《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)簡(jiǎn)介》課件

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一門(mén)研究計(jì)算機(jī)創(chuàng)建、處理和顯示圖形圖像的學(xué)科。它涉及各種技術(shù)，包括幾何建模、渲染、動(dòng)畫(huà)、圖像處理等。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在游戲、電影、設(shè)計(jì)、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域扮演著重要角色。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的定義11.計(jì)算機(jī)生成圖形計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是使用計(jì)算機(jī)創(chuàng)建和操縱圖像的科學(xué)和藝術(shù)。22.多學(xué)科領(lǐng)域它涉及數(shù)學(xué)、物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和藝術(shù)等多個(gè)學(xué)科。33.圖像渲染與處理計(jì)算機(jī)圖形學(xué)涵蓋了圖像的創(chuàng)建、渲染、處理和顯示。44.廣泛的應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用于游戲、電影、設(shè)計(jì)和科學(xué)可視化等各個(gè)領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的歷史發(fā)展1早期探索(1950s-1960s)最早的圖形學(xué)研究主要集中在向量圖形和點(diǎn)陣圖形的開(kāi)發(fā)，這為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖形學(xué)奠定了基礎(chǔ)。例如，MIT的Sketchpad系統(tǒng)展示了交互式繪圖和圖形編輯的可能性。2快速發(fā)展(1970s-1980s)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在各個(gè)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，包括圖形硬件的進(jìn)步、三維建模軟件的出現(xiàn)，以及動(dòng)畫(huà)和游戲領(lǐng)域的應(yīng)用。3現(xiàn)代圖形學(xué)(1990s-現(xiàn)在)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)迎來(lái)了新的時(shí)代，包括真實(shí)感渲染、光線(xiàn)追蹤、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的發(fā)展，圖形學(xué)應(yīng)用已滲透到我們生活的各個(gè)方面，例如電影特效、游戲開(kāi)發(fā)和醫(yī)學(xué)成像。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本概念計(jì)算機(jī)圖形學(xué)使用數(shù)學(xué)和算法來(lái)創(chuàng)建和操控圖像。三維模型是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。顏色模型用于表示和描述圖像中的顏色。像素是圖像的基本單位，是圖像的最小組成部分。像素與顏色模型像素像素是構(gòu)成數(shù)字圖像的基本單元。每個(gè)像素表示圖像中的一個(gè)點(diǎn)，并由顏色信息表示。RGB顏色模型RGB顏色模型使用紅、綠、藍(lán)三種顏色混合來(lái)表示各種顏色。每種顏色都有其強(qiáng)度值，范圍從0到255。CMYK顏色模型CMYK顏色模型使用青色、品紅色、黃色和黑色四種顏色混合來(lái)表示各種顏色，主要用于印刷領(lǐng)域。HSV顏色模型HSV顏色模型使用色調(diào)、飽和度和亮度來(lái)表示顏色，更接近于人眼對(duì)顏色的感知方式，便于調(diào)整顏色。幾何圖元的表示點(diǎn)點(diǎn)是最基本的幾何元素，沒(méi)有大小和形狀，用坐標(biāo)表示。點(diǎn)是構(gòu)成線(xiàn)和面的基礎(chǔ)。線(xiàn)線(xiàn)由多個(gè)點(diǎn)構(gòu)成，具有長(zhǎng)度，沒(méi)有寬度。線(xiàn)段、直線(xiàn)和曲線(xiàn)是線(xiàn)的常見(jiàn)類(lèi)型。線(xiàn)可以是直的，也可以是彎曲的。面面由線(xiàn)圍成，具有面積，沒(méi)有厚度。三角形、四邊形和圓形是面的常見(jiàn)類(lèi)型。