《计算机图形学简介》课件

计算机图形学简介计算机图形学是一门研究计算机创建、处理和显示图形图像的学科。它涉及各种技术，包括几何建模、渲染、动画、图像处理等。计算机图形学在游戏、电影、设计、虚拟现实等领域扮演着重要角色。计算机图形学的定义11.计算机生成图形计算机图形学是使用计算机创建和操纵图像的科学和艺术。22.多学科领域它涉及数学、物理学、计算机科学和艺术等多个学科。33.图像渲染与处理计算机图形学涵盖了图像的创建、渲染、处理和显示。44.广泛的应用计算机图形学应用于游戏、电影、设计和科学可视化等各个领域。计算机图形学的历史发展1早期探索(1950s-1960s)最早的图形学研究主要集中在向量图形和点阵图形的开发，这为现代计算机图形学奠定了基础。例如，MIT的Sketchpad系统展示了交互式绘图和图形编辑的可能性。2快速发展(1970s-1980s)随着计算机技术的进步，计算机图形学在各个领域蓬勃发展，包括图形硬件的进步、三维建模软件的出现，以及动画和游戏领域的应用。3现代图形学(1990s-现在)计算机图形学迎来了新的时代，包括真实感渲染、光线追踪、虚拟现实和增强现实等技术的发展，图形学应用已渗透到我们生活的各个方面，例如电影特效、游戏开发和医学成像。计算机图形学的基本概念计算机图形学使用数学和算法来创建和操控图像。三维模型是计算机图形学中重要的数据结构。颜色模型用于表示和描述图像中的颜色。像素是图像的基本单位，是图像的最小组成部分。像素与颜色模型像素像素是构成数字图像的基本单元。每个像素表示图像中的一个点，并由颜色信息表示。RGB颜色模型RGB颜色模型使用红、绿、蓝三种颜色混合来表示各种颜色。每种颜色都有其强度值，范围从0到255。CMYK颜色模型CMYK颜色模型使用青色、品红色、黄色和黑色四种颜色混合来表示各种颜色，主要用于印刷领域。HSV颜色模型HSV颜色模型使用色调、饱和度和亮度来表示颜色，更接近于人眼对颜色的感知方式，便于调整颜色。几何图元的表示点点是最基本的几何元素，没有大小和形状，用坐标表示。点是构成线和面的基础。线线由多个点构成，具有长度，没有宽度。线段、直线和曲线是线的常见类型。线可以是直的，也可以是弯曲的。面面由线围成，具有面积，没有厚度。三角形、四边形和圆形是面的常见类型。面可以是平面的，也可以是曲面的。几何变换1平移沿指定方向移动物体。2旋转绕指定轴线旋转物体。3缩放改变物体大小。4剪切沿着指定方向变形。几何变换是计算机图形学中基础且重要的概念。通过几何变换，可以对图形进行平移、旋转、缩放和剪切等操作，从而实现图形的移动、旋转、缩放和变形等效果。投影变换1正投影平行光线投射到投影平面上2透视投影模拟人眼观察物体的方式3其他投影例如，平行投影、中心投影等投影变换是将三维空间中的物体映射到二维平面上的过程。它在计算机图形学中非常重要，因为它是将三维模型渲染为二维图像的关键步骤。光照模型光照模型的定义光照模型描述光线与物体表面交互的方式，并模拟光照效果。光照模型的类型常见的类型包括漫反射模型、镜面反射模型、环境光模型。光照模型的应用光照模型广泛用于渲染三维物体，使其看起来更加逼真。阴影计算1光照模型阴影计算用于模拟光照效果。它通过光线与物体之间的交互作用来模拟阴影的形状和强度。2几何形状阴影的形状和强度会根据光源的位置、物体的形状和表面材质而改变。3表面材质不同的表面材质会对光线产生不同的反射和吸收效果，从而影响阴影的呈现。4环境光环境光会对物体产生柔和的漫射光，并影响阴影的深度和对比度。纹理贴图纹理贴图是计算机图形学中一种重要的技术，它可以将现实世界中的物体表面细节映射到虚拟物体上，从而使虚拟物体更加逼真。纹理贴图通常使用图像文件来表示，这些图像文件可以包含颜色、材质、凹凸等信息。曲线与曲面贝塞尔曲线贝塞尔曲线是计算机图形学中常用的曲线类型，它可以用来模拟各种形状，例如汽车的外观和字体轮廓。B样条曲线B样条曲线是另一种常用的曲线类型，它比贝塞尔曲线更加灵活，可以用来模拟更复杂的形状。NURBS曲面NURBS曲面是一种基于非均匀有理B样条的曲面，它可以用来模拟各种复杂的形状，例如汽车的外观和飞机的机身。三维物体的建模多边形建模使用三角形、四边形等多边形来构建三维物体。常见软件有Maya,3dsMax,Blender等。曲线曲面建模使用NURBS曲线和曲面来构建光滑的三维物体，常用于工业设计和动画制作。点云建模通过采集三维空间中的点数据，构建三维模型，常用于逆向工程和文物数字化。体积建模从三维空间中的体积数据进行建模，常用于医学影像和地质勘探。细胞自动机基础细胞自动机是离散数学模型，模拟空间中元素状态的演化。规则细胞自动机根据简单的规则，更新每个单元格的下一个状态。应用模拟自然现象生成复杂图案分形几何自相似性分形几何的核心是自相似性。分形中的任何部分都与整体相似，只是大小不同。无限复杂性分形在有限空间内展现出无限的复杂性。放大任何部分，都会发现更精细的结构和细节。