计算机图形学computergraph课件.pptx

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1、计算机图形学计算机图形学 制作人：时间：2024年X月目录目录第第1 1章章 简介简介第第2 2章章 图形学基础图形学基础第第3 3章章 图形学高级技术图形学高级技术第第4 4章章 图形图像处理图形图像处理第第5 5章章 三维图形学三维图形学第第6 6章章 总结总结 0101第第1章章 简简介介 什么是计算机图形学什么是计算机图形学计算机图形学是一门研究计算机图形图像处理和计算机图形学表示的学科，它包括了计算机图形学的定义、历史以及应用领域。计算机图形学的基本概念计算机图形学的基本概念栅格图形学、矢量图形学、光线追踪等图形学的分类图形学的分类点、线、面、体等图形学的基本图形学的基本元素元素平移

2、、旋转、缩放等图形学的基本图形学的基本操作操作 点的扫描转化为像素点的处理技术光栅化技术光栅化技术0103对图形进行平移、旋转、缩放等的变换技术几何变换技术几何变换技术02对图形进行染色和渲染的技术着色技术着色技术计算机图形学的发展趋势计算机图形学的发展趋势在实时或高度交互性的环境中操作图像的技术实时渲染技术实时渲染技术将人工智能技术与计算机图形学技术相结合的技术人工智能与图人工智能与图形学结合形学结合在虚拟现实和增强现实领域应用图形学技术图形学在图形学在VR/ARVR/AR领域的领域的应用应用 计算机图形学的计算机图形学的计算机图形学的计算机图形学的历史历史历史历史计算机图形学的历史可以追溯

3、到上世纪计算机图形学的历史可以追溯到上世纪5050年代初期的计算年代初期的计算机科学产生之前。随着计算机硬件、软件以及图形学算法机科学产生之前。随着计算机硬件、软件以及图形学算法等方面的不断发展，计算机图形学在应用领域得到了广泛等方面的不断发展，计算机图形学在应用领域得到了广泛应用，包括游戏、电影、动画等。应用，包括游戏、电影、动画等。计算机图形学的应用领域计算机图形学的应用领域计算机图形学在游戏开发中的应用游戏游戏计算机图形学在电影制作中的应用电影电影计算机图形学在动画制作中的应用动画动画计算机图形学在建筑设计中的应用建筑建筑矢量图形学矢量图形学矢量图形学矢量图形学使用数学函数来描述图像使用

4、数学函数来描述图像用于用于2D2D和和3D3D图像处理图像处理光线追踪光线追踪光线追踪光线追踪通过追踪光线来模拟光线的传通过追踪光线来模拟光线的传播和反射播和反射用于用于3D3D图像处理图像处理计算机动画计算机动画计算机动画计算机动画模拟和生成动态图像的技术模拟和生成动态图像的技术包括包括2D2D和和3D3D动画动画图形学的分类图形学的分类栅格图形学栅格图形学栅格图形学栅格图形学使用像素来描述图像使用像素来描述图像用于用于2D2D图像处理图像处理 0202第第2章章 图图形学基形学基础础 图形学的二维基图形学的二维基图形学的二维基图形学的二维基础础础础计算机图形学是一门关于计算机图像处理的学科

5、，其中二计算机图形学是一门关于计算机图像处理的学科，其中二维坐标系、线段生成算法和填充算法是其基础内容。维坐标系、线段生成算法和填充算法是其基础内容。二维坐标系二维坐标系定义坐标系，表示点直角坐标系直角坐标系定义极角和极半径，表示点极坐标系极坐标系定义xf(t)和y=g(t)，表示点参数方程参数方程 线段生成算法线段生成算法基于斜率的直线段生成算法DDADDA算法算法基于整数运算的直线段生成算法BresenhamBresenham算算法法基于中点的圆生成算法中点画圆算法中点画圆算法 根据边界像素颜色填充区域边界填充算法边界填充算法0103 02扫描每行像素填充区域扫描线填充算法扫描线填充算法图

6、形学的三维基图形学的三维基图形学的三维基图形学的三维基础础础础在计算机图形学中，三维坐标系用于描述三维物体的位置在计算机图形学中，三维坐标系用于描述三维物体的位置和形状，三维形体的表示方法包括顶点表示和参数表示，和形状，三维形体的表示方法包括顶点表示和参数表示，变换和投影则用于实现物体的移动、旋转和缩放。变换和投影则用于实现物体的移动、旋转和缩放。3D坐坐标标系系顶点表示顶点表示表示三维空间中的一个点点点表示连接两个点的线段线段线段表示连接三个或更多点的平面面面 参数表示参数表示x=f(u,v),y=g(u,v)二元函数二元函数x=f(u,v,w),y=g(u,v,w),z=h(u,v,w)三

