计算机图形学基础chap4

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计算机图形学基础知识

计算机图形学基础知识

计算机图形学基础知识计算机图形学是研究如何用计算机生成、处理和显示图像的学科。

它涉及到计算机科学、数学、物理学和艺术等多个领域的知识。

本文将介绍计算机图形学的基础知识,包括图像表示、图形渲染、几何变换等内容。

一、图像表示图像是由像素组成的二维数组,每个像素表示图像中的一个点。

在计算机中,通常使用位图和矢量图两种方式来表示图像。

1.1 位图位图是将图像划分为像素网格,每个像素使用一定的位数来表示其颜色信息。

位图的优点是能够准确地表示图像的每个像素,但缺点是图像放大会导致像素明显可见,不适用于放大和缩小操作。

1.2 矢量图矢量图使用数学公式来表示图像的形状和属性,与像素无关。

矢量图具有无损放大和缩小的特点,但对于复杂的图像和纹理表示不够准确。

二、图形渲染图形渲染是将图形模型转换为图像的过程,主要包括三维物体的投影、光照和阴影等处理。

2.1 三维物体的投影三维物体投影可以分为正交投影和透视投影两种方式。

正交投影保持物体的大小和形状不变,透视投影则模拟人眼的视觉效果,使得远处的物体变小。

2.2 光照模型光照模型是模拟光线照射物体后产生的亮度和颜色的过程。

常用的光照模型有环境光、漫反射光和镜面反射光等。

2.3 阴影生成阴影生成是根据光照模型计算物体表面的阴影效果。

常用的阴影生成方法有平面阴影和体积阴影等。

三、几何变换几何变换是改变物体在二维或三维空间中的位置、大小和方向的操作,包括平移、旋转和缩放等。

3.1 平移变换平移变换改变物体的位置,可以沿x、y、z轴方向进行平移。

3.2 旋转变换旋转变换改变物体的方向,可以绕x、y、z轴进行旋转。

3.3 缩放变换缩放变换改变物体的大小,可以沿x、y、z轴方向进行缩放。

四、图形学应用计算机图形学广泛应用于许多领域,如电影、游戏、虚拟现实等。

4.1 电影与动画计算机图形学在电影和动画中起到关键作用,能够生成逼真的视觉效果和特殊效果。

4.2 游戏开发计算机图形学在游戏开发中用于生成游戏场景、角色和特效等,提供给玩家沉浸式的游戏体验。

2024版计算机图形学基础

2024版计算机图形学基础

01计算机图形学概述Chapter计算机图形学的定义与发展定义发展历程影视特效游戏开发工业设计建筑设计虚拟现实计算机科学数学物理学美学02图形显示原理与设备Chapter光栅扫描显示原理矢量扫描显示原理三维图形显示原理030201阴极射线管显示器(CRT)01液晶显示器(LCD)02等离子显示器(PDP)0301020304分辨率色域覆盖率刷新率对比度和亮度图形显示设备的性能指标03基本图形生成算法Chapter直线的生成算法DDA算法通过计算直线上的每一个点的坐标来生成直线,适用于任意斜率的直线。

Bresenham算法通过决策参数的选择,在每一步选择离理想直线最近的像素点,适用于斜率在0到1之间的直线。

中点画线法通过计算直线与像素网格的交点,选择离交点最近的像素点,适用于任意斜率的直线。

圆的生成算法八分法中点画圆法Bresenham画圆法其他基本图形的生成算法椭圆的生成算法01多边形的生成算法02曲线的生成算法0304图形变换与裁剪Chapter01020304将图形在平面上沿某一方向移动一定的距离,不改变图形的形状和大小。

