《基本图形光栅化》课件

基本图形光栅化课程大纲引言什么是光栅化？光栅化的基本概念。光栅化在计算机图形学中的应用。基本几何图形的光栅化点的光栅化。线段的光栅化。多边形的光栅化。线段光栅化算法DDA算法。Bresenham算法。算法效率比较。多边形光栅化算法扫描线算法。种子填充算法。Sutherland-Hodgman裁剪算法。引言计算机图形学是计算机科学的一个分支，它研究如何使用计算机来创建和操纵图形。它涉及图形的创建、处理、存储和显示。计算机图形学在许多领域都有应用，例如游戏、电影、医疗保健和科学可视化。1.1什么是光栅化像素化光栅化是将矢量图形转换为位图的过程，即将图像分解为一个个像素点，并用不同的颜色填充这些像素点。矢量图形矢量图形由数学公式定义，可以无限缩放而不失真。位图位图由像素组成，像素是一个个独立的点，不能无限缩放，缩放后会失真。1.2光栅化的基本概念1像素光栅化将连续的几何图形转换成离散的像素点阵。2采样在几何图形上采样，将图形上的点映射到屏幕上的像素点。3填充对采样得到的像素点进行填充，形成完整的图形。1.3光栅化在计算机图形学中的应用游戏开发光栅化是现代游戏引擎的核心技术，用于将三维模型渲染成二维图像，为玩家提供沉浸式体验。图形设计在图形设计软件中，光栅化用于将矢量图形转换为像素图像，以便在屏幕上显示和打印。三维建模光栅化技术在三维建模软件中用于将三维模型转换为二维图像，以便进行渲染和动画制作。2.基本几何图形的光栅化光栅化是将矢量图形转换为位图的过程，在计算机图形学中扮演着至关重要的角色。理解基本几何图形的光栅化原理，是掌握图形渲染的关键。2.1点的光栅化1概念将点映射到屏幕上的像素点。2实现直接将点坐标转换为屏幕坐标。3简单没有复杂的算法或计算。2.2线段的光栅化1扫描转换将线段上的点映射到屏幕上的像素2像素选择决定哪些像素最接近线段3颜色填充为选择的像素赋予颜色2.3多边形的光栅化1扫描线算法通过扫描线，确定每个扫描线与多边形的交点，并根据交点对多边形内的像素进行填充。2种子填充算法从多边形内的任意一点（种子点）开始，递归地填充相邻的像素，直到所有边界像素都被填充。3Sutherland-Hodgman裁剪算法通过裁剪算法，将多边形裁剪成指定区域内的形状，并对裁剪后的多边形进行填充。线段光栅化算法线段光栅化算法是将连续的直线转换为离散的像素点，以在显示设备上绘制线段。常用的算法包括DDA算法和Bresenham算法。DDA算法DDA算法是一种基于直线方程的增量算法，通过计算每个像素点的坐标来绘制线段。Bresenham算法Bresenham算法是一种基于误差项的算法，通过比较误差项来决定下一个像素点的坐标。3.1DDA算法DDA算法DDA算法是一种简单的直线光栅化算法，它利用直线的斜率和起始点的坐标，通过递推的方式计算出直线上所有像素点的坐标，从而绘制直线。算法步骤确定直线斜率m=(y2-y1)/(x2-x1)计算直线上每个像素点的坐标(xi,yi)将像素点(xi,yi)绘制到屏幕上3.2Bresenham算法Bresenham算法是一种高效的线段光栅化算法，它利用差分方程和误差项来确定下一像素位置，从而实现像素点在直线上均匀分布。与DDA算法相比，Bresenham算法不需要进行浮点运算，仅使用整数运算，效率更高。算法效率比较DDA和Bresenham算法在时间复杂度上都为O(n)，空间复杂度都为O(1)，但Bresenham算法由于使用了整数运算，效率更高，更适合硬件实现。多边形光栅化算法多边形光栅化是将多边形从几何空间转换为像素空间的过程，用于在屏幕上显示多边形。