計(jì)算機(jī)圖形處理與設(shè)計(jì)作業(yè)指導(dǎo)書

第一章計(jì)算機(jī)圖形處理基礎(chǔ)........................................................2

1.1圖形處理概述.............................................................2

1.2圖形處理系統(tǒng)組成.........................................................3

第二章圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法........................................................4

2.1圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)............................................................4

2.2圖形算法基礎(chǔ).............................................................4

2.3圖形算法應(yīng)用.............................................................5

第三章二維圖形與變換............................................................5

3.1二維圖形.................................................................5

3.1.1線條...................................................................5

3.1.2圓弧...................................................................5

3.1.3曲線..................................................................5

3.2二維圖形變換............................................................6

3.2.1平移變換..............................................................6

3.2.2旋轉(zhuǎn)變換..............................................................6

3.2.3縮放變換..............................................................6

3.2.4對稱變換..............................................................6

3.3二維圖形裁剪............................................................6

3.3.1CohenSutherland裁剪算法..............................................7

3.3.2LiangBarsky裁剪算法..................................................7

第四章三維圖形處理...............................................................7

4.1三維圖形表示............................................................7

4.2三維圖形變換.............................................................7

4.3三維圖形投影.............................................................8

第五章圖形渲染與光照模型........................................................8

5.1圖形渲染基本概念........................................................8

5.1.1幾何處理...............................................................8

5.1.2光柵化.................................................................8

5.1.3紋理映射...............................................................9

5.1.4光照計(jì)算...............................................................9

5.2光照模型..................................................................9

5.2.1蘭伯特（Lambert）光照模型.............................................9

5.2.2高斯（Gauss）光照模型..................................................9

5.2.3菲涅爾（Fresnel）光照模型.............................................9

5.3陰影與透明度處理.........................................................9

5.3.1陰影處理...............................................................9

5.3.2透明度處理.............................................................9

第六章紋理映射與圖像處理.......................................................10

6.1紋理映射基礎(chǔ)............................................................10

6.1.1紋理映射概念..........................................................10

6.1.2紋理映射分類..........................................................10

6.1.3紋理映射技術(shù)..........................................................10

6.2紋理映射應(yīng)用............................................................10

6.2.1三維模型渲染..........................................................10

6.2.2虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)....................................................10

6.2.3動(dòng)畫與游戲制作........................................................10

6.3圖像處理技術(shù)............................................................11

6.3.1圖像濾波..............................................................11

6.3.2邊緣檢測..............................................................11

6.3.3圖像分割..............................................................11

6.3.4圖像變換..............................................................11

6.3.5圖像識(shí)別與分類........................................................11

6.3.6圖像增強(qiáng)與復(fù)原.......................................................11

第七章計(jì)算機(jī)動(dòng)畫................................................................11

7.1動(dòng)畫原理................................................................11

7.2動(dòng)畫制作技術(shù)...........................................................12

7.3動(dòng)畫應(yīng)用................................................................12

第八章計(jì)算機(jī)圖形軟件...........................................................13

8.1圖形軟件概述............................................................13

8.2常用圖形軟件介紹........................................................13

8.2.1二維圖形軟件..........................................................13

8.2.2三維圖形軟件.........................................................13

8.3圖形軟件應(yīng)用實(shí)例.......................................................14

第九章計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)...........................................................14

9.1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)概述......................................................14

9.2計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法.....................................................15

9.3計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)應(yīng)用.....................................................15

第十章圖形學(xué)前沿技術(shù)...........................................................16

10.1虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí).....................................................16

10.2計(jì)算機(jī)視覺與深度學(xué)習(xí)..................................................16

10.3圖形學(xué)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用................................................16

第一章計(jì)算機(jī)圖形處理基礎(chǔ)

1.1圖形處理概述

計(jì)算機(jī)圖形處理是計(jì)算機(jī)科學(xué)中的一個(gè)重要分支，主要研究如何利用計(jì)算機(jī)

技術(shù)對圖形信息進(jìn)行、表示、存儲(chǔ)、處理和顯示。圖形處理技術(shù)在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)