平移变换将图形绕某一点旋转一定的角度,不改变图形的形状和大小。

旋转变换将图形在某一方向上按比例放大或缩小,不改变图形的形状。

缩放变换将图形关于某一直线或点进行对称,得到一个新的图形。

对称变换将三维物体在空间中沿某一方向移动一定的距离,不改变物体的形状和大小。

将三维物体绕某一轴旋转一定的角度,不改变物体的形状和大小。

将三维物体在某一方向上按比例放大或缩小,不改变物体的形状。

将三维物体关于某一平面进行对称,得到一个新的物体。

平移变换旋转变换缩放变换对称变换图形裁剪算法Cohen-Sutherland裁剪算法通过计算直线与裁剪窗口边界的交点,将直线裁剪到窗口内。

Liang-Barsky裁剪算法通过参数化直线方程,利用参数的范围来判断直线与裁剪窗口的相交情况,并进行裁剪。

Weiler-Atherton裁剪算法适用于多边形裁剪,通过求多边形与裁剪窗口的交点,将多边形裁剪到窗口内。

计算机图形学基础教程

计算机图形学基础教程

计算机图形学基础教程第一章:引言计算机图形学是研究计算机处理和生成图像的一门学科,它涵盖了从数学、计算机科学到视觉感知等多个领域。

本教程将介绍计算机图形学的基本原理和技术,并通过实例演示来帮助读者理解和应用这些知识。

第二章:矢量图形矢量图形是计算机图形学中重要的概念之一。

本章将介绍矢量图形的定义、特点以及其在计算机图形学中的应用。

我们将学习如何使用数学表示矢量图形,如何进行矢量图形的变换和组合等。

第三章:三维图形的表示与变换三维图形的表示与变换是计算机图形学中的核心问题之一。

本章将介绍三维图形的表示方法,包括顶点表示和多边形表示,并讨论如何进行三维图形的变换,如旋转、平移、缩放等。

第四章:光照模型与渲染技术光照模型和渲染技术是实现真实感图形的重要手段。

本章将介绍光照模型的基本原理,如漫反射、镜面反射等,并讨论如何利用光照模型和渲染技术来实现真实感图形的效果。

第五章:图形管线与渲染流程图形管线是计算机图形学中的一个重要概念,它描述了图形数据如何从输入到输出的过程。

本章将介绍图形管线的基本原理和流程,并讨论图形数据的处理过程,如顶点处理、光栅化、片元处理等。

第六章:纹理映射与贴图技术纹理映射和贴图技术是计算机图形学中常用的技术之一。

本章将介绍纹理映射的原理和方法,包括纹理坐标的计算、纹理过滤、纹理混合等,并讨论如何利用纹理映射和贴图技术来增强图形的真实感。

第七章:几何建模与曲面设计几何建模和曲面设计是计算机图形学中用于创建和编辑三维模型的技术。

本章将介绍几何建模的基本原理和方法,包括点、线、面的描述,以及曲线和曲面的表示与构造等。

第八章:动画与模拟动画和模拟是计算机图形学中用于呈现动态场景的重要手段。

本章将介绍动画和模拟的基本原理和技术,包括关键帧动画、插值动画、物理模拟等,并讨论如何利用动画和模拟来实现逼真的动态效果。

第九章:图形学应用与未来发展计算机图形学的应用广泛,涵盖了游戏、电影、虚拟现实、计算机辅助设计等多个领域。

最新计算机图形学基础

最新计算机图形学基础

显示设备——彩色CRT
影孔板法
通常用于光栅扫描显示器中,颜色范 围广,每个像素有三个荧光点(红、 绿、蓝三基色)。
显示设备——彩色CRT
影孔板法
三支电子枪,兰影孔板紧靠荧光涂层。电子枪、影孔板 中的电一子枪个小红 孔和绿一个像素呈一荫罩直线。调节各电子枪发 生的电子束中所含电子的数目,即可控制各色光点亮 度。
LCD显示设 备的基本设 计
显示设备——图形处理器
图形处理器
图形处理器是图形系统结构的重要元件,是 连接计算机和显示终端的纽带
早期的图形处理器只包含简单的存储器和帧 缓冲区,它们实际上只起了一个图形的存 储和传递作用,一切操作都必须有CPU来 控制
现在的图形处理器不单单存储图形,而且能 完成大部分图形函数,专业的图形卡已经 具有很强的3D处理能力,大大减轻了CPU 的负担,提高了显示质量和显示速度
等离子显示板
通过将通常包含氖气的混合气体充入两 块玻璃板之间的区域而构成。一块玻璃板 上放置一系列垂直导电带,而另一块玻璃 板上构造一组水平导电带。在成对的水平 和垂直导电带上放加点火电压,导致两导 电带交叉点处的气体进入电子和离子的辉 光放电等离子区。
显示设备——其它显示器件
等离子体平 板显示设备 的基本设计
L
D α
显示设备——CRT
5、荧光屏 电子束轰击内表面荧光 涂层,发光。
显示设备——CRT
持续发光时间:(余辉时间) 扫描线
亮度值衰减到初始值的1/10 所需的时间。余辉时 间是决定产生不闪烁图形0所需刷新速率的主要因素水平。回扫 例:一种荧光物质持续发1光时间40毫秒,刷新频率 为1000/40=25帧/秒,发光2 时间短,适用于动态图 形显示。发光时间长,适3用于静态图形显示 刷新一次是指电子束从上45到下扫描一次的过程

计算机图形学第4章

计算机图形学第4章

2013-8-12
华中理工大学计算机学院 陆枫 99-7
28
定义: 点集A的正则运算r为:
闭包运算
内点运算
r A c i A
称为A的正则集 (R-Set)。
正则运算即为先对物体取内点再取闭包的运算。r· A
(a)带有孤立点和边 的二维点集A
(b)内点集合i·A
(c)正则点集c·i·A
三维空间中的物体是一个内部连通的三维点集,是由
其内部的点集及紧紧包着这些点的表皮组成的。 物体表面必须具有的性质:
(1)连通性:任意两个点可用一条路径连接起来 (2)有界性:可将空间分为两部分,其中一部分是有界的 (3)非自相交性:表面不能自相交 (4)可定向性:可明确定义内侧或外侧 (5)闭合性:拓扑关系决定。如一条边有且仅有两个顶点…
2013-8-12 华中理工大学计算机学院 陆枫 99-7 27
点的领域:如果P是点集S的一个元素,那么点P的以R (R>0)为半径的领域指的是围绕点P的半径为R的小球 (二维情况下为小圆)。 内点:点集中的这样一些点,它们具有完全包含于该点 集的充分小的领域。
边界点:不具备上述点集中性质的点。
三维有效物体(正则集,正则形体)的定义:三维空间 中由内部点构成的点集的闭包。
n维空间中的点在齐次坐标下用n+1维表示。
2013-8-12
华中理工大学计算机学院 陆枫 99-7
5
点是几何造型中的最基本的元素,自由曲线、曲面或其 它形体均可用有序的点集表示。
用计算机存储、管理、输出形体的实质就是对点集及其 连接关系的处理 点分端点、交点、切点和孤立点等。 在自由曲线(面)的描述中常用三种类型的点: 型值点、控制点、插值点

计算机图形学简明教程_第4章

计算机图形学简明教程_第4章

计算机处理图形的过程
视见体:有时为了突出图形的某一部分而只显示部分 图形,这时可以定义一个视见体,限定要绘制的图形 区域。一般是一个四棱台或四棱柱 。 窗口:视见体投影到 投影平面 投影平面上形成的一 V′ U′ 窗口 个矩形 X′ Y′ 视口:在投影平面上 Z 远平面 形成X′Y′U′V′。 X Y 近平面 为了在屏幕或绘图纸 上指定显示图形的位 视口 置,需要在其上定义 视点 屏幕 一个矩形,该矩形称 图4.5 视见体、窗口和视口 为视口。
U
(2)矢量的数乘 K是常数如k大于0,新矢量 与原矢量方向相同,否则相 反其关系式如下:
图4.2 矢量的加法
k u x k U k u y k u z
4.1.2 矢量-矢量的模、单位矢量
(3)矢量的模 设三维空间的一组基如: 矢量u可表示为:
0 1 0 0 0 0 1 0
0 0 0 1
计算机图形学简明教程
4.2 图形显示中的基本概念
计算机处理图形的过程
计算机处理图形的过程一般分为三个阶段:
图形的数字化 图形操作 图形输出
1、图形数字化(图形数字建模)
为了使计算机处理几何图形,必须对图形进行数字 化,因为计算机只能处理数字,计算机图形也是以 数字的形式进行加工和处理的。 坐标建立了几何图形和数字之间的关系,为了使显 示的图形数字化,要为数字化的图形建立坐标系。
投影
对窗口 剪 裁 图4.6 图形的显示流程
窗口至视 口的变换
显示或 绘 图
计算机图形学简明教程
4.3 几 何 变 换
模型变换说明
观察一个物体,由于观察角度或物体位置的改变, 我们会看到不同的画面。

