《计算机图形系统》课件

计算机图形系统计算机图形系统，简称“图形系统”，是指用于生成、处理、显示和交互图形的软硬件系统。它涉及多个领域，包括图形学、计算机科学、数学和艺术。课程介绍课程概述本课程将深入探讨计算机图形系统的基本原理和技术。我们将从图形系统的基础概念开始，逐步介绍各种关键技术，例如图形管线、坐标系统、几何建模、三维变换、光照模型、材质和纹理、阴影渲染、光栅化算法、曲面绘制、抗锯齿技术、图形硬件、图形API、OpenGL基础、OpenGL绘图管线、OpenGL几何图元、OpenGL颜色和材质、OpenGL纹理贴图、OpenGL光照、OpenGL变换、OpenGL着色器、OpenGL高级技术、图形渲染优化、虚拟现实应用等。课程目标通过本课程，学生将掌握计算机图形系统的设计原理、关键技术和应用方法，为进一步学习图形相关领域的专业课程打下坚实的基础。学习方式课程将结合理论讲解、案例分析和实践操作，并利用课件、课本、网络资源等多种教学手段，帮助学生深入理解课程内容。图形系统概述计算机图形系统主要负责将数字数据转化为可视化图像，并进行交互式操作。它包括硬件和软件两个部分，硬件部分负责处理图形数据，软件部分负责控制硬件并实现图形算法。图形系统广泛应用于游戏、动画、设计、虚拟现实等领域，是现代计算机科学的重要组成部分。图形管线模型转换将三维模型转换为计算机图形系统可处理的格式，例如将三维模型的顶点坐标、法向量等信息转换为二维图形系统所使用的坐标系。几何处理对模型进行几何处理，包括裁剪、细分、光栅化等操作，以便在二维屏幕上显示。光照计算计算光源对模型表面的照射效果，从而模拟真实世界的光照和阴影。纹理映射将纹理图像映射到模型表面，以增加模型的视觉细节和真实感。混合和合成将不同的渲染结果混合在一起，生成最终的图像，并进行抗锯齿等后处理操作。坐标系统笛卡尔坐标系最常用的坐标系，用三个相互垂直的轴表示三维空间。齐次坐标系在计算机图形学中，使用齐次坐标系简化三维变换。屏幕坐标系二维坐标系，表示屏幕上的像素位置，用于显示图形。世界坐标系用于描述物体在三维空间中的位置和方向。几何建模几何建模是计算机图形学中重要的环节，用于创建和表示三维物体。常见的几何建模方法包括多边形网格、NURBS曲线曲面、点云、体素模型等。不同建模方法各有优缺点，选择合适的建模方法取决于具体的应用场景和需求。三维变换1平移变换沿指定方向移动物体，改变物体的位置。在三维空间中，平移变换可以用一个向量表示，该向量表示平移的距离和方向。2旋转变换围绕一个轴线旋转物体，改变物体的方向。旋转变换可以用一个旋转轴和一个旋转角度表示。3缩放变换改变物体的大小。缩放变换可以用一个缩放因子表示，该因子表示物体沿各个方向的缩放比例。投影变换三维到二维将三维场景中的物体投影到二维平面上，用于显示在屏幕上。透视投影模拟人眼观察世界的方式，近大远小，物体越远越小。平行投影所有平行线在投影后仍然平行，用于工程制图和建筑设计。正交投影所有物体都以相同大小投影，用于绘制建筑物的平面图和立面图。光照模型11.环境光环境光照亮场景中的所有物体，均匀分布在空间中。22.漫反射光物体表面漫反射光线，根据表面材质和光线方向产生亮度。33.镜面反射光物体表面镜面反射光线，光线方向与观察者位置有关，形成高光效果。44.光线衰减光线随着距离衰减，模拟现实世界中光线强度与距离的关系。材质和纹理材质材质决定了物体表面的光学特性，例如反射率、折射率和漫反射系数。材质可以通过颜色、纹理和光照模型进行定义。纹理纹理是用于增强物体表面细节和视觉效果的图像或图案。纹理可以是二维的或三维的，并可以应用于各种材质。