《計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)》課件

計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)計算機圖形學(xué)是計算機科學(xué)的一個分支，研究使用計算機生成和處理圖像。它涉及圖像的創(chuàng)建、表示、處理、顯示和交互。課程簡介圖形學(xué)應(yīng)用廣泛圖形學(xué)是計算機科學(xué)的重要分支，應(yīng)用于游戲、電影、虛擬現(xiàn)實、建筑設(shè)計等各個領(lǐng)域。計算機圖形學(xué)課程目標(biāo)本課程旨在幫助學(xué)生理解計算機圖形學(xué)的基本原理，并培養(yǎng)學(xué)生使用圖形學(xué)技術(shù)進行設(shè)計、建模和渲染的能力。課程內(nèi)容豐富課程涵蓋了從二維圖形繪制到三維圖形渲染的各個方面，以及圖形硬件架構(gòu)和性能優(yōu)化等內(nèi)容。圖形學(xué)發(fā)展歷程1早期發(fā)展（1950s-1960s）圖形學(xué)早期主要應(yīng)用于科研領(lǐng)域，利用計算機生成簡單的圖形，例如繪制曲線和函數(shù)圖像。2計算機輔助設(shè)計（CAD）時代（1970s-1980s）圖形學(xué)開始應(yīng)用于工程設(shè)計，計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件應(yīng)運而生，推動了工業(yè)生產(chǎn)和制造業(yè)的發(fā)展。3圖形加速硬件和游戲興起（1990s-2000s）圖形加速硬件的出現(xiàn)以及計算機游戲產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，推動了圖形學(xué)技術(shù)不斷進步，并普及到大眾生活中。4現(xiàn)代圖形學(xué)（2000s至今）圖形學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，從現(xiàn)實模擬到虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等應(yīng)用，并與人工智能等技術(shù)深度融合，應(yīng)用場景更加廣泛。計算機圖形學(xué)基本概念數(shù)字圖像計算機圖形學(xué)研究對象是數(shù)字圖像，它由像素點組成，可以表示現(xiàn)實世界中的物體和場景。幾何模型圖形學(xué)中，使用幾何模型來描述物體形狀，如點、線、面、體等。圖形算法圖形學(xué)涉及許多算法，用于繪制、渲染、變換、動畫等操作。虛擬世界計算機圖形學(xué)創(chuàng)建虛擬世界，可用于游戲、模擬、設(shè)計等領(lǐng)域。柵格圖形學(xué)像素點用離散像素點表示圖形。像素點按矩陣形式排列。數(shù)字圖像用矩陣形式表示的二維圖像。每個像素點都具有顏色信息。柵格圖像的基本表示方法11.像素矩陣柵格圖像由二維像素矩陣表示，每個像素存儲顏色信息。22.顏色模型常見的顏色模型包括RGB、CMYK等，用于定義像素的顏色。33.位深度每個像素使用的位數(shù)決定了圖像的顏色深度，位數(shù)越高，顏色越豐富。44.文件格式常見的柵格圖像格式包括BMP、JPEG、PNG等，它們使用不同的壓縮算法存儲像素信息。像素點的基本操作像素點顏色設(shè)置通過修改像素點顏色值，可以改變圖像的色調(diào)、亮度、對比度等。像素點復(fù)制將一個像素點的顏色值復(fù)制到另一個像素點，用于圖像的拷貝或粘貼操作。像素點運算對像素點顏色值進行數(shù)學(xué)運算，例如加減乘除等，用于圖像的增強或特效處理。像素點位置變換改變像素點在圖像中的位置，用于圖像的平移、縮放、旋轉(zhuǎn)等幾何變換。直線和多邊形的繪制算法直線繪制算法直線繪制算法主要用于繪制直線段，通常使用DDA算法、Bresenham算法等。DDA算法利用直線的斜率計算每個像素點的位置。Bresenham算法通過計算每個像素點到直線的距離來確定下一個像素點。多邊形繪制算法多邊形繪制算法可用于繪制由直線段連接而成的封閉圖形，常見算法有掃描線填充算法、邊界填充算法等。掃描線填充算法以掃描線為單位，逐行計算每個像素點是否屬于多邊形內(nèi)部。邊界填充算法從多邊形內(nèi)部的某個點開始，根據(jù)邊界信息逐步擴展填充。應(yīng)用場景直線和多邊形的繪制算法在計算機圖形學(xué)中廣泛應(yīng)用，例如繪制幾何形狀、地圖、圖表等。三角形填充算法掃描線算法掃描線算法沿掃描線方向遍歷三角形，并計算每個掃描線與三角形的交點。然后，在交點之間填充像素，形成三角形。