计算机图形学基础

计算机图形学基础

计算机图形学基础计算机图形学是研究计算机如何表示、处理和生成图像的学科。

它涵盖了从数学基础知识到图像处理算法的各个方面。

在当今数字化时代,计算机图形学在各个领域中发挥着重要的作用,例如电影制作、游戏开发、数字艺术、虚拟现实等。

一、图像的表示和处理首先,我们需要对图像进行表示和处理。

图像可以看作是由像素组成的矩阵,每个像素代表图像中的一个点。

在计算机中,图像可以以不同的形式进行表示,如位图、矢量图等。

位图是通过每个像素的颜色和位置来表示图像,而矢量图则是通过数学方程来描述图像中的线条和曲线。

图像处理是对图像进行操作以改变其外观或特征的过程。

图像处理算法可以用于图像的增强、去噪、分割等。

其中,常用的图像处理技术包括滤波、边缘检测、图像重建等。

滤波是通过对图像进行卷积操作来达到平滑或增强的目的,而边缘检测是用于检测图像中的边缘或轮廓,图像重建则是将低分辨率图像恢复到高分辨率的过程。

二、图形的生成和渲染图形的生成和渲染是计算机图形学中的重要研究方向之一。

生成图形通常是指通过算法生成图像,而渲染图形则是将生成的图形转化为最终的图像。

在生成图形过程中,我们可以使用几何建模和光照模型来描述图形的形状和外观。

几何建模是一种描述图形形状的数学技术,它可以用于创建三维模型。

光照模型则是用于描述光线在物体表面的反射和折射过程,从而获得逼真的光影效果。

图形渲染是将生成的图形转化为最终图像的过程。

在图形渲染过程中,我们需要考虑光照、阴影、纹理等因素,以使图像更加逼真。

其中,光照模型可以用来计算光线的反射和折射效果,而纹理映射可以用来将图像贴在三维模型上,从而使其具有更多细节和真实感。

三、三维图形学和虚拟现实三维图形学是计算机图形学的一个重要分支,它研究的是如何表示、处理和生成三维图形。

在三维图形学中,我们需要考虑深度、透视、投影等因素,以实现逼真的三维效果。

例如,为了实现立体感,我们可以使用透视投影来模拟人眼观察物体时的视角。

计算机图形学基础教程

计算机图形学基础教程

计算机图形学基础教程计算机图形学是研究计算机如何生成、操作和显示图像的学科领域。

它与计算机科学、数学和物理学等学科有着密切的联系。

本篇文章将介绍计算机图形学的基础知识,旨在帮助初学者对这一领域有基本的了解。

一、计算机图形学的定义与应用范围1. 定义:计算机图形学是通过计算机生成和处理图像的学科领域。

2. 应用范围:计算机图形学广泛应用于电影制作、游戏开发、虚拟现实、计算机辅助设计等领域。

二、图像的表示与处理方法1. 位图与矢量图:位图是通过像素点表示的图像,矢量图是通过数学公式描述的图像。

2. 光栅化:将矢量图转化为位图的过程。

3. 图像处理:包括图像的增强、滤波、分割等操作,用于改善图像质量或提取图像特征。

三、计算机图形学中的几何转换1. 平移、旋转、缩放:分别指物体的平移、旋转和尺度变换。

2. 坐标系与变换矩阵:用于描述物体在二维或三维空间中的位置和方向。

四、视景投影与相机模型1. 正交投影与透视投影:分别用于模拟平行投影和透视效果。

2. 相机模型:用于模拟相机的成像原理,包括焦距、视角等参数。

五、光线追踪与渲染1. 光线追踪:通过模拟光线在场景中的传播路径,生成逼真的光影效果。

2. 渲染:根据场景中物体的材质、光照等属性,生成逼真的图像。

六、三维建模与动画1. 网格建模:使用三角形或多边形网格来描述物体的表面。

2. 曲面建模:使用数学曲面来描述物体的表面。

3. 动画:通过对三维模型的移动和变形,生成动态的图像。

七、计算机图形学中的算法与技术1. Bresenham算法:用于绘制直线和圆。

2. 贝塞尔曲线:用于实现曲线的平滑插值。

3. 着色模型:包括平面着色、Gouraud着色和Phong着色等方法。

八、计算机图形学的发展与挑战1. 发展历程:计算机图形学经历了从二维到三维、从实时渲染到光线追踪的发展过程。

2. 挑战与前景:目前的挑战包括实时渲染、虚拟现实、计算机辅助设计等领域的应用。

九、计算机图形学的学习方法与资源推荐1. 学习方法:通过阅读教材、参加课程和实践项目来提升对计算机图形学的理解和实践能力。

计算机图形学课件第四造型技术(共44张PPT)

计算机图形学课件第四造型技术(共44张PPT)

包括:

存储几何数据的一个有效方法:
建立
、和

顶点表
A
x1,y1,z1
B
x2,y2,z2
C
x3,y3,z3
D
x4,y4,z4
边表
AB A,B BC B,C CA C,A AD A,D BC B,C CD C,D
面表
ABC AB,BC,AC ABD AB,BD,AD BCD BC,CD,BD ACD AC,CD,AD
角 形 和 12个 顶 点 相 连 而 成
形 , 由 3*4个 顶 点 形 成
■扫描表示
利用简单的运动规则生成有效实体。
●作扫描运动的基本图形 ●扫描运动的方式 (旋转扫描、非圆形路径扫描、广义扫描法)
■构造实体几何法
由两个实体间的并、交或差操作生成新的 实体。
A
A
A
B
B
B
(a)A,B形体的并
(b)A,B形体的差 (c)A,B形体的交
基于力学方程的动画描述比基于运动学方 理论、方法和技术。
给定一组产生式规则,形状设计者可以在从给定初始物体到最终物体结构的每一次变换中应用不同的规则。
程的描述产生的运动更真实。
■数据场的可视化
运用计算机图形学和图象 处理技术,将科学计算过程中及计算结果的数 据转换为图形及图象在屏幕上显示出来并进行 交互处理的理论、方法和技术。
■ 空间位置枚举表示
将包含实体的空间分割为大小相同、形 状规则(正方形或立方体)的体素,然后, 以体素的集合来表示图形对象。
■八叉树
又称为分层树结构,它对空间进行自适 应划分,采用具有层次结构的八叉树来表示 实体。
四叉树
象限1

