宾大计算机图形学介绍及计算机图形学的应用

2022-01-05 / Vivian Qiuyi老师 / 厚仁精英工作室

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CS的一大分支图形学，是非常有意思及应用广泛的。它主要通过电脑生成两部分，一部分是二维和三维的静态图片，第二部分是把图片放在一起形成电影。我们知道电影的本质就是一串图片，靠人眼视觉暂留的效应来实现一种运动的感觉。咱们今天解析一下计算机图形学的应用及宾夕法尼亚大学计算机图形学的申请分析。

图形学的核心知识

图形学的核心知识包括五部分：

第一部分是几何学。由于任何一个图形的本质都是几何，所以需要对平面，立体和解析几何这三方面都要掌握。

第二部分是光学。人眼之所以能看到物体，其本质原因是光线作用。光包括反射，折射和散射。另外，光由于波长不一样，颜色分布也不尽相同。只有通过对这些东西的认识，才能够实现靠电脑向用户呈现一个缤纷复杂的世界，所以光学是本质。

第三部分是物理学。由于很多图形学都会牵扯到物理模拟，比如固体的碰撞、流体流动、爆炸等都和物理相关，所以需要对物理学有深刻的认识。

第四部分是计算机算法。由于绝大部分的CG算法都非常昂贵，同时对实时运算要求很高，比如用户在打游戏时，游戏事先并不知道用户如何操作，所以它不可能事先生成电影，只能根据用户的输入实时进行渲染和计算，最终向用户呈现出动态的画面，要达到这个结果就非常要求算法的速度，所以一个设计者一定要对算法的研究很深刻，包括算法的空间复杂度和时间复杂度。

第五部分是硬件。很多时候我们需要充分利用硬件的一些特性使它的算法更高效，比如很多机器里有外置显卡，显卡里有一个GPU，如何利用GPU的一些特点和架构去加速运算也是CG的一个大方向，所以申请者最好要对硬件也有认识。

图形学的主要内容

图形学的主要内容包括对以下几方面，

第一个就是几何模拟。几何模拟是用数字网格离散技术建造复杂几何体，它和很多其它工程计算领域联系紧密。比如做机械或做流体的，很多时候也需要去做几何建模。换句话说，如果学生以前是学机械的，想要转CS，那么就可以充分利用这一点。

第二个内容是渲染。渲染就是将一个数字模型变成一张图片或一部电影。数字模型原本不被看见，你之所以能看到这个模型就是因为它通过渲染来呈现出图片。关于这方面就涉及光线的运用，包括反射，折射，色散，光源等; 还包括色彩理论和计算机显卡/显示器原理，以及人眼视觉生理学方面的知识。

第三个主要内容是物理模拟。很多时候需要模拟流体，包括弹性体、脆性物体（玻璃的破碎）以及流体。如果你以前是学EE或者ME的，都可以强调你对物理模拟有很深刻的认识，可以很自然地申请CG这个方向。

第四个主要内容是虚拟现实技术。关于这部分内容其实是人机交互和图形学两者之间紧密联系的部分。很多人机交互就是靠CG来实现，很多CG的应用领域之一就是虚拟现实与人机交互。

最后是Animation（动画），把静态图片变成动画其实是3D动画软件里的核心部分之一。很多软件如Maya或3DsMax，Animation都是核心部分。比如《泰坦尼克号》电影里的一些特技就是靠Maya来实现。

图形学的主要用途

CG的主要用途其实非常广：

第一，电影行业。比较知名的有Pixar公司，就是那个出品了电影《疯狂动物城》的公司，我有朋友在这个公司做CG。

第二，游戏行业。基本上现代所有游戏都需要实时或非实时3D动画技术，行业需求极大。

第三，广告行业。包括2D和3D广告，形式有海报，电视，网页等。

第四，软件用户图形界面，几乎所有软件都需要软件用户图形界面，所以各大IT公司都有相应的职位。

第五，计算机辅助设计CAD，计算机辅助加工CAM，3D打印等。CAD和CAM是当今整个电子设计，服装设计的核心部分，包括3D打印都需要CG技术。很多机械行业转CS的学生可以考虑这个切入点。

第六，需要数据可视化的行业。如今有很多行业数据很多，如何让操作者能够直观形象地认识到数据里的一些规律或特点，如何通过计算机向用户呈现非常好理解的画面，这就是CG的应用方向。包括包括科学计算，教育，气象，医疗如核磁共振和CT，生物，建筑设计等方向都需要可视化。