計(jì)(CAD).計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體等領(lǐng)域具

有廣泛應(yīng)用。

圖形處理的核心任務(wù)是將現(xiàn)實(shí)世界中的物體、場景和圖像等信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算

機(jī)可以識(shí)別和處理的數(shù)據(jù)格式，進(jìn)而對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和顯示。圖形處

理主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）圖形：根據(jù)給定的參數(shù)和條件，二維或三維圖形。

（2）圖形表示：將圖形信息以一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲(chǔ)，便于計(jì)算機(jī)處理。

（3）圖形存儲(chǔ)：將圖形信息存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)設(shè)備上，以便于后續(xù)處理

和調(diào)用。

（4）圖形處理：對圖形信息進(jìn)行各種運(yùn)算、變換、裁剪、拼接等處理。

（5）圖形顯示：將處理后的圖形信息輸出到顯示設(shè)備上，供用戶觀察和使

用。

1.2圖形處理系統(tǒng)組成

圖形處理系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：

（1）硬件設(shè)備：包括計(jì)算機(jī)主機(jī)、圖形輸入設(shè)備、圖形輸出設(shè)備、圖形存

儲(chǔ)設(shè)備等。

計(jì)算機(jī)主機(jī)是圖形處理系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)對圖形信息進(jìn)行處理和計(jì)算。圖形

輸入設(shè)備主要包括鼠標(biāo)、鍵盤、數(shù)字化儀、掃描儀等，用于輸入圖形數(shù)據(jù)。圖形

輸出設(shè)備包括顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等，用于輸出圖形信息。圖形存儲(chǔ)設(shè)備用

于存儲(chǔ)大量的圖形數(shù)據(jù)，如硬盤、光盤等。

（2）圖形軟件：包括圖形系統(tǒng)軟件、圖形應(yīng)用軟件和圖形工具軟件等。

圖形系統(tǒng)軟件是圖形處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)管理硬件設(shè)備、提供圖形編程接

口等。常見的圖形系統(tǒng)軟件有Windows、Unix、Linux等。圖形應(yīng)用軟件是在圖

形系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)上，為用戶提供特定功能的軟件，如CAD、CAY、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫

等。圖形工具軟件則是一些輔助性軟件，用于輔助圖形處理和設(shè)計(jì)，如圖像處理

軟件、三維建模軟件等。

（3）圖形處理算法：包括圖形算法、圖形表示算法、圖形處理算法等。

圖形算法負(fù)責(zé)根據(jù)給定的參數(shù)和條件圖形。常見的圖形算法有直線算法、圓

算法、曲線算法等。圖形表示算法用于將圖形信息以一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲(chǔ)。

常見的圖形表示算法有矢量表示法、像素表示法、參數(shù)表示法等。圖形處理算法

用于對圖形信息進(jìn)行各種運(yùn)算、變換、裁剪、拼接等處理。常見的圖形處理算法

有圖像處理算法、幾何變換算法、圖形裁剪算法等。

2.3圖形算法應(yīng)用

圖形算法在計(jì)算機(jī)圖形處理與設(shè)計(jì)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，以下是一些典型的

應(yīng)用場景：

（1）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）：在CAD系統(tǒng)中，圖形算法可用于繪制二維或

三維圖形，實(shí)現(xiàn)零件、組件和裝配體的設(shè)計(jì)。

（2）計(jì)算機(jī)動(dòng)畫：計(jì)算機(jī)動(dòng)畫制作過程中，圖形算法可用于曲線、曲面、

動(dòng)畫角色等圖形元素，實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫效果的展示。

（3）虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）：在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，圖形算法用于虛擬場景中的圖形

元素，提供沉浸式的視覺體驗(yàn)。

（4）游戲開發(fā)：圖形算法在游戲開發(fā)中應(yīng)用于場景渲染、角色動(dòng)畫、特效

制作等方面，提升游戲畫面的真實(shí)感和美觀度。

（5）圖像處理：圖形算法在圖像處理領(lǐng)域可用于圖像增強(qiáng)、圖像分割、圖

像識(shí)別等任務(wù)，提高圖像質(zhì)量和提取有用信息。

計(jì)算機(jī)圖形處理與設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，圖形算法在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用將越

