《計(jì)算機(jī)繪圖概論》課件

計(jì)算機(jī)繪圖概論計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)在現(xiàn)代設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，能夠幫助我們構(gòu)建、分析和展示各種模型。計(jì)算機(jī)繪圖的發(fā)展歷史1早期20世紀(jì)50年代向量圖形2發(fā)展20世紀(jì)60年代光柵圖形3成熟20世紀(jì)70年代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)4普及20世紀(jì)80年代個(gè)人電腦計(jì)算機(jī)圖形學(xué)從早期簡(jiǎn)單的向量圖形到如今復(fù)雜的三維場(chǎng)景，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的發(fā)展歷程。20世紀(jì)50年代開始，計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)逐步發(fā)展，并應(yīng)用于各種領(lǐng)域。從20世紀(jì)60年代的光柵圖形出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)得到進(jìn)一步提升。20世紀(jì)70年代，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)的興起，使計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)繪圖的基本概念圖形圖形是指由點(diǎn)、線、面、體等基本元素組成的視覺表達(dá)，例如自然景色、建筑物等。計(jì)算機(jī)繪圖計(jì)算機(jī)繪圖是指利用計(jì)算機(jī)硬件和軟件來創(chuàng)建、編輯、處理和顯示圖形的技術(shù)。二維圖形二維圖形是指在平面上繪制的圖形，只有長(zhǎng)度和寬度，沒有厚度。三維圖形三維圖形是指在空間中繪制的圖形，具有長(zhǎng)度、寬度和高度。計(jì)算機(jī)繪圖的基本組成部分硬件系統(tǒng)包括顯示器、圖形卡、輸入設(shè)備等。軟件系統(tǒng)包括操作系統(tǒng)、繪圖軟件、應(yīng)用程序接口等。圖形數(shù)據(jù)包括幾何數(shù)據(jù)、顏色數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)等。圖形算法包括幾何變換、光照模型、渲染算法等。計(jì)算機(jī)繪圖的硬件系統(tǒng)圖形顯示設(shè)備顯示器是計(jì)算機(jī)繪圖的輸出設(shè)備。顯示器將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的圖形信號(hào)轉(zhuǎn)換為圖像顯示出來。顯示器分辨率、刷新率和色彩深度影響圖像質(zhì)量和用戶體驗(yàn)。圖形輸入設(shè)備鼠標(biāo)、鍵盤、手寫板、繪圖板等是常用的圖形輸入設(shè)備。這些設(shè)備將用戶操作轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，供計(jì)算機(jī)處理。圖形處理單元圖形處理單元(GPU)專用于處理圖形數(shù)據(jù)。它加速了圖形渲染，提高了繪圖性能。GPU擁有強(qiáng)大的并行計(jì)算能力，可同時(shí)處理大量圖形數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)設(shè)備用于存儲(chǔ)圖形數(shù)據(jù)和程序。硬盤、固態(tài)硬盤、內(nèi)存等都是存儲(chǔ)設(shè)備。存儲(chǔ)容量和速度影響計(jì)算機(jī)繪圖的效率和響應(yīng)速度。計(jì)算機(jī)繪圖的軟件系統(tǒng)1繪圖軟件提供用戶界面和工具，用于創(chuàng)建和編輯圖形。2圖形驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)將繪圖指令轉(zhuǎn)換成顯示器能夠理解的信號(hào)。