以上六个方面涵盖了整个CG的应用领域，就业面是很广的。

学校介绍

下面介绍一下宾夕法尼亚大学计算机图形学与游戏设计硕士专业，是这个领域的佼佼者。

宾夕法尼亚大学：宾夕法尼亚大学（university of pennsylvania ），简称宾大（upenn），位于宾夕法尼亚州最大城市费城，是一所全球顶尖的私立研究型大学，著名的八所常春藤盟校之一，北美顶尖大学学术联盟美国大学协会14所创始成员之一。宾大由本杰明·富兰克林创建于1740年，是美国第四古老的高等教育机构，也是美国第一所从事科学技术和人文教育的现代高等学校。

计算机图形学和游戏技术工程学硕士（cggt）项目，位于：宾大工程学院下的计算机与信息科学系（computer and information science–a department of the school of engineering and applied science。

开设这个专业的初衷：

交互式娱乐和计算机动画视觉效果现已成为我们主流文化的一部分。但是，创建这样的计算机生成的图像并不是一件容易的事。它需要由高技能专业人士组成的团队将艺术与科学完美地融合在一起，其中包括艺术家，动画师，作家，设计师，工程师和软件开发人员，他们使用尖端技术和工具长时间工作。目前，四年制研究型大学中很少有跨学科的学术课程，足以为学生准备此类职位。专门创建了计算机图形学和游戏技术工程学硕士（cggt）来满足这一需求。

cggt计划成立于2004年。该计划的目的是向应届毕业生以及从行业回归的个人介绍最新的图形和动画技术，以及交互式媒体设计原则，产品开发方法和工程企业家精神。cggt计划为学生准备了需要多学科技能的职位，例如设计师，技术动画师，技术总监和游戏程序员。cggt计划的学生使用可通过sig计算机图形学中心获得的设备和资源。在艺术和动画，创意设计，动画和模拟技术，人机界面和生产管理等核心领域提供专业化机会。

寻求入读该计划的学生被假定具有计算机科学或工程学士学位。希望获得非计算机科学和/或工程学本科背景的学生将需要至少两年的时间才能完成该计划。第一年将用于该部的计算机和信息技术硕士（mcit）计划；在mcit计划圆满完成后，学生可以继续攻读计算机图形学和游戏技术学位。这些学生总共学习了16门课程，将获得两个学位：计算机和信息技术硕士学位以及计算机图形和游戏技术科学与工程硕士学位。

cggt学位要求

课程要求：硕士学位要求包括在一年内完成9门课程和一个学期设计项目，总共10门课程。
核心领域

（1）创意艺术与设计（1门课程）
fnar 635：3d建模
（2-5）计算机科学，系统和技术（4门课程）
cis 560：计算机图形学
cis 562：计算机动画
cis 660：计算机图形和动画高级主题
基于数学的课程要求。推荐的课程包括：
cis 561：基于物理的渲染
cis 563：基于物理的动画
cis 581：计算机视觉
cis 580：机器感知
cis 519：机器学习简介
cis 520：机器学习
enm 503：概率与统计简介
（6）商业与创业（1门课程）
推荐的选择包括：
eas 545：工程创业i
ipd 515：产品设计
（7）图形选修课（1门课程）
图形或动画领域的研究生水平的技术或创意课程。需要cggt计划主管的批准。可以选择作为“图形选修课”的课程包括：
cis 565：gpu编程
cis 561：基于物理的渲染
cis 563：基于物理的动画
cis 770：与图形有关的特殊主题课程
fnar 661：视频1
fnar 567：计算机动画
fnar 665：电影制作
fnar 668：摄影
（8）技术选修课（1门课程）
宾夕法尼亚大学工程学的任何研究生课程。需要cggt计划主管的批准。推荐的选择包括：
cis 561：基于物理的渲染
cis 563：基于物理的动画
cis 770：与图形有关的特殊主题课程
cis 581：计算机视觉
cis 580：机器感知
cis 519：机器学习简介
cis 520：机器学习
ese 505：系统控制
ese 619：模型预测控制
cis 555：internet和web系统
cis 599：独立学习
cis 564：游戏设计和开发（仅在夏季学期提供）
（9）自由选修（1门课程）
大学中任何与图形，动画和/或游戏相关的研究生课程。需要cggt计划主管的批准。