7、元函数三元函数使用三维数组表示体素表示体素表示 旋转变换旋转变换旋转变换旋转变换在三维坐标系中，旋转操作改在三维坐标系中，旋转操作改变物体的方向和朝向变物体的方向和朝向旋转变换的矩阵表示为旋转变换的矩阵表示为R11 R11 R12 R13 0;R21 R22 R23 0;R12 R13 0;R21 R22 R23 0;R31 R32 R33 0;0 0 0 1R31 R32 R33 0;0 0 0 1缩放变换缩放变换缩放变换缩放变换在三维坐标系中，缩放操作改在三维坐标系中，缩放操作改变物体的大小和比例变物体的大小和比例缩放变换的矩阵表示为缩放变换的矩阵表示为Sx 0 0 Sx 0 0 0;0

8、Sy 0 0;0 0 Sz 0;0 0 0;0 Sy 0 0;0 0 Sz 0;0 0 0 10 1投影变换投影变换投影变换投影变换在三维坐标系中，投影操作将在三维坐标系中，投影操作将物体从三维空间映射到二维平物体从三维空间映射到二维平面上面上两种常用的投影变换为透视投两种常用的投影变换为透视投影和正交投影影和正交投影变换与投影变换与投影平移变换平移变换平移变换平移变换在三维坐标系中，平移操作将在三维坐标系中，平移操作将物体沿着一个方向移动一定的物体沿着一个方向移动一定的距离距离平移变换的矩阵表示为平移变换的矩阵表示为1 0 0 1 0 0 tx;0 1 0 ty;0 0 1 tz;0 0 t

9、x;0 1 0 ty;0 0 1 tz;0 0 0 10 1光栅化的基本原理光栅化的基本原理按行或列扫描像素扫描扫描在像素中心采样颜色采样采样使用线性或非线性插值填充像素插值插值 Cohen-Sutherland算法和Liang-Barsky算法直线段剪裁算法直线段剪裁算法0103 02Sutherland-Hodgman算法和Weiler-Atherton算法多边形剪裁算法多边形剪裁算法着色技术着色技术着色技术着色技术在计算机图形学中，着色技术用于给物体表面上每个像素在计算机图形学中，着色技术用于给物体表面上每个像素着色，着色，PhongPhong模型和模型和Blinn-PhongBlinn

10、-Phong模型是两种常用的光照模模型是两种常用的光照模型，着色算法的优化包括光照的近似计算和深度缓存的使型，着色算法的优化包括光照的近似计算和深度缓存的使用。用。Phong模型和模型和Blinn-Phong模型模型PhongPhong模型模型每个像素周围的光照环境光环境光由物体表面与入射光线形成的光照漫反射光漫反射光反射出的高光部分镜面光镜面光 Blinn-PhongBlinn-Phong模型模型表示入射光线和反射光线的中间方向半程向量半程向量控制镜面反射光的强度高光系数高光系数控制物体的透明程度透明度透明度 着色算法的优化着色算法的优化着色算法的优化着色算法的优化在计算机图形学中，着色算法

11、的优化是提高渲染速度和质在计算机图形学中，着色算法的优化是提高渲染速度和质量的关键，光照的近似计算和深度缓存的使用是两种常用量的关键，光照的近似计算和深度缓存的使用是两种常用的优化方法。的优化方法。0303第第3章章 图图形学高形学高级级技技术术 高级几何变换高级几何变换高级几何变换高级几何变换本页将介绍计算机图形学中的高级几何变换，主要包括旋本页将介绍计算机图形学中的高级几何变换，主要包括旋转、平移、缩放等基本变换，以及齐次坐标和透视变换，转、平移、缩放等基本变换，以及齐次坐标和透视变换，最后还将展示曲面生成技术的应用。最后还将展示曲面生成技术的应用。种子填充算法种子填充算法种子填充算法种子