面可以是平面的，也可以是曲面的。幾何變換1平移沿指定方向移動(dòng)物體。2旋轉(zhuǎn)繞指定軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)物體。3縮放改變物體大小。4剪切沿著指定方向變形。幾何變換是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中基礎(chǔ)且重要的概念。通過(guò)幾何變換，可以對(duì)圖形進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、縮放和剪切等操作，從而實(shí)現(xiàn)圖形的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放和變形等效果。投影變換1正投影平行光線(xiàn)投射到投影平面上2透視投影模擬人眼觀(guān)察物體的方式3其他投影例如，平行投影、中心投影等投影變換是將三維空間中的物體映射到二維平面上的過(guò)程。它在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中非常重要，因?yàn)樗菍⑷S模型渲染為二維圖像的關(guān)鍵步驟。光照模型光照模型的定義光照模型描述光線(xiàn)與物體表面交互的方式，并模擬光照效果。光照模型的類(lèi)型常見(jiàn)的類(lèi)型包括漫反射模型、鏡面反射模型、環(huán)境光模型。光照模型的應(yīng)用光照模型廣泛用于渲染三維物體，使其看起來(lái)更加逼真。陰影計(jì)算1光照模型陰影計(jì)算用于模擬光照效果。它通過(guò)光線(xiàn)與物體之間的交互作用來(lái)模擬陰影的形狀和強(qiáng)度。2幾何形狀陰影的形狀和強(qiáng)度會(huì)根據(jù)光源的位置、物體的形狀和表面材質(zhì)而改變。3表面材質(zhì)不同的表面材質(zhì)會(huì)對(duì)光線(xiàn)產(chǎn)生不同的反射和吸收效果，從而影響陰影的呈現(xiàn)。4環(huán)境光環(huán)境光會(huì)對(duì)物體產(chǎn)生柔和的漫射光，并影響陰影的深度和對(duì)比度。紋理貼圖紋理貼圖是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中一種重要的技術(shù)，它可以將現(xiàn)實(shí)世界中的物體表面細(xì)節(jié)映射到虛擬物體上，從而使虛擬物體更加逼真。紋理貼圖通常使用圖像文件來(lái)表示，這些圖像文件可以包含顏色、材質(zhì)、凹凸等信息。曲線(xiàn)與曲面貝塞爾曲線(xiàn)貝塞爾曲線(xiàn)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中常用的曲線(xiàn)類(lèi)型，它可以用來(lái)模擬各種形狀，例如汽車(chē)的外觀(guān)和字體輪廓。B樣條曲線(xiàn)B樣條曲線(xiàn)是另一種常用的曲線(xiàn)類(lèi)型，它比貝塞爾曲線(xiàn)更加靈活，可以用來(lái)模擬更復(fù)雜的形狀。NURBS曲面NURBS曲面是一種基于非均勻有理B樣條的曲面，它可以用來(lái)模擬各種復(fù)雜的形狀，例如汽車(chē)的外觀(guān)和飛機(jī)的機(jī)身。三維物體的建模多邊形建模使用三角形、四邊形等多邊形來(lái)構(gòu)建三維物體。常見(jiàn)軟件有Maya,3dsMax,Blender等。曲線(xiàn)曲面建模使用NURBS曲線(xiàn)和曲面來(lái)構(gòu)建光滑的三維物體，常用于工業(yè)設(shè)計(jì)和動(dòng)畫(huà)制作。點(diǎn)云建模通過(guò)采集三維空間中的點(diǎn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建三維模型，常用于逆向工程和文物數(shù)字化。體積建模從三維空間中的體積數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，常用于醫(yī)學(xué)影像和地質(zhì)勘探。細(xì)胞自動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)細(xì)胞自動(dòng)機(jī)是離散數(shù)學(xué)模型，模擬空間中元素狀態(tài)的演化。規(guī)則細(xì)胞自動(dòng)機(jī)根據(jù)簡(jiǎn)單的規(guī)則，更新每個(gè)單元格的下一個(gè)狀態(tài)。應(yīng)用模擬自然現(xiàn)象生成復(fù)雜圖案分形幾何自相似性分形幾何的核心是自相似性。分形中的任何部分都與整體相似，只是大小不同。無(wú)限復(fù)雜性分形在有限空間內(nèi)展現(xiàn)出無(wú)限的復(fù)雜性。