高级计算机图形学
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。
计算机图形学的新技术及其应用研究
计算机图形学的新技术及其应用研究近年来,随着计算机技术的不断发展,图形学技术也日益成熟,为我们的生活和工作提供了许多便利和乐趣。
计算机图形学是一门研究计算机生成、处理和显示图形的学科,是计算机图形学、计算机视觉和计算机图像处理三者的交叉学科。
本文将围绕计算机图形学的新技术及其应用研究展开阐述。
一、计算机图形学的新技术1.虚拟现实技术虚拟现实技术(Virtual Reality, VR)是一种能够将用户沉浸在虚拟世界中的技术。
通过头戴式显示器(Head-Mounted Display, HMD)等设备,用户可以感受到身临其境的虚拟环境,从而更加直观地理解事物、进行操作等。
虚拟现实技术已经广泛应用于游戏、教育、医疗、建筑等领域。
2.增强现实技术增强现实技术(Augmented Reality, AR)是一种可以将现实世界与虚拟信息叠加的技术。
通过摄像机捕捉到的实时图像和相关算法,将虚拟信息放置于现实场景中,使用户可以直观地感受到虚拟信息和现实环境的结合。
增强现实技术已经广泛应用于智能家居、游戏、广告等领域。
3.光线追踪技术光线追踪技术(Ray Tracing)是一种高级的图形学计算方法,基于物理学原理,模拟了光线在场景中的传播和反射,生成高质量的图像。
与传统的光栅化渲染技术不同,光线追踪技术可以实现真实的光线效果,例如自然光、阴影、反射、折射等。
随着计算机硬件的不断升级,光线追踪技术已经成为主流的图像生成技术之一。
二、计算机图形学的应用研究1.游戏领域在游戏领域中,计算机图形学技术的应用可以使游戏的效果更加逼真、炫酷。
例如,通过虚拟现实技术,玩家可以沉浸在3D虚拟世界中,感受到更加真实的游戏体验;通过光线追踪技术,游戏场景的光影效果可以更加真实自然,为玩家提供更好的游戏体验。
2.工业制造领域在工业制造领域中,计算机图形学技术的应用可以辅助设计师和工程师进行产品设计和检测。
例如,通过增强现实技术,工程师可以在真实的环境中模拟和测试产品,避免因设计不合理而导致生产成本增加;通过光线追踪技术,工程师可以更好地预测产品的光线效果和反射效果,为生产提供更加精细的工艺。
梯度极小曲面建模
梯度极小曲面建模梯度极小曲面建模是一种高级的计算机图形学技术,它能够根据数学方程和梯度函数来精确地描述曲面形状。
梯度极小曲面建模可以用于制作真实感十足的三维模型,应用于动画制作、游戏开发、工业设计以及医学成像等领域。
在本文中,将针对梯度极小曲面建模技术进行深入探讨。
首先将介绍梯度极小曲面建模的基本概念和原理,然后将详细介绍梯度极小曲面建模的实现方法和工具。
最后,将展望梯度极小曲面建模技术的未来发展方向。
1. 梯度极小曲面建模的基本概念和原理梯度极小曲面建模是一种基于数学方程和梯度函数的曲面建模技术。
其基本原理是利用数学方程描述曲面上每个点的位置和形状,并利用梯度函数来计算曲面在每个点的法向量,从而得到曲面的法线和曲率。
梯度极小曲面建模的优点是能够精确地描述曲面的形状和特征,同时可以实现曲面的优化和光滑处理。
梯度极小曲面建模的核心概念是梯度极小曲面,即在曲面上每个点的法向量都指向曲面上最小的梯度。
这意味着梯度极小曲面是一个稳定的曲面,并且不容易产生扭曲和变形。
梯度极小曲面建模还可以利用梯度函数计算曲面的曲率、高斯曲率和平均曲率,从而得到曲面的特征和细节信息。
2. 梯度极小曲面建模的实现方法和工具梯度极小曲面建模的实现方法和工具主要包括数学方程建模、梯度计算、曲面参数化和光滑处理。
数学方程建模是梯度极小曲面建模的基础,通过选择合适的数学方程来描述曲面的形状和特征。
常见的数学方程包括隐式方程、参数方程和隐式-参数方程等。
梯度计算是梯度极小曲面建模的关键步骤,通过计算数学方程的梯度函数来得到曲面在每个点的法向量。
梯度计算方法包括有限差分法、梯度采样法、梯度下降法等。
通过梯度计算可以得到曲面的法线、曲率和高斯曲率等信息。
曲面参数化是梯度极小曲面建模的重要环节,通过将曲面参数化为一组参数来描述曲面的形状和特征。
常见的曲面参数化方法包括等角参数化、光滑参数化和调和参数化等。
曲面参数化可以使曲面的形状和特征对于参数的变化具有良好的连续性和可控性。
计算机图形学的学习心得(范文)
计算机图形学的学习心得计算机图形学的学习心得篇一:计算机图形学学习心得体会计算机图形学学习心得体会计算机科学与技术与技术班学号:1.计算机图形学计算机图形学(Cmput er Graphic s,简称CG),狭义上是一种研究基于物理定律、经验方法以及认知原理,使用各种数学算法处理二维或三维图形数据,生成可在计算机等显示设备上显示的可视化数据的科学。
