《計算機圖形學概述》課件

計算機圖形學概述計算機圖形學是一門研究計算機圖像的創(chuàng)建、處理和顯示的學科。它涉及到圖像的幾何建模、光照與材質、渲染、動畫等。什么是計算機圖形學計算機科學領域計算機圖形學是計算機科學的一個分支，專注于創(chuàng)建、操作和顯示圖像。圖形設計與可視化它涵蓋了二維和三維圖形，以及動畫、虛擬現(xiàn)實等領域。廣泛的應用計算機圖形學應用于游戲、電影、醫(yī)療、工程等領域。計算機圖形學的應用領域游戲開發(fā)計算機圖形學為游戲提供逼真的畫面和交互體驗，是游戲開發(fā)的核心技術。電影特效電影特效使用計算機圖形學創(chuàng)造虛擬場景、角色和效果，增強電影的視覺效果和沉浸感。工業(yè)設計工業(yè)設計運用計算機圖形學進行產品造型設計，提供更直觀的模型展示和虛擬原型測試。醫(yī)療影像醫(yī)療影像使用計算機圖形學處理和可視化醫(yī)學數(shù)據(jù)，輔助診斷和治療。二維圖形二維圖形是指在平面上的圖形，它是計算機圖形學中最基本的概念之一。二維圖形由點、線、面組成，可以是簡單的幾何形狀，也可以是復雜的圖像。直線直線是二維圖形中最基本的幾何元素之一。在計算機圖形學中，直線通常由兩個端點定義，可以使用多種算法繪制，例如Bresenham算法或DDA算法。曲線曲線是計算機圖形學中重要的基本元素之一。常見的曲線類型包括貝塞爾曲線和樣條曲線。貝塞爾曲線通過控制點定義，通過插值和逼近算法生成光滑的曲線，用于模擬各種形狀。樣條曲線使用一系列控制點和參數(shù)方程來生成更復雜的曲線，可用于創(chuàng)建更平滑、更逼真的曲線。多邊形三角形最簡單的多邊形，由三條直線段組成。正方形四條邊相等且四個角都為直角的四邊形。五邊形由五條邊和五個角組成的平面圖形，有凹五邊形和凸五邊形之分。六邊形由六條邊和六個角組成的平面圖形，廣泛存在于自然界和建筑中。三維圖形三維圖形是計算機圖形學的重要組成部分，用于模擬真實世界中的物體和場景。它在游戲、動畫、虛擬現(xiàn)實等領域有著廣泛應用?？臻g幾何對象1點空間中一個確定的位置，沒有大小和形狀。2線由無數(shù)個點組成，具有長度，沒有寬度和厚度。3面由無數(shù)個線組成，具有面積，沒有厚度。4體由無數(shù)個面組成，具有體積，具有長度、寬度和高度。三維圖形的表示頂點表示法通過定義頂點坐標來描述三維模型，適合于表示簡單的幾何圖形。例如，立方體可以使用8個頂點來表示。面表示法通過定義多邊形來表示三維模型，更適用于表示復雜物體。例如，球體可以使用許多三角形來表示。體積表示法通過定義體積數(shù)據(jù)來表示三維模型，適合于表示復雜的三維物體。例如，人體可以使用體積數(shù)據(jù)來表示?；旌媳硎痉ǘ喾N表示方法的組合，可以更有效地描述三維模型。例如，可以使用頂點表示法描述骨骼，使用面表示法描述皮膚。平面表示法1二維投影將三維場景投影到二維平面上，形成圖像。2正投影平行光線投影，保留物體形狀和大小比例。3透視投影模擬人眼視角，遠小近大，更具真實感。4投影矩陣用于描述投影變換，將三維坐標映射到二維坐標。隱藏線/面消除消除遮擋在三維場景中，部分物體或表面可能被其他物體遮擋。隱藏線/面消除算法用于去除這些不可見的線或面，以生成更逼真的圖像。光照與著色光照模型光照模型描述光線如何照射物體，包括光源類型、顏色和強度。材質屬性材質屬性決定物體表面如何反射光線，例如漫反射、鏡面反射和折射。陰影效果陰影通過模擬光線被物體遮擋的效果，增強真實感。紋理貼圖紋理貼圖使用圖像來模擬物體表面的細節(jié)，例如木材的紋理或布料的圖案。光照模型Phong光照模型Phong光照模型是一種常用的光照模型，它模擬了光線在物體表面上的反射，產生更逼真的光照效果。Blinn-Phong光照模型Blinn-Phong光照模型是對Phong光照模型的改進，它使用一個半向量來計算光線反射方向，從而提高了計算效率和渲染效果。Lambert光照模型Lambert光照模型是最簡單的光照模型之一，它假設物體表面是理想的漫反射表面，光線在各個方向上均勻反射。陰影效果陰影效果可以增加深度和立體感。