放大任何部分，都會(huì)發(fā)現(xiàn)更精細(xì)的結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種利用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬現(xiàn)實(shí)世界或創(chuàng)造出一種新的現(xiàn)實(shí)世界。通過(guò)頭戴式顯示器、傳感器等設(shè)備，用戶(hù)可以沉浸在虛擬環(huán)境中，進(jìn)行互動(dòng)體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)廣泛應(yīng)用于游戲娛樂(lè)、醫(yī)療、教育、設(shè)計(jì)、軍事等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)是一種傳統(tǒng)的動(dòng)畫(huà)技術(shù)，它通過(guò)定義一系列關(guān)鍵幀來(lái)控制動(dòng)畫(huà)的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)捕捉運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)使用傳感器來(lái)記錄演員的動(dòng)作，并將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)中的動(dòng)作。物理模擬物理模擬技術(shù)使用物理定律來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)世界中的物體和環(huán)境，從而創(chuàng)建逼真的動(dòng)畫(huà)效果。程序動(dòng)畫(huà)程序動(dòng)畫(huà)使用代碼來(lái)生成動(dòng)畫(huà)，這使得動(dòng)畫(huà)師可以創(chuàng)建更復(fù)雜和更具交互性的動(dòng)畫(huà)。計(jì)算機(jī)游戲技術(shù)游戲引擎游戲引擎提供游戲開(kāi)發(fā)框架，包含圖形渲染、物理模擬、音頻管理等。游戲設(shè)計(jì)包括關(guān)卡設(shè)計(jì)、角色設(shè)計(jì)、劇情設(shè)計(jì)，游戲性是游戲設(shè)計(jì)的核心目標(biāo)。游戲開(kāi)發(fā)利用編程語(yǔ)言和游戲引擎，將游戲設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為可運(yùn)行的游戲代碼。游戲測(cè)試包括功能測(cè)試、性能測(cè)試、平衡性測(cè)試，保證游戲質(zhì)量和可玩性。醫(yī)學(xué)成像X射線(xiàn)成像X射線(xiàn)成像是一種利用X射線(xiàn)穿透人體組織，生成人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像的技術(shù)。CT掃描CT掃描是一種利用X射線(xiàn)進(jìn)行三維成像的技術(shù)，可以獲得更詳細(xì)的解剖結(jié)構(gòu)信息。磁共振成像(MRI)MRI利用磁場(chǎng)和無(wú)線(xiàn)電波來(lái)生成人體組織的圖像，能夠清晰顯示軟組織的結(jié)構(gòu)。超聲成像超聲成像利用超聲波來(lái)生成人體組織的圖像，常用于產(chǎn)前檢查和心臟疾病診斷。工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)工業(yè)設(shè)計(jì)將美學(xué)與功能相結(jié)合，優(yōu)化產(chǎn)品的外觀(guān)和用戶(hù)體驗(yàn)。用戶(hù)體驗(yàn)工業(yè)設(shè)計(jì)師關(guān)注產(chǎn)品的易用性，通過(guò)人體工程學(xué)和交互設(shè)計(jì)來(lái)提升用戶(hù)體驗(yàn)。可持續(xù)性工業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧環(huán)保和可持續(xù)性，減少浪費(fèi)，并提高產(chǎn)品壽命?？茖W(xué)可視化數(shù)據(jù)可視化利用圖形化表示方法來(lái)展示數(shù)據(jù)。醫(yī)學(xué)成像通過(guò)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)將人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)可視化。地球科學(xué)展現(xiàn)地球的表面、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和大氣層。宇宙探索通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬和數(shù)據(jù)可視化來(lái)揭示宇宙的奧秘。圖形處理器(GPU)GPU是專(zhuān)門(mén)為圖形處理任務(wù)設(shè)計(jì)的專(zhuān)用電子電路。