它是计算机科学的一个分支领域与应用方向。
广义上来看,计算机图形学不仅包含了从三维图形建模、绘制,到生成动画的过程,同时也包含了对二维矢量图形以及图像视频融合处理的研究。
2.研究内容计算机图形学的研究内容非常广泛,如图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法、非真实感绘制,以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。
简单地说,计算机图形学的主要研究内容就是研究如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。
图形通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、线宽等非几何属性组成。
从处理技术上来看,图形主要分为两类,一类是基于线条信息表示的,如工程图、等高线地图、曲面的线框图等,另一类是明暗图,也就是通常所说的真实感图形。
计算机图形学一个主要的目的就是要利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形。
为此,必须建立图形所描述的场景的几何表示,再用某种光照模型,计算在假想的光源、纹理、材质属性下的光照明效果。
所以计算机图形学与另一门学科计算机辅助几何设计有着密切的关系。
事实上,图形学也把可以表示几何场景的曲线曲面造型技术和实体造型技术作为其主要的研究内容。
同时,真实感图形计算的结果是以数字图像的方式提供的,计算机图形学也就和图像处理有着密切的关系。
计算机图形学
计算机图形学计算机图形学是研究计算机生成、处理和显示图像的学科领域。
它是计算机科学的一个重要分支,与计算机视觉和图像处理相关。
计算机图形学的发展促进了许多领域的进步,包括动画、游戏开发、虚拟现实等。
一、引言计算机图形学是指通过计算机技术实现图像的生成、处理和显示。
它利用算法和数学模型来模拟和渲染图像,以生成逼真的图像或动画。
计算机图形学在多个领域有着广泛的应用,如电影、游戏、建筑设计等。
二、图形学的基本原理1. 坐标系统图形学中常用的坐标系统是笛卡尔坐标系,它由横轴X、纵轴Y和垂直于二者的Z轴组成。
通过坐标系统,可以定位和描述图像中的点、线和面。
2. 图形的表示图形可以通过几何图元来表示,常见的几何图元有点、线和面。
点由坐标表示,线由两个端点的坐标表示,面由多个点或线组成。
3. 变换和投影变换是指对图像进行平移、旋转和缩放等操作,通过变换可以改变图像的形状和位置。
投影是将三维图像映射到二维平面上的过程,常见的投影方式有平行投影和透视投影。
4. 着色模型着色模型用于为图像添加颜色和材质信息,常见的着色模型有平均着色模型和Phong着色模型。
平均着色模型通过计算图像的平均颜色来实现简单的着色效果,Phong着色模型考虑了光照的影响,能够产生更加逼真的效果。
三、图形学的应用1. 电影和动画计算机图形学在电影和动画领域有着广泛的应用。
通过计算机图形学技术,电影制作人能够创建逼真的特效,包括爆炸、碰撞和飞行等场景。
动画片的制作也离不开计算机图形学的技术支持,它能够实现角色的自由移动、表情的变化等特效效果。
2. 游戏开发计算机图形学是游戏开发中不可或缺的一部分。
游戏中的人物、场景和特效都是通过计算机图形学技术来实现的。
游戏开发人员利用图形学算法和引擎来创建游戏中的3D场景和角色,并通过渲染技术使其看起来逼真。
3. 虚拟现实虚拟现实是一种模拟真实世界的计算机生成环境。
计算机图形学在虚拟现实领域的应用可以让用户身临其境地感受到虚拟环境的存在。
计算机图形学知识点大全
计算机图形学知识点大全计算机图形学是计算机科学中的一个重要分支,涵盖了图像处理、计算机视觉、图形渲染等多个领域。
本文将介绍计算机图形学的一些重要知识点,帮助读者更好地理解和应用这些知识。
一、基础概念1. 图形学概述:介绍计算机图形学的定义、发展历史以及应用领域。
2. 图像表示:探讨图像的表示方法,包括光栅图像和矢量图像,并介绍它们的特点和应用场景。
3. 坐标系统:详细介绍二维坐标系和三维坐标系,并解释坐标变换的原理和应用。
二、图像处理1. 图像获取与预处理:介绍数字图像的获取方式和常见的预处理方法,如去噪、增强和平滑等。
2. 图像特征提取:讲解图像特征提取的基本概念和方法,例如边缘检测、角点检测和纹理特征提取等。
3. 图像分割与目标识别:介绍常见的图像分割算法,如阈值分割、基于区域的分割和基于边缘的分割等,以及目标识别的原理和算法。
