课程主讲：闫令琪 (Lingqi Yan) | UCSB B站课程链接：https://www.bilibili.com/video/BV1X7411F744
1 什么是计算机图形学
Computer Graphics: The use of computers to synthesize and manipulate visual information.
计算机图形学的核心任务是：在计算机中表示、处理、渲染和显示图形与图像。
应用领域
| 领域 | 示例 |
|---|---|
| 电子游戏 | 实时渲染、3D 场景 |
| 电影特效 | 离线渲染、视觉特效（VFX） |
| 动画 | 《疯狂动物城》《冰雪奇缘》等 CG 动画 |
| 设计与 CAD | 工业设计、建筑可视化 |
| 数据可视化 | 科学、工程、医学数据的可视化呈现 |
| 虚拟现实 (VR) | 沉浸式虚拟环境 |
| 增强现实 (AR) | 虚实融合（如 AR 导航） |
| 模拟仿真 | 物理模拟、天气模拟、黑洞可视化 |
2 课程四大主题
GAMES101 课程覆盖现代计算机图形学的四大核心主题：
光栅化 (Rasterization)
- 将几何图元（3D 三角形/多边形）投影到屏幕上
- 将投影后的图元拆分为像素片段 (fragments)
- 实时应用的金标准（电子游戏等）
曲线与网格 (Curves and Meshes)
- 如何在计算机中表示几何形状
- 贝塞尔曲线 (Bézier Curves)
- Catmull-Clark 曲面细分
光线追踪 (Ray Tracing)
- 从相机发射光线穿过每个像素
- 计算交点和着色
- 继续反射光线直到击中光源
- 离线应用的金标准（电影、动画）
动画与模拟 (Animation / Simulation)
- 关键帧动画 (Keyframe Animation)
- 质点弹簧系统 (Mass-Spring System)
- 物理模拟 (Physics Simulation)
3 图形学与计算机视觉
| 计算机图形学 | 计算机视觉 | |
|---|---|---|
| 输入 | 场景 / 模型 / 几何描述 | 图像 |
| 输出 | 图像 | 场景理解 / 特征 / 语义 |
| 方向 | 从模型到图像 | 从图像到理解 |
计算机图形学（渲染）： Model → Image
计算机视觉： Image → Model
正向渲染 vs 逆向问题
正向渲染 (Forward Rendering)：
- 从场景出发 → 计算光线传播 → 生成图像
- 经典光线追踪、光栅化都属于正向渲染
逆向问题 (Inverse Problem)：
- 从图像出发 → 推断场景信息
- 图像分割、物体识别、三维重建
两者的关系：
- 计算机图形学和计算机视觉是互逆的过程
- 图形学：模型 → 图像（模拟物理过程）
- 视觉：图像 → 模型（理解视觉信息）
- 两者的边界并不清晰，深度学习时代两者逐渐融合（如 NeRF、3D Gaussian Splatting）
4 渲染管线
图形成像的基本流程（Graphics Pipeline）：
顶点数据 → 顶点着色器 → 图元装配 → 光栅化 → 片元着色器 → 帧缓冲 → 显示
| 阶段 | 说明 |
|---|---|
| 顶点数据 | 输入几何数据（三角形顶点坐标、颜色、法线等） |
| 顶点着色器 | 对每个顶点进行变换（MVP 变换等） |
| 图元装配 | 将顶点组装成图元（三角形等） |
| 光栅化 | 将图元转换为像素片段 |
| 片元着色器 | 对每个像素片段计算颜色（着色、纹理等） |
| 帧缓冲 | 存储最终像素颜色 |
| 显示 | 将帧缓冲内容输出到屏幕 |
5 GAMES101 不是什么
本课程关注图形学背后的原理，而非特定工具的使用：
| 不是 | 说明 |
|---|---|
| ❌ OpenGL / DirectX / Vulkan 语法课 | 本课学习图形学原理，而非图形学 API |
| ❌ Maya / 3DS MAX / Blender 建模课 | 不教 3D 建模软件的使用 |
| ❌ Unity / Unreal Engine 开发课 | 不教游戏引擎的使用 |
| ❌ 计算机视觉 / 深度学习 | 不涉及 CV 或 DL 相关内容 |
✅ 学完本课程后，你将有能力自己学习这些工具和 API。
6 推荐资源
| 资源 | 说明 |
|---|---|
| 推荐教材 | Steve Marschner & Peter Shirley, Fundamentals of Computer Graphics, 第 3 版或更新 |
| 课程主页 | https://sites.cs.ucsb.edu/~lingqi/teaching/games101.html |
| B站视频 | https://www.bilibili.com/video/BV1X7411F744 |
| 作业框架 | https://github.com/AK47ASW/GAMES101 |
| 课程讨论区 | http://games-cn.org/forums/forum/graphics-intro/ |
作业信息
- 以编程任务为主，提供代码框架
- 每周作业量不大（通常不超过 20 行代码）
- 编程语言：C++
- 建议使用 IDE（推荐 Visual Studio / VS Code / Qt Creator）
7 复盘自测
计算机图形学的核心任务是什么？它与计算机视觉有什么本质区别？
渲染管线中，光栅化的作用是什么？它处于管线的哪个位置？
为什么说光栅化是「实时应用的金标准」？它与光线追踪的适用场景有何不同？
GAMES101 课程为什么选择「不教 API」？这种设计有什么好处？
如果一个应用需要同时使用光栅化和光线追踪，会是什么场景？
本文是 GAMES101 - 现代计算机图形学学习系列的第 1 篇笔记。