《圖形圖像學(xué)基礎(chǔ)》課件

圖形圖像學(xué)基礎(chǔ)圖形圖像學(xué)是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)重要分支，它研究圖像的表示、處理、分析和理解。本課程將介紹圖像的數(shù)字化、顏色模型、圖像增強(qiáng)、圖像壓縮、圖像分割、圖像識(shí)別等基本概念和方法。課程大綱和學(xué)習(xí)目標(biāo)幾何圖形與變換學(xué)習(xí)基本幾何圖形的繪制，以及二維三維空間中的幾何變換。光柵圖形算法了解光柵圖形算法，如線段繪制、多邊形填充、曲線繪制等。三維圖形學(xué)習(xí)三維圖形的創(chuàng)建、渲染和交互技術(shù)，如OpenGL編程。虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)探索虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在圖形圖像學(xué)中的應(yīng)用。坐標(biāo)系與變換二維坐標(biāo)系二維坐標(biāo)系使用兩個(gè)軸（X軸和Y軸）來(lái)定義平面上任何點(diǎn)的位置。X軸表示水平方向，Y軸表示垂直方向。三維坐標(biāo)系三維坐標(biāo)系使用三個(gè)軸（X軸，Y軸和Z軸）來(lái)定義空間中任何點(diǎn)的位置。變換變換是指將物體從一個(gè)坐標(biāo)系移動(dòng)到另一個(gè)坐標(biāo)系的過(guò)程，包括平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等。幾何變換平移變換平移變換是指將物體沿某個(gè)方向移動(dòng)一定距離。它可以通過(guò)矩陣形式表示。旋轉(zhuǎn)變換旋轉(zhuǎn)變換是指將物體繞某個(gè)軸旋轉(zhuǎn)一定角度。它可以用旋轉(zhuǎn)矩陣來(lái)表示?？s放變換縮放變換是指將物體沿某個(gè)方向或所有方向放大或縮小。它可以用縮放矩陣來(lái)表示。錯(cuò)切變換錯(cuò)切變換是指將物體沿某個(gè)方向進(jìn)行傾斜。它可以用錯(cuò)切矩陣來(lái)表示?；編缀误w點(diǎn)點(diǎn)是最基本的三維圖形元素，表示空間中的一個(gè)位置，沒(méi)有尺寸和體積。點(diǎn)是構(gòu)建其他幾何體的基礎(chǔ)。線線是連接兩個(gè)點(diǎn)的直線段，表示空間中一個(gè)方向，沒(méi)有寬度，只有長(zhǎng)度。面面是由多個(gè)點(diǎn)或線段連接而成的二維圖形，在三維空間中表示一個(gè)平面，具有面積，沒(méi)有厚度。體體是由多個(gè)面圍成的三維圖形，表示空間中的一個(gè)實(shí)體，具有體積，是現(xiàn)實(shí)世界物體的基本形狀。三維物體的表示三維物體在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中表示為一系列點(diǎn)、線、面、體或其他幾何元素的集合。這些元素可以通過(guò)不同的方法進(jìn)行描述，例如：點(diǎn)云：通過(guò)大量點(diǎn)的集合來(lái)表示物體表面線框模型：用線段連接物體表面的關(guān)鍵點(diǎn)多邊形網(wǎng)格：用三角形或其他多邊形網(wǎng)格來(lái)逼近物體表面體積模型：通過(guò)體積數(shù)據(jù)來(lái)定義物體物體可見性1可見性判斷確定場(chǎng)景中哪些物體或表面對(duì)觀察者可見，哪些被遮擋。2深度測(cè)試比較像素深度值，離觀察者最近的像素可見。3背面剔除隱藏物體背面的多邊形，提高渲染效率。4遮擋剔除提前判斷物體是否被遮擋，避免渲染不可見部分。光照模型環(huán)境光模擬來(lái)自各方向的光線，為物體提供基礎(chǔ)亮度。方向光模擬來(lái)自某個(gè)方向的光源，例如太陽(yáng)。點(diǎn)光源模擬單個(gè)光源，例如燈泡，光線向四周發(fā)散。聚光燈模擬有方向性的光源，例如手電筒。顏色模型1RGB模型將顏色表示為紅、綠、藍(lán)三種顏色的組合。廣泛應(yīng)用于顯示器和攝影。2CMYK模型使用青色、品紅、黃色和黑色四種顏色來(lái)表示印刷顏色。3HSV模型使用色調(diào)、飽和度和明度來(lái)描述顏色，更符合人類對(duì)顏色的感知。4其他模型還有Lab模型、XYZ模型等，用于更準(zhǔn)確的色彩還原。光柵圖形基礎(chǔ)像素光柵圖形使用像素來(lái)表示圖像，每個(gè)像素都有自己的顏色值。分辨率圖像的分辨率由像素的數(shù)目決定，分辨率越高，圖像越清晰。顏色模型顏色模型用于描述顏色，常見的顏色模型有RGB模型和CMYK模型。幀緩沖器幀緩沖器用來(lái)存儲(chǔ)圖像的像素?cái)?shù)據(jù)，是光柵圖形的核心組成部分。