计算机图形学

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计算机图形学(英语:computer graphics,缩写为CG)是研究计算机在硬件和软件的帮助下创建计算机图形的科学学科,是计算机科学的一个分支领域,主要关注数字合成与操作视觉的图形内容。虽然这个词通常被认为是指三维图形,事实上同时包括了二维图形以及视频处理。

概述

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。

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,必须创建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象的方式提供的,计算机图形学也就和图像处理有着密切的关系。

图形与图像两个概念间的区别越来越模糊,但还是有区别的:图像纯指计算机内以位图形式存在的灰度信息,而图形含有几何属性,或者说更强调场景的几何表示,是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成的。

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,以及计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。

计算机图形学的分支学科

这个科学广义的分支学科,可大致可分为几何、动画、视频拟真/渲染、视频、拓扑结构。

分类

这个科学广义的分支学科,可大致可分为以下几类

  • 几何:研究面的表示和处理的方法
  • 动画:研究移动的表示和操作方法
  • 视频拟真/渲染:研究模拟光线传递效果的算法
  • 视频:研究视频的获取或是编辑
  • 拓扑结构: 研究的空间和表面的结构。

几何

几何学的一个分支,研究将三维对象用离散数字表示。因为模型的外观很大程度上取决于它的外表面,所以边界表示法(BREP)是最常用的。对于大多数模型来说二维表面很好的表示方法,虽然他们可能是非流形。 多边形网格是最常见的表示形式,尽管基于点的表示方法最近开始变得受欢迎,这些表示方法被称作拉格朗日。另外,一些变形曲面可以进行许多拓扑变化 (如流体就是最显著的例子)。

动画

动画研究是曲面或其他的对象,随着时间的推移而移动或变形的一个分支。从历史上看,大部分在这一领域的工作,都专注于调节参数来使模型运动,但最近动力学模拟已成为更受欢迎更强大的方法。

子领域

  • 运动捕捉
  • 骨骼动画
  • 动力学模拟(例如流体动力学)

渲染

将模型通过渲染生成图像,渲染可能会模拟光线跟踪来创造真实的图像或者用它创建具有特殊艺术风格而非真实感绘制的图像。其中真实感绘制的两个基本运算是传递 (多少光线从一个地方到另一个地方) 和散射 (表面如何与光相互作用)。

其它分支学科

  • 实时渲染侧重于对于交互式应用程序的使用(如游戏、建模时的实时预览)。
  • 非真实感绘制
  • 光照

计算机图形

计算机图形在学术中的广义被用来描述为“在计算机里除了文字与声音以外的一切”。

二维计算机图形

二维计算机图形(二维 computer graphics),是产生基于计算机的数字图像(例如二维几何模型,文本,和数字图像)。二维计算机图形被利用在许多方面,例如字体、地图、工程制图、广告、等等。

二维计算机图形(2D Computer Graphics),也简称为二维 CG,是基于计算机的数字图像的产生—主要是从二维模型(例如二维几何模型,文本,和数字图像)产生,并且使用只适用这些模型的技术。该词也用于指代这些模型本身。用该技术的计算机科学的分支称为二维计算机图形学。

二维计算机图形主要用于本来采用传统印刷和绘制技术的那些应用场合,例如字体、地图、工程制图、广告、等等。在那些应用中,二维图像不仅仅是现实世界物体的一个表示,它本身是有附加含义的独立个体;因而二维模型在那些应用中更为实用,因为它们给出了比三维计算机图形更为直接的控制(三维图形更象摄影而非打印)。

在诸如桌面发布、工程、和商务这样的很多领域,基于二维计算机图形的文档的表述比相应的数字图像可能会小得多—经常只有1/1000 或者更小。该表示法也更灵活,因为它可以在不同的图像分辨率进行绘制以适应不同的输出设备。因而,文档和插图经常采用二维图形文件存储和传输。

二维计算机图形于1950年年开始,基于矢量图形设备。它们在接下来的数十年间被光栅设备大量替代。PostScript语言和X Window System协议是该领域里程碑式的发展。

三维计算机图形

三维计算机图形(三维 computer graphics)是计算机和特殊三维软件帮助下创造的作品。一般来讲,该术语可指代创造这些图形的过程,或者三维计算机图形技术的研究领域,及其相关技术。

三维计算机图形和二维计算机图形的不同之处在于计算机内存储存了几何数据的三维表示,用于计算和绘制最终的二维图像。

一般来讲,为三维计算机图形准备几何数据的三维建模的艺术和雕塑及照相类似,而二维计算机图形的艺术和绘画相似。但是,三维计算机图形依赖于很多二维计算机图形的相同算法。

计算机图形软件中,该区别有时很模糊:有些二维应用程序使用三维技术来达到特定效果,譬如灯光,而有些主要用于三维的应用程序采用二维的视觉技术。二维图形可以看作三维图形的子集。

计算机动画

计算机动画(computer animation),又称计算机绘图,是通过使用计算机制作动画的技术。它是计算机图形学和动画的子领域。近年动画师越来越多的借助于三维计算机图形学,纵使二维计算机图形学仍然被广泛使用着。有时动画最后播放的地方就是计算机本身,有时候则是另外的媒体,例如电影。

为了制造运动的视频,画面显示在计算机屏幕上,然后很快被一幅和前面的画面相似但移动了一些的新画面所代替。这个技术和电视和电影制造移动的假象的原理一样。

三维计算机动画本质上是定格动画(stop motion,或称静帧采集)的数字化后代;动画中的形象创建在计算机屏幕上并被装上了一个骨架。然后,三维形象的四肢,眼睛,嘴巴,衣服由动画制作者来操纵。最后,动画由计算机绘制出来。

参考文献

维基百科:计算机图形学二维计算机图形学三维计算机图形计算机动画