计算机图形学（1）——概论

作者：Ascendashacker
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一、什么是计算机图形学？

• “图形”是人类最早的文明体现。它和文字、声音等一样，是承载信息进行交流的重要媒体。简单来说，计算机图形是计算机产生的图像。计算机图形学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。

• 在美国，图形学、数据库、人工智能、计算机网络是被计算机界公认最热门的几个专业之一。图形学是计算机领域中20多年来对人类生活影响最大的一个学科之一。计算机图形学在美国已经形成一个完整的产业链：科研，游戏，电影，娱乐，教育，艺术，工业界…

二、计算机图形学的发展历史

• 五十年代

  • 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）计算机的附件诞生。

  • 1958年，美国Calcomp公司由联机的数字记录仪发展成滚筒式绘图仪

  • 50年代末，MIT的林肯实验室在“旋风”计算机上发SAGE空中防御体系。

• 六十年代

  • 1963年，MIT林肯实验室的I.E.Suther land 发表了一篇题为《Sketchapad:”A Man Machine Graphical Communication System”》 “Sketchpad:一个人机交互通信的图形系统”的博士论文。

  • 这篇博士论文提出了图形学一些最基本的概念、原理和想法，第一次提出了graphics这个词。Suther land 被公认为开创交互式图形技术的奠基人，被称为“计算机图形学之父”。并于1988年获“图灵奖“。

  • 1962年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bezier 提出Bezier曲线、曲面的理论，而称为CAGD的先驱。

  • 1964年，MIT的教授Steven A. Coons 提出了超限插值的新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。

• 七十年代：

  • 光栅显示器出现了。光栅显示器屏幕是由像素组成的。在这样一个基本的前提下，就必须发展大量、配套的图形学算法来帮助在光栅显示器上显示、处理图形。在这个期间，很多大量的算法就诞生了。如区域填充、裁剪、消隐等基本图形概论、及其相应算法。

  • 图形软件标准化：大量图形系统出现以后，计算机本身也有配置问题。不同厂商生产的显卡要兼容，这就提出了图形标准化问题。

  • 70年代对图形学来说是个非常了不起的年代，大量的概念、算法出现了，真实感图形（像照片一样逼真的图形学）和几何造型技术这个时候也开始出现了。

  • 1975年，Phong提出了著名的简单光照模型-Phong模型（标志着真实感图形的出现和实用化，到现在为止，Phong模型还被大量的采用）

• 八十年代

  • Phong模型只能只能刻画物体表面的明暗，但不能模拟透明效果，比如玻璃杯、窗户做不出来。
    

  • 1980年Whitted提出了一个光透视模型-Whitted模型。第一次提出了光线跟踪算法的范例。光线跟踪是图形学当中最重要、最著名的算法之一。

  • 1984年，美国Cornell大学的Creenberg和日本广岛大学的Nishita分别将热辐射工程的辐射度方法引入到计算机图形学中，实现了另一种三维真实感图形绘制技术。

  • 和倾向于只在一个表面上模拟一次光的反射的直接光照算法（例如光线跟踪）不同，像辐射度算法这样的全局光照算法模拟光在一个场景里的多次反射，通常会导致更柔和更自然的影子和反射。
    

  • 几何造型技术：计算机及其图形工具表示描述物体形状，设计集合形体，模拟物体动态处理过程的综合技术。通俗讲，该技术就像小孩子搭积木，用简单的一些体素来构建复杂的模型。

• 九十年代

  • 80年代真实感图形基本成熟了。图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展。到了90年代，图像学就开始了大量的应用。

三、在计算机上生成图形的一般步骤

• 造型技术

  • 在计算机中建立所要生成图像的物体的模型，即给出表示该物体的几何数据和拓扑关系。

  • 比如教室里有椅子、桌子、墙等。这些模型可以用圆柱、平面等表示出来。（附图母校教室）

  

  • 需要用一些非规则的造型工具表示这些房、林、树、草等。所以造型是第一步。（附图鼓浪屿）
    

• 光照模型

  • 自然光现象是由一些物理学定律所决定的，而这些物理学定律又非常复杂。所以希望用一些简单的数学模型来近似、代替那些物理学的模型，为模拟物体表面的光照物理现象的数学模型叫光照模型。

• 绘制（渲染）技术

  • 第三步是选择适当的绘制算法来把这个场景画（渲染）出来。就是将模型真实性（或艺术性）显示在屏幕上。

  • 渲染 一幅三维物体图像所涉及的知识，实际上就是计算机图形中每个像素看上去应该是什么颜色的问题。这很大程度上取决于不同的光照模型。

  

  • 如何画（绘制）有许多方法，如光线跟踪、辐射度算法、纹理映射、阴影等。

  • 围绕着生成、表示物体图形的准确性->真实性->实时性，算法可大致分为以下几类：

    • 基本图形元素的生成算法
    • 图形的变换和裁剪
    • 自由曲线和曲面生成算法
    • 几何造型技术
    • 真实感图形的生成算法
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