《數(shù)據(jù)可視化技術(shù)》課件-第2章 可視化的圖形基礎(chǔ)

第2章可視化的圖形基礎(chǔ)學(xué)習(xí)目標(biāo)了解數(shù)據(jù)可視化的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

為圖像可視化特別是體數(shù)據(jù)可視化的進(jìn)行必要的基礎(chǔ)知識(shí)準(zhǔn)備2025/2/192內(nèi)容

2.1圖形渲染

2.2顏色與光照

2.3視角

2.4透明度與色彩合成2025/2/1932.1.1概念計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是利用計(jì)算機(jī)生成圖像的過程

繪制過程有多種類型，從2D繪制程序到復(fù)雜的3D技術(shù)。

渲染（Rendering，又稱繪制）是將圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖像的過程。

在數(shù)據(jù)可視化中，渲染的目標(biāo)是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形數(shù)據(jù)或圖形原語。2025/2/1942.1.2方式像序渲染與物序渲染光線跟蹤方法是一個(gè)典型的像序渲染過程，它通過確定每一條光線的傳播路徑最終繪制出物體的形態(tài)。相比較而言，物序渲染更加符合人類的思考方式和工作習(xí)慣。2025/2/1952.1.2方式表面繪制與體繪制不描述物體的內(nèi)部，或者僅從表面表示（即物體的邊界）隱式地表示出物體形態(tài)的方法即為表面繪制。體繪制技術(shù)使我們能夠看到物體內(nèi)部的不均勻性，能夠反映物體內(nèi)部的性質(zhì)。2025/2/196應(yīng)用示例可視化工具箱是Kitware公司出品的科學(xué)計(jì)算可視化軟件庫，具體包括VTK、Mayavi、TVTK等幾個(gè)組成部分。工具箱的安裝時(shí)，可以在命令提示符下利用以下命令進(jìn)行安裝： pipinstallPyQt5VTKmayavi2025/2/197應(yīng)用示例繪制高度圖采用Mayavi中的mlab圖形庫所提供的表面繪制功能，即可完成高度圖的繪制2025/2/198應(yīng)用示例

2025/2/199importnumpyasnpimportmayavi.mlabasmlabdeff(x,y): returnnp.exp(-1*(x**2+y**2))x,y=np.mgrid[-2:2:0.05,-2:2:0.05]mlab.surf(x,y,f)mlab.show()內(nèi)容

2.1圖形渲染

2.2顏色與光照

2.3視角

2.4透明度與色彩合成2025/2/19102.2.1顏色2025/2/1911

RGB系統(tǒng)通過紅色、綠色和藍(lán)色的強(qiáng)度進(jìn)行顏色編碼，而HSV系統(tǒng)基于顏色、飽和度和值來表示顏色。色調(diào)代表顏色的主要波長(zhǎng)，使用從0到1的范圍，其中0對(duì)應(yīng)于色調(diào)圓上的零度，1對(duì)應(yīng)于360度。

飽和度表明色調(diào)有多少混合到顏色中。2.2.1顏色2025/2/1912

表2-2-1RGB與HSV顏色對(duì)照表2.2.1顏色2025/2/1913

(a）color=(0.5,0.5,1)(b)colormap='cool'2.2.1光照2025/2/1914

Phong光照模型采用一種簡(jiǎn)單的方式處理光照模型，只考慮物體對(duì)直接光照的反射作用，認(rèn)為環(huán)境光是常量，沒有考慮物體之間相互的反射光，物體間的反射光只用環(huán)境光表示。2.2.1光照2025/2/1915

Phong光照模型采用純幾何的方式建立光線照射物體的傳播線路內(nèi)容

2.1圖形渲染

2.2顏色與光照

2.3視角

2.4透明度與色彩合成2025/2/19162.3.1虛擬相機(jī)2025/2/1917場(chǎng)景由其中的演員（actor，或一般性地稱為物體）及其所在的背景、光照條件等構(gòu)成。

需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)虛擬相機(jī)，通過相機(jī)方位、相機(jī)方向和焦點(diǎn)位置等數(shù)據(jù)來確定3D場(chǎng)景如何被投影到平面上以形成2D圖像2.3.1虛擬相機(jī)2025/2/1918兩種類型的虛擬相機(jī)控制方法圍繞聚焦點(diǎn)的相機(jī)移動(dòng)上拉、下拉（elevation）方位角向左或右調(diào)整（azimuth）順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)（roll）2.3.1虛擬相機(jī)2025/2/1919兩種類型的虛擬相機(jī)控制方法以相機(jī)位置為中心的焦點(diǎn)移動(dòng)相機(jī)位置固定，調(diào)節(jié)焦點(diǎn)的位置可以采取抬升、下降（pitch）左右偏移變換（yaw）或旋轉(zhuǎn)（roll）操作2.3.1虛擬相機(jī)程序2-3-1虛擬相機(jī)方位角的調(diào)節(jié)2025/2/19202.3.1虛擬相機(jī)程序2-3-1虛擬相機(jī)方位角的調(diào)節(jié)2025/2/19212.3.2坐標(biāo)系四種坐標(biāo)系變換示意圖2025/2/19222.3.3坐標(biāo)變換平移變換2025/2/19232.3.3坐標(biāo)變換縮放變換2025/2/19242.3.3坐標(biāo)變換圍繞坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)變換2025/2/1925繞X軸旋轉(zhuǎn)2.3.3坐標(biāo)變換圍繞坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)變換2025/2/1926繞Y軸旋轉(zhuǎn)繞Z軸旋轉(zhuǎn)2.3.3坐標(biāo)變換坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)2025/2/1927內(nèi)容

2.1圖形渲染

2.2顏色與光照

2.3視角

2.4透明度與色彩合成2025/2/1928透明度與不透明性在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，透明度與不透明性一般用（alpha）量值進(jìn)行表示。例如，不透明性為60%的多邊形，其值為0.6。當(dāng)為1時(shí)，代表完全不透明，為0時(shí)，則代表完全透明的物體。一般情況下，只需要指定物體的alpha值，即透明度均勻分布。也可以在RGB顏色規(guī)則中添加分量，形成RGBA規(guī)范。2025/2/1929透明度與不透明性

2025/2/1930圖2-4-1透射光線色彩合成過程程序2-4-1虛擬相機(jī)方位角的調(diào)節(jié)