CG[計算機圖形學]:計算機圖形學(Computer Graphics) -百科知識中文網

簡介

計算機圖形學(ComputerGraphics，簡稱CG)的英文縮寫。CG是一種使用數學算法將二維或三維圖形轉化為計算機顯示器的柵格形式的科學。隨著以計算機為主要工具進行視覺設計和生產的一系列相關產業的形成,國際上習慣將利用計算機技術進行視覺設計和生產的領域通稱為CG。它既包括技術也包括藝術，幾乎囊括了當今電腦時代中所有的視覺藝術創作活動，如平面印刷品的設計、網頁設計、影視特效、多媒體技術、以計算機輔助設計為主的建築設計及工業造型設計等。

研究

計算機圖形學的一個重要研究內容就是要利用計算機產生令人賞心悅目的真實感圖形。為此，必須建立圖形所描述的場景的幾何表示，再用某種光照模型，計算在假想的光源、紋理、材質屬性下的光照明效果。所以計算機圖形學與另一門學科－計算機輔助幾何設計有著密切的關係。事實上，圖形學也把可以表示幾何場景的曲線曲面造型技術和實體造型技術作為其重要的研究內容。同時，真實感圖形計算的結果是以數字圖象的方式提供的，計算機圖形學也就和圖象處理有著密切的關係。圖形與圖象兩個概念間的區別越來越模糊，但我們認為還是有區別的：圖象純指計算機內以點陣圖(Bitmap)形式存在的灰度信息，而圖形含有幾何屬性，或者說更強調場景的幾何表示，是由場景的幾何模型和景物的物理屬性共同組成的。

計算機圖形學的研究內容非常廣泛，如圖形硬體、圖形標準、圖形互動技術、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實體造型、真實感圖形計算與顯示算法，以及科學計算可視化、計算機動畫、自然景物仿真、虛擬現實等。作為一本面向計算機專業本科生和非計算機專業研究生的圖形學教材，本書著重討論與光柵圖形生成、曲線曲面造型和真實感圖形生成相關的原理與算法。

發展歷史

1950年，第一台圖形顯示器作為美國麻省理工學院（MIT）鏇風I號（Whirlwind I）計算機的附屬檔案誕生了。該顯示器用一個類似於示波器的陰極射線管（CRT）來顯示一些簡單的圖形。1958年美國Calcomp公司由在線上的數字記錄儀發展成滾筒式繪圖儀，GerBer公司把數控工具機發展成為平板式繪圖儀。在整個50年代，只有電子管計算機，用機器語言編程，主要套用於科學計算，為這些計算機配置的圖形設備僅具有輸出功能。計算機圖形學處於準備和醞釀時期，並稱之為：“被動式”圖形學。

1962年，MIT林肯實驗室的Ivan E.Sutherland 發表了一篇題為“Sketchpad：一個人機互動通信的圖形系統”的博士論文，他在論文中首次使用了計算機圖形學“Computer Graphics”這個術語，證明了互動計算機圖形學是一個可行的、有用的研究領域，從而確定了計算機圖形學作為一個嶄新的科學分支的獨立地位。

70年代是計算機圖形學發展過程中一個重要的歷史時期。由於光柵顯示器的產生，在60年代就已萌芽的光柵圖形學算法，迅速發展起來，區域填充、裁剪、消隱等基本圖形概念、及其相應算法紛紛誕生，圖形學進入了第一個興盛的時期，並開始出現實用的CAD圖形系統。又因為通用、與設備無關的圖形軟體的發展，圖形軟體功能的標準化問題被提了出來。

1980年Whitted提出了一個光透視模型-Whitted模型，並第一次給出光線跟蹤算法的範例，實現Whitted模型；1984年，美國Cornell大學和日本廣島大學的學者分別將熱輻射工程中的輻射度方法引入到計算機圖形學中，用輻射度方法成功地模擬了理想漫反射表面間的多重漫反射效果；光線跟蹤算法和輻射度算法的提出，標誌著真實感圖形的顯示算法已逐漸成熟。從80年代中期以來，超大規模積體電路的發展，為圖形學的飛速發展奠定了物質基礎。計算機的運算能力的提高，圖形處理速度的加快，使得圖形學的各個研究方向得到充分發展，圖形學已廣泛套用於動畫、科學計算可視化、CAD/CAM、影視娛樂等各個領域。

