理學院

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學院概況

理學院設有數學系、物理學系、化學系、生命科學系、地球科學系、資訊工程學系6個系(均含學士、碩士及博士課程),及科學教育研究所、環境教育研究所、光電科技研究所及海洋環境科技就所4個獨立研究所,另設有生物多樣性國際研究生博士學位學程。全學院專任教師約180人,陣容十分堅強,無論師資、學術長現、社會貢獻與影響力均居全國之首。

特色

理學院位在國立臺灣師範大學分部校區內,座落於臺北市公館,佔地約10公頃,是個小而美的校園,內含國際會議廳、圖書館、實驗室、天文臺等完善設施。

理學院創院已逾六十年,在此堅固基礎上,理學院不僅在基礎科學上有豐碩的表現,更在臺灣許多研究中獨占鰲頭,曾孕育出五位中研院院士。近年來,更致力於跨領域研究,並在應用科技上加強與業界合作,院內教師每年均取得多項專利,所開發之商品廣泛應用於醫、藥、化妝品、食品加工業、農業、環保、資訊、教育產業及日常生活中。

在科學教育研究上,臺灣師大理學院之排名更高居世界第一,此外更有獨步全臺的科學教育中心,該中心就中學科學課程、科學教與學等方面從事研究與推廣服務;是全國人力最充足,設備最完善,具有良好服務品質的中心。