來越廣泛，為人們的生活和工作帶來更多便捷和美好體驗(yàn)。

第三章二維圖形與變換

3.1二維圖形

3.1.1線條

線條是構(gòu)成二維圖形的基本元素，常見的線條算法有數(shù)字微分分析（DDA）

算法和中點(diǎn)畫線算法（Bresenham第法）。DDA算法通過計(jì)算相鄰像素之間的增量，

逐步繪制出直線。Bresentam算法則通過誤差判斷，在,呆證繪圖精度的基礎(chǔ)上提

高繪圖速度。

3.1.2圓弧

圓弧算法主要有中點(diǎn)圓弧算法和角度分割圓弧算法。中點(diǎn)圓弧算法根據(jù)網(wǎng)弧

的半徑和中心點(diǎn)，計(jì)算圓弧上各點(diǎn)的坐標(biāo)，并繪制出圓弧。角度分割圓弧算法則

通過將圓弧分割成若干小段，計(jì)算每一段的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)，從而繪制出圓弧。

3.1.3曲線

曲線算法包括貝塞爾曲線、B樣條曲線和NURBS曲線。貝塞爾曲線通過控制

點(diǎn)定義曲線，B樣條曲線和NURBS曲線則通過控制點(diǎn)和基函數(shù)定義曲線。這些算

法在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中具有廣泛的應(yīng)用。

3.2二維圖形變換

3.2.1平移變換

平移變換是將圖形沿著X軸和Y軸方向移動(dòng)一定距離的變換。在二維坐標(biāo)系

中，平移變換可以通過修改圖形上各點(diǎn)的坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)。設(shè)平移向量為(tx,ty),

則圖形上點(diǎn)(x,y)平移后的坐標(biāo)為(xtx,yty)o

3.2.2旋轉(zhuǎn)變換

旋轉(zhuǎn)變換是將圖形繞著某一固定點(diǎn)(旋轉(zhuǎn)中心)旋轉(zhuǎn)一定角度的變換。在二

維坐標(biāo)系中，旋轉(zhuǎn)變換可以通過以下公式實(shí)現(xiàn)：

設(shè)旋轉(zhuǎn)中心為(ex,cy),旋轉(zhuǎn)角度為0,則圖形上點(diǎn)(x,y)旋轉(zhuǎn)后的坐

標(biāo)為：

x'=ex(xex)cos0(ycy)sin0

y'=cy(xex)sin0(ycy)cos0

3.2.3縮放變換

縮放變換是將圖形按照一定比例放大或縮小的變換。在二維坐標(biāo)系中，縮放

變換可以通過以下公式實(shí)現(xiàn)：

設(shè)縮放中心為(ex,cy),縮放比例為s,則圖形上點(diǎn)(x,y)縮放后的坐

標(biāo)為：

X'=ex(xex)S

y'=cy(ycy)s

3.2.4對稱變換

對稱變換是將圖形關(guān)于某一軸線或點(diǎn)進(jìn)行對稱的變換。常見的對稱變換有關(guān)

于X軸、Y軸和原點(diǎn)的對稱變換。以下是對稱變換的公式：

關(guān)于X軸對稱：x'=x,y'二y

關(guān)于Y軸對稱：x'=x,y'二y

關(guān)于原點(diǎn)對稱：x'=x,y'二y

3.3二維圖形裁剪

二維圖形裁剪是指將超出裁剪窗口的圖形部分去除，只保留裁剪窗口內(nèi)的圖

形。常見的裁剪算法有CohenSutherland裁剪算法和LiangBarsky裁剪算法。

3.3.1CohenSutherland裁剪算法

CohenSutherland裁剪算法是一種逐邊裁剪的算法，它將圖形的每條邊與裁

剪窗口進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果決定是否保留該邊。算法分為以下四個(gè)步驟：

