计算机图形学：光照模型与材质详解

计算机图形学是一门研究如何利用计算机生成、处理和显示图形的学科，它涉及多个核心领域，包括二维和三维图形的生成、图形的变换与裁剪、真实感图形的生成与显示、自然景物的模拟以及色彩科学和动画技术。在课程"实用计算机图形学"中，学生将深入学习以下几个关键知识点： 1. 计算机图形学定义：计算机图形学研究的对象包括现实世界和虚构物体的几何要素（如点、线、面和体）以及非几何要素（如颜色和材质）。图形的基本表示形式有线框模型、颜色和纹理。 2. 二维和三维图形生成：课程会教授基本的二维图形元素如点、直线、圆和多边形，以及三维图形的自由曲线曲面生成和实体造型技术，如CAD软件中的建模工具。 3. 图形变换与裁剪：通过平移、旋转和缩放等变换操作，使图形适应不同的应用场景。裁剪技术则是处理场景中超出摄像机视窗范围的图形，保持视口内图形的完整性。 4. 真实感图形生成与显示：这是课程的重点，通过模拟物体的物理属性，如颜色、光照、纹理和表面细节，以及空间关系和遮挡效果，来实现逼真的渲染。着色技术、光照模型和材质选择至关重要，比如Phong光照模型和BRDF（ Bidirectional Reflectance Distribution Function，双向反射分布函数）用于模拟光线与表面的交互。 5. 自然景物模拟：针对复杂的真实环境，如山、水、云、植物和火焰等，课程会讲解粒子系统、生理模型和细胞自动机等方法的应用，以及专门的软件工具，如Xfrog和自然景物平台。 6. 色彩科学基础：理解色彩理论对于创建逼真的图像至关重要，课程将涵盖色彩模型、色彩空间转换和色彩管理等内容。 7. 计算机动画技术：通过特征图像变形，如FFD（自由形态变形）实现动态变化，如猫变虎的示例，以及三维FFD在动画中的应用。 这门课程旨在培养学生掌握计算机图形学的基础理论和实践技能，以便在数字媒体领域创作出具有视觉冲击力和真实感的作品。通过一系列的教学方法和实例分析，学生将能运用所学知识解决实际的图形设计问题。