《图形学c语言sdf》课件

图形学语言C SDF掌握图形学基础知识探索使用语言实现图形算法开发出优秀的图,C SDF,2D/3D形应用程序通过本课程您将学习图形学编程的核心技能为未来的图形工程师,,之路奠定基础课程导言图形学语言基础隐式几何建模图形渲染管线C本课程将系统地介绍图形学的基础理论和课程重点介绍基于课程还将深入讲解图形学渲染管线的工作原C SDFSigned Distance语言的编程实践学习者将掌握使用语言的隐式几何建模方法学习利用理涵盖光照模型、阴影计算、材质制作等C Function,,进行和图形绘制的核心技术函数创建复杂的模型核心技术2D3D SDF3D图像基础知识像素色彩空间图像是由一个个小方块像素组成常用的色彩空间有和,RGB CMYK,每个像素有自己的颜色和亮度值前者适用于电子显示后者适用于,像素数量决定了图像的清晰度印刷不同色彩空间有不同的色和分辨率域和表现力图像格式、、等是常见的图像文件格式各有优缺点选择合适的格式JPEG PNGGIF,可以在保证图像质量的同时减小文件大小坐标系概念坐标系是描述空间位置的数学模型常见有直角坐标系和极坐标系,直角坐标系用三个相互垂直的坐标轴来定位物体而极坐标系则,以一个起点和两个角度来确定位置这两种坐标系各有优缺点适,用于不同的场景理解坐标系的性质和变换关系是图形学编程的基础能够帮助我们,更好地控制和操作三维空间颜色表示法颜色模型色彩模型RGB CMYK通过红绿蓝三种颜色的组合来表示颜通过青色、品红、黄色和黑色四种颜色是最常见的数字图像颜色表示方式色的组合来表示颜色主要应用于打印,,领域颜色模型十六进制表示法HSV通过色相、饱和度和明度三个参数来使用位十六进制数字来表示颜6RGB表示颜色可以更好地模拟人类感知颜色如表示纯红色广泛应用,,#FF0000,色的方式于网页和图形领域生成几何图形基本几何图形1从基本的点、线、面开始构建通过简单的组合和变换可以生,,成各种几何图形参数化定义2使用数学函数和参数来定义几何图形能够更精确地控制形状和,大小程序化建模3利用编程语言编写算法可以自动生成复杂的几何结构提高建,,模效率图形变换基础平移缩放通过改变坐标系原点的位置来实现平移效果可以沿任意方可独立地对、、轴进行缩放缩放比例不同会产生各种形x yz向移动图形变效果旋转组合变换围绕坐标轴旋转图形可灵活组合多轴旋转来创造复杂的通过串联多种变换效果来达到复杂的图形变换目的变换顺3D变换序会影响最终结果平移变换确定位置1定义目标物体的新位置坐标计算偏移量2计算新位置与原位置的差值执行移动3将物体沿设定的偏移方向进行平移平移变换是图形变换的基础之一通过定义目标物体的新位置坐标计算出偏移量然后将物体沿设定的方向平移到新位置这是一种简单,,直观的几何变换方法为更复杂的变换奠定基础,缩放变换定义缩放变换通过对图形的长、宽、高进行比例性缩放和放大来改变其大小实现通过矩阵运算可以实现图形的等比例或非等比例缩放缩放矩阵包含缩放因子应用场景缩放变换广泛应用于图形编辑、游戏开发、建模等领域，可以调整图形尺寸以满足不同需求旋转变换角度1确定旋转的角度大小轴心2定义旋转的中心点方向3顺时针或逆时针方向旋转变换是图形学中重要的基本变换之一通过调整旋转的角度、轴心和方向，可以实现对图形进行多样化的变换这为创造出更丰富多彩的三维场景提供了关键的基础组合变换矩阵相乘1通过将不同变换的数学矩阵相乘，可以实现多种变换的组合，如平移、缩放和旋转灵活组合2组合变换提供了更多自由度和创造性允许设计师构建复杂的,场景和动画效果3D保持顺序3组合变换的顺序很重要因为它会影响最终结果需要仔细规划,变换的先后次序