顏色模型和色彩表示RGB顏色模型紅色、綠色和藍(lán)色三種顏色組合成其他顏色，適用于顯示器和電子設(shè)備。CMYK顏色模型青色、洋紅色、黃色和黑色四種顏色組合成其他顏色，適用于印刷行業(yè)。HSV顏色模型色調(diào)、飽和度和明度，更符合人類感知顏色方式，常用于圖像編輯和設(shè)計。CIE色度圖用數(shù)學(xué)方法描述可見光譜范圍，可用于顏色匹配和校準(zhǔn)。圖像坐標(biāo)系統(tǒng)和變換11.笛卡爾坐標(biāo)系二維圖像通常使用笛卡爾坐標(biāo)系來表示圖像中的點，該坐標(biāo)系由水平軸(x軸)和垂直軸(y軸)組成。22.屏幕坐標(biāo)系屏幕坐標(biāo)系通常以屏幕的左上角為原點(0,0)，水平方向為x軸，垂直方向為y軸。33.窗口坐標(biāo)系窗口坐標(biāo)系是圖形窗口內(nèi)的坐標(biāo)系，通常用于定義圖形窗口內(nèi)的圖形位置和大小。44.世界坐標(biāo)系世界坐標(biāo)系是用于定義圖形世界中所有對象的全局坐標(biāo)系，通常用于描述三維場景中的對象位置。二維圖形變換1幾何變換圖形的平移、旋轉(zhuǎn)和縮放2矩陣運算使用矩陣表示變換操作3齊次坐標(biāo)方便統(tǒng)一變換操作4組合變換多個變換的組合二維圖形變換是指對二維圖形進行平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等操作，以改變圖形的位置、大小和方向。常用的變換方法包括幾何變換、矩陣運算、齊次坐標(biāo)和組合變換。幾何變換通過改變坐標(biāo)系來實現(xiàn)圖形的變換，矩陣運算使用矩陣表示變換操作，齊次坐標(biāo)則可以方便地統(tǒng)一變換操作，組合變換是指多個變換的組合。三維圖形變換1平移將物體沿某個方向移動。2旋轉(zhuǎn)繞某個軸旋轉(zhuǎn)一定角度。3縮放改變物體的大小。4剪切沿某個方向拉伸或壓縮物體。三維圖形變換是指通過對三維物體進行幾何操作，改變其位置、大小或形狀。圖形變換矩陣可以實現(xiàn)多種幾何變換，例如平移、旋轉(zhuǎn)、縮放和剪切等。三維模型的表示方法多邊形模型將模型表面用多個多邊形面片進行逼近。適用于復(fù)雜模型，易于處理和渲染。曲面模型使用數(shù)學(xué)方程描述模型表面?？蓪崿F(xiàn)光滑的形狀，適用于復(fù)雜曲線和曲面。點云模型利用大量點來表示模型表面，適用于反向工程和三維掃描數(shù)據(jù)。體素模型將空間劃分成規(guī)則的體素網(wǎng)格，用于表示模型體積。三維圖形學(xué)的渲染管線1渲染結(jié)果最終圖像2光柵化三角形掃描轉(zhuǎn)換3幾何處理頂點變換和裁剪4場景構(gòu)建模型加載和轉(zhuǎn)換渲染管線是將三維模型轉(zhuǎn)化為二維圖像的過程。場景中的模型經(jīng)過一系列的處理，包括幾何處理、光柵化和著色，最終生成圖像。光照模型和著色算法光照模型模擬光照如何影響物體表面。常用模型包括：漫反射、鏡面反射、環(huán)境光。著色算法根據(jù)光照模型計算每個像素的顏色。常用于實現(xiàn)真實感渲染，例如：Phong著色模型、Blinn-Phong著色模型。光源類型點光源、平行光源、聚光燈，每種光源模擬真實世界中的不同光源。材質(zhì)屬性影響物體表面如何反射和吸收光線，例如：漫反射系數(shù)、鏡面反射系數(shù)、環(huán)境光系數(shù)。紋理映射技術(shù)紋理映射的意義紋理映射是將紋理圖像貼到三維模型表面，增加模型的細(xì)節(jié)和真實感，使模型更加生動和逼真。紋理映射的類型常見紋理映射類型包括：二維紋理、三維紋理、立方體紋理、球面紋理和環(huán)境紋理等，每種類型都有其獨特的特點和應(yīng)用場景。紋理映射的應(yīng)用紋理映射技術(shù)廣泛應(yīng)用于游戲開發(fā)、電影特效、建筑設(shè)計和醫(yī)學(xué)影像等領(lǐng)域，它為我們呈現(xiàn)更加真實和逼真的虛擬世界。曲面的表示與建模參數(shù)曲面參數(shù)曲面使用兩個參數(shù)來定義曲面上每個點的坐標(biāo)，例如Bézier曲面和B樣條曲面。隱式曲面隱式曲面使用方程來定義曲面，例如球面方程和圓錐面方程。多邊形曲面多邊形曲面使用一系列多邊形來近似表示曲面，例如三角形網(wǎng)格和四邊形網(wǎng)格。幾何建?；A(chǔ)多邊形模型用多邊形網(wǎng)格來描述物體表面，廣泛用于游戲和電影制作曲線模型通過數(shù)學(xué)曲線方程來描述物體的表面，可以創(chuàng)建更復(fù)雜和更光滑的形狀體素模型用三維網(wǎng)格來表示物體，每個網(wǎng)格點稱為體素，常用在游戲和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域隱藏面消除算法11.