科大培训课件-计算机图形学进展

中国科学技术大学2013暑期课程

计算机图形学进展

刘利刚

图形与几何计算实验室

中国科学技术大学

http://gcL

Graphics&GeometricComputingLab

@USTC

计算机图形学

•真实世界的数字模拟（虚拟世界）

-三维模型

-人物

-故事

-光照

-运动

-特效

-人机交互

三维图形学解决…

•狭义的理解：把一个三维空间的物体，正确显示

在一个二维光栅的显示设备上

-如何表示三维空间的物体？

-如何将物体投影到显示设备上？

-如何计算物体上的颜色？

-如何将物体转化为离散的光栅（图像）？

三维图形学的基本知识

・三维空间中的物体(3Dmodel)表示

•三维变换和观察流程(3DTransformation&

ViewingProcess)

•光栅化

•光照与明暗计算

■材质与贴图

重要概念:坐标变换

■世界坐标变换

把所有物体放到同一

个坐标系中

■观察坐标变换

WorldTransformationViewTransformation

把世界坐标系面对照

相机（观察者）

■投影变换

产生近大远小的透视

效果ProjectionTransformation

视锥和裁剪平面

•一个三维的锥体，在投影变换中，用于透视投影产生

近大远小的效果。

•只有在前后裁剪平面之间的物体可以见到。

•视场的大小FOV：FieldOfView

光栅化(Raster)

上面的结果-只是几何变换

TowerPC

给你细节上的真实感

•光源和明暗

•材质和纹理

简单光源类型

Pointlight

Directionallight

InnerCone(dvTheta)OuterCone(dvPhi)

明暗模式(ShadingModes)

•明暗模式决定了多边形面片内每一点

颜色和光照的强度

•平面明暗(FlatShading)

-使用多边形第一个顶点的颜色作为整

个多边形的颜色。

-不共面的的多边形会有清晰的边

-计算代价小

•GouraudShading

-使用顶点法向和光照计算每个顶点的

颜色，然后在多边形中在顶点之间做

蝮性插棺。

-特点是过渡光滑

材质(Material)：

描述物体对光的反应

•漫反射(diffuse):对颜色贡献最

大，漫反射的入射是有向的

,光的入射方向会影响反射

骐度，反射是各个方向相同

的。

•环境光反射(ambient):无方向

,对最终颜色的贡献次要一

些；影咆警使的圆自；没有

漫反射时最容易看到。

•镜面反射(Specular):高光

•自发光(emission):不是光源

纹理贴图(Texturemapping)

模型纹理贴图(BMP)使用纹理的

渲染结果

一个场景

3dsmaxCopyrightThomasColding-Jorgensen&A,FilmApS1998

如何表达一个三维几何物体?

三维物体的数学表达

•计算机辅助设计(CAD)

・计算机辅助几何设计(CAGD)、

-曲线曲面表达V藁

-Bezier曲线曲面

-B样条曲线曲面*

-非均匀有理B样条曲线曲面”

-T样条、T网格上的样条

三维物体的数字表达

•点：三维物体表面的采样点

­线：点之间的连接关系

•面：物体表面的分片线性逼近

三维物体的其他表达方式

点云

隐式曲面(Metaball)

Volumetricdata

CSG

计算机图形学的应用

一随处可见的图形学技术

计算机游戏

电影

计算机动画（卡通）

可视化技术

4

分析计算

计算机仿真与模拟

虚拟现实

计算机艺术

数字地球与数字城市

Latitude:Longitude

PixertexlureterrainColorterrain

Googleearth

MSvirtualearth

文物保存

CAD一产品外形设计

CAD—工程图纸设计

CAD—虚拟设计与制造

OriginalImageResultOriginalImageResult

TextureTrack(1)TextureTrack(2)

工业（机械，建筑，CAD...）

从新的视角看计算机图形学

从信息的视角看图形

•图形是一种信息

-和文字、语音、图像、视频、生物数据一样,

是一种信息（数据）

•信息处理的视角看图形学

-场景建模、几何编辑、纹理、环境光照

•计算机图形学分可视媒体（信息）

计算机图形学：第四代数字媒体

可视媒体的重要性

•可视媒体是信息处理和信息资源建设的主

体

-数字成像技术提升了可视媒体获取的能力

-互联网技术的发展促进了可视媒体传播

-可视媒体的深度开发和有效利用是缩小数字鸿

沟、使信息技术惠及万家的关键

•可视媒体智能处理是许多国家重大需求中

的共性基础

计算机图形学的主要内容

计算机图形学的主要内容

1.建模

几何模型构建

■构建三维的几何模型

-手工建模

-图像

-三维扫描

-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

更多内容…ChapterU3.DelamtayTnai^ulationandMeshGeneration

Chapter04.Meshrepresentationanddatastructure

ChapterU5.OpenGLpmjng:abnefmtnoduction

Chapter06.DifferentialGeometryaDiscreteOperators

Chapter07.DataAcquisition

Chapter08.SurfaceReconstruction

•《数字几何处理》，ChapterU9.Meshsmoothing

ChapterISMeshsimplification

刘利刚，研究生课程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

计算机图形学的主要内容

2.绘制

真实感绘制

.将模型真实性（或艺术性）的显示在屏幕上

I.

计算机图形学的主要内容

3.动画

动画

•模拟真实世界的物理运动，虚拟现实

Luxo

计算机图形学的主要内容

•建模(Modeling)

-构建三维的几何模型

•渲染(Rendering)

-将模型真实性的显示在屏幕上

•动画(Animation)

-模拟真实世界的物理运动

•人机交互(Human-computerinterface)

-人与电脑的“对话”(意图表达)

ACMSIGGRAPH

•AssociationforComputingMachinery

•SpecialInterestGrouponGraphicsand

InteractiveTechniques

JMSIGGRAPHJrComputeMMHnevy

计算机图形学的主要内容

4.人机交互

人机交互

・键盘

•鼠标

•声音

•身体

•手势4:20PM

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