《图形图像学基础》课件

图形图像学基础图形图像学是计算机科学的一个重要分支，它研究图像的表示、处理、分析和理解本课程将介绍图像的数字化、颜色模型、图像增强、图像压缩、图像分割、图像识别等基本概念和方法课程大纲和学习目标几何图形与变换光栅图形算法三维图形虚拟现实与增强现实学习基本几何图形的绘制，了解光栅图形算法，如线段学习三维图形的创建、渲染探索虚拟现实和增强现实技以及二维三维空间中的几何绘制、多边形填充、曲线绘和交互技术，如OpenGL编程术在图形图像学中的应用变换制等坐标系与变换二维坐标系三维坐标系变换二维坐标系使用两个轴（X轴和Y轴）来三维坐标系使用三个轴（X轴，Y轴和Z变换是指将物体从一个坐标系移动到另一定义平面上任何点的位置X轴表示水平轴）来定义空间中任何点的位置个坐标系的过程，包括平移、旋转、缩放方向，Y轴表示垂直方向等几何变换平移变换旋转变换缩放变换错切变换平移变换是指将物体沿某旋转变换是指将物体绕某缩放变换是指将物体沿某错切变换是指将物体沿某个方向移动一定距离它个轴旋转一定角度它可个方向或所有方向放大或个方向进行倾斜它可以可以通过矩阵形式表示以用旋转矩阵来表示缩小它可以用缩放矩阵用错切矩阵来表示来表示基本几何体点线点是最基本的三维图形元素，线是连接两个点的直线段，表表示空间中的一个位置，没有示空间中一个方向，没有宽度尺寸和体积点是构建其他几，只有长度何体的基础面体面是由多个点或线段连接而成体是由多个面围成的三维图形的二维图形，在三维空间中表，表示空间中的一个实体，具示一个平面，具有面积，没有有体积，是现实世界物体的基厚度本形状三维物体的表示三维物体在计算机图形学中表示为一系列点、线、面、体或其他几何元素的集合这些元素可以通过不同的方法进行描述，例如•点云通过大量点的集合来表示物体表面•线框模型用线段连接物体表面的关键点•多边形网格用三角形或其他多边形网格来逼近物体表面•体积模型通过体积数据来定义物体物体可见性可见性判断深度测试12确定场景中哪些物体或表面比较像素深度值，离观察者对观察者可见，哪些被遮挡最近的像素可见背面剔除遮挡剔除34隐藏物体背面的多边形，提提前判断物体是否被遮挡，高渲染效率避免渲染不可见部分光照模型环境光方向光模拟来自各方向的光线，为物体提模拟来自某个方向的光源，例如太供基础亮度阳点光源聚光灯模拟单个光源，例如灯泡，光线向模拟有方向性的光源，例如手电筒四周发散颜色模型RGB模型CMYK模型12将颜色表示为红、绿、蓝三种颜色的组合广泛应用于显使用青色、品红、黄色和黑色四种颜色来表示印刷颜色示器和摄影HSV模型其他模型34使用色调、饱和度和明度来描述颜色，更符合人类对颜色还有Lab模型、XYZ模型等，用于更准确的色彩还原的感知光栅图形基础像素分辨率光栅图形使用像素来表示图像，每个像素都有自己的颜色值图像的分辨率由像素的数目决定，分辨率越高，图像越清晰颜色模型帧缓冲器颜色模型用于描述颜色，常见的颜色模型有RGB模型和CMYK模型帧缓冲器用来存储图像的像素数据，是光栅图形的核心组成部分光栅图形算法直线扫描转换算法圆形扫描转换算法多边形扫描转换算法曲线扫描转换算法直线扫描转换算法通过确圆形扫描转换算法类似于多边形扫描转换算法将多曲线扫描转换算法用来绘定直线上各点的像素坐标直线算法，通过确定圆周边形填充成实心图形常制曲线，常用的算法包括，将直线绘制在屏幕上上的点来绘制圆形用的方法包括扫描线填充Bezier曲线算法和B样条曲常用的算法包括DDA算法和Bresenham圆形算法是常用算法、种子填充算法和区线算法，它们通过控制点Bresenham算法，它们通过的算法之一，它通过递增域填充算法，它们通过扫来定义曲线形状递增或递减的步长来计算角度来计算圆周上的点描线、种子点或区域来填每个像素的坐标充多边形图形基础3D3D模型表示13D模型是三维空间中物体的数学表示，通常使用点、线、面和体来描述常见表示方法包括多边形网格、NURBS曲面和点云等三维空间变换2通过矩阵运算实现3D模型的平移、旋转和缩放等变换，用于调整模型的位置和姿态3D投影3将三维模型投射到二维平面上，以便在屏幕上显示，常见投影方式包括透视投影和正交投影图形算法3D纹理映射光照模型几何算法运动学和动力学将二维纹理贴图应用到三维模拟光源照射到物体表面，处理三维物体几何形状，例模拟物体运动，包括平移、物体表面，使物体更加逼真形成阴影和反光效果如网格生成、顶点操作和碰旋转和变形，以及物理规律撞检测约束贴图映射纹理应用材质效果将纹理图像映射到三维模型表面，丰富物体模拟真实世界的材质，如木材、金属、皮革外观等色彩细节UV坐标提高模型的视觉真实感，增加细节和丰富度通过UV坐标将纹理图像与模型表面建立对应关系阴影算法阴影算法光线追踪阴影贴图阴影算法用于模拟光源照射物体产生的光线追踪法是一种较为精确的阴影算法阴影贴图法是一种快速、高效的阴影算阴影效果，模拟光线从光源出发，经过物体表面法，将阴影信息预先存储到纹理中，通，最终到达观察者过纹理映射的方式进行渲染反射模型

