计算机图形学computergraph课件

计算机图形学简介计算机图形学是计算机科学的一个重要分支，它研究如何用计算机生成和处理图像，并利用图像来解决各种问题计算机图形学涉及多个领域，包括图像生成、图像处理、计算机动画、虚拟现实、计算机视觉等等计算机图形学的发展历程早期探索阶段1世纪年代2050向量图形时代2世纪年代2060-70光栅图形时代3世纪年代2080-903D图形时代4世纪年代至今2090计算机图形学经历了早期探索、向量图形、光栅图形和图形四个主要阶段，不断演进3D计算机图形学的基本概念几何模型渲染动画交互计算机图形学使用数学模型渲染是将几何模型转换为图计算机图形学可以创建动画计算机图形学支持用户与虚来表示物体，例如点、线、像的过程，涉及光照、材质，模拟物体的运动、变形和拟环境进行交互，例如通过面、体、阴影等因素交互鼠标、键盘、手势等计算机图形学的应用领域游戏开发电影制作计算机图形学是游戏开发的核心技术，用于创建逼真的游戏电影制作中，计算机图形学用于创建特效、虚拟场景和角色世界、角色和动画效果，为观众带来沉浸式的观影体验科学可视化建筑设计计算机图形学可以将复杂的数据可视化，帮助科学家和工程计算机图形学可以用于创建建筑模型，帮助设计师进行设计师更好地理解和分析数据和规划，并在施工前进行模拟图形的基本绘制方法2D扫描转换将连续的几何图形表示转换为离散的像素点表示，使用扫描线算法将图形逐行扫描，将图形点映射到屏幕像素点上直线绘制直线绘制算法通过计算直线上的像素点，根据采样频率，确定像素点的位置，绘制出直线段圆形绘制圆形绘制算法通过计算圆弧上的像素点，根据采样频率，确定像素点的位置，绘制出圆形多边形填充多边形填充算法通过填充多边形内部的像素点，根据颜色和纹理信息，渲染出多边形区域字符绘制字符绘制算法通过将字符转换为点阵图形，使用字符库或字形生成器，绘制出字符线段绘制算法算法算法DDA Bresenham算法是一种增量算法，通算法使用整数运算DDA Bresenham过计算两个端点的斜率和增量，通过判断下一像素点到直线来绘制线段距离的正负来确定绘制点中点画线算法中点画线算法利用直线的斜率和中点距离来确定绘制点，效率更高多边形绘制算法扫描线算法逐行扫描多边形，确定每行上的可见像素，实现多边形填充三角形绘制三角形是简单多边形，可使用各种高效算法进行绘制颜色填充可使用各种颜色填充算法，如扫描线填充，边界填充等颜色模型与颜色混合颜色模型颜色混合、、、等颜色模颜色混合是指将两种或多种颜色混合RGB CMYKHSV LAB型在计算机图形学中被广泛应用，用在一起产生新的颜色于描述和表示颜色不同的颜色模型使用不同的混合方法每个颜色模型都有其自身的优点和缺，例如使用加色混合，使RGB CMYK点，适合不同的应用场景，例如用减色混合RGB适合显示器，适合印刷CMYK几何变换基础旋转变换平移变换缩放变换剪切变换旋转变换是图形绕着某一点平移变换是将图形沿着某个缩放变换是将图形沿各个方剪切变换是将图形沿某个方旋转一定的角度，以改变图方向移动一定的距离，以改向放大或缩小，以改变图形向拉伸或压缩，以改变图形形的位置和方向变图形的位置的大小的形状图形变换2D平移1平移是一种基本变换，它将图形沿着某个方向移动平移可以通过向量来表示，向量包含了平移的方向和距离旋转2旋转是一种将图形围绕一个固定点旋转一定角度的变换旋转可以通过旋转中心和旋转角度来定义缩放3缩放是指将图