几何体定义基础几何体复合几何体隐函数几何体参数几何体在计算机图形学中常见的基通过对基础几何体进行平移、利用隐函数表示的几何体可以通过调整参数可以灵活地控,,础几何体包括球体、立方体、旋转、缩放等变换可以组合创造出更加流畅优美的曲面造制几何体的细节形状是实现,,圆锥体等这些造型简单但富出更加复杂多样的几何形状型是实现自然形状建模的重高度可定制化模型的关键,,有表现力的几何图形是构建更这些复合几何体可用于模拟现要手段复杂模型的基础实中的各种物体正多面体规则结构常见正多面体12正多面体是由规则多边形组成立方体、正四面体、正八面体的几何体具有对称性和优雅的、正十二面体和正二十面体是,结构最常见的正多面体应用广泛构造方法34正多面体被广泛应用于建筑设正多面体可通过正多边形的对计、艺术创作、数学教学等领称组合或利用正则几何进行构域体现了几何之美造,平滑曲面平滑曲面是建模中的一类重要几何图形它们具有连续和光滑的特性能够呈3D,,现自然优美的造型通过精细的数学建模可以创造出各种复杂而富有艺术性的,曲面形状广泛应用于工业设计、建筑、影视特效等领域,常见的平滑曲面有曲面、曲面、样条曲面等它们可以通过控制NURBS Bézier B,点的位置和性质来灵活地调整曲面的形状平滑曲面的构建和渲染是图形学领域的重要研究课题隐式几何函数定义通过数学函数来定义几何形状这种方法称为隐式几何建模,距离场利用每个点到目标表面的距离来构建几何形状这种方法称为符号距离函数,SDF布尔运算通过交、并、补等布尔运算来创建更复杂的几何形状展现出无限的可能性,距离函数定义距离函数基础几何距离公式隐式几何建模距离函数描述的是空间中两点之间的最欧氏距离、曼哈顿距离、切比雪夫距离距离函数在隐式几何建模中扮演着关键短距离它是计算几何中的一个基本概等都是常见的距离函数公式它们有不角色通过定义距离函数可以描述出复念同的使用场景杂的三维形状函数构造SDF定义距离函数为几何体定义一个距离函数dp，其中p为任意三维坐标点这个函数指示了p点到几何体表面的最短距离分析几何体属性根据几何体的形状和性质，分析如何构造恰当的距离函数关键是要捕捉几何体的关键特征组合多个SDF复杂的几何体可以通过组合多个基础SDF函数来构建，利用布尔运算进行求交、求并等优化SDF表达式简化SDF函数表达式,以提高其求解效率和数值稳定性,是构造高质量SDF的关键步骤建模技巧SDF建模基础构建技巧建模应用SDF构建从定义距离函数开始,通过各种布•利用交、并、补等布尔运算构建复杂形精心设计的SDF函数不仅可用于渲染,还可尔操作和变换组合出复杂的几何形态掌握状广泛应用于碰撞检测、虚拟雕塑等领域发,基本技巧是建模的关键挥无穷的潜力SDF应用旋转、平移、缩放等变换创造丰富•细节妥善组合基础几何体以生成复杂的模型•光线投射算法光源定位1确定光源位置及方向射线追踪2从相机出发逐个检测相交表面材质3计算光线与表面的反射阴影处理4检查遮挡物阻挡光线光线投射算法是图形渲染的核心技术之一它从相机出发逐个追踪光线与场景中各个物体的交点并计算反射光和阴影最终生成逼真的画面效果3D,,这一过程需要多个步骤协作完成包括光源定位、射线追踪、表面材质及阴影处理等,交并运算交集运算并集运算减法运算纠错和优化交集运算用于找出两个几何体并集运算用于合并两个几何体减法运算用于从一个几何体中在应用这些布尔运算时需要小的共同区域通过计算两个通过计算两个函数的最减去另一个几何体通过计算心处理边界条件确保得到正SDF,函数的最大值可以得到交小值可以得到并集结果这样第一个函数减去第二个确的几何体同时还需要对SDF