《计算机绘图原理》课件

计算机绘图原理计算机绘图原理是计算机图形学的基础，涵盖了二维和三维图形的生成、处理和显示该课程介绍了图形学的基本概念、模型、算法和应用计算机绘图的发展历程早期萌芽1世纪年代，随着计算机技术的出现，人们开始探索用计2050算机绘制图形的可能性这一时期主要以简单的图形绘制为向量图形时代2主，例如直线、圆形等世纪年代，矢量图形技术开始发展，可以绘制更复杂的2060图形，如曲线、多边形等，并用于航空航天、汽车设计等领栅格图形时代3域世纪年代，计算机图形学进入栅格图形时代，人们开始2070使用像素来表示图形，这使得计算机图形的绘制和显示更加三维图形时代4逼真，并催生了电脑游戏和动画等新兴产业世纪年代，计算机图形学进入三维图形时代，人们开始2080使用三维模型来表示物体，并利用投影技术将三维模型转换现代计算机图形学5成二维图像，这使得计算机图形更加逼真和生动进入世纪，计算机图形学得到了快速发展，虚拟现实、增21强现实等新技术不断涌现，计算机图形技术被应用于越来越多的领域，例如医疗、教育、娱乐等计算机图形学的基本概念图形对象图形属性

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22.图形对象是计算机图形学中的基本元素，例如点、线、面、图形属性描述图形对象的特征，例如颜色、大小、形状、纹体等理等图形操作图形系统

