《计算机绘图原理》课件

计算机绘图原理计算机绘图原理是计算机图形学的基础，涵盖了二维和三维图形的生成、处理和显示。该课程介绍了图形学的基本概念、模型、算法和应用。计算机绘图的发展历程1早期萌芽20世纪50年代，随着计算机技术的出现，人们开始探索用计算机绘制图形的可能性。这一时期主要以简单的图形绘制为主，例如直线、圆形等。2向量图形时代20世纪60年代，矢量图形技术开始发展，可以绘制更复杂的图形，如曲线、多边形等，并用于航空航天、汽车设计等领域。3栅格图形时代20世纪70年代，计算机图形学进入栅格图形时代，人们开始使用像素来表示图形，这使得计算机图形的绘制和显示更加逼真，并催生了电脑游戏和动画等新兴产业。4三维图形时代20世纪80年代，计算机图形学进入三维图形时代，人们开始使用三维模型来表示物体，并利用投影技术将三维模型转换成二维图像，这使得计算机图形更加逼真和生动。5现代计算机图形学进入21世纪，计算机图形学得到了快速发展，虚拟现实、增强现实等新技术不断涌现，计算机图形技术被应用于越来越多的领域，例如医疗、教育、娱乐等。计算机图形学的基本概念11.图形对象图形对象是计算机图形学中的基本元素，例如点、线、面、体等。22.图形属性图形属性描述图形对象的特征，例如颜色、大小、形状、纹理等。33.图形操作图形操作是对图形对象进行的处理，例如创建、删除、移动、缩放、旋转等。44.图形系统图形系统是用于生成、处理、显示和交互图形的软件和硬件集合。计算机图形学的应用领域游戏开发计算机图形学是现代游戏开发的核心，赋予游戏逼真的视觉效果和互动体验。电影特效特效制作依赖计算机图形技术，创造出令人惊叹的视觉效果，例如爆炸、场景重建、角色动画等等。建筑设计建筑师利用计算机图形技术创建建筑模型，进行可视化展示，帮助理解设计理念，进行更精准的规划。医疗影像CT、MRI等医学影像技术利用计算机图形学，帮助医生诊断疾病，进行更精确的治疗。计算机绘图的基础理论坐标系与几何变换计算机图形学中的坐标系用来描述图形的位置和形状。几何变换包括平移、旋转、缩放等，用于改变图形的位置、大小和形状。光栅扫描技术光栅扫描技术是计算机图形显示的基本技术，将图像分解成一个个像素，逐行扫描显示。像素是计算机图形显示的基本单元，由颜色和亮度等属性描述。二维图形的表示坐标系二维图形在计算机中通常使用笛卡尔坐标系表示，通过横坐标和纵坐标来确定每个点的位置。向量向量可以用起点和方向表示，用于描述图形的形状和位置。几何形状常用的几何形状包括点、线段、圆、矩形、多边形等。像素在计算机显示器中，图形是由像素组成的，每个像素代表一个点。二维图形的变换1平移改变图形的位置2旋转改变图形的方向3缩放改变图形的大小4错切改变图形的形状二维图形变换是指通过数学运算，改变图形的位置、大小、形状或方向，从而获得新的图形。常用的变换包括平移、旋转、缩放和错切。这些变换可以单独使用，也可以组合使用，以实现更复杂的效果。直线段的绘制算法基本原理直线段绘制算法基于点阵显示器的原理，将连续的直线表示成一系列离散的像素点。算法分类常见的直线段绘制算法包括数字微分分析器（DDA）算法、Bresenham算法等，它们在效率和精度上各有优劣。算法步骤直线段绘制算法通常需要根据直线方程，逐点计算像素点的坐标，并将其绘制在屏幕上。应用场景直线段绘制算法是计算机图形学中基础算法之一，广泛应用于二维图形绘制、三维图形建模等领域。曲线的绘制算法曲线绘制算法是计算机图形学中重要的组成部分，用于在计算机屏幕上生成各种各样的曲线。例如，在绘制汽车、飞机等复杂模型时，需要用到各种曲线来模拟其外形。1参数方程用参数方程来表示曲线，方便控制曲线的形状和方向。2插值算法通过给定的一组点来插值生成曲线。