《计算机绘图概论》课件

计算机绘图概论计算机绘图技术在现代设计和制造领域发挥着重要作用，能够帮助我们构建、分析和展示各种模型计算机绘图的发展历史早期20世纪50年代1向量图形发展20世纪60年代2光栅图形成熟20世纪70年代3计算机辅助设计CAD普及20世纪80年代4个人电脑计算机图形学从早期简单的向量图形到如今复杂的三维场景，经历了漫长的发展历程20世纪50年代开始，计算机绘图技术逐步发展，并应用于各种领域从20世纪60年代的光栅图形出现，计算机绘图技术得到进一步提升20世纪70年代，计算机辅助设计CAD技术的兴起，使计算机绘图技术应用于工业设计、建筑设计等领域计算机绘图的基本概念图形计算机绘图二维图形三维图形图形是指由点、线、面、体计算机绘图是指利用计算机二维图形是指在平面上绘制三维图形是指在空间中绘制等基本元素组成的视觉表达硬件和软件来创建、编辑、的图形，只有长度和宽度，的图形，具有长度、宽度和，例如自然景色、建筑物等处理和显示图形的技术没有厚度高度计算机绘图的基本组成部分硬件系统软件系统包括显示器、图形卡、输入设备等包括操作系统、绘图软件、应用程序接口等图形数据图形算法包括几何数据、颜色数据、纹理数据等包括几何变换、光照模型、渲染算法等计算机绘图的硬件系统图形显示设备图形输入设备图形处理单元存储设备显示器是计算机绘图的输出鼠标、键盘、手写板、绘图图形处理单元专用存储设备用于存储图形数据GPU设备显示器将计算机产板等是常用的图形输入设备于处理图形数据它加速和程序硬盘、固态硬盘生的图形信号转换为图像显了图形渲染，提高了绘图性、内存等都是存储设备示出来能这些设备将用户操作转换为显示器分辨率、刷新率和色数字信号，供计算机处理拥有强大的并行计算存储容量和速度影响计算机GPU彩深度影响图像质量和用户能力，可同时处理大量图形绘图的效率和响应速度体验数据计算机绘图的软件系统绘图软件图形驱动程序12提供用户界面和工具，用于负责将绘图指令转换成显示创建和编辑图形器能够理解的信号操作系统图形库34提供绘图软件运行的平台，提供各种绘图功能，例如绘管理系统资源线、填充、变换等二维图形的基本元素点线段二维图形中最基本的元素，它由两个端点连接而成，表示连代表一个位置，没有大小和形接这两个点的直线部分状圆弧曲线圆的一部分，由圆心、半径和非直线形式的线条，可以用数起始角度和终止角度确定学函数或一系列点来描述二维图形的基本算法直线绘制算法直线绘制算法是计算机图形学中最基础的算法之一，用于在屏幕上绘制直线常用的算法包括DDA算法、Bresenham算法等圆形绘制算法圆形绘制算法用于在屏幕上绘制圆形常用的算法包括中点圆算法、Bresenham圆算法等多边形填充算法多边形填充算法用于填充多边形内部区域，常用的算法包括扫描线填充算法、种子填充算法等曲线绘制算法曲线绘制算法用于绘制各种曲线，常用的算法包括贝塞尔曲线算法、样条曲线算法等填充算法扫描线填充算法边界填充算法12从左到右扫描每一行像素，沿着图形边界遍历像素，判判断像素是否在图形内部，断像素是否在图形内部，是是则填充则填充种子填充算法区域填充算法34从图形内部一点开始，递归将图形划分成多个区域，并地填充相邻的像素，直到到分别对每个区域进行填充达边界裁剪算法裁剪的概念裁剪算法的类型裁剪算法是计算机图形学中处理图形的一种重要技术它用来常用的裁剪算法包括算法、Cohen-Sutherland Liang-确定哪些图形部分应该显示，哪些部分应该隐藏，从而实现图算法、算法等Barsky