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计算机图形学
第3次开课
开课时间: 2020年09月07日 ~ 2020年12月31日
学时安排: 3
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课程评价(259)
spContent=宣传片特点:原创CG人物小图(头戴CG帽子的人物)+原创背景音乐(小图出现时) 课程进行时:小图导学-教师授课-小图助学-github实验(第三轮开课增加软光栅和PBR渲染器) 课程的收获:图形理论体系+可编程渲染管线+图形编程技能(C++,OpenGL,GLSL)(在图形编程尤其是着色器编程方面与Unity相通)
宣传片特点:原创CG人物小图(头戴CG帽子的人物)+原创背景音乐(小图出现时) 课程进行时:小图导学-教师授课-小图助学-github实验(第三轮开课增加软光栅和PBR渲染器) 课程的收获:图形理论体系+可编程渲染管线+图形编程技能(C++,OpenGL,GLSL)(在图形编程尤其是着色器编程方面与Unity相通)
—— 课程团队
课程概述

计算机图形学是研究怎样利用计算机来显示、生成和处理图形的原理、方法和技术的一门学科,是计算机科学与技术、软件工程、数字媒体技术等专业的必修课。近年来,计算机图形学被广泛应用在影片渲染、计算机游戏、虚拟现实、科学计算可视化等多个方面。

 

我们的计算机图形学课程有管线视角理论体系完整编程框架先进将对课程中讲解的实验提供配套代码下载,包括完整工程以及工程中用到的资源,如课程团队原创的卡通人物形象的模型资源等)三个特点:

第一,管线视角的图形学,按照图形渲染管线的三个概念阶段,即应用程序阶段、几何阶段、光栅化阶段来组织课程内容,将整个课程内容划分为五篇:基础篇、应用程序、几何阶段、光栅化阶段、高级话题。

第二,构建完整的理论体系,将传统理论和图形新发展结合起来,既包括朴素的软光栅、经典的造型技术,也包括真实感图形学的光照、纹理、阴影等内容,在这些内容中不仅体现经典的算法,还包括一些新的算法如实时光线追踪、法线贴图、实时动态阴影等。


第三,搭建先进实用的编程框架,基于可编程管线进行图形编程,采用主流的图形标准OpenGL,并用采用其着色器语言OpenGL Shading Language(简称GLSL)进行着色器的编写(Shader的编写思想与Unity3D相通)。这个图形编程框架充分利用了日趋强大的GPU的计算能力,和目前工业界的实际做法完全相通。设置了从在一个窗口中绘制多边形到粒子系统、延迟渲染的多个进阶实验,逐步提高学生的图形编程能力。实验将提供配套代码的下载链接。

为了使对计算机图形学感兴趣的同学们拥有更好的学习体验,本次我们的计算机图形学课程还添加了如下的两个部分: 

第一部分,光栅化渲染器,它是一个在浏览器中学习渲染管线知识的工具。同学们可以交互式地学习渲染流程中的各种算法;也可以通过在线的管线编辑器,自由探究渲染管线中的各个阶段,甚至创造出自己独特的软渲染管线。

 

 

第二部分,PBR渲染器它是一款渐进式学习PBR的教学渲染器,随着学习的不断深入,可以逐步解锁PBR更高级复杂的功能。同学们在这里可以学习到图形学物理渲染相关的进阶知识,看到一些PBR相关的渲染方法,以及它呈现出的漂亮效果。

 





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授课目标

1、让学生学习到经典的图形理论;

2、让学生了解最新的基于GPU的可编程渲染流程;

3、带领学生基于最新的图形编程框架(基于OpenGL和GLSL)完成实验;

4、让大家感觉渲染影片、开发游戏引擎、实现虚拟现实应用、进行科学计算可视化并非遥不可及。

课程大纲

第一周导学

第一周导学

课程导学与第一篇导学

图形学课程导学

第一篇导学

1.欢迎来到图形世界

1.1初识图形学

1.2有趣的图形应用和研究

2.认识图形系统

2.1图形系统浅析

2.2从穿孔纸到数据衣:输入设备

2.3从CRT到3D显示(上):CRT的前世今生

2.3从CRT到3D显示(中):平板的奥秘

2.3从CRT到3D显示(下):神奇的3D显示

2.4从CPU到GPU:图形显示子系统

第一周周测

第二周导学

第二周导学

3.可编程渲染管线

3.1从固定到可编程

3.2探秘GPU渲染管线

3.3着色器编程

实验导学

实验——在窗口中绘制三角形

第二周周测

第二篇导学

对第二篇也就是管线的第一个概念阶段(应用程序阶段)进行导学

4.图形思维的起点——朴素的软光栅(一)