陰影是光照的一種重要體現(xiàn)，通過模擬光源投射的光線在物體上的陰影，可以增強真實感和藝術性。陰影可以模擬光源的類型、強度和方向。紋理貼圖紋理貼圖是指將圖像數(shù)據(jù)映射到三維模型表面，從而模擬材料的表面特征，如顏色、紋理、凹凸等。它可以豐富模型的視覺效果，使其更加逼真和生動，并為游戲、動畫、影視等領域帶來更強的視覺沖擊力。動畫技術計算機圖形學中，動畫技術讓靜態(tài)圖像動起來，使物體或場景在時間維度上產生變化，從而創(chuàng)造生動、逼真的視覺效果。動畫技術廣泛應用于電影、游戲、虛擬現(xiàn)實等領域，為用戶帶來沉浸式的體驗。關鍵幀動畫定義關鍵幀動畫是一種在動畫制作中，通過定義關鍵幀來控制物體運動的方式。關鍵幀關鍵幀是動畫中重要的幀，它們定義了動畫中特定時間點的物體狀態(tài)。插值計算機根據(jù)關鍵幀之間的信息，通過插值技術自動生成中間幀，形成動畫?？刂脐P鍵幀動畫可以輕松控制物體的運動軌跡、形狀和大小。補間動畫1關鍵幀定義動畫開始和結束狀態(tài)2插值生成中間幀3平滑過渡運動軌跡和形態(tài)變化補間動畫是一種利用關鍵幀和插值技術生成動畫的方法。通過定義動畫開始和結束狀態(tài)的關鍵幀，并使用插值算法生成中間幀，補間動畫可以實現(xiàn)平滑的運動軌跡和形態(tài)變化，使動畫更加自然流暢。運動學與動力學運動學描述物體在空間中的位置和運動。動力學研究物體運動的原因，并描述物體受力后運動的變化。碰撞檢測碰撞檢測算法用于確定虛擬對象之間是否發(fā)生接觸。AABB包圍盒球體碰撞射線碰撞碰撞響應處理碰撞事件并做出相應反應。彈性碰撞非彈性碰撞物理模擬碰撞檢測是物理模擬的基礎，確保物體在虛擬世界中遵循物理定律。粒子系統(tǒng)模擬自然現(xiàn)象粒子系統(tǒng)用于模擬自然現(xiàn)象，如火焰、煙霧、水流和爆炸等。動態(tài)效果通過控制粒子的運動軌跡、速度、顏色和大小，可以創(chuàng)建各種動態(tài)效果。復雜場景在游戲開發(fā)中，粒子系統(tǒng)通常用來渲染復雜場景，例如星云和爆炸效果。場景圖場景圖是一種樹形結構，用于組織和管理三維場景中的對象，例如模型、燈光和相機。場景圖可以幫助開發(fā)人員快速創(chuàng)建、操作和渲染復雜的場景，并方便地進行場景管理和更新。圖形管線流水線處理圖形管線將復雜圖形渲染任務分解為一系列獨立步驟，每個步驟處理特定操作。階段劃分常見階段包括模型轉換、光柵化、光照計算、紋理映射等，每個階段都有專用硬件加速。高效渲染圖形管線利用流水線并行處理能力，顯著提升渲染效率，為實時交互式圖形提供了基礎。GPU加速1并行計算GPU包含大量并行處理單元，能夠快速處理大量數(shù)據(jù)，提高圖形渲染效率。2圖形渲染GPU專門設計用于圖形處理，能夠快速完成像素渲染、紋理映射等任務，提高圖形質量和幀率。3深度學習GPU也應用于深度學習領域，加速模型訓練和推理，提高人工智能的效率。渲染管線圖形處理步驟渲染管線將三維模型轉化為二維圖像，經過一系列步驟。頂點處理光柵化片段處理幀緩沖器效率與質量高效的渲染管線能讓計算機快速生成高質量的圖像，減少資源浪費。現(xiàn)代游戲和電影制作依賴于高效的渲染管線來實現(xiàn)逼真的畫面效果。圖形標準API統(tǒng)一接口提供標準化的函數(shù)庫和接口，方便開發(fā)者跨平臺開發(fā)圖形應用程序。硬件加速通過調用底層硬件加速功能，提高圖形渲染效率。平臺無關開發(fā)者可以使用相同的API代碼在不同的平臺上運行圖形應用程序。OpenGL和DirectX1OpenGL跨平臺圖形API，廣泛用于游戲、科學可視化、CAD等領域。2DirectX微軟推出的圖形API，主要用于Windows平臺，在游戲開發(fā)中占主導地位。3兩者對比OpenGL更注重可移植性，DirectX則更注重性能，兩者各有優(yōu)勢。未來發(fā)展趨勢虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術將改變交互方式，創(chuàng)造沉浸式體驗。人工智能人工智能在圖形學領域應用廣泛，例如自動生成內容和智能化交互。云計算