12、填充算法种子填充算法也是一种常见的种子填充算法也是一种常见的填充算法，具有较好的填充效填充算法，具有较好的填充效果和填充精度。果和填充精度。边缘表和活性边表边缘表和活性边表边缘表和活性边表边缘表和活性边表边缘表和活性边表是扫描线算边缘表和活性边表是扫描线算法和种子填充算法中常用的数法和种子填充算法中常用的数据结构，可以高效地存储和处据结构，可以高效地存储和处理多边形的边缘信息。理多边形的边缘信息。多多多多边边边边形形形形填填填填充充充充算算算算法法法法的的的的优优优优化化化化多边形填充算法的优化是计算多边形填充算法的优化是计算机图形学中一个重要的研究方机图形学中一个重要的研究方向，旨在提高填充

13、效率和填充向，旨在提高填充效率和填充质量。质量。扫描线算法和种子填充算法扫描线算法和种子填充算法扫描线算法扫描线算法扫描线算法扫描线算法扫描线算法是一种常用的填充扫描线算法是一种常用的填充算法，可以快速地对多边形进算法，可以快速地对多边形进行填充。行填充。光照模型的分类和原理光照模型的分类和原理Phong模型、Blinn-Phong模型局部光照模型局部光照模型Radiosity模型、Ray Tracing模型全局光照模型全局光照模型光线追踪、光线反射光照模型的原光照模型的原理理 实时渲染技术实时渲染技术实时渲染技术实时渲染技术本页面将介绍计算机图形学中的实时渲染技术，包括实时本页面将介绍计算机

14、图形学中的实时渲染技术，包括实时渲染的概念和特点，实时渲染管线的组成以及实时渲染技渲染的概念和特点，实时渲染管线的组成以及实时渲染技术的应用。术的应用。粒子群算法粒子群算法粒子群算法粒子群算法粒子群算法是一种新兴的阴影粒子群算法是一种新兴的阴影算法，可以高效地处理计算机算法，可以高效地处理计算机图形学中的阴影效果。图形学中的阴影效果。阴影算法的优化阴影算法的优化阴影算法的优化阴影算法的优化阴影算法的优化是计算机图形阴影算法的优化是计算机图形学中一个重要的研究方向，旨学中一个重要的研究方向，旨在提高阴影效果和阴影算法的在提高阴影效果和阴影算法的性能。性能。阴阴阴阴影影影影算算算算法法法法的的的的

15、分分分分类类类类和和和和原原原原理理理理阴影算法可以分为投影阴影算阴影算法可以分为投影阴影算法和环境光遮蔽算法，其原理法和环境光遮蔽算法，其原理主要涉及到光线追踪和光线反主要涉及到光线追踪和光线反射等方面。射等方面。阴影算法的应用阴影算法的应用投影阴影算法投影阴影算法投影阴影算法投影阴影算法投影阴影算法是一种常用的阴投影阴影算法是一种常用的阴影算法，可以高效地实现计算影算法，可以高效地实现计算机图形学中的阴影效果。机图形学中的阴影效果。光照模型的分类和原理光照模型的分类和原理Phong模型、Blinn-Phong模型局部光照模型局部光照模型Radiosity模型、Ray Tracing模型全局

16、光照模型全局光照模型光线追踪、光线反射光照模型的原光照模型的原理理 处理输入设备中的数据，并将其转换为计算机图形学中的基本数据类型。输入处理阶段输入处理阶段0103根据光源和材质等参数计算图形的光照效果，并生成颜色和纹理等数据。光照处理阶段光照处理阶段02处理图形学中的基本几何图形，并进行几何变换和剪裁等处理。几何处理阶段几何处理阶段本章小结本章小结本章介绍了计算机图形学中的高级技术，主要包括高级几何变换、多边形填充优化、光照模型与阴影技术以及实时渲染技术等方面。这些技术在计算机图形学中起着重要的作用，为计算机图形学的发展提供了强有力的支持。0404第第4章章 图图形形图图像像处处理理 图像处

17、理的基本概念图像处理的基本概念图像处理是指对数字图像进行处理、分析、变换和重构的技术。主要包括图像的表示和转换、基本操作、滤波技术、分割技术和特征提取及图像识别等方面。图像处理的分类图像处理的分类平移、旋转、缩放、翻转等几何变换几何变换调节亮度、对比度、颜色平衡等光学处理光学处理傅里叶变换、滤波、压缩等频域处理频域处理 将图像从彩色转为黑白灰度图像灰度图像0103用红、绿、蓝三种颜色的变化组合成图像RGBRGB图像图像02像素只有0或1两种取值二值图像二值图像图像处理的基本操作图像处理的基本操作平移、旋转、缩放、翻转等几何变换几何变换调整图像灰度级灰度变换灰度变换增强图像对比度直方图均衡化直方