3操作系統(tǒng)提供繪圖軟件運(yùn)行的平臺(tái)，管理系統(tǒng)資源。4圖形庫提供各種繪圖功能，例如繪線、填充、變換等。二維圖形的基本元素點(diǎn)二維圖形中最基本的元素，它代表一個(gè)位置，沒有大小和形狀。線段由兩個(gè)端點(diǎn)連接而成，表示連接這兩個(gè)點(diǎn)的直線部分。圓弧圓的一部分，由圓心、半徑和起始角度和終止角度確定。曲線非直線形式的線條，可以用數(shù)學(xué)函數(shù)或一系列點(diǎn)來描述。二維圖形的基本算法直線繪制算法直線繪制算法是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中最基礎(chǔ)的算法之一，用于在屏幕上繪制直線。常用的算法包括DDA算法、Bresenham算法等。圓形繪制算法圓形繪制算法用于在屏幕上繪制圓形。常用的算法包括中點(diǎn)圓算法、Bresenham圓算法等。多邊形填充算法多邊形填充算法用于填充多邊形內(nèi)部區(qū)域，常用的算法包括掃描線填充算法、種子填充算法等。曲線繪制算法曲線繪制算法用于繪制各種曲線，常用的算法包括貝塞爾曲線算法、樣條曲線算法等。填充算法1掃描線填充算法從左到右掃描每一行像素，判斷像素是否在圖形內(nèi)部，是則填充。2邊界填充算法沿著圖形邊界遍歷像素，判斷像素是否在圖形內(nèi)部，是則填充。3種子填充算法從圖形內(nèi)部一點(diǎn)開始，遞歸地填充相鄰的像素，直到到達(dá)邊界。4區(qū)域填充算法將圖形劃分成多個(gè)區(qū)域，并分別對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)行填充。裁剪算法裁剪的概念裁剪算法是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中處理圖形的一種重要技術(shù)。它用來確定哪些圖形部分應(yīng)該顯示，哪些部分應(yīng)該隱藏，從而實(shí)現(xiàn)圖像的可見區(qū)域的控制。裁剪算法的類型常用的裁剪算法包括：Cohen-Sutherland算法、Liang-Barsky算法、Cyrus-Beck算法等。幾何變換縮放改變物體大小，保持形狀不變。旋轉(zhuǎn)繞固定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)物體，保持形狀不變。平移將物體移動(dòng)到新位置，保持形狀不變。鏡像以直線或平面為對(duì)稱軸，將物體鏡像翻轉(zhuǎn)。貝塞爾曲線定義貝塞爾曲線是一種由數(shù)學(xué)方程式定義的曲線，它根據(jù)控制點(diǎn)的位置來確定曲線形狀。應(yīng)用貝塞爾曲線廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，例如字體設(shè)計(jì)，動(dòng)畫制作，工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。優(yōu)點(diǎn)貝塞爾曲線具有平滑的曲線形狀，易于控制和調(diào)整，可生成各種復(fù)雜曲線。樣條曲線插值曲線通過一系列控制點(diǎn)，生成光滑曲線，使曲線通過所有控制點(diǎn)。逼近曲線曲線不一定通過所有控制點(diǎn)，但要盡可能接近這些控制點(diǎn)。樣條曲線模型在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，樣條曲線是數(shù)學(xué)曲線，用來模擬平滑曲線。三維圖形的基本元素1點(diǎn)是構(gòu)成三維圖形的最基本元素，它擁有三個(gè)坐標(biāo)值，表示其在空間中的位置。2線由兩個(gè)或多個(gè)點(diǎn)連接而成，可以是直線、曲線、折線等，用于定義三維圖形的輪廓和邊界。3面由多個(gè)線段連接而成，可以是平面、曲面等，用于定義三維圖形的表面和形狀。4體由多個(gè)面圍成，是三維圖形最完整的表現(xiàn)形式，具有體積和表面積。三維圖形的基本算法1光線追蹤模擬光線在場(chǎng)景中的傳播路徑2光柵化將幾何圖形轉(zhuǎn)換為像素3紋理映射將紋理貼圖應(yīng)用到表面4幾何變換旋轉(zhuǎn)、縮放和平移物體三維圖形基本算法用于生成逼真的圖像。