三、计算机视觉1. 相机模型:详细介绍透视投影模型和针孔相机模型,并解释摄像机矩阵的计算和相机标定的方法。
2. 特征点检测与匹配:讲解常用的特征点检测算法,如Harris 角点检测和SIFT特征点检测,并介绍特征点匹配的原理和算法。
3. 目标跟踪与立体视觉:介绍目标跟踪的方法,如卡尔曼滤波和粒子滤波,以及立体视觉的基本原理和三维重建方法。
四、图形渲染1. 光栅化:详细介绍光栅化的原理和算法,包括三角形光栅化和线段光栅化等。
2. 着色模型:介绍常见的着色模型,如平面着色、高光反射和阴影等,并解释经典的光照模型和材质属性。
3. 可视化技术:讲解常用的可视化技术,如体数据可视化、流场可视化和虚拟现实等,以及它们在医学、工程等领域的应用。
五、图形学算法与应用1. 几何变换:介绍图形学中的几何变换,包括平移、旋转、缩放和矩阵变换等,并解释它们在图形处理和动画中的应用。
2. 贝塞尔曲线与B样条曲线:详细介绍贝塞尔曲线和B样条曲线的定义、性质和应用,以及它们在曲线建模和动画设计中的重要作用。
高级计算机图形学原理与实践智慧树知到课后章节答案2023年下西安科技大学
高级计算机图形学原理与实践智慧树知到课后章节答案2023年下西安科技大学第一章测试1.计算机图形学与计算几何之间的关系是( ) A:计算几何是计算机图形学的前身 B:两门毫不相干的学科 C:学术上的同义词 D:计算机图形学以计算几何为理论基础答案:计算机图形学以计算几何为理论基础2.Edwin Catmull首次提出了计算机图形学的概念。
()A:错 B:对答案:错3.计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)的代表软件有哪些?()A:3D MaxB:Maya C:AutoCAD D:Unity 答案:3D Max;AutoCAD4.虚拟现实不属于计算机图形学的应用领域。
()A:错 B:对答案:错5.计算机图形显示器一般使用什么颜色模型?( ) A:RGB B:HLS C:CMY D:HSV 答案:RGB6.RGB三基色通过适当的混合能产生所有颜色。
()A:错 B:对答案:对第二章测试1.下面哪些方法可以减轻走样现象()。
A:非加权区域采样 B:降低空间分辨率 C:提高空间分辨率 D:加权区域采样答案:非加权区域采样 ;提高空间分辨率 ;加权区域采样2.利用数值微分算法进行直线的扫描转换不需要进行浮点数的加减法。
()A:对 B:错答案:错3.Brenham算法进行直线绘制, x为主方向,当中点误差项d>0时,y方向上应不走步。
()A:错 B:对答案:错4.走样是光栅扫描器的一种固有属性,不可避免,只能减轻。
()A:错 B:对答案:对5.有效边表算法中每一条扫描线交点的个数只能是偶数。
()A:错 B:对答案:对第三章测试1.n次B样条曲线中,更改一个控制顶点,最多影响()段曲线。
A:n+1 B:nC:1 D:所有答案:n+12.下面哪些性质是NURBS曲面不具备的()。
A:仿射变换不变性 B:局部修改性 C:凸包性 D:变差缩减小答案:变差缩减小3.曲线的插值拟合方法通过每个型值点。
()A:对 B:错答案:对4.B样条曲线曲面都可以精确的表示二次曲线弧或曲面。
计算机图形学完整复习资料
计算机图形学第一章1.计算机图形学(Computer Graphics)计算机图形学是研究怎样利用计算机来生成、处理和显示图形的原理、方法和技术的一门学科。
2.计算机图形学的研究对象——图形通常意义下的图形:能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象都称为图形。
计算机图形学中所研究的图形从客观世界物体中抽象出来的带有颜色及形状信息的图和形。
3.图形的表示点阵法是用具有颜色信息的点阵来表示图形的一种方法, 它强调图形由哪些点组成, 并具有什么灰度或色彩。
参数法是以计算机中所记录图形的形状参数与属性参数来表示图形的一种方法。
通常把参数法描述的图形叫做图形(Graphics)把点阵法描述的图形叫做图象(Image)4.与计算机图形学相关的学科计算机图形学试图从非图象形式的数据描述来生成(逼真的)图象。
数字图象处理旨在对图象进行各种加工以改善图象的视觉效果。
计算机视觉是研究用计算机来模拟生物外显或宏观视觉功能的科学和技术。
图1-1 图形图象处理相关学科间的关系5.酝酿期(50年代)阴极射线管(CRT)萌芽期(60年代)首次使用了“Computer Graphics”发展期(70年代)普及期(80年代)光栅图形显示器提高增强期(90年代至今)图形显示设备60年代中期, 随机扫描的显示器60年代后期, 存储管式显示器70年代中期, 光栅扫描的图形显示器。