ACM SIGGRAPH會議是計算機圖形學最權威的國際會議，每年在美國召開，參加會議的人在50,000人左右。世界上沒有第二個領域每年召開如此規模巨大的專業會議，SIGGRAPH會議很大程度上促進了圖形學的發展。SIGGRAPH會議是由Brown大學教授Andries van Dam (Andy) 和IBM公司Sam matsa在60年代中期發起的，全稱是“the Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques”。

分支學科

幾何：研究面的表示和處理的方法

動畫：研究移動的表示和操作方法

圖像擬真/渲染：研究模擬光線傳遞效果的算法

圖像：研究圖像的獲取或是編輯

拓撲結構：研究的空間和表面的結構。

學科概述

在學科開創之初，計算機圖形學要解決的是如何在計算機中表示三維幾何圖形,以及如何利用計算機進行圖形的生成、處理和顯示的相關原理與算法，產生令人賞心悅目的真實感圖像。這是狹義的計算機圖形學的範疇。隨著近40年的發展，計算機圖形學的內容已經遠遠不止這些了。廣義的計算機圖形學的研究內容非常廣泛，如圖形硬體、圖形標準、圖形互動技術、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實體造型、真實感圖形計算與顯示算法，以及科學計算可視化、計算機動畫、自然景物仿真、虛擬現實等。

建模

三維模型建模方法是計算機圖形學的重要基礎，是生成精美的三維場景和逼真動態效果的前提。然而，傳統的三維模型方法，由於其主要思想方法來源於CAD中基於參數式調整的形狀構造方法，建模效率低而學習門檻高，不易於普及和讓非專業用戶使用。而隨著計算機圖形技術的普及和發展，各類用戶都提出了高效的三維建模需求，因此研究和諧自然的三維建模方法是發展的一個重要趨勢。

採用合適的互動手段，來進行三維模型的快速構造，特別是套用於概念設計和建築設計領域已引起了國際同行的廣泛關注。由於筆式或草圖互動方式，非常符合人類原有日常生活中的思考習慣，是研究的重點問題。其難點是根據具體的套用領域，與視覺方法相融合，如何設計合理的互動語彙以及對應的過程式“識別-構造”方法。

與此相關的一個問題是基於規則的過程式建模方法。由於GoogleEarth等數字地圖信息系統的廣泛套用，對於地圖之上的建築物信息等存在迫切需求。為此，研究者希望通過雷射掃描或者視頻等獲取方式獲得相關信息後能迅速地重建出相關三維模型信息。然而單純的重建方式存在精度低、穩定性差和運算量大等不足，遠未能滿足實際的需求。因此，最近的研究中，傾向於採用基於規則的過程式建模方法相結合來嘗試高效地構造出三維建築模型，以及相關的樹木等結構化場景。

三維建模方法中的另一主要問題是研究合適的曲面表達方法，以適於各類圖形學的套用。在CAD的主流方法是採用NURBS（非均勻有理B-樣條）方法，然而此類方法無法很好解決非正規情況下的曲面拼合，不甚適合於圖形學。為此，細分曲面方法，作為一種離散疊代的曲面構造方法，由於其構造過程樸素簡單以及實現容易，是一個方興未艾的研究熱點，而且極有可能逐步取代NURBS方法。主要需要解決的問題有：奇異點處的C連續性的有效構造方法；與GPU圖形硬體相結合的曲面處理方法。

