《圖形系統(tǒng)l》課件

圖形系統(tǒng)l課程簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)圖形學(xué)入門(mén)本課程介紹計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本概念和原理，涵蓋圖形硬件、軟件、算法等方面。圖形系統(tǒng)應(yīng)用探索圖形系統(tǒng)在游戲開(kāi)發(fā)、動(dòng)畫(huà)制作、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，并提供實(shí)踐案例。課程大綱圖形系統(tǒng)概述圖形系統(tǒng)的定義、組成、功能圖形硬件顯示設(shè)備、輸入設(shè)備、圖形處理器、圖形存儲(chǔ)器圖形軟件圖形軟件的分類、圖形編程語(yǔ)言、3D圖形建模、3D圖形渲染圖形算法圖形算法的分類、線段繪制算法、多邊形填充算法、裁剪算法、變換算法、曲線和曲面圖形系統(tǒng)的定義圖形系統(tǒng)是一個(gè)由硬件和軟件組成的系統(tǒng)，用于創(chuàng)建、處理、顯示和操作圖形圖像。它將計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力與人類的視覺(jué)感知相結(jié)合，為用戶提供直觀的圖形交互界面，并支持各種圖形應(yīng)用。圖形系統(tǒng)涵蓋了從簡(jiǎn)單的二維圖形到復(fù)雜的的三維模型和動(dòng)畫(huà)，在現(xiàn)代社會(huì)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。圖形系統(tǒng)的組成硬件包括顯示器、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、圖形卡等，負(fù)責(zé)圖形信息的輸入和輸出。軟件包括操作系統(tǒng)、圖形庫(kù)、應(yīng)用程序等，負(fù)責(zé)圖形信息的處理和管理。數(shù)據(jù)包括圖像、視頻、模型等，是圖形系統(tǒng)處理和顯示的對(duì)象。圖形系統(tǒng)的功能圖像顯示圖形系統(tǒng)可以將數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換為視覺(jué)信息，并將其顯示在屏幕上。圖形繪制圖形系統(tǒng)允許用戶創(chuàng)建、編輯和操作各種圖形，例如線條、曲線、形狀和文本。動(dòng)畫(huà)制作圖形系統(tǒng)可以創(chuàng)建動(dòng)畫(huà)效果，使靜態(tài)圖像動(dòng)起來(lái)，并通過(guò)幀序列模擬運(yùn)動(dòng)。用戶交互圖形系統(tǒng)可以通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等輸入設(shè)備接收用戶指令，并響應(yīng)用戶操作。圖形硬件圖形硬件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中專門(mén)用于處理圖形數(shù)據(jù)的硬件設(shè)備，它為圖形系統(tǒng)的運(yùn)作提供了基礎(chǔ)支撐。圖形硬件主要包括顯示設(shè)備、輸入設(shè)備、圖形處理器和圖形存儲(chǔ)器等，這些硬件協(xié)同工作，共同完成圖形數(shù)據(jù)的處理、顯示和交互操作。圖形硬件的分類1顯示設(shè)備用于將計(jì)算機(jī)生成的圖像顯示給用戶。2輸入設(shè)備用于將用戶指令和數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)中。3圖形處理器專門(mén)用于處理圖形數(shù)據(jù)的硬件，負(fù)責(zé)渲染和顯示圖像。4圖形存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)和管理圖形數(shù)據(jù)，例如圖像和紋理。顯示設(shè)備簡(jiǎn)介顯示設(shè)備是圖形系統(tǒng)的輸出設(shè)備，用于將計(jì)算機(jī)生成的圖形圖像顯示給用戶。常見(jiàn)的顯示設(shè)備有：陰極射線管（CRT）顯示器：傳統(tǒng)的顯示器技術(shù)，具有較高的刷新率，但體積較大、能耗高。液晶顯示器（LCD）：目前最常見(jiàn)的顯示器類型，具有體積小、能耗低、色彩鮮艷等優(yōu)點(diǎn)。有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）：新型顯示技術(shù)，具有自發(fā)光、對(duì)比度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。輸入設(shè)備簡(jiǎn)介鍵盤(pán)鍵盤(pán)是電腦最常用的輸入設(shè)備之一。它可以輸入文字、數(shù)字、符號(hào)等。鼠標(biāo)鼠標(biāo)是電腦的另一個(gè)重要輸入設(shè)備。它可以控制光標(biāo)的移動(dòng)，點(diǎn)擊選擇、拖拽文件等。觸摸屏觸摸屏是一種直接輸入設(shè)備，用戶可以用手指直接在屏幕上進(jìn)行操作，如點(diǎn)擊、滑動(dòng)、縮放等。圖形處理器1核心圖形處理器（GPU）是專門(mén)設(shè)計(jì)用于加速圖形處理的電子電路。2渲染GPU主要負(fù)責(zé)圖像的渲染，包括紋理、光照和陰影等效果。3性能GPU的性能指標(biāo)包括核心頻率、顯存容量和帶寬等。圖形存儲(chǔ)器存儲(chǔ)圖形數(shù)據(jù)、程序代碼和中間結(jié)果。高速訪問(wèn)，以滿足實(shí)時(shí)圖形處理的要求。