计算机图形学和可视化.pptx

数智创新数智创新 变革未来变革未来计算机图形学和可视化1.计算机图形学概述与基本概念1.图像与模型的编码与处理1.人机交互与虚拟现实1.光线追踪与几何建模1.图形算法与图像合成1.动画与运动控制1.大规模数据可视化与信息可视化1.科学可视化与医学成像Contents Page目录页 计算机图形学概述与基本概念计计算机算机图图形学和可形学和可视视化化 计算机图形学概述与基本概念计算机图形学简介1.计算机图形学是一门研究计算机与图形之间的交互作用的学科，主要目标是利用计算机生成和分析图形2.计算机图形学涉及图像生成、图像处理、计算机视觉、计算机动画、人机交互等多个领域，有着广泛的应用，如影视制作、游戏开发、工业设计、科学计算等3.计算机图形学发展迅速，近年来随着人工智能、深度学习等技术的兴起，涌现出许多新的研究热点和应用领域计算机图形学基本概念1.基本图形元素：点、线、面、体等是计算机图形学中的基本图形元素，通过这些元素可以组成复杂的图形2.坐标系：计算机图形学中，通常使用笛卡尔坐标系来表示图形元素的位置和大小3.投影变换：投影变换是对图形元素进行旋转、平移、缩放等操作，将三维图形投射到二维平面上。

4.光照模型：光照模型用于模拟光照对图形表面的影响，从而产生更逼真的图像5.材质模型：材质模型用于描述图形表面的物理特性，如反射率、漫反射率、折射率等，从而影响图形表面的颜色和外观6.纹理映射：纹理映射是将纹理图像应用到图形表面的过程，从而使图形表面具有更加丰富的细节图像与模型的编码与处理计计算机算机图图形学和可形学和可视视化化 图像与模型的编码与处理几何编码1.多边形网：表示3D模型的基本数据结构，由一系列顶点、边和面组成2.曲线和曲面：NURBS（非均匀有理B样条曲线和曲面）是一种广泛使用的表示平滑曲线和曲面的数学工具3.多维数据集：体素和点云等多维数据集用于表示体积数据和散乱数据集属性编码1.颜色和纹理：颜色和纹理是赋予模型外观的关键属性2.法线和几何属性：法线表示曲面的方向，几何属性如曲率和高斯曲率可用于更高级的渲染和分析3.材质和光照：材质和光照模型用于定义模型如何与光线相互作用，从而产生逼真的外观图像与模型的编码与处理纹理映射1.UV映射：UV映射是一种将2D纹理应用到3D模型的常用技术，通过指定模型上的每个顶点的纹理坐标来实现2.法线映射：法线映射是一种模拟曲面的三维细节的技术，通过使用特定的纹理来改变曲面的法线方向。

3.位移映射：位移映射是一种通过使用纹理来修改模型的几何形状的技术，从而创造出更复杂和逼真的表面几何处理1.网格简化：网格简化是一种减少模型顶点数的技术，用于降低模型复杂性2.网格细分：网格细分是一种增加模型顶点数的技术，用于提高模型细节3.平滑和锐化：平滑和锐化是两种用于调整模型曲面光滑度的技术图像与模型的编码与处理属性处理1.图像处理：图像处理技术用于增强和操纵图像数据，例如去噪、锐化和色彩校正2.点云处理：点云处理技术用于处理和分析从3D扫描仪获得的点云数据3.体素处理：体素处理技术用于处理和分析体积数据，例如医学图像和科学模拟数据可视化技术1.交互式可视化：交互式可视化允许用户通过缩放、旋转和更改视图来探索数据2.科学可视化：科学可视化是将科学数据转换成可视形式的技术，有助于理解和分析复杂的数据3.信息可视化：信息可视化是将信息以视觉方式呈现的技术，有助于理解和传达复杂的信息人机交互与虚拟现实计计算机算机图图形学和可形学和可视视化化 人机交互与虚拟现实人机交互：1.人机交互的本质是人与计算机系统之间的信息交换过程，其主要目的是实现有效和高效的人机沟通2.人机交互研究涉及多个领域，包括计算机科学、心理学、工程学和设计学等，侧重于探索和开发新的交互技术和方法，以便让人们更轻松、自然地与计算机系统进行交互。