（1）為裁剪窗口定義一個(gè)編碼系統(tǒng)；

（2）為圖形的每條邊計(jì)算編碼；

（3）根據(jù)編碼判斷邊與裁剪窗口的位置關(guān)系：

（4）根據(jù)位置關(guān)系裁剪掉超出裁剪窗口的邊。

3.3.2LiangBarsky裁剪算法

LiangBarsky裁剪算法是一種基于參數(shù)方程的裁剪算法，它利用裁剪窗口的

邊界與圖形邊的參數(shù)方程進(jìn)行比較，確定裁剪后邊的參數(shù)范圍。算法步驟如下：

（1）計(jì)算裁剪窗口的左、右、上、下邊界；

（2）為圖形的每條邊建立參數(shù)方程；

（3）根據(jù)參數(shù)方程與裁剪窗口邊界的比較結(jié)果，確定裁剪后邊的參數(shù)范圍;

（4）根據(jù)參數(shù)范圍繪制裁剪后的圖形。

第四章三維圖形處理

4.1三維圖形表示

三維圖形表示是計(jì)算機(jī)圖形處理的基礎(chǔ)，它涉及將三維空間中的物體以數(shù)字

化的形式表達(dá)出來。在計(jì)算機(jī)中，三維圖形通常通過點(diǎn)、線、面等基本元素進(jìn)行

表示。以下為兒種常見的三維圖形表示方法：

（1）邊界表示法：邊界表示法通過描述物體的表面來表示三維圖形。表面

由一系列的頂點(diǎn)、邊利面片組成，每個(gè)面片由多個(gè)頂點(diǎn)連接而成。

（2）體積表示法：體積表示法將三維空間劃分為一系列的小單元，通過標(biāo)

記每個(gè)單元的狀態(tài)（內(nèi)部、外部或邊界）來表示物體。

（3）參數(shù)表示法：參數(shù)表示法通過一組參數(shù)方程來描述三維圖形的幾何形

狀。這種表示方法具有較高的形狀表達(dá)能力，但計(jì)算復(fù)雜度較高。

4.2三維圖形變換

三維圖形變換是指對三維圖形進(jìn)行的一系列幾何操作，包括平移、旋轉(zhuǎn)、縮

放等。以下為兒種常見的三維圖形變換方法：

（1）平移變換：將三維圖形沿著指定的方向和距離進(jìn)行移動(dòng)。

（2）旋轉(zhuǎn)變換：將三維圖形圍繞指定的軸旋轉(zhuǎn)一定的角度。

（3）縮放變換：對三維圖形進(jìn)行放大或縮小操作,

（4）鏡像變換：將三維圖形關(guān)于指定平面進(jìn)行對稱變換。

（5）組合變換：將多種變換方法組合起來，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的圖形變換。

4.3三維圖形投影

三維圖形投影是將三維圖形投影到二維平面上，以便在計(jì)算機(jī)屏幕或紙張上

顯示。以下為幾種常見的三維圖形投影方法：

（1）正交投影：將三維圖形沿著與投影面垂直的方向進(jìn)行投影，投影結(jié)果

保持物體的大小和形狀不變。

（2）透視投影：將三維圖形通過透視原理投影到二維平面匕投影結(jié)果會(huì)

物體與投影面的距離不同而發(fā)生變化。

（3）斜投影：將三維圖形沿著與投影面成一定角度的方向進(jìn)行投影，投影

結(jié)果既包含正交投影的特點(diǎn)，也包含透視投影的特點(diǎn)。

（4）投影變換：對三維圖形進(jìn)行投影變換，使其在二維平面上顯示。投影

變換包括投影矩陣的構(gòu)建和投影坐標(biāo)的計(jì)算。

通過以上三維圖形處理方法，計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對三維物體的建模、

變換和顯示，為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域提供技術(shù)支持。

第五章圖形渲染與光照模型

5.1圖形渲染基本概念

圖形誼染是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的一個(gè)更要環(huán)節(jié)，其主要任務(wù)是將三維場景轉(zhuǎn)換