Cyrus-Beck像的可见区域的控制几何变换缩放旋转平移镜像改变物体大小，保持形状不绕固定点旋转物体，保持形将物体移动到新位置，保持以直线或平面为对称轴，将变状不变形状不变物体镜像翻转贝塞尔曲线定义应用贝塞尔曲线是一种由数学方程贝塞尔曲线广泛应用于计算机式定义的曲线，它根据控制点图形学，例如字体设计，动画的位置来确定曲线形状制作，工业设计等领域优点贝塞尔曲线具有平滑的曲线形状，易于控制和调整，可生成各种复杂曲线样条曲线插值曲线逼近曲线样条曲线模型通过一系列控制点，生成光滑曲线，使曲线不一定通过所有控制点，但要尽可在计算机图形学中，样条曲线是数学曲曲线通过所有控制点能接近这些控制点线，用来模拟平滑曲线三维图形的基本元素点线12是构成三维图形的最基本元由两个或多个点连接而成，素，它拥有三个坐标值，表可以是直线、曲线、折线等示其在空间中的位置，用于定义三维图形的轮廓和边界面体34由多个线段连接而成，可以由多个面围成，是三维图形是平面、曲面等，用于定义最完整的表现形式，具有体三维图形的表面和形状积和表面积三维图形的基本算法光线追踪1模拟光线在场景中的传播路径光栅化2将几何图形转换为像素纹理映射3将纹理贴图应用到表面几何变换4旋转、缩放和平移物体三维图形基本算法用于生成逼真的图像这些算法包括光线追踪、光栅化、纹理映射和几何变换投影变换三维到二维透视投影将三维场景中的物体投影到二维平面上，以模拟人眼观察物体时的透视效果，远处的物便在屏幕上显示体更小，近处的物体更大正投影等轴投影平行光线将物体投影到平面上，物体大小保一种常用的正投影，用于绘制三维物体的草持一致图和技术图纸透视变换应用场景在计算机图形学中，透视变换广泛应用于游戏、动画、虚拟现实等领域例如，在游戏中，使用透视变换可以让玩家感受到更加真实的场景和物体基本原理透视变换模拟现实世界中的视觉效果，将三维物体投影到二维平面上光照模型光照模型概述光源类型光照模型模拟光线照射物体时光源类型包括点光源、平行光产生的效果它使用数学公式源和聚光灯，它们具有不同的模拟现实世界的光线行为，为方向、范围和强度虚拟场景带来逼真感材质属性阴影计算材质属性决定物体对光线的反阴影计算根据光线照射物体产射和吸收方式，包括漫反射、生的遮挡关系，模拟阴影的形镜面反射和折射等状和深度阴影算法光线追踪光栅化阴影阴影贴图阴影体积通过模拟光线在场景中的传使用光栅化技术，在屏幕空使用纹理贴图来存储场景中通过构建阴影体积，模拟光播路径，计算物体产生的阴间中生成阴影，效率较高的阴影信息，减少阴影计算线被物体遮挡的区域，产生影更加逼真的阴影纹理映射表面细节将二维纹理图像应用于三维物体表面，创建更逼真的视觉效果材质模拟纹理映射可以模拟各种材质，例如木材、石头、金属等坐标映射通过坐标映射将纹理图像坐标与物体表面坐标联系起来颜色模型颜色模型颜色模型颜色模型颜色模型RGB CMYKHSV HSL模型是基于光的混合，模型是基于颜料的混合模型是基于色调、饱和模型是基于色调、饱和度RGB CMYKHSV HSL代表红、绿、蓝三种颜色，代表青、洋红、黄、黑四度和亮度来表示颜色和亮度来表示颜色种颜色图形渲染管线模型变换1将三维模型从模型坐标系转换到世界坐标系视图变换2将世界坐标系中的模型转换到摄像机坐标系投影变换3将摄像机坐标系中的模型投影到二维屏幕空间裁剪4剔除位于视锥体之外的物体光栅化5将二维图形转换为像素着色6对每个像素进行着色计算，生成最终的颜色图形标准和接口标准化接口图形标准提供通用的语言和规则，使不同的软件和硬件能够相图形接口是应用程序与图形硬件之间的桥梁，允许程序员访问互通信和协作例如，和是广泛采用的图形底层图形功能，例如绘制图形、设置颜色和控制纹理OpenGL