3.目前，人机交互领域正在积极探索和研究许多前沿课题，例如多模态交互、自然语言处理、增强现实和虚拟现实等虚拟现实：1.虚拟现实（VR）技术是一种计算机模拟的三维虚拟环境，能够让用户在视觉、听觉、触觉等方面产生沉浸感，从而在虚拟世界中获得逼真的体验2.VR技术在游戏、娱乐、教育、培训、医疗保健等领域都有广泛的应用前景光线追踪与几何建模计计算机算机图图形学和可形学和可视视化化 光线追踪与几何建模光线追踪基本原理1.光线追踪是一种用于计算给定场景中的光照条件的算法2.它通过计算从光源到场景中的对象再到相机的光线路径来工作3.光线追踪可以产生逼真的图像，因为它考虑了光线的反射、折射和吸收光线追踪算法1.有多种不同的光线追踪算法，每种算法都有自己的优点和缺点2.最常用的光线追踪算法之一是Whitted-style算法3.Whitted-style算法使用递归算法来计算光线路径光线追踪与几何建模光线追踪加速技术1.光线追踪算法的计算量很大，因此需要使用各种加速技术来提高性能2.一种常见的加速技术是使用空间数据结构，例如BVH和Octree3.另一种常见的加速技术是使用重要性采样来减少需要计算的光线数量。

真实感渲染技术1.光线追踪是真实感渲染技术的一种2.真实感渲染技术旨在创建逼真的图像，这些图像看起来与真实世界中的场景无法区分3.其他真实感渲染技术包括环境光遮挡、运动模糊和景深光线追踪与几何建模几何建模技术1.几何建模是创建场景中对象的数学表示的过程2.几何建模技术包括B样条曲线、NURBS曲面和多边形网格3.几何建模技术的选择取决于场景的复杂性和所需的图像质量未来发展趋势1.光线追踪和几何建模技术都在不断发展2.未来发展趋势包括使用人工智能来改进光线追踪算法的性能，以及开发新的几何建模技术来创建更逼真的对象3.光线追踪和几何建模技术将在计算机图形学和可视化领域发挥越来越重要的作用图形算法与图像合成计计算机算机图图形学和可形学和可视视化化 图形算法与图像合成1.背景分离与抠图：介绍了基于图像分割、深度学习等技术实现图像中前景与背景分离的方法，以及抠图技术的应用和发展2.图像修复与完善：讨论了图像修复和完善的必要性，介绍了图像修复和完善的常用算法，如图像修复、图像超分辨率、图像去噪等，以及它们在图像处理、图像编辑和计算机视觉等领域中的应用3.图像合成与混合：介绍了图像合成与混合的概念，讨论了图像合成与混合的各种技术，如图像合成、图像融合、图像混合等，以及它们在多媒体、游戏开发、图像编辑等领域中的应用。

真实感渲染1.光照模型与阴影生成：介绍了光照模型的种类和特点，讨论了阴影生成算法的原理和应用，分析了真实感渲染中光照模型和阴影生成算法的重要性2.材质建模与纹理映射：介绍了材质建模和纹理映射的概念，讨论了材质建模和纹理映射的技术，分析了真实感渲染中材质建模和纹理映射的重要性3.全局光照与间接照明：介绍了全局光照的概念和特点，讨论了全局光照算法的原理和应用，分析了真实感渲染中全局光照算法的重要性基于计算机视觉的图像合成 动画与运动控制计计算机算机图图形学和可形学和可视视化化 动画与运动控制动画的层次结构1.动画层次结构的概念：动画层次结构是一种将动画场景中的对象按层次组织起来的数据结构，它可以用来表示对象的依赖关系、运动关系和动画效果2.动画层次结构的类型：动画层次结构有多种类型，包括关节层次结构、骨架层次结构和变形层次结构，其中关节层次结构是最常见的，它由一系列关节连接起来的对象组成，每个关节可以旋转或平移3.动画层次结构的优点：动画层次结构具有许多优点，包括：易于创建和编辑动画；易于控制场景中的对象；易于实现复杂的动画效果，它也是一种非常高效的数据结构，因为它只需要存储每个关节的位置和旋转信息，而不需要存储整个对象的几何数据运动控制1.运动控制的概念：运动控制是指对动画中的对象运动进行控制，它包括指定对象的运动路径、速度和加速度，以及对对象的运动进行实时调整2.运动控制的方法：运动控制有多种方法，包括关键帧动画、运动路径动画和程序动画，关键帧动画是最简单的一种运动控制方法，它只需指定对象的运动关键帧，然后由计算机自动生成中间帧，运动路径动画是一种更复杂的方式，它需要指定对象的运动路径，然后由计算机生成沿该路径的动画。