圖形渲染

圖形渲染是整個圖形學發展的核心。在計算機輔助設計，影視動漫以及各類可視化套用中都對圖形渲染結果的高真實感提出了很高的要求。同時，由於顯示設備的快速發展，人們要求能提供高清解析度（1920x1080），進一步要能達到數字電影所能播放的4K解析度(4096x2060)；色彩的動態範圍也希望從原來每個通道的8Bit提高到10bit及以上。雖然已有的圖形學方法已經能較為真實地再現各類視覺效果，然而為了能提供高解析度高動態的渲染效果，必須消耗非常可觀的計算能力。一幀精美的高清解析度圖像，單機渲染往往需要耗費數小時至數十小時。為此，傳統方法主要採用分散式系統，將渲染任務分配到集群渲染節點中。即使這樣，也需要使用上千台計算機，耗費數月時間才能完成一部標準90分鐘長度的影片渲染。
基於GPU的圖形硬體技術得以發展迅速，已經能在一個GPU晶片上採用64nm工藝集成上千個採用SIMD（單指令多數據流）架構的通用計算核心。而2009年底，主流圖形硬體商nVidia和AMD以及Intel還會推出基於MIMD（多指令多數據流）計算核心的GPU晶片用於圖形加速繪製，以支持DirectX11以及OpenGL3.0圖形標準。最新的圖形學研究，採用GPU技術可以充分利用計算指令和數據的並行性，已可在單個工作站上實現百倍於基於CPU方法的渲染速度。

動畫

計算機動畫技術的發展是和許多其它學科的發展密切相關的。計算機圖形學、計算機繪畫、計算機音樂、計算機輔助設計、電影技術、電視技術、計算機軟體和硬體技術等眾多學科的最新成果都對計算機動畫技術的研究和發展起著十分重要的推動作用50年代到60年代之間，大部分的計算機繪畫藝術作品都是在印表機和繪圖儀上產生的。一直到60年代後期，才出現利用計算機顯示點陣的特性，通過精心地設計圖案來進行計算機藝術創造的活動。

70年代開始，計算機藝術走向繁榮和成熟。1973年，在東京索尼公司舉辦了“首屆國際計算機藝術展覽會”80年代至今，計算機藝術的發展速度遠遠超出了人們的想像在代表計算機圖形研究最高水平的歷屆SIGGRAPH年會上，精彩的計算機藝術作品層出不窮。另外，在此期間的奧斯卡獎的獲獎名單中，採用計算機特技製作電影頻頻上榜，大有捨我其誰的感覺。在中國，首屆計算機藝術研討會和作品展示活動於1995年在北京舉行它總結了計算機藝術在中國的發展，對未來的工作起到了重要的推動作用。

人機互動

是指人與計算機之間以一定的互動方式或互動界面，來完成確定任務的人與計算機之間的信息交換過程。簡單來講，就是人如何通過一定的互動方式告訴計算機來完成他所希望完成的任務。

計算機圖形學的頂級會議ACMSIGGRAPH是“ACMSpecialInterestGrouponGRAPHicsandInteractiveTechniques”的縮寫，縮寫中只包含了Graphics，而忽略了InteractiveTechniques，在長時間沒有得到計算機圖形學研究的重視。最近，包括在SIGGRAPH會議上，以及人機互動的頂級會議SIGCHI上，陸續出現了許多新興的人機互動技術及研究論文。大家逐漸重視起來。

上個世紀60-70年代，只有以鍵盤輸入的字元界面；到了80年代，以WIMP(視窗、圖符、選單、滑鼠)為基礎的圖形用戶界面(GUI)逐漸成為當今計算機用戶界面的主流。

近年來，以用戶為中心的系統設計思想，增進人機互動的自然性，提高人機互動的效率是用戶界面的主要研究方向。陸續提出了多通道用戶界面的思想，它包括語言、姿勢輸入、頭部跟蹤、視覺跟蹤、立體顯示、三維互動技術、感覺反饋及自然語言界面等。

事實上，人體的表面本身就是人機界面。人體的任何部分（姿勢，手勢，語言，眼睛，肌肉電波，腦波等）都可以成為人機對話的通道。比如2010年微軟出的Kinect就是一種無需任何操縱桿的基於體感的人機界面，用戶本身就是控制器。Kinect在微軟的Xbox遊戲上取得了極大的成功，之後在其他方面也得到了很多的套用。