3逼近算法用一些简单的曲线来逼近给定的曲线。4分段算法将曲线分成若干段，分别用不同的算法来绘制。多边形的绘制和填充扫描线算法扫描线算法是一种常用的多边形填充算法，它通过扫描多边形的每一行像素来判断是否需要填充。边界填充算法边界填充算法通过追踪多边形的边界来进行填充，它通常使用种子填充或区域填充方法。多边形裁剪在填充之前，需要进行裁剪操作，将多边形限制在显示区域内。颜色填充填充颜色可以是单色或渐变色，可以使用各种颜色模型进行表示。三维图形的表示几何模型使用点、线、面、体等几何元素来描述物体的外形和结构，常见的几何模型有：多边形网格模型、NURBS模型等。体积模型通过对物体内部的体积进行描述，例如：CSG模型，它用布尔运算来组合基本几何体。点云模型通过采集物体表面大量的点坐标信息，来构建物体模型。点云模型常用于逆向工程和三维扫描。纹理模型通过在物体表面贴上纹理图像来增强其视觉效果，例如：材质纹理、法线纹理等。三维图形的变换1平移沿坐标轴移动物体2旋转绕坐标轴旋转物体3缩放改变物体的大小4剪切改变物体的形状三维图形变换是指改变物体在三维空间中的位置、大小和方向。常用变换包括平移、旋转、缩放和剪切。投影变换1平行投影投影线平行，物体尺寸保持不变。2透视投影投影线汇聚于一点，物体尺寸随距离变化。3正交投影投影线垂直于投影面，适合用于绘制工程图。三维图形的可视化渲染将三维模型转换成二维图像的过程。渲染技术利用光照、材质、纹理等因素来模拟真实世界的视觉效果，使三维图形更加逼真。投影将三维空间中的物体投影到二维平面上，以便在屏幕上显示。常用的投影方式包括透视投影和正交投影。虚拟现实利用计算机技术生成的三维虚拟环境，让人们沉浸其中并与虚拟世界互动。动画通过一系列图像序列来模拟物体的运动，并通过时间变化来展现物体在三维空间中的运动轨迹和形态变化。光照模型方向光方向光来自无限远处，例如太阳光。点光源点光源是空间中的一个点，发出光线到各个方向。聚光灯聚光灯类似于手电筒，具有方向性和范围。环境光环境光来自四面八方，使物体表面均匀地被照亮。阴影计算阴影算法阴影计算是一种重要的渲染技术，它使场景中的物体更真实。阴影是光线被物体遮挡后形成的区域，它能为场景增加深度感。阴影算法的类型多种多样，包括raytracing、shadowmapping和depthmapping。每个算法都有不同的精度和性能特点。阴影渲染阴影渲染需要将物体投射的阴影计算出来并渲染到场景中。阴影的渲染效果取决于光源类型、物体材质以及场景的复杂度。阴影渲染可以提升场景的真实感，增加视觉效果，并更好地展现物体的空间关系。纹理映射真实感纹理映射能够为物体表面添加逼真的细节，使计算机生成的图像更加接近真实世界。视觉效果纹理映射可以模拟各种材质，例如木材、石头、金属和布料，为场景增添丰富的视觉效果。效率提升纹理映射可以有效地减少渲染时间，因为纹理信息可以在模型表面重复使用，而不是为每个像素生成单独的纹理。隐藏表面消除算法11.深度缓存算法该算法将每个像素的深度信息存储在深度缓冲区中，并根据深度信息来判断像素是否可见。22.扫描线算法该算法对每个扫描线进行遍历，判断每个像素是否可见。33.Z缓冲算法该算法使用一个名为Z缓冲区的数组来存储每个像素的深度信息。44.背面消除算法该算法利用图形的几何属性来判断哪些面是不可见的，并将其剔除。栅格图像的基本处理亮度调整通过改变像素的灰度值，改变图像的亮度。对比度调整通过增加像素之间灰度值的差异，增强图像对比度。色彩平衡调整图像中红、绿、蓝三色通道的比例，以改善图像的颜色还原。锐化处理增强图像的细节，使图像更加清晰。图像的几何变换图像的几何变换是指对图像进行平移、旋转、缩放等操作，改变图像的形状和大小。