图形学课件
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计算机图形学ppt(共49张PPT)
过程动画技术
过程动画的概念
通过定义物体的运动规律或过程，由计算机自动生成动画。
过程动画的实现方法
基于物理模拟、基于过程建模、基于行为建模等。
过程动画的应用场景
自然现象的模拟（如风、雨、雪）、物体的变形和破碎效果等。
基于物理的动画技术
基于物理的动画概念
利用物理引擎模拟现实世界中的物理现象，生成逼真的动画效果 。
表面模型（Surface Model）
用多边形面片逼近三维物体的表面。
实体模型（Solid Model）
定义三维物体的内部和外部，表示物体的实体。
光线追踪（Ray Tracing）
模拟光线在三维场景中的传播，生成真实感图形。
三维图形的变换与裁剪
几何变换（Geometric Trans…
包括平移、旋转、缩放等变换，用于改变三维物体的位置和形状。
如中点画圆算法，利用圆 的八对称性，通过计算决 策参数来生成圆。
多边形的生成算法
如扫描线填充算法，通过 扫描多边形并计算交点来 生成多边形。
二维图形的变换与裁剪
二维图形的变换
包括平移（Translation）、旋转（Rotation）、 缩放（Scaling）等变换，可以通过变换矩阵来实 现。
二维图形的裁剪
Screen-Space Methods
利用屏幕空间信息进行半透明 物体的渲染，如屏幕空间环境 光遮蔽（SSAO）和屏幕空间 反射（SSR）。
06
计算机动画技术
Chapter
计算机动画概述
计算机动画的定义
01
通过计算机生成连续的动态图像，实现虚拟场景和角色的动态
表现。
计算机动画的应用领域
02
影视特效、游戏设计、虚拟现实、工业设计等。
《计算机图形学》课件
04
光照模型与阴影生成算法的应用广泛，例如在游戏开发、虚拟现实和 电影制作等领域。
纹理映射算法
纹理映射算法用于将图像或纹理贴图映射到三维物体 的表面。
输标02入题
常用的纹理映射算法包括纹理坐标、纹理过滤和纹理 压缩等。
01
03
纹理映射算法的应用广泛，例如在游戏开发、虚拟现 实和数字艺术等领域。
04
工业设计
使用CAD等技术进行产品设计和原型制作 。
游戏开发
创建丰富的游戏场景和角色，提供沉浸式 的游戏体验。
科学可视化
将复杂数据以图形方式呈现，帮助人们理 解和分析数据。
虚拟现实与增强现实
构建虚拟环境，实现人机交互，增强现实 感知。
02
计算机图形学基础知识
图像与图形的关系
图像
由像素组成的二维或三维数据，通常 用于表示真实世界或模拟的视觉信息 。
全息投影技术
总结词
全息投影技术能够实现三维立体显示，为观众提供沉浸式的 观影体验。
详细描述
全息投影技术利用干涉和衍射原理，将三维物体以全息图像 的形式呈现出来，使观众能够从不同角度观察到物体的立体 形态。这种技术将为电影、游戏和其他娱乐领域带来革命性 的变化。
增强现实技术
总结词
增强现实技术能够将虚拟信息与现实世界相结合，提供更加丰富的交互体验。
HSL和HSV模型
基于色调、饱和度和亮度（或 明度）来描述颜色。
RGBA模型
在RGB基础上增加透明度通道 。
图像处理技术
滤波和锐化
通过改变图像的像素值 来减少噪声、突出边缘
或细节。
色彩调整
改变图像中颜色的分布 和强度，以达到特定的
视觉效果。
图像分割
光照模型与阴影生成算法的应用广泛，例如在游戏开发、虚拟现实和 电影制作等领域。
纹理映射算法
纹理映射算法用于将图像或纹理贴图映射到三维物体 的表面。
输标02入题
常用的纹理映射算法包括纹理坐标、纹理过滤和纹理 压缩等。
01
03
纹理映射算法的应用广泛，例如在游戏开发、虚拟现 实和数字艺术等领域。
04
工业设计
使用CAD等技术进行产品设计和原型制作 。
游戏开发
创建丰富的游戏场景和角色，提供沉浸式 的游戏体验。
科学可视化
将复杂数据以图形方式呈现，帮助人们理 解和分析数据。
虚拟现实与增强现实
构建虚拟环境，实现人机交互，增强现实 感知。
02
计算机图形学基础知识
图像与图形的关系
图像
由像素组成的二维或三维数据，通常 用于表示真实世界或模拟的视觉信息 。
全息投影技术
总结词
全息投影技术能够实现三维立体显示，为观众提供沉浸式的 观影体验。
详细描述
全息投影技术利用干涉和衍射原理，将三维物体以全息图像 的形式呈现出来，使观众能够从不同角度观察到物体的立体 形态。这种技术将为电影、游戏和其他娱乐领域带来革命性 的变化。
增强现实技术
总结词
增强现实技术能够将虚拟信息与现实世界相结合，提供更加丰富的交互体验。
HSL和HSV模型
基于色调、饱和度和亮度（或 明度）来描述颜色。
RGBA模型
在RGB基础上增加透明度通道 。
图像处理技术
滤波和锐化
通过改变图像的像素值 来减少噪声、突出边缘
或细节。
色彩调整
改变图像中颜色的分布 和强度，以达到特定的
视觉效果。
图像分割
图形学课件(第三章图形变换)
连续变换可以通过将一系列基本 变换矩阵按照时间顺序进行串联 来实现。每个基本变换对应一个 变换矩阵，将这些矩阵依次相乘 即可得到连续变换的总矩阵。
连续变换的应用
在计算机动画制作中，连续变换 被广泛应用于模拟物体的自然运 动和动态效果。通过连续变换， 可以逼真地模拟现实世界中的各 种运动轨迹和动态效果，提高动 画的逼真度和观赏性。
场景模拟
通过图形变换技术，可以模拟出各种真实场景，如城市街道、自然 风光、建筑模型等，为虚拟现实和增强现实应用提供逼真的视觉效 果。
交互体验
利用图形变换技术，用户可以在虚拟现实和增强现实环境中与场景 进行互动，如漫游、旋转、缩放等。
