一 什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)
計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（computer Graphics） 是研究計(jì)算機(jī)世界中圖形的學(xué)問怎虫。
二 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要內(nèi)容
主要包含四大部分的內(nèi)容： 建模（modeling） 渲染（Rendering） 動(dòng)畫（Animation）和人機(jī)交互（Human-computer Interaction,HCI）.
1. 建模（modeling）
在計(jì)算機(jī)中構(gòu)建我們想要的圖形圖形或者物體的模型壮莹。
劉教授列舉了一些三維建模方法：
l 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)中的主流方法是采用NURBS（非均勻有理B-樣條、Bezier曲線曲面）方法（已成為CAD工業(yè)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)），這也是計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)(CAGD)所研究的主要內(nèi)容籽慢。此類表達(dá)方法有一些難點(diǎn)問題仍未解決犯助，比如非正規(guī)情況下的曲面光滑拼合，復(fù)雜曲面表達(dá)等暑脆。這部分涉及的數(shù)學(xué)比較多渠啤，國(guó)內(nèi)做這塊的學(xué)者比較多些。
l 細(xì)分曲面(Subdivision surface)造型方法添吗，作為一種離散迭代的曲面構(gòu)造方法沥曹，由于其構(gòu)造過(guò)程樸素簡(jiǎn)單以及實(shí)現(xiàn)容易，是一個(gè)方興未艾的研究熱點(diǎn)。經(jīng)過(guò)十多年的研究發(fā)展妓美，細(xì)分曲面造型取得了較大的進(jìn)展僵腺，包括奇異點(diǎn)處的連續(xù)性構(gòu)造方法以及與GPU圖形硬件相結(jié)合的曲面處理方法。
l 利用軟件的直接手工建暮埃〕饺纾現(xiàn)在主流的商業(yè)化的三維建模軟件有Autodesk 3D Max和 Maya。其他還有面向特定領(lǐng)域的商業(yè)化軟件贵试，比如面向建筑模型造型的Google Sketchup琉兜，面向CAD/CAM/CAE的CATIA和AutoCAD，面向機(jī)械設(shè)計(jì)的SolidWorks毙玻，面向造船行業(yè)的Rhino等豌蟋。這些軟件需要建模人員有較強(qiáng)的專業(yè)知識(shí)，而且需要一定時(shí)期的培訓(xùn)才能掌握桑滩，建模效率低而學(xué)習(xí)門檻高梧疲，不易于普及和讓非專業(yè)用戶使用。
l 基于筆劃或草圖交互方式的三維建模方法施符。草圖交互方式由于其符合人類原有日常生活中的思考習(xí)慣往声，交互方式直觀簡(jiǎn)單，是最近幾年研究的熱點(diǎn)建模方法戳吝。其難點(diǎn)是根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合浩销，如何正確地理解和識(shí)別用戶的交互所表達(dá)的語(yǔ)義，構(gòu)造出用戶所希望的模型听哭。
l 基于語(yǔ)法及規(guī)則的過(guò)程式建模方法慢洋。特別適合具有重復(fù)特征和結(jié)構(gòu)化的幾何物體與場(chǎng)景，比如建筑陆盘、樹木等普筹。最近幾年有較多的論文及較大的發(fā)展。
l 基于圖像或視頻的建模方法隘马。這是傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)視覺所要解決的基本問題太防。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域，這方面的發(fā)展也很迅速酸员。有一些商業(yè)化軟件或云服務(wù)(比如Autodesk的123D)蜒车，已經(jīng)能從若干張照片重建出所拍攝物體的三維模型。該方法的問題是需要物體本身已經(jīng)存在幔嗦，而且重建的三維模型的精度有限酿愧。
l 基于掃描點(diǎn)云（深度圖像如Kinect、結(jié)構(gòu)光掃描邀泉、激光掃描嬉挡、LiDAR掃描等）的建模(Reconstruction)方法钝鸽。隨著深度相機(jī)的出現(xiàn)及掃描儀的價(jià)格迅速下降，人們采集三維數(shù)據(jù)變得容易庞钢，從采集到的三維點(diǎn)云來(lái)重建三維模型的工作在最近幾年的Siggraph(Asia)上能常見到拔恰。但是，單純的重建方式存在精度低焊夸、穩(wěn)定性差和運(yùn)算量大等不足仁连，遠(yuǎn)未能滿足實(shí)際的需求。
l 基于現(xiàn)有模型來(lái)合成建模的方法阱穗。隨著三維模型的逐漸增多饭冬，可以利用現(xiàn)有的三維模型通過(guò)簡(jiǎn)單的操作，比如cut and paste揪阶，或者分析及變形等手段昌抠，來(lái)拼接或合成新的三維模型。這種通過(guò)“學(xué)習(xí)”模型數(shù)據(jù)庫(kù)的知識(shí)來(lái)進(jìn)行建模的手段在近3-5年里研究得非常熱門鲁僚。從某方面來(lái)講炊苫，就是“大數(shù)據(jù)時(shí)代”背景下計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)具體的表現(xiàn)。
除了上述的這些建模方法冰沙，還有其他的一些建模方法侨艾，在此不再一一列舉。
