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文档简介
计算机图形绪论本课程介绍计算机图形学的基础知识和技术。涵盖图形生成、模型、渲染、动画等方面。课程介绍11.课程目标本课程旨在帮助学生掌握计算机图形学的基本理论和技术,培养学生图形学应用开发的能力。22.课程内容课程涵盖了计算机图形学的基础知识、二维图形绘制、三维建模、渲染、动画等内容。33.课程考核通过作业、实验和期末考试进行考核,评估学生的学习效果。44.学习建议建议学生积极参与课堂讨论、完成课后作业,并利用课余时间进行实践练习。图形学发展历程1早期阶段20世纪50年代,计算机图形学开始萌芽。2发展阶段20世纪60年代,计算机图形学逐渐发展,并开始应用于科学研究和工程领域。3成熟阶段20世纪70年代,计算机图形学技术不断成熟,并开始应用于电影和游戏等娱乐领域。4现代阶段20世纪80年代至今,计算机图形学技术得到飞速发展,并广泛应用于各个领域。图形学应用领域游戏开发图形学是游戏开发的核心,为玩家打造身临其境的体验。电影和动画图形学为电影和动画提供了逼真的视觉效果和特效,增强艺术表现力。虚拟现实和增强现实图形学为虚拟现实和增强现实提供了沉浸式的体验,扩展现实应用。医学影像图形学用于医学影像处理,协助诊断和治疗,例如CT扫描和MRI。计算机图形学的基本概念计算机图形学定义计算机图形学是利用计算机生成、处理和显示图像的学科,它研究图像的创建、处理、显示和应用。图像表示计算机图形学研究图像的表示方法,包括二维图像和三维图像,以及各种图像格式和数据结构。图形生成技术计算机图形学涉及图像的生成技术,包括几何建模、光栅化、渲染等技术,用于创建逼真的图像和动画。图形交互技术计算机图形学研究人机交互技术,包括用户界面设计、输入设备处理、图形系统交互等,以实现用户与图形的有效交互。光栅图像和矢量图像光栅图像光栅图像由像素矩阵组成。每个像素存储颜色信息,表示图像的单个点。分辨率越高,像素越多,图像越清晰。光栅图像文件类型包括:JPEG,PNG,GIF等。矢量图像矢量图像使用数学公式来描述图形的形状和位置。矢量图像可以无限放大或缩小而不会失真,因为它们不依赖像素。矢量图像文件类型包括:SVG,PDF,AI等。颜色模型与色彩表示颜色模型颜色模型是用来描述和表示颜色的系统,用于定义和组织颜色空间。色彩表示数字形式表示颜色,通常使用RGB或CMYK系统,以便计算机和设备处理。颜色空间颜色空间是三维空间,它定义了所有可能的颜色,每个颜色都有唯一的坐标。几何变换基础11.平移变换将物体沿某个方向移动一定距离,通过改变坐标系原点的位置实现。22.缩放变换改变物体的大小,通过缩放比例因子调整坐标值。33.旋转变换以某个点或轴为中心,将物体旋转一定角度,通过矩阵运算实现。44.镜像变换将物体关于某个点或轴进行对称变换,通过坐标值反转实现。坐标系与向量笛卡尔坐标系计算机图形学中广泛使用笛卡尔坐标系,它使用三个相互垂直的轴来描述空间中的点。向量向量用于表示方向和大小,在图形学中用于描述点的位置、方向、速度等。齐次坐标齐次坐标是用于表示三维空间中点的四维坐标系,便于进行几何变换。平移、缩放、旋转变换1平移变换平移变换改变对象的位置,它通过将每个点移动固定距离来实现。2缩放变换缩放变换改变对象的大小,它通过将每个点乘以一个比例因子来实现。3旋转变换旋转变换改变对象的方向,它通过将每个点围绕一个中心点旋转一定角度来实现。仿射变换与投影变换仿射变换仿射变换是一种线性变换,它保持直线和平行线之间的平行关系。常见应用包括平移、旋转、缩放、剪切等。投影变换投影变换是将三维空间中的物体投影到二维平面上的过程,常见投影类型包括平行投影和透视投影。透视投影透视投影模拟人眼观察物体的透视效果,远处的物体看起来更小,近处的物体看起来更大。平行投影平行投影将三维空间中的物体投影到二维平面上的过程,投影线相互平行,不会产生透视效果。多边形的表示与运算多边形表示多边形可以用顶点列表、边列表或其他数据结构来表示,例如扫描线算法、边表、多边形树等。多边形运算常见的运算包括多边形面积计算、多边形重心计算、多边形相交检测、多边形裁剪等。算法实现各种算法可用于实现这些运算,例如三角剖分算法、扫描线算法、布林运算算法等。多边形填充算法扫描线算法扫描线算法是一种常见的填充算法。它沿着扫描线方向逐行扫描多边形,计算出每条扫描线与多边形交点的横坐标,然后用颜色填充位于这些交点之间的像素。种子填充算法种子填充算法通过指定一个种子点,并以该点为起点,向周围相邻的像素进行扩展,直到填充完整个多边形内部。线段绘制算法DDA算法DDA算法利用直线的斜率来计算直线上每个像素点坐标。通过增量方式,逐点绘制直线,效率高,易于实现。Bresenham算法Bresenham算法通过比较当前点与直线距离,选择距离最近的像素点。该算法使用整数运算,避免了浮点运算,适用于硬件实现。中点画线法中点画线法是Bresenham算法的优化,它只计算中点到直线的距离。通过判断中点在直线的哪一侧,选择下一个像素点,提高了效率。曲线绘制算法直线段逼近法将曲线用一系列直线段连接起来,通过控制直线段的数量和位置来逼近曲线。