程序动画是一种非常灵活的方式，它允许程序员编写代码来控制对象的运动3.运动控制的应用：运动控制在计算机图形学中有着广泛的应用，包括：游戏、动画电影、医学可视化和科学可视化 大规模数据可视化与信息可视化计计算机算机图图形学和可形学和可视视化化 大规模数据可视化与信息可视化多粒度和分层可视化：1.多粒度可视化：通过在不同层次上可视化数据，方便用户以多种方式探索和理解数据，例如，可以提供不同时间尺度的数据的可视化，或在不同地理区域的数据的可视化2.分层可视化：通过将数据分为不同的层次来可视化数据，使复杂的数据更容易理解例如，可以将数据分为不同类别，并使用不同的颜色或形状来表示每个类别3.混合可视化：将上述方法相结合，将数据集的不同部分以不同的方式可视化，以创建更全面、更易于理解的表示可视化概览和细节：1.可视化概览：通过创建数据的概要可视化，使用户能够快速了解数据的主要趋势和模式，例如，可以使用饼图来显示不同类别的百分比，或可以使用折线图来显示随时间变化的趋势2.可视化细节：允许用户探索数据中的更多细节例如，可以使用散点图来显示数据的分布，或可以使用表格来显示数据的具体值3.交互式可视化：允许用户与可视化进行交互，以探索数据并发现新的见解。

例如，用户可以放大或缩小可视化，或可以将鼠标悬停在数据点上以查看更多信息大规模数据可视化与信息可视化关联可视化：1.相关可视化：通过可视化数据之间的关系来揭示数据中的潜在模式和见解例如，可以使用散点图来显示两个变量之间的关系，或可以使用网络图来显示节点之间的连接2.相关发现：使用各种算法和技术发现数据中的相关关系，包括相关分析、聚类分析和主成分分析3.相关探索：允许用户探索数据中的相关关系并发现新的见解例如，用户可以使用交互式可视化来探索不同变量之间的关系，或可以使用过滤工具来识别数据中的相关模式时空可视化：1.时空可视化：通过同时可视化空间和时间维度来表示数据例如，可以使用时间滑块来显示数据随时间变化，或可以使用地图来显示数据在不同地理区域的分布2.轨迹可视化：通过可视化对象随时间移动的路径来表示数据，例如，可以使用热图来显示对象的移动模式，或可以使用折线图来显示对象的运动轨迹3.事件可视化：通过可视化特定事件在时间和空间中的发生来表示数据例如，可以使用时间轴来显示事件的顺序，或可以使用地图来显示事件发生的地理位置大规模数据可视化与信息可视化不确定性和模糊性可视化：1.不确定性和模糊性可视化：通过可视化数据的不确定性和模糊性来表示数据，例如，可以使用颜色来表示数据的置信度，或可以使用阴影来表示数据的模糊性。

2.概率可视化：使用概率模型和统计方法对不确定数据进行建模和可视化3.模糊可视化：使用模糊理论和模糊逻辑对模糊数据进行建模和可视化数据可视化与机器学习：1.机器学习辅助的可视化：使用机器学习算法和技术来生成更有效和更具洞察力的可视化例如，可以使用机器学习算法来发现数据中的模式和见解，或可以使用机器学习技术来生成交互式可视化2.可解释性可视化：使用可视化技术来解释机器学习模型的行为和预测例如，可以使用可视化技术来显示机器学习模型的决策边界，或可以使用可视化技术来显示机器学习模型的特征重要性科学可视化与医学成像计计算机算机图图形学和可形学和可视视化化 科学可视化与医学成像体积可视化与多模态图像融合1.医学成像技术的发展，如CT、MRI和PET，产生了大量体积数据体积可视化技术可以帮助医生和科学家理解这些数据，并从中提取有用的信息2.多模态图像融合技术可以将来自不同来源的图像信息融合起来，从而获得更全面的信息例如，CT图像可以提供解剖结构的信息，而MRI图像可以提供代谢过程的信息将这些图像融合起来，可以帮助医。