GAMES101:现代计算机图形学入门（Chapter1 计算机图形学概述）学习笔记

如何直接暴力地判断游戏画面的好坏（技术方面）——画面的亮度

全局光照技术

全局光照（Global Illumination,简称 GI）， 作为图形学中比较酷的概念之一，是指既考虑场景中来自光源的直接光照，又考虑经过场景中其他物体反射后的间接光照的一种渲染技术。

即可以理解为：全局光照 = 直接光照(Direct Light) + 间接光照(Indirect Light)

图1 Direct illumination （直接光照）

图2 Global illumination = Direct illumination +Indirect illumination

卡通渲染——风格化渲染

游戏中常用的卡通渲染分为美式卡通风格和日式卡通风格。

美式卡通风格在色彩上比较连续，有渐变色，着色风格很大程度上依赖于艺术家定义的色调（tone），而在阴影和高光方面常常采取夸张和变形的做法，比较典型的是《军团要塞2》；

日式卡通风格往往角色造型更写实，但在着色方面，则趋向于大片大片纯色色块，并有的明暗交界，例如《崩坏3》。

电影

特效（special effects）

最简单的图形学应用——平常不常见的画面，穿帮被发现概率小

CG影视后期特效的制作流程

面部动作捕捉（Facial Motion Capture）

它是动作捕捉（Motion Capture）技术的一部分，指使用机械装置、相机等设备记录人类面部表情和动作，将之转换为一系列参数数据的过程。

与捕捉由关节点构成、较为稳定的人体动作相比，面部表情更为细微复杂，因此对数据精度要求更高。

CG 电影、大型游戏在预算允许的情况下，倾向于选择捕捉真人面部来完成角色的演出。与人为制作的动画角色表情相比，通过捕捉真人面部动作生成的角色会更具真实感。

毛发模型和渲染

毛发渲染一直是实时图形学的难题，因为其光照复杂，数量众多，物理效果不好抽象等。在早期，只能通过若干面片代替，后来随着硬件及渲染技术的提升，慢慢发展出了经验模型的Kajiya-Kay和基于物理的Marschner毛发渲染模型。

（物理）模拟动画/仿真

今天的游戏动画应用了多种物理模拟技术，例如运动学模拟(kinematics simulation),刚体动力学模拟(rigid body dynamics simulation),绳子/布料模拟(string/cloth simulation),柔体动力学模拟(soft body dynamics simulation),流体动力学模拟(fluid dynamics simulation)等等。另外碰撞侦测(collision detection)是许多模拟系统里所需的。

产品设计

计算机辅助设计（Computer Aided Design, CAD）

CAD是利用计算机快速的数值计算和强大的图文处理功能，辅助工程技术人员进行产品设计、工程绘图和数据管理的一门计算机应用技术，是计算机科学技术发展和应用中的一门重要技术。

CAD的涵盖范围很广，其设计对象最初包括两大类，一类是机械、电子、汽车、航天、农业、轻工和纺织产品等；另一类是工程设计产品等，如工程建筑。如今，CAD技术的应用范围已经延伸到诸如艺术等各行各业，如电影、动画、广告、娱乐和多媒体仿真等都属于CAD范畴。

可视化（Visualization）

可视化是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。 它涉及到计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计等多个领域，成为研究数据表示、数据处理、决策分析等一系列问题的综合技术。目前正在飞速发展的虚拟现实技术也是以图形图像的可视化技术为依托的。

可视化技术最早运用于计算机科学中，并形成了可视化技术的一个重要分支——科学计算可视化(Visualization in Scientific Computing)。科学计算可视化能够把科学数据，包括测量获得的数值、图像或是计算中涉及、产生的数字信息变为直观的、以图形图像信息表示的、随时间和空间变化的物理现象或物理量呈现在研究者面前，使他们能够观察、模拟和计算。

虚拟现实（Virtual Reality）

所谓虚拟现实，顾名思义，就是虚拟和现实相互结合。从理论上来讲，虚拟现实技术（VR）是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，使用户沉浸到该环境中。虚拟现实技术就是利用现实生活中的数据，通过计算机技术产生的电子信号，将其与各种输出设备结合使其转化为能够让人们感受到的现象，这些现象可以是现实中真真切切的物体，也可以是我们肉眼所看不到的物质，通过三维模型表现出来。因为这些现象不是我们直接所能看到的，而是通过计算机技术模拟出来的现实中的世界，故称为虚拟现实。

