1、計算機圖形學1內容提要什么是計算機圖形學計算機圖形學應用發展歷史研究內容2什么是計算機圖形學？3“顏值”最高的學科方向圖形學的研究對象圖形：能在人的視覺系統中產生視覺印象的客觀對象（主要是三維幾何對象）計算機圖形學的目的在計算機中表示、生成、處理和顯示圖形4高度交叉的學科方向數字圖像處理：利用計算機對數字圖像進行底層（low-level）信息處理計算機視覺：從數字圖像中提取高層次（high-level）信息計算機圖形學：將各層次信息表達為視覺元素趨勢：融合為更大的學科方向，可視計算（Visual Computing）5應用驅動的學科方向最大的應用產業：電影特效硬件發展的直接驅動：視頻游戲圖像處

2、理計算機輔助設計科學可視化虛擬現實圖形用戶界面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計算機輔助設計（CAD）13科學可視化-By Science Visualization challenge 201314虛擬現實Oculus RiftCave15圖形用戶界面16游戲時間你在哪些地方見過計算機圖形學的應用？17發展歷程回顧（一）50年代1950年，第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學院（MIT）旋風I號（Whirlwind I）計算機的附件誕生1958年，美國Calcomp公司由聯機的數字記錄儀發展成滾筒式繪圖儀，GerBer公司把數控機

3、床發展成為平板式繪圖儀50年代末期，MIT的林肯實驗室在“旋風”計算機上開發SAGE空中防御體系18發展歷程回顧（二）60年代1962年，MIT林肯實驗室的I. E. Sutherland發表了一篇題為“Sketchpad：一個人機交互通信的圖形系統”的博士論文-確定了交互圖形學作為一個學科分支（提出基本交互技術、圖元分層表示概念及數據結構)。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造曲面。19發展歷程回顧（三）70年代光柵圖形學迅速發展區

4、域填充、裁剪、消隱等基本圖形概念及其相應算法紛紛誕生圖形軟件標準化1974年，ACM SIGGRAPH的“與機器無關的圖形技術”的工作會議ACM成立圖形標準化委員會，制定“核心圖形系統”（Core Graphics System）ISO發布CGI、CGM、GKS、PHIGS20發展歷程回顧（四）真實感圖形學1970年，Bouknight提出了第一個光反射模型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模型實體造型技術英國劍橋大學CAD小組的Build系統美國羅徹斯特大學的PADL-1系統21發展歷

5、程回顧（五）80年代圖形硬件和各個分支均在這個時期飛速發展1980年Whitted提出了一個光透視模型-Whitted模型，并第一次給出光線跟蹤算法的范例，實現Whitted模型1984年，美國Cornell大學和日本廣島大學的學者分別將熱輻射工程中的輻射度方法引入到計算機圖形學中史海拾貝：1988年，浙江大學邵敏之、彭群生等關于輻射度的論文被SIGGRAPH錄用，實現了中國學者在這一圖形學最頂級會議上的突破。1989年，浙江大學彭群生等的工作被歐洲圖形學會議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現代計算機圖形學（一）硬件的革命性發展摩爾定律：當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍專用圖形芯片每6個月更新換代一次 vs. 通用CPU幾年更新換代一次NVIDIA GTX Titan Z 8122 gigaflops最新的 CPU， 64-bit, 2, 4, 6, 8, 或 10核Intel Core i7 消費級，最高6核，超線程到12 線程，Intel Core i7 980 XE : 107.6

7、 GFLOPSIntel Haswell 工業級，8核, 超線程到16線程23現代計算機圖形學（二）圖形處理器 將CPU中的圖形進程放到為圖形操作設計的圖形芯片中nVidia GeForce, AMD RadeonGPU最初是用來處理特殊的圖形計算現在GPUs越來越多地被用于并行化其它的計算任務(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現代計算機圖形學（三）輸入設備的變革鼠標，平板、觸摸屏、力反饋設備、其它游戲控制器（如Wii），掃描儀、數字攝像頭等等體感輸入設

8、備Xbox KinectLeap MotionNimble UX25現代計算機圖形學（四）多形式的顯示智能手機/筆記本/臺式機/平板電腦Microsoft PPI顯示器智能手表頭戴式顯示器3D沉浸式虛擬環境Microsofts first SurfaceMicrosoft PPI displayApple iPhoneSamsung Galaxy S5Oculus RiftGoogle CardboardGoogle GlassAndroid WearSamsung Galaxy Tab26現代計算機圖形學（五）軟件/算法的發展數據結構與算法材質建模自然現象的繪制光線跟蹤以及其他渲染器的加速數

9、據結構與算法并行化大多數的操作都是可并行的: 改變/計算 一個像素的值常常與其它的像素無關分布式計算與云計算將操作送到云端，然后得到計算結果渲染計算甚至可以由互聯網服務提供27計算機圖形學的主要研究內容建模（Modeling）在計算機中表達、生成與處理三維模型的數據結構與算法三維模型的生成方法是當前的熱點問題，圖形學大眾化應用的關鍵技術難題動畫（Animation）將三維對象根據物理規則/擬物理規則進行運動渲染（Rendering）將信息表達為視覺元素：給定三維模型的幾何、材質、視點、光照等信息，生成表達該場景的數字圖像/柵格化圖像一個理想的攝像機人機交互（Human-Computer Int

10、eraction）人與計算機之間的交互界面近年來，以用戶為中心，增進人機交互的自然性，提高人機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動畫（一）Jongmin Kim, Yeongho Seol, Taesoo Kwon, and Jehee Lee , Interactive Manipulation of Large-Scale Crowd Animation, ACM Transacti