计算机图形学

求是1025 2023-04-12 发布于山东

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图形通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩等非几何属性组成。图形有位图、矢量图、网格和点云等多种表示方法，每种表示方法的表达能力不同，存储开销不同，计算和处理的方法也不同。图形可以在不同的表示方法之间进行转换，转换可能会造成信息损失。例如，将矢量图栅格化成位图后，精度会有一定的损失。

学科内容　

图形学的学科内容主要包括：几何造型与处理、真实感绘制、计算机动画、基于图形的图像处理等方面。①几何造型与处理。研究三维模型的表示、获取、建模和编辑处理等。三维模型可以采用离散模型表示（如三角面片、多边形等），也可采用连续模型（如曲面曲线）进行造型。三维模型可以从客观世界获取，例如，通过激光扫描仪等扫描设备获取并进行模型重建，或者通过立体视觉方法从多张二维图像中恢复，其模型也可以利用Maya等3D建模软件在计算机中直接构建三维模型，为满足用户的特定需要，可以对三维模型进行去噪、变形、拓扑修改和网格重剖等编辑处理。②真实感绘制。对几何造型获得的三维模型或场景进行渲染，在计算机中重现真实世界的光影效果。其主要过程是模拟真实物体的物理属性，包括物体的几何形状、光学性质、表面的纹理与光泽程度，以及物体间的相对位置、遮挡关系等，最终生成光照和阴暗效果。真实感绘制可以分为实时绘制和离线绘制。实时绘制侧重于绘制的速度，对绘制的最终效果要求相对较低，以满足交互式的体验，主要应用于3D游戏中；离线绘制侧重于绘制的最终效果，期望能生成尽可能逼真的场景，一般不要求实时计算，主要应用于电影工业中。③计算机动画。采用图形或图像处理技术，通过编程或动画制作软件生成一系列景物画面。这些画面连续播放时，视觉上就产生了整个场景连续成像的动画效果。计算机动画涵盖图像变形、形状混合、变形体动画、物理模拟、流体模拟和群体动画等。④基于图形的图像处理。利用计算机图形技术对图像、视频等可视媒体内容进行处理的技术，主要包括图像视频增强与修复、编辑、合成和风格化等。与真实感绘制、计算机动画技术相比，基于图形的图像处理技术的输出也是图像。基于图形的图像处理技术已广泛应用于影视、动漫和广告等产业。

发展历史

20世纪上半叶，电子工程和成像技术等学科的发展，为早期图形学的研发奠定了基础。20世纪50年代，图形学处于准备和酝酿时期，并被称为“被动式”图形学。1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院（MIT）旋风I号（Whirlwind I）大型计算机的外部设备诞生了，此显示器是一个类似于示波器的CRT显示器，可以显示简单的图形。1955年，MIT又开发了SAGE空中防御系统，其中的CRT显示器具有指挥和控制的功能。

1962年，MIT的I.E.萨瑟兰（Ivan E.Sutherland）在博士论文《E.Su：一个人机交互通信的图形系统》首次使用了“计算机图形学”这个术语，从而确定了图形学作为一个科学分支的独立地位。20世纪60年代，MIT的S.A.库恩斯（Steven A.Coons）教授提出了超限插值的曲面造型思想，法国工程师P.贝塞尔（Pierre Bézier）提出了贝塞尔曲线曲面理论，这是计算机辅助设计领域的开创性工作。

20世纪70年代，图形学迅速发展，重要的开创性工作有光栅图形学的区域填充、裁剪和消隐算法，以及真实感绘制中的Gourand明暗处理和Phong光照模型等。此外，图形标准问题也被提出。1974年，美国国家标准学会（ANSI）在ACM SIGGRAPH的工作会议上提出了制定有关标准的基本规则。此后，国际计算机学会（ACM）成立了图形标准化委员会，开始制定有关标准。

