计算机图形学知识要点课件

计算机图形学知识要点课件CATALOGUE目录计算机图形学概述基础知识高级技术图形硬件与软件计算机图形学前沿技术案例分析CHAPTER计算机图形学概述01计算机图形学是研究使用计算机生成和操作图形的科学。计算机图形学可以分为几何造型、图像处理、可视化、动画与交互等几个主要分支。定义与分类分类定义20世纪50年代，计算机图形学开始起步，主要应用于科学可视化。起步阶段20世纪60年代，计算机图形学基础理论和技术逐渐形成，如光栅渲染、几何变换等。基础阶段20世纪70年代至80年代，计算机图形学在电影、游戏等领域得到广泛应用，如皮克斯、迪士尼等公司开始制作三维动画电影。发展阶段20世纪90年代至今，计算机图形学技术不断完善，应用领域不断扩大，如虚拟现实、增强现实等。成熟阶段发展历程电影与游戏制作工业设计医学影像可视化分析应用领域01020304计算机图形学在电影和游戏制作中广泛应用，包括角色建模、场景设计、动画制作等。计算机图形学可用于产品外观设计、工程图纸绘制等方面，提高设计效率和精度。计算机图形学可用于医学影像处理和分析，帮助医生更准确地诊断病情。计算机图形学可将大量数据以直观的方式呈现出来，便于分析和理解。CHAPTER基础知识02描述颜色的不同方式，如RGB、CMYK等。颜色空间用于描述和显示颜色的系统，如RGB、CMYK、HSV等。颜色模型表示颜色数量的多少，如8位、16位、24位等。颜色深度两种或多种颜色组合在一起产生新的颜色。颜色混合颜色理论描述场景中物体的位置和方向。世界坐标系观察者的视角，用于将三维场景投影到二维平面上。视图坐标系描述物体内部各部分的位置和方向。物体坐标系描述像素的位置和颜色。像素坐标系图形坐标系将三维场景中的物体转换为二维像素集合的过程。光栅化渲染光线追踪渲染纹理映射阴影生成模拟光线在场景中的传播，以生成更真实的效果。将图像粘贴到三维物体的表面，以增加真实感。模拟物体在光源照射下的阴影效果。渲染技术环境光来自四面八方的均匀照射的光线。漫反射光来自某个方向的光线反射到其他方向的光线。高光反射光物体表面反射的光线，通常在光滑表面上出现。阴影物体遮挡光源时产生的暗区。光照模型CHAPTER高级技术03纹理映射是一种将图像或纹理贴图应用到三维模型表面的技术。通过纹理映射，可以在不改变模型几何形状的情况下，为其添加更丰富的细节和质感，从而提高模型的视觉效果。纹理映射的关键技术包括纹理坐标、纹理采样、纹理过滤和纹理合成等。纹理坐标用于确定纹理在模型表面的位置，纹理采样用于从纹理图像中获取颜色信息，纹理过滤用于平滑颜色过渡和减少纹理细节的失真，而纹理合成则可以创建新的纹理。纹理映射阴影技术是计算机图形学中用于模拟物体在光源照射下产生的阴影效果的一种技术。阴影技术可以提高场景的层次感和真实感，增强视觉效果。阴影技术的实现方法有多种，包括平面阴影、阴影贴图、光线追踪阴影等。平面阴影通过将光源方向和距离作为参数来计算阴影，阴影贴图通过预先计算场景中各点的阴影并将其存储在贴图中，而光线追踪阴影则通过追踪光线和计算光线与物体之间的交点来生成阴影。阴影技术粒子系统是一种模拟自然现象或抽象效果的技术，通过大量简单元素（粒子）的集合和动态变化，可以生成丰富多样的视觉效果。粒子系统的关键技术包括粒子的生命周期（产生、运动、消亡）、粒子属性（位置、速度、颜色等）、粒子之间的相互作用以及粒子的渲染方式等。粒子系统广泛应用于气象模拟、游戏特效、动态背景等方面。粒子系统碰撞检测的主要方法包括分离轴定理（SAT）、包围盒（AABB、OBB等）、离散事件法（DiscreteEventSimulation）等。在实际应用中，需要根据具体场景和需求选择适合的碰撞检测算法，以提高检测效率和准确性。碰撞检测是计算机图形学中用于检测物体之间是否发生接触或接近的技术。碰撞检测在游戏开发、虚拟现实、机器人视觉等领域具有广泛应用。