SDF集结果这样可以创造出新的可以创造出更加复杂的几何形函数可以得到减法结果函数进行优化提高计算SDF SDF,复杂形状，如相交的球体或相状，如融合在一起的不同物体这样可以创造出镂空或有开孔效率交的圆柱体的几何体渲染管线概述数据流向并行化处理渲染管线描述了从几何数据输入现代渲染管线充分利用硬件GPU到最终图像输出的一系列处理步的并行处理能力通过大规模并行,骤它定义了数据在图形处理过计算提高渲染效率程中的流动方向实时性要求渲染管线必须快速响应用户输入以实现流畅的交互体验实时性是渲染管,线设计的关键目标之一光照模型反射模型照明渲染方程基于物理的渲染Blinn-Phong PBR该模型模拟物体表面的漫反射和镜面反射通过积分计算各个光源对物体表面的总辐射材质模型使用更加真实的物理参数如,PBR,可以根据入射光线、观察方向和法线向量计亮度能够精确模拟复杂的光照效果粗糙度、金属度等可以产生更加逼真的材,,算光照效果质效果阴影计算遮挡检测阴影贴图12通过光线投射等算法检测物体生成描述阴影细节的贴图数据,相互之间的遮挡关系确定哪些将其应用于最终图像渲染中,区域应该被阴影覆盖软阴影动态阴影34采用柔和的过渡边缘模拟真实处理移动光源或物体产生的实,世界中阴影的半影效果时变化阴影提高渲染逼真度,材质制作材质定义贴图技术材质是物体表面的特性决定了物体的利用图像贴图可以丰富材质的细节增,,视觉效果如反射、颜色、粗糙度等强逼真度纹理、法线贴图等技术广,泛应用着色器程序基于物理的渲染着色器是一种小型程序用于快速计算材质模型模拟光线与物体表面的,PBR每个像素的最终颜色是材质核心所在真实交互可以得到更精确的视觉效果,,贴图技术纹理贴图法线贴图置换贴图环境贴图利用二维图像将复杂的表面细利用储存表面法向量信息的贴通过高度信息修改网格几何形利用全景图或天空球贴图模拟节映射到模型上增加视觉图来模拟几何细节无需增加状实现更精细的表面细节适环境光照增强物体的反射、3D,,,,,细节和真实感可以应用于材额外几何体提高渲染效率用于凹凸不平的表面折射等光学效果,质、杂草、地面等采样算法采样定理均匀采样12采样频率应高于信号频率的两倍以上才能准确还原原始信以固定时间间隔获取样本点简单但可能引入频域失真,,号自适应采样随机采样34动态调整采样频率以降低采样点数同时保证信号重现精度以随机时间获取样本点可减少采样失真并提高效率,,抗锯齿技术采样技术边缘平滑化通过增加采样率来减少锯齿效果沿着边缘应用模糊或混合算法使,,提高图像平滑度常见的方法有边缘过渡更自然流畅超采样和多重采样颜色混合根据像素与边缘的距离对颜色进行插值混合使边缘更自然,,.性能优化策略针对性优化代码级优化硬件加速并行计算深入分析系统瓶颈根据具体情通过优化算法、数据结构、内利用、等硬件资源来将计算任务分解并行执行利用,GPU DSP,况有针对性地进行优化提高整存使用等手段提升关键代码段分担计算任务大幅降低负多核的并行处理能力,,,CPU CPU/GPU体性能的运行效率载混合效果半透明混合模糊混合发光混合利用透明度实现物体之间的融合和衔接，营通过高斯模糊等方法，可以制造出柔和自然添加自发光或高光效果，营造出梦幻、华丽造出层次感和深度感的边缘和过渡效果的视觉感受未来发展趋势实时渲染技术灵活建模方式跨界应用开源生态随着硬件性能不断提升基于建模能够灵活创造复杂形渲染技术可应用于游戏、开源渲染引擎的发展将推,SDF SDFSDF的实时渲染将更加流畅和状未来可结合机器学习等技、建筑设计等领域为动技术普及让更多设计师和SDF,VR/AR,,逼真加速将使复杂场景术实现更智能化的自动生成创意设计带来全新可能开发者参与到图形学创新中来GPU,的实时光线投射成为可能。