這些算法包括光線追蹤、光柵化、紋理映射和幾何變換。投影變換三維到二維將三維場(chǎng)景中的物體投影到二維平面上，以便在屏幕上顯示。透視投影模擬人眼觀察物體時(shí)的透視效果，遠(yuǎn)處的物體更小，近處的物體更大。正投影平行光線將物體投影到平面上，物體大小保持一致。等軸投影一種常用的正投影，用于繪制三維物體的草圖和技術(shù)圖紙。透視變換基本原理透視變換模擬現(xiàn)實(shí)世界中的視覺效果，將三維物體投影到二維平面上。通過模擬觀察者與物體之間的距離和角度，創(chuàng)建真實(shí)感強(qiáng)的視覺效果。應(yīng)用場(chǎng)景在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，透視變換廣泛應(yīng)用于游戲、動(dòng)畫、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域。例如，在游戲中，使用透視變換可以讓玩家感受到更加真實(shí)的場(chǎng)景和物體。光照模型光照模型概述光照模型模擬光線照射物體時(shí)產(chǎn)生的效果。它使用數(shù)學(xué)公式模擬現(xiàn)實(shí)世界的光線行為，為虛擬場(chǎng)景帶來逼真感。光源類型光源類型包括點(diǎn)光源、平行光源和聚光燈，它們具有不同的方向、范圍和強(qiáng)度。材質(zhì)屬性材質(zhì)屬性決定物體對(duì)光線的反射和吸收方式，包括漫反射、鏡面反射和折射等。陰影計(jì)算陰影計(jì)算根據(jù)光線照射物體產(chǎn)生的遮擋關(guān)系，模擬陰影的形狀和深度。陰影算法光線追蹤通過模擬光線在場(chǎng)景中的傳播路徑，計(jì)算物體產(chǎn)生的陰影。光柵化陰影使用光柵化技術(shù)，在屏幕空間中生成陰影，效率較高。陰影貼圖使用紋理貼圖來存儲(chǔ)場(chǎng)景中的陰影信息，減少陰影計(jì)算。陰影體積通過構(gòu)建陰影體積，模擬光線被物體遮擋的區(qū)域，產(chǎn)生更加逼真的陰影。紋理映射表面細(xì)節(jié)將二維紋理圖像應(yīng)用于三維物體表面，創(chuàng)建更逼真的視覺效果。材質(zhì)模擬紋理映射可以模擬各種材質(zhì)，例如木材、石頭、金屬等。坐標(biāo)映射通過坐標(biāo)映射將紋理圖像坐標(biāo)與物體表面坐標(biāo)聯(lián)系起來。顏色模型RGB顏色模型RGB模型是基于光的混合，代表紅、綠、藍(lán)三種顏色。CMYK顏色模型CMYK模型是基于顏料的混合，代表青、洋紅、黃、黑四種顏色。HSV顏色模型HSV模型是基于色調(diào)、飽和度和亮度來表示顏色。HSL顏色模型HSL模型是基于色調(diào)、飽和度和亮度來表示顏色。圖形渲染管線1模型變換將三維模型從模型坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系。2視圖變換將世界坐標(biāo)系中的模型轉(zhuǎn)換到攝像機(jī)坐標(biāo)系。3投影變換將攝像機(jī)坐標(biāo)系中的模型投影到二維屏幕空間。4裁剪剔除位于視錐體之外的物體。5光柵化將二維圖形轉(zhuǎn)換為像素。6著色對(duì)每個(gè)像素進(jìn)行著色計(jì)算，生成最終的顏色。圖形標(biāo)準(zhǔn)和接口標(biāo)準(zhǔn)化圖形標(biāo)準(zhǔn)提供通用的語言和規(guī)則，使不同的軟件和硬件能夠相互通信和協(xié)作。例如，OpenGL和DirectX是廣泛采用的圖形API。接口圖形接口是應(yīng)用程序與圖形硬件之間的橋梁，允許程序員訪問底層圖形功能，例如繪制圖形、設(shè)置顏色和控制紋理。OpenGL編程基礎(chǔ)圖形庫OpenGL是一個(gè)跨平臺(tái)的圖形應(yīng)用程序編程接口，適用于各種操作系統(tǒng)。著色器OpenGL利用頂點(diǎn)著色器和片段著色器，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的圖形渲染效果。圖形渲染OpenGL提供了豐富的功能，包括紋理映射、光照模型、陰影算法等?？