碰撞检测CHAPTER图形硬件与软件04渲染管线GPU的渲染管线包括顶点着色器、几何着色器、光栅化、片段着色器和输出合并等阶段，用于将三维场景转换为二维图像。纹理采样器纹理采样器用于从纹理中采样像素颜色，并将其应用到几何形状上，以实现纹理贴图和细节增强。流处理器流处理器是GPU的基本处理单元，负责执行渲染管线中的各个阶段，包括顶点着色器、几何着色器和光栅化等。内存管理GPU使用显存进行数据存储和交换，通过内存管理单元实现显存与系统内存之间的数据传输。GPU的工作原理一款专业的三维建模、动画和渲染软件，广泛应用于游戏开发、电影制作和建筑设计等领域。3DStudioMaxBlenderUnity一款开源的三维图形软件，提供从建模、动画到渲染和后期制作的一站式解决方案。一款跨平台的游戏开发引擎，支持实时3D渲染和物理模拟等功能。030201图形软件介绍OpenGL跨平台的图形应用程序编程接口，提供了一套标准的绘图函数接口，支持多种操作系统和硬件平台。Vulkan新一代的跨平台图形应用程序编程接口，旨在提供高性能的图形渲染和并行计算能力。DirectX微软开发的图形应用程序编程接口，用于加速三维图形渲染和音频处理等功能。图形硬件加速技术CHAPTER计算机图形学前沿技术05实时渲染技术是计算机图形学领域中的一项重要技术，它能够实时生成逼真的图像。这种技术主要依赖于高效的图形算法和强大的计算机硬件性能，如GPU（图形处理器）等。实时渲染技术广泛应用于游戏开发、虚拟现实、仿真等领域。在游戏开发中，实时渲染技术能够提供流畅、逼真的游戏画面，提高游戏的可玩性和沉浸感。在虚拟现实和仿真中，实时渲染技术能够创建逼真的虚拟环境，提供沉浸式的体验。实时渲染技术的发展趋势是更高的图像质量和更低的延迟。随着计算机硬件性能的不断提升，实时渲染技术将能够提供更加逼真、流畅的图像，进一步提升用户体验。实时渲染技术全息投影技术的发展趋势是更高的图像质量和更大的显示尺寸。随着技术的不断进步，全息投影技术将能够提供更加逼真、生动的三维图像，进一步拓宽应用领域。全息投影技术是一种利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实三维图像的技术。这种技术可以生成逼真的三维图像，并且具有视角全向、交互性强的特点。全息投影技术广泛应用于展览展示、教育、娱乐等领域。在展览展示中，全息投影技术可以用来展示产品或模型，提高观众的兴趣和认知度。在教育中，全息投影技术可以用来呈现抽象的概念或历史事件，帮助学生更好地理解和记忆。在娱乐中，全息投影技术可以用来呈现音乐会、舞台剧等演出，提供沉浸式的观赏体验。全息投影技术虚拟现实（VR）技术是一种模拟真实场景的计算机图形技术，通过头戴式设备等硬件设备，使用户沉浸在虚拟的环境中。虚拟现实技术可以用于游戏、教育、医疗等领域，为用户提供全新的体验方式。增强现实（AR）技术则是将虚拟的信息融入真实世界，通过眼镜、手机等设备，将数字信息、物体和环境融为一体，实现互动。增强现实技术的应用范围也很广泛，包括工业维修、旅游、教育等领域。虚拟现实和增强现实技术的发展趋势是更高的真实感和交互性。随着技术的不断进步，未来将能够提供更加逼真、自然的虚拟现实和增强现实体验，进一步丰富人们的生活和工作方式。虚拟现实与增强现实技术CHAPTER案例分析06计算机图形学技术用于实现游戏中的画面渲染，包括光照计算、纹理映射、阴影处理等，以提供逼真的视觉效果。游戏画面渲染利用三维建模技术，创建游戏中的角色和场景，通过骨骼动画等技术实现角色的动态效果。角色与场景建模基于物理模拟的计算机图形学技术，用于实现游戏中的物理效果，如碰撞检测、物体运动轨迹等。游戏物理引擎游戏中的计算机图形学应用利用计算机图形学技术，创建电影中的特效场景，如火山喷发、城市毁灭等。特效场景制作通过计算机图形学技术，实现电影中角色的动画效果，如面部表情捕捉、动作捕捉等。角色动画将特效场景与实际拍摄的画面进行合成，并通过渲染技术提高画面的真实感。合成与渲染电影特效制作中的计算机图