第一講-計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概論

1、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)1內(nèi)容提要什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用發(fā)展歷史研究內(nèi)容2什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)？3“顏值”最高的學(xué)科方向圖形學(xué)的研究對象圖形：能在人的視覺系統(tǒng)中產(chǎn)生視覺印象的客觀對象（主要是三維幾何對象）計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的目的在計(jì)算機(jī)中表示、生成、處理和顯示圖形4高度交叉的學(xué)科方向數(shù)字圖像處理：利用計(jì)算機(jī)對數(shù)字圖像進(jìn)行底層（low-level）信息處理計(jì)算機(jī)視覺：從數(shù)字圖像中提取高層次（high-level）信息計(jì)算機(jī)圖形學(xué)：將各層次信息表達(dá)為視覺元素趨勢：融合為更大的學(xué)科方向，可視計(jì)算（Visual Computing）5應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的學(xué)科方向最大的應(yīng)用產(chǎn)業(yè)：電影特效硬件發(fā)展的直接驅(qū)動(dòng)：視頻游戲圖像處

2、理計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)科學(xué)可視化虛擬現(xiàn)實(shí)圖形用戶界面6電影特效7視頻游戲：水特效8視頻游戲：火特效9視頻游戲：陰影10視頻游戲：植被11圖像處理12計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）13科學(xué)可視化-By Science Visualization challenge 201314虛擬現(xiàn)實(shí)Oculus RiftCave15圖形用戶界面16游戲時(shí)間你在哪些地方見過計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用？17發(fā)展歷程回顧（一）50年代1950年，第一臺(tái)圖形顯示器作為美國麻省理工學(xué)院（MIT）旋風(fēng)I號(hào)（Whirlwind I）計(jì)算機(jī)的附件誕生1958年，美國Calcomp公司由聯(lián)機(jī)的數(shù)字記錄儀發(fā)展成滾筒式繪圖儀，GerBer公司把數(shù)控機(jī)

3、床發(fā)展成為平板式繪圖儀50年代末期，MIT的林肯實(shí)驗(yàn)室在“旋風(fēng)”計(jì)算機(jī)上開發(fā)SAGE空中防御體系18發(fā)展歷程回顧（二）60年代1962年，MIT林肯實(shí)驗(yàn)室的I. E. Sutherland發(fā)表了一篇題為“Sketchpad：一個(gè)人機(jī)交互通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文-確定了交互圖形學(xué)作為一個(gè)學(xué)科分支（提出基本交互技術(shù)、圖元分層表示概念及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))。1962年，雷諾汽車公司的工程師Pierre Bzier 提出Bzier曲線、曲面的理論。1964年MIT的教授Steven A. Coons提出了超限插值的新思想，通過插值四條任意的邊界曲線來構(gòu)造曲面。19發(fā)展歷程回顧（三）70年代光柵圖形學(xué)迅速發(fā)展區(qū)

4、域填充、裁剪、消隱等基本圖形概念及其相應(yīng)算法紛紛誕生圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化1974年，ACM SIGGRAPH的“與機(jī)器無關(guān)的圖形技術(shù)”的工作會(huì)議ACM成立圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)，制定“核心圖形系統(tǒng)”（Core Graphics System）ISO發(fā)布CGI、CGM、GKS、PHIGS20發(fā)展歷程回顧（四）真實(shí)感圖形學(xué)1970年，Bouknight提出了第一個(gè)光反射模型1971年Gourand提出“漫反射模型插值”的思想，被稱為Gourand明暗處理1975年，Phong提出了著名的簡單光照模型- Phong模型實(shí)體造型技術(shù)英國劍橋大學(xué)CAD小組的Build系統(tǒng)美國羅徹斯特大學(xué)的PADL-1系統(tǒng)21發(fā)展歷

5、程回顧（五）80年代圖形硬件和各個(gè)分支均在這個(gè)時(shí)期飛速發(fā)展1980年Whitted提出了一個(gè)光透視模型-Whitted模型，并第一次給出光線跟蹤算法的范例，實(shí)現(xiàn)Whitted模型1984年，美國Cornell大學(xué)和日本廣島大學(xué)的學(xué)者分別將熱輻射工程中的輻射度方法引入到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中史海拾貝：1988年，浙江大學(xué)邵敏之、彭群生等關(guān)于輻射度的論文被SIGGRAPH錄用，實(shí)現(xiàn)了中國學(xué)者在這一圖形學(xué)最頂級(jí)會(huì)議上的突破。1989年，浙江大學(xué)彭群生等的工作被歐洲圖形學(xué)會(huì)議EuroGraphics錄用，并被評為最佳論文。SIGGRAPH全稱 “the Special Interest Group on Co