4.1初次尝试——点和直线(上):DDA算法

4.1初次尝试——点和直线(中):中点的Bresenham算法

4.1初次尝试——点和直线(下):改进的Bresenham算法

第三周周测

第三周导学

第三周导学

4.图形思维的起点——朴素的软光栅(二)

4.4遇见多边形(上): X扫描线算法

4.4遇见多边形(中): Y向连贯性算法

4.4遇见多边形(下): 边标志算法

4.5巧妙的区域填充

4.6属性——改变图元的模样

4.7必不可少的反走样

小图助学:朴素的软光栅

实验:四边形绘制

4.2 如果是圆?(上):八分法画圆

4.2 如果是圆?(下):中点画圆法

4.3椭圆又如何?:椭圆的中点Bresenham画法

第四周导学

第四周导学

5.探秘造型技术

5.1初识造型技术

5.2 样条的魔力(上):基本概念

5.2样条的魔力(下):样条表示

小图助学:样条的魔力

5.3规则形体(上):边界表示

5.3规则形体(中):构造实体几何法

5.3规则形体(下):空间分割表示

小图助学:规则形体造型

5.4遇见非规则(上):自然的奥秘——分形几何

5.4遇见非规则(下):聚沙成塔——粒子系统

小图助学:非规则形体造型

实验:球的绘制

实验:模型导入

第四周周测

第五周导学

第五周导学

第三篇导学

第三篇导学

6.变换与观察

6.1神奇的齐次坐标

6.2三维模型,动起来!

小图助学:模型变换

6.3观察者也能动

小图助学:观察变换

7.投影变换

7.1有趣的投影

7.2规范化的投影变换

第五周周测

8.裁剪与屏幕映射

8.1裁剪思想(上):规整的编码裁剪

8.1裁剪思想(下):聪明的Liang-Barsky算法

8.2真正的裁剪——在三维空间遇见多边形

8.3几何阶段的完结:屏幕映射

实验:立方体旋转

实验:摄像机

小图助学:线段裁剪

小图助学:多边形裁剪

补充:如何配置实验环境?

第六周导学

第六周导学

第四篇导学

对第四周的教学内容进行导学,包括讲解片元着色和片元操作。

9.奇妙的真实感——片元着色(一)

9.1图形渲染与视觉外观

9.2奇妙的颜色(上):视觉现象

9.2奇妙的颜色(下):颜色模型

9.3光照明模型(上):Phong模型初步

小图助学:Phong模型

9.3光照明模型(中):Phong模型实现

小图助学:Blinn-Phong模型

9.3光照明模型(下):全局光照

小图助学:光线追踪算法

实验:Phong模型

第七周导学

第七周导学

9.奇妙的真实感——片元着色(二)

9.4让人头疼的纹理(上):颜色纹理

实验:颜色纹理(天空盒)

9.4让人头疼的纹理(下):几何纹理

实验:几何纹理(法线贴图)

9.5加入阴影会怎样?

实验:实时动态阴影

小图助学:纹理

第9章测试

第八周导学

第八周导学

10. 有趣的测试和合并——片元操作

10.1再看片元操作

10.2谁遮住了我?

实验:混合(透明物体处理)

小图助学:混合

补充:如何配置实验环境?

第九周导学

第九周导学

第五篇导学

对第五篇也就是高级话题进行导学。

11.高级渲染

11.1基于物理的渲染

11.2游戏中的渲染

实验:延迟渲染

第十-十一周导学

第十-十一周导学

综合应用

1、实验:粒子系统

2、小图助学:科学计算可视化

3、小图助学:小图漫游华中科技大学东校区

4、小图助学:小图漫游渲染管线

第十二-十四周导学

第十二-十四周导学

复习题(1)

复习题(2)

复习题(3)

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预备知识

C语言、C++初步。

证书要求

证书要求

课程成绩构成如下:

(1)单元测验:30%

(2)交流讨论:20%

(3)期末考试:50%

本课程设置两档成绩:

(1)合格证书:课程总成绩满足≥60分,但是又没有达到80分;

(2)优秀证书:课程总成绩满足≥80分。


参考资料

1、课程中给出的PDF文件;


2、陆峰,何云峰编著的《计算机图形学基础(第3版)》。

  

3、Real-Time Rendering 4th Edition;



华中科技大学
5 位授课老师
万琳

万琳

教授

陈传波

陈传波

教授

何云峰

何云峰

副教授

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