《光栅图形学》课件

《光栅图形学》光栅图形学是计算机图形学领域中重要的分支之一。它主要研究如何将矢量图形数据转换为光栅图形数据，以在显示器上显示图像。课程大纲11.光栅化基础介绍光栅化的基本概念，包括光栅化与矢量图形的比较、光栅图像的基本元素等。22.光栅化管线深入探讨光栅化管线，包括坐标系与变换、视口裁剪、三角形光栅化等内容。33.光栅化算法介绍常见的扫描线算法、DDA算法和Bresenham算法，并分析其优缺点。44.颜色插值与深度缓存讲解平面着色、Gouraud着色、Phong着色，以及深度测试和深度缓存算法。55.透明处理与抗锯齿技术深入研究Alpha通道、透明度混合、超采样、多重采样和动态采样等技术。66.纹理映射与光照模型介绍纹理坐标插值、滤波算法、环境光、漫反射光和镜面反射光等内容。光栅化基础概念光栅化是将矢量图形转换为位图的过程，是计算机图形学中的基础概念。光栅化是将几何图形转换为屏幕上的像素点，是计算机图形学中的重要组成部分。什么是光栅化？将矢量图形转换为像素光栅化是指将矢量图形转换为由像素组成的位图的过程。显示设备的渲染光栅化是计算机图形学中的一个重要步骤，用于将虚拟世界中的图像显示在屏幕上。游戏和动画中的应用光栅化在游戏、动画、图像处理等领域应用广泛。光栅化与矢量图形矢量图形矢量图形由数学公式定义，由点、线、曲线和多边形组成。缩放、旋转或移动后不会损失质量，适合用于图形设计和印刷。光栅图形光栅图形由像素点组成，每个像素点都有颜色和亮度。缩放、旋转或移动后会损失质量，适合用于照片、视频和游戏。光栅图像基本元素像素光栅图像的最小单位，是一个二维空间上的点，拥有颜色和亮度属性。颜色像素的颜色决定了图像的视觉效果，通常使用RGB或CMYK色彩模型来表示。深度代表每个像素的颜色信息量，例如8位深度可以表示256种颜色，24位深度可以表示1670万种颜色。分辨率表示图像中像素的密度，单位通常为每英寸像素数（PPI），更高分辨率的图像细节更丰富。光栅化管线光栅化管线是将三维模型转换为二维图像的步骤。这个过程涉及多个阶段，例如模型变换、视口裁剪、三角形光栅化、着色和深度测试。坐标系与变换世界坐标系世界坐标系用于描述场景中所有对象的绝对位置。相机坐标系相机坐标系描述了场景中物体相对于摄像机的相对位置。屏幕坐标系屏幕坐标系是二维的，用于定义图像在屏幕上的位置。视口裁剪视口裁剪是图形渲染流程中的一个关键步骤。它决定哪些物体或场景的一部分最终会显示在屏幕上。裁剪过程会排除那些位于视口之外的几何图形，例如那些在相机视野之外的物体。视口裁剪可以提高渲染效率，因为它可以减少需要处理的图形数量，从而加快渲染速度。三角形光栅化11.确定三角形边界首先要找到三角形的最小包围盒，然后遍历每个像素点。22.判断像素点是否在三角形内可以使用叉积或者点积来判断像素点是否在三角形的内部。33.确定像素点的颜色根据三角形顶点的颜色信息，使用插值算法来计算像素点的颜色。光栅化算法光栅化算法是将几何图形转换为屏幕像素的算法，是光栅图形学的基础。不同的光栅化算法适用于不同的场景，例如直线、圆形、曲线等。扫描线算法像素点绘制扫描线算法通过逐行扫描图像，判断每行像素点是否位于多边形内部，并进行填充。多边形填充该算法常用于填充多边形、曲线以及复杂形状的内部区域，实现图像的渲染。高效便捷扫描线算法易于实现，适用于各种图形处理场景，在光栅图形学中被广泛应用。DDA算法基本原理DDA算法基于直线方程，通过对直线方程进行差分运算，从而得到直线上各个点的坐标。实现步骤首先，根据直线方程计算直线的斜率。然后，根据斜率和起点坐标，依次计算出直线上各个点的坐标。优点DDA算法实现简单，易于理解，适用于各种情况下的直线绘制。缺点DDA算法精度有限，可能会出现绘制结果不平滑的现象，尤其是在斜率较大或较小时。Bresenham算法Bresenham算法是一种高效的直线绘制算法，它能够根据直线的斜率，使用简单的整数运算确定直线上每个点的像素位置，并避免了浮点数运算。该算法通过计算每个像素点到直线的距离，并选择距离最近的像素点进行绘制。Bresenham算法在图形学领域中得到了广泛应用，例如绘制直线、圆形、椭圆等几何图形，以及进行图形填充和边界提取等操作。颜色插值颜色插值是光栅化中重要的概念，它用于平滑地渲染多边形表面。通过在像素之间插值颜色，可以创建更逼真、更自然的视觉效果。平面着色1简单高效每个多边形使用单一颜色填充。2视觉效果呈现出较为平面的效果，缺乏真实感。3常见应用早期游戏和简单图形应用中。