18、图均衡化 线性滤波和非线线性滤波和非线线性滤波和非线线性滤波和非线性滤波性滤波性滤波性滤波图像处理中最常用的滤波技术是线性滤波和非线性滤波。图像处理中最常用的滤波技术是线性滤波和非线性滤波。线性滤波是一种基于卷积的滤波方法，包括均值滤波和高线性滤波是一种基于卷积的滤波方法，包括均值滤波和高斯滤波等；非线性滤波则是一种基于排序的滤波方法，包斯滤波等；非线性滤波则是一种基于排序的滤波方法，包括中值滤波和双边滤波等。括中值滤波和双边滤波等。自适应阈值法自适应阈值法自适应阈值法自适应阈值法根据像素点附近的灰度值确定根据像素点附近的灰度值确定阈值阈值适用于对比度较低的图像适用于对比度较低的图像多阈值法多

19、阈值法多阈值法多阈值法将图像分为多个部分，适用于将图像分为多个部分，适用于复杂图像分割复杂图像分割基于形态学的分割基于形态学的分割基于形态学的分割基于形态学的分割通过腐蚀和膨胀等形态学操作通过腐蚀和膨胀等形态学操作实现分割实现分割基于阈值的分割基于阈值的分割全局阈值法全局阈值法全局阈值法全局阈值法将整个图像分为前景和背景两将整个图像分为前景和背景两部分部分适用于对比度较高的图像适用于对比度较高的图像图像识别的基本图像识别的基本图像识别的基本图像识别的基本流程流程流程流程图像识别是指根据图像中的特征进行物体分类或辨认的技图像识别是指根据图像中的特征进行物体分类或辨认的技术。其基本流程包括特征提取

20、、特征选择、分类器设计和术。其基本流程包括特征提取、特征选择、分类器设计和分类等步骤。在图像处理中，特征提取是一项非常重要的分类等步骤。在图像处理中，特征提取是一项非常重要的工作，需要通过合适的特征描述算法提取出图像中最有区工作，需要通过合适的特征描述算法提取出图像中最有区别的特征。别的特征。神经网络神经网络神经网络神经网络基于人工神经网络的图像分类基于人工神经网络的图像分类方法方法适用于非线性分类问题适用于非线性分类问题决策树决策树决策树决策树基于分类树的图像分类方法基于分类树的图像分类方法适用于结构化数据和非结构化适用于结构化数据和非结构化数据数据深度学习深度学习深度学习深度学习基于神经网

21、络的深度学习算法基于神经网络的深度学习算法适用于复杂的大规模图像分类适用于复杂的大规模图像分类问题问题基本图像识别算法的应用基本图像识别算法的应用SVMSVMSVMSVM基于支持向量机的图像分类方基于支持向量机的图像分类方法法适用于二分类和多分类问题适用于二分类和多分类问题 0505第第5章章 三三维图维图形学形学 三维绘制技术三维绘制技术三维绘制技术三维绘制技术三维绘制技术是计算机图形学中的一个重要内容，它的基三维绘制技术是计算机图形学中的一个重要内容，它的基本原理包括多边形的建模、裁剪和填充，以及深度测试和本原理包括多边形的建模、裁剪和填充，以及深度测试和混合技术。在三维绘制过程中，需要考

22、虑许多因素，如光混合技术。在三维绘制过程中，需要考虑许多因素，如光照、阴影和透明度等。因此，三维绘制技术是一项复杂的照、阴影和透明度等。因此，三维绘制技术是一项复杂的任务，需要掌握一定的数学知识和编程技巧。任务，需要掌握一定的数学知识和编程技巧。三维变换和投影技术三维变换和投影技术旋转、平移、缩放、镜像等三维变换的分三维变换的分类类透视投影、正交投影等三维投影的类三维投影的类型和转换过程型和转换过程视点、视线和投影平面等相机模型和视相机模型和视景体景体 漫反射、镜面反射和环境光等光照和阴影的基本原理光照和阴影的基本原理0103z-buffer算法、光线追踪等阴影算法的优化阴影算法的优化02光源