多项式曲线方程法使用多项式方程来表示曲线,通过控制多项式的系数来生成不同的曲线形状。样条曲线法将曲线划分为多个样条曲线段,并使用样条函数来表示每个曲线段。贝塞尔曲线法使用控制点来定义曲线的形状,通过控制点的位置来控制曲线的形状和方向。三维几何建模三维几何建模是计算机图形学中的重要组成部分,它通过计算机来创建和表示三维物体的几何形状和表面信息。常用的建模方法包括多边形建模、曲线曲面建模、体积建模等,可以用于游戏开发、动画制作、建筑设计等领域。视图变换与投影视图变换是指将三维场景中的物体从世界坐标系转换到观察者坐标系,即相机坐标系。投影变换则将三维物体投影到二维平面,以便在屏幕上显示。1透视投影模拟人眼观察三维物体2正交投影平行于投影平面的投影3视图变换世界坐标系转换到相机坐标系照明模型与阴影光照模型光照模型模拟光线照射到物体表面的效果,包括漫反射、镜面反射和环境光。阴影阴影是物体遮挡光线形成的区域,增强了场景的真实感和深度。阴影计算通过光线追踪或阴影贴图等技术计算阴影,实现更逼真的阴影效果。纹理映射技术11.纹理贴图纹理贴图是一种将二维图像应用于三维表面以增强视觉细节和真实感的技术。22.纹理坐标纹理坐标定义了纹理图像中的点,并用于将纹理应用于三维模型的特定位置。33.纹理过滤纹理过滤用于平滑纹理的细节,避免出现锯齿状边缘,并提高渲染质量。44.纹理空间纹理空间是一个独立的二维坐标系,用于管理纹理图像的组织和访问。光线追踪算法1光线发射从视点发出光线,穿过场景2光线与物体相交计算光线与场景中物体交点3颜色计算根据交点位置计算颜色光线追踪算法模拟真实世界的光线传播,通过发射光线追踪其路径,并与场景中的物体进行相交测试,以计算每个像素的颜色。这种算法能够生成逼真的光影效果,并展现复杂的反射和折射现象。光栅图像处理像素操作光栅图像由像素矩阵组成,像素是图像的基本单位。处理光栅图像通常涉及对像素进行操作,例如调整亮度、对比度和颜色。图像滤波滤波是一种常用的图像处理技术,用于消除噪声、锐化边缘或模糊图像。图像分割图像分割将图像分成多个区域或物体,方便后续分析和识别。图像失真校正透镜畸变透镜畸变是相机镜头中常见的失真类型。主要包括桶形畸变和枕形畸变。透镜畸变会导致图像边缘部分的物体变形,例如直线弯曲或平行线不再平行。数字图像处理基础1图像获取从现实世界获取图像,例如使用相机、扫描仪等。2图像增强改善图像质量,例如提高对比度、锐化边缘。3图像复原修复受损图像,例如去除噪声、模糊等。4图像分析提取图像信息,例如识别目标、测量形状。二维图像滤波平均滤波平均滤波器通过计算图像中每个像素周围邻域像素的平均值来平滑图像,从而减少噪声。高斯滤波高斯滤波器使用高斯函数作为权重函数,对图像进行平滑处理,可以有效地去除图像中的噪声,同时保留图像的边缘细节。中值滤波中值滤波器将每个像素的值替换为其邻域像素的中值,可以有效地去除图像中的椒盐噪声,同时保留图像的边缘细节。图像分割与边缘检测图像分割图像分割是将图像分解成多个区域或目标的过程,每个区域或目标具有不同的特征。分割方法包括阈值分割、区域生长、边缘检测等。边缘检测边缘检测用于识别图像中不同区域的边界,即像素值发生急剧变化的位置。边缘检测算法包括Sobel算子、Canny算子等,可用于图像特征提取和目标识别。图像压缩编码压缩比压缩比衡量压缩后数据大小与原始数据大小的比率。无损压缩无损压缩方法在解压缩后可以完全恢复原始数据。有损压缩有损压缩方法在解压缩后会丢失部分原始数据。熵编码熵编码通过统计数据出现频率来提高压缩效率。视频编码基础压缩技术视频编码通过移除冗余信息来减少数据量,从而提高传输效率。帧内压缩帧内压缩利用图像内部的冗余信息,例如相邻像素之间的相关性,进行压缩。帧间压缩帧间压缩利用视频中连续帧之间的相似性,仅对变化部分进行编码,从而节省数据量。编码标准常见的视频编码标准包括H.264、H.265和AV1,它们提供不同的压缩效率和质量。虚拟现实技术概述沉浸式体验虚拟现实技术通过模拟真实世界,为用户提供沉浸式的体验。互动性虚拟现实技术允许用户与虚拟环境进行互动,例如控制物体或进行游戏。应用领域虚拟现实技术已广泛应用于游戏、教育、医疗、建筑等领域。技术发展虚拟现实技术仍在不断发展,未来将更加逼真、更具交互性。图形硬件加速技术显卡加速图形处理单元(GPU)专为加速图形渲染和计算而设计,显着提升性能。硬件渲染现代显卡支持硬件加速的渲染管道,高效处理复杂的图形场景和特效。显示技术高速显示器和同步技术,如G-Sync和FreeSync,改善视觉体验。虚拟现实应用VR技术依赖强大的图形硬件加速,以实现沉浸式虚拟现实体验。图形API与开发工具OpenGLOpenGL是一个跨平台的图形API,它定义了各种图形绘制和渲染功能,为开发人员提供了低级控制。DirectXDirectX则是微软为Windows平台提供的图形API,它为游戏开发者提供了更强大的功能,例如3D游戏开发和多媒体功能。图形库许多图形库,例如Qt、wxWidgets和GTK+,提供更高层次的抽象,简化
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