图形硬拷贝设备打印机绘图仪图形输入设备二维图形输入设备三维图形输入设备6.图形软件标准与设备无关、与应用无关、具有较高性能 7.计算机图形学的应用1.计算机辅助设计与制造(CAD/CAM )2.计算机辅助绘图3.计算机辅助教学(CAI )4.办公自动化和电子出版技术(Electronic Publication)5.计算机艺术6.在工业控制及交通方面的应用 7、在医疗卫生方面的应用 8、图形用户界面 8.计算机图形系统的功能9.图1-2 图形系统基本功能框图10.计算机图形系统的结构图形硬件图形软件图形应用数据结构图形应用软件图形支撑软件图形计算机平台图形设备图形系统图1-3 计算机图形系统的结构11.人机交互按着用户认为最正常、最合乎逻辑的方式去做-一致性12.真实感图形的生成:场景造型→取景变换→视域裁剪→消除隐藏面→可见面光亮度计算第二章1.图像扫描仪(Scaner)灰度或彩色等级被记录下来, 并按图像方式进行存储。
计算机图形学
3 计算机动画艺术
3.1 历史的回顾
计算机动画技术的发展是和许多其它学科的发展密切相关的。计算机图形学、计算机绘画、计算机音乐、计算机辅助设计、电影技术、电视技术、计算机软件和硬件技术等众多学科的最新成果都对计算机动画技术的研究和发展起着十分重要的推动作用50年代到60年代之间,大部分的计算机绘画艺术作品都是在打印机和绘图仪上产生的。一直到60年代后期,才出现利用计算机显示点阵的特性,通过精心地设计图案来进行计算机艺术创造的活动。
2 计算机美术与设计
2.1 计算机美术的发展
1952年.美国的Ben .Laposke用模拟计算机做的波型图《电子抽象画》预示着电脑美术的开始(比计算机图形学的正式确立还要早)。计算机美术的发展可分为三个阶段:
(1)早期探索阶段(1952 1968年)主创人员大部分为科学家和工程师,作品以平面几何图形为主。1963年美国《计算机与自动化》杂志开始举办年度“计算机美术比赛”。
(3)应用与普及阶段(1984年~现在)以微机和工作站为平台的个人计算机图形系统逐渐走向成熟, 大批商业性美术(设计)软件面市; 以苹果公司的MAC 机和图形化系统软件为代表的桌面创意系统被广泛接受,CAD成为美术设计领域的重要组成部分。代表作品:1990年Jefrey Shaw的交互图形作品“易读的城市f The legible city) 。
计算机动画的应用领域十分宽广 除了用来制作影视作品外, 在科学研究、视觉模拟、电子游戏、工业设计、教学训练、写真仿真、过程控制、平面绘画、建筑设计等许多方面都有重要应用,如军事战术模拟
Байду номын сангаас 科学计算可视化
科学计算的可视化是发达国家八十年代后期提出并发展起来的一门新兴技术,它将科学计算过程中及计算结果的数据转换为几何图形及图象信息在屏幕上显示出来并进行交互处理,成为发现和理解科学计算过程中各种现象的有力工具。
计算机图形学(真实感图形的显示)课件
科学家使用计算机图形学来呈现复杂的数据和模拟结果,帮助人们更好地理解科学概念。
科学可视化
02
CHAPTER
真实感图形的显示技术
纹理映射是一种将二维图像映射到三维表面上的技术,以增加物体的表面细节和真实感。
通过纹理映射,可以模拟出物体的表面纹理、质地和图案,如砖块、木材、石材等。
纹理映射还可以用于实现环境贴图、反射贴图等高级效果,以增强场景的真实感。
计算机图形学(真实感图形的显示)课件
目录
计算机图形学简介真实感图形的显示技术3D模型的构建与渲染实时渲染技术未来展望
01
CHAPTER
计算机图形学简介
01
02
03
计算机图形学用于创建逼真的特效和虚拟场景,为电影和游戏提供视觉上的吸引力。
电影和游戏制作
通过计算机图形学,建筑师可以创建三维模型,进行可视化设计和分析。
03
CHAPTER
3D模型的构建与渲染
一款专业的3D建模和渲染软件,广泛应用于游戏开发、电影制作和广告设计等领域。
3D Studio Max
Blender
Maya
开源的3D图形软件,具备建模、动画、渲染和后期制作等功能。
高端的3D动画软件,适用于电影、电视和游戏开发等领域。
03
02
01
定义模型的表面属性,如颜色、光泽度和纹理等。
材质
为模型添加纹理和细节,使其表面更加逼真。
贴图
通过调整材质和贴图的参数,使模型呈现出更加真实的效果。
材质与贴图的结合
骨骼系统
为模型添加骨骼,并设置骨骼的关节和运动范围。
04
CHAPTER
实时渲染技术
实时渲染技术是一种计算机图形学技术,它能够实时生成具有真实感的图形。
计算机图形学概论课件
计算机图形学的发展历程
1960年代
出现了基于图形的计算机绘图 系统,如Sketchpad。
1980年代
