計算機圖形學知識要點課件

計算機圖形學知識要點課件CATALOGUE目錄計算機圖形學概述基礎知識高級技術圖形硬件與軟件計算機圖形學前沿技術案例分析CHAPTER計算機圖形學概述01計算機圖形學是研究使用計算機生成和操作圖形的科學。計算機圖形學可以分為幾何造型、圖像處理、可視化、動畫與交互等幾個主要分支。定義與分類分類定義20世紀50年代，計算機圖形學開始起步，主要應用于科學可視化。起步階段20世紀60年代，計算機圖形學基礎理論和技術逐漸形成，如光柵渲染、幾何變換等?；A階段20世紀70年代至80年代，計算機圖形學在電影、游戲等領域得到廣泛應用，如皮克斯、迪士尼等公司開始制作三維動畫電影。發(fā)展階段20世紀90年代至今，計算機圖形學技術不斷完善，應用領域不斷擴大，如虛擬現實、增強現實等。成熟階段發(fā)展歷程電影與游戲制作工業(yè)設計醫(yī)學影像可視化分析應用領域01020304計算機圖形學在電影和游戲制作中廣泛應用，包括角色建模、場景設計、動畫制作等。計算機圖形學可用于產品外觀設計、工程圖紙繪制等方面，提高設計效率和精度。計算機圖形學可用于醫(yī)學影像處理和分析，幫助醫(yī)生更準確地診斷病情。計算機圖形學可將大量數據以直觀的方式呈現出來，便于分析和理解。CHAPTER基礎知識02描述顏色的不同方式，如RGB、CMYK等。顏色空間用于描述和顯示顏色的系統，如RGB、CMYK、HSV等。顏色模型表示顏色數量的多少，如8位、16位、24位等。顏色深度兩種或多種顏色組合在一起產生新的顏色。顏色混合顏色理論描述場景中物體的位置和方向。世界坐標系觀察者的視角，用于將三維場景投影到二維平面上。視圖坐標系描述物體內部各部分的位置和方向。物體坐標系描述像素的位置和顏色。像素坐標系圖形坐標系將三維場景中的物體轉換為二維像素集合的過程。光柵化渲染光線追蹤渲染紋理映射陰影生成模擬光線在場景中的傳播，以生成更真實的效果。將圖像粘貼到三維物體的表面，以增加真實感。模擬物體在光源照射下的陰影效果。渲染技術環(huán)境光來自四面八方的均勻照射的光線。漫反射光來自某個方向的光線反射到其他方向的光線。高光反射光物體表面反射的光線，通常在光滑表面上出現。陰影物體遮擋光源時產生的暗區(qū)。光照模型CHAPTER高級技術03紋理映射是一種將圖像或紋理貼圖應用到三維模型表面的技術。通過紋理映射，可以在不改變模型幾何形狀的情況下，為其添加更豐富的細節(jié)和質感，從而提高模型的視覺效果。紋理映射的關鍵技術包括紋理坐標、紋理采樣、紋理過濾和紋理合成等。紋理坐標用于確定紋理在模型表面的位置，紋理采樣用于從紋理圖像中獲取顏色信息，紋理過濾用于平滑顏色過渡和減少紋理細節(jié)的失真，而紋理合成則可以創(chuàng)建新的紋理。紋理映射陰影技術是計算機圖形學中用于模擬物體在光源照射下產生的陰影效果的一種技術。陰影技術可以提高場景的層次感和真實感，增強視覺效果。陰影技術的實現方法有多種，包括平面陰影、陰影貼圖、光線追蹤陰影等。平面陰影通過將光源方向和距離作為參數來計算陰影，陰影貼圖通過預先計算場景中各點的陰影并將其存儲在貼圖中，而光線追蹤陰影則通過追蹤光線和計算光線與物體之間的交點來生成陰影。陰影技術粒子系統是一種模擬自然現象或抽象效果的技術，通過大量簡單元素（粒子）的集合和動態(tài)變化，可以生成豐富多樣的視覺效果。粒子系統的關鍵技術包括粒子的生命周期（產生、運動、消亡）、粒子屬性（位置、速度、顏色等）、粒子之間的相互作用以及粒子的渲染方式等。粒子系統廣泛應用于氣象模擬、游戲特效、動態(tài)背景等方面。粒子系統碰撞檢測的主要方法包括分離軸定理（SAT）、包圍盒（AABB、OBB等）、離散事件法（DiscreteEventSimulation）等。在實際應用中，需要根據具體場景和需求選擇適合的碰撞檢測算法，以提高檢測效率和準確性。碰撞檢測是計算機圖形學中用于檢測物體之間是否發(fā)生接觸或接近的技術。碰撞檢測在游戲開發(fā)、虛擬現實、機器人視覺等領域具有廣泛應用。