阴影渲染阴影渲染是计算机图形学中重要的技术之一，它可以使渲染的物体更加真实，并提升整体的视觉效果。1环境光遮蔽模拟物体周围环境光的影响2阴影贴图通过纹理映射来模拟阴影3射线追踪通过追踪光线路径来计算阴影阴影渲染的实现方法多种多样，每种方法都有其优缺点。选择合适的阴影渲染方法取决于渲染的目标效果、性能要求以及计算资源的限制。光栅化算法扫描线算法逐行扫描，计算每条扫描线与图形的交点，填充像素点。适合处理多边形、曲线等图形。DDA算法通过直线方程计算，逐步绘制直线上的像素点。适用于绘制直线，效率较高。Bresenham算法使用增量算法，避免浮点数运算，效率更高。适合绘制直线，是常用的光栅化算法之一。中点算法利用中点判断当前像素点位置，减少运算量。适用于绘制直线、圆和椭圆等图形。曲面绘制曲面绘制是计算机图形学中一项关键技术，用于创建光滑、逼真的三维表面。曲面绘制方法可用于建模各种物体，例如汽车、建筑物和人体。常用的曲面绘制方法包括Bézier曲面、B样条曲面和NURBS曲面等。这些方法使用数学方程来定义曲面的形状，并允许设计师精确地控制其曲率和细节。曲面绘制是计算机图形学中一个复杂的领域，需要深入理解数学和几何概念。抗锯齿技术消除锯齿抗锯齿技术旨在消除计算机图形中的锯齿现象。锯齿是由于像素化导致的图像边缘不平滑的现象。平滑边缘通过对图像边缘进行平滑处理，抗锯齿技术可以提高图像质量，使其更逼真。常见技术常见的抗锯齿技术包括多重采样、超采样、边缘反走样等。图形硬件图形硬件是计算机图形系统中用于处理图形数据的专用硬件设备。它包括显卡、图形处理单元(GPU)、内存以及其他相关硬件。显卡是计算机系统中负责生成和显示图像的关键组件。GPU专门用于加速图形处理，并提高图像渲染速度。内存用于存储图形数据，例如纹理和模型。图形硬件的发展对计算机图形技术产生了巨大的影响。近年来，GPU的性能不断提升，促进了游戏、虚拟现实和其他图形密集型应用的快速发展。图形API图形API定义图形应用程序编程接口（API）是一组定义好的函数和数据结构，允许程序员创建和操控图形内容，包括绘制、渲染、动画和交互。这些API提供了对图形硬件的抽象层，使开发人员能够专注于应用程序逻辑，而无需直接与底层硬件交互。图形API种类常见的图形API包括OpenGL、DirectX、Vulkan和Metal。这些API在功能、性能和应用场景方面有所不同。OpenGL是跨平台的标准API，广泛应用于游戏、科学可视化和工程设计等领域。DirectX是微软提供的API，主要用于Windows平台的游戏开发。OpenGL基础1图形管线OpenGL定义了一个图形管线，用于将数据转换为屏幕上的像素。2核心功能OpenGL提供了创建和操作几何体，定义材料和纹理，执行光照计算，以及控制渲染过程的功能。3编程接口OpenGL使用C语言风格的API，允许程序员通过函数调用来控制图形渲染过程。OpenGL是一个跨平台的图形API，广泛应用于各种应用程序中，例如游戏，建模和可视化软件。OpenGL绘图管线模型变换将模型从模型坐标系转换到世界坐标系。视图变换将世界坐标系中的模型转换到相机坐标系。投影变换将三维场景投影到二维平面。视口变换将投影后的坐标映射到屏幕坐标系。光栅化将几何图元转换为像素。光照和纹理为像素添加颜色、纹理等信息。帧缓冲区操作将最终的像素数据写入帧缓冲区。OpenGL几何图元点点是最基本的几何图元，它表示一个空间中的位置。线线是由两个或多个点连接而成的，它表示两个点之间的路径。三角形三角形是由三个点和三条线段构成的，它是OpenGL中最常用的基本图元。