课程笔记01 计算机图形学基础

教学大纲

章节	标题	小节	学时
第一章	图形学简介	1.1 计算机图形学的研究内容 1.2 发展的历史回顾 1.3 应用及研究前沿 1.4 图形设备	2学时
第二章	颜色模型、图像基本知识、Phong光照模型	2.1 颜色模型 2.1.1 颜色模型的视觉基础 2.1.2 RGB颜色模型 2.1.3 HSV颜色模型 2.1.4 其它颜色模型 2.2 图像基本知识 2.3 Phong光照模型	2学时
第三章	视图模型变换	3.1 视图模型变换和视点的意义 3.2 视图变换 3.3 齐次坐标 3.4 视点变换	2学时
第四章	材质反射属性模型BRDF	4.1 BRDF基础知识 4.2 BRDF的定义和性质 4.3 BRDF模型 4.4 BRDF度量	2学时
第五章	光线跟踪	5.1 光线跟踪简介 5.2 光线求交 5.3 阴影 5.4 透明和镜面反射 5.5 纹理	4学时
第六章	Bezier曲线曲面	6.1 参数曲线和曲面的基本概念 6.2 Bezier曲线：概念与性质 6.3 Bezier曲面：矩形的和三角形的 6.4 矩形和三角形Bezier曲面的转换	4学时
第七章	B样条曲线曲面	7.1 样条曲线简介 7.2 B样条曲线及其性质 7.3 B样条曲面 7.4 NURBS曲线和曲面	2学时
第八章	网格	8.1 网格基本知识 8.2 网格简化 8.3 细分 8.4 参数化	4学时
第九章	光线跟踪加速	9.1 包围盒技术 9.2 均匀格点法 9.3 四叉树，八叉树 9.4 空间二分树	4学时
第十章	纹理	10.1 纹理简介 10.2 纹理合成 10.3 纹理映射 10.4 纹理前沿技术	2学时
第十一章	阴影生成	11.1 阴影概述 11.2 硬阴影和软阴影 11.3 平面阴影 11.4 曲面阴影 11.5 阴影图 11.6 高级技术	2学时
第十二章	图形学前沿讲座		2学时

第一章图形学简介

计算机图形学应用领域：电影、游戏、计算机仿真、CAD/CAM/CAE（计算机辅助设计/制造/工程）、建筑、可视化

研究内容

如何利用计算机表示图像、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示，构成了计算机图形学的主要研究内容。
- 图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形绘制，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。
图形与图像
- 图像纯指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息。
- 图形含有几何属性，更强调场景的几何表示，是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成的。
- 图形主要分为两类：基于线条信息表示；明暗图(Shading)。
图形学与CAD
- 1962年，MIT林肯实验室，I.E.Sutherland，”Sketchpad：一个人机交互通信的图形系统”
- Coons，CAD的概念，Coons曲面，Coons奖
图形学与模式识别
图形学与视觉
- 基于图像的绘制
- 基于视频的绘制

发展历史

50年代
- 1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院（MIT）旋风I号（WhirlwindI）计算机的附件诞生。
- 1958年，美国Calcomp公司由联机的数字记录仪发展成滚筒式绘图仪，GerBer公司把数控机床发展成为平板式绘图仪。
- 50年代末期，MIT的林肯实验室在“旋风”计算机上开发SAGE空中防御体系。
60年代
- 1962年，MIT林肯实验室的I.E.Sutherland发表了一篇题为“Sketchpad：一个人机交互通信的图形系统”的博士论文。提出图形学的概念，成就“图形学之父”的英名; 获“图灵”奖; IEEE计算机杰出成就奖; Coons 奖
- 1962年，雷诺汽车公司的 Pierre Bezier 提出 Bezier 曲线曲面的理论，成为CAGD的先驱。
  - Bezier与de Casteljau
  - “天上掉下来”——到Forrest的“暮然回首”
- 1964年MIT教授Steven A.Coons提出了超限插值的思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。
  - 58年提出“CAD”概念
  - 图形学最高奖以他名字命名。
70年代
- 光栅图形学迅速发展
  - 区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其相应算法纷纷诞生
- 图形软件标准化
  - 1974年，ACM SIGGRAPH的与ACM成立图形标准化委员会，制定“核心图形系统”(Core Graphics System)
  - ISO发布CGI、CGM、GKS、PHIGS
- 真实感图形学
  - 1970年，Bouknight提出了第一个光反射模型
  - 1971年Gourand提出“漫反射模型+插值”的思想，被称为Gourand明暗处理
  - 1975年，Phong提出了著名的简单光照模型-Phong模型
- 实体造型技术（通过体素定义与布尔运算生成复杂形体）
  - 英国剑桥大学CAD小组的Build系统
  - 美国罗彻斯特大学的PADL-1系统
80年代
- 1980年Whitted提出了一个光透射模型-Whitted模型，并第一次给出光线跟踪算法的范例，实现Whitted模型
- 1984年，美国Cornell大学和日本广岛大学的学者分别将热辐射工程中的辐射度方法引入到计算机图形学中
  - Greenberg - Nishita
- 图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展