随着个人电脑的普及,计算机 图形学进入家庭和商业领域。
1950年代
计算机图形学的萌芽期,出现 了基于文本的简单绘图程序。
1970年代
出现了三维图形系统和光线追 踪渲染技术。
1990年代至今
计算机图形学在游戏、电影、 虚拟现实等领域得到广泛应用 和发展。
工业设计实践
3D建模与渲染
学习使用工业设计软件(如SolidWorks、 Autodesk Inventor等)进行3D建模和渲染。
设计可视化
学习将工业设计成果进行可视化展示,提高设计 表现力。
ABCD
工程分析与优化
运用工程分析工具对设计进行仿真和优化,提高 产品性能。
产品发布与推广
了解产品发布与推广流程,将设计成果推向市场 。
计算机图形学涉及的领域包括几何建 模、渲染、图像处理、动画和人机交 互等。
计算机图形学的应用领域
游戏开发
游戏中的图形效果和动画需要计算机图形学 的支持。
电影和动画制作
电影特效和动画制作中,计算机图形学用于 创建逼真的场景和角色。
建筑设计
计算机图形学用于创建建筑模型和可视化效 果图。
科学可视化
计算机图形学用于将复杂的数据以可视化的 形式呈现,如气象数据、医学图像等。
颜色模型与空间
总结词
颜色模型与空间是计算机图形学中用于描述和表示颜色的重要工具,不同的颜色模型适用于不同的应用场景。
详细描述
常见的颜色模型包括RGB、CMYK、HSV等。RGB模型基于红、绿、蓝三种基本颜色,适用于屏幕显示和数字图 像。CMYK模型基于青、品、黄、黑四种颜色,适用于印刷和出版。HSV模型则基于色调、饱和度和亮度三个维 度,更接近人眼对颜色的感知。
计算机图形学的发展简史
计算机图形学的发展简史计算机图形学是一门研究如何利用计算机来生成、处理、显示和交互图形的学科。
随着计算机硬件和软件的不断发展,计算机图形学经历了多个阶段的发展。
简介计算机图形学是由计算机科学、数学和物理学等领域的知识交叉融合而成的。
它的核心是算法和数据结构,可以分为三个主要的方向:计算机图形渲染、计算机图像处理和计算机动画。
计算机图形学的应用场景广泛,现在已经成为了电影、游戏、模拟、虚拟现实等领域中不可或缺的工具。
发展历程第一阶段:计算机图形学诞生20世纪50年代,随着计算机的发展,科学家们开始研究如何让计算机生成图形。
在这个时期,人们主要关注于构建计算机图形系统,实现基本图形的绘制和显示。
第二阶段:图形与模型20世纪60年代,图形与模型成为了计算机图形学的热门话题。
人们开始研究如何用计算机模拟现实世界中的图形和对象。
在这个时期,人们发明了曲线和曲面,建立了计算机二维和三维的图形表示方法,为后来的计算机图形学奠定了基础。
第三阶段:三维图形学的兴起20世纪70年代,由于计算机运算速度的提高和存储技术的进步,三维图形学开始得到广泛的应用。
人们开始研究如何在计算机中表达和处理三维图形,实现真正意义上的计算机图形。
第四阶段:光线追踪与照明20世纪80年代,光线追踪成为了计算机图形学的重要研究课题。
光线追踪算法可以模拟光在现实世界中的传播、反射和折射等原理,可以很好地模拟出真实场景中物体的阴影、光照和反射等效果。
这一阶段的研究主要集中在更高级的三维图形算法、更真实的照明模型和更高质量的图像渲染。
第五阶段:计算机动画的发展20世纪90年代,计算机动画成为了计算机图形学的重要分支之一。
计算机动画不仅包括一些模拟现实世界中的运动和物理特性的技术,还包括了人工制作和修改的技术,其中包括建模、绘制、渲染、动画和特效等技术。
第六阶段:实时图形学的应用21世纪以来,随着计算机硬件的飞速发展和3D游戏的普及,实时图形学开始得到广泛的应用。
计算机图形学领域的前沿技术研究
计算机图形学领域的前沿技术研究计算机图形学是计算机科学的分支,也是一个交叉学科,借助数学、物理学、工程学等多个学科的理论与方法,从研究和实现图形显示、图像处理、虚拟现实、三维建模等多个方面来研究计算机图形。
如今,计算机图形学已经成为现代信息技术领域的一个重要方向之一。
计算机图形学领域的前沿技术研究,主要涉及到如何让计算机更好的模拟和生成人类感知的视觉效果。
它探究了图形学的理论与方法,搜集、处理和管理图像、视频以及三维形状的技能。
其中最重要的技术包括计算机视觉、虚拟现实、计算机图像处理、三维建模和动画等领域。
一. 计算机视觉计算机视觉,是通过计算机对图像和视频进行分析和解译从而识别并处理图像信息的一项科技。
随着人工智能和物联网的快速发展,计算机视觉的研究已经成为一个重要的前沿研究领域。
它应用于自然图像和视频分析、行人检测、人脸识别、工业视觉、自动驾驶以及医学诊断等多个方面。
计算机视觉的研究需要解决如何提高识别速度和准确性的问题。
近年来,深度学习技术在计算机视觉中的应用,显著提高了图像处理的准确性和速度。