实时渲染
通过图形变换技术，可以实现高精度的实时渲染，为用户提供更加逼 真的虚拟现实和增强现实体验。
04 矩阵运算与组合变换
矩阵的乘法
矩阵的乘法规则
矩阵的乘法仅当第一个矩阵的列数等于第二个矩阵的行数时才能进行。乘法结果是一个新的矩阵，其行数等于第一个 矩阵的行数，列数等于第二个矩阵的列数。
矩阵乘法的几何意义
在二维空间中，矩阵的乘法可以看作是先进行行变换再进行列变换的操作。在三维空间中，矩阵的乘法可以看作是先 进行旋转或缩放再进行平移的操作。
特殊矩阵
单位矩阵、零矩阵、转置矩阵等。
组合变换
组合变换的概念
组合变换是指将多个基本变换（如平移、旋转、缩放等）按照 一定的顺序进行组合，从而实现对图形的一系列变换。
组合变换的矩阵表示
组合变换可以通过将相应的基本变换矩阵进行乘法运算来实现 。例如，先进行平移再进行旋转的组合变换可以通过将相应的
平移矩阵和旋转矩阵相乘得到。
透视变换通常使用四个参数： 视点、视平面、主点、和灭点 来定义。
图形学1PPT课件
CGI计算机图形接口
设备 驱动程序
设备 驱动程序
设备 驱动程序
CGM计算机图形元文件
设备 A
设备 B
设备 C
计算机图形学发展
70年代
真实感图形学
1970年，Bouknight提出了第一个光反射 模型
1971年Gourand提出“漫反射模型＋插值” 的思想，被称为Gourand明暗处理
1975年，Phong提出了著名的简单光照模 型- Phong模型
计算机图形学的应用及研究前沿
计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）
奥迪效果图和线框图
计算机图形学的应用及研究前沿
可视化
1987年2月英国国家科学基金会在华盛顿召开了 有关科学计算可视化的首次会议。会议一致认为 “将图形和图象技术应用于科学计算是一个全新 的领域” 科学家们不仅需要分析由计算机得出 的计算数据，而且需要了解在计算机过程中数据 的变化。会议将这一技术定名为“科学计算可视 化(Visualization in Scientific Computing)”。
图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发 展
计算机图形学发展
90年代：微机和软件系统的普及使得图形学的 应用领域日益广泛。
标准化、集成化、智能化 多媒体技术、人工智能、科学计算可视化、
虚拟现实 三维造型技术
本节完
计算机图形学的应用及研究前沿
计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）
基于工程图纸的三维重建
本节完
计算机图形学发展
50年代
1950年，第一台图形显示器作为美国麻省 理工学院（MIT）旋风I号（Whirlwind I） 计算机的附件诞生了
1958年，美国Calcomp公司由联机的数字 记录仪发展成滚筒式绘图仪，GerBer公司 把数控机床发展成为平板式绘图仪
设备 驱动程序
设备 驱动程序
设备 驱动程序
CGM计算机图形元文件
设备 A
设备 B
设备 C
计算机图形学发展
70年代
真实感图形学
1970年，Bouknight提出了第一个光反射 模型
1971年Gourand提出“漫反射模型＋插值” 的思想，被称为Gourand明暗处理
1975年，Phong提出了著名的简单光照模 型- Phong模型
计算机图形学的应用及研究前沿
计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）
奥迪效果图和线框图
计算机图形学的应用及研究前沿
可视化
1987年2月英国国家科学基金会在华盛顿召开了 有关科学计算可视化的首次会议。会议一致认为 “将图形和图象技术应用于科学计算是一个全新 的领域” 科学家们不仅需要分析由计算机得出 的计算数据，而且需要了解在计算机过程中数据 的变化。会议将这一技术定名为“科学计算可视 化(Visualization in Scientific Computing)”。
图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发 展
计算机图形学发展
90年代：微机和软件系统的普及使得图形学的 应用领域日益广泛。
标准化、集成化、智能化 多媒体技术、人工智能、科学计算可视化、
虚拟现实 三维造型技术
本节完
计算机图形学的应用及研究前沿
计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）
基于工程图纸的三维重建
本节完
计算机图形学发展
50年代
1950年，第一台图形显示器作为美国麻省 理工学院（MIT）旋风I号（Whirlwind I） 计算机的附件诞生了
1958年，美国Calcomp公司由联机的数字 记录仪发展成滚筒式绘图仪，GerBer公司 把数控机床发展成为平板式绘图仪
计算机图形学_完整版 ppt课件
图元（图素） Primitive 矢量（向量）图 Vecter-based graphics 参数图 Parametric 动画 animation
▲ 图像（Image）
➢一些相关概念： 像素 Pixel 网格图 Grid 位图 Bitmap 点阵图 光栅图 Raster 图片 Picture……
计算机图形学与虚拟现实 Computer Graphics and Virtual Reality
