《計算機圖形學(xué)概述》課件

計算機圖形學(xué)概述計算機圖形學(xué)是一門研究計算機圖像的創(chuàng)建、處理和顯示的學(xué)科。它涉及到圖像的幾何建模、光照與材質(zhì)、渲染、動畫等。什么是計算機圖形學(xué)計算機科學(xué)領(lǐng)域計算機圖形學(xué)是計算機科學(xué)的一個分支，專注于創(chuàng)建、操作和顯示圖像。圖形設(shè)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(lǐng)域。廣泛的應(yīng)用計算機圖形學(xué)應(yīng)用于游戲、電影、醫(yī)療、工程等領(lǐng)域。計算機圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域游戲開發(fā)計算機圖形學(xué)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(shù)。電影特效電影特效使用計算機圖形學(xué)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(shè)計工業(yè)設(shè)計運用計算機圖形學(xué)進行產(chǎn)品造型設(shè)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(xué)處理和可視化醫(yī)學(xué)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(xué)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(fù)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(xué)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(xué)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(fù)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(xué)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(lǐng)域有著廣泛應(yīng)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(fù)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(fù)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(zhì)屬性材質(zhì)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(chǎn)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(shè)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(shù)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(lǐng)域帶來更強的視覺沖擊力。動畫技術(shù)計算機圖形學(xué)中，動畫技術(shù)讓靜態(tài)圖像動起來，使物體或場景在時間維度上產(chǎn)生變化，從而創(chuàng)造生動、逼真的視覺效果。動畫技術(shù)廣泛應(yīng)用于電影、游戲、虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域，為用戶帶來沉浸式的體驗。關(guān)鍵幀動畫定義關(guān)鍵幀動畫是一種在動畫制作中，通過定義關(guān)鍵幀來控制物體運動的方式。關(guān)鍵幀關(guān)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(guān)鍵幀之間的信息，通過插值技術(shù)自動生成中間幀，形成動畫?？刂脐P(guān)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(guān)鍵幀定義動畫開始和結(jié)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(guān)鍵幀和插值技術(shù)生成動畫的方法。通過定義動畫開始和結(jié)束狀態(tài)的關(guān)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(xué)與動力學(xué)運動學(xué)描述物體在空間中的位置和運動。動力學(xué)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(yīng)處理碰撞事件并做出相應(yīng)反應(yīng)。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(chǔ)，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(fù)雜場景在游戲開發(fā)中，粒子系統(tǒng)通常用來渲染復(fù)雜場景，例如星云和爆炸效果。場景圖場景圖是一種樹形結(jié)構(gòu)，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(fù)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(fù)雜圖形渲染任務(wù)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(zhuǎn)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(chǔ)。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(shè)計用于圖形處理，能夠快速完成像素渲染、紋理映射等任務(wù)，提高圖形質(zhì)量和幀率。3深度學(xué)習(xí)GPU也應(yīng)用于深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域，加速模型訓(xùn)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(zhuǎn)化為二維圖像，經(jīng)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(zhì)量高效的渲染管線能讓計算機快速生成高質(zhì)量的圖像，減少資源浪費?，F(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(yīng)用程序。硬件加速通過調(diào)用底層硬件加速功能，提高圖形渲染效率。平臺無關(guān)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(yīng)用程序。OpenGL和DirectX1OpenGL跨平臺圖形API，廣泛用于游戲、科學(xué)可視化、CAD等領(lǐng)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(dǎo)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(shù)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(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，例如自動生成內(nèi)容和智能化交互。云計算