成二維圖像，以便在屏幕上顯示。圖形渲染主要包括以下幾個(gè)基本概念：

5.1.1幾何處理

在圖形渲染過程中，首先需要將場景中的三維模型轉(zhuǎn)換成一系列的幾何體。

這些幾何體通常由頂點(diǎn)、邊和面組成，如三角形、四邊形等。幾何處理主要包括

頂點(diǎn)變換、剪裁、光柵化等步驟。

5.1.2光柵化

光柵化是將幾何體轉(zhuǎn)換成像素的過程。在光柵化階段，每個(gè)像素的值由場景

中的兒何體、光照和紋理信息決定。光柵化過程涉及到像素填充、抗鋸齒、深度

測試等環(huán)節(jié)。

5.1.3紋理映射

紋理映射是將紋理圖像映射到幾何體表面的過程。通過紋理映射，可以增加

場景的真實(shí)感。紋理映射包括紋理坐標(biāo)、紋理采樣、紋理過濾等步驟。

5.1.4光照計(jì)算

光照計(jì)算是圖形渲染中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它決定了場景中物體的明暗、顏色和質(zhì)

感。光照計(jì)算涉及到光源類型、光照模型、材質(zhì)屬性等因素。

5.2光照模型

光照模型用于描述物體表面在光照下的反射、折射等光學(xué)現(xiàn)象。以下介紹幾

種常見的光照模型：

5.2.1蘭伯特(Lambert)光照模型

蘭伯特光照模型是一種簡單的光照模型，它假設(shè)物體表面為理想漫反射，即

光線在物體表面均勻反射。該模型僅考慮入射光線的方向，不考慮光源的位置和

強(qiáng)度。

5.2.2高斯(Gauss)光照模型

高斯光照模型是一種基于物理的光照模型，它考慮了光源的位置、強(qiáng)度和物

體表面的反射特性。該模型可以較好地模擬金屬、塑料等物體的光照效果。

5.2.3菲涅爾(Fresnel)光照模型

菲涅爾光照模型描述了光線在介質(zhì)界面處的反射和折射現(xiàn)象。該模型根據(jù)光

線入射角和介質(zhì)折射率計(jì)算反射和折射光線的強(qiáng)度，可以用于模擬透明物體的光

照效果。

5.3陰影與透明度處理

陰影和透明度處理是圖形渲染中的重要環(huán)節(jié)，它們可以增強(qiáng)場景的立體感和

真實(shí)感。

5.3.1陰影處理

陰影處理是通過計(jì)算物體在光源照射下的遮擋關(guān)系，物體在地面或其他物體

上的投影。常見的陰影方法有：陰影映射、陰影體、軟陰影等。

5.3.2透明度處理

透明度處理是指對透明物體進(jìn)行渲染的過程。透明度處理需要考慮物體表面

的透明度、折射率和光線傳播方向等因素工常見的透明度渲染方法有：順序渲染、

混合渲染、深度排序等。

第六章紋理映射與圖像處理

6.1紋理映射基礎(chǔ)

6.1.1紋理映射概念

紋理映射是一種將圖像映射到三維模型表面的技術(shù)，通過紋理映射，可以使

三維模型具有更加真實(shí)和細(xì)膩的表面效果。紋理映射在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中占有重要

地位，廣泛應(yīng)用于游戲、動(dòng)畫、虛擬現(xiàn)熨等領(lǐng)域。

6.1.2紋理映射分類

紋理映射主要分為以下幾種類型：

（1）環(huán)境紋理映射：將圖像映射到場景的背景中，使場景具有真實(shí)感。

（2）凹凸紋理映射：通過調(diào)整紋理的亮度或顏色，模擬物體表面的凹凸效

果。

（3）光照紋理映射：將光照信息映射到物體表面，增強(qiáng)物體的光照效果。

（4）法線紋理映射：通過改變物體表面的法線方向，實(shí)現(xiàn)更加豐富的光照

和陰影效果。

6.1.3紋理映射技術(shù)