在计算机视觉领域中有两个重要的深度神经网络,即卷积神经网络和循环神经网络。
卷积神经网络(CNN)是一种能够对输入数据(图像、文档等)进行学习的深度神经网络。
它通过多层感知机(MLP)实现对多维数据的处理,从而优化视觉和其他模式识别任务。
如今,CNN已经成为计算机视觉领域的重要工具之一。
循环神经网络(RNN)是一种神经网络,能够从序列中学习和推荐信息。
它主要用于文本生成、语音识别、语言翻译、图像描述以及视频解析等领域。
二、虚拟现实虚拟现实是将计算机技术和图形学技术应用在可以模拟现实环境、产生身临其境感觉的包装中的技术。
它包括计算机模拟三维环境中的物理空间和真实对象以及物理空间中的感官反应,使观察者产生身临其境的体验。
未来,虚拟现实将成为娱乐和游戏行业中的重要应用。
虚拟现实可以分为三个层次:虚拟现实环境、虚拟现实装置和虚拟现实应用。
计算机图形学报告
2. 图像分析:计算机图 形学提供了各种图像分 析工具,如阈值分割、 边缘检测和区域提取等 ,以帮助医生进行病灶 定位和性质评估。
3. 虚拟手术:通过计算 机图形学技术,医生可 以在虚拟环境中进行手 术模拟和训练,提高手 术技能和操作水平。
案例四:地理信息系统的计算机图形学应用
总结词:地理信息系 统(GIS)与计算机 图形学结合,为地理 数据可视化提供了强 大的支持,使得地理 信息更加直观和易于 理解。
计算机图形学具有以下 特点
用户可以通过输入设备 与计算机图形环境进行 交互,实现动态修改和 操作。
计算机图形学技术可以 生成高质量的图像和动 画,使图形更具逼真感 。
计算机图形学可以实现 实时渲染,使得图形能 够根据用户的交互动态 更新。
计算机图形学的发展历程
1 2 3
1950年代
计算机图形学开始起步,主要应用于科学可视 化领域,如天气预报、地理信息系统等。
图形变换技术
图形变换是计算机图形学中的基本技术之一,它涉及到 如何对图形进行平移、旋转、缩放等操作。
变换矩阵是实现图形变换的关键,通过对图形坐标点应 用变换矩阵,可以实现图形的平移、旋转和缩放等操作 。
图形变换通常包括齐次坐标变换和仿射变换等,其中齐 次坐标变换可以表示任意形状的变换,而仿射变换只能 表示线性变换。
04
计算机图形学高级技术
真实感图形渲染技术
基于物理的渲染
光线追踪
使用物理模拟技术来计算光线在物体表面的 反射、折射、散射等效果,以实现更逼真的 图像渲染。
通过模拟光线的传播路径来生成逼真的阴影 和反射效果,增强图像的视觉效果。
纹理映射
光照模型
将纹理贴图映射到三维模型表面,以实现更 丰富的细节和质感。
计算机图形学实验报告
ON_WM_CREATE()
ON_WM_PAINT()
//}}AFX_MSG_MAP
END_MESSAGE_MAP()
static UINT indicators[] =
{
ID_SEPARATOR, // status line indicator
pView->m_ClearColorRed = (float)GetRValue(pApp->m_OptionColorGlBack) /255.0f;
pView->m_ClearColorGreen = (float)GetGValue(pApp->m_OptionColorGlBack) /255.0f;
ID_INDICATOR_CAPS,
ID_INDICATOR_NUM,
ID_INDICATOR_SCRL,
};
// CMainFrame construction/destruction
CMainFrame::CMainFrame()
{
}
CMainFrame::~CMainFrame()
{
}
int CMainFrame::OnCreate(LPCREATESTRUCT lpCreateStruct)
//}}AFX_DATA_MAP
}
BEGIN_MESSAGE_MAP(CFormCommandView, CFormView)
//{{AFX_MSG_MAP(CFormCommandView)
ON_WM_PAINT()
ON_WM_LBUTTONUP()
ON_BN_CLICKED(IDC_RADIO_MODEL_1, OnRadioModel1)
计算机图形学基本知识PPT课件
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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a与b的选取