緩沖幀數(shù)據(jù)，以便快速顯示。圖形軟件圖形軟件是用于創(chuàng)建、編輯、操作和顯示圖形圖像的軟件程序。它是圖形系統(tǒng)的重要組成部分，與圖形硬件緊密協(xié)作，為用戶提供圖形操作和處理的工具。圖形軟件的分類繪圖軟件用于創(chuàng)建和編輯二維和三維圖形，例如AdobeIllustrator、CorelDraw、AutoCAD圖像處理軟件用于編輯和處理照片和圖像，例如AdobePhotoshop、GIMP、Paint.NET動(dòng)畫(huà)制作軟件用于創(chuàng)建動(dòng)畫(huà)和視頻，例如AdobeAfterEffects、Blender、Maya游戲開(kāi)發(fā)軟件用于開(kāi)發(fā)游戲，例如Unity、UnrealEngine、GameMakerStudio圖形編程語(yǔ)言語(yǔ)言種類OpenGL,DirectX,Vulkan等功能用于創(chuàng)建和操作圖形對(duì)象、實(shí)現(xiàn)圖形效果應(yīng)用游戲開(kāi)發(fā)、三維建模、動(dòng)畫(huà)制作等3D圖形建模1幾何建模點(diǎn)、線、面、體2實(shí)體建模CSG、邊界表示3參數(shù)化建模NURBS、B樣條曲線3D圖形建模是將現(xiàn)實(shí)世界中的物體或場(chǎng)景轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以理解和處理的數(shù)字模型的過(guò)程。常用的建模方法包括幾何建模、實(shí)體建模和參數(shù)化建模。3D圖形渲染1光柵化將模型轉(zhuǎn)換為像素2著色為每個(gè)像素分配顏色3紋理映射將紋理貼到模型上光照模型環(huán)境光模擬來(lái)自環(huán)境的所有光線，如天空、墻壁等，照射到物體表面，使物體整體看起來(lái)更明亮。漫反射光模擬物體表面粗糙的部分，反射光線向各個(gè)方向均勻散射，使物體看起來(lái)柔和。鏡面反射光模擬物體表面光滑的部分，反射光線集中在一個(gè)方向，使物體看起來(lái)亮麗。陰影算法光線阻擋模擬光線被物體阻擋后產(chǎn)生的陰影效果。深度信息通過(guò)陰影可以增強(qiáng)場(chǎng)景的深度感和立體感。光源類型不同的光源類型會(huì)產(chǎn)生不同的陰影效果。紋理映射細(xì)節(jié)豐富紋理映射將圖像應(yīng)用于模型表面，使其更真實(shí)、更有細(xì)節(jié)。增加質(zhì)感不同的紋理可以表達(dá)不同的材料和表面，例如木頭、金屬、皮膚等。提升視覺(jué)效果紋理映射是3D圖形渲染中常用的技術(shù)，可以顯著提升視覺(jué)效果和真實(shí)感。透明處理AlphaBlending將像素的顏色與背景顏色混合，根據(jù)alpha值進(jìn)行透明度調(diào)整。深度測(cè)試根據(jù)物體距離攝像機(jī)的深度進(jìn)行透明度判斷，避免物體相互穿透。圖形算法繪制算法用于在計(jì)算機(jī)屏幕上繪制圖形，例如線段、圓形、多邊形等。填充算法用于填充圖形內(nèi)部的區(qū)域，例如多邊形、圓形等。裁剪算法用于確定圖形哪些部分在屏幕上可見(jiàn)，哪些部分不可見(jiàn)。變換算法用于對(duì)圖形進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等操作。圖形算法的分類1幾何算法處理幾何形狀，例如線段、多邊形和曲線。2光柵化算法將幾何圖形轉(zhuǎn)換為像素?cái)?shù)據(jù)，以便在屏幕上顯示。3渲染算法生成逼真的圖像，包括光照、陰影和紋理。線段繪制算法1DDA算法DDA算法是一種基于直線方程的掃描轉(zhuǎn)換算法。它通過(guò)計(jì)算直線方程在每個(gè)掃描線上的交點(diǎn)來(lái)確定直線的像素位置。2Bresenham算法Bresenham算法是一種增量算法，它根據(jù)當(dāng)前像素的位置來(lái)確定下一個(gè)像素的位置。它使用一個(gè)決策參數(shù)來(lái)判斷下一個(gè)像素應(yīng)該選擇哪個(gè)像素。3中點(diǎn)算法中點(diǎn)算法是一種類似于Bresenham算法的增量算法，它通過(guò)計(jì)算直線的中點(diǎn)來(lái)確定下一個(gè)像素的位置。多邊形填充算法掃描線算法掃描線算法通過(guò)水平掃描線逐行掃描多邊形，計(jì)算每條掃描線與多邊形交點(diǎn)的橫坐標(biāo)，并根據(jù)交點(diǎn)對(duì)掃描線上的像素進(jìn)行填充。種子填充算法種子填充算法從多邊形內(nèi)部的一個(gè)點(diǎn)開(kāi)始，遞歸地填充與該點(diǎn)相鄰的相同顏色像素，直到填充完整個(gè)多邊形。邊界填充算法邊界填充算法沿著多邊形的邊界進(jìn)行填充，逐個(gè)像素地填充多邊形內(nèi)部的區(qū)域。裁剪算法1窗口裁剪僅保留窗口內(nèi)的圖形部分2線段裁剪確定線段與窗口的交點(diǎn)3多邊形裁剪裁剪多邊形，得到窗口內(nèi)的部分變換算法1平移將物體沿某個(gè)方向移動(dòng)2旋轉(zhuǎn)將物體繞某個(gè)軸旋轉(zhuǎn)3縮放將物體放大或縮小曲線和曲面曲線曲線是平面上點(diǎn)的連續(xù)軌跡，例如貝塞爾曲線、樣條曲線等。曲面曲面是由曲線運(yùn)動(dòng)形成的連續(xù)曲面，例如球面、圓柱面等。應(yīng)用實(shí)例展示圖形系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，涵蓋游戲、影視、設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域。例如，在游戲領(lǐng)域，圖形系統(tǒng)為玩家打造逼真