光柵圖形算法直線掃描轉(zhuǎn)換算法直線掃描轉(zhuǎn)換算法通過(guò)確定直線上各點(diǎn)的像素坐標(biāo)，將直線繪制在屏幕上。常用的算法包括DDA算法和Bresenham算法，它們通過(guò)遞增或遞減的步長(zhǎng)來(lái)計(jì)算每個(gè)像素的坐標(biāo)。圓形掃描轉(zhuǎn)換算法圓形掃描轉(zhuǎn)換算法類似于直線算法，通過(guò)確定圓周上的點(diǎn)來(lái)繪制圓形。Bresenham圓形算法是常用的算法之一，它通過(guò)遞增角度來(lái)計(jì)算圓周上的點(diǎn)。多邊形掃描轉(zhuǎn)換算法多邊形掃描轉(zhuǎn)換算法將多邊形填充成實(shí)心圖形。常用的方法包括掃描線填充算法、種子填充算法和區(qū)域填充算法，它們通過(guò)掃描線、種子點(diǎn)或區(qū)域來(lái)填充多邊形。曲線掃描轉(zhuǎn)換算法曲線掃描轉(zhuǎn)換算法用來(lái)繪制曲線，常用的算法包括Bezier曲線算法和B樣條曲線算法，它們通過(guò)控制點(diǎn)來(lái)定義曲線形狀。3D圖形基礎(chǔ)13D模型表示3D模型是三維空間中物體的數(shù)學(xué)表示，通常使用點(diǎn)、線、面和體來(lái)描述。常見表示方法包括多邊形網(wǎng)格、NURBS曲面和點(diǎn)云等。2三維空間變換通過(guò)矩陣運(yùn)算實(shí)現(xiàn)3D模型的平移、旋轉(zhuǎn)和縮放等變換，用于調(diào)整模型的位置和姿態(tài)。33D投影將三維模型投射到二維平面上，以便在屏幕上顯示，常見投影方式包括透視投影和正交投影。3D圖形算法紋理映射將二維紋理貼圖應(yīng)用到三維物體表面，使物體更加逼真。光照模型模擬光源照射到物體表面，形成陰影和反光效果。幾何算法處理三維物體幾何形狀，例如網(wǎng)格生成、頂點(diǎn)操作和碰撞檢測(cè)。運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模擬物體運(yùn)動(dòng)，包括平移、旋轉(zhuǎn)和變形，以及物理規(guī)律約束。貼圖映射紋理應(yīng)用將紋理圖像映射到三維模型表面，豐富物體外觀。材質(zhì)效果模擬真實(shí)世界的材質(zhì)，如木材、金屬、皮革等。色彩細(xì)節(jié)提高模型的視覺(jué)真實(shí)感，增加細(xì)節(jié)和豐富度。UV坐標(biāo)通過(guò)UV坐標(biāo)將紋理圖像與模型表面建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。陰影算法陰影算法陰影算法用于模擬光源照射物體產(chǎn)生的陰影效果。光線追蹤光線追蹤法是一種較為精確的陰影算法，模擬光線從光源出發(fā)，經(jīng)過(guò)物體表面，最終到達(dá)觀察者。陰影貼圖陰影貼圖法是一種快速、高效的陰影算法，將陰影信息預(yù)先存儲(chǔ)到紋理中，通過(guò)紋理映射的方式進(jìn)行渲染。反射模型11.環(huán)境光反射所有物體表面都會(huì)受到環(huán)境光照射，并反射出部分光線。22.漫反射表面粗糙的物體，光線散射到各個(gè)方向，呈現(xiàn)出漫反射效果。33.鏡面反射光線照射到表面光滑的物體，反射光線集中在一個(gè)方向，形成鏡面反射效果。44.Phong反射模型Phong反射模型將漫反射、鏡面反射和環(huán)境光反射結(jié)合起來(lái)，模擬光線與物體的相互作用。透明和反射反射反射是光線照射到物體表面后改變方向的現(xiàn)象，例如鏡子反射光線。透明透明是指光線能夠穿透物體，例如玻璃和水。折射光線從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向會(huì)發(fā)生改變，稱為折射。著色算法平面著色最簡(jiǎn)單的著色算法，根據(jù)三角形顏色進(jìn)行填充。使用單一顏色對(duì)整個(gè)三角形進(jìn)行著色。平滑著色更自然的著色方式，根據(jù)頂點(diǎn)顏色進(jìn)行插值計(jì)算，產(chǎn)生更平滑的顏色過(guò)渡。紋理映射利用紋理圖像對(duì)物體表面進(jìn)行紋理化。紋理圖像可以提供更豐富的細(xì)節(jié)和顏色。光照模型模擬真實(shí)世界中的光照效果，包括漫反射、鏡面反射、環(huán)境光等。曲面表示參數(shù)方程參數(shù)方程用數(shù)學(xué)公式描述曲面，方便計(jì)算和控制曲面的形狀。隱式方程隱式方程定義一個(gè)曲面，通過(guò)判斷點(diǎn)是否在曲面上來(lái)確定曲面的形狀。多邊形網(wǎng)格多邊形網(wǎng)格用一系列三角形或四邊形面片來(lái)逼近曲面，用于實(shí)際渲染和動(dòng)畫。樣條曲線樣條曲線用控制點(diǎn)定義，可以靈活地創(chuàng)建平滑的曲線和曲面。