四边形四边形是由四个点和四条线段构成的，它可以用两个三角形表示。OpenGL颜色和材质1颜色表示OpenGL使用RGB颜色模型，每个颜色通道用0到1之间的浮点数表示。2材质属性材质属性决定了物体表面的反射特性，包括环境光、漫反射光、镜面反射光等。3材质参数OpenGL提供了多种材质参数，例如环境光反射系数、漫反射系数、镜面反射系数等。4纹理映射纹理映射可以将图像信息应用到物体表面，增加物体的细节和真实感。OpenGL纹理贴图纹理映射将二维图像映射到三维物体表面，为物体添加细节和视觉效果。纹理类型常见纹理类型包括颜色纹理、法线纹理和环境纹理。纹理坐标使用二维坐标系来指定纹理图像的采样位置，以确定物体表面每个点的纹理颜色。纹理过滤在纹理映射过程中，使用纹理过滤技术来处理非整数坐标的采样，以避免锯齿现象。OpenGL光照环境光模拟周围环境的漫反射光。漫反射光光线均匀散射，模拟物体表面光照。镜面反射光光线反射方向与入射方向相同，模拟光源的反射。OpenGL变换1模型变换改变物体位置、旋转或缩放2视图变换设定观察者视角3投影变换将三维场景投影到二维屏幕OpenGL中的变换操作使用矩阵进行表示，可以有效地实现各种几何变换。模型变换是指对物体本身进行的变换，包括平移、旋转和缩放等操作。视图变换用于设定观察者视角，将三维场景从世界坐标系变换到相机坐标系。投影变换则是将三维场景投影到二维屏幕上，以便在屏幕上显示。OpenGL着色器顶点着色器顶点着色器运行在每个顶点上，它将顶点信息（例如位置、颜色）传递给光栅化阶段。顶点着色器可以进行基本的几何变换，例如平移、旋转和缩放。片段着色器片段着色器运行在每个片段上，它计算片段的颜色值。片段着色器可以使用纹理、光照和其他效果来创建更复杂的颜色效果。OpenGL高级技术着色器编程定制化光照效果，实现逼真的材质和纹理。使用GLSL语言编写着色器，控制像素和顶点处理，增强图形表现力。纹理映射纹理映射技术，为物体表面添加细节，提升真实感。使用多级纹理、法线贴图等技术，优化纹理采样，提高效率。几何着色器生成新的几何图形，实现动态几何效果。利用几何着色器，生成额外的顶点，改变形状，实现粒子系统、地形生成等功能。帧缓冲区对象帧缓冲区对象允许离屏渲染，实现复杂的效果。使用帧缓冲区，可以进行多重采样抗锯齿，实现延迟渲染等高级技术。图形渲染优化批处理渲染将多个对象进行分组，以减少绘制调用次数，提高渲染效率。剔除技术使用背面剔除、视锥剔除等技术，移除不可见或无需绘制的几何体。纹理优化选择合适的纹理格式和尺寸，并使用纹理压缩技术，降低内存占用和带宽压力。着色器优化优化着色器代码，减少指令数量和分支，提高着色效率。虚拟现实应用虚拟现实技术正在改变我们与周围世界互动的方式。它为游戏、娱乐、教育、医疗保健等领域提供了无限可能。沉浸式体验、互动性强的虚拟环境和现实世界模拟为用户提供了前所未有的参与和体验。游戏和娱乐医疗保健教育和培训建筑和设计零售和营销扩展阅读和参考资料书籍推荐《计算机图形学》《实时渲染》《OpenGL编程指南》相关网站OpenGL.orgLearnOpenGL.comShaderT论文期刊ACMTransactionsonGraphicsIEEETransactionsonVisualizationandComputerGraphicsSIGGRAPH课程总结1图形系统知识本课程涵盖了计算机图形系统的基本原理和应用，包括图形管线、坐标系统、几何建模、投影变换、光照模型、材质和纹理、阴影渲染、光栅化算法、曲面绘制、抗锯齿技术、图形硬件、图形API以及OpenGL基础等。2实践能力课程着重培养学生的实践能力，通过代码示例