教學大綱

課堂講授的主要的知識點：

第一章	圖形學簡介	1.1 計算機圖形學的研究內容 1.2 發展的歷史回顧 1.3 應用及研究前沿 1.4 圖形設備	2學時
第二章	顏色模型、圖像基本知識、Phong光照模型	2.1 顏色模型 ????2.1.1 顏色模型的視覺基礎 ????2.1.2 RGB顏色模型 ????2.1.3 HSV顏色模型 ????2.1.4 其它顏色模型 2.2 圖像基本知識 2.3 Phong光照模型	2學時
第三章	視圖模型變換	3.1 視圖模型變換和視點的意義 3.2 視圖變換 3.3 齊次坐標 3.4 視點變換	2學時
第四章	材質反射屬性模型BRDF	4.1 BRDF基礎知識 4.2 BRDF的定義和性質 4.3 BRDF模型 4.4 BRDF度量	2學時
第五章	光線跟蹤	5.1 光線跟蹤簡介 5.2 光線求交 5.3 陰影 5.4 透明和鏡面反射 5.5 紋理	4學時
第六章	Bezier曲線曲面	6.1 參數曲線和曲面的基本概念 6.2 Bezier曲線：概念與性質 6.3 Bezier曲面：矩形的和三角形的 6.4 矩形和三角形Bezier曲面的轉換	4學時
第七章	B樣條曲線曲面	7.1 樣條曲線簡介 7.2 B樣條曲線及其性質 7.3 B樣條曲面 7.4 NURBS曲線和曲面	2學時
第八章	網格	8.1 網格基本知識 8.2 網格簡化 8.3 細分 8.4 參數化	4學時
第九章	光線跟蹤加速	9.1 包圍盒技術 9.2 均勻格點法 9.3 四叉樹，八叉樹 9.4 空間二分樹	4學時
第十章	紋理	10.1 紋理簡介 10.2 紋理合成 10.3 紋理映射 10.4 紋理前沿技術	2學時
第十一章	陰影生成	11.1 陰影概述 11.2 硬陰影和軟陰影 11.3 平面陰影 11.4 曲面陰影 11.5 陰影圖 11.6 高級技術	2學時
第十二章	圖形學前沿講座		2學時

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學生課外選讀，并完成讀書報告的知識點:

1. 直線與圓弧的掃描轉化

2. 多邊形的掃描轉化與填充

3. 裁減

4. 消隱

5. 反走樣

課程講授共 48 個學時，其中課堂講授共 32 個學時，課外閱讀、上機實踐 16 學時。

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參考資料

1.?孫家廣，胡事民. 計算機圖形學基礎教程. 北京：清華大學出版社，2005.

2.?胡事民，劉利剛，劉永進，張松海 譯. Francis S Hill Jr, Stephen M Kelley 著. 《計算機圖形學（OpenGL版）》 第3版. 北京：清華大學出版社，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：清華大學出版社，1998.

授課教案

圖形學簡介

????圖形學是計算機圖形學是利用計算機研究圖形的表示、生成、處理和顯示的一門重要的計算機學科分支，它是計算機科學中最活躍的分支之一。近年來，隨著計算機及互聯網技術的迅速發展，計算機圖形學正越來越深入我們的生活，它在圖形視頻處理，工業建模，游戲制作，生物信息，醫藥醫療等各行各業都有著及其重要的作用。本課件深入介紹了圖形學的歷史和研究熱點，讓同學們對計算機圖形學有一個粗略的認識，為以后的學習打下基礎。

電影	游戲	仿真
CAD	建筑設計	生物信息學

圖1：圖形學在各個行業中的應用

視圖模型變換

????圖形學中最基本的概念是圖形對象的表示，本課件簡要介紹了這些概念，主要包括：

• 顏色表示：常見的顏色空間，包括RGB，CMY，HSV，CIE XYZ等。
• 光照模型：Phong光照模型
• 繪制：網格的繪制
• 變換：幾種常見的變換，包括剛體變換、相似變換、線性變換、仿射變換、投影變換，齊次坐標的概念，平移、縮放和旋轉，變換的合成
• 投影：包括正交投影和透視投影

圖2.1：Phong光照模型	圖2.2：三角網格繪制

雙向反射分布函數

????BRDF（Bidirectional Reflectance Distribution Function，雙向反射分布函數）是圖形學中的重要概念，在渲染（Rendering）中發揮著重要的作用，本課件介紹BRDF數據的基本概念以及常用模型，包括：

• 基本概念：球面坐標、立體角、投影面積、光能、光通量、輝度、發光強度、光亮度，BRDF的定義和性質
• 三種常用的BRDF模型：經驗模型、基于物理的模型和數據表達的模型，以及它們之間的比較
• BRDF的獲取

