计算机图形学的综述

计算机图形学的综述

摘要：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。图形通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、线宽等非几何属性组成。从处理技术上来看，图形主要分为两类，一类是基于线条信息表示的，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等，另一类是明暗图，也就是通常所说的真实感图形。经过30多年的发展，计算机图形学已成为计算机科学中最为活跃的分支之一，并得到广泛的应用。其中，3D 计算机图形技术作为计算机图形学理论中近期最为火热的一项技术，在影视特效中的运用已经远远超越了“电脑特技”的概念。它不但可以使用虚拟技术模式现实场景，极大地减少拍摄成本，更重要的是它的表现力可以超越现实事物，甚至完美的刻画现实中无法达到的画面和效果。广大的艺术家和影视制作者可以利用此项技术充分的实现自己的想象力，同时满足大众视觉和心理的双重需求。本文将介绍计算机图形学的研究内容、发展历史，应用和图形学前沿的方向。

关键词：计算机图形学；3D计算机图形技术；计算机辅助制造；虚拟现实；用户界面。1.绪论

1.1 研究内容

如何在计算机中表示图形,以及如何利用计算机进行图形的生成、处理和显示的相关原理与算法，构成了计算机图形学的主要研究内容。从处理技术上来看，图形主要分为两类，一类是由线条组成的图形，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等，另一类是类似于照片的明暗图(Shading)，也就是通常所说的真实感图形。

可以说，计算机图形学的一个重要研究内容就是要利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形。计算机图形学与另一门学科－计算机辅助几何设计有着密切的关系。事实上，图形学也把可以表示几何场景的曲线曲面造型技术和实体造型技术作为其重要的研究内容。同时，真实感图形计算的结果是以数字图象的方式提供的，计算机图形学也就和图象处理有着密切的关系。图形与图象两个概念间的区别越来越模糊，但我们认为还是有区别的：图象纯指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息。

计算机图形学的研究内容非常广泛，如图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。作为一本面向计算机专业本科生和非计算机专

业研究生的图形学教材，本书着重讨论与光栅图形生成、曲线曲面造型和真实感图形生成相关的原理与算法。

1.2 主要组成

图形通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、线宽等非几何属性组成。从构成要素上看，图形主要分为两类，一类是几何要素在构图中具有突出作用的图形，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等，另一类非几何要素在构图中具有突出作用的图形，如明暗图、晕渲图、真实感图形等。

1.3 主要目的

计算机图形学一个主要的目的就是要利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形。为此，必须建立图形所描述的场景的几何表示，再用某种光照模型，计算在假想的光源、纹理、材质属性下的光照明效果。所以计算机图形学与另一门学科计算机辅助几何设计有着密切的关系。事实上，图形学也把可以表示几何场景的曲线曲面造型技术和实体造型技术作为其主要的研究内容。同时，真实感图形计算的结果是以数字图像的方式提供的，计算机图形学也就和图像处理有着密切的关系。

计算机图形学的研究内容非常广泛，如图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法、非真实感绘制，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。

1.4 3D计算机图形技术概述

1.4.1 何为计算机 3D 技术

3D 计算机图形就是利用计算机在平面里显示出三维图形，目的就是要满足人眼近大远小特性的需求，使图形具有更高的真实感和立体感。具体来说就是利用计算机将图形图像的色彩灰度等属性进行层次处理，使其凸出的部分亮度高，凹陷的部分亮度较低，并且制造相应的阴影。

虚拟三维技术是计算机图形学的一个分支理论，与计算机图形学一样，利用计算机的各种软件和程序来制作或者调整图像，从而满足人眼的各种立体需求。3D 计算机图形技术最开始是应用于机械制造业和军事领域，后来随着计算机的普及，计算机图形学理论的迅速发展以及3D 软件的不断开发和运用，其应用领域慢慢延伸到了影视、科研、航空等等，其中距离我们最近的，可以让我们感受到3D 计算机图形魅力的就是现今我们在影院可以看到的3D 影片。

1.4.2 3D 计算机技术运用在影视中的优点

首先，3D 计算机技术运用在电影制作中可以使电影能够通过一系列视觉效果使观众看到事物和现象，具有非常高的影视艺术价值。以电影《泰坦尼克号》为例，导演为了提高该部影视的3D 效果和影视艺术价值，要求其工作人员按照当时真实沉没的泰坦尼克号游轮创作了1：1 实物特技模型。3D 版的泰坦尼克号重拍投资 2 亿多美元，让我们重新体验了其完美的视觉效果，也成为了耗资最多的电影之一。超过18 亿美元的票房收入不仅仅是因为电影的剧情美轮美奂，更多的是影院中让我们瞠目结舌的一幕幕电影特效起到了推波助澜的作用。其次，由于计算机3D 虚拟技术可以创造出非常真实而且极具视觉冲击的效果，其真实度几乎可以和真正的现实相媲美，所以3D 计算机技术运用在影视中可以重现甚至扩展现实世界的各种事物。现如今电影中为了配合剧情需要，越来越多的要用到各种毁灭性或者易毁性的镜头，如果直接用实物来进行拍摄，成本和人员伤亡的可能性都硬件的正常工作状态，降低故障发生的可能性。在机房和计算机的环境维护上，要注意对温度和湿度的适当控制，减少环境因素对整体系统的影响。在人员进出上，要进行严格的审查和管理，避免无关人员进入导致对设备进行恶意和无意的操作，避免相关损失。

2.发展历程

1963年，伊凡·苏泽兰(Ivan Sutherland)在麻省理工学院发表了名为《画板》的博士论文，它标志着计算机图形学的正式诞生。至今已有四十多年的历史。此前的计算机主要是符号处理系统，自从有了计算机图形学，计算机可以部分地表现人的右脑功能了，所以计算机图形学的建立具有重要的意义。计算机图形学在如下几方面有了长足的进展。

2.1 智能CAD

CAD 的发展也显现出智能化的趋势，就大多数流行的CAD软件来看，主要功能是支持产品的后续阶段一一工程图的绘制和输出，产品设计功能相对薄弱，利用AutoCAD最常用的功能还是交互式绘图，如果要想进行产品设计，最基本的是要其中的AutoLisp语言编写程序，有时还要用其他高级语言协助编写，很不方便。而新一代的智能CAD 系统可以实现从概念设计到结构设计的全过程。例如，德国西门子公司开发的Sigraph Design软件可以实现如下功能：①从一开始就可以用计算机设计草图，不必耗时费力的输入精确的坐标点，能随心所欲的修改，一旦结构确定，给出正确的尺寸即得到满意的图纸；②这个软件中具有关系数据结构，当你改变图纸的局部，相关部分自动变化，在一个视图上的修改，其他视图自动修改，甚至改变一个零件图，相关的其它零件图以及装配图的相关部分自动修改：③在各个专业领域中，有一些常用件和标准件，因此，希望有一个参数化图库。而Sigraph