在對(duì)三維幾何模型的構(gòu)建過(guò)程中拓挥，還會(huì)涉及到很多需要處理的幾何問題唠梨，比如數(shù)據(jù)去噪(denoising or smoothing)、補(bǔ)洞(repairing)侥啤、簡(jiǎn)化(simplification)当叭、層次細(xì)節(jié)(level of detail)、參數(shù)化(parameterization)盖灸、變形(deformation or editing)蚁鳖、分割(segmentation)、形狀分析及檢索(shape analysis and retrieval)等赁炎。這些問題構(gòu)成“數(shù)字幾何處理”的主要研究?jī)?nèi)容醉箕。筆者自2005年起開設(shè)了多年的《數(shù)字幾何處理》的研究生課程：
http://staff.ustc.edu.cn/~lgliu/Courses/DGP_2012_spring-summer/default.htm
三維幾何建模還不夠完美，還有很多事情可以做徙垫。
2 渲染（Rendering）
核心人物是：根據(jù)三維幾何模型產(chǎn)生令人賞心悅目的真實(shí)感圖像讥裤。
上個(gè)世紀(jì)80-90年代做了不少這方面的研究如：局部光照模型(Local Illumination Model)、光線跟蹤算法(Ray Tracing)松邪、輻射度(Radiosity)等，以及到后面的更為復(fù)雜哨查、真實(shí)逗抑、快速的渲染技術(shù)，比如全局光照模型(Global Illumination Model)、Photo mapping邮府、BTF荧关、BRDF、以及基于GPU的渲染技術(shù)等褂傀。
如何充分利用GPU的計(jì)算特性忍啤，結(jié)合分布式的集群技術(shù)，從而來(lái)構(gòu)造低功耗的渲染服務(wù)是發(fā)展趨勢(shì)之一
3 動(dòng)畫（Animation）
動(dòng)畫是采用連續(xù)播放靜止圖像的方法產(chǎn)生物體運(yùn)動(dòng)的效果仙辟。
計(jì)算機(jī)動(dòng)畫借助于編程或動(dòng)畫制作軟件生成一系列的景物畫面同波，是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。研究方向包括：人體動(dòng)畫叠国，關(guān)節(jié)動(dòng)畫未檩，運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫，腳本動(dòng)畫粟焊，具有人的意識(shí)的虛擬角色的動(dòng)畫系統(tǒng)等冤狡。另外，高度物理真實(shí)感的動(dòng)態(tài)模擬项棠，包括對(duì)各種形變悲雳、水、氣香追、云合瓢、煙霧、燃燒翅阵、爆炸歪玲、撕裂、老化等物理現(xiàn)象的真實(shí)模擬掷匠，也是動(dòng)畫領(lǐng)域的主要問題滥崩。這些技術(shù)是各類動(dòng)態(tài)仿真應(yīng)用的核心技術(shù)，可以極大地提高虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的沉浸感讹语。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛钙皮，比如動(dòng)畫片制作，廣告顽决、電影特技短条，訓(xùn)練模擬，物理仿真才菠，游戲等茸时。
4. 人機(jī)交互(Human–Computer Interaction, HCI)
人機(jī)交互（Human-Computer Interaction, 簡(jiǎn)寫HCI）研究的是人如何與計(jì)算機(jī)互動(dòng)。
除了經(jīng)典的常規(guī)設(shè)備（如鼠標(biāo) 鍵盤 觸摸板 軌跡球等）赋访，近些年出現(xiàn)和很多新的交互設(shè)備如： Microsoft Kinect, Leap Motion ,MYO , Google Glass ,3D Printer ,3Doodler 等等可都。
5 其他內(nèi)容
上述四個(gè)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要的幾個(gè)內(nèi)容缓待，除此之外相關(guān)的學(xué)科還有很多，比如：虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality) 可視化(Visualization) 可視媒體計(jì)算與處理(Visual Media Processing) 醫(yī)學(xué)圖像處理(Medical Imaging) 計(jì)算機(jī)藝術(shù)(Computational Arts) 等等渠牲。
學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)需要哪些基礎(chǔ)
1. 數(shù)學(xué)
計(jì)算機(jī)圖形學(xué)里面用到的數(shù)學(xué)比較多旋炒，列舉一些常用的，包括：微積分签杈、線性代數(shù)瘫镇、矩陣計(jì)算、微分幾何答姥、數(shù)值計(jì)算和分析铣除、計(jì)算方法、偏微分方程踢涌、微分方程數(shù)值解通孽、最優(yōu)化、概率睁壁、統(tǒng)計(jì)背苦、計(jì)算幾何等。
計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域的一位優(yōu)秀學(xué)者Greg Turk教授在1997年曾寫過(guò)一篇“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的數(shù)學(xué)”(Mathematics for Computer Graphics)的帖子潘明，詳細(xì)可見：
計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的數(shù)學(xué)(英文版)
其中文翻譯版本可見：
計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的數(shù)學(xué)