形放大或缩小的变换缩放可以通过缩放因子来表示，缩放因子大于1表示放大，小于1表示缩小图形的基本概念3D三维空间计算机图形学中，图形是指在三维空间中表示和操作的对象3D几何体常见的图形包括点、线、面、体，以及由这些元素组成的复杂几何体3D模型这些几何体通常被用来构建三维模型，例如建筑、汽车、人物等坐标系统3D右手坐标系左手坐标系12在计算机图形学中，通常使用右手另一种常用的坐标系是左手坐标系坐标系轴指向右，轴指向上，轴指向右，轴指向上，轴指向X Y Z XYZ轴指向屏幕外屏幕内齐次坐标坐标转换34为了方便进行矩阵变换，通常使用在不同的坐标系之间进行转换时，齐次坐标来表示三维点，即用四维可以使用矩阵变换来实现向量来表示三维点几何变换3D平移1改变物体在三维空间中的位置旋转2围绕某个轴线旋转物体缩放3改变物体的大小剪切4沿着某个方向拉伸或压缩物体几何变换是计算机图形学中的一个重要概念，它允许对三维物体进行各种操作，例如移动、旋转、缩放和变形这些变换可以用于创建动画3D、模拟现实世界中的物体运动以及进行各种其他图形处理透视变换基础定义与概念投影中心透视变换是一种将三维空间中透视变换中，投影中心是一个的物体投影到二维平面上的过固定点，所有物体上的点都以程它模拟了人眼观察物体的直线的方式连接到投影中心，视角，近大远小，并具有透视然后在投影平面上形成图像效果投影平面应用领域透视变换中，投影平面是用来透视变换广泛应用于计算机图接收投影物体的二维平面它形学中，例如三维模型渲染、通常是与观察者平行的平面虚拟现实、增强现实等透视投影步骤透视投影的步骤包括选择视点和投影平面，将三维物体上的点投影到投影平面上，最终得到二维图像原理透视投影是一种重要的投影技术，它模拟人眼观察物体的视觉效果，使得三维物体在二维平面上呈现出近大远小的视觉效果光栅化技术将几何图形转换为像素点将连续的几何信息离散化为显示设备准备数据阴影算法阴影渲染阴影类型阴影算法是模拟光照效果的关键，增强了三维场景的真实感常见阴影算法包括深度阴影贴图（Shadow Mapping）、环境光遮蔽（Ambient Occlusion）、体积阴影（Volume Shadow）等阴影算法通过计算光源照射到物体上的阴影区域，来实现阴影效果纹理贴图表面细节材质效果纹理贴图通过将图像映射到物纹理贴图可以模拟各种材料，体表面，为物体表面添加细节例如木材、金属、石头、布料和真实感纹理可以是真实世等不同的纹理可以营造出不界中的图像，也可以是抽象的同的材质效果图案视觉效果纹理贴图可以丰富场景的视觉效果，使其更加逼真和吸引人纹理贴图可以用于各种图形应用，例如游戏、电影、建筑可视化等光照模型模拟光照效果光照模型分类模拟光照效果通过模拟光照，创建更逼真的渲染结果漫反射模型通过模拟光照，创建更逼真的渲染结果•镜面反射模型•环境光模型•光线追踪算法模拟光线传播真实感渲染光线追踪算法模拟光线从光光线追踪可以生成非常逼真源发出，经过物体表面反射的图像，因为可以模拟光线、折射，最终进入眼睛的过的各种现象程计算量大应用广泛光线追踪的计算量非常大，光线追踪广泛应用于电影特因此需要大量的计算资源才效、游戏开发、工业设计等能生成图像领域曲线与曲面曲线曲面曲线是计算机图形学中重要概念之一曲线可以用来描述物体的外形，也曲面是计算机图形学中另一个重要的概念曲面可以用来描述物体的表面可以用来创建平滑的运动轨迹，也可以用来创建复杂的三维模型常用的曲线类型