清华大学计算机图形学课程

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晓风洁露 2021-09-01 18:05:54

文章标签 光线跟踪图形学计算机图形学样条曲线光照模型 文章分类 代码人生

清华大学计算机图形学课程

课堂讲授的主要的知识点：

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

学生课外选读，并完成读书报告的知识点:

1. 直线与圆弧的扫描转化

2. 多边形的扫描转化与填充

3. 裁减

4. 消隐

5. 反走样

课程讲授共 48 个学时，其中课堂讲授共 32 个学时，课外阅读、上机实践 16 学时。

教学大纲下载

参考资料

1. 孙家广，胡事民. 计算机图形学基础教程. 北京：清华大学出版社，2005.

2. 胡事民，刘利刚，刘永进，张松海译. Francis S Hill Jr, Stephen M Kelley 著. 《计算机图形学（OpenGL版）》第3版. 北京：清华大学出版社，2009.

3. Samuel R. Buss. 3D Computer Graphics: A Mathematical Introduction with OpenGL. Cambridge University Press, 2003.

4. Donald Hearn, M.Pauline Baker. Computer Graphics (C Version). 北京：清华大学出版社，1998.

授课教案

图形学简介

    图形学是计算机图形学是利用计算机研究图形的表示、生成、处理和显示的一门重要的计算机学科分支，它是计算机科学中最活跃的分支之一。近年来，随着计算机及互联网技术的迅速发展，计算机图形学正越来越深入我们的生活，它在图形视频处理，工业建模，游戏制作，生物信息，医药医疗等各行各业都有着及其重要的作用。本课件深入介绍了图形学的历史和研究热点，让同学们对计算机图形学有一个粗略的认识，为以后的学习打下基础。

电影

游戏

仿真

CAD

建筑设计

生物信息学

图1：图形学在各个行业中的应用

视图模型变换

    图形学中最基本的概念是图形对象的表示，本课件简要介绍了这些概念，主要包括：

颜色表示：常见的颜色空间，包括RGB，CMY，HSV，CIE XYZ等。

光照模型：Phong光照模型

绘制：网格的绘制

变换：几种常见的变换，包括刚体变换、相似变换、线性变换、仿射变换、投影变换，齐次坐标的概念，平移、缩放和旋转，变换的合成

投影：包括正交投影和透视投影

图2.1：Phong光照模型

图2.2：三角网格绘制

双向反射分布函数

    BRDF（Bidirectional Reflectance Distribution Function，双向反射分布函数）是图形学中的重要概念，在渲染（Rendering）中发挥着重要的作用，本课件介绍BRDF数据的基本概念以及常用模型，包括：

基本概念：球面坐标、立体角、投影面积、光能、光通量、辉度、发光强度、光亮度，BRDF的定义和性质

三种常用的BRDF模型：经验模型、基于物理的模型和数据表达的模型，以及它们之间的比较

BRDF的获取

图3：将BRDF应用到Phong光照模型上

光线跟踪，递归算法，光线求交

    光线跟踪是图形学渲染中的基本问题，本课件介绍光线跟踪的基本概念和方法，包括：光线跟踪的历史和基本思想，光线求交技术，光线的表示，平面求交，三角形求交，多边形求交，球面求交，立方体求交，最简单的光线跟踪技术---光线投射，阴影，光线的反射和折射，光线跟踪的迭代技术，纹理等。

图4：光线跟踪

参数曲线曲面、Bezier曲线、Bezier曲面

    Bezier曲线曲面的发明是计算机图形学历史上的里程碑，本课件介绍Bezier曲线曲面的原理和方法。包括：参数曲线曲面，几何造型的历史，Bezier曲线的定义和性质， Bezier曲线的升阶和降阶，Bezier曲面的定义和性质，Bezier曲面的三角化，de Casteljau算法。

图5.1：Bezier曲线

图5.2：Bezier曲面

图5.3：Bezier曲面

网格模型、网格细分和简化

    网格是几何模型的基本表示方法，网格模型表示和处理是图形学中的重要课题。本课件介绍了网格模型的表示、应用及其简化。包括：

网格模型的基本概念：网格模型的描述方法

网格模型的细分的基本方法：Loop，根号3

网格模型的简化：网格拓扑的概念，网格简化概述，网格简化基本类型（静态简化,动态简化,随视点相关的简化），顶点去除和收缩，边收缩

图6.1：模型的网格表示

网格参数化模型切割的骨架算法

    参数化是图形学的重要课题，它是很多图形学处理算法基础，例如纹理映射、细节迁移等。本课件介绍参数化的基本概念，以及基本方法，包括扭曲优化，切割路径的计算等。

图7：参数化

B样条曲线曲面

    B样条曲线曲面是Bezier曲线曲面的推广，在几何造型中有着重要的应用。本课件介绍B样条曲线曲面的历史、基本定义和性质，均匀、准均匀及非均匀B样条，De Boor算法，NURBS曲线曲面。

图8.1：B样条曲线

图8.2：B样条曲面

光线跟踪加速方法

    光线跟踪加速技术是对传统光线跟踪的改进，大大改进光线跟踪的效率。包括：包围盒、层次包围盒、3DDDA、八叉树、广义光线跟踪等。

图9：八叉树描述

纹理映射

    纹理可以使得几何模型更加逼真，在图形学中有着很重要的应用。本课件包括纹理的意义和作用，纹理的获取，过程纹理，纹理的合成（基于象素的纹理合成，基于分片的纹理合成），纹理映射（纹理坐标的计算，保角映射）。

图：纹理映射

阴影

    阴影可以使得场景更加逼真，在图形学中也有着很重要的作用。本课件包括阴影的概念、硬阴影和软阴影、体阴影、阴影映射

图：阴影