这些变换广泛应用于图像处理的各个领域，如图像校正、图像拼接、图像压缩等。1平移改变图像的位置2旋转改变图像的角度3缩放改变图像的大小4剪切改变图像的形状图像的几何变换通常通过矩阵运算来实现。这些变换矩阵可以组合在一起，实现更复杂的变换操作。图像增强技术对比度增强通过调整图像亮度和对比度，使图像细节更加清晰可见。这可以改善图像质量，例如增强低照度图像或突显物体轮廓。锐化通过增强图像边缘和细节，使图像更加清晰锐利。这可以改善图像质量，例如使模糊图像更加清晰或突出细节。噪声去除通过滤除图像中的噪声，使图像更加干净清晰。这可以改善图像质量，例如去除相机拍摄时产生的噪声或图像传输过程中的干扰。颜色校正通过调整图像颜色，使图像更加自然真实。这可以改善图像质量，例如调整色彩平衡或增强颜色饱和度。图像分割算法基于阈值的分割选择一个阈值，将图像像素分成两类：高于阈值的像素属于目标区域，低于阈值的像素属于背景区域。边缘检测检测图像中像素灰度值变化显著的区域，这些区域通常对应于目标区域的边界。区域生长从一个种子像素开始，根据一定的规则，将相邻的像素合并到同一个区域，直到所有目标像素都被合并。分水岭算法将图像视为地形，目标区域对应于不同的山峰，使用分水岭算法将不同的山峰分割开。二值图像的处理1二值化将灰度图像转换为只有黑色和白色的图像，每个像素点只有两种状态，0或1。2形态学操作包括腐蚀、膨胀、开运算和闭运算，可以改变图像的形状、大小和连接性。3边缘检测用于识别图像中物体的边界，常用的边缘检测算法包括Sobel算子和Canny算子。4骨架提取提取二值图像的骨架信息，保留图像的拓扑结构，用于图像分析和识别。彩色图像的处理颜色模型转换不同颜色模型之间进行转换，例如RGB转HSV或CMYK。颜色校正调整图像的颜色平衡和饱和度，使图像更自然真实。颜色增强通过调整颜色亮度、对比度和色调，增强图像的视觉效果。颜色量化减少图像中颜色数量，降低存储和传输成本。数字图像压缩技术有损压缩有损压缩通过去除冗余信息来减小文件大小。它会降低图像质量，但压缩率更高。无损压缩无损压缩不丢弃任何信息，因此可以完全恢复原始图像。压缩率通常较低。JPEG压缩JPEG是一种常见的图像压缩格式，采用有损压缩，适用于照片和自然图像。PNG压缩PNG是一种无损压缩格式，适用于图形和图标，可以保持高图像质量。图形用户界面的设计人机交互图形用户界面（GUI）是计算机与用户之间进行交互的桥梁，通过视觉元素和交互方式，提供友好的操作体验。直观易用GUI设计注重简洁明了，使用直观的图标、菜单和按钮，方便用户快速理解和操作。用户体验良好的GUI设计需要考虑用户的需求和习惯，提供一致性、可用性和美观性。技术支持GUI设计需要借助各种图形库和编程语言，实现界面元素的绘制和交互逻辑。图形硬件的发展1早期的图形硬件早期的计算机图形硬件主要是基于专用硬件来实现基本图形功能，例如直线和圆形的绘制。2图形加速卡图形加速卡的出现极大地提高了图形处理性能，并为三维图形的普及奠定了基础。3现代图形处理器现代图形处理器(GPU)已经成为计算机图形处理的核心，它们拥有强大的并行处理能力和高度优化的图形算法。计算机绘图的前景展望虚拟现实和增强现实计算机图形学将继续推动虚拟现实和增强现实技术的进步，为用户提供更加身临其境、交互式的体验。例如，在游戏、医疗、建筑、制造等领域。人工智能与图形学人工智能算法将与计算机图形学相结合，实现更加智能化的图形生成、图像处理和交互设计。例如，自动生成逼真的场景、图像风格转换、个性化定制图形等。案例分析与讨论课程将重点分析现实生活中常见的计算机绘图应用案例，例如游戏开发、电影特效、建筑设计、医疗影像等。学生将有机会参与讨论，分享经验，并提出问题，深化对计