坐标系统描述三维物体的形状结构常定义对象位置和方向也可采见方法包括网格模型、实体模用球坐标系或柱坐标系等其他型和参数化模型等坐标系数学表示利用向量、矩阵等数学工具描述三维对象的几何特性为后续的图形变,换和渲染提供基础三维图形的投影三维坐标系正交投影透视投影三维图形在空间中的位置和形状由三维正交投影将三维图形沿着某一个坐标轴透视投影模拟人眼的视觉效果近大远小,,坐标系来描述包括、和三个轴这为方向进行投影保留了图形的实际尺寸和能够更好地表现三维空间的深度关系,x yz,三维图形的投影提供了基础比例关系这种投影方式常用于工程制这种投影方式常用于计算机图形学渲染图图形变换技术

4.二维图形变换三维图形变换变换矩阵二维图形变换包括平移、旋转、缩放等三维图形变换在二维基础上增加了深度变换矩阵是实现图形变换的数学基础通,基本操作可以对图形进行位置调整、方维度可以执行更复杂的变换操作如旋转过矩阵运算可以将平移、旋转、缩放等,,,向修改和大小改变实现图形的各种变换、平移、缩放等用于模拟真实世界中的变换统一表示方便计算机进行高效处理,,,效果三维物体变化二维图形变换平移1通过改变图形的坐标来实现将其移动到新位置的变换这为创建动画效果和控制图形位置提供了基础缩放2对图形进行放大或缩小的变换可用于调整图形大小创建,不同尺度的视图旋转3围绕某个轴心旋转图形的变换使得图形能以任意角度在二维平面上旋转展示三维图形变换平移1将物体在三维空间中沿、、轴移动x yz缩放2调整物体在三维空间中的大小旋转3围绕三维坐标系的任意轴旋转物体三维图形变换是一种重要的技术可以用来平移、缩放和旋转三维物体以满足各种应用场景的需求通过精细的控制这些基本变换,,操作我们可以创造出各种复杂的三维场景和特效,变换矩阵基础原理矩阵计算12变换矩阵是表示二维或三维通过矩阵乘法可以对图形进图形变换的数学方法包括平行复杂的组合变换实现更灵,,移、缩放、旋转等操作活的几何处理齐次坐标系应用实践34使用齐次坐标系可以将平移变换矩阵广泛应用于计算机操作与其他变换统一表示简图形学、机器视觉、动画制,化计算过程作等领域颜色模型和光照模型颜色模型光照模型渲染算法通过数学模型描述颜色的结构和特性，模拟光线与物体表面的相互作用包括漫根据光照模型计算每个像素的颜色如光,,包括、等常见模型可用于颜反射、镜面反射等用于生成逼真的图栅化、光线追踪等实现逼真的效果RGB HSV,3D,3D色的数字表示、混合和分析像颜色模型RGB模型CMYK模型是最广泛使用的颜色模型通过不同比例的红、绿、蓝三种模型主要用于打印领域通过蓝、绿、红三种颜色的互补RGB,CMYK,色光混合可以产生各种颜色色青、品红、黄混合打印实现,HSV/HSL模型Lab色彩空间和模型将颜色表示为色调、饱和度和明度更符合人模型更接近人眼感知颜色能够更精确地描述颜色差异广泛HSV HSL,Lab,,类感知颜色的方式应用于图像处理和颜色管理光照模型光照模型光照模型Phong Blinn-Phong光照模型是一种常用的局部光照模型通过计算物体表光照模型是模型的改进版它使用了一个更Phong,Blinn-Phong Phong,面各点的反射特性来决定该点的颜色它考虑了环境光、漫反高效的计算镜面反射的方法可以以更低的计算成本实现类似,射和镜面反射三个主要成分的效果纹理贴图技术纹理映射多层纹理程序化纹理将二维或三维纹理图案贴附在几何图叠加多个纹理图案可以创造出更复杂通过数学公式和算法动态生成纹理图形表面上的过程这可以增加图形的和丰富的表面效果，模拟不同材质的案能够创造出无限变化的复杂纹理,真实感和细节外观效果纹理映射定义1纹理映射是一种图形处理技术通过将二维图像（纹理）应,用到三维表面上增加图形的细节和真实感,原理2将图像坐标映射到三维模型的表面坐标使得纹理图像贴合,在模型上形成丰富多样的材质效果,应用3广泛应用于计算机图形学、游戏开发、建筑设计等领域为,模型增添逼真的材质和细节3D多层纹理基本纹理组合纹理动态纹理通过贴图方式在物体表面添加纹理图将多个纹理图层叠加使用可创造出更纹理可随时间变化如水面波纹、火焰,,像增加细节和视觉效果丰富、更逼真的表面效果等动态效果,程序化纹理噪声函数1基于数学的随机函数生成自然纹理纹理合成2组合多个噪声函数创造丰富纹理实时生成3通过算法实时生成纹理无需存储大量纹理图像,程序化纹理通过数学算法实时生成纹理而不是事先制作好纹理图像它利用噪声函数创造自然随机的模式并通过组合多个噪声函,,数来生成复杂的纹理效果这种技术可以在不使用大量纹理资源的情况下实现实时、动态的纹理生成图形渲染算法光栅化算法光线追踪算法全局光照算法光栅化算法将几何图形转换为屏幕上可光线追踪算法模拟光线从光源出发并与全局光照算法考虑了各种光照效果如阴显示的像素阵列通过扫描转换和填充来场景中的物体相交的过程能够实现高度影、反射和折射能够产生更加逼真的图,,,实现快速高效的图形渲染真实的图形渲染形渲染效果光栅化算法离散化1将连续的图形映射到离散的像素点逐像素扫描2依次处理每个像素点算法优化3通过加速算法实现高效率绘制优势4简单易实现，可适用于各种图形光栅化算法是最基础的图形绘制方法它通过将连续的图形映射到离散的像素点上,并逐一处理每个像素来实现图形的绘制尽管简单,但通过优化算法可以提高绘制效率,是目前应用广泛的图形渲染技术光线追踪算法逐个像素计算光线追踪算法从每个像素出发，模拟光线的反射、折射和遮蔽通过追踪光线与场景中物体的交点来渲染图像计算反射和折射当光线击中物体表面时,计算反射和折射光线的方向,并递归地追踪这些次级光线模拟光照效果根据光线与物体的交点,计算该点的颜色,包括漫反射、镜面反射和折射等光照效果渲染整个场景重复上述步骤,计算整个图像上每个像素的最终颜色,从而渲染出逼真的三维场景全局光照算法光线追踪1模拟光线在场景中的传播辐射传输方程2计算光线在表面上的漫反射和镜面反射蒙特卡洛积分3使用随机采样进行数值积分全局光照算法通过模拟光线在场景中的传播和反射计算出每个点的最终亮度这需要解决复杂的辐射传输方程通常采用基于蒙特,,卡洛积分的随机采样方法这种算法能够生成逼真的光照效果但计算量非常大需要大量的计算资源,,结束语在本课程中我们深入探讨了图形绘制与处理的各个方面从基础概念到二维,,三维图形建模再到色彩光照模型和渲染算法这些知识不仅为同学们奠定,了扎实的基础也为日后的图形图像开发工作打下了坚实的基础,。