缙脚_(tái)性O(shè)penGL可用于開發(fā)各種類型的圖形應(yīng)用程序，如游戲、仿真、可視化等。DirectX編程基礎(chǔ)1DirectX簡(jiǎn)介DirectX是Microsoft公司開發(fā)的一套應(yīng)用程序接口，用于創(chuàng)建高性能多媒體應(yīng)用程序，包括游戲、圖形和多媒體。2DirectX組件DirectX包含多個(gè)組件，例如Direct3D（3D圖形）、DirectSound（音頻）、DirectInput（輸入）、DirectPlay（網(wǎng)絡(luò)）等。3Direct3D編程Direct3D是DirectX中用于創(chuàng)建3D圖形應(yīng)用程序的核心組件，提供渲染、紋理、著色器等功能。4游戲開發(fā)DirectX是游戲開發(fā)中常用的圖形和多媒體引擎，它提供豐富的功能和優(yōu)化，幫助開發(fā)者構(gòu)建高質(zhì)量的游戲。Web圖形編程HTML5CanvasHTML5Canvas提供了一個(gè)二維繪圖環(huán)境，允許開發(fā)者使用JavaScript創(chuàng)建動(dòng)態(tài)圖形和動(dòng)畫。SVG可縮放矢量圖形(SVG)是一種用于描述二維圖形的XML格式，支持交互式動(dòng)畫和特效。WebGLWebGL使得網(wǎng)頁可以使用OpenGLES在瀏覽器中創(chuàng)建高質(zhì)量的三維圖形。JavaScript庫許多JavaScript庫簡(jiǎn)化了Web圖形編程，例如Three.js、Babylon.js和Pixi.js。計(jì)算機(jī)游戲圖形實(shí)時(shí)渲染游戲需要實(shí)時(shí)渲染，以提供流暢的體驗(yàn)。它要求高效的算法和圖形硬件。物理模擬模擬現(xiàn)實(shí)世界中的物理現(xiàn)象，如重力、碰撞、爆炸等，以增強(qiáng)游戲逼真度。角色動(dòng)畫創(chuàng)建逼真的角色動(dòng)畫，賦予游戲角色生命和個(gè)性。特效使用各種特效來增強(qiáng)視覺效果，如火焰、煙霧、水等，使游戲更精彩。虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)通過頭戴式顯示器等設(shè)備創(chuàng)造沉浸式環(huán)境，將用戶帶入虛擬世界。VR廣泛應(yīng)用于游戲、教育、醫(yī)療等領(lǐng)域，為用戶提供身臨其境的體驗(yàn)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)將虛擬信息疊加到現(xiàn)實(shí)世界中，使人們能夠在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中看到和互動(dòng)虛擬物體。AR應(yīng)用場(chǎng)景包括手機(jī)游戲、導(dǎo)航、購物等，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)世界信息，提供豐富互動(dòng)體驗(yàn)。醫(yī)療影像處理計(jì)算機(jī)斷層掃描CT掃描利用X射線生成人體內(nèi)部的橫截面圖像，可用于診斷各種疾病，如癌癥、骨折和腦部疾病。磁共振成像MRI掃描利用磁場(chǎng)和無線電波生成人體內(nèi)部的詳細(xì)圖像，可用于診斷神經(jīng)系統(tǒng)疾病、肌肉骨骼疾病和心臟病。超聲波成像超聲波成像利用聲波生成人體內(nèi)部的圖像，可用于診斷妊娠、心臟疾病和血管疾病。計(jì)算機(jī)藝術(shù)與動(dòng)畫1數(shù)字繪畫數(shù)字繪畫利用計(jì)算機(jī)軟件創(chuàng)作藝術(shù)作品。它具有靈活性和可重復(fù)性，藝術(shù)家可以使用各種工具和技術(shù)來創(chuàng)造獨(dú)特的風(fēng)格。2三維動(dòng)畫三維動(dòng)畫通過計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)制作栩栩如生的動(dòng)態(tài)影像，應(yīng)用于電影、游戲和廣告等領(lǐng)域。3數(shù)字雕刻數(shù)字雕刻是利用軟件在虛擬空間中塑造三維模型，廣泛應(yīng)用于游