關(guān)于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與數(shù)學(xué)的關(guān)系行剂，歸納起來(lái)就是以下幾個(gè)原則：
- 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究需要用到較多的數(shù)學(xué)知識(shí)，有較好數(shù)學(xué)功底的學(xué)生從事計(jì)算機(jī)圖形學(xué)有一定優(yōu)勢(shì)钳降；
- 即使沒有學(xué)太多的數(shù)學(xué)也不要緊厚宰。數(shù)學(xué)的知識(shí)不需要都學(xué)會(huì)了再去做問題，在解決問題的過(guò)程中去學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)是最快的學(xué)習(xí)方法遂填。即铲觉，研究過(guò)程中若遇到什么數(shù)學(xué)知識(shí)再去學(xué)相關(guān)的知識(shí)，學(xué)習(xí)起來(lái)會(huì)更有興趣吓坚，掌握起來(lái)會(huì)更快更扎實(shí)撵幽；
- 學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)要結(jié)合圖形，即“數(shù)形結(jié)合”礁击，需要有圖形的想象能力盐杂；數(shù)學(xué)公式不重要，是“紙老虎”哆窿，重要的是背后的思想及其所表達(dá)的概念链烈，公式只是它們的一個(gè)抽象表達(dá)；
- 活到老挚躯，學(xué)到老强衡。要不斷學(xué)習(xí)新的知識(shí)和技術(shù)，使自己不斷進(jìn)步和增長(zhǎng)功力码荔，才是王道漩勤。
2. 編程
C++編程語(yǔ)言和面向?qū)ο缶幊趟枷牒叛模@是大家通用的“語(yǔ)言”
要有興趣。
3. 其他
英語(yǔ)要好锯七，學(xué)習(xí)能力強(qiáng)。
4. 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教材
不能指望通過(guò)一本或幾本教材就能學(xué)會(huì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)誉己；
務(wù)必要通過(guò)跟著老師做相關(guān)研究來(lái)了解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)最新的發(fā)展和趨勢(shì)眉尸。除了閱讀最新的最新的科研論文外，還需要不斷關(guān)注信息科技及電子科技的一些前沿發(fā)展巨双；
要相信噪猾，計(jì)算機(jī)是好玩的，是有用的筑累，更是有未來(lái)的袱蜡！充滿熱情和激情；
四. SIGGRAPH簡(jiǎn)介
ACM SIGGRAPH是“ACM Special Interest Group on GRAPHics and Interactive Techniques”（美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)計(jì)算機(jī)圖形專業(yè)組）的縮寫慢宗，成立于1967年坪蚁，致力于推廣和發(fā)展計(jì)算機(jī)繪圖和動(dòng)畫制作的軟硬件技術(shù)。從1974年開始镜沽，ACM
SIGGRAPH每年都會(huì)舉辦一次年會(huì)（也稱為SIGGRAPH）敏晤，至今年已經(jīng)舉辦了40次。SIGGRAPH是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)頂級(jí)年度會(huì)議缅茉，代表著世界級(jí)水平的研究嘴脾，能在SIGGRAPH上發(fā)表論文是許多從事計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的工作者的夢(mèng)想。
SIGGRAPH每年召開一次蔬墩，SIGGRAPH是世界上影響最廣译打、規(guī)模最大，同時(shí)也是最權(quán)威的一個(gè)集科學(xué)拇颅、藝術(shù)奏司、商業(yè)于一身的CG展示、學(xué)術(shù)研討會(huì)蔬蕊，參會(huì)人數(shù)眾多结澄，一般有2--4萬(wàn)人。絕大部分計(jì)算機(jī)圖技術(shù)軟硬件廠商每年都會(huì)將最新研究成果拿到SIGGRAPH年會(huì)上發(fā)布岸夯，大部分游戲的電腦動(dòng)畫創(chuàng)作者也將他們本年度最杰出的藝術(shù)作品集中在SIGGRAPH上展示麻献。因此，SIGGRAPH在圖形圖像技術(shù)猜扮，計(jì)算機(jī)軟硬件以及CG等方面都有著相當(dāng)?shù)挠绊懥Α?/p>
與SIGGRAPH一樣勉吻，發(fā)表者SIGGRAPH Asia上的研究論文也代表著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域的最前沿和最高水準(zhǔn)，所有研究論文都發(fā)表在ACM Transactions on Graphics期刊上旅赢，這是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域唯一的一個(gè)Top (I區(qū))的學(xué)術(shù)期刊齿桃』蠡蹋可以形象地將SIGGRAPH和SIGGRAPH Asia分別比喻為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域的“夏季奧運(yùn)會(huì)”和“冬季奧運(yùn)會(huì)”。
在SIGGRAPH會(huì)議上短纵，除了研究論文外带污，還有很多其他內(nèi)容，比如課程香到、短文鱼冀、海報(bào)、CG企業(yè)展示悠就、電子劇場(chǎng)千绪、動(dòng)畫節(jié)、新型科技展示梗脾、藝術(shù)畫廊荸型、教育等
