计算机图形学

计算机学科分支

计算机图形学(Computer Graphics，简称CG)是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说，计算机图形学的主要研究内容就是研究如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。

历史发展

1963年1月，MIT林肯实验室24岁的萨瑟兰完成了关于人机通信的图形系统的博士论文。萨瑟兰引入了分层存储符号的数据结构，开发了交互技术，可以用键盘和光笔实现定位、选项和绘图，还提出了至今仍在沿用的许多图形学的其他基本思想和技术。

萨瑟兰的博士论文被认为既是计算机图形学的奠基，也是现代计算机辅助设计之肇始。

20世纪70年代，由于光栅显示器的诞生，光栅图形学算法迅速发展起来；基本图形操作和相应的算法纷纷出现，图形学进入了第一个兴盛时期。70年代，很多国家应用计算机图形学，开发CAD图形系统，并应用于设计、过程控制和管理、教育等方面。

80年代中期以来，大规模集成电路使计算机硬件性能提高，图形学得到飞速的发展。1980年，第一次给出了光线跟踪算法。真实感图形的算法逐渐成熟。

80一90年代，图形学更加广泛地应用于动画、科学计算可视化、CAD/CAM、虚拟现实等领域。这向计算机图形学提出了更高、更新的要求——真实性和实时性。

进入千禧年后，CGI 技术的发展仍然非常快，其中不乏图形处理单元的持续增长和日益成熟带来的推动力——到了此时，3D 图形 GPU、3D 渲染功能已成为台式计算机的标准配置。CGI 开始变得无处不在——CGI 电影激增，诸如冰河世纪和马达加斯加等传统动画动画片电影以及诸如《海底总动员》等众多皮克斯产品在该领域的票房中占据主导地位；在视频游戏中，索尼 PlayStation 2 和 3，Microsoft Xbox 系列游戏机以及 Nintendo 的产品（例如 GameCube）和 Windows PC 都吸引了大量的追随者，诸如超级侠盗猎车手，刺客信条，最终幻想，生化奇兵，王国之心，镜之边缘。CGI 在这两个领域的成功发展将计算机图形学的影响力传播到了主流领域，并逐渐引入其他领域，比如电视广告。

到了 2010 年后，CGI 在视频中几乎无处不在，预渲染的图形在科学上几乎是真实照片级的。这时期的工作主要集中在集成更复杂的多阶段的图像生成。纹理映射也已经发展为一个复杂的多阶段过程，使用着色器（shader）将纹理渲染、反射技术等多种算法集成到一个渲染引擎中的操作并不少见。

目标

计算机图形学的核心目标在于创建有效的视觉交流。在科学领域，图形学可以将科学成果通过可视化的方式展示给公众；在娱乐领域，如在PC游戏、手机游戏、3D电影与电影特效中，计算机图形学发挥着越来越重要的作用；在创意或艺术创作、商业广告、产品设计等行业，图形学也起着重要的基础作用。而在科学领域中，这一点是在1987年关于科学计算可视报告中才被重点提出。该报告引用了Richard Hamming在1962年的经典论断：“计算的目的是洞察事物的本质，而不是获得数字。”报告中提到了计算机图形学在帮助人脑从图形图像的角度理解事物本质的重要作用，因为图形图像比单纯数字具有更强的洞察力。

任务

计算机图形学核心目标(视觉交流)可以分解为三个基本任务：表示、交互、绘制，即如何在计算机中“交互”地“表示”、“绘制”出丰富多彩的主、客观世界。这里的“表示”是如何将主、客观世界放到计算机中去——二维、三维对象的表示与建模；而“绘制”是指如何将计算机中的对象用一种直观形象的图形图像方式表现出来——二维、三维对象的绘制：“交互”是指通过计算机输入、输出设备，以有效的方式实现“表示”与“绘制”的技术。其中，“表示”是计算机图形学的“数据层”，是物体或对象在计算机中的各种几何表示；“绘制”是计算机图形学的“视图层”，指将图形学的数据显示、展现出来。“表示”是建模、输入，“绘制”是显示、输出。“交互”是计算机图形学的“控制层”，它负责完成有效的对象输入与输出任务，解决与用户的交互问题。