6、mputer Graphics and Interactive Techniques”，1974年召開第一屆，取得了巨大的成功。22現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（一）硬件的革命性發(fā)展摩爾定律：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍專用圖形芯片每6個(gè)月更新?lián)Q代一次 vs. 通用CPU幾年更新?lián)Q代一次NVIDIA GTX Titan Z 8122 gigaflops最新的 CPU， 64-bit, 2, 4, 6, 8, 或 10核Intel Core i7 消費(fèi)級(jí)，最高6核，超線程到12 線程，Intel Core i7 980 XE : 107.6

7、 GFLOPSIntel Haswell 工業(yè)級(jí)，8核, 超線程到16線程23現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（二）圖形處理器 將CPU中的圖形進(jìn)程放到為圖形操作設(shè)計(jì)的圖形芯片中nVidia GeForce, AMD RadeonGPU最初是用來處理特殊的圖形計(jì)算現(xiàn)在GPUs越來越多地被用于并行化其它的計(jì)算任務(wù)(被稱作GPGPU, 或 General-Purpose Computing on the Graphics Processing Unit)從固定圖形流水線到可編程流水線24現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（三）輸入設(shè)備的變革鼠標(biāo)，平板、觸摸屏、力反饋設(shè)備、其它游戲控制器（如Wii），掃描儀、數(shù)字?jǐn)z像頭等等體感輸入設(shè)

8、備Xbox KinectLeap MotionNimble UX25現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（四）多形式的顯示智能手機(jī)/筆記本/臺(tái)式機(jī)/平板電腦Microsoft PPI顯示器智能手表頭戴式顯示器3D沉浸式虛擬環(huán)境Microsofts first SurfaceMicrosoft PPI displayApple iPhoneSamsung Galaxy S5Oculus RiftGoogle CardboardGoogle GlassAndroid WearSamsung Galaxy Tab26現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（五）軟件/算法的發(fā)展數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法材質(zhì)建模自然現(xiàn)象的繪制光線跟蹤以及其他渲染器的加速數(shù)

9、據(jù)結(jié)構(gòu)與算法并行化大多數(shù)的操作都是可并行的: 改變/計(jì)算 一個(gè)像素的值常常與其它的像素?zé)o關(guān)分布式計(jì)算與云計(jì)算將操作送到云端，然后得到計(jì)算結(jié)果渲染計(jì)算甚至可以由互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供27計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究內(nèi)容建模（Modeling）在計(jì)算機(jī)中表達(dá)、生成與處理三維模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法三維模型的生成方法是當(dāng)前的熱點(diǎn)問題，圖形學(xué)大眾化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)難題動(dòng)畫（Animation）將三維對象根據(jù)物理規(guī)則/擬物理規(guī)則進(jìn)行運(yùn)動(dòng)渲染（Rendering）將信息表達(dá)為視覺元素：給定三維模型的幾何、材質(zhì)、視點(diǎn)、光照等信息，生成表達(dá)該場景的數(shù)字圖像/柵格化圖像一個(gè)理想的攝像機(jī)人機(jī)交互（Human-Computer Int

10、eraction）人與計(jì)算機(jī)之間的交互界面近年來，以用戶為中心，增進(jìn)人機(jī)交互的自然性，提高人機(jī)交互的效率是用戶界面的主要研究方向28建模Geris Game - Pixar，奧斯卡98最佳動(dòng)畫短片29編織表面建模E. Akleman, J. Chen, Q. Xing and J. Gross, Cyclic plain-weaving on polygonal mesh surfaces with graph rotation systems, ACM SIGGRAPH, Transactions on Graphics (TOG), Volume 28, Issue 3, pp 78.1-78.8, August 2009.30動(dòng)畫（一）Jongmin Kim, Yeongho Seol, Taesoo Kwon, and Jehee Lee , Interactive Manipulation of Large-Scale Crowd Animation, ACM Transacti