1.环境光反射

2.漫反射12所有物体表面都会受到环境光照射，并反射出部分光线表面粗糙的物体，光线散射到各个方向，呈现出漫反射效果

3.镜面反射

4.Phong反射模型34光线照射到表面光滑的物体，反射光线集中在一个方向，Phong反射模型将漫反射、镜面反射和环境光反射结合起形成镜面反射效果来，模拟光线与物体的相互作用透明和反射反射透明折射反射是光线照射到物体表面后改变方向透明是指光线能够穿透物体，例如玻璃光线从一种介质进入另一种介质时，传的现象，例如镜子反射光线和水播方向会发生改变，称为折射着色算法平面着色平滑着色纹理映射光照模型最简单的着色算法，根据更自然的着色方式，根据利用纹理图像对物体表面模拟真实世界中的光照效三角形颜色进行填充使顶点颜色进行插值计算，进行纹理化纹理图像可果，包括漫反射、镜面反用单一颜色对整个三角形产生更平滑的颜色过渡以提供更丰富的细节和颜射、环境光等进行着色色曲面表示参数方程隐式方程参数方程用数学公式描述曲面，方便计算和控制曲面的形状隐式方程定义一个曲面，通过判断点是否在曲面上来确定曲面的形状多边形网格样条曲线多边形网格用一系列三角形或四边形面片来逼近曲面，用于实际样条曲线用控制点定义，可以灵活地创建平滑的曲线和曲面渲染和动画曲面渲染光栅化着色将连续的曲面转换成离散的像通过计算每个像素的颜色值，素网格，以用于显示为曲面添加颜色和纹理阴影反射和折射模拟光线在物体表面产生的阴模拟光线在物体表面发生反射影，增加真实感和折射的效果曲面细分提高精度增加曲面上的采样点数量，使其更加平滑保留细节细分操作会保留原始曲面的几何特征，例如尖锐的边缘和曲率变化创造新形状可以通过细分操作创建新的几何形状，例如通过细分一个三角形网格来生成一个更复杂的曲面基本渲染管线渲染管线是将三维模型转换为二维图像的过程模型变换1将模型从模型空间转换到世界空间视图变换2将世界空间转换到相机空间投影变换3将三维空间投影到二维空间视口变换4将投影后的坐标转换为屏幕坐标光栅化5将二维图像转换为像素图形硬件架构图形处理器GPU图形内存GPU专门针对图形计算设计，包含大量并行处理单元，高效GPU使用独立的内存，用于存储图形数据，如纹理、几何模执行复杂的图形渲染任务型等现代GPU还支持通用计算，应用于机器学习、深度学习等领图形内存容量和带宽直接影响渲染性能，特别是对于高分辨域率和复杂场景图形简介API定义作用

1.

2.12图形API（应用程序编程接提供标准化的接口，让开发口）是一套用于创建和操作者可以使用统一的方式进行图形的编程接口图形编程例子优势

3.

4.34OpenGL、DirectX、Vulkan简化图形编程，提高开发效等是常用的图形API率，增强图形程序的移植性和跨平台性基础OpenGL三维图形库图形流水线编程接口平台兼容性OpenGL是一个跨平台的图形OpenGL定义了图形渲染流水OpenGL提供了一组函数和数OpenGL支持多种操作系统和库，为应用程序提供三维图线，包括顶点处理、光栅化据结构，方便开发者创建和硬件平台，便于开发者移植形渲染功能和像素处理等阶段控制三维图形应用程序编程实践OpenGL环境搭建1安装OpenGL库和开发工具基础语法2学习OpenGL的基本函数和概念图形绘制3绘制简单的几何形状和纹理场景构建4创建复杂场景和交互效果通过实践项目，巩固所学知识，提升编程能力虚拟现实和增强现实虚拟现实增强现实虚拟现实技术创造一个完全沉浸式的虚拟世界，用户可以通增强现实技术将虚拟信息叠加到现实世界中，例如游戏、导过头戴式显示器和运动追踪设备进行交互航和购物应用程序三维交互技术交互设备常见的交互设备包括鼠标、键盘、手柄、触控笔、体感设备等，为用户提供与虚拟环境的交互方式图形性能优化优化策略减少渲染次数，优化算法，使用缓存和预计算等技术硬件加速利用GPU加速渲染过程，选择合适的硬件配置资源管理高效地管理纹理、模型和其他资源，减少内存占用和磁盘访问图形学最新发展光线追踪虚拟现实光线追踪渲染技术已经成为主流，为游戏和电影带来更逼真的效VR技术在游戏、教育和医疗领域迅速发展，带来沉浸式体验果人工智能云计算人工智能技术被应用于游戏开发和图形生成，自动生成纹理和模云计算平台为图形处理提供强大的计算能力，支持大型项目型总结与展望图形图像学是计算机科学的重要分支，在游戏、影视、设计、医学等领域发挥着重要作用未来，图形图像学将继续发展，例如更加逼真的渲染、更自然的交互以及更加智能的图像处理技术等。