與通用CPU不同，GPU被優(yōu)化用于并行處理，使它們非常適合圖形密集型工作負(fù)載。GPU已成為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可或缺的一部分，在游戲、視頻編輯、人工智能等領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。光線(xiàn)追蹤算法光線(xiàn)追蹤原理從攝像機(jī)出發(fā)模擬光線(xiàn)，追蹤光線(xiàn)與場(chǎng)景物體之間的交點(diǎn)。渲染質(zhì)量光線(xiàn)追蹤算法能夠產(chǎn)生逼真的陰影、反射和折射效果。計(jì)算復(fù)雜度光線(xiàn)追蹤算法需要大量的計(jì)算資源，因此渲染速度較慢。光柵化算法將幾何圖形轉(zhuǎn)換為像素光柵化算法將抽象的幾何圖形轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)屏幕上的像素，使之在顯示器上可見(jiàn)。該算法將三維模型上的點(diǎn)投影到二維屏幕上，并將每個(gè)點(diǎn)映射到相應(yīng)的像素。逐像素掃描填充光柵化算法通常使用掃描線(xiàn)算法，逐行掃描屏幕，確定每條掃描線(xiàn)與幾何圖形的交點(diǎn)。然后，根據(jù)這些交點(diǎn)計(jì)算像素的顏色，并將顏色值寫(xiě)入相應(yīng)的像素位置。幾何建模算法曲面建模使用數(shù)學(xué)函數(shù)和參數(shù)方程來(lái)描述曲面的形狀。這是一種常見(jiàn)的方法，用于創(chuàng)建復(fù)雜的幾何形狀，如汽車(chē)、飛機(jī)和建筑物。實(shí)體建模將三維物體視為由一系列實(shí)體（如立方體、圓錐體、球體等）組成。實(shí)體建模是一種直觀(guān)的建模方法，適用于創(chuàng)建各種形狀。參數(shù)化建模使用參數(shù)來(lái)控制曲面的形狀，允許藝術(shù)家和設(shè)計(jì)師對(duì)模型進(jìn)行精細(xì)的調(diào)整。這是一種靈活且強(qiáng)大的方法，用于創(chuàng)建復(fù)雜的幾何形狀，例如自然物體。點(diǎn)云建模從掃描數(shù)據(jù)中提取點(diǎn)云，然后將其轉(zhuǎn)換為三維模型。點(diǎn)云建模是一種常用的方法，用于創(chuàng)建現(xiàn)實(shí)世界的模型，例如建筑物和地貌。可編程管線(xiàn)可編程管線(xiàn)概述可編程管線(xiàn)是現(xiàn)代圖形處理器的核心組件，它允許開(kāi)發(fā)者根據(jù)特定需求自定義圖形渲染過(guò)程。通過(guò)編寫(xiě)著色器代碼，開(kāi)發(fā)者可以控制頂點(diǎn)、像素和幾何體的處理方式，從而實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的效果。管線(xiàn)階段頂點(diǎn)著色器幾何著色器像素著色器圖形API圖形API的作用圖形API提供了標(biāo)準(zhǔn)接口，使應(yīng)用程序能夠訪(fǎng)問(wèn)圖形硬件，并與圖形硬件進(jìn)行交互。圖形API的分類(lèi)常見(jiàn)的圖形API包括OpenGL、DirectX、WebGL等，它們提供了不同的功能和特性。圖形API的發(fā)展趨勢(shì)隨著硬件技術(shù)的進(jìn)步，圖形API不斷演進(jìn)，以滿(mǎn)足更高的性能要求和更復(fù)雜的圖形處理需求。WebGL與OpenGL圖形APIWebGL和OpenGL是用于圖形渲染的應(yīng)用程序編程接口(API)。標(biāo)準(zhǔn)OpenGL是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而WebGL是OpenGL的Web瀏覽器實(shí)現(xiàn)。優(yōu)勢(shì)WebGL允許Web開(kāi)發(fā)人員在Web瀏覽器中創(chuàng)建和渲染3D圖形。應(yīng)用WebGL和OpenGL在各種應(yīng)用程序中使用，包括游戲、仿真和可視化。DirectX1圖形APIDirectX是微軟公司開(kāi)發(fā)的跨平臺(tái)應(yīng)用程序編程接口，用于開(kāi)發(fā)游戲、模擬和多媒體等應(yīng)用程序。2多平臺(tái)支持DirectX支持Windows、Xbox、WindowsPhone等平臺(tái)，為跨平臺(tái)游戲開(kāi)發(fā)提供便利。3圖形功能DirectX包括圖形、音頻、輸入、網(wǎng)絡(luò)等功能，為游戲開(kāi)發(fā)提供全面支持。4硬件加速DirectX利用GPU加速圖形處理，提高渲染速度和圖像質(zhì)量。圖形算法優(yōu)化空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)例如，使用KD樹(shù)或八叉樹(shù)來(lái)存儲(chǔ)和檢索三維幾何數(shù)據(jù)，從而減少搜索時(shí)間。緩存機(jī)制使用緩