碰撞檢測CHAPTER圖形硬件與軟件04渲染管線GPU的渲染管線包括頂點著色器、幾何著色器、光柵化、片段著色器和輸出合并等階段，用于將三維場景轉換為二維圖像。紋理采樣器紋理采樣器用于從紋理中采樣像素顏色，并將其應用到幾何形狀上，以實現紋理貼圖和細節(jié)增強。流處理器流處理器是GPU的基本處理單元，負責執(zhí)行渲染管線中的各個階段，包括頂點著色器、幾何著色器和光柵化等。內存管理GPU使用顯存進行數據存儲和交換，通過內存管理單元實現顯存與系統內存之間的數據傳輸。GPU的工作原理一款專業(yè)的三維建模、動畫和渲染軟件，廣泛應用于游戲開發(fā)、電影制作和建筑設計等領域。3DStudioMaxBlenderUnity一款開源的三維圖形軟件，提供從建模、動畫到渲染和后期制作的一站式解決方案。一款跨平臺的游戲開發(fā)引擎，支持實時3D渲染和物理模擬等功能。030201圖形軟件介紹OpenGL跨平臺的圖形應用程序編程接口，提供了一套標準的繪圖函數接口，支持多種操作系統和硬件平臺。Vulkan新一代的跨平臺圖形應用程序編程接口，旨在提供高性能的圖形渲染和并行計算能力。DirectX微軟開發(fā)的圖形應用程序編程接口，用于加速三維圖形渲染和音頻處理等功能。圖形硬件加速技術CHAPTER計算機圖形學前沿技術05實時渲染技術是計算機圖形學領域中的一項重要技術，它能夠實時生成逼真的圖像。這種技術主要依賴于高效的圖形算法和強大的計算機硬件性能，如GPU（圖形處理器）等。實時渲染技術廣泛應用于游戲開發(fā)、虛擬現實、仿真等領域。在游戲開發(fā)中，實時渲染技術能夠提供流暢、逼真的游戲畫面，提高游戲的可玩性和沉浸感。在虛擬現實和仿真中，實時渲染技術能夠創(chuàng)建逼真的虛擬環(huán)境，提供沉浸式的體驗。實時渲染技術的發(fā)展趨勢是更高的圖像質量和更低的延遲。隨著計算機硬件性能的不斷提升，實時渲染技術將能夠提供更加逼真、流暢的圖像，進一步提升用戶體驗。實時渲染技術全息投影技術的發(fā)展趨勢是更高的圖像質量和更大的顯示尺寸。隨著技術的不斷進步，全息投影技術將能夠提供更加逼真、生動的三維圖像，進一步拓寬應用領域。全息投影技術是一種利用干涉和衍射原理記錄并再現物體真實三維圖像的技術。這種技術可以生成逼真的三維圖像，并且具有視角全向、交互性強的特點。全息投影技術廣泛應用于展覽展示、教育、娛樂等領域。在展覽展示中，全息投影技術可以用來展示產品或模型，提高觀眾的興趣和認知度。在教育中，全息投影技術可以用來呈現抽象的概念或歷史事件，幫助學生更好地理解和記憶。在娛樂中，全息投影技術可以用來呈現音樂會、舞臺劇等演出，提供沉浸式的觀賞體驗。全息投影技術虛擬現實（VR）技術是一種模擬真實場景的計算機圖形技術，通過頭戴式設備等硬件設備，使用戶沉浸在虛擬的環(huán)境中。虛擬現實技術可以用于游戲、教育、醫(yī)療等領域，為用戶提供全新的體驗方式。增強現實（AR）技術則是將虛擬的信息融入真實世界，通過眼鏡、手機等設備，將數字信息、物體和環(huán)境融為一體，實現互動。增強現實技術的應用范圍也很廣泛，包括工業(yè)維修、旅游、教育等領域。虛擬現實和增強現實技術的發(fā)展趨勢是更高的真實感和交互性。隨著技術的不斷進步，未來將能夠提供更加逼真、自然的虛擬現實和增強現實體驗，進一步豐富人們的生活和工作方式。虛擬現實與增強現實技術CHAPTER案例分析06計算機圖形學技術用于實現游戲中的畫面渲染，包括光照計算、紋理映射、陰影處理等，以提供逼真的視覺效果。游戲畫面渲染利用三維建模技術，創(chuàng)建游戲中的角色和場景，通過骨骼動畫等技術實現角色的動態(tài)效果。角色與場景建?；谖锢砟M的計算機圖形學技術，用于實現游戲中的物理效果，如碰撞檢測、物體運動軌跡等。游戲物理引擎游戲中的計算機圖形學應用利用計算機圖形學技術，創(chuàng)建電影中的特效場景，如火山噴發(fā)、城市毀滅等。特效場景制作通過計算機圖形學技術，實現電影中角色的動畫效果，如面部表情捕捉、動作捕捉等。角色動畫將特效場景與實際拍攝的畫面進行合成，并通過渲染技術提高畫面的真實感。合成與渲染電影特效制作中的計算機圖