在理學院紮實、多元的研究基礎下,學生可依其性向、興趣做出寬廣之選擇,無論對其未來進入學術研究領域、教育界或工業界工作,均是絕佳選擇。

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    使用圖形處理器即時繪製環境遮蔽
    (2011) 顏家民; Jia-Min Yan
    在電腦圖學領域,全域照明是使用在3D場景中,增加更真實的光影畫面的一群演算法。其中環境遮蔽演算法近似現實世界中,計算光輻射的一種著色法,可以幫助在不會反射的模型上產生較為真實的光線遮蔽率,效果類似在陰天的場景中,呈現比較柔和的陰影。近年來被廣泛的使用在遊戲與美術領域上。 環境遮蔽最常見的計算方式是使用光線追蹤演算法來實現,但是計算時間相當耗時。2007年Crytek團隊研發SSAO(Screen-Space Ambient Occlusion)演算法使用在遊戲上,這是一種近似環境遮蔽的效果,透過GPU shader產生可接受且即時的畫面,不過品質與速度上仍可以繼續被廣泛研究的方向。 本論文主要討論諸多環境遮蔽演算法,做一份分析報告,從最原始的概念推廣至現代的近似作法。討論之間的品質、取樣方式與效能差異等等演算方式。實作上使用NVIDIA OptiX光線追蹤引擎實作了兩種程式,其一是accumulative ambient occlusion,其二是modern SSAO演算法,有別於deferred shading的做法。事實上,rasterized graphics確實會比光線追蹤法速度快上許多,但是光線追蹤法可呈現更真實的畫面。在未來的3D圖學,隨著計算量更強大的GPU演進,GPU-based光線追蹤將會被廣泛的使用。
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    使用OpenCL實現具備全域照明的互動式光跡追蹤
    (2012) 顏嘉緯
      光跡追蹤(ray tracing)運用於電腦圖學領域可以追溯到 1980 年代,然而,直到 GPU(graphics processing unit)的出現才讓光跡追蹤得以達到真正即時(real-time)的水準。   本論文嘗試利用開放計算語言(Open Computing Language),在 GPU 平台上實現一個具備互動(interactive)或即時、全域照明(global illumination)與跨平台(cross-platform)特性的光跡追蹤渲染系統(rendering system)。採用的資料結構與演算法取自目前現有的成果,包括學術論文、書籍中提出的方法以及各種可取得的資源;渲染的對象著重在靜態場景(static scene),並使用 kd-tree 加速結構;論文的內容則強調實作上的細節,包括主要光線(primary ray)與次要光線(secondary ray)的追蹤。   最後,將渲染系統加以延伸,使之能夠模擬全域照明的效果。此外,為了明瞭 OpenCL 跨平台的支援狀況,實際在各種平台 — CPU 與 GPU 上運行。
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    使用OpenCL實現多光源方法之全局照明的光跡追蹤
    (2014) 江庭瑋; Ting-Wei Chiang
    本論文之主要目的為在OpenCL平台上實現多光源方法。在圖學領域中,對於如何渲染出擬真畫面的議題一直都有產出相當數量的研究與論文,其中在針對照明方面,可以分成直接照明與全局照明,本研究中所使用的多光源方法即屬於後者,其為全局照明的計算提供了統一的數學框架,在生成虛擬點光源與計算顏色兩步驟皆有可被平行處理的特性,因而建立了我們在OpenCL平台上實行多光源方法的想法。選擇多光源方法除了因為其演算法方便使用者調整虛擬點光源的數量,以達到所需的圖像品質與效能,也因為此方法能適用於各種燈光、材質與複雜模型上,再加上時間成本的可預測性和可靠性,讓多光源方法已成為渲染大規模場景的選擇之一。 本研究針對多光源方法的兩個步驟做平行化,第一個步驟為生成虛擬點光源,即由光源朝向場景中任意方向發射粒子,並透過演算法決定是否在擊中點創建虛擬點光源;第二個步驟為計算顏色,即以像素為平行化單位,透過疊加每個虛擬點光源進行光跡追蹤所計算出的顏色,得到最後的渲染結果。 本研究所渲染的對象為靜態場景,利用OpenCL能夠在異質系統架構中平行且良好地運作的特性,在現今常用的裝置架構下實現多光源方法。我們將傳統多光源方法與光跡追蹤演算法進行改良,實作出具全局照明效果的OpenCL光跡追蹤器。
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    光線追蹤應用程式介面整合OpenGL程式設計
    (2016) 賴威豪; Lai, Wei-Hao
    光線追蹤(ray tracing)是電腦圖學中一種重要的rendering技術,藉由模擬運算光的折射、反射…等光學現象來產生高品質畫面,但需要大量的運算與時間來滿足,因此在以前的硬體設備上想要達成即時(real-time)的效果幾乎不可能辦到。現今的GPGPU硬體設計架構使得GPU可被用來做自定義的平行化計算,因此許多學者提出運用CUDA或OpenCL實作光線追蹤或路徑追蹤(path tracing)…等physically based rendering的方法,期望藉由GPU高效率的平行計算使光線追蹤的效能大幅度提升。然而以光線追蹤方法仍難以受到主流遊戲開發業者採用,因為市場上的產品大部分都以光柵化(rasterization) rendering的設計為主,不容易在短期內發生改變,因此本篇論文想介紹一套類似於OpenGL API的整合設計,而底層rendering置換為光線追蹤或路徑追蹤…等physically based rendering的方法,幫助開發者使用現有的OpenGL應用程式原始碼並透過少許的修改就能獲得光線追蹤相關演算法rendering的畫面以及其帶來的好處。
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    光線追蹤在OpenCL平台下使用堆疊在加速結構中效能之探討
    (2017) 鄒毓偉; ZOU, Yu-Wei
    光線追蹤是一種在計算機圖學中用於繪圖的演算法,藉由以物理的光學為基礎,模仿光的自然現象,能讓渲染出的場景更具真實性,然而,提升真實性的代價,就是必須大量運算光線追蹤演算法中的數學公式,使得光線追蹤演算法相較於其他演算法渲染速度來的慢,為了改善此缺點,使用開放式計算語言(OpenCL)來進行多核心的平行化運算,並且將場景物件資訊建構成Bounding volume hierarchy (BVH) tree的加速結構,藉由以上的加速方法,能夠縮短完成渲染工作的時間。 使用OpenCL API後,將光線追蹤演算法中龐大的計算量做平行處理,但實際應用後,可以發現OpenCL的內核(kernel)在撰寫時會有許多限制,尤其是函式無法遞迴呼叫和本研究最為相關,論文程式中,有使用到樹狀的加速結構, 所以要有tree traversal的方法,在OpenCL有自己實作的記憶體空間,為了模擬陣列而宣告的stack在kernel函式中,要宣告於何種記憶體空間裡,是程式設計師可以選擇的,本論文就是研究在各個種類的OpenCL記憶體中以及改變一些參數來實作stack時,來觀察以及探討效能的表現與變化。
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    利用線形地震陣列探討台灣花東縱谷之二維速度模型
    (2007) 歐仲隆
    台灣位處菲律賓海板塊與歐亞大陸板塊碰撞的交界帶上,受到板塊間相互擠壓作用之影響下,產生了許多複雜的構造,特別是處於板塊縫合帶之花東縱谷,其地下構造更為複雜,至今仍未非常清楚。本研究利用中央研究院地球科學研究所於2003年8月至2004年2月間,在花蓮光復地區佈置之臨時線形地震陣列,來探討花東縱谷之構造。首先,從紀錄到的波形資料中,尋找一些清楚的折射波相(Refraction phases),對這些波相的波傳走時以波線追跡正演(forward)的方式,建立出花蓮光復一帶可能的二維地下速度模型,並得到以下幾點結論: (1) 從波形的觀測上發現,在海岸山脈跟花東縱谷的交界處,似乎存在一個向東傾斜的界面,使得兩邊的到時斜率有很明顯的不連續存在。此一向東傾的傾斜面,可能延伸到台灣東部外海。 (2) 相較於鄰近區域,在花東縱谷下,有一約7公里深的低速帶存在,且此現象與地表地質狀態有相當的符合。 (3) 位於花東縱谷西側區域,是相對於花東縱谷的一個高速區,其分佈情形有可能是中央山脈東翼地質區的玉里帶所在區域。