增强现实（Augmented Reality）

增强现实技术也被称为扩增现实，AR增强现实技术是促使真实世界信息和虚拟世界信息内容之间综合在一起的较新的技术内容，其将原本在现实世界的空间范围中比较难以进行体验的实体信息在电脑等科学技术的基础上，实施模拟仿真处理，叠加将虚拟信息内容在真实世界中加以有效应用，并且在这一过程中能够被人类感官所感知，从而实现超越现实的感官体验。真实环境和虚拟物体之间重叠之后，能够在同一个画面以及空间中同时存在。

混合现实（Mixed Reality）

混合现实技术（MR）是虚拟现实技术的进一步发展，该技术通过在虚拟环境中引入现实场景信息，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感。

混合现实是一组技术组合，不仅提供新的观看方法，还提供新的输入方法，而且所有方法相互结合，从而推动创新 。输入和输出的结合对中小型企业而言是关键的差异化优势。这样，混合现实就可以直接影响工作流程，帮助员工提高工作效率和创新能力。

图形用户界面（Graphical User Interface）

图形用户界面（Graphical User Interface，简称 GUI，又称图形用户接口）是指采用图形方式显示的计算机操作用户界面。

图形用户界面是一种人与计算机通信的界面显示格式，允许用户使用鼠标等输入设备操纵屏幕上的图标或菜单选项，以选择命令、调用文件、启动程序或执行其它一些日常任务。与通过键盘输入文本或字符命令来完成例行任务的字符界面相比，图形用户界面有许多优点。图形用户界面由窗口、下拉菜单、对话框及其相应的控制机制构成，在各种新式应用程序中都是标准化的，即相同的操作总是以同样的方式来完成，在图形用户界面，用户看到和操作的都是图形对象，应用的是计算机图形学的技术

字体排印学（Typography）

一种涉及对字体、字号、缩进、行间距、字符间距进行设计、安排等方法来进行排版的一种工艺。在数码技术普及之前，字体排印是一项专业的工作，数码时代的来临使字体排印不像从前仅由排字印刷方面的技术工人完成，而更被图形艺术家、艺术指导、文书人员甚至儿童广泛使用。

Why Study Computer Graphics?

本节课程主题

1.Rasteruzation 光栅化

光栅化就是把顶点数据转换为片元的过程。片元中的每一个元素对应于帧缓冲区中的一个像素。

光栅化其实是一种将三维空间的几何形体转换成二维图像的过程。该过程包含了两部分的工作。第一部分工作：决定窗口坐标中的哪些整型栅格区域被基本图元占用；第二部分工作：分配一个颜色值和一个深度值到各个区域。光栅化过程产生的是片元。

把物体的数学描述以及与物体相关的颜色信息转换为屏幕上用于对应位置的像素及用于填充像素的颜色，这个过程称为光栅化。

实时的定义：30FPS，每秒钟能生成30幅画面，否则就是离线offline

冷笑话：眨眼补帧，眯眼抗锯齿

2.曲线和面

3.Ray Tracing光线跟踪（也叫ray tracing或者光束投射法)。

是一个在二维(2D)屏幕上呈现三维(3D)图像的方法。

4.Animation/Simulation

模拟

模拟是对真实事物的模仿或复制。这种模拟行为基本上需要表示所选抽象或物理系统的特定关键行为或特征。这可以用于各种环境，如安全工程，培训教育，视频游戏和测试。模拟用于科学建模，以获取和获取有关它们如何运作的信息。

动画

动画是通过使用 3-D 或 2-D 图稿的快速显示图像来创建任何运动的错觉的方法。由于持久性视觉，这种效果变成了光学运动或错觉。这可以通过多种方式制作和演示。通常，呈现动画的最常用技术是通过视频程序或电影，也可以使用其他类型的方法。

计算机图形学 ≠ 计算机视觉，计算机视觉是“看”，图形学是“表达”

计算机视觉：猜测、预测、分析处理

计算机视觉是理解这个世界，计算机图形学是创造这个世界

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