圖3：將BRDF應用到Phong光照模型上

光線跟蹤，遞歸算法，光線求交

????光線跟蹤是圖形學渲染中的基本問題，本課件介紹光線跟蹤的基本概念和方法，包括：光線跟蹤的歷史和基本思想，光線求交技術，光線的表示，平面求交，三角形求交，多邊形求交，球面求交，立方體求交，最簡單的光線跟蹤技術---光線投射，陰影，光線的反射和折射，光線跟蹤的迭代技術，紋理等。

圖4：光線跟蹤

參數曲線曲面、Bezier曲線、Bezier曲面

????Bezier曲線曲面的發明是計算機圖形學歷史上的里程碑，本課件介紹Bezier曲線曲面的原理和方法。包括：參數曲線曲面，幾何造型的歷史，Bezier曲線的定義和性質， Bezier曲線的升階和降階，Bezier曲面的定義和性質，Bezier曲面的三角化，de Casteljau算法。

圖5.1：Bezier曲線

圖5.2：Bezier曲面

圖5.3：Bezier曲面

網格模型、網格細分和簡化

????網格是幾何模型的基本表示方法，網格模型表示和處理是圖形學中的重要課題。本課件介紹了網格模型的表示、應用及其簡化。包括：

• 網格模型的基本概念：網格模型的描述方法
• 網格模型的細分的基本方法：Loop，根號3
• 網格模型的簡化：網格拓撲的概念，網格簡化概述，網格簡化基本類型（靜態簡化,動態簡化,隨視點相關的簡化），頂點去除和收縮，邊收縮

圖6.1：模型的網格表示

網格參數化模型切割的骨架算法

????參數化是圖形學的重要課題，它是很多圖形學處理算法基礎，例如紋理映射、細節遷移等。本課件介紹參數化的基本概念，以及基本方法，包括扭曲優化，切割路徑的計算等。

圖7：參數化

B樣條曲線曲面

????B樣條曲線曲面是Bezier曲線曲面的推廣，在幾何造型中有著重要的應用。本課件介紹B樣條曲線曲面的歷史、基本定義和性質，均勻、準均勻及非均勻B樣條，De Boor算法，NURBS曲線曲面。

圖8.1：B樣條曲線	圖8.2：B樣條曲面

光線跟蹤加速方法

????光線跟蹤加速技術是對傳統光線跟蹤的改進，大大改進光線跟蹤的效率。包括：包圍盒、層次包圍盒、3DDDA、八叉樹、廣義光線跟蹤等。

圖9：八叉樹描述

紋理映射

????紋理可以使得幾何模型更加逼真，在圖形學中有著很重要的應用。本課件包括紋理的意義和作用，紋理的獲取，過程紋理，紋理的合成（基于象素的紋理合成，基于分片的紋理合成），紋理映射（紋理坐標的計算，保角映射）。

圖：紋理映射

陰影

????陰影可以使得場景更加逼真，在圖形學中也有著很重要的作用。本課件包括陰影的概念、硬陰影和軟陰影、體陰影、陰影映射

圖：陰影

課后習題

????圖形學基本概念題

????B樣條曲線習題

????Bezier曲線習題

????真實感圖形學習題

習題解答

????圖形學基本概念題解答

????B樣條曲線習題解答

????Bezier曲線習題解答

????真實感圖形學習題解答

實驗指導

????點擊這里到教學軟件頁面獲取實驗指導

演示視頻

3D模型的拓撲編輯視頻、程序：

半透明材質編輯

基于骨架的實體模型拓撲修復程序

授課錄像

????Bezier曲線曲面：參數曲線和參數曲面的基本概念，貝塞爾曲線的概念和性質，貝塞爾曲面的四邊形化和三角化，三邊和四邊貝塞爾曲面的轉化

????視頻文件下載

????陰影：陰影概述，硬陰影和軟陰影，平面陰影，曲面陰影，陰影圖，高級技術

????視頻文件下載

????三角網格與數字幾何處理：網格的構造、描述、細分、簡化與參數化的基本概念和方法

????視頻文件下載

????圖形學前沿選講－基于視頻的繪制：視頻處理的基本概念以及典型視頻處理的概念和算法，包括視頻特征提取、跟蹤、分割、風格化和幀序列重排

????視頻文件下載

學生作品

光線跟蹤渲染的靜態場景：

光線跟蹤演示視頻1：

光線跟蹤演示視頻2：

光線跟蹤演示視頻3：

光線跟蹤演示視頻4：

光線跟蹤演示視頻5：

課程試題

????《計算機圖形學基礎》模擬試題（1）

????《計算機圖形學基礎》模擬試題（2）

????《計算機圖形學基礎》模擬試題（3）

試題解析

????《計算機圖形學基礎》模擬試題（1）解析

????《計算機圖形學基礎》模擬試題（2）解析

????《計算機圖形學基礎》模擬試題（3）解析

from:?http://cg.cs.tsinghua.edu.cn/course/resource_main.htm

總結

以上是生活随笔為你收集整理的清华大学计算机图形学课程的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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