计算机图形学基础（1）绪论

前言：

一、计算机图形学

1、什么是计算机图形学？

计算机图形学是一门研究如何利用计算机研究图形的生成、处理和显示的学科。简单来说，它的核心任务是用像素讲故事，将存储在计算机中的数学模型或数据，转换成人类视觉能够理解的、逼真或具有艺术感的图像、视频或动画。

2、为什么研究图形学？

研究计算机图形学的核心价值在于搭建数字世界与视觉交互的桥梁，它将抽象数据转化为人类可直观感知的图形 / 图像，同时赋能计算机模拟、生成和处理视觉信息，是连接技术、产业与人类需求的关键学科，下面是常见的一些应用场景：

• 动画：从《玩具总动员》到《阿凡达》，整个现代特效和三维动画产业都由计算机图形学驱动，创造了全新的艺术形式和视觉奇观。
• 游戏：游戏是图形学技术最前沿的试验场，对实时渲染、物理模拟的极致追求，不断推动着技术边界。
• 计算机仿真：用于飞行模拟器、汽车驾驶模拟、外科手术训练等高风险或高成本的领域，提供了一个安全、可重复的训练环境。
• CAD/CAM/CAE： 工程师、建筑师和设计师可以在计算机上设计从微芯片到飞机、摩天大楼的一切，并进行模拟测试（如应力分析、空气动力学），极大缩短研发周期，降低成本。
• 可视化：将复杂抽象的数据（气候模型、金融走势、病毒传播）转化为直观的图形，帮助人们一眼洞察规律，做出决策。

3、图形学研究方向

计算机图形学的研究方向围绕数字图形的建模、绘制、动态呈现及人机交互 等核心目标展开，同时不断与其他学科交叉拓展，形成了多个明确且实用的研究领域，以下是主流方向的详细介绍：

• 几何建模：这是计算机图形学的基础方向，核心是研究如何在计算机中精准描述和构建二维、三维物体的几何形态。常见研究内容包括贝塞尔曲线、B 样条、NURBS 等曲线曲面造型技术，适合工业 CAD 等高精度建模场景。
• 真实感与实时渲染：该方向聚焦于将计算机中的几何模型转化为视觉上逼真或符合场景需求的图像，是影视、游戏等领域的核心支撑。一方面，真实感渲染研究光线与物体的相互作用，比如光线追踪算法模拟光线传播路径生成逼真光影，全局光照模型还原环境光的反射折射效果等；另一方面，实时渲染则追求高效绘制，适配游戏、VR 等实时交互场景，研究基于 GPU 的并行渲染技术、纹理合成、阴影快速生成等，在保证视觉效果的同时降低计算延迟。
• 计算机动画与物理模拟：此方向旨在让静态图形产生动态效果，兼具艺术性和技术性。传统研究包括关键帧动画技术，通过设置关键画面自动生成中间过渡帧；进阶方向有基于物理的动画，比如模拟刚体碰撞、流体（水、烟雾）、柔体（布料、头发）的运动状态，其本质是通过求解偏微分方程还原物理规律。
• 科学计算与信息可视化：该方向专注于将抽象的科学数据或复杂信息转化为直观图形，帮助用户快速理解和分析数据。科学计算可视化针对气象数据、流体力学仿真结果、医疗 CT/MRI 影像等，通过体绘制、等值面提取等技术呈现不可直接观测的现象；信息可视化则侧重处理非几何数据，比如社交网络关系图、金融数据趋势图等，通过合理的图形布局和色彩设计，清晰展现数据间的关联和规律，广泛应用于科研分析、商业决策等领域。
• 人机交互与图形接口：研究人与计算机图形系统的高效信息交互方式，核心是降低用户操控数字图形的门槛。研究内容涵盖体感交互、手势交互、草图交互建模等新型交互技术；同时也包括图形用户界面的设计优化、图形输入输出设备的适配等，比如如何让用户通过简单草图快速生成三维模型，或是让设备精准识别用户对虚拟图形的操控指令。
• 交叉领域拓展方向：随着技术发展，计算机图形学不断与其他学科融合，衍生出多个热门交叉研究方向。例如与图像处理结合的计算摄影学，研究 HDR 图像合成、美颜滤镜等技术；与虚拟现实、增强现实结合，研究虚实融合渲染、空间定位可视化等底层技术，保障沉浸感体验；此外还与计算机视觉交叉，实现图形生成与图像内容理解的双向赋能，比如从图像中提取信息用于优化图形建模。

4、图形与图像

这是两个基础且容易混淆的概念，区别如下：

特征	图形	图像
本质	基于数学公式（点、线、面、曲线方程）描述的几何对象	由像素（Pixel）阵列组成的二维点阵，每个像素存储颜色信息
构成	由数学公式定义的基本图元（点、线、面、曲线、曲面）	由大量像素组成，每个像素有独立的颜色值
存储格式	.svg, .eps, .ai, .dwg	.jpg, .png, .bmp, .gif
放大效果	无限放大不失真，因为数学公式可以重新计算	放大后会模糊、出现马赛克，因为像素点被强行拉大
文件大小	通常较小，与复杂度有关，与最终显示尺寸无关	通常较大，与分辨率（像素数量）和色彩深度直接相关
编辑特性	可以方便地修改单个对象（如移动、旋转、缩放线条），面向对象	只能修改像素块或区域，无法直接分离图中的对象，面向像素
主要应用	计算机辅助设计、工程制图、矢量插图、字体（如TrueType）、3D建模	数码照片、网页图片、扫描件、真实世界的记录

5、图形学与CAD