【计算机图形学（华科）】学习笔记

第一篇：课程预览

课程特点

• 站在图形渲染管线的视角看计算机图形学
  按流水线中的三个概念阶段：应用阶段、几何阶段、光栅化阶段来组织课程
• 将图形理论和图形编程结合
• 基于最新的图形理论和图形编程体系
  例如：
  在理论上，给出了‘法线贴图’、‘光线追踪’、‘延迟渲染’、‘物理渲染’
  在实践上，给出了最新的编程体系：基于可编程管线进行编程，采用主流的图形标准：OpenGL。

什么是计算机图形学

研究怎么利用计算机来显示、生成和处理图形的原理、方法和技术的一门学科。对于一个图像来说，输入的是结构特征数据，输出的图像信号（另一个学科，计算机视觉正好与此相反）
例如下图
对于一个直线，输入的是直线方程和起点终点坐标，输出的是显示设备上最佳逼近这条直线的像素点阵

学科历史

第一阶段

较早

第二阶段：光栅图形学的成熟阶段。

• 这个阶段中， 光栅式扫描显示显示器开始得到广泛应用，这种显示器其实是一个点阵单元的发生器。通过控制每个单元的亮度来显示整个图形。

• 光栅图形学：图元生成、区域填充、裁剪、反走样、消隐等基本图形概念及其相关算法。（出现 ACM SIGGRAPH 会议）

• 图形软件标准化

  • ACM成立图形标准化委员会，制定CGS（核心图形系统）
  • ISO发布CGI（计算机图形接口标准）、CGM（计算机图形元文件）、GKS（计算机图形核心系统）、PHIGS（程序员层次交互式图形系统）。

• 从渲染角度看

  • 图形渲染
    1. 1970，Bouknight提出了第一个光反射模型
    2. 1971，Gourand提出“漫反射模型 + 插值” 的思想，被称为Gourand明暗处理
    3. 1975，Phong提出了简单光照模型-Phong模型
    4. 1980，Whitted提出了光透视模型-Whitted模型，并第一次给出光线跟踪算法的范例，实现Whitted模型。

第三阶段 真实感图形学

该阶段出现了真正的图形学工业标准，OpenGL和DirectX。且1999年，NVIDIA发明了GPU，重新定义现代计算机图形学。
随着发展，面片数逐渐增多，复杂的光线追踪算法也得以实现。并且人们开始追求更好的渲染。表面细节也出现了凹凸贴图，法线贴图、视差贴图、浮雕贴图。

• 追求真实感
• 追求渲染的实时性
• 硬件厂商也在不断升级产品

图形系统的功能和结构介绍

图形软件构成

图4

本课程思路：

• 最底层的图形编程：不使用引擎，直接基于OpenGL图形标准进行编程
• 基于可编程管线的图形编程
• 基于GLSL的着色器shader编程

第二篇：应用程序阶段

朴素的软光栅算法：

找到最佳逼近点
选择颜色

不同的造型技术：

• 规则对象是指能用欧式几何进行描述的形体，如点、直线、曲线、平面、曲面或实体等。规则对象的造型又称为几何造型。在几何造型中，所描述的形体都是规则物体，统称为几何模型。
• 不规则对象是指不能用欧式几何加以描述的对象，如山水树草等。在不规则对象的造型系统中，大多采用过程式模拟，即用一个简单的模型以及少量的易于调节的参数来表示一类对象。