z’ = -(a+b/z) 如果取 a = (near + far)/(near – far) b = 2 near*far/(near – far) 那么近平面z=-near映射到z = -1 远平面z=-far映射到z = 1 各侧边映射到 x = 1, y = 1 这样,新的裁剪体就是缺省裁剪体
mat4 mv = LookAt( eye, at, up ); glUniformMatrix4fv( model_view, 1, GL_TRUE, mv );
mat4 p = Ortho( left, right, bottom, top, zNear, zFar ); glUniformMatrix4fv( projection, 1, GL_TRUE, p ); glDrawArrays( GL_TRIANGLES, 0, NumVertices ); glutSwapBuffers(); }
高级计算机图形学
中国科学技术大学计算机学院 黄章进 zhuang@
第三节
投影矩阵
2
基本内容
推导出在标准OpenGL投影中所用的投影 矩阵具体表示 介绍斜投影 介绍投影规范化
3
投影规范化
不想为每种类型的投影设计不同的投影矩 阵,所以把所有的投影转化为具有默认视 景体的正交投影 这种策略可以使我们在流水线中应用标准 变换,并进行有效的裁剪
0 0 2 far near 0
2 0 right left 2 0 P ST top bottom 0 0 0 0
right left right left top bottom top bottom far near far near
此时立方体好像发生了错切,然后再进行 正交投影 斜投影 = 错切+正交投影
12
一般的错切
后裁剪面 对象
前裁剪面 投影平面
13
顶视图和侧视图
xp = x + z cot
yp = y + z cot
14
错切矩阵
xy 错切(z值不变)
1 0 H( , ) 0 0 0 cot 0 1 cot 0 0 1 0 0 0 1
25
规范变换
z = x
z=x z = far z = near 原来的裁 剪体 x = 1 变形后 的对象 z=1
x=1
原来的 对象
变换后的 裁剪体
z = 1
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规范化与隐藏面消除
Hale Waihona Puke 虽然这里选择的透视矩阵形式上看起来有点儿 任意,但这种选择保证如果在原来的裁剪体内 z1>z2, 那么变换后的点满足z1’>z2’ 因此如果首先应用规范变化,隐藏面消除算法 有效 然而,公式z’ = -(a+b/z)意味着由于规范化导致 距离发生了改变,这可能导致数值问题,特别 是当近距离非常小的时候更是如此
19
顶点着色器
#version 150 in vec4 vPosition; in vec4 vColor; out vec4 color; uniform mat4 model_view; uniform mat4 projection; void main() { gl_Position = projection*model_view*vPosition/vPosition.w; color = vColor; }
0 1
0 0 0 1 0 0 1 0 0 0
注意这个矩阵与远裁剪面无关
23
推广
1 0 0 0 0 1 0 0 透视规范化矩阵 N 0 0 a b 0 0 1 0 p=(x,y,z,1) -> (x,y,az+b,-z) 在透视除法后,点(x,y,z,1)变到了 x’ = -x/z, y’ = -y/z, z’ = -(a+b/z) 无论a, b的值是什么,在正交投影后就得到所期 望的点。此时矩阵N非奇异
27
OpenGL的透视
Frustum可以定义非对称视景体,但 Perspective不能做到这一点
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OpenGL透视矩阵
Frustum的规范化
• 错切变换H:把非对称视景棱台变换为对称的 •
•
四棱台,远近平面不变 缩放变换S:把四棱台的侧面变换为x= z和y= z,远近平面不变 透视规范化变换N: x= z变换为x= 1, y= z变换为y= 1,近平面z=-near变换为z=-1, 远平面z=-far变换为z = 1
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键盘回调函数
