《计算机图形学》课件

计算机图形学课程概述欢迎来到计算机图形学的世界！本课程旨在系统地介绍计算机图形学的基本原理、常用算法以及实际应用通过本课程的学习，你将掌握从二维到三维图形的绘制、渲染、动画等技术，并具备开发图形应用程序的能力让我们一起探索这个充满创意和挑战的领域！课程目标理解图形学基础理论1掌握图形学基本概念、算法和技术，为后续学习打下坚实基础掌握图形编程技能2熟悉OpenGL等图形API，能够编写图形程序实现各种图形效果培养创新思维3能够运用所学知识解决实际问题，进行图形应用创新设计提高实践能力4通过实验和项目实践，提升图形开发和问题解决能力教学大纲第一部分基础知识1介绍图形学基本概念、2D/3D图形学基础、图像处理等第二部分核心技术2深入学习光照模型、光线跟踪、纹理映射等核心渲染技术第三部分图形编程3学习OpenGL编程，实现各种图形效果，掌握着色器编程第四部分应用实践4探讨图形学在虚拟现实、游戏、医疗、工业设计等领域的应用图形学的基本概念像素Pixel坐标系Coordinate几何图元Geometric变换TransformationSystem Primitives图像的基本组成单元，决定对图形进行平移、旋转、缩图像的精细程度用于描述图形元素位置的参构成图形的基本元素，如点放等操作，改变图形的位置考系统，如笛卡尔坐标系、线、多边形等和形状图形学的发展历程早期阶段示波器显示简单图形，主要用于科学研究中期阶段光栅图形显示器出现，图形显示能力大幅提升现代阶段GPU加速、实时渲染技术成熟，图形学应用广泛普及未来趋势人工智能、云计算赋能，图形学将迎来更多创新图形学基础2D直线生成算法多边形填充算法Bresenham算法、DDA算法等，用于高效绘制直线扫描线算法、种子填充算法等，用于填充多边形区域裁剪算法反走样技术Cohen-Sutherland算法、Liang-Barsky算法等，用于裁剪图形提高图形显示质量，减少锯齿现象坐标系及变换操作2D笛卡尔坐标系平移变换旋转变换缩放变换二维图形学中最常用的坐标将图形沿X轴和Y轴移动指定将图形绕指定点旋转指定的将图形沿X轴和Y轴缩放指定系，由X轴和Y轴构成的距离角度的比例几何图元及绘制2D点Point线段Line Segment1二维空间中的一个位置，由X和Y坐标确2连接两个点的直线部分定4圆Circle多边形Polygon3到中心点距离相等的点的集合由多个线段连接而成的封闭图形线段和多边形的绘制1DDA算法Digital DifferentialAnalyzer算法，简单但效率较低2Bresenham算法高效的线段绘制算法，避免了浮点运算扫描线算法3逐行扫描多边形，填充内部区域种子填充算法4从内部一点开始，向外扩散填充多边形图像处理基础亮度调整对比度调整模糊处理改变图像的整体明暗程调整图像的亮暗区域之减少图像的细节和噪声度间的差异锐化处理增强图像的细节和边缘颜色模型及其应用RGB模型CMYK模型HSV模型颜色空间转换红、绿、蓝三原色组合，用青、品红、黄、黑四色组合色相、饱和度、亮度，更符不同颜色模型之间的相互转于显示器等发光设备，用于打印机等印刷设备合人眼对颜色的感知换，满足不同应用需求光栅图像与向量图像光栅图像由像素组成的图像，放大后会失真，如JPEG、PNG向量图像由数学公式描述的图像，放大后仍保持清晰，如SVG特点比较光栅图像适合表现细节丰富的图像，向量图像适合表现线条简单的图像应用场景光栅图像常用于照片处理，向量图像常用于logo设计图形学基础3D顶点Vertex1三维空间中的一个点，由X、Y、Z坐标确定面Face2由三个或多个顶点组成的平面网格Mesh3由多个面组成的模型变换Transformation4对模型进行平移、旋转、缩放等操作坐标系及变换3D右手坐标系平移变换旋转变换缩放变换三维图形学中最常用的坐标将模型沿X轴、Y轴、Z轴移将模型绕X轴、Y轴、Z轴旋将模型沿X轴、Y轴、Z轴缩系，X轴、Y轴、Z轴相互垂动指定的距离转指定的角度放指定的比例直几何图元及绘制3D点Point线段Line Segment1三维空间中的一个位置，由X、Y和Z坐2连接两个点的直线部分标确定4立方体Cube三角形Triangle3由六个正方形面组成的立体图形由三个顶点组成的平面三维几何表示方法多边形网格用多个多边形面片逼近三维模型，常用方法参数曲面用参数方程描述曲面，如Bezier曲面、B-Spline曲面体素表示将三维空间划分为小立方体，用体素表示模型点云表示用大量离散的点表示三维模型曲线和曲面建模Bezier曲线通过控制点定义曲线，易于控制曲线形状B-Spline曲线Bezier曲线的推广，具有更好的局部可控性NURBS曲面非均匀有理B样条曲面，工业界广泛应用基本光照模型环境光漫反射光镜面反射光场景中均匀分布的光，模拟全局光照物体表面向各个方向均匀反射的光物体表面向特定方向反射的光，产生高光效果光线跟踪算法基本原理1从摄像机出发，跟踪光线在场景中的传播路径光线与物体求交2计算光线与场景中物体的交点递归跟踪3对反射光线和折射光线进行递归跟踪优点与缺点4真实感强，但计算量大阴影计算及映射阴影映射阴影体软阴影Shadow