计算机图形学基础

计算机图形学基础

计算机图形学基础计算机图形学,这门看似神秘而又充满魅力的学科,在我们的日常生活中扮演着越来越重要的角色。

从电影特效中的震撼场景,到电子游戏里的逼真画面,再到各种设计软件中的创意表达,计算机图形学的应用无处不在。

那么,究竟什么是计算机图形学?它又包含哪些基础的知识和技术呢?让我们一起走进这个奇妙的世界。

计算机图形学,简单来说,就是研究如何利用计算机来生成、处理和显示图形的一门学科。

它融合了数学、物理学、计算机科学等多个领域的知识,旨在为人们创造出更加真实、美观、富有创意的图形效果。

要理解计算机图形学,首先得了解图形的表示方法。

在计算机中,图形主要有两种表示方式:矢量图形和光栅图形。

矢量图形是通过数学公式来描述图形的形状和属性,比如直线、曲线、多边形等。

它的优点是无论放大或缩小,图形的质量都不会失真,而且文件大小相对较小。

常见的矢量图形格式有 SVG、AI 等。

而光栅图形则是由像素组成的矩阵,每个像素都有自己的颜色和亮度值。

常见的光栅图形格式有 JPEG、PNG 等。

当我们放大光栅图形时,会看到明显的像素块,从而导致图像变得模糊。

在计算机图形学中,几何建模是非常重要的一个环节。

几何建模就是创建和描述物体的形状和结构。

常见的几何建模方法有线框建模、表面建模和实体建模。

线框建模是用线段来表示物体的轮廓,结构简单,但无法表示物体的内部和表面信息。

表面建模则通过定义物体的表面来描述物体,能够更好地表现物体的外观,但对于物体的内部结构描述有限。

实体建模则是最完整的建模方法,它不仅描述了物体的表面,还包括物体的内部结构,可以进行各种物理属性的计算,如体积、质量等。

有了物体的模型,接下来就需要对其进行变换。

图形变换包括平移、旋转、缩放等操作。

这些变换可以通过矩阵运算来实现。

通过巧妙地运用变换矩阵,我们可以将物体放置在合适的位置,调整其角度和大小,以达到我们想要的效果。

在计算机图形学中,光照和材质也是至关重要的。

光照效果能够让物体看起来更加真实和立体。

计算机图形学第四章

计算机图形学第四章
在电影制作中,计算机图形学用于制作 特效和合成场景,创造出令人惊叹的视 觉效果。
02
计算机图形学中的
数学基础
向量运算
向量加法
定义了两个向量之间的加法运 算,结果向量的大乘法运 算,结果向量的大小和方向由 数乘的标量决定。
向量点乘
两个向量的点乘运算,结果是 一个标量,表示两个向量的正 负投影的乘积。
计算机图形学的基本原理
计算机图形学的基本原理包括 图形的几何变换、颜色和光照
模型、纹理映射等。
图形的几何变换是指通过平移 、旋转、缩放等操作,改变图
形的位置、方向和大小。
颜色和光照模型则描述了如何 在计算机中表示和计算颜色, 以及如何模拟光线与物体的交 互,以产生逼真的图像。
纹理映射则是将图像粘贴到三 维物体的表面,以增加物体的 细节和真实感。
向量叉乘
两个向量的叉乘运算,结果是 一个向量,表示垂直于输入向
量的平面。
矩阵运算
矩阵加法
相同大小的矩阵之间的加法运算,结果矩阵 的大小和元素由加法运算决定。
矩阵乘法
两个矩阵之间的乘法运算,结果矩阵的大小 由输入矩阵决定。
矩阵数乘
一个标量与一个矩阵的乘法运算,结果矩阵 的大小和元素由数乘的标量决定。
平移变换可以用一个向量来表 示,该向量表示了图形在x轴和 y轴方向上的移动距离。
平移变换不会改变图形的大小 和形状,只会改变其位置。
旋转变换
旋转变换是指将图形绕着某一点旋转一定的角度。
旋转变换可以用一个旋转矩阵来表示,该矩阵描 述了旋转的角度和旋转中心的位置。
旋转变换会改变图形的大小和形状,但不会改变 其相对位置。
计算机图形学第四章
目录
CONTENTS

