圖形系統(tǒng)l課程簡介計算機圖形學(xué)入門本課程介紹計算機圖形學(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)在游戲開發(fā)、動畫制作、虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，并提供實踐案例。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、圖形存儲器圖形軟件圖形軟件的分類、圖形編程語言、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。它將計算機的計算能力與人類的視覺感知相結(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)涵蓋了從簡單的二維圖形到復(fù)雜的的三維模型和動畫，在現(xiàn)代社會中發(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、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、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。動畫制作圖形系統(tǒng)可以創(chuàng)建動畫效果，使靜態(tài)圖像動起來，并通過幀序列模擬運動。用戶交互圖形系統(tǒng)可以通過鼠標(biāo)、鍵盤等輸入設(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算機系統(tǒng)中專門用于處理圖形數(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)備用于將計算機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)輸入到計算機中。3圖形處理器專門用于處理圖形數(shù)據(jù)的硬件，負(fù)責(zé)渲染和顯示圖像。4圖形存儲器用于存儲和管理圖形數(shù)據(jù)，例如圖像和紋理。顯示設(shè)備簡介顯示設(shè)備是圖形系統(tǒng)的輸出設(shè)備，用于將計算機生成的圖形圖像顯示給用戶。常見的顯示設(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）：目前最常見的顯示器類型，具有體積小、能耗低、色彩鮮艷等優(yōu)點。有機發(fā)光二極管（OLED）：新型顯示技術(shù)，具有自發(fā)光、對比度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。輸入設(shè)備簡介鍵盤鍵盤是電腦最常用的輸入設(shè)備之一。它可以輸入文字、數(shù)字、符號等。鼠標(biāo)鼠標(biāo)是電腦的另一個重要輸入設(shè)備。它可以控制光標(biāo)的移動，點擊選擇、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行操作，如點擊、滑動、縮放等。圖形處理器1核心圖形處理器（GPU）是專門設(shè)計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。圖形存儲器存儲圖形數(shù)據(jù)、程序代碼和中間結(jié)果。高速訪問，以滿足實時圖形處理的要求。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動畫制作軟件用于創(chuàng)建動畫和視頻，例如AdobeAfterEffects、Blender、Maya游戲開發(fā)軟件用于開發(fā)游戲，例如Unity、UnrealEngine、GameMakerStudio圖形編程語言語言種類OpenGL,DirectX,Vulkan等功能用于創(chuàng)建和操作圖形對象、實現(xiàn)圖形效果應(yīng)用游戲開發(fā)、三維建模、動畫制作等3D圖形建模1幾何建模點、線、面、體2實體建模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)實世界中的物體或場景轉(zhuǎn)化為計算機可以理解和處理的數(shù)字模型的過程。常用的建模方法包括幾何建模、實體建模和參數(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，反射光線向各個方向均勻散射，使物體看起來柔和。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方向，使物體看起來亮麗。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。深度信息通過陰影可以增強場景的深度感和立體感。光源類型不同的光源類型會產(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、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)，可以顯著提升視覺效果和真實感。透明處理AlphaBlending將像素的顏色與背景顏色混合，根據(jù)alpha值進行透明度調(diào)整。深度測試根據(jù)物體距離攝像機的深度進行透明度判斷，避免物體相互穿透。圖形算法繪制算法用于在計算機屏幕上繪制圖形，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，哪些部分不可見。變換算法用于對圖形進行平移、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)換為像素數(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。它通過計算直線方程在每個掃描線上的交點來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)前像素的位置來確定下一個像素的位置。它使用一個決策參數(shù)來判斷下一個像素應(yīng)該選擇哪個像素。3中點算法中點算法是一種類似于Bresenham算法的增量算法，它通過計算直線的中點來確定下一個像素的位置。多邊形填充算法掃描線算法掃描線算法通過水平掃描線逐行掃描多邊形，計算每條掃描線與多邊形交點的橫坐標(biāo)，并根據(jù)交點對掃描線上的像素進行填充。種子填充算法種子填充算法從多邊形內(nèi)部的一個點開始，遞歸地填充與該點相鄰的相同顏色像素，直到填充完整個多邊形。邊界填充算法邊界填充算法沿著多邊形的邊界進行填充，逐個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平移將物體沿某個方向移動2旋轉(zhuǎn)將物體繞某個軸旋轉(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動形成的連續(xù)曲面，例如球面、圓柱面等。應(yīng)用實例展示圖形系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，涵蓋游戲、影視、設(shè)計等多個領(lǐng)域。例如，在游戲領(lǐng)域，圖形系統(tǒng)為玩家打造逼真