内容

计算机图形学的主要研究对象是点、线、面、体、场的数学构造方法及其图形显示，及其随时间变化的情况。它需要研究以下几方面的内容。

(1)描述复杂物体图形的方法与数学算法。二三维景物的表示是计算机图形显示的前提和基础，包括曲线、曲面的造型技术，实体造型技术，以及纹理、云彩、波浪等自然景物的造型和模拟；三维场景的显示包括光栅图形生成算法、线框图形以及真实感图形的理论和算法。

(2)物体图形描述数据的输入。

(3)几何和图形数据的存储，包括数据压缩和解缩。

(4)物体图形数据的运算处理，包括基于图像和图形的混合绘制技术、自然景物仿真、图形用户接口、虚拟现实、动画技术和可视化技术等。

(5)物体图形数据的输出显示，包括图形硬件和图形交互技术等。

(6)实时动画和多媒体技术，研究实现高速动画的各种硬/软件方法、开发工具、动画语言以及多媒体技术。

(7)制定与图形应用软件有关的技术标准。

应用领域

随着计算机图形学不断发展，它的应用范围也日趋广泛。目前计算机图形学的主要应用领域如下。

1．计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)

这是计算机图形学最广泛、最重要的应用领域。它使工程设计的方法发生了巨大的改变，利用交互式计算机图形生成技术进行土建工程、机械结构和产品的设计正在迅速取代绘图板加工字尺的传统手工设计方法，担负起繁重的日常出图任务以及总体方案的优化和细节设计工作。事实上，一个复杂的大规模或超大规模集成电路板图根本不可能手工设计和绘制，用计算机图形系统不仅能设计和画图，而且可以在较短的时间内完成，将结果直接送至后续工艺进行加工处理。

2．计算机辅助教学(CAI)

在这个领域中，图形是一个重要的表达手段，它可以使教学过程形象、直观、生动，激发学生的学习兴趣，极大地提高了教学效果。随着微机的不断普及，计算机辅助教学系统已深入到家庭。

3．计算机动画

传统的动画片都是手工绘制的。由于动画放映一秒钟需要24幅画面，故手工绘制的工作量相当大。而通过计算机制作动画，只需生成几幅被称作“关键帧”的画面，然后由计算机对两幅关键帧进行插值生成若干“中间帧”，连续播放时两个关键帧被有机地结合起来。这样可以大大节省时间，提高动画制作的效率。

4．管理和办公自动化

计算机图形学在管理和办公自动化领域中应用最多的是绘制各种图形，如统计数据的二维和三维图形、饼图、折线图、直分图等，还可绘制工作进程图、生产调度图、库存图等。所有这些图形均以简明形式呈现出数据的模型和趋势，加快了决策的制定和执行。

5．国土信息和自然资源显示与绘制

国土信息和自然资源系统将过去分散的表册、照片、图纸等资料整理成统一的数据库，记录全国的大地和重力测量数据、高山和平原地形、河流和湖泊水系、道路桥梁、城镇乡村、农田林地植被、国界和地区界以及地名等。利用这些存储的信息不仅可以绘制平面地图，而且可以生成三维地形地貌图，为高层次的国土整治预测和决策、综合治理和资源开发研究提供科学依据。

6．科学计算可视化

在信息时代，大量数据需要处理。科学计算可视化是利用计算机图形学方法将科学计算的中间或最后结果以及通过测量得到的数据以图形形式直观地表示出来。科学计算可视化广泛应用于气象、地震、天体物理、分子生物学、医学等诸多领域。

7．计算机游戏

计算机游戏目前已成为促进计算机图形学研究特别是图形硬件发展的一大动力源泉。计算机图形学为计算机游戏开发提供了技术支持，如三维引擎的创建。建模和渲染这两大图形学主要问题在游戏开发中的地位十分重要。

8．虚拟现实

虚拟现实技术的应用非常广泛，可以应用于军事、医学、教育和娱乐等领域。虚拟现实是要使人们通过带上具有立体感觉的眼睛、头盔或数据手套，通过视觉、听觉、嗅觉、触觉以及形体或手势，整个融进计算机所创造的虚拟氛围中，从而取得身临其境的体验。例如走进分子结构的微观世界里猎奇，在新设计的建筑大厦图形里漫游等。这也成为近年计算机图形学的研究热点之一。

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