计算机图形学基础

计算机图形学基础

计算机图形学基础在当今数字化的时代,计算机图形学扮演着至关重要的角色。

从我们日常使用的智能手机中的各种应用,到电影院里令人震撼的特效大片,再到复杂的科学可视化和虚拟现实体验,计算机图形学的身影无处不在。

那么,什么是计算机图形学呢?简单来说,计算机图形学是研究如何利用计算机来生成、处理和显示图形的一门学科。

计算机图形学的发展历程可以追溯到上世纪 50 年代。

早期的计算机图形主要用于科学计算和工程设计中的简单绘图。

随着计算机技术的不断进步,图形学的应用领域逐渐扩大,处理能力和效果也有了显著提升。

要理解计算机图形学,首先得了解图形的表示方法。

常见的图形表示方式有点阵图和矢量图。

点阵图,也称为位图,是由像素点组成的图像。

每个像素都有自己的颜色和位置信息。

我们常见的照片就是点阵图。

而矢量图则是通过数学公式来描述图形,比如直线、曲线、多边形等。

矢量图的优点是无论放大或缩小多少倍,图像都不会失真。

在计算机图形学中,坐标系统是基础中的基础。

常见的坐标系统有二维坐标和三维坐标。

二维坐标就像我们在平面纸上画图时使用的横纵坐标,而三维坐标则在此基础上增加了一个垂直方向的轴,让我们能够描述立体空间中的物体。

图形的生成算法也是计算机图形学的重要组成部分。

比如直线生成算法,有 DDA 算法(数字微分分析法)和 Bresenham 算法。

DDA 算法通过计算直线上每个点的坐标来绘制直线,而 Bresenham 算法则通过比较误差来确定下一个像素点的位置,效率更高。

在三维图形的生成中,常常涉及到投影变换。

投影可以分为平行投影和透视投影。

平行投影就像是从一个方向平行地照射物体,得到的图像没有近大远小的效果。

而透视投影则更符合我们人眼观察物体的方式,远处的物体看起来更小,更有立体感。

为了让图形更加逼真,还需要进行光照和材质处理。

光照模型决定了物体表面的亮度和颜色。

常见的光照模型有 Phong 光照模型和BlinnPhong 光照模型。

计算机图形学基础教程——课件

计算机图形学基础教程——课件
06
实践项目与案例分析
3D建模与渲染项目
01
02
03
3D建模
学习使用3D建模软件(如 Blender、Maya等)进行 基本物体建模,包括几何 体、曲面和细分曲面等。
材质与纹理
掌握如何为模型添加材质 和纹理,以实现更逼真的 视觉效果。
光照与渲染
学习设置场景灯光,理解 不同类型的光源对渲染效 果的影响,以及如何使用 渲染器进行最终渲染。
光照模型
光源类型
包括点光源、方向光源和 聚光灯等,每种光源都有 不同的光照效果。
材质属性
包括颜色、纹理、透明度 等,影响物体对光的反射 和折射方式。
光照计算
根据光源和材质属性,计 算物体表面的光照强度和 颜色,以实现逼真的渲染 效果。
纹理映射
STEP 01
纹理定义
STEP 02
纹理映射技术
纹理是用于描述物体表面 细节的图像或图像集。
图像压缩
减少图像文件大小的过程,以加 快传输和存储速度。
图像分辨率
描述图像的细节和清晰度的度量 。
图像处理算法
用于改善图像质量或提取信息的 各种算法和技术。
计算机图形学中的数学基础
01
向量运算
在图形学中用于描述方向和位移的 基本数学概念。
插值和拟合
用于创建平滑曲线和表面的数学方 法。
03
02
矩阵运算
发展历程
起步阶段
20世纪50年代,计算机图形学开始起步,主要应用 于科学可视化。
发展阶段
20世纪80年代,随着计算机硬件和软件技术的进步 ,计算机图形学在电影、游戏等领域得到广泛应用。
成熟阶段
21世纪初,计算机图形学技术逐渐成熟,广泛应用于 教育、工业设计、医学影像等领域。

计算机图形学基础知识

计算机图形学基础知识

计算机图形学基础知识一、引言计算机图形学是一门研究如何生成、编辑、存储和呈现计算机图形的学科。

它是计算机科学与图形学的交叉学科,涉及到许多数学、物理和计算机科学的知识。

本文将从几个方面介绍计算机图形学的基础知识。

二、光栅化与三角剖分光栅化是计算机图形学中重要的概念之一,它是将连续的几何图形转化为离散的像素点的过程。

通过光栅化,计算机可以将图像分割为一个个像素点并为其赋予颜色值,实现图像的显示。

而三角剖分是将复杂的几何形状分解为若干个三角形的过程,这样便于进行图像处理和计算。

三、坐标系统与变换操作在计算机图形学中,坐标系统指定了几何对象的位置和方向,常用的坐标系统包括笛卡尔坐标系和极坐标系。

变换操作可以改变坐标系统中几何对象的位置、旋转和缩放,常见的变换操作包括平移、旋转和缩放。

这些变换操作为构建虚拟世界提供了强大的工具。

四、渲染与光照模型渲染是将几何对象转化为图像的过程,包括确定颜色、阴影和纹理等。

光照模型则是描述物体如何与光交互的数学模型,常用的光照模型有冯氏光照模型等。

通过合理的渲染和光照模型,可以使图像更加真实、逼真。

五、图形数据结构与算法图形数据结构是描述和存储几何对象的数据结构,常用的图形数据结构有点、线、多边形等。

而图形算法则是基于这些数据结构进行图形操作和计算的算法,如线段裁剪、多边形填充等。

良好的数据结构和高效的算法可以提高计算效率和图形处理的质量。

六、二维和三维图形学二维图形学是计算机图形学的基础,它关注平面上的图像处理和显示。

常见的二维图形学应用包括图像处理、字体设计和图像生成等。

而三维图形学则是在二维图形学基础上进一步发展的,它处理的是在三维空间中的对象。

三维图形学被广泛应用于虚拟现实、游戏开发和计算机辅助设计等领域。

七、计算机图形学的应用计算机图形学的应用非常广泛,它已经渗透到我们日常生活的方方面面。

比如,在手机、电视和电脑上我们常常会看到精美的图标、图像和界面设计,这都离不开计算机图形学的支持。

计算机图形学基础知识

计算机图形学基础知识

计算机图形学基础知识计算机图形学,听起来是不是有点高深莫测?但其实,它就在我们的日常生活中,从我们玩的游戏、看的电影,到日常使用的各种软件界面,都离不开计算机图形学的身影。