紋理映射技術(shù)主要包括以下幾種：

（1）UV坐標(biāo)映射：將紋理圖像的像素坐標(biāo)映射到三維模型的頂點(diǎn)坐標(biāo)上。

（2）三角形映射：籽紋理圖像映射到三角形的頂點(diǎn).匕實(shí)現(xiàn)紋理的均勻分

布。

（3）球面映射：將紋理圖像映射到球面上，適用于球形物體的紋理映射。

6.2紋理映射應(yīng)用

6.2.1三維模型渲染

紋理映射在三維模型渲染中具有重要意義，可以使模型表面具有豐富的細(xì)節(jié)

和質(zhì)感，提高渲染效果。

6.2.2虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

在虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，紋理映射可以增強(qiáng)場景的真實(shí)感，提高用戶

體驗(yàn)。

6.2.3動(dòng)畫與游戲制作

紋理映射在動(dòng)畫和游戲制作中，可以使角色和場景具有更加細(xì)膩的紋理，提

升視覺效果。

6.3圖像處理技術(shù)

6.3.1圖像濾波

圖像濾波是圖像處理中的基本技術(shù)，主要包括均值濾波、中值濾波、高斯濾

波等。濾波技術(shù)可以去除圖像中的噪聲，平滑圖像。

6.3.2邊緣檢測

邊緣檢測是圖像處理中的重要環(huán)節(jié)，主要用于提取圖像中的邊緣信息。常用

的邊緣檢測算法有Canny算法、Sobel算法等。

6.3.3圖像分割

圖像分割是將圖像劃分為若干具有相似特征的區(qū)域。常用的圖像分割方法有

閾值分割、區(qū)域生長、邊緣連接等。

6.3.4圖像變換

圖像變換是將圖像從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式，常用的圖像變換有傅里葉

變換、離散余弦變換等。

6.3.5圖像識(shí)別與分類

圖像識(shí)別與分類是圖像處理的高級(jí)階段，通過對圖像的特征進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)

對圖像的識(shí)別和分類。常用的方法有支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

6.3.6圖像增強(qiáng)與復(fù)原

圖像增強(qiáng)與復(fù)原是針對圖像質(zhì)量進(jìn)行改善的技術(shù)，包括對比度增強(qiáng)、亮度調(diào)

整、圖像去模糊等。

第七章計(jì)算機(jī)動(dòng)畫

7.1動(dòng)畫原理

計(jì)算機(jī)動(dòng)畫是基于視覺暫留原理的一種計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)。視覺暫留原理

是指人眼在觀察物體時(shí)，物體在視網(wǎng)膜上產(chǎn)生的圖像會(huì)在短時(shí)間內(nèi)保持不變。當(dāng)

一系列靜態(tài)圖像以足夠快的速度連續(xù)顯示時(shí)，人眼會(huì)將這些圖像融合成連續(xù)的運(yùn)

動(dòng)畫面，從而產(chǎn)生動(dòng)畫效果。

動(dòng)畫的原理可以分為以下兩個(gè)方面：

（1）時(shí)間采樣：將動(dòng)畫過程分解為一系列時(shí)間點(diǎn)，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的圖像稱

為幀。通過對幀的連續(xù)播放，形成動(dòng)畫效果。

（2）空間采樣：在動(dòng)畫過程中，物體在空間的位置和形態(tài)發(fā)生變化。通過

對物體在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的位置和形態(tài)進(jìn)行采樣，得到一系列圖像，進(jìn)而形成動(dòng)畫。

7.2動(dòng)畫制作技術(shù)

動(dòng)畫制作技術(shù)主要包括以下幾種：

（1）關(guān)鍵幀動(dòng)畫：通過設(shè)置關(guān)鍵幀來定義動(dòng)畫過程中的關(guān)鍵位置和形態(tài)，

然后利用插位算法自動(dòng)中間幀。關(guān)鍵幀動(dòng)畫適用于具有明顯運(yùn)動(dòng)規(guī)律的場景，如

人物行走、跳躍等。

（2）骨骼動(dòng)畫：將物體分解為多個(gè)部分，為每個(gè)部分設(shè)置骨骼，通過調(diào)整

骨骼的位置和角度來控制物體的運(yùn)動(dòng)。骨骼動(dòng)畫適用于具有復(fù)雜運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物