第一章 图形学综述 第二章 图形系统概述 第三章 输出图元 第四章 图元属性 第五章 图形变换 第六章 三维对象的表示 第七章 可见面判别算法 第八章 光照模型 第九章 图形用户界面和交互输入方法 第十章 颜色模型 第十一章 虚拟现实技术
系统 存储器
CPU
DAC
图 形
GPU
帧缓存 显存
卡
接口
视频卡
系统总线
其他输入/输出设备
图形卡工作原理示意
图形处理器
GPU
✓可看作连接计算机和显示终端的纽带。不仅存储图 形，还能完成大部分图形函数，减轻了CPU的负担， 提高了显示能力和显示速度。
图形软件体系结构
专业应用系统，如MATLAB、 AutoCAD、3DSMAX、 UG……
CGM 图元文件
CGI 设备相关服务
操作系统通信接口
图形输 入设备
图形 工作站
图形输 出设备
图形输出显示设备
阴极射线管 CRT
存储管式显示器→随机扫描显示器（矢量显示器）→ 刷新式光栅扫描显示器→彩色光栅扫描显示器
平板显示器FPD 等离子体显示板 薄膜光电显示器 发光二极管LED 液晶显示器LCD
边界表示 B-reps
使用一组多边形平面或曲面——面片，来描述 三维对象。面片将对象分为内部和外部。
▲ 图像（Image）
➢一些相关概念： 像素 Pixel 网格图 Grid 位图 Bitmap 点阵图 光栅图 Raster 图片 Picture……
计算机图形学与虚拟现实 Computer Graphics and Virtual Reality
第一章 图形学综述 第二章 图形系统概述 第三章 输出图元 第四章 图元属性 第五章 图形变换 第六章 三维对象的表示 第七章 可见面判别算法 第八章 光照模型 第九章 图形用户界面和交互输入方法 第十章 颜色模型 第十一章 虚拟现实技术
系统 存储器
CPU
DAC
图 形
GPU
帧缓存 显存
卡
接口
视频卡
系统总线
其他输入/输出设备
图形卡工作原理示意
图形处理器
GPU
✓可看作连接计算机和显示终端的纽带。不仅存储图 形，还能完成大部分图形函数，减轻了CPU的负担， 提高了显示能力和显示速度。
图形软件体系结构
专业应用系统，如MATLAB、 AutoCAD、3DSMAX、 UG……
CGM 图元文件
CGI 设备相关服务
操作系统通信接口
图形输 入设备
图形 工作站
图形输 出设备
图形输出显示设备
阴极射线管 CRT
存储管式显示器→随机扫描显示器（矢量显示器）→ 刷新式光栅扫描显示器→彩色光栅扫描显示器
平板显示器FPD 等离子体显示板 薄膜光电显示器 发光二极管LED 液晶显示器LCD
边界表示 B-reps
使用一组多边形平面或曲面——面片，来描述 三维对象。面片将对象分为内部和外部。
计算机图形学完整ppt课件
工业设计
利用计算机图形学进行产品设计、仿 真和可视化，提高设计效率和质量。
建筑设计
建筑师使用计算机图形学技术创建三 维模型，进行建筑设计和规划。
计算机图形学的相关学科
计算机科学
计算机图形学是计算机科学的一个重 要分支，涉及计算机算法、数据结构、 操作系统等方面的知识。
物理学
计算机图形学中的很多技术都借鉴了 物理学的原理，如光学、力学等，用 于实现逼真的渲染效果和物理模拟。
02
03
显示器
LCD、LED、OLED等，用 于呈现图形图像。
投影仪
将计算机生成的图像投影 到大屏幕上，用于会议、 教学等场合。
虚拟现实设备
如VR头盔，提供沉浸式的 3D图形体验。
图形输入设备
键盘和鼠标
最基本的图形输入设备，用于操 作图形界面和输入命令。
触摸屏
通过触摸操作输入图形指令，常 见于智能手机和平板电脑。
多边形裁剪算法
文字裁剪算法
判断一个多边形是否与另一个多边形相交， 如果相交则求出交集部分并保留。
针对文字的特殊性质，采用特殊的裁剪算法 进行处理，以保证文字的完整性和可读性。
05
光照模型与表面绘制
光照模型概述
光照模型是计算机图形学中用于模拟光线与物体表面交互的数学模型。
光照模型能够模拟光线在物体表面的反射、折射、阴影等效果，从而增强图形的真 实感。
二维纹理映射原理
根据物体表面的顶点坐标和纹理坐标，计算出每个像素点对应的纹 理坐标，从而确定像素点的颜色值。
二维纹理映射实现方法
使用OpenGL中的纹理映射函数，将纹理图像映射到物体表面。
三维纹理映射技术
三维纹理坐标
定义在三维空间中的坐标，表示纹理图像上的位置。
计算机图形学PPT课件
三维图形投影方法
正投影
平行光线垂直投射到投影面上 ，形成物体的正投影。
斜投影
平行光线与投影面成一定角度 投射，形成物体的斜投影。
透视投影
从视点出发，通过透视变换将 三维物体投影到二维平面上。
阴影生成
根据光源位置和物体形状，计 算阴影的位置和形状。
05
真实感图形绘制技术
Chapter
消隐技术
消隐算法分类
计算机图形学PPT课件
目录
• 引言 • 图形系统基础 • 基本图形生成算法 • 三维图形变换与观察 • 真实感图形绘制技术 • 曲线与曲面绘制技术 • 计算机动画技术 • 计算机图形学前沿技术
01
引言
Chapter
计算机图形学概述
01
02
03
计算机图形学定义
研究计算机生成、处理和 显示图形的一门科学。
平移变换 旋转变换 缩放变换 镜像变换
将三维图形沿x、y、z方向移动一 定距离，不改变图形形状和大小 。
在x、y、z方向分别进行缩放，可 改变图形的大小和形状。
三维图形复合变换
变换顺序
先进行缩放、旋转，再进行平移，注意变换顺序对结果的影响。
变换矩阵
将各种基本变换表示为矩阵形式，便于进行复合变换的计算。
医学诊断
通过计算机图形学技术，医生可以更 直观地了解病人病情，进行更准确的 诊断和治疗。
军事模拟
计算机图形学在军事模拟和训练中发 挥重要作用，提高训练效果和作战能 力。