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44.图形操作是对图形对象进行的处理，例如创建、删除、移动图形系统是用于生成、处理、显示和交互图形的软件和硬件、缩放、旋转等集合计算机图形学的应用领域游戏开发电影特效建筑设计医疗影像计算机图形学是现代游戏开发特效制作依赖计算机图形技术建筑师利用计算机图形技术创、等医学影像技术利用CT MRI的核心，赋予游戏逼真的视觉，创造出令人惊叹的视觉效果建建筑模型，进行可视化展示计算机图形学，帮助医生诊断效果和互动体验，例如爆炸、场景重建、角色，帮助理解设计理念，进行更疾病，进行更精确的治疗动画等等精准的规划计算机绘图的基础理论坐标系与几何变换光栅扫描技术计算机图形学中的坐标系用来描述图形的光栅扫描技术是计算机图形显示的基本技位置和形状术，将图像分解成一个个像素，逐行扫描显示几何变换包括平移、旋转、缩放等，用于改变图形的位置、大小和形状像素是计算机图形显示的基本单元，由颜色和亮度等属性描述二维图形的表示坐标系向量二维图形在计算机中通常使用笛卡尔向量可以用起点和方向表示，用于描坐标系表示，通过横坐标和纵坐标来述图形的形状和位置确定每个点的位置几何形状像素常用的几何形状包括点、线段、圆、在计算机显示器中，图形是由像素组矩形、多边形等成的，每个像素代表一个点二维图形的变换平移1改变图形的位置旋转2改变图形的方向缩放3改变图形的大小错切4改变图形的形状二维图形变换是指通过数学运算，改变图形的位置、大小、形状或方向，从而获得新的图形常用的变换包括平移、旋转、缩放和错切这些变换可以单独使用，也可以组合使用，以实现更复杂的效果直线段的绘制算法基本原理直线段绘制算法基于点阵显示器的原理，将连续的直线表示成一系列离散的像素点算法分类常见的直线段绘制算法包括数字微分分析器（DDA）算法、Bresenham算法等，它们在效率和精度上各有优劣算法步骤直线段绘制算法通常需要根据直线方程，逐点计算像素点的坐标，并将其绘制在屏幕上应用场景直线段绘制算法是计算机图形学中基础算法之一，广泛应用于二维图形绘制、三维图形建模等领域曲线的绘制算法曲线绘制算法是计算机图形学中重要的组成部分，用于在计算机屏幕上生成各种各样的曲线例如，在绘制汽车、飞机等复杂模型时，需要用到各种曲线来模拟其外形参数方程1用参数方程来表示曲线，方便控制曲线的形状和方向插值算法2通过给定的一组点来插值生成曲线逼近算法3用一些简单的曲线来逼近给定的曲线分段算法4将曲线分成若干段，分别用不同的算法来绘制多边形的绘制和填充扫描线算法扫描线算法是一种常用的多边形填充算法，它通过扫描多边形的每一行像素来判断是否需要填充边界填充算法边界填充算法通过追踪多边形的边界来进行填充，它通常使用种子填充或区域填充方法多边形裁剪在填充之前，需要进行裁剪操作，将多边形限制在显示区域内颜色填充填充颜色可以是单色或渐变色，可以使用各种颜色模型进行表示三维图形的表示几何模型体积模型使用点、线、面、体等几何元素通过对物体内部的体积进行描述来描述物体的外形和结构，常见，例如模型，它用布尔运CSG的几何模型有多边形网格模型算来组合基本几何体、模型等NURBS点云模型纹理模型通过采集物体表面大量的点坐标通过在物体表面贴上纹理图像来信息，来构建物体模型点云模增强其视觉效果，例如材质纹型常用于逆向工程和三维扫描理、法线纹理等三维图形的变换平移1沿坐标轴移动物体旋转2绕坐标轴旋转物体缩放3改变物体的大小剪切4改变物体的形状三维图形变换是指改变物体在三维空间中的位置、大小和方向常用变换包括平移、旋转、缩放和剪切投影变换123平行投影透视投影正交投影投影线平行，物体尺寸保持不变投影线汇聚于一点，物体尺寸随距离变投影线垂直于投影面，适合用于绘制工化程图三维图形的可视化渲染投影将三维模型转换成二维图像的过程将三维空间中的物体投影到二维平面渲染技术利用光照、材质、纹理等因上，以便在屏幕上显示常用的投影素来模拟真实世界的视觉效果，使三方式包括透视投影和正交投影维图形更加逼真虚拟现实动画利用计算机技术生成的三维虚拟环境通过一系列图像序列来模拟物体的运，让人们沉浸其中并与虚拟世界互动动，并通过时间变化来展现物体在三维空间中的运动轨迹和形态变化光照模型方向光点光源聚光灯环境光方向光来自无限远处，例如太点光源是空间中的一个点，发聚光灯类似于手电筒，具有方环境光来自四面八方，使物体阳光出光线到各个方向向性和范围表面均匀地被照亮阴影计算阴影算法阴影渲染阴影计算是一种重要的渲染技术，它使场景中的物体更真实阴阴影渲染需要将物体投射的阴影计算出来并渲染到场景中阴影影是光线被物体遮挡后形成的区域，它能为场景增加深度感的渲染效果取决于光源类型、物体材质以及场景的复杂度阴影渲染可以提升场景的真实感，增加视觉效果，并更好地展现阴影算法的类型多种多样，包括、物体的空间关系ray tracingshadow mapping和每个算法都有不同的精度和性能特点depth mapping纹理映射真实感视觉效果纹理映射能够为物体表面添加逼纹理映射可以模拟各种材质，例真的细节，使计算机生成的图像如木材、石头、金属和布料，为更加接近真实世界场景增添丰富的视觉效果效率提升纹理映射可以有效地减少渲染时间，因为纹理信息可以在模型表面重复使用，而不是为每个像素生成单独的纹理隐藏表面消除算法深度缓存算法扫描线算法

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22.该算法将每个像素的深度信息该算法对每个扫描线进行遍历存储在深度缓冲区中，并根据，判断每个像素是否可见深度信息来判断像素是否可见缓冲算法背面消除算法