包括贝塞尔曲线、B样条曲线、NURBS曲线等每种曲线常用的曲面类型包括Bézier曲面、B样条曲面、NURBS曲面等每种曲面都有其独特的特点和应用场景都有其独特的特点和应用场景样条曲线B平滑曲线样条曲线是一种数学曲线，可以生成各种形状的平滑曲线B控制点样条曲线由一组控制点定义，控制点可以用来调整曲线的形状B数学公式样条曲线的数学公式用于计算曲线上的每个点B曲面NURBS非均匀有理样条曲面控制点和权重B12曲面是计算机图形曲面由控制点和权NURBS NURBS学中常用的曲面表示方法，重定义，控制点决定曲面的它能够精确地表示各种复杂形状，权重影响曲面与控制形状，包括自由曲面和规则点的接近程度曲面参数化表示应用广泛34曲面采用参数化表曲面广泛应用于汽NURBS NURBS示方法，使用参数来定义曲车设计、飞机设计、工业产面上点的坐标，方便进行几品设计、建筑设计和动画制何运算和建模作等领域动画基础运动形变时间动画中最基础的要素之一，通过改变对通过改变对象形状或尺寸来模拟物体变动画的关键是时间控制，通过时间轴来象的位置和姿态来模拟真实世界的运动形，例如球体反弹或人物表情变化控制运动和形变的节奏和速度关键帧动画定义原理关键帧动画是一种通过定义关在关键帧之间，动画系统会自键帧来创建动画的技术，关键动插值生成过渡帧，从而实现帧是动画中重要的关键时刻平滑的动画效果应用关键帧动画广泛应用于电影、游戏、广告等领域，可以用于创建各种类型的动画效果粒子系统模拟动态效果渲染星空表现水滴雪景渲染粒子系统可以模拟各种动态通过粒子系统可以模拟星空粒子系统可以模拟水滴飞溅粒子系统可以模拟雪花飘落效果，例如烟雾、火焰、爆中的繁星，使画面更加绚丽、雨水落下等效果，为画面的效果，让画面更具浪漫气炸等，使场景更加逼真多彩增添生动感息三维扫描与重建扫描技术重建过程应用领域使用传感器获取物体表面信息，生成点将点云数据转换成可视化的三维模型，包括逆向工程、虚拟现实、游戏开发、云数据重建物体的形状和纹理影视特效等虚拟现实与增强现实虚拟现实（）增强现实（）VR AR技术使用头戴式显示器，技术将虚拟信息叠加到现VR AR创造出一个沉浸式的虚拟世界实世界中，让用户看到现实世，用户可以与之互动界和虚拟世界的结合应用领域未来趋势和广泛应用于游戏、和技术不断发展，将VR ARVR AR教育、医疗、制造、设计等领为用户带来更多沉浸式和交互域式体验图形硬件加速图形处理单元硬件加速库

1.GPU

2.12专为图形处理而设计利用的能力进行图形GPU GPU，能够并行处理大量数据，处理，例如和OpenGL提升图形渲染速度，优化图形应用程DirectX序的性能顶点着色器片段着色器

3.

4.34对顶点进行变换、光照等操对每个像素进行处理，例如作，以确定顶点在屏幕上的纹理采样、光照计算等，以位置和颜色生成最终的像素颜色图形应用程序设计图形图形引擎API、等图形提供底层图形硬件的访问，实、等图形引擎封装了图形，提供更高OpenGL DirectXAPI UnityUnreal EngineAPI现图形渲染和交互层的抽象和工具，简化图形应用程序开发..了解图形的功能和使用方法，是设计图形应用程序的重图形引擎提供渲染、动画、物理、音频等功能，帮助快速构API要基础建游戏和交互式应用..图形学前沿技术计算机图形学领域不断发展，涌现出许多新兴技术这些技术扩展了图形学应用领域，为人们带来了全新的视觉体验和交互方式。