那什么是计算机图形学呢?简单来说,它是研究如何利用计算机来生成、处理和显示图形的一门学科。

计算机图形学的发展历程可以追溯到上世纪 50 年代。

早期的计算机图形主要是用于简单的线条图和图表。

随着计算机技术的不断进步,图形的质量和复杂度也在逐步提高。

如今,我们已经能够在屏幕上看到逼真的三维场景和栩栩如生的动画效果。

在计算机图形学中,有几个重要的概念需要了解。

首先是图形的表示方式。

常见的有位图和矢量图。

位图就像是由一个个小像素组成的拼图,每个像素都有自己的颜色和亮度信息。

而矢量图则是通过数学公式来描述图形,比如一个圆可以用圆心坐标和半径来表示。

位图的优点是能够显示丰富的细节,但放大时会出现锯齿;矢量图则无论放大缩小都不会失真,但对于复杂的图像可能表现力不足。

接下来是图形的变换。

这包括平移、旋转、缩放等操作。

想象一下,我们在屏幕上移动一个图形,这背后就是通过数学计算来实现图形的位置和形状的改变。

还有投影变换,它能把三维的物体投影到二维的屏幕上,让我们看到立体的效果。

渲染也是计算机图形学中的关键环节。

渲染就是把三维的场景转化为二维的图像。

这涉及到光照模型、材质属性、纹理映射等技术。

光照模型决定了物体表面如何反射光线,从而呈现出不同的亮度和颜色。

材质属性描述了物体的表面特性,比如光滑还是粗糙。

纹理映射则是给物体表面贴上图片,增加真实感。

在计算机图形学中,还有一个重要的部分是图形的交互技术。

比如,我们通过鼠标、键盘等输入设备来控制图形的操作,或者通过触摸屏幕来与图形进行互动。

这让我们能够更加方便和直观地使用图形应用程序。

另外,计算机图形学在很多领域都有着广泛的应用。

在游戏开发中,精美的游戏画面离不开图形学技术的支持。

电影特效也是如此,那些令人惊叹的科幻场景和奇幻生物都是通过图形学创造出来的。

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Computer GraphicsShi-Min HuShi-Min HuTsinghua UniversityHistory of Ray Tracing(History of Ray Tracing (光线跟踪)•In 1980, Whitted proposed a ray tracing model, include light reflection and model include light reflection andtransmission effects. A Milestone of Computer Graphics.•Turner Whitted ,An improved illumination model for shaded display Communications of model for shaded display,Communications of the ACM, v.23 n.6, p.343-349, June 1980.•/study/home.htm http://www raytracing co uk/study/home htm•After receiving his PhD from NCSU in 1978,T Whitt d l ft f B ll L b d d d t Turner Whitted left for Bell Labs and proceeded to shake the CGI world with an algorithm that could ray-trace a scene in a reasonable amount of time. He only has14papers and Ray tracing is his first •He only has 14 papers, and Ray tracing is his first paper.•He was elected as member of National Academy of Engineering in 2003.of Engineering in2003Ray Tracing(光线跟踪)Ray Tracing(•Introduction of ray tracing•Ray intersection(光线求交)•shadows(阴影)p p•Transparence and specular reflection (透明和镜面反射)•textures(纹理)Introduction of ray tracing Introduction of ray tracing•Ray tracing–Because of its effectiveness, ray tracing is awidely used and very powerful rendering(drawing) techniqueWhy we see objects?–Why we see objects?•Light can be interpreted as a collection ofrays that begin at the light sources andrays that begin at the light sources andbounce around the objects in the scenes.•We see objects become rays finally come intoW bj b fi ll iour eyes.Basic Idea of ray tracingBasic Idea of ray tracing•Think of the frame buffer as a simple array of p,y g gpixels, with eye looking through it into thescenep,•For each pixel, what can we “see”?• a ray casting from the eye through the center of the pixel and out into the scene, its path is p,ptraced to see which object the ray hits firstg p •calculate the shading value of the pointby the Phong modelcontinue to trace the ray•continue to trace the rayin the scene to achievereflection refractionIntroduction of ray tracing Introduction of ray tracing•Features–Easy to incorporate interesting visual effects,Easy to incorporate interesting visual effectssuch as shadowing, reflection and refraction,since the path of a ray is traced through thei th th f i t d th h thscene–Besides geometric primitives(p,,),(such as spheres, cones, cubes),easy to work with a richerclass of objects includingclass of objects, includingpolygonal meshes, compoundobjectsRecursive Ray TracingRecursive Ray TracingIntersectColor( vBeginPoint, vDirection){Determine IntersectPoint;ete e te sect o t;Color = ambient color;for each lightColor += local shading term;Color+=local shading term;if(surface is reflective)color += reflect Coefficient *IntersectColor(IntersecPoint, Reflect Ray);IntersectColor(IntersecPoint Reflect Ray) else if ( surface is refractive)color += refract Coefficient *IntersectColor(IntersecPoint, Refract Ray);return color;}demos of ray tracingdemos of ray tracing•DENG Jia (计2 邓嘉)’s DemoPlay Video•Deng Jia, 2002-2006, Tsinghua University, No. 1 in GPA.No1in GPA•2006-, Princeton Univetrsity, published a paper on relief in ACM SIGGRAPH 2007•Deng Jia’s story in Media computingD Ji’t i M di ti (late)Ray intersection (光线求交) Ray intersection(•Ray tracingR R t ti–Ray Representation–Plane intersection–Triangle intersectionP l i t ti–Polygon intersectionp–Sphere intersection–Box intersectionRay representation Ray representation•Parametric representationP(t)=R +t *R –P(t) = R o + t * R d–where R o =(x o ,y o ,z o ) is the original point of the ray , R y z )is the direction the ray is going on usually d =(x d ,y d ,z d ) is the direction the ray is going on, usually the direction is normalizedt value determines the point the ray arrives at its value –t value determines the point the ray arrives at, its value is always larger than 0P(t)y gi i direction R d R ooriginPlane Intersection Plane Intersection•Plane DefinitionExplicit:P y z )n=(A B C)–Explicit: P o =(x o ,y o ,z o ), n=(A,B,C)–Implicit:H(P) = Ax+By+Cz+D = 0=n·P +D =0= n·P + D = 0•Point Plane Distance H(p) = d > 0–If n is normalized,the distance is d = H(P)normal P –But note that, d is signed distance HP o P'H(p) = d < 0Plane IntersectionPlane Intersection•Where does the ray intersect this plane?Given a plane with equation:•Given a plane with equation:n·P + D = 0;•Intersection means satisfy both equations: I t ti ti f b th tiP(t) = R o+ t * R dn·P(t)+D = 0;P()D0So we have()/(t = -(D+n·R o)/(n· R d)•Just need to verify if t>0P(t)Triangle IntersectionTriangle Intersection•In real-time graphics, triangle geometry (triangle mesh)is usualy stored and each (triangle mesh) is usualy stored, and eachtriangle is defined by three vertices.