中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)2013暑期課程

計算機圖形學(xué)進展

劉利剛

圖形與幾何計算實驗室

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

http://gcL

Graphics&GeometricComputingLab

@USTC

計算機圖形學(xué)

?真實世界的數(shù)字模擬（虛擬世界）

-三維模型

-人物

-故事

-光照

-運動

-特效

-人機交互

三維圖形學(xué)解決…

?狹義的理解：把一個三維空間的物體，正確顯示

在一個二維光柵的顯示設(shè)備上

-如何表示三維空間的物體？

-如何將物體投影到顯示設(shè)備上？

-如何計算物體上的顏色？

-如何將物體轉(zhuǎn)化為離散的光柵（圖像）？

三維圖形學(xué)的基本知識

?三維空間中的物體(3Dmodel)表示

?三維變換和觀察流程(3DTransformation&

ViewingProcess)

?光柵化

?光照與明暗計算

■材質(zhì)與貼圖

重要概念:坐標(biāo)變換

■世界坐標(biāo)變換

把所有物體放到同一

個坐標(biāo)系中

■觀察坐標(biāo)變換

WorldTransformationViewTransformation

把世界坐標(biāo)系面對照

相機（觀察者）

■投影變換

產(chǎn)生近大遠(yuǎn)小的透視

效果ProjectionTransformation

視錐和裁剪平面

?一個三維的錐體，在投影變換中，用于透視投影產(chǎn)生

近大遠(yuǎn)小的效果。

?只有在前后裁剪平面之間的物體可以見到。

?視場的大小FOV：FieldOfView

光柵化(Raster)

上面的結(jié)果-只是幾何變換

TowerPC

給你細(xì)節(jié)上的真實感

?光源和明暗

?材質(zhì)和紋理

簡單光源類型

Pointlight

Directionallight

InnerCone(dvTheta)OuterCone(dvPhi)

明暗模式(ShadingModes)

?明暗模式?jīng)Q定了多邊形面片內(nèi)每一點

顏色和光照的強度

?平面明暗(FlatShading)

-使用多邊形第一個頂點的顏色作為整

個多邊形的顏色。

-不共面的的多邊形會有清晰的邊

-計算代價小

?GouraudShading

-使用頂點法向和光照計算每個頂點的

顏色，然后在多邊形中在頂點之間做

蝮性插棺。

-特點是過渡光滑

材質(zhì)(Material)：

描述物體對光的反應(yīng)

?漫反射(diffuse):對顏色貢獻最

大，漫反射的入射是有向的

,光的入射方向會影響反射

騏度，反射是各個方向相同

的。

?環(huán)境光反射(ambient):無方向

,對最終顏色的貢獻次要一

些；影咆警使的圓自；沒有

漫反射時最容易看到。

?鏡面反射(Specular):高光

?自發(fā)光(emission):不是光源

紋理貼圖(Texturemapping)

模型紋理貼圖(BMP)使用紋理的

渲染結(jié)果

一個場景

3dsmaxCopyrightThomasColding-Jorgensen&A,FilmApS1998

如何表達一個三維幾何物體?

三維物體的數(shù)學(xué)表達

?計算機輔助設(shè)計(CAD)

?計算機輔助幾何設(shè)計(CAGD)、

-曲線曲面表達V藁

-Bezier曲線曲面

-B樣條曲線曲面*

-非均勻有理B樣條曲線曲面”

-T樣條、T網(wǎng)格上的樣條

三維物體的數(shù)字表達

?點：三維物體表面的采樣點

-線：點之間的連接關(guān)系

?面：物體表面的分片線性逼近

三維物體的其他表達方式

點云

隱式曲面(Metaball)

Volumetricdata

CSG

計算機圖形學(xué)的應(yīng)用

一隨處可見的圖形學(xué)技術(shù)

計算機游戲

電影

計算機動畫（卡通）

可視化技術(shù)

4

分析計算

計算機仿真與模擬

虛擬現(xiàn)實

計算機藝術(shù)

數(shù)字地球與數(shù)字城市

Latitude:Longitude

PixertexlureterrainColorterrain

Googleearth

MSvirtualearth

文物保存

CAD一產(chǎn)品外形設(shè)計

CAD—工程圖紙設(shè)計

CAD—虛擬設(shè)計與制造

OriginalImageResultOriginalImageResult

TextureTrack(1)TextureTrack(2)

工業(yè)（機械，建筑，CAD...）

從新的視角看計算機圖形學(xué)

從信息的視角看圖形

?圖形是一種信息

-和文字、語音、圖像、視頻、生物數(shù)據(jù)一樣,

是一種信息（數(shù)據(jù)）

?信息處理的視角看圖形學(xué)