體，如人體、動(dòng)物等。

（3）粒子動(dòng)畫：利用粒子系統(tǒng)模擬自然界中的各種現(xiàn)象，如火焰、煙霧、

水花等。粒子動(dòng)畫具有很高的真實(shí)感和動(dòng)態(tài)性。

（4）動(dòng)力學(xué)動(dòng)畫：通過模擬物體在受力作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫效果。

動(dòng)力學(xué)動(dòng)畫適用于物體之間的碰撞、摩擦等物理現(xiàn)象。

（5）腳本動(dòng)畫：利用腳本語言編寫動(dòng)畫控制邏輯，實(shí)現(xiàn)對動(dòng)畫的精確控制。

腳本動(dòng)畫適用于復(fù)雜場景的動(dòng)畫制作。

7.3動(dòng)畫應(yīng)用

計(jì)算機(jī)動(dòng)畫在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，以下列舉兒個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域：

（1）影視制作：計(jì)算機(jī)動(dòng)畫在電影、電視劇、動(dòng)畫片等領(lǐng)域中，為觀眾呈

現(xiàn)出豐富的視覺效果。

（2）游戲開發(fā)：計(jì)算機(jī)動(dòng)畫為游戲角色和場景提供生動(dòng)、真實(shí)的運(yùn)動(dòng)效果,

增強(qiáng)游戲體驗(yàn)。

（3）教育培訓(xùn)：通過動(dòng)畫形式展示復(fù)雜的知識(shí)點(diǎn)，使學(xué)習(xí)者更容易理解和

掌握。

（4）醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)動(dòng)畫在醫(yī)學(xué)教學(xué)中，用于展示人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和器官

的運(yùn)動(dòng)，幫助學(xué)生更好地理解生理現(xiàn)象。

（5）工業(yè)設(shè)計(jì)：計(jì)算機(jī)動(dòng)畫在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和展示中，為設(shè)計(jì)師提供直觀、生

動(dòng)的效果預(yù)覽。

(6)虛擬現(xiàn)實(shí)：計(jì)算機(jī)動(dòng)畫在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，為用戶提供沉浸式的視覺

體驗(yàn)。

(7)軍事領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)動(dòng)畫在軍事模擬訓(xùn)練中，為士兵提供真實(shí)的戰(zhàn)場環(huán)

境，提高訓(xùn)練效果。

(8)交通領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)動(dòng)畫在交通規(guī)劃、交通安全教育等方面，提供直觀、

生動(dòng)的展示效果。

第八章計(jì)算機(jī)圖形軟件

8.1圖形軟件概述

圖形軟件是計(jì)算機(jī)圖形處理與設(shè)計(jì)中不可或缺的工具，它主要用于創(chuàng)建、編

輯和顯示圖形圖像。圖形軟件可以分為二維圖形軟件和三維圖形軟件，它們各自

具有不同的功能和特點(diǎn)。二維圖形軟件主要用于處理平面圖形，如矢量圖形和位

圖圖像；而三維圖形軟件則用于創(chuàng)建和渲染三維模型，實(shí)現(xiàn)立體圖形效果。

8.2常用圖形軟件介紹

8.2.1二維圖形軟件

(1)AdobeIllustrator

AdobeIllustrator是一款功能強(qiáng)大的矢量圖形軟件，廣泛應(yīng)用于平面設(shè)

計(jì)、UI設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。它支持多種矢量圖形格式，具有豐富的繪圖工具和效果，

可以輕松創(chuàng)建高質(zhì)量的平面圖形。

(2)CorelDRAW

CorelDRAW是一款老牌的矢量圖形軟件，具有豐富的繪圖功能和強(qiáng)大的圖像

處理能力。它廣泛應(yīng)用于廣告設(shè)計(jì)、插畫創(chuàng)作等領(lǐng)域，亮供了豐富的模板和預(yù)設(shè)