曲面渲染光柵化將連續(xù)的曲面轉(zhuǎn)換成離散的像素網(wǎng)格，以用于顯示。著色通過(guò)計(jì)算每個(gè)像素的顏色值，為曲面添加顏色和紋理。陰影模擬光線在物體表面產(chǎn)生的陰影，增加真實(shí)感。反射和折射模擬光線在物體表面發(fā)生反射和折射的效果。曲面細(xì)分提高精度增加曲面上的采樣點(diǎn)數(shù)量，使其更加平滑。保留細(xì)節(jié)細(xì)分操作會(huì)保留原始曲面的幾何特征，例如尖銳的邊緣和曲率變化。創(chuàng)造新形狀可以通過(guò)細(xì)分操作創(chuàng)建新的幾何形狀，例如通過(guò)細(xì)分一個(gè)三角形網(wǎng)格來(lái)生成一個(gè)更復(fù)雜的曲面?；句秩竟芫€渲染管線是將三維模型轉(zhuǎn)換為二維圖像的過(guò)程。1模型變換將模型從模型空間轉(zhuǎn)換到世界空間2視圖變換將世界空間轉(zhuǎn)換到相機(jī)空間3投影變換將三維空間投影到二維空間4視口變換將投影后的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為屏幕坐標(biāo)5光柵化將二維圖像轉(zhuǎn)換為像素圖形硬件架構(gòu)圖形處理器(GPU)GPU專門針對(duì)圖形計(jì)算設(shè)計(jì)，包含大量并行處理單元，高效執(zhí)行復(fù)雜的圖形渲染任務(wù)?，F(xiàn)代GPU還支持通用計(jì)算，應(yīng)用于機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等領(lǐng)域。圖形內(nèi)存GPU使用獨(dú)立的內(nèi)存，用于存儲(chǔ)圖形數(shù)據(jù)，如紋理、幾何模型等。圖形內(nèi)存容量和帶寬直接影響渲染性能，特別是對(duì)于高分辨率和復(fù)雜場(chǎng)景。圖形API簡(jiǎn)介11.定義圖形API（應(yīng)用程序編程接口）是一套用于創(chuàng)建和操作圖形的編程接口。22.作用提供標(biāo)準(zhǔn)化的接口，讓開發(fā)者可以使用統(tǒng)一的方式進(jìn)行圖形編程。33.例子OpenGL、DirectX、Vulkan等是常用的圖形API。44.優(yōu)勢(shì)簡(jiǎn)化圖形編程，提高開發(fā)效率，增強(qiáng)圖形程序的移植性和跨平臺(tái)性。OpenGL基礎(chǔ)三維圖形庫(kù)OpenGL是一個(gè)跨平臺(tái)的圖形庫(kù)，為應(yīng)用程序提供三維圖形渲染功能。圖形流水線OpenGL定義了圖形渲染流水線，包括頂點(diǎn)處理、光柵化和像素處理等階段。編程接口OpenGL提供了一組函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，方便開發(fā)者創(chuàng)建和控制三維圖形。平臺(tái)兼容性O(shè)penGL支持多種操作系統(tǒng)和硬件平臺(tái)，便于開發(fā)者移植應(yīng)用程序。OpenGL編程實(shí)踐1環(huán)境搭建安裝OpenGL庫(kù)和開發(fā)工具2基礎(chǔ)語(yǔ)法學(xué)習(xí)OpenGL的基本函數(shù)和概念3圖形繪制繪制簡(jiǎn)單的幾何形狀和紋理4場(chǎng)景構(gòu)建創(chuàng)建復(fù)雜場(chǎng)景和交互效果通過(guò)實(shí)踐項(xiàng)目，鞏固所學(xué)知識(shí)，提升編程能力。虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)造一個(gè)完全沉浸式的虛擬世界，用戶可以通過(guò)頭戴式顯示器和運(yùn)動(dòng)追蹤設(shè)備進(jìn)行交互。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將虛擬信息疊加到現(xiàn)實(shí)世界中，例如游戲、導(dǎo)航和購(gòu)物應(yīng)用程序。三維交互技術(shù)交互設(shè)備常見的交互設(shè)備包括鼠標(biāo)、鍵盤、手柄、觸控筆、體感設(shè)備等，為用戶提供與虛擬環(huán)境的交互方式。交互技術(shù)常見的交互技術(shù)包括選擇、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放、拾取、碰撞檢測(cè)等，使用戶能夠自然地操控三維場(chǎng)景中的物體。圖形性能優(yōu)化優(yōu)化策略減少渲染次數(shù)，優(yōu)化算法，使用緩存和預(yù)計(jì)算等技術(shù)。硬件加速利用GPU加速渲染過(guò)程，選擇合適的硬件配置。資源管理高效地管理紋理、模型和其他資源，減少內(nèi)存占用和磁盤訪問(wèn)。圖形學(xué)最新發(fā)展光線追蹤光線追蹤渲染