扫描线算法扫描线算法是一种常用的多边形光栅化算法，它按行遍历多边形的内部区域，确定每条扫描线与多边形交点的横坐标，并填充相应的像素。种子填充算法种子填充算法从多边形内部的一个像素点（种子点）开始，递归地填充相邻的像素，直到填充完整个多边形。4.1扫描线算法原理扫描线算法是基于像素的算法，它沿着扫描线进行，确定每个像素是否在多边形内部。步骤该算法首先找出多边形所有顶点的y坐标的最小值和最大值，作为扫描线y坐标的范围。应用扫描线算法可以用于多边形填充、裁剪和隐藏面消除等任务。4.2种子填充算法种子填充算法从多边形内一点（种子点）开始，递归地将相邻的像素填充为目标颜色，直到边界像素为止。递归算法算法通过不断访问相邻像素并进行填充，最终完成整个多边形内部的填充。边界检测需要确保填充过程不会越界，并能够识别多边形的边界像素。Sutherland-Hodgman裁剪算法裁剪多边形该算法通过逐边裁剪多边形来实现，每次将一个边的顶点与裁剪窗口的四条边进行比较，并根据比较结果生成新的顶点。计算顶点该算法将裁剪窗口的每条边视为一个剪刀，将多边形的顶点逐个剪切，并将新生成的顶点添加到新多边形的顶点列表中。5.颜色和纹理映射颜色插值颜色插值用于平滑地过渡颜色，使图形看起来更逼真。纹理贴图纹理贴图允许将图像或图案应用于表面，增加细节和视觉吸引力。5.1颜色插值线性插值在两个颜色之间进行线性插值，根据距离比例分配每个颜色分量，通常用于渐变效果。非线性插值例如，使用样条曲线插值，以获得更平滑的过渡效果，更符合人类视觉感知。5.2纹理贴图1纹理映射将图像或纹理应用于物体表面，以创建更逼真的外观。2纹理坐标使用二维坐标系来指定纹理图像中每个像素的位置。3纹理滤波使用算法来平滑纹理，减少像素化和锯齿现象。Gouraud和Phong着色Gouraud着色在每个顶点计算光照，然后通过线性插值来计算三角形内部点的颜色。Phong着色在每个点计算光照，可以更准确地模拟光照效果，但计算量更大。反锯齿技术反锯齿技术可以有效地减少图像中的锯齿现象，提升图像的质量。常见的反锯齿技术包括多重采样、超采样等。多重采样在像素点周围多个位置采样，然后对采样结果进行平均。超采样在图像上进行更高分辨率的采样，然后将结果缩小到目标分辨率。6.1多重采样在每个像素上进行多个采样。提高采样密度，减少锯齿现象。计算多个采样点的平均值作为最终像素颜色。6.2超采样原理在每个像素点上进行多次采样，然后将结果进行平均，从而降低锯齿现象。优点能够有效地消除锯齿，提高图像质量。缺点计算量大，需要消耗更多的时间和资源。抗锯齿算法比较1精度多重采样精度较高，但效率较低。2效率超采样效率较高，但精度相对较低。3成本抗锯齿算法的成本取决于采样数量和算法复杂度。应用案例游戏开发光栅化是构建2D和3D游戏图形的核心技术，从角色和背景到动画和效果，光栅化让游戏世界栩栩如生。场景渲染光栅化是将虚拟3D场景转换为屏幕上的图像的关键步骤，通过光栅化，我们才能欣赏到电影和游戏中的精美画面。7.12D游戏开发平台跳跃游戏光栅化技术用于绘制游戏角色、背景和场景，赋予游戏逼真的视觉效果。赛车游戏光栅化用于创建赛道、车辆和其他游戏元素，提升游戏的视觉体验。3D场景渲染逼真的视觉效果光栅化在3D场景渲染中至关重要，因为它将3D模型转换为2D图像，并通过模拟光线和阴影来创建逼真的视觉效果。电影和游戏从电影特效到游戏图形，光栅化技术在创建沉浸式和逼真的3D世界中发挥着至关重要的作用。7.3医疗影像处理光栅化在**医学影像处理**中扮