THANKS
感谢观看
通过模拟自然现象或物理过程，生成具有真实感的动画效 果。
过程动画制作流程
建立自然现象或物理过程的数学模型，利用计算机图形学 技术模拟模型的运动和变化过程，生成具有真实感的动画 效果。
计算机图形学完整课件
由于我们使用的只是d的符号，而且d的增量都是整数，只是其初始值包含小数。因此，我们可以用2d代替d，来摆脱小数，写出仅包含整数运算的算法：
void MidpointLine(x1,y1,x2,y2,color) int x1,y1,x2,y2,color; { int a,b,d1,d2,dx,y; a=y1-y2; b=x2-x1; d=2*a+b; d1=2*a; d2=2*(a+b); x=x1; y=y1;
setpixel(x,y,color); while(x<x2) { If(d<0) {x++;y++d+=d2;} else {x++;d+=d1;} setpixel(x,y,color); }
2.1.3 Bresenham 画线算法
算法分析
算法推导
可视化效果图
2.1.4 图形环境的设置
1.2 计算机图形学的发展
1.2.1 计算机图形学的发展简史 ５０年代准备阶段 ６０年代发展阶段 ７０年代推广应用阶段 ８０年代系统实用化阶段 ９０年代标准化智能化阶段
1.2.2 计算机图形学的发展方向 造型技术的发展 真实图形生成技术的发展 人—机交互技术的发展 模拟艺术的仿真 计算机动画
另外，为了方便起见，我们只考虑中心在原点，半径为整数R的圆x2+y2=R2。对于中心不在原点的圆，可先通过平移变换，化为中心在原点的圆，再进行扫描转换，把所得的像素坐标加上一个位移量即得所求像素坐标。
1.3 计算机图形学的应用
1.用户接口 2.计算机辅助设计与制造（CAD/CAM） 3.地形地貌和自然资源图 4.计算机动画和艺术 5.件 计算机图形系统软件 计算机图形显示原理 光栅扫描式图形显示器
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。
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。
2024版计算机图形学课件ppt课件
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虚拟现实和增强现实VR 图形学来生成和处理三维场景。
工业设计师使用计算机图形学技术来设计和模拟产品的外观和性能。
建筑设计建筑师使用计算机图形学技术来设计和可视化建筑模型。
游戏开发游戏中的场景、角色、特效等都需要计算机图形学的支持。
影视制作都需要用到计算机图形学技术。
计算机科学数学物理艺术02计算机图形学基础Chapter图形与图像的基本概念图形与图像的定义图形是指用矢量方法描述的图像，由几何图元（点、线、面等）组成；图像则是由像素点组成的位图。
图形与图像的区别图形具有矢量特性，可以无限放大而不失真；而图像放大后会失真，因为其由固定数量的像素点组成。
计算机图形学的研究内容研究如何在计算机中表示、生成、处理和显示图形的一门科学。
色彩模型与颜色空间色彩模型01颜色空间02常见的色彩模型与颜色空间031 2 3光栅图形矢量图形光栅图形与矢量图形的比较光栅图形与矢量图形图形显示设备与坐标系统图形显示设备01坐标系统02设备坐标系与逻辑坐标系0303图形生成技术Chapter直线生成算法DDA算法Bresenham算法中点画线法圆生成算法八分法画圆中点画圆法Bresenham画圆法扫描线填充算法边界填充算法洪水填充算法030201多边形填充算法01020304几何变换光照模型投影变换纹理映射三维图形生成技术04图形变换与裁剪技术Chapter01020304将图形在平面上沿某一方向移动一定的距离，不改变图形的大小和形状。
平移变换将图形绕某一点旋转一定的角度，不改变图形的大小和形状。
旋转变换将图形在某一方向上按比例放大或缩小，改变图形的大小但不改变形状。
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，不改变物体的大小和形状。
将三维物体绕某一轴旋转一定的角度，不改变物体的大小和形状。
计算机图形学OpenGL(第三版)课件
计算机图形学 OpenGL(第三版)课 件
REPORTING
• 计算机图形学概述 • OpenGL基础知识 • 3D图形绘制 • 动画与交互 • 高级技术与应用 • 案例与实践
目录
PART 01
计算机图形学概述
REPORTING
计算机图形学的定义与分类
计算机图形学是一门研究计算机生成 和操作图形的科学，它通过数学算法 和计算机程序实现二维和三维图形的 生成、渲染和交互。
虚拟现实中的图形渲染技术
3D场景构建
利用OpenGL的3D图形渲染能力，构建逼真的虚拟现实场景，提供 沉浸式的体验。
实时交互与动态渲染
在虚拟现实中实现实时交互，如人物移动、视角变换等，同时根据 用户行为动态调整渲染效果，提高虚拟现实的真实感和沉浸感。
虚拟现实应用开发
结合OpenGL技术，开发各种虚拟现实应用，如虚拟旅游、虚拟展览 、虚拟教育等，拓展虚拟现实技术的应用领域。
OpenGL库（如GLUT或GLEW ）。
对于Linux系统，需要安装 OpenGL库（如GLUT或SDL） 和相应的编译器。
开发者还需要了解如何配置项 目以包含OpenGL头文件和链 接OpenGL库。
OpenGL基本操作
01
02
03
04
05
初始化OpenGL 上下文
绘制基本图形
变换和投影