虚拟现实技术虚拟现实技术是一种利用计算机技术模拟现实世界或创造出一种新的现实世界。通过头戴式显示器、传感器等设备，用户可以沉浸在虚拟环境中，进行互动体验。虚拟现实技术广泛应用于游戏娱乐、医疗、教育、设计、军事等领域，具有广阔的应用前景。计算机动画关键帧动画关键帧动画是一种传统的动画技术，它通过定义一系列关键帧来控制动画的运动。运动捕捉运动捕捉技术使用传感器来记录演员的动作，并将其转换为计算机动画中的动作。物理模拟物理模拟技术使用物理定律来模拟现实世界中的物体和环境，从而创建逼真的动画效果。程序动画程序动画使用代码来生成动画，这使得动画师可以创建更复杂和更具交互性的动画。计算机游戏技术游戏引擎游戏引擎提供游戏开发框架，包含图形渲染、物理模拟、音频管理等。游戏设计包括关卡设计、角色设计、剧情设计，游戏性是游戏设计的核心目标。游戏开发利用编程语言和游戏引擎，将游戏设计转化为可运行的游戏代码。游戏测试包括功能测试、性能测试、平衡性测试，保证游戏质量和可玩性。医学成像X射线成像X射线成像是一种利用X射线穿透人体组织，生成人体内部结构的图像的技术。CT扫描CT扫描是一种利用X射线进行三维成像的技术，可以获得更详细的解剖结构信息。磁共振成像(MRI)MRI利用磁场和无线电波来生成人体组织的图像，能够清晰显示软组织的结构。超声成像超声成像利用超声波来生成人体组织的图像，常用于产前检查和心脏疾病诊断。工业设计产品设计工业设计将美学与功能相结合，优化产品的外观和用户体验。用户体验工业设计师关注产品的易用性，通过人体工程学和交互设计来提升用户体验。可持续性工业设计应兼顾环保和可持续性，减少浪费，并提高产品寿命。科学可视化数据可视化利用图形化表示方法来展示数据。医学成像通过医学影像技术将人体内部结构可视化。地球科学展现地球的表面、内部结构和大气层。宇宙探索通过计算机模拟和数据可视化来揭示宇宙的奥秘。图形处理器(GPU)GPU是专门为图形处理任务设计的专用电子电路。与通用CPU不同，GPU被优化用于并行处理，使它们非常适合图形密集型工作负载。GPU已成为现代计算机系统中不可或缺的一部分，在游戏、视频编辑、人工智能等领域发挥着至关重要的作用。光线追踪算法光线追踪原理从摄像机出发模拟光线，追踪光线与场景物体之间的交点。渲染质量光线追踪算法能够产生逼真的阴影、反射和折射效果。计算复杂度光线追踪算法需要大量的计算资源，因此渲染速度较慢。光栅化算法将几何图形转换为像素光栅化算法将抽象的几何图形转换为计算机屏幕上的像素，使之在显示器上可见。该算法将三维模型上的点投影到二维屏幕上，并将每个点映射到相应的像素。逐像素扫描填充光栅化算法通常使用扫描线算法，逐行扫描屏幕，确定每条扫描线与几何图形的交点。然后，根据这些交点计算像素的颜色，并将颜色值写入相应的像素位置。几何建模算法曲面建模使用数学函数和参数方程来描述曲面的形状。这是一种常见的方法，用于创建复杂的几何形状，如汽车、飞机和建筑物。实体建模将三维物体视为由一系列实体（如立方体、圆锥体、球体等）组成。实体建模是一种直观的建模方法，适用于创建各种形状。参数化建模使用参数来控制曲面的形状，允许艺术家和设计师对模型进行精细的调整。这是一种灵活且强大的方法，用于创建复杂的几何形状，例如自然物体。点云建模从扫描数据中提取点云，然后将其转换为三维模型。点云建模是一种常用的方法，用于创建现实世界的模型，例如建筑物和地貌。可编程管线可编程管线概述可编程管线是现代图形处理器的核心组件，它允许开发者根据特定需求自定义图形渲染过程。通过编写着色器代码，开发者可以控制顶点、像素和几何体的处理方式，从而实现更复杂的效果。管线阶段顶点着色器几何着色器像素着色器图形API图形API的作用图形API提供了标准接口，使应用程序能够访问图形硬件，并与图形硬件进行交互。图形API的分类常见的图形API包括OpenGL、DirectX、WebGL等，它们提供了不同的功能和特性。图形API的发展趋势随着硬件技术的进步，图形API不断演进，以满足更高的性能要求和更复杂的图形处理需求。WebGL与OpenGL图形APIWebGL和OpenGL是用于图形渲染的应用程序编程接口(API)。标准OpenGL是行业标准，而WebGL是OpenGL的Web浏览器实现。优势WebGL允许Web开发人员在Web浏览器中创建和渲染3D图形。应用WebGL和OpenGL在各种应用程序中使用，包括游戏、仿真和可视化。DirectX1图形APIDirectX是微软公司开发的跨平台应用程序编程接口，用于开发游戏、模拟和多媒体等应用程序。2多平台支持DirectX支持Windows、Xbox、WindowsPhone等平台，为跨平台游戏开发提供便利。3图形功能DirectX包括图形、音频、输入、网络等功能，为游戏开发提供全面支持。4硬件加速DirectX利用GPU加速图形处理，提高渲染速度和图像质量。图形算法优化空间数据结构例如，使用KD树或八叉树来存储和检索三维几何数据，从而减少搜索时间。缓存机制使用缓