33.Z

44.该算法使用一个名为缓冲区该算法利用图形的几何属性来Z的数组来存储每个像素的深度判断哪些面是不可见的，并将信息其剔除栅格图像的基本处理亮度调整对比度调整通过改变像素的灰度值，改变图像的通过增加像素之间灰度值的差异，增亮度强图像对比度色彩平衡锐化处理调整图像中红、绿、蓝三色通道的比增强图像的细节，使图像更加清晰例，以改善图像的颜色还原图像的几何变换图像的几何变换是指对图像进行平移、旋转、缩放等操作，改变图像的形状和大小这些变换广泛应用于图像处理的各个领域，如图像校正、图像拼接、图像压缩等平移1改变图像的位置旋转2改变图像的角度缩放3改变图像的大小剪切4改变图像的形状图像的几何变换通常通过矩阵运算来实现这些变换矩阵可以组合在一起，实现更复杂的变换操作图像增强技术对比度增强锐化颜色校正通过调整图像亮度和对比度，通过增强图像边缘和细节，使通过调整图像颜色，使图像更使图像细节更加清晰可见这图像更加清晰锐利这可以改加自然真实这可以改善图像可以改善图像质量，例如增强善图像质量，例如使模糊图像质量，例如调整色彩平衡或增低照度图像或突显物体轮廓更加清晰或突出细节强颜色饱和度噪声去除通过滤除图像中的噪声，使图像更加干净清晰这可以改善图像质量，例如去除相机拍摄时产生的噪声或图像传输过程中的干扰图像分割算法基于阈值的分割边缘检测区域生长分水岭算法选择一个阈值，将图像像素分检测图像中像素灰度值变化显从一个种子像素开始，根据一将图像视为地形，目标区域对成两类高于阈值的像素属于著的区域，这些区域通常对应定的规则，将相邻的像素合并应于不同的山峰，使用分水岭目标区域，低于阈值的像素属于目标区域的边界到同一个区域，直到所有目标算法将不同的山峰分割开于背景区域像素都被合并二值图像的处理二值化形态学操作12将灰度图像转换为只有黑色和白色的图像，每个像素点只有包括腐蚀、膨胀、开运算和闭运算，可以改变图像的形状、两种状态，或大小和连接性01边缘检测骨架提取34用于识别图像中物体的边界，常用的边缘检测算法包括提取二值图像的骨架信息，保留图像的拓扑结构，用于图像算子和算子分析和识别Sobel Canny彩色图像的处理颜色模型转换颜色校正不同颜色模型之间进行转换，例调整图像的颜色平衡和饱和度，如转或使图像更自然真实RGB HSVCMYK颜色增强颜色量化通过调整颜色亮度、对比度和色减少图像中颜色数量，降低存储调，增强图像的视觉效果和传输成本数字图像压缩技术有损压缩无损压缩压缩压缩JPEG PNG有损压缩通过去除冗余信息来无损压缩不丢弃任何信息，因是一种常见的图像压缩格是一种无损压缩格式，适JPEG PNG减小文件大小它会降低图像此可以完全恢复原始图像压式，采用有损压缩，适用于照用于图形和图标，可以保持高质量，但压缩率更高缩率通常较低片和自然图像图像质量图形用户界面的设计人机交互直观易用图形用户界面（）是计算机与用户之间进行交互的桥梁，通过设计注重简洁明了，使用直观的图标、菜单和按钮，方便用户GUI GUI视觉元素和交互方式，提供友好的操作体验快速理解和操作用户体验技术支持良好的设计需要考虑用户的需求和习惯，提供一致性、可用性设计需要借助各种图形库和编程语言，实现界面元素的绘制和GUI GUI和美观性交互逻辑图形硬件的发展早期的图形硬件1早期的计算机图形硬件主要是基于专用硬件来实现基本图形功能，例如直线和圆形的绘制图形加速卡2图形加速卡的出现极大地提高了图形处理性能，并为三维图形的普及奠定了基础现代图形处理器3现代图形处理器已经成为计算机图形处理的核心GPU，它们拥有强大的并行处理能力和高度优化的图形算法计算机绘图的前景展望虚拟现实和增强现实人工智能与图形学计算机图形学将继续推动虚拟现实和增强现实技术的进步，为用人工智能算法将与计算机图形学相结合，实现更加智能化的图形户提供更加身临其境、交互式的体验生成、图像处理和交互设计例如，在游戏、医疗、建筑、制造等领域例如，自动生成逼真的场景、图像风格转换、个性化定制图形等案例分析与讨论课程将重点分析现实生活中常见的计算机绘图应用案例，例如游戏开发、电影特效、建筑设计、医疗影像等学生将有机会参与讨论，分享经验，并提出问题，深化对计算机绘图原理的理解本课程小结图形学基础图形处理技术应用领域实践技能深入了解计算机图形学的基本掌握图像处理、三维建模、光了解计算机图形学在游戏开发通过实际操作和项目练习，提原理，包括二维和三维图形的照渲染、动画制作等关键技术、影视制作、虚拟现实、医学升图形学编程能力和项目开发表示、变换、绘制等影像等领域的应用能力问题解答本节课内容回顾学习目标，课程内容，难点，以及学习建议回顾问题解答，包括常见问题、疑难解答，以及解决方案帮助同学们巩固知识，提高对计算机绘图原理的理解和应用能力。