光照和材质
纹理映射
创建窗口，设置窗口回调 函数，创建渲染上下文等 。
使用OpenGL提供的函数绘 制点、线、多边形等基本 图形。
理解并使用平移、旋转、 缩放等变换以及投影矩阵 。
设置光源、材质属性以及 光照模型。
加载和绑定纹理，对几何 图形进行纹理映射。
REPORTING
• 计算机图形学概述 • OpenGL基础知识 • 3D图形绘制 • 动画与交互 • 高级技术与应用 • 案例与实践
目录
PART 01
计算机图形学概述
REPORTING
计算机图形学的定义与分类
计算机图形学是一门研究计算机生成 和操作图形的科学，它通过数学算法 和计算机程序实现二维和三维图形的 生成、渲染和交互。
虚拟现实中的图形渲染技术
3D场景构建
利用OpenGL的3D图形渲染能力，构建逼真的虚拟现实场景，提供 沉浸式的体验。
实时交互与动态渲染
在虚拟现实中实现实时交互，如人物移动、视角变换等，同时根据 用户行为动态调整渲染效果，提高虚拟现实的真实感和沉浸感。
虚拟现实应用开发
结合OpenGL技术，开发各种虚拟现实应用，如虚拟旅游、虚拟展览 、虚拟教育等，拓展虚拟现实技术的应用领域。
OpenGL库（如GLUT或GLEW ）。
对于Linux系统，需要安装 OpenGL库（如GLUT或SDL） 和相应的编译器。
开发者还需要了解如何配置项 目以包含OpenGL头文件和链 接OpenGL库。
OpenGL基本操作
01
02
03
04
05
初始化OpenGL 上下文
绘制基本图形
变换和投影
光照和材质
纹理映射
创建窗口，设置窗口回调 函数，创建渲染上下文等 。
使用OpenGL提供的函数绘 制点、线、多边形等基本 图形。
理解并使用平移、旋转、 缩放等变换以及投影矩阵 。
设置光源、材质属性以及 光照模型。
加载和绑定纹理，对几何 图形进行纹理映射。
计算机图形学基本知识PPT课件
仿射变换
通过仿射变换矩阵对图像进行变换，可以处理更复杂的几何变换。
04 计算机图形学高级技术
光照模型与材质贴图
光照模型
描述物体表面如何反射光线的数 学模型，包括漫反射、镜面反射 和环境光等。
材质贴图
通过贴图技术将纹理映射到物体 表面，增强物体的真实感和细节 表现。
纹理映射
纹理映射技术
将图像或纹理图案映射到三维物体表 面，增强物体的表面细节和质感。
总结
计算机图形学在游戏设计、电影与动 画制作、虚拟现实与仿真等领域有着 广泛的应用。
计算机图形学的发展历程
起步阶段
20世纪50年代，计算机图形 学开始起步，主要应用于几 何形状的生成和简单图形的 处理。
发展阶段
20世纪80年代，随着计算机 性能的提高，计算机图形学 开始广泛应用于电影、游戏 等领域。
总结
计算机图形学利用计算机 技术生成、处理和显示图 形，实现真实世界的模拟 和再现。
计算机图形学的应用领域
游戏设计
游戏中的角色、场景和特效都需要用 到计算机图形学技术。
电影与动画制作
电影特效、角色建模和动画制作都离 不开计算机图形学。
虚拟现实与仿真
虚拟现实技术、军事仿真、工业设计 等领域都广泛应用计算机图形学。
向量图
向量图是矢量图的一种，通常用于描 述二维图形，如几何图形和图表。
图像的分辨率与质量
分辨率
分辨率是指图像中像素的数量， 通常以像素每英寸（PPI）或像素
每厘米（PPC）为单位。
质量
图像质量取决于分辨率、颜色深度 和压缩等因素。
压缩
图像压缩是一种减少图像文件大小 的方法，常见的图像压缩格式有 JPEG和PNG等。
通过仿射变换矩阵对图像进行变换，可以处理更复杂的几何变换。
04 计算机图形学高级技术
光照模型与材质贴图
光照模型
描述物体表面如何反射光线的数 学模型，包括漫反射、镜面反射 和环境光等。
材质贴图
通过贴图技术将纹理映射到物体 表面，增强物体的真实感和细节 表现。
纹理映射
纹理映射技术
将图像或纹理图案映射到三维物体表 面，增强物体的表面细节和质感。
总结
计算机图形学在游戏设计、电影与动 画制作、虚拟现实与仿真等领域有着 广泛的应用。
计算机图形学的发展历程
起步阶段
20世纪50年代，计算机图形 学开始起步，主要应用于几 何形状的生成和简单图形的 处理。
发展阶段
20世纪80年代，随着计算机 性能的提高，计算机图形学 开始广泛应用于电影、游戏 等领域。
总结
计算机图形学利用计算机 技术生成、处理和显示图 形，实现真实世界的模拟 和再现。
计算机图形学的应用领域
游戏设计
游戏中的角色、场景和特效都需要用 到计算机图形学技术。
电影与动画制作
电影特效、角色建模和动画制作都离 不开计算机图形学。
虚拟现实与仿真
虚拟现实技术、军事仿真、工业设计 等领域都广泛应用计算机图形学。
向量图
向量图是矢量图的一种，通常用于描 述二维图形，如几何图形和图表。
图像的分辨率与质量
分辨率
分辨率是指图像中像素的数量， 通常以像素每英寸（PPI）或像素
每厘米（PPC）为单位。
质量
图像质量取决于分辨率、颜色深度 和压缩等因素。
压缩
图像压缩是一种减少图像文件大小 的方法，常见的图像压缩格式有 JPEG和PNG等。
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面法向与观察矢量角度超过90度，为背对观
察者
第三步:
按看到的顺序画出可见面
Z缓存 Z缓存保存每个象素对应的Z坐标 初始化为最大深度 计算每个可见面上每个点的Z值
如果多边形为三角形或矩形，就不会太难
如果点的Z值小于Z缓存中的值，就保存 该点颜色，并更新Z缓存
否则丢弃，继续下一个点
计算机图形学 （CG）
提纲
三维模型表示
三维模型的渲染