ACM SIGGRAPH会议小知识

全称“the Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques”
60年代中期，由Brown大学的教授 Andries van Dam(Andy)和IBM公司 SamMatsa发起
1974年，在 Colorado 大学召开了第一届 SIGGRAPH 年会，并取得了巨大的成功
2010，Los Angeles http://www.siggraph.org

图形学的杂志和会议

会议：Siggraph，Eurograph, Pacific Graphics, Computer Graphics International, Graphics Interface
杂志：ACM Transaction on Graphics, IEEE Computer Graphics and Application, IEEE Visualization and Computer Graphics, Computer Graphics Forum, The Visual Computer, Graphical Models, Computer & Graphics

应用及研究前沿

真实感图形绘制
- 真实感绘制的目的是模拟真实物体的物理属性，包括物体的形状，光学性质，表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位置，遮挡关系等。
- 光照模型
  - 简单光照模型（Phong）
  - 局部光照模型（Torrance）
  - 整体光照模型（Whitted）
- 绘制方法
  - 光线跟踪
  - 辐射度
- 加速算法及其他
  - 包围体树、自适应八叉树等
  - 阴影算法、纹理合成
- 研究举例
  - 基于预计算的全局光照实时绘制
  - 表面细节绘制与体纹理
  - 头发的交互绘制与编辑
计算机动画
- 计算机动画是指采用图形与图像的处理技术，通过编程或动画制作软件生成一系列的景物画面，其中当前帧是前一帧的部分修改。计算机动画是采用连续播放静止图像的方法产生物体运动的效果。
- 二维动画
  - 图像变形
  - 形状混合
- 三维动画
  - 关键帧动画
  - 变形物体的动画
  - 过程动画
  - 关节动画与人体动画
  - 基于视频的动画
- 研究举例
  - 基于应变场的动画变形
  - 视点相关的流体模拟
几何造型和处理
- 几何造型研究利用计算机表示、构建三维几何模型，几何处理则侧重对已有模型进行处理，使得满足用户的要求。
- 几何造型
  - 曲线曲面造型：Bezier，B样条，NURBS
  - 实体造型
- 几何处理
  - 简化
  - 参数化
  - 分割
  - 特征提取
  - 几何变形
- 研究举例
  - 注册：找一个最优的刚性变换，将一个运动的曲面模型和一个固定的曲面模型对齐。 N-system 注册，IJCV。多视角注册。
  - 几何纹理的迁移与合成
  - 特征敏感的几何处理（提取和编辑）
  - 拓扑修复与编辑
  - 纸雕 Popup
基于图像和视频的绘制
- 基于图像和视频的绘制是指利用图形学技术进行图像和视频的处理，以满足用户的特定需求。
- 画中游：以一副图像作为输入，生成在场景中漫游的效果
- 视点变形 (View morphing)
- 视频精灵 (Video Sprites)
- 研究举例
  - 基于重复对象检测的图像编辑
  - 卡通矢量化
  - 水流视频的水墨风格绘制
  - 基于对象混合的图像合成
基于海量数据的图像合成与编辑
- 海量的网络数据中蕴含着图像智能处理所需要的重要知识。利用网络海量内容，基于认知计算模型和机器学习的图像智能处理成为重要发展趋势
- 基于百万张照片的图像场景补全
- 基于互联网图像创建新型数字媒体内容
- 研究举例
  - Sketch2Photo: 基于互联网的图像融合
  - PoseShop: 基于人类图像厍的个性化内容生成

教学大纲

第一章 图形学简介

研究内容

发展历史

应用及研究前沿

第一章图形学简介