清华大学计算机图形学课程
教学大纲
课堂讲授的主要的知识点:
第一章
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图形学简介
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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
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第二章
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颜色模型、图像基本知识、Phong光照模型
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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
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第三章
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视图模型变换
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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
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第四章
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材质反射属性模型BRDF
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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
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第五章
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光线跟踪
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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
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第六章
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Bezier曲线曲面
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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
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第七章
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B样条曲线曲面
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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
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第八章
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网格
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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
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第九章
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光线跟踪加速
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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
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第十章 |
纹理
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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
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第十一章 |
阴影生成
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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
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第十二章
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图形学前沿讲座
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2学时
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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。
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电影 游戏 仿真![]()
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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
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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
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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。
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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。
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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
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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。
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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。
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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。
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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)。
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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
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图:阴影
课后习题
图形学基本概念题
B样条曲线习题
Bezier曲线习题
真实感图形学习题
习题解答
图形学基本概念题解答
B样条曲线习题解答
Bezier曲线习题解答
真实感图形学习题解答
实验指导
点击这里到教学软件页面获取实验指导
演示视频
3D模型的拓扑编辑视频、程序:
半透明材质编辑
基于骨架的实体模型拓扑修复程序
授课录像
Bezier曲线曲面:参数曲线和参数曲面的基本概念,贝塞尔曲线的概念和性质,贝塞尔曲面的四边形化和三角化,三边和四边贝塞尔曲面的转化
视频文件下载
阴影:阴影概述,硬阴影和软阴影,平面阴影,曲面阴影,阴影图,高级技术
视频文件下载
三角网格与数字几何处理:网格的构造、描述、细分、简化与参数化的基本概念和方法
视频文件下载
图形学前沿选讲-基于视频的绘制:视频处理的基本概念以及典型视频处理的概念和算法,包括视频特征提取、跟踪、分割、风格化和帧序列重排
视频文件下载
学生作品
光线跟踪渲染的静态场景:
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光线跟踪演示视频1:
光线跟踪演示视频2:
光线跟踪演示视频3:
光线跟踪演示视频4:
光线跟踪演示视频5:
课程试题
《计算机图形学基础》模拟试题(1)
《计算机图形学基础》模拟试题(2)
《计算机图形学基础》模拟试题(3)
试题解析
《计算机图形学基础》模拟试题(1)解析
《计算机图形学基础》模拟试题(2)解析
《计算机图形学基础》模拟试题(3)解析
from: http://cg.cs.tsinghua.edu.cn/course/resource_main.htm
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