《图形系统l》课件

图形系统l课程简介计算机图形学入门本课程介绍计算机图形学的基本概念和原理，涵盖图形硬件、软件、算法等方面。图形系统应用探索图形系统在游戏开发、动画制作、虚拟现实等领域的广泛应用，并提供实践案例。课程大纲图形系统概述图形系统的定义、组成、功能图形硬件显示设备、输入设备、图形处理器、图形存储器图形软件图形软件的分类、图形编程语言、3D图形建模、3D图形渲染图形算法图形算法的分类、线段绘制算法、多边形填充算法、裁剪算法、变换算法、曲线和曲面图形系统的定义图形系统是一个由硬件和软件组成的系统，用于创建、处理、显示和操作图形图像。它将计算机的计算能力与人类的视觉感知相结合，为用户提供直观的图形交互界面，并支持各种图形应用。图形系统涵盖了从简单的二维图形到复杂的的三维模型和动画，在现代社会中发挥着至关重要的作用。图形系统的组成硬件包括显示器、键盘、鼠标、图形卡等，负责图形信息的输入和输出。软件包括操作系统、图形库、应用程序等，负责图形信息的处理和管理。数据包括图像、视频、模型等，是图形系统处理和显示的对象。图形系统的功能图像显示图形系统可以将数字图像转换为视觉信息，并将其显示在屏幕上。图形绘制图形系统允许用户创建、编辑和操作各种图形，例如线条、曲线、形状和文本。动画制作图形系统可以创建动画效果，使静态图像动起来，并通过帧序列模拟运动。用户交互图形系统可以通过鼠标、键盘等输入设备接收用户指令，并响应用户操作。图形硬件图形硬件是计算机系统中专门用于处理图形数据的硬件设备，它为图形系统的运作提供了基础支撑。图形硬件主要包括显示设备、输入设备、图形处理器和图形存储器等，这些硬件协同工作，共同完成图形数据的处理、显示和交互操作。图形硬件的分类1显示设备用于将计算机生成的图像显示给用户。2输入设备用于将用户指令和数据输入到计算机中。3图形处理器专门用于处理图形数据的硬件，负责渲染和显示图像。4图形存储器用于存储和管理图形数据，例如图像和纹理。显示设备简介显示设备是图形系统的输出设备，用于将计算机生成的图形图像显示给用户。常见的显示设备有：阴极射线管（CRT）显示器：传统的显示器技术，具有较高的刷新率，但体积较大、能耗高。液晶显示器（LCD）：目前最常见的显示器类型，具有体积小、能耗低、色彩鲜艳等优点。有机发光二极管（OLED）：新型显示技术，具有自发光、对比度高、响应速度快等优点。输入设备简介键盘键盘是电脑最常用的输入设备之一。它可以输入文字、数字、符号等。鼠标鼠标是电脑的另一个重要输入设备。它可以控制光标的移动，点击选择、拖拽文件等。触摸屏触摸屏是一种直接输入设备，用户可以用手指直接在屏幕上进行操作，如点击、滑动、缩放等。图形处理器1核心图形处理器（GPU）是专门设计用于加速图形处理的电子电路。2渲染GPU主要负责图像的渲染，包括纹理、光照和阴影等效果。3性能GPU的性能指标包括核心频率、显存容量和带宽等。图形存储器存储图形数据、程序代码和中间结果。高速访问，以满足实时图形处理的要求。缓冲帧数据，以便快速显示。图形软件图形软件是用于创建、编辑、操作和显示图形图像的软件程序。它是图形系统的重要组成部分，与图形硬件紧密协作，为用户提供图形操作和处理的工具。