23、的位置、方向和强度等平行光和点光源的应用平行光和点光源的应用基本几何体的创建基本几何体的创建基本几何体的创建基本几何体的创建球体、立方体、圆锥体、圆柱球体、立方体、圆锥体、圆柱体等体等参数化图形的创建参数化图形的创建复杂几何体的建模方法复杂几何体的建模方法网格模型的创建网格模型的创建网格模型的创建网格模型的创建多边形网格的生成和变形多边形网格的生成和变形网格的优化和细化网格的优化和细化网格的纹理贴图和凹凸映射网格的纹理贴图和凹凸映射 三维模型的表示和创建三维模型的表示和创建三三三三维维维维模模模模型型型型的的的的表表表表示示示示方方方方式式式式点、线、面的表示点、线、面的表示多边形网格模型的表

24、示多边形网格模型的表示体素和深度图像的表示体素和深度图像的表示三维绘制技术的应用三维绘制技术的应用三维场景、角色和物体的建模游戏开发游戏开发特效和动画的制作电影制作电影制作产品的三维造型和渲染工业设计工业设计 计算机图形学的未来发计算机图形学的未来发展展随着计算机硬件和软件的不断发展，计算机图形学的应用领域将越来越广泛。未来的图形学技术将更加复杂和精细，能够实现更加逼真的三维图形和动画效果。同时，图形学的研究将不断深入，涉及人工智能、虚拟现实、增强现实等领域，为人类带来更加丰富的体验和趣味。0606第第6章章 总结总结 计算机图形学的应用领域计算机图形学的应用领域包括游戏画面创作、场景构建等游

25、戏行业游戏行业包括动画制作和特效处理等电影动画电影动画包括建模、渲染和交互等虚拟现实虚拟现实 计算机图形学的未来发展趋势计算机图形学的未来发展趋势实现更高质量、更真实的图形呈现实时渲染技术实时渲染技术将虚拟图像叠加到真实世界中增强现实技术增强现实技术结合人工智能，实现更智能、更便捷的图形应用智能化技术智能化技术 计算机图形学的研究方向计算机图形学的研究方向探索更高效、更真实的图形渲染渲染技术渲染技术实现更高精度、更快速的三维建模建模技术建模技术提升人机交互体验交互技术交互技术 计算机图形学的计算机图形学的计算机图形学的计算机图形学的重要性和作用重要性和作用重要性和作用重要性和作用计算机图形学是

26、计算机科学中的一个重要分支，它研究如计算机图形学是计算机科学中的一个重要分支，它研究如何通过计算机生成、处理、显示和交互三维图形。图形学何通过计算机生成、处理、显示和交互三维图形。图形学的作用十分广泛，可以应用于游戏、电影、虚拟现实、设的作用十分广泛，可以应用于游戏、电影、虚拟现实、设计等众多领域。同时，图形学技术的不断更新和发展也在计等众多领域。同时，图形学技术的不断更新和发展也在推动着这些领域的进步。推动着这些领域的进步。图形数据量大、处理复杂度高挑战挑战0103应用范围广泛，前景广阔机遇机遇02实现更真实、更智能的图形呈现机遇机遇增强现实技术增强现实技术增强现实技术增强现实技术增强现实技

27、术将会成为人们日增强现实技术将会成为人们日常生活的一部分常生活的一部分在医疗、教育等领域得到广泛在医疗、教育等领域得到广泛应用应用智能化技术智能化技术智能化技术智能化技术结合人工智能，实现更人性化、结合人工智能，实现更人性化、智能化的图形应用智能化的图形应用提升用户体验，扩大应用范围提升用户体验，扩大应用范围图形学教育图形学教育图形学教育图形学教育图形学在教育领域扮演着重要图形学在教育领域扮演着重要角色角色培养学生的创造力和创新思维培养学生的创造力和创新思维计算机图形学的发展前景计算机图形学的发展前景实时渲染技术实时渲染技术实时渲染技术实时渲染技术实时渲染技术将会以更快的速实时渲染技术将会以更快的速度完成更高质量的图像渲染度完成更高质量的图像渲染实现更为真实的模拟世界，增实现更为真实的模拟世界，增加用户体验加用户体验图形学相关文献和资料图形学相关文献和资料计算机图形学是一个广泛而深入的学科，相关的文献和资料也非常丰富。在学习和研究图形学时，我们可以参考大量的书籍、论文、教材、博客等资源。图形学研究的重要成果图形学研究的重要成果图形学研究的成果众多，其中最具代表性的成果包括三维建模和渲染技术、图像处理和分析技术、虚拟现实技术等。这些技术在游戏、电影、医疗、教育等多个领域得到了广泛应用，并取得了重要的经济和社会效益。THANKS 谢谢观看！谢谢观看！