三维设计与三维设计软件介绍
现实世界中的物体
非视觉信息（材料、强度、质量等） 视觉信息
非形状信息（色彩、纹理、图案等） 形状信息（拓扑关系、形状、大小等）
非视觉信息 物体信息 视觉信息 非形状信息
形状信息
建模（Modeling）
V={v1,
边界表示法
表达能力极强，精确描述构成物体边界的点、线、 面和体四种类型元素，通过结点几何位置以及元素 间的拓扑关系完成物体的几何描述。 对物体几何特征的整体描述能力弱，不能反映物体 的构造过程和特点，也不能记录物体的组成元素的 原始特征 。 适用于空间操作和分析，但数据量大，数据关系复 杂，存储空间占用多，计算速度较慢。
计算机中三维模型的表示
边界表示法 (Boundary representations) 空间划分表示法 (Space-partitioning representations) 结构实体几何表示法 (Constructive Solid Geometry)
表示方法的评价
评价一种表示方法可从以下几方面进行比较： 表达对象的能力（Expressive Power） 表达的有效性（Validity） 模型的紧凑性（Conciseness） 操作的封闭性（Closure of Operations） 操作的简易性 （Ease of Operations）
+Y
+Z
+X
3D模型
由多边形集合组成
多边形的边 多边形的顶点
只是一个 “壳”
不是个实体
+Y
模型变换
点坐标平移、旋转、缩放
+Z
多边形
+X
裁剪
近裁剪平面
远裁剪平面
视景体
视平面
投影
将三维物体映射到二维的视平面上
视平面
透视投影
平行投影
投影
平行投影
沿平行线投影到观察平面
透视投影
构建过程
布尔操作（并、交、差） 递归组合 二叉树
U Block － Block CSG SubObject － Cylinder CSG Object U
一个复杂的CSG例子
Brian Wyvill et al., U.of Calgary
结构实体几何表示法小结
模型关系简单，处理方便，无冗余的几何信息，详 细记录了构成几何物体的原始特征和全部定义参数， 必要时还可以在物体和体素上附加各种属性。 表达能力较强，但难于表示自由曲面以及具有自由 曲面的实体。 不具备物体面、环、边、点的拓扑关系，空间分析 难以进行 。 物体的CSG表示不具有唯一性。
结构实体几何表示法(CSG)
CSG包含一组简单的几何实体类型，如立方 体、圆柱、圆锥、球等。它们称为基元实体 类型（Primitives）。 CSG还包含一组施加于基元实体类型上的操 作。这些操作包括：几何变换、布尔集合运 算以及剖割、局部修改等其他造型操作。 CSG用二叉树的形式记录一个模型的所有组 成体素拼合运算的过程。
球面近似的一个例子
三维网格模型
三角网格模型的描述：
三角片只能在其边上与其它三角片相交 每条内部边只能有两个相邻三角片
边界边只能有一个相邻三角片
三角网格模型的定义：
三角网格模型M定义为一个二元组，即M＝(K, V), 其中：
… , vm}, viR3，表示网格M的顶点在三维空间中的位置； K为表征网格拓扑结构的单纯复形。一个单纯复形包含一组单形， 其中{1}， {m}称为顶点，{i, j}等称为边，{i, j, k}称为面。
SolidWorks界面
三维动画设计软件
在三维动画设计领域里，有许多强大的制作 工具和辅助工具，下面就介绍其中最具代表 性的软件如 3DS MAX 、 MAYA 、 Sumatra 、 Lightwave 、 Rhino等。
3DS MAX
3DS MAX被广泛地应用于电视及娱乐业中，比如片 头动画和视频游戏的制作。在影视特效方面也有 一定的应用。而在国内发展的相对比较成熟的建 筑效果图和建筑动画制作中，3DS MAX更是占据了 绝对的优势。建筑方面的应用相对来说要局限性 大一些，它只要求单帧的渲染效果和环境效果， 只涉及到比较简单的动画；片头动画和视频游戏 应用占的比例很大；影视特效上的应用则把3DS MAX的功能发挥到了极至。
沿相交于视点的投影线投影
根据距离缩放
真实感渲染
可见面的确定
模型空间法 图像空间法
消隐 透明度 纹理映射
可见面的确定
要画那些曲面？
模型空间法 隐藏面消除 图像空间法 Z缓存 光线投射
隐藏面消除
第一步:
删去所有在视景体外的多边形
第二步:
删去所有背对观察者的多边形
CATIA界面
UG(UNIGRAPHICS)
UG软件是由美国 EDS公司开发的。在汽车、 航空的CAD、CAM以及 CAE工程研究与开发 中，具有相当全面的优势，尤其在参数化同 步工程设计、 CAM自动编程、曲面造型、实 体建模等等方面，高出其他软件一筹。
UG界面
Pro/ENGINEER
光线跟踪
光线跟踪（照射、反射、辐射）
光线跟踪：确定每个象素的颜色
难点：效率、光线的散射
消隐
基于多边形面与光线的角度来计算
面法向
Gouraud消隐算法
根据象素与各个顶点的距离和顶点的消 隐取平均计算
纹理映射S
将位图应用到曲面上——皮肤、盔甲
纹理图
曲面
(二维纹理单元)
像素
三维设计
设计者首先构思产品（零件）的几何实体概 念，再通过三维实体建模技术直接得到可视 化的实体模型。如果需用二维图纸，可以由 计算机从实体模型自动生成二维图纸。在这 种三维→三维的思维方式里，二维图纸的作 用被大大削弱了。而二维图纸的生成过程， 也完全可以让计算机去完成，设计者无须进 行思维的转换。
三维设计
二维设计思维方式