图形软件的分类绘图软件用于创建和编辑二维和三维图形，例如AdobeIllustrator、CorelDraw、AutoCAD图像处理软件用于编辑和处理照片和图像，例如AdobePhotoshop、GIMP、Paint.NET动画制作软件用于创建动画和视频，例如AdobeAfterEffects、Blender、Maya游戏开发软件用于开发游戏，例如Unity、UnrealEngine、GameMakerStudio图形编程语言语言种类OpenGL,DirectX,Vulkan等功能用于创建和操作图形对象、实现图形效果应用游戏开发、三维建模、动画制作等3D图形建模1几何建模点、线、面、体2实体建模CSG、边界表示3参数化建模NURBS、B样条曲线3D图形建模是将现实世界中的物体或场景转化为计算机可以理解和处理的数字模型的过程。常用的建模方法包括几何建模、实体建模和参数化建模。3D图形渲染1光栅化将模型转换为像素2着色为每个像素分配颜色3纹理映射将纹理贴到模型上光照模型环境光模拟来自环境的所有光线，如天空、墙壁等，照射到物体表面，使物体整体看起来更明亮。漫反射光模拟物体表面粗糙的部分，反射光线向各个方向均匀散射，使物体看起来柔和。镜面反射光模拟物体表面光滑的部分，反射光线集中在一个方向，使物体看起来亮丽。阴影算法光线阻挡模拟光线被物体阻挡后产生的阴影效果。深度信息通过阴影可以增强场景的深度感和立体感。光源类型不同的光源类型会产生不同的阴影效果。纹理映射细节丰富纹理映射将图像应用于模型表面，使其更真实、更有细节。增加质感不同的纹理可以表达不同的材料和表面，例如木头、金属、皮肤等。提升视觉效果纹理映射是3D图形渲染中常用的技术，可以显著提升视觉效果和真实感。透明处理AlphaBlending将像素的颜色与背景颜色混合，根据alpha值进行透明度调整。深度测试根据物体距离摄像机的深度进行透明度判断，避免物体相互穿透。图形算法绘制算法用于在计算机屏幕上绘制图形，例如线段、圆形、多边形等。填充算法用于填充图形内部的区域，例如多边形、圆形等。裁剪算法用于确定图形哪些部分在屏幕上可见，哪些部分不可见。变换算法用于对图形进行平移、旋转、缩放等操作。图形算法的分类1几何算法处理几何形状，例如线段、多边形和曲线。2光栅化算法将几何图形转换为像素数据，以便在屏幕上显示。3渲染算法生成逼真的图像，包括光照、阴影和纹理。线段绘制算法1DDA算法DDA算法是一种基于直线方程的扫描转换算法。它通过计算直线方程在每个扫描线上的交点来确定直线的像素位置。2Bresenham算法Bresenham算法是一种增量算法，它根据当前像素的位置来确定下一个像素的位置。它使用一个决策参数来判断下一个像素应该选择哪个像素。3中点算法中点算法是一种类似于Bresenham算法的增量算法，它通过计算直线的中点来确定下一个像素的位置。多边形填充算法扫描线算法扫描线算法通过水平扫描线逐行扫描多边形，计算每条扫描线与多边形交点的横坐标，并根据交点对扫描线上的像素进行填充。种子填充算法种子填充算法从多边形内部的一个点开始，递归地填充与该点相邻的相同颜色像素，直到填充完整个多边形。边界填充算法边界填充算法沿着多边形的边界进行填充，逐个像素地填充多边形内部的区域。裁剪算法1窗口裁剪仅保留窗口内的图形部分2线段裁剪确定线段与窗口的交点3多边形裁剪裁剪多边形，得到窗口内的部分变换算法1平移将物体沿某个方向移动2旋转将物体绕某个轴旋转3缩放将物体放大或缩小曲线和曲面曲线曲线是平面上点的连续轨迹，例如贝塞尔曲线、样条曲线等。曲面曲面是由曲线运动形成的连续曲面，例如球面、圆柱面等。应用实例展示图形系统应用广泛，涵盖游戏、影视、设计等多个领域。例如，在游戏领域，图形系统为玩家打造逼真