Lecture01_计算机图形学概述_GAMES101 课堂笔记——2020.2.11

    今天闫令琪老师主要介绍了图形学的相关应用及本课涉及的内容概述。

1、计算机图形学概述：

    计算机图形学（Computer graphics，CG）是研究计算机在硬件和软件的帮助下建立计算机图形的科学学科，是计算机科学的一个分支领域，主要关注数字合成与操做视觉的图形内容。简单的说它与计算机视觉（Computer vision，CV）的区别就是，CG是经过几何图形等构建物体，而CV则是让计算机理解捕捉到的画面，理解物体是什么，CV具备必定的推测性。

(一)相关应用

    图形学目前已经被普遍应用到各行各业，常见的有电影特效制做、数据可视化、虚拟现实、模拟（Simulation，也可称为仿真）等。下面将经过一些图片举例展现。(课件一直下载不下来。。。展现内容来源他处)

（二）基础知识

1. 图形与图像

• 图象纯指就计算机内以位图(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
• 图形主要分为两类： ①基于线条信息表示 ②明暗图(Shading)

2. 三维几何建模

    要在计算机中表示一个三维物体，首先要有它的几何模型表达。所以，三维模型的建模是计算机图形学的基础，是其余内容的前提。表达一个几何物体能够是用数学上的样条函数或隐式函数来表达；也能够是用光滑曲面上的采样点及其链接关系所表达的三角网格来表达（即连续曲面的分片线性逼近），以下图所示。     在对三维几何模型的构建过程当中，还会涉及到不少须要处理的几何问题，好比数据去噪(denoising or smoothing)、补洞(repairing)、简化(simplification)、层次细节(level of detail)、参数化(parameterization)、变形(deformation or editing)、分割(segmentation)、形状分析及检索(shape analysis and retrieval)等。这些问题构成“数字几何处理”的主要研究内容。 3. 渲染     上个世纪80-90年代研究的比较多些，包含了大量的渲染模型，包括局部光照模型(Local Illumination Model)、光线跟踪算法(Ray Tracing)、辐射度(Radiosity)等，以及到后面的更为复杂、真实、快速的渲染技术，好比全局光照模型(Global Illumination Model)、Photo mapping、BTF、BRDF、以及基于GPU的渲染技术等。     如今的渲染技术已经可以将各类物体，包括皮肤、树木、花草、水、烟雾、毛发等渲染得很是逼真。一些商业化软件（好比Maya, Blender, Pov Ray等）也提供了强大的真实感渲染功能，在计算机图形学研究论文中做图中要常常用到这些工具来渲染漂亮的展现图或结果图。     然而，已知的渲染实现方法，仍没法实现复杂的视觉特效，离实时的高真实感渲染还有很大差距，好比完整地实现适于电影渲染（高真实感、高分辨率）制做的RenderMan标准，以及其余各种基于物理真实感的实时渲染算法等。所以，如何充分利用GPU的计算特性，结合分布式的集群技术，从而来构造低功耗的渲染服务是发展趋势之一。

4. 动画(Animation)     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。计算机动画借助于编程或动画制做软件生成一系列的景物画面，是计算机图形学的研究热点之一。研究方向包括：人体动画，关节动画，运动动画，脚本动画，具备人的意识的虚拟角色的动画系统等。另外，高度物理真实感的动态模拟，包括对各类形变、水、气、云、烟雾、燃烧、爆炸、撕裂、老化等物理现象的真实模拟，也是动画领域的主要问题。这些技术是各种动态仿真应用的核心技术，能够极大地提升虚拟现实系统的沉浸感。计算机动画的应用领域普遍，好比动画片制做，广告、电影特技，训练模拟，物理仿真，游戏等。

    网上的一些3D动画的视频：

• Larva虫虫: http://v.youku.com/v_show/id_XMzAzMzkxMTY0.html

• The Killer Bean: http://v.youku.com/v_show/id_XMjI5ODE2MTEy.html

• 爱与孝: http://v.youku.com/v_show/id_XNTU0OTUxNjUy.html

• 房地产动画广告宣传片: http://v.youku.com/v_show/id_XNTc1OTE4MDMy.html

2、课程内容概述：

    本课程将全面而系统地介绍现代计算机图形学的四大组成部分：（1）光栅化成像，（2）几何表示，（3）光的传播理论，以及（4）动画与模拟。每一个方面都会从基础原理出发讲解到实际应用，并介绍前沿的理论研究。经过本课程，你能够学习到计算机图形学背后的数学和物理知识，并锻炼实际的编程能力。

    顾名思义，做为入门，本课程会尽量的覆盖图形学的方方面面，把每一部分的基本概念都尽量说清楚，让你们对计算机图形学有一个完整的、自上而下的全局把握。全局的理解很重要，学完本课程后，你会了解到图形学不等于 OpenGL，不等于光线追踪，而是一套生成整个虚拟世界的方法。从本课程的标题，你们还能够看到“现代”二字，也就是说，这门课所要给你们介绍的都是现代化的知识，也都是现代图形学工业界须要的图形学基础。

    本课程与其它图形学教程还有一个重要的区别，那就是本课程不会讲授 OpenGL，甚至不会说起这个概念。本课程所讲授的内容是图形学背后的原理，而不是如何使用一个特定的图形学 API。在学习完这门课的时候，你必定有能力本身使用 OpenGL 写实时渲染的程序。另外，本课程并不涉及计算机视觉、图像视频处理、深度学习，也不会介绍游戏引擎与三维建模软件的使用。

参考书籍     虎书《Fundamentals of Computer Graphics》中文版目前可参考第三版，英文第三版、第四版都可。 课程大纲

参考博客：https://www.cnblogs.com/SeekHit/p/7597787.html 参考连接：http://staff.ustc.edu.cn/~lgliu/Resources/CG/What_is_CG.htm