效果，方便用戶快速設(shè)計(jì)。

(3)Photoshop

Photoshop是一款知名的位圖圖像處理軟件，用于處理照片、圖像編輯和合

成。它具有強(qiáng)大的圖像處理功能，如圖層、蒙版、濾鏡等，適用于各種圖像處理

需求。

8.2.2三維圖形軟件

(1)AutoCAD

AutoCAD是一款廣泛應(yīng)用的二維和三維圖形軟件，主要用于工程設(shè)計(jì)、建筑

設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。它支持多種三維建模方法，如線框建模、曲面建模和實(shí)體建模等。

(2)3dsMax

3dsMax是一款功能強(qiáng)大的三維建模和動(dòng)畫軟件，適用于電影、游戲開發(fā)和

室內(nèi)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。它具有豐富的建模工具和動(dòng)畫功能，可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的立體圖

形效果。

(3)Maya

Maya是一款頂級(jí)的三維建模和動(dòng)畫軟件，廣泛應(yīng)用于電影、電視和游戲開

發(fā)等領(lǐng)域。它具有強(qiáng)大的建模、動(dòng)畫、渲染和特效功能，能滿足各種復(fù)雜的三維

圖形設(shè)計(jì)需求。

8.3圖形軟件應(yīng)用實(shí)例

以下是一些圖形軟件在實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)例：

(1)平面設(shè)計(jì)

使用AdobeIllustrator設(shè)計(jì)一款海報(bào)，通過矢量圖形工具創(chuàng)建各種圖形

元素，再結(jié)合文字和顏色效果，制作出富有創(chuàng)意的海報(bào)設(shè)計(jì)。

(2)UI設(shè)計(jì)

利用CorelDRAW設(shè)計(jì)一款手機(jī)APP的界面，通過繪制矢量圖形、調(diào)整顏色

和布局，實(shí)現(xiàn)美觀、易用的界面效果。

(3)照片處理

使用Photoshop處理一組照片，通過調(diào)整亮度、對比度、色調(diào)等參數(shù)，以

及應(yīng)用濾鏡和修飾工具，使照片更加美觀。

(4)三維建模

利用AutoCAD設(shè)計(jì)一款機(jī)械零件，通過三維建模工具創(chuàng)建零件的幾何形狀,

再進(jìn)行渲染利標(biāo)注，清晰的工程圖紙。

(5)游戲開發(fā)

使用3dsMax或Maya創(chuàng)建游戲角色和場景，通過建模、動(dòng)畫和渲染功能,

實(shí)現(xiàn)立體、生動(dòng)的游戲效果。

第九章計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

9.1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)概述

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(ComputerAidedDesign,簡稱CAD)是利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輔

助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)的一種技術(shù)。它通過計(jì)算機(jī)軟件對設(shè)計(jì)對象進(jìn)行建模、分析、

修改和優(yōu)化，以提高設(shè)計(jì)效率、降低設(shè)計(jì)成本、縮短設(shè)計(jì)周期，并提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

CAD技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)領(lǐng)域

的重要組成部分。它廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、建筑設(shè)計(jì)、電子設(shè)計(jì)、航空航天、汽

車制造等領(lǐng)域，為設(shè)計(jì)人員提供了強(qiáng)大的設(shè)計(jì)工具。

9.2計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法主要包括以下幾種：

（1）交互式設(shè)計(jì)方法：設(shè)計(jì)人員在計(jì)算機(jī)屏幕上直接進(jìn)行設(shè)計(jì)操作，如繪

制、修改、刪除等。這種方法直觀、易用，便于設(shè)計(jì)人員發(fā)揮創(chuàng)造力。

（2）參數(shù)化設(shè)計(jì)方法：通過設(shè)置參數(shù)來控制設(shè)計(jì)對象的形狀和尺寸。設(shè)計(jì)

人員只需修改參數(shù)，即可自動(dòng)新的設(shè)計(jì)結(jié)果。

（3）模塊化設(shè)計(jì)方法：將設(shè)計(jì)對象分解為多個(gè)模塊，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。然后

將這些模塊組合起來，形成一個(gè)完整的設(shè)計(jì)。

（4）優(yōu)化設(shè)計(jì)方法：利用計(jì)算機(jī)算法對設(shè)計(jì)對象進(jìn)行優(yōu)化，以