Mapping，一Shadow Volume，另一模拟真实世界中柔和的种常用的阴影生成技术种阴影生成技术，效果阴影效果较好纹理映射技术纹理过滤纹理坐标1解决纹理图像放大或缩小产生的失真问将纹理图像映射到物体表面的坐标2题多重纹理凹凸纹理4将多个纹理图像混合，实现更复杂的效3模拟物体表面的凹凸不平效果果透明效果与混合透明度物体允许光线穿透的程度混合模式决定如何将透明物体的颜色与背景颜色混合Alpha混合常用的透明效果实现方法深度测试解决透明物体与不透明物体之间的遮挡关系图形管线架构顶点数据输入顶点坐标、法线、纹理坐标等数据顶点着色器对顶点数据进行变换和计算图元装配将顶点组装成图元（如三角形）光栅化将图元转换为像素片元着色器对像素进行着色和计算帧缓冲存储最终图像显卡硬件架构显存着色器单元GPUGraphics Processing用于存储纹理、顶点数用于执行顶点着色器和Unit，图形处理器，用据等图形资源片元着色器程序于加速图形运算图形及其特点APIOpenGL DirectXVulkan跨平台、开放标准的图形API，应用广泛微软开发的图形API，主要用于Windows新一代图形API，性能更高，控制更灵活平台编程基础OpenGL1初始化OpenGL创建OpenGL上下文，设置窗口属性2顶点缓冲对象VBO用于存储顶点数据3顶点数组对象VAO用于管理顶点缓冲对象着色器程序4用于控制图形渲染过程绘制管线OpenGL顶点着色器处理顶点数据图元装配将顶点组装成图元几何着色器可选生成新的图元光栅化将图元转换为像素片元着色器处理像素数据混合与测试将像素写入帧缓冲顶点着色器编程顶点坐标变换法线变换属性传递将顶点坐标从模型空间将法线从模型空间变换将顶点属性传递给片元变换到裁剪空间到世界空间着色器片元着色器编程光照计算纹理采样1根据光照模型计算像素颜色从纹理图像中获取颜色值2输出颜色4颜色混合3将最终颜色写入帧缓冲将多个颜色混合，实现透明效果纹理贴图编程加载纹理图像1将纹理图像加载到显存创建纹理对象2创建OpenGL纹理对象设置纹理参数3设置纹理过滤、纹理环绕等参数在着色器中使用纹理4在片元着色器中采样纹理颜色光照和材质编程设置光照参数设置材质参数在着色器中计算光照设置光源颜色、位置等参数设置物体颜色、反射率等参数根据光照模型计算像素颜色变换矩阵及其应用模型矩阵将模型从模型空间变换到世界空间视图矩阵将场景从世界空间变换到相机空间投影矩阵将场景从相机空间变换到裁剪空间矩阵乘法将多个变换矩阵组合成一个矩阵图形用户界面设计控件设计1按钮、文本框、滑块等控件的设计原则布局设计2控件的布局方式，如流式布局、网格布局事件处理3响应用户交互事件交互设计与事件处理鼠标事件键盘事件触摸事件响应鼠标点击、移动等事件响应键盘按键事件响应触摸屏触摸事件模型加载与渲染模型文件格式模型加载器12OBJ、FBX、glTF等模型文件用于解析模型文件，提取顶点格式数据、法线等信息渲染模型3将模型数据传递给OpenGL，进行渲染图形性能优化技术遮挡剔除层次细节批处理Culling,剔除不可见物Level ofDetail,LOD,根减少OpenGL调用次数体，减少渲染负担据距离调整模型复杂度虚拟现实图形技术立体渲染头部跟踪延迟渲染为左右眼分别渲染不同的图像，产生立根据头部运动调整视角Deferred Rendering,提高渲染效率体感增强现实图形技术SLAM2Simultaneous LocalizationandMapping，同时定位与地图构建图像识别1识别图像，获取图像位置和姿态虚拟物体渲染3将虚拟物体渲染到真实场景中医疗图形学应用医学图像可视化手术模拟将CT、MRI等医学图像转换为三模拟手术过程，提高手术成功率维模型，辅助诊断虚拟内窥镜在虚拟环境中进行内窥镜检查游戏图形学应用角色动画1骨骼动画、蒙皮动画等技术场景渲染2地形渲染、植被渲染等技术特效渲染3火焰、烟雾、水等特效渲染技术工业设计图形学应用产品建模渲染效果图虚拟样机创建产品三维模型渲染逼真的产品效果图在虚拟环境中进行产品设计和测试影视特效图形学应用特效合成角色动画流体模拟将实拍素材与计算机生成的特效合成制作逼真的角色动画模拟逼真的流体效果未来图形学发展趋势实时光线跟踪更逼真的光照效果人工智能赋能AI辅助建模、渲染云计算渲染更强大的计算能力总结与展望本课程系统地介绍了计算机图形学的基本原理、常用算法以及实际应用希望通过本课程的学习，你已经掌握了图形学的基础知识和编程技能，并具备了运用所学知识解决实际问题的能力未来，图形学将朝着更逼真、更智能、更高效的方向发展，让我们一起期待图形学更加美好的未来！。