设计者需要首先构思产品（零件）的几 何实体概念，再将实体概念用手工（或 平面CAD绘图软件）转换为二维图纸。 使用二维图纸时，再将二维图纸思维还 原为实体概念。在这种由三维→二维→ 三维的思维方式里，二维图纸成了向实 体模型转换的中间环节，充当着不可或 缺的至关重要的角色。
三维设计思维方式
边界表示法（B-rep）
以物体边界为基础定义和描述三维物体 边界表示的基本元素
几何信息：面、边、顶点等 v1 拓扑信息：内部的连接信息 e3 e1 e2
v4
v2 e4
e6
e5
v3
边界表示的基本元素（Cont.）
曲面
NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines) 由一组三角形来近似
空间划分表示法
空间划分表示法使用同一类型的基元实体的 空间组合来表达复杂的形状。
八叉树法（Octree）
BSP树法（Binary Space-partitioning tree）
K-D树法（K-dimensional tree）
空间划分表示法小结
能表达各种复杂的实体，但对于曲面、壳体 等表达十分不易。 表达精度较低，可通过增加体素的分辨度来 改善，但导致增加大量的空间。 紧凑性不佳 适用于局部加工与局部修改的场合，例如雕 塑的模拟
很快的上手。
3DS MAX作品欣赏
3DS MAX作品欣赏
3DS MAX作品欣赏
MAYA
MAYA，是一个很庞大的软件系统，而且它其中的 许多操作已经成了行业规范，比如MAX的许多操作 就借鉴了MAYA。 MAYA有许多突出的功能，如完 整的建模系统、强大的程序纹理材质和粒子系统、 出色的角色动画系统以及MEL脚本语言等。MAYA 每次的升级都带来全新的功能，所以成就了许多影 视大片的视觉特技。
建模是指在计算机中对物体的形状信息进行 描述的过程。 建模技术
形状表达：
将形状的结构用数据结构模拟出来。此种描 述形状的数据结构即称为模型（Model）。 形状操作： 实现模型的生成、修改、综合、分析、计算、 显示等操作。
三维数字模型的优点
一个完善的三维模型可用于生成无数的不同 视角的视图，比如随着边框和视点而变化。 一个三维模型可进行数字分析，例如计算物 体的体积、质量，或检测运动的实体间是否 相互接触。 通过变化模型参数，可方便地进行三维模型 的控制和操作。
3DS MAX的优势
性价比高
3DS MAX有非常好的性能价格比，它所提供的
强大的功能远远超过了它自身低廉的价格，一 般的制作公司就可以承受的起，这样就可以使 作品的制作成本大大降低，而且它对硬件系统 的要求相对来说也很低，一般普通的配置已经 就可以满足学习的需要了。
上手容易
3DS MAX的制作流程十分简洁高效，可以使你
察者
第三步:
按看到的顺序画出可见面
Z缓存 Z缓存保存每个象素对应的Z坐标 初始化为最大深度 计算每个可见面上每个点的Z值
如果多边形为三角形或矩形，就不会太难
如果点的Z值小于Z缓存中的值，就保存 该点颜色，并更新Z缓存
否则丢弃，继续下一个点
计算机图形学 （CG）
提纲
三维模型表示
三维模型的渲染
三维设计与三维设计软件介绍
现实世界中的物体
非视觉信息（材料、强度、质量等） 视觉信息
非形状信息（色彩、纹理、图案等） 形状信息（拓扑关系、形状、大小等）
非视觉信息 物体信息 视觉信息 非形状信息
形状信息
建模（Modeling）
V={v1,
边界表示法
表达能力极强，精确描述构成物体边界的点、线、 面和体四种类型元素，通过结点几何位置以及元素 间的拓扑关系完成物体的几何描述。 对物体几何特征的整体描述能力弱，不能反映物体 的构造过程和特点，也不能记录物体的组成元素的 原始特征 。 适用于空间操作和分析，但数据量大，数据关系复 杂，存储空间占用多，计算速度较慢。
计算机中三维模型的表示
边界表示法 (Boundary representations) 空间划分表示法 (Space-partitioning representations) 结构实体几何表示法 (Constructive Solid Geometry)
表示方法的评价
评价一种表示方法可从以下几方面进行比较： 表达对象的能力（Expressive Power） 表达的有效性（Validity） 模型的紧凑性（Conciseness） 操作的封闭性（Closure of Operations） 操作的简易性 （Ease of Operations）
+Y
+Z
+X
3D模型
由多边形集合组成
多边形的边 多边形的顶点
只是一个 “壳”
不是个实体
+Y
模型变换
点坐标平移、旋转、缩放
+Z
多边形
+X
裁剪
近裁剪平面
远裁剪平面
视景体
视平面
投影
将三维物体映射到二维的视平面上
视平面
透视投影
平行投影
投影
平行投影
沿平行线投影到观察平面
透视投影
构建过程
布尔操作（并、交、差） 递归组合 二叉树
U Block － Block CSG SubObject － Cylinder CSG Object U
一个复杂的CSG例子
Brian Wyvill et al., U.of Calgary
结构实体几何表示法小结
模型关系简单，处理方便，无冗余的几何信息，详 细记录了构成几何物体的原始特征和全部定义参数， 必要时还可以在物体和体素上附加各种属性。 表达能力较强，但难于表示自由曲面以及具有自由 曲面的实体。 不具备物体面、环、边、点的拓扑关系，空间分析 难以进行 。 物体的CSG表示不具有唯一性。
结构实体几何表示法(CSG)
CSG包含一组简单的几何实体类型，如立方 体、圆柱、圆锥、球等。它们称为基元实体 类型（Primitives）。 CSG还包含一组施加于基元实体类型上的操 作。这些操作包括：几何变换、布尔集合运 算以及剖割、局部修改等其他造型操作。 CSG用二叉树的形式记录一个模型的所有组 成体素拼合运算的过程。