DirectXAPI编程基础OpenGL图形库着色器是一个跨平台的图形利用顶点着色器和片OpenGL OpenGL应用程序编程接口，适用于各段着色器，实现更复杂的图形种操作系统渲染效果图形渲染跨平台性提供了丰富的功能，可用于开发各种类型OpenGL OpenGL包括纹理映射、光照模型、阴的图形应用程序，如游戏、仿影算法等真、可视化等编程基础DirectX简介组件DirectX DirectX12是公司开包含多个组件，例DirectX MicrosoftDirectX发的一套应用程序接口，用如（图形）、Direct3D3D于创建高性能多媒体应用程（音频）、DirectSound序，包括游戏、图形和多媒（输入）、DirectInput体（网络）等DirectPlay编程游戏开发Direct3D34是中用于是游戏开发中常用Direct3D DirectXDirectX创建图形应用程序的核的图形和多媒体引擎，它提3D心组件，提供渲染、纹理、供丰富的功能和优化，帮助着色器等功能开发者构建高质量的游戏图形编程WebHTML5Canvas SVG提供了一个二维绘图环境，可缩放矢量图形是一种用于描述二维HTML5Canvas SVG允许开发者使用创建动态图形和图形的格式，支持交互式动画和特效JavaScript XML动画库WebGL JavaScript使得网页可以使用在浏许多库简化了图形编程，WebGL OpenGLES JavaScriptWeb览器中创建高质量的三维图形例如、和Three.js Babylon.js Pixi.js计算机游戏图形实时渲染物理模拟游戏需要实时渲染，以提供流畅的体验模拟现实世界中的物理现象，如重力、它要求高效的算法和图形硬件碰撞、爆炸等，以增强游戏逼真度角色动画特效创建逼真的角色动画，赋予游戏角色生使用各种特效来增强视觉效果，如火焰命和个性、烟雾、水等，使游戏更精彩虚拟现实与增强现实虚拟现实增强现实虚拟现实技术通过头戴式显示器等设备创造沉浸式环境增强现实技术将虚拟信息叠加到现实世界中，使人们能VR AR，将用户带入虚拟世界够在现实环境中看到和互动虚拟物体广泛应用于游戏、教育、医疗等领域，为用户提供身临其应用场景包括手机游戏、导航、购物等，增强现实世界信VR AR境的体验息，提供丰富互动体验医疗影像处理计算机断层扫描磁共振成像超声波成像扫描利用射线生成人体内部的横截扫描利用磁场和无线电波生成人体内超声波成像利用声波生成人体内部的图CT XMRI面图像，可用于诊断各种疾病，如癌症部的详细图像，可用于诊断神经系统疾像，可用于诊断妊娠、心脏疾病和血管、骨折和脑部疾病病、肌肉骨骼疾病和心脏病疾病计算机艺术与动画数字绘画三维动画12数字绘画利用计算机软件创三维动画通过计算机图形技作艺术作品它具有灵活性术制作栩栩如生的动态影像和可重复性，艺术家可以使，应用于电影、游戏和广告用各种工具和技术来创造独等领域特的风格数字雕刻交互式艺术34数字雕刻是利用软件在虚拟交互式艺术通过计算机技术空间中塑造三维模型，广泛让观众参与创作过程，观众应用于游戏、电影和工业设可以与艺术作品进行互动，计创造独特的体验未来计算机图形发展趋势人工智能1人工智能技术将进一步推动计算机图形的生成和处理，例如自动生成3D模型、实时场景渲染等虚拟现实2VR/AR技术将更加成熟，带来更逼真沉浸式的体验，应用领域将不断扩展云计算3云计算将为图形处理提供更强大的计算资源，推动图形处理技术的进一步发展移动设备4移动设备的图形处理能力将不断提升，推动移动端图形应用的蓬勃发展。