深度緩沖將場景中的每個像素深度存儲在深度緩沖區(qū)中，用于比較像素深度，隱藏更遠(yuǎn)的像素。22.背面剔除通過判斷多邊形法向量方向，剔除背面的多邊形，提高渲染效率。33.掃描線算法根據(jù)掃描線的順序，判斷像素點是否被遮擋，確定可見像素，適用于多邊形填充。44.空間分割將場景空間進行劃分，在每個區(qū)域內(nèi)進行隱藏面消除，可用于復(fù)雜場景。光線追蹤技術(shù)光線追蹤的原理從攝像機模擬光線出發(fā)，計算光線與場景中物體相交的位置，并根據(jù)光源和材質(zhì)屬性計算光線顏色。光線追蹤的優(yōu)勢光線追蹤能夠模擬真實光照效果，生成更加逼真和高質(zhì)量的圖像，而且可以實現(xiàn)復(fù)雜的光影效果，例如反射、折射、陰影等。陰影計算和生成光線追蹤通過模擬光線在場景中的傳播路徑，精確計算每個點接收的光線數(shù)量。陰影貼圖預(yù)先計算光源在場景中的投影，并將結(jié)果存儲在紋理中，然后在渲染時使用。陰影體積使用體積數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表示陰影，然后通過對體積進行采樣計算陰影效果。圖形管線加速技術(shù)硬件加速圖形處理單元(GPU)專為圖形計算而設(shè)計。GPU提供并行處理能力，提高渲染速度。軟件優(yōu)化使用高效算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化渲染過程。例如，空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以減少不必要的計算。緩存技術(shù)緩存頻繁使用的數(shù)據(jù)和資源，減少重復(fù)計算。例如，緩存紋理和幾何數(shù)據(jù)以提高性能。多線程技術(shù)利用多核CPU的優(yōu)勢，將圖形任務(wù)分配到多個線程執(zhí)行。多線程渲染可以顯著提高復(fù)雜場景的渲染速度。圖形硬件架構(gòu)與性能優(yōu)化11.GPU圖形處理單元(GPU)是專門為圖形計算和渲染設(shè)計的，它能有效地處理大量三角形、紋理和像素數(shù)據(jù)。22.顯存顯存是GPU專用內(nèi)存，用于存儲紋理、幾何數(shù)據(jù)和渲染中間結(jié)果，并提供高速數(shù)據(jù)訪問能力。33.渲染管線渲染管線是GPU中的流水線，用于將場景數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為屏幕上的像素，并優(yōu)化渲染效率。44.性能優(yōu)化技術(shù)使用著色器、紋理壓縮、多重采樣等技術(shù)，可以提高渲染質(zhì)量，并減少渲染時間和資源消耗。圖像后處理技術(shù)銳化增強圖像細(xì)節(jié)，提高清晰度。模糊柔化圖像邊緣，減少噪聲。色彩校正調(diào)整圖像顏色，改善色彩平衡。色調(diào)映射調(diào)整圖像亮度和對比度，增強視覺效果。圖形用戶界面設(shè)計用戶體驗圖形用戶界面設(shè)計以用戶體驗為中心，旨在提供直觀、高效、友好的交互方式。用戶交互通過按鈕、菜單、窗口等元素，實現(xiàn)用戶與計算機之間的信息交互和操作。視覺美學(xué)圖形用戶界面設(shè)計注重視覺美學(xué)，通過顏色、字體、布局等元素營造良好的視覺感受。圖形應(yīng)用案例分析計算機圖形學(xué)應(yīng)用廣泛，涵蓋游戲、電影、醫(yī)療、建筑等領(lǐng)域。例如，游戲中的角色模型、場景、特效等都離不開圖形學(xué)技術(shù)。電影中的虛擬場景、特效制作也需要圖形學(xué)的支持。醫(yī)療領(lǐng)域中，圖形學(xué)可以用于醫(yī)學(xué)影像的處理和分析，幫助醫(yī)生診斷疾病。建筑領(lǐng)域中，圖形學(xué)可以用于建筑設(shè)計、模擬、可視化等。計算機圖形學(xué)的發(fā)展推動了各個行業(yè)的技術(shù)進步，為人們的生活帶來了便捷和樂趣。未來圖形學(xué)發(fā)展趨勢人工智能與圖形學(xué)融合深度學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用于圖形學(xué)領(lǐng)域，例如，智能化模型生成、場景理解和交互設(shè)計等。人工智能可以幫助藝術(shù)家和設(shè)計師更高效地進行創(chuàng)作，并創(chuàng)造更具創(chuàng)意和逼真的圖形效果。虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實VR/AR技術(shù)不斷發(fā)展，用戶體驗更加真實沉浸，應(yīng)用