•There exists many different ray/triangle Th i t diff t/t i l intersection methods, main steps are:–First compute the intersection point betweenthe ray and the triangle’s plane–Thereafter, project the intersection pointonto the triangle’s plane–Decide whether or not the point is inside thetriangleTriangle Intersection Triangle Intersection•Barycentric coordinates:A point P on a triangle P is gi en b –A point P, on a triangle P 0P 1P 2, is given by the explicit formula:where are the barycentric 012P P P P αβγ=++(,,)αβγβy coordinates, which must satisfy–Note that the barycentric coordinates 0,,1,1αγαβγ≤≤++=P 0Note that the barycentric coordinates could be used for texture mapping, normal interpolation P normal interpolation, color interpolation, etc.P 1P 2Triangle Intersection Triangle Intersection•Since α + β + γ=1, we can write α =1−β −γ, We have:Set ray equation equal to barycentric equation:012(1)P P P P βγβγ=−−++•Set ray equation equal to barycentric equation:h i 012+(1)o d R tR P P P βγβγ=−−++⎛•Rearrange the terms, gives:010200( )d t R P P P P P R β⎞⎜⎟−−=−⎜⎟•The means the barycentric coordinate and distance γ⎜⎟⎝⎠yt can be found by solving this linear system of equationsTriangle Intersection Triangle Intersection•Denotingthe solution to the equation above is obtained by 10120200, E ,E P P P P S P R =−=−=−q y Cramer’s rule:12det(,,)S E E t ⎛⎞⎛⎞2121det(,,)det(,,)det(d S E d E E d E S β⎜⎟⎜⎟=⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟Then check1(,,)γ⎝⎠⎝⎠0,1,1βγβγ≤≤+≤•Then check to determine whether or not the intersect point is inside the triangle gPolygon Intersection Polygon Intersection•Even though triangles are the most common rendering primitive a routine to compute the rendering primitive, a routine to compute the intersection between a ray and a polygon is useful.• A polygon of n vertices is defined by an ordered p yg y vertex list {v 0,v 1,…,v n-1}, where vertex v i forms an edge with for 0<=i <n 1and the polygon is an edge with for 0 <= i < n-1, and the polygon is closed by the edge from v n-1to v 0. The plane of h l i d d b the polygon is denoted by : 0p p p n x d π⋅+=Polygon IntersectionPolygon Intersection•We first compute theintersection between the ray intersection between the raybeen presented in previous slides.been presented in previous slides•we need to determine whetherd t d t i h thor not the intersection point P is inside the polygon.th l•This is done by projecting all vertices andy p j gP to one of the xy-,xz-,yz planes, as shown in the figurePolygon IntersectionPolygon Intersection•The question left is a 2D point-in-polygonproblem. Here we review one of the most bl H i f th tuseful algorithm –the crossing testg g•The crossing test is based on JordanC Th hi h th t i t i Curve Theorem,which says that a point is inside a polygon if a ray from this pointyg yin an arbitrary direction crosses anodd(奇数的) number of edges. This test is)number of edges This test isalso known as the even-odd test.Polygon IntersectionPolygon Intersection•The crossing test is illustrated in the right figure:figure:–Two black points inside polygon (cross oneedge)edge)–two black points outside polygon (onecrosses2edges and•does not usep p gpreprocessing(预处理)Polygon IntersectionPolygon Intersection•The test point P can also be thought of asbeing at the origin, and the edges may be b i t th i i d th d btested against the positive x-axis insteadg p–If the y-coordinates of the edge have thesame sign then the edge does not cross x axissame sign, then the edge does not cross x-axis –Else, compute the x-coordinate of theintersection between x-axis and the edge•If positive, the edge crosses x-axis, the number ofcrossing increases by 1•Else, the edge does not cross the x-axis•The other methodSphere Intersection Sphere Intersection•Now, let’s look at the intersection test between a ray and a sphere between a ray and a sphere•Mathematical solution–sphere defined as:•a center point , and a radius r ; the implicit formula for the sphere is :c P formula for the sphere is :To solve for the intersection between a ray ()0cf P P P r =−−=–To solve for the intersection between a ray and a sphere, simply replace P in the ray equationto yield:equation to yield:()0c P t P r −−=Sphere Intersection:Algebra method Sphere Intersection: Algebra method •The equation of last page is simplified as follows:()0c P t P r −−=0d c R tR P r+−=200()()d c d c R tR P R tR P r+−⋅+−=22000()2(())()()0d d d c c c t R R t R R P R P R P r ⋅+⋅−+−⋅−−=Since Rd is normalized:220002(())()()0d c c c t t R R P R P R P r +⋅−+−⋅−−=2=Rewrite as:20t tb c ++ew te as:2t b b c =−±−Solution is:Sphere IntersectionSphere Intersection•Previous algebra solution could be improved, e.g., observing thati d b i th t intersections behind the ray origin arey gnot neededA ti i d S l ti G t i •An optimized Solution: Geometric method–Easy reject (No intersection testing)Easy to check ray origin inside or outside the –Easy to check ray origin inside or outside thesphereE t h k hi h i t i l d t fSphere Intersection:Geometric Method Sphere Intersection: Geometric Method •Optimized SolutionWe first compute the vector from the ray l r –We first compute the vector from the ray origin to the center of the sphere:l P R =−r 0c PcrR oR dSphere Intersection Sphere Intersection•Optimized Solution compute the vector from the ray origin tol r –compute the vector from the ray origin to the center of the sphere:l P R =−r –Is ray origin inside/outside the sphere?I id th h 0c 22l r <r •Inside the sphere:•Outside the sphere:On the sphere:22l r >r 22l r =r •On the sphere:–If ray origin is on the sphere, be careful about degeneracy about degeneracySphere Intersection Sphere Intersection–Next, Find closest point to sphere center:d t l R =⋅r If origin outside &t <0no hit p •If origin outside & t P < 0 → no hit –the sphere is behind the ray origin and we can reject the intersection we can reject the intersectionPcrR o R d t PSphere Intersection Sphere Intersection–Next, find squared distance d from thesphere center to the closest point p p –If d>r no hit222pd l t =−r If d>r , no hit PPc drR oR d t PSphere Intersection Sphere Intersection–Find distance (t ’) from closest point (t P ) tocorrect intersection:’=r correct intersection: t 2= r 2-d 2–Then the solution will be•If origin outside sphere →t = t P -t ’ ()•If origin inside sphere →t = t + t ’P OR o R drtd t Pt ’Box IntersectionBox Intersection•Ray/Box intersection test are important ingraphics, since we often bound geometricgraphics since we often bound geometricobjects with boxes, which is called bounding box(包围盒).b()–With bounding box, whentesting a ray intersect witht ti i t t ithan object, we first test the rayintersect with the bounding box,intersect with the bounding boxif not intersected, then the raywill not intersect with the objectwill not intersect with the objectdefinitely.