20世纪80年代，图形学的里程碑的工作完成：贝尔实验室的Turner Whitted提出光线跟踪算法、美国康奈尔大学的Donald P Greenberg和日本广岛大学的Tomoyuki Nishita分别独立提出辐射度算法，这标志着计算机图形绘制技术逐渐走向成熟。这一时期也代表了图形学的流行与商业化，以苹果公司Macintosh为代表的图形用户界面步入人们的视野，雅达利（Atari）、任天堂（Nintendo）等公司销售了百万级别的视频游戏主机系统。1988年，街机游戏中引入了第一个专用图形硬件Polygonizer系统，被认为是GPU的前身。

20世纪90年代，大量的三维模型建模系统涌现，同时计算机图形绘制的真实感取得巨大提升。1995年，皮克斯动画发布动画电影《玩具总动员》，展示了图形学在电影中的应用。90年代末期，现代计算机图形流水线DirectX和OpenGL接口开始被采用。2000年以来，从《海底总动员》、《冰河世纪》到《阿凡达》、《疯狂动物城》等诸多电影的制作水准不断提升。在电子游戏领域，索尼和微软等公司开发了很多不同款式的游戏机，由于引入了凹凸贴图、法向贴图和物理渲染（physically based rendering, PBR）等技术，实时绘制效果令人真假难辨，图形学的研究和应用已经达到了全新的高度。

应用领域与其他相关方向

视频游戏和实时模拟是计算机图形绘制技术最为直接的应用。20世纪70～90年代，早期的游戏主要采用文本或者二维矢量图形，图形逼真度有限。随着图形硬件GPU的飞速发展，游戏逐渐过渡到以3D游戏为主。一般来说，最新的实时计算机图形绘制技术首先在游戏中得到应用（如软阴影绘制技术、凹凸纹理技术等），游戏中的需求也会激励计算机图形绘制技术的发展。较为著名的游戏引擎包括：虚幻引擎（unreal engine）、Unity3D和Cry Engine等。

计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）是图形学在工业界和工程界中最广泛、最活跃的应用之一，是计算机技术与制造业之间的桥梁。运用计算机图形学可以进行土建工程、机械结构和工业产品的设计，包括设计飞机、汽车、船舶的外形，以及发电厂、化工厂等的管道、布局、电子线路、电子器件结构等。

影视是图形学的另一大应用领域。从20世纪90年代开始，各种好莱坞大片已经开始广泛使用计算机图形绘制技术生成特效效果和电影画面。1993年，电影《侏罗纪公园》中采用计算机图形绘制技术制作的恐龙片段获得了该年度奥斯卡最佳视觉效果奖；1998年电影《泰坦尼克号》中的许多场景，包括船的远景和船翻沉时乘客的落水镜头等，也采用计算机图形绘制技术制作。2010年的电影《阿凡达》取得了巨大成功，其中广泛使用了几何建模技术、绘制技术、虚拟拍摄技术和动作表情捕捉技术。

科学技术的迅猛发展产生了大量的数据。可视化是将各种类型的数据以图形的形式展现出来，帮助人们进行数据分析、理解和处理。可视化的基础是计算机图形绘制技术。可视化已广泛应用于医学、流体力学、有限元分析和气象分析中。特别在医学领域，可视化有着广阔的发展前景。同时，由于大数据领域的快速发展，可视分析和信息可视化已成为可视化的重要发展方向。

图形学还应用于艺术创作中。美术人员，尤其是商业艺术人员经常使用计算机软件从事艺术创作。例如，二维的绘画软件（如CorelDraw，Photoshop）、三维建模和渲染软件（如3ds MAX，Maya）以及专门生成动画的软件（如Alias，Softimage）等。计算机图形绘制技术给人们提供了很好的创作工具。此外，使用计算机算法生成传统艺术效果也是图形学的热点研究方向之一，这一方向称为非真实感绘制。

图形学同虚拟现实和增强现实也紧密相关。图形学偏重于软件层面的建模、绘制和动画技术，虚拟现实和增强现实更偏重于交互技术和硬件系统（如视觉、听觉、触觉或嗅觉的感知以及显示系统和设备）。