-場景建模、幾何編輯、紋理、環(huán)境光照

?計算機圖形學(xué)分可視媒體（信息）

計算機圖形學(xué)：第四代數(shù)字媒體

可視媒體的重要性

?可視媒體是信息處理和信息資源建設(shè)的主

體

-數(shù)字成像技術(shù)提升了可視媒體獲取的能力

-互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展促進了可視媒體傳播

-可視媒體的深度開發(fā)和有效利用是縮小數(shù)字鴻

溝、使信息技術(shù)惠及萬家的關(guān)鍵

?可視媒體智能處理是許多國家重大需求中

的共性基礎(chǔ)

計算機圖形學(xué)的主要內(nèi)容

計算機圖形學(xué)的主要內(nèi)容

1.建模

幾何模型構(gòu)建

■構(gòu)建三維的幾何模型

-手工建模

-圖像

-三維掃描

-合成

DigitalGeometryProcessing

(DGP)

?Processingofdiscretemodels

-Polygonalmesh(Typicallytriangular)

?Whydiscrete?

-Simplicity-easeofdescription

-Baseddataforrendering

software/hardware

-Inputtomostsimulation/analysistools

-Outputofmostacquisitiontools

?laserscanner,CT,MRI,etc...

Pipeline

Removaloftopologicalandgeometricalerrors

Surfacesmoothingfornoiseremoval

GeometryProcessing

?Modelacquisition

?Surfacereconstruction

?MeshsimplificationandRemeshing

?Geometrycompression

?Meshparameterization

?Meshediting,deformationandmorphing

?Subdivisionsurfaces

?Discretedifferentialgeometry

DataAcquisition

SurfaceReconstruction

一

①

E

0

①

9

-

B

-

l

u

a

J

①左

q

Smoothing/Fairing

MeshSimplification

Parameterization

Remeshing

SubdivisionSurfaces

MeshEditingandMorphing

PointBasedSurfaces

Segmentation

ShapeMatching

?Howsimilardotheylook?

ShapeRetrieval

3DDatabase

Others

?Texturesynthesis

?Connectivityshape

?Symmetryanalysis

?Shapeanalysis

?Statisticallearning

■■■

Syllabus

Chapter01.Oveiview

ChapterU2.Meshdefiiutionswdtennmologies

更多內(nèi)容…ChapterU3.DelamtayTnai^ulationandMeshGeneration

Chapter04.Meshrepresentationanddatastructure

ChapterU5.OpenGLpmjng:abnefmtnoduction

Chapter06.DifferentialGeometryaDiscreteOperators

Chapter07.DataAcquisition

Chapter08.SurfaceReconstruction

?《數(shù)字幾何處理》，ChapterU9.Meshsmoothing

ChapterISMeshsimplification

劉利剛，研究生課程Chapter11.Levelofdetail

Chapter12.Meshcompression

-http:〃/~lgliChapter13.Surfaceparameterization

Chapter14Warpingandmorphing

u/Courses/DGP_2012_surinChapter15.Meshmorphing

Chapter16.Poissonimageediting

g-summei7default.htmChapter17.Meshediting

Chapter18.2DTexturesynthesis

Chapter19.Texturesynthesison3Dsuifeces

Chapter20.Surfacecompletion

Chapter21.Content-awareretaigeting

Chapter22.Remeshingsurfaces

Chapter23.Quadmeshing

Chapter24Tetrahedralandhexahedralmeshing

Chapter25.Shapeanalysis:anintroduction

Chapter26.Shapeanalysis:basics

Chapter27.Shapesegmentation

Chapter2g.Sketch-basedinteractiveshapesegmentation

Chapter29.Co?segxnentationofasetof3Dshapes

Chapter36Shapedescriptors

Chapter31.Symmetryanalysis

Chapter32.Shapema忙hingandretrieval

Chanter33.Summary

計算機圖形學(xué)的主要內(nèi)容

2.繪制

真實感繪制

.將模型真實性（或藝術(shù)性）的顯示在屏幕上

I.

計算機圖形學(xué)的主要內(nèi)容

3.動畫

動畫

?模擬真實世界的物理運動，虛擬現(xiàn)實

Luxo

計算機圖形學(xué)的主要內(nèi)容

?建模(Modeling)

-構(gòu)建三維的幾何模型

?渲染(Rendering)

-將模型真實性的顯示在屏幕上

?動畫(Animation)

-模擬真實世界的物理運動

?人機交互(Human-computerinterface)

-人與電腦的“對話”(意圖表達)

ACMSIGGRAPH

?AssociationforComputingMachinery

?SpecialInterestGrouponGraphicsand

InteractiveTechniques

JMSIGGRAPHJrComputeMMHnevy

計算機圖形學(xué)的主要內(nèi)容

4.人機交互

人機交互

?鍵盤

?鼠標(biāo)

?聲音

?身體

?手勢4:20PM

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