(early quiting)(提前退出)Box IntersectionBox Intersection•Here, we introduce a slab based method for box intersection test, proposed byf b i t ti t t d b Haines–A slab is simply two parallel planes, whichare grouped for faster computationare grouped for faster computation–A box is composed of 3 slabsin 2DBox Intersection Box Intersection•For each slab, intersecting with the ray, there is a minimum t value and i there is a minimum t value and maximum t value, these are called and (i=012)maxit min i t and . (i=0,1,2)•The next step is to compute:min min min min 012max(,,);t t t t =max max max max 012min(,,);t t t t =min max t t<•Now, the clever test: if then the ray intersects the boxmin max t t <min t max t–if ,then the ray intersects the box is the enter-point, is the exit point Otherwise no intersectionsBox Intersection Box Intersection•there are 2rays:1there are 2 rays:–with the box with the box it hasTh i ht i 0tmin maxt t<–The right ray misses it does not havei min t minmax•The idea is the same with min tmintt<The idea is the same with tBox Intersection Box Intersection•Woo’s Method for intersection between a d i li d b (ray and an axis-aligned box(和坐标轴平行)–ifi f i li d b–specific for axis-aligned box i i n1n 0Box IntersectionBox Intersection•Woo’s MethodFirst identity three candidate planes out of–First, identity three candidate planes out ofthe six planes. For each pair of parallelplanes, the back facing plane can be omittedplanes,the back–facing plane can be omittedfor furtherconsideration.–we computed the intersectionpmray and the planes.–Box IntersectionBox Intersection•Woo’s MethodUse the potential hit t value to compute the–Use the potential hit t-value to compute theintersection point–if the intersection point is located on the faceif the intersection point is located on the faceof the box, then it is a real hit•Slabs method vs Woo’s MethodSlabs method vs Woo’s Method–Comparable in performancey,•With above discussion of ray intersection, let’s ray tracingThe Simplest Ray Tracing Ray Casting The Simplest Ray Tracing:Ray Casting•For each pixel–Cast a ray from the eye, through the centerCast a ray from the eye through the centerof pixel, to the scene–For each object in the sceneFor each object in the scene•Find the intersection with the rayStore the closest point•Store the closest point–Calculate localshading term of theshading term of thepoint according tolight, materialg,and normalThe Simplest Ray Tracing: Ray Casting The Simplest Ray Tracing:Ray Casting•Shading results depend on surfacel li ht di ti li ht i t it normal, light direction, light intensity, view direction, material property and so on•Do not account for secondaryDo not account for secondaryray, so do not have shadow,reflection and refraction effectsSample Code of Ray casting Sample Code of Ray casting•for each pixel–cast a ray and find the intersection pointcast a ray and find the intersection point –if have intersectionl bi t•color = ambient•for each lightcolor+=shading from this lightcolor + shading from this light(depending on light property andmaterial property)•return colorreturn color–Elset b k d l•return background_colorAdd ShadowsAdd Shadows•For each pixelCast a ray and find the intersection point–Cast a ray and find the intersection point–color = ambient–for each lightf h li ht•if intersection point is not in shadow area of the light(evaluated by shadow rays)(evaluated by shadow rays)color += shading from this light–return colorreturn colorAdd ShadowsAdd Shadows•As illustrated in the figure below, casting ashadow ray from intersection point to the light, if shadow ray from intersection point to the light if there is an intersection, this point is in shadow •We only want to know whether there is anWe only want to know whether there is anintersection, not which one is closestAdd Ray reflection and refractionAdd Ray reflection and refraction•Ray tracing gives the ability to have objects ith i fl ti bj t ithwith mirror reflections or objects withrefractions.–The first step is to determine where a rayintersects the object.–The next step is to determine the direction the raywill travel when it reflects off the surface orrefracts through the object.–a new ray direction is calculated based on thea new ray direction is calculated based on theincoming ray and the surface normal.Ray Reflections Ray Reflections•The law of reflection:the angle of incidence =the angle of reflection–the angle of incidence = the angle of reflection –incoming ray, reflection ray and normal is in the same plane•The reflection ray is calculated as:h I N d R2()R I I N N=−⋅–where I,N and R are all unit vectorsRay Reflections Ray Reflections•As in the figure, reflection ray is symmetric with respect to the normal symmetric with respect to the normal from the view directionRay RefractionRay Refraction•When light travels from one transparent medium into another the direction of light can changeinto another, the direction of light can changebecause of the relative densities of the mediaRay RefractionRay Refraction•The law of refraction (also called Snell’s Law):–the ratio of the sin es of the angles of incidence and ofrefraction is a constant that depends on the media–The constant is called the relative refractive indexRay Refractions Ray Refractions•Snell’s law gives:N –M sin Өi sin sin i i T Tηθηθ=I Өi M ηT ηi N cos Өi 2222sin sin i i T T ηθηθ=T ӨT-N 2222(1cos )(1cos )i i T T ηθηθ−=−22N (1cos )cos T ηθθ−=The transmitted ray direction can now be calculated by :(T η∗(cos )i i T T T I N ηθηη=+∗。

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