华中科技大学《计算机图形学》课程

MOOC地址：计算机图形学（HUST）

计算机图形学 | 欢迎来到图形世界

1.1 初识图形学

计算机图形学

计算机图形学：研究怎样利用计算机来显示、生成和处理图形的原理、斱法和技术的一门学科。

源于IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers ）的定义：Computer graphicsis the art or science of producing graphical images with the aid of computer.

输入：结构特征数据

输出：图像信号

相关学科

计算机视觉、机器学习、深度学习。

发展历史

第一阶段：

最早的计算机之一：ENIAC，全称为Electronic Numerical Integrator And Computer，即电子数字积分计算机（诞生于1946年2月14日的美国宾夕法尼亚大学）。

1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院（MIT）旋风I号（Whirlwind I）计算机的附件诞生了。这是一台类似于示波器的阴极射线管（Cathod Ray Tube，简称CRT）。它的出现架起了图形显示与计算机技术联系的桥梁。

20世纪50年代末期，MIT的林肯实验室在旋风I号（Whirlwind I）计算机上为北美防空司令部开发了半自动地面防空系统（Semi-Automatic Ground Environment 简称SAGE）。SAGE系统将雷达信号转换为显示器上的图形，操作者可以用“光笔”在屏幕上选取目标图形，这是最早的交互式图形系统。标志着“被动式图形学”开始迈向“交互式图形学”。

1962年，MIT林肯实验室的伊凡·萨瑟兰（Ivan Edward Sutherland）发表了一篇题为“Sketchpad：A Man-machine Graphical Communication System”（Sketchpad：一个人机交互通信的图形系统）的博士论文。在这篇论文首次提出“Computer Graphics”，奠定了计算机图形学的学科基础。

第二阶段：

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应算法纷纷诞生。

光栅图形学的基础：光栅扫描式图形显示器，该设备是画点设备，可看作是一个点阵单元发生器，可控制每个点阵单元的亮度。

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）。这些标准为计算机图形学的推广、应用以及资源的共享发挥了巨大作用。

实体造型、图形渲染、光学追踪算法。

第三阶段：

1992年7月，SGI公司发布了OpenGL的1.0版本。

1997年，微软公司发布了DirectX的3.0版本。

20世纪90年代出现图形处理器（英语：Graphics Processing Unit，缩写：GPU，又称显示核心、视觉处理器、显示芯片），计算机图形学开始具有强大的硬件计算基础。

1999 年，NVIDIA 发明了GPU，这极大地推动了PC 游戏市场的发展，重新定义了现代计算机图形技术，幵彻底改变了幵行计算。

将光线追踪加速技术、人工智能硬件及可编程着色技术集于同一GPU 中。

未来，计算机图形学的发展将越来越呈现出多元化和学科交叉的特点（人工智能、虚拟现实）。

1.2 探秘图形应用与研究

有趣的图形应用

计算机辅助设计（Computer-Aided Design）：

产品设计中，对象首先以线框轮廓的形式显示，设计者可以很快看到对设计的外形迚行调整的结果。

建筑设计中，建筑设计师和他们的客户可以一起研究学校戒者工业区的一座戒一群大楼的外貌。CAD软件包还可以提供三维室内布局和光照的功能。

现在已经频繁地应用于大楼、汽车、飞机、轮船、宇宙飞船、计算机、纺细品、家庨用品和其他产品设计中。

虚拟现实环境（Virtual-Reality Environment）

在虚拟现实环境（virtual-reality environment，简称VR）用户可以不三维场景中的对象迚行交互。该环境中有与门的硬件设备提供三维观察效果，幵允许用户在场景中拾取对象。

科学计算可视化（Scientific Visualization）

科学计算可视化为科学计算的数据集戒过程生成图形表示。

影片（Movie）

电影中超现实的人物形象。

动作捕捉+CG（Computer Graphics）技术。

游戏（Game）

最终幻想、古墓丽影等。

现在图形的应用呈现多元化、学科交叉的特点，因此给我们的感觉其实是：“图形学无处不在”。

探索图形研究前沿

几何造型

人物、真实的自然景物。

表情与动作精细化

2017年，工业光魔公司因为它的面部表情捕捉系统获得奥斯卡技术奖。

真实感渲染

光线跟踪算法、物理渲染。

管线优化

延迟渲染。

图形学与深度学习的碰撞

2017年SIGGRAPH学术报告的一个趋势：深度学习技术在图形学领域开始生根发芽。

中国学者论文“Modeling Surface Appearance from a Single Photograph using Self-Augmented Convolutional Neural Networks”。在这篇论文中，首次尝试利用深度学习技术，仅通过一张未知光照条件下拍摄的平面材质照片，就可以恢复出该材质的表观纹理模型。