球面近似的一个例子
三维网格模型
三角网格模型的描述：
三角片只能在其边上与其它三角片相交 每条内部边只能有两个相邻三角片
边界边只能有一个相邻三角片
三角网格模型的定义：
三角网格模型M定义为一个二元组，即M＝(K, V), 其中：
… , vm}, viR3，表示网格M的顶点在三维空间中的位置； K为表征网格拓扑结构的单纯复形。一个单纯复形包含一组单形， 其中{1}， {m}称为顶点，{i, j}等称为边，{i, j, k}称为面。
SolidWorks界面
三维动画设计软件
在三维动画设计领域里，有许多强大的制作 工具和辅助工具，下面就介绍其中最具代表 性的软件如 3DS MAX 、 MAYA 、 Sumatra 、 Lightwave 、 Rhino等。
3DS MAX
3DS MAX被广泛地应用于电视及娱乐业中，比如片 头动画和视频游戏的制作。在影视特效方面也有 一定的应用。而在国内发展的相对比较成熟的建 筑效果图和建筑动画制作中，3DS MAX更是占据了 绝对的优势。建筑方面的应用相对来说要局限性 大一些，它只要求单帧的渲染效果和环境效果， 只涉及到比较简单的动画；片头动画和视频游戏 应用占的比例很大；影视特效上的应用则把3DS MAX的功能发挥到了极至。
沿相交于视点的投影线投影
根据距离缩放
真实感渲染
可见面的确定
模型空间法 图像空间法
消隐 透明度 纹理映射
可见面的确定
要画那些曲面？
模型空间法 隐藏面消除 图像空间法 Z缓存 光线投射
隐藏面消除
第一步:
删去所有在视景体外的多边形
第二步:
删去所有背对观察者的多边形
CATIA界面
UG(UNIGRAPHICS)
UG软件是由美国 EDS公司开发的。在汽车、 航空的CAD、CAM以及 CAE工程研究与开发 中，具有相当全面的优势，尤其在参数化同 步工程设计、 CAM自动编程、曲面造型、实 体建模等等方面，高出其他软件一筹。
UG界面
Pro/ENGINEER
光线跟踪
光线跟踪（照射、反射、辐射）
光线跟踪：确定每个象素的颜色
难点：效率、光线的散射
消隐
基于多边形面与光线的角度来计算
面法向
Gouraud消隐算法
根据象素与各个顶点的距离和顶点的消 隐取平均计算
纹理映射S
将位图应用到曲面上——皮肤、盔甲
纹理图
曲面
(二维纹理单元)
像素
三维设计
设计者首先构思产品（零件）的几何实体概 念，再通过三维实体建模技术直接得到可视 化的实体模型。如果需用二维图纸，可以由 计算机从实体模型自动生成二维图纸。在这 种三维→三维的思维方式里，二维图纸的作 用被大大削弱了。而二维图纸的生成过程， 也完全可以让计算机去完成，设计者无须进 行思维的转换。
三维设计
二维设计思维方式
设计者需要首先构思产品（零件）的几 何实体概念，再将实体概念用手工（或 平面CAD绘图软件）转换为二维图纸。 使用二维图纸时，再将二维图纸思维还 原为实体概念。在这种由三维→二维→ 三维的思维方式里，二维图纸成了向实 体模型转换的中间环节，充当着不可或 缺的至关重要的角色。
三维设计思维方式
边界表示法（B-rep）
以物体边界为基础定义和描述三维物体 边界表示的基本元素
几何信息：面、边、顶点等 v1 拓扑信息：内部的连接信息 e3 e1 e2
v4
v2 e4
e6
e5
v3
边界表示的基本元素（Cont.）
曲面
NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines) 由一组三角形来近似
空间划分表示法
空间划分表示法使用同一类型的基元实体的 空间组合来表达复杂的形状。
八叉树法（Octree）
BSP树法（Binary Space-partitioning tree）
K-D树法（K-dimensional tree）
空间划分表示法小结
能表达各种复杂的实体，但对于曲面、壳体 等表达十分不易。 表达精度较低，可通过增加体素的分辨度来 改善，但导致增加大量的空间。 紧凑性不佳 适用于局部加工与局部修改的场合，例如雕 塑的模拟
很快的上手。
3DS MAX作品欣赏
3DS MAX作品欣赏
3DS MAX作品欣赏
MAYA
MAYA，是一个很庞大的软件系统，而且它其中的 许多操作已经成了行业规范，比如MAX的许多操作 就借鉴了MAYA。 MAYA有许多突出的功能，如完 整的建模系统、强大的程序纹理材质和粒子系统、 出色的角色动画系统以及MEL脚本语言等。MAYA 每次的升级都带来全新的功能，所以成就了许多影 视大片的视觉特技。
建模是指在计算机中对物体的形状信息进行 描述的过程。 建模技术
形状表达：
将形状的结构用数据结构模拟出来。此种描 述形状的数据结构即称为模型（Model）。 形状操作： 实现模型的生成、修改、综合、分析、计算、 显示等操作。
三维数字模型的优点
一个完善的三维模型可用于生成无数的不同 视角的视图，比如随着边框和视点而变化。 一个三维模型可进行数字分析，例如计算物 体的体积、质量，或检测运动的实体间是否 相互接触。 通过变化模型参数，可方便地进行三维模型 的控制和操作。
3DS MAX的优势
性价比高
3DS MAX有非常好的性能价格比，它所提供的
强大的功能远远超过了它自身低廉的价格，一 般的制作公司就可以承受的起，这样就可以使 作品的制作成本大大降低，而且它对硬件系统 的要求相对来说也很低，一般普通的配置已经 就可以满足学习的需要了。
上手容易
3DS MAX的制作流程十分简洁高效，可以使你