void keyboard( unsigned char key, int x, int y ) { switch( key ) { case 033: // Escape Key case 'q': case 'Q': exit( EXIT_SUCCESS ); break; case 'x': left *= 1.1; right *= 1.1; break; case 'X': left *= 0.9; right *= 0.9; break; case 'y': bottom *= 1.1; top *= 1.1; break; case 'Y': bottom *= 0.9; top *= 0.9; break; case 'z': zNear *= 1.1; zFar *= 1.1; break; case 'Z': zNear *= 0.9; zFar *= 0.9; break; case 'r': radius *= 2.0; break; case 'R': radius *= 0.5; break; case 'o': theta += dr; break; case 'O': theta -= dr; break; case 'p': phi += dr; break; case 'P': phi -= dr; break;
void display( void ) { glClear( GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT ); point4 eye( radius*sin(theta)*cos(phi), radius*sin(theta)*sin(phi), radius*cos(theta), 1.0 ); point4 at( 0.0, 0.0, 0.0, 1.0 ); vec4 up( 0.0, 1.0, 0.0, 0.0 );
0 2 far*near far near 0 0
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Persective函数投影矩阵
Perspective(fovy, aspect, near, far) 对称性:left = -right, bottom=-top 三角学:top = near * tan(fovy) right = top * aspect
称这个视景体为正则视景体(canonical view volume)
8
正交规范化
glOrtho(left, right, bottom, top, near, far) 规范化 求出把指定裁剪体转化为默认裁剪体的变换 (right, top, far) (1, 1, 1)
(left, bottom, near)
彩色立方体位于对象标架的原点 照相机的参考点(at point)位于原点, up方向与y轴正向重合 采用极坐标定位照相机,视点(eye point )坐标为eye = [r sin cos, r sin sin, r cos ]
半径r表示照相机到原点的距离
18
显示回调函数display()
31
为何采取这种方法?
规范化使得只需要一个流水线体系就可以 进行透视投影和正交投影 尽可能位于四维齐次空间中,以便保持隐 藏面消除和明暗处理所需要的三维信息 简化了裁剪的操作
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隐藏面消除
隐藏面消除算法:删除观察者看不到的表 面。也称为可见面算法:找出可以看到的 表面 对象空间算法:试图对场景中对象的表面 排序,使得按照所排列的顺序来绘制表面 可以得到正确的图像
(1, 1, 1)
9
正交规范化矩阵
两步
•
近裁剪面z=-near映射到z=-1平面, 远裁剪面z=-far映射到z=1平面
•
把中心移到原点,对应的变换为 T((left+right)/2, (bottom+top)/2, (near+far)/2)) 进行缩放从而使视景体的边长为2 S(2/(right-left), 2/(top bottom), -2/(far-near))
35
Z缓冲区算法
优点:
glutPostRedisplay(); }
21
简单透视
考虑简单透视:COP在原点,投影面在z = -1, 由 平面 x = z, y = z确定的有90度的视角
z = -far (1, 1, 1) (1, 1, 1)
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透视矩阵
齐次坐标下的简单投影矩阵为
1 0 M 0 0
• 不能很好地与绘制流水线结合,因为对象通过 •
绘制流水线的顺序是任意的 为了正确排序,必须能获取所有对象的信息
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Z缓冲区算法