4计算开销较低，适用于实时渲染。Gouraud着色颜色插值在每个三角形顶点计算颜色，然后在三角形内部进行线性插值。平滑效果比平面着色更平滑，更逼真地展现物体表面。光照效果模拟光线照射在物体表面产生的明暗变化。Phong着色光滑表面Phong着色模拟了光线在光滑表面上的反射，产生了逼真的高光效果。法线方向Phong着色基于表面法线向量计算光线反射方向，模拟光线与物体的相互作用。光照模型Phong着色模型考虑了环境光、漫反射光和镜面反射光，模拟更真实的照明效果。深度缓存深度缓存是一种用于解决图形渲染中隐藏面问题的重要技术。深度缓存保存每个像素的深度信息，用于判断物体之间的遮挡关系，从而确保近处的物体遮挡住远处的物体。深度测试深度缓冲区深度缓冲区是一个存储每个像素深度信息的缓冲区，用于判断像素的可见性。深度测试过程当渲染新像素时，会比较其深度值和深度缓冲区中对应位置的深度值。深度缓存算法Z-缓冲算法Z-缓冲算法是最常用的深度缓存算法之一。它使用一个与屏幕分辨率相同的缓冲区存储每个像素的深度值。A-缓冲算法A-缓冲算法是Z-缓冲算法的一种改进，它使用了一个更复杂的结构来存储深度信息，能够处理更复杂的场景，例如透明物体。透明处理透明处理是光栅图形学中一项重要的技术，它允许物体或像素以不同的程度显示。透明处理在游戏中广泛应用，例如创建具有半透明效果的物体、水面的透明度以及烟雾和云层的效果。Alpha通道Alpha通道用于表示像素的透明度，范围在0到1之间，0表示完全透明，1表示完全不透明颜色混合通过Alpha通道值来控制像素的透明度，实现不同的混合效果图像叠加可以将多个图像叠加在一起，根据每个图像的Alpha通道值实现透明度叠加透明度混合Alpha混合在绘制透明物体时，需要将透明物体与背景进行混合。透明度混合算法根据物体的透明度，来控制物体与背景的混合比例。混合公式混合公式一般使用如下公式：C'=C*alpha+B*(1-alpha)，其中C为物体颜色，B为背景颜色，alpha为透明度。抗锯齿技术光栅化过程中，直线和曲线会产生锯齿状边缘。抗锯齿技术旨在平滑这些边缘，提高图像质量。超采样原理在渲染过程中，对每个像素进行多次采样，并将结果进行平均化，有效减少锯齿现象。优势能够产生平滑、逼真的图像，提高图像质量。缺点计算量大，渲染时间较长，性能消耗高。多重采样采样点增加在每个像素内，多重采样会对多个点进行采样，而不是只采样中心点。减少锯齿通过对多个点的采样，可以更好地模拟光线的传播，从而减少锯齿的产生。性能开销多重采样会增加渲染时间，因为需要对更多的点进行采样。动态采样1自适应采样根据图像区域复杂度，动态调整采样密度。2边缘检测在边缘区域增加采样，提高边缘锐度。3动态调整根据采样结果，动态更新采样策略。纹理映射纹理映射是一种将图像或图案应用到三维模型表面的技术，使模型表面更具视觉效果和真实感。纹理映射可以为物体表面添加细节、颜色、图案，甚至模拟材质特性。纹理映射基本概念11.纹理图纹理图是一种二维图像，它存储了表面细节信息，例如颜色、图案和材质。22.纹理坐标纹理坐标用于在纹理图中定位像素，范围通常为0到1。33.纹理映射过程将纹理坐标映射到三维物体表面，并用纹理图中的像素填充物体表面。44.纹理映射应用纹理映射在游戏、影视和建筑等领域广泛应用，用于增强物体表面细节和视觉效果。纹理坐标插值纹理坐标纹理坐标定义了纹理图像上的每个点。插值方法插值方法根据三角形顶点的纹理坐标计算三角形内部每个点的纹理坐标。线性插值线性插值是一种简单而常用的方法，通过三角形顶点的纹理坐标进行线性加权。纹理贴图纹理坐标插值是纹理贴图的关键步骤，用于将纹理图像映射到三角形表面。滤波算法纹理采样纹理采样是指从纹理图像中获取像素值的过程，以生成最终的屏幕像素颜色。近邻采样选择纹理坐标最近的像素值，简单快速，但容易出现锯齿现象。双线性插值通过纹理坐标周围四个像素值进行线性插值，平滑过渡，但计算量略高。三线性插值对纹理坐标周围八个像素值进行插值，更平滑，但计算量更大。光照模型光照模型是光栅图形学中用于模拟物体表面光照效果的重要技术。通过光照模型，我们可以模拟不同类型的光源，例如环境光、漫反射光和镜面反射光。环境光定义环境光是一种均匀分布的光线，它来自各个方向，照亮场景中的所有物体。特点环境光强度较弱，不会产生明显的阴影或明暗对比。它提供了一种基础的照明，使物体可见，但不会突出其形状或细节。漫反射光漫反射光漫反射光指光线照射到物体表面后，光线以各个方向散射出去，呈现均匀的亮度。漫反射光的特点漫反射光使物体表面呈