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GAMES101 — 现代计算机图形学入门

GAMES101 是由 UCSB 闫令琪老师主讲的计算机图形学入门课程，系统覆盖从光栅化到光线追踪的完整渲染管线。 课程以"一切从三角形出发"为理念，从数学基础到前沿技术，循序渐进地构建图形学知识体系。

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课程路线图

graph LR
    A[数学基础] --> B[变换与投影]
    B --> C[光栅化]
    C --> D[着色]
    D --> E[几何]
    E --> F[光线追踪]
    F --> G[材质与进阶渲染]
    G --> H[相机与颜色]
    H --> I[动画与模拟]

课程概述

本课程涵盖现代计算机图形学的核心内容，共 22 讲，主要分为以下几大模块：

  • 数学基础 — 线性代数回顾
  • 变换与投影 — 2D/3D 变换、MVP 流水线
  • 光栅化 — 三角形采样、抗锯齿、Z-Buffer
  • 着色 — Blinn-Phong 模型、纹理映射、图形管线
  • 几何 — 隐式/显式表示、曲线曲面、网格细分
  • 光线追踪 — Whitted-Style、加速结构、路径追踪
  • 材质与进阶渲染 — BRDF、光子映射、MLT
  • 相机与颜色 — 透镜模型、色彩空间
  • 动画与模拟 — 关键帧、质点弹簧、粒子系统

前置知识

学习本课程建议具备以下基础：

  • 线性代数 — 向量、矩阵运算、特征值等
  • 微积分 — 积分、偏微分
  • 基础编程 — C/C++ 基础，了解基本数据结构
  • 基础物理 — 光学基础（反射、折射）、力学基础

模块一 · 变换与投影

  • Lecture 1 — Overview

    计算机图形学概述：Modeling、Rendering、Simulation 三大方向总览

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  • Lecture 2 — Review of Linear Algebra

    线性代数基础回顾：向量、矩阵运算、叉积与点积

    前往

  • Lecture 3 — Transformation

    2D 变换：缩放、旋转、错切、齐次坐标

    前往

  • Lecture 4 — Transformation Continued

    3D 变换与视图变换：罗德里格斯公式、Look-At 矩阵

    前往

模块二 · 光栅化

  • Lecture 5 — Rasterization 1

    透视投影、MVP 流水线、视口变换、三角形光栅化与采样

    前往

  • Lecture 6 — Rasterization 2

    走样与抗锯齿：傅里叶变换、MSAA、Z-Buffer 深度缓冲

    前往

模块三 · 着色

  • Lecture 7 — Illumination, Shading and Graphics Pipeline

    着色基础与 Blinn-Phong 漫反射模型、图形渲染管线概述

    前往

  • Lecture 8 — Shading 2

    镜面反射与环境光、着色频率（Flat/Gouraud/Phong）、纹理映射入门

    前往

  • Lecture 9 — Shading 3

    重心坐标、纹理应用、双线性/三线性插值、Mipmap

    前往

模块四 · 几何

  • Lecture 10 — Geometry 1 (Introduction)

    几何表示基础：隐式与显式表示、CSG、距离函数

    前往

  • Lecture 11 — Geometry 2 (Curves and Surfaces)

    点云、多边形网格、贝塞尔曲线、B-Spline、曲面

    前往

  • :material-subdivide: Lecture 12 — Geometry 3

    网格细分：Loop Subdivision、Catmull-Clark Subdivision

    前往

模块五 · 光线追踪

  • Lecture 13 — Ray Tracing 1

    Whitted-Style 光线追踪：光线传播、反射折射、光线-物体求交

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  • Lecture 14 — Ray Tracing 2

    加速结构：AABB、均匀网格、KD-Tree、八叉树、辐射度量学

    前往

  • Lecture 15 — Ray Tracing 3

    光传输与全局光照：BRDF、渲染方程、概率论回顾

    前往

  • Lecture 16 — Ray Tracing 4

    蒙特卡洛积分与路径追踪（Path Tracing）

    前往

模块六 · 材质与进阶渲染

  • Lecture 17 — Materials and Appearances

    材质外观：BRDF 详解、漫反射、镜面反射、玻璃与金属材质

    前往

  • Lecture 18 — Advanced Topics in Rendering

    进阶光传输：双向路径追踪、Metropolis Light Transport、光子映射

    前往

模块七 · 相机与颜色

  • Lecture 19 — Cameras, Lenses, and Light Fields

    摄影与成像：针孔/透镜模型、FOV、曝光、光场

    前往

  • Lecture 20 — Color and Perception

    颜色科学：光谱、人眼感知、RGB/HSV/CIE XYZ/CMYK 色彩空间

    前往

模块八 · 动画与模拟

  • Lecture 21 — Animation

    动画基础：关键帧动画、插值、质点弹簧系统

    前往

  • :material-particle: Lecture 22 — Animation Continued

    粒子模拟：ODE 求解、Euler 方法、刚体与流体模拟简介

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