虛擬現實

虛擬現實(VirtualReality)-是由美國噴氣推動實驗室(VPL)的創始人拉尼爾(JaronLanier)首先提出的在克魯格(MyrenKruege)70年代中早期實驗裡．被稱為人工現實”(Artificialreality)；而在吉布森(WilliamGibson)l984年出版的科幻小說Neuremanccr里，又被稱為“可控空間”(Cyberspaee)。虛擬現實，也育人稱之為虛擬環境(VirtualEnvironment)是美國國家航空和航天局及軍事部門為模擬而開發的一門高新技術它利用計算機圖形產生器，位置跟蹤器，多功能感測器和控制器等有效地模擬實際場景和情形，從而能夠使觀察者產生一種真實的身臨其境的感覺虛擬環境由硬體和軟體組成，硬體部分主要包括：感測器(Sensors)、印象器(Efeeter)和連線侍感器與印象器產生模擬物理環境的特殊硬體。利用虛擬現實技術產生虛擬現實環境的軟體需完成以下三個功能：建立作用器(Actors)以及物體的外形和動力學模型：建立物體之間以及周圍環境之間接照牛頓運動定律所決定的相互作用；描述周圍環境的內容特性

虛擬現實，是指由計算機實時生成一個虛擬的三維空間。這個空間可以是小到分子、原子的微觀世界，或是大到天體的巨觀世界，也可以是類似於真實社會的生活空間。它可以亂真，所以又稱之為虛擬現實。用戶可以在這個三維空間中“自由”地走動，隨意地觀察，並可通過一些設備與其中的虛擬景物進行互動操作。互動是多通道的，自然的，用以傳遞信息的可以是一個手勢、一個眼神，也可以是一個表情等。在此環境中，用戶看到的是由計算機生成的逼真圖像，聽到的是虛擬環境中的聲音，身體感受到的是虛擬環境所反饋的作用力，由此產生身臨其境的感覺。
虛擬現實技術主要研究用計算機模擬（構造）三維圖形空間，並使用戶能夠自然地與該空間進行互動。它涉及很多科學的知識，對三維圖形處理技術的要求特別高。簡單的虛擬現實系統早在70年代便被套用于軍事領域，訓練駕駛員。80年代後隨著計算機軟硬體技術的提高，它也得到重視並迅速發展。它已在航空航天、醫學、教育、藝術、建築等領域得到初步的套用。例如，1997年7月，美國航天局的旅居者號火星車著陸距地球約1.9億公里的火星。這輛在火星表面緩慢爬行的小車中並沒有駕駛員，它是由地球上的工程師通過虛擬現實系統操縱的。

學科發展史

1963年，伊凡·蘇澤蘭(IvanSutherland)在麻省理工學院發表了名為《畫板》的博士論文，它標誌著計算機圖形學的正式誕生。至今已有四十多年的歷史。此前的計算機主要是符號處理系統，自從有了計算機圖形學，計算機可以部分地表現人的右腦功能了，所以計算機圖形學的建立具有重要的意義。

智慧型CAD

CAD的發展也顯現出智慧型化的趨勢，就目前流行的大多數CAD軟體來看，主要功能是支持產品的後續階段一一工程圖的繪製和輸出，產品設計功能相對薄弱，利用AutoCAD最常用的功能還是互動式繪圖，如果要想進行產品設計，最基本的是要其中的AutoLisp語言編寫程式，有時還要用其他高級語言協助編寫，很不方便。而新一代的智慧型CAD系統可以實現從概念設計到結構設計的全過程。

多年來，CAD中普遍採用的圖形輸入方法是圖形數位化儀互動輸入和滑鼠加鍵盤的互動輸入方法．很難適應工程界大量圖紙輸入的迫切需要。因此，基於光電掃瞄器的圖紙自動輸入方法已成為國內外CAD工作者的努力探索的新課題。但由於工程圖的智慧型識別涉及到計算機的硬體、計算機圖形學、模式識別及人工智慧等高新技術內容，使得研究工作的難點較大。工程圖的自動輸入與智慧型識別是兩個密不可分的過程，用掃瞄器將手繪圖紙輸入到計算機後，形成的是點陣圖象。

計算機美術

1952年，美國的Ben．Laposke用模擬計算機做的波型圖《電子抽象畫》預示著電腦美術的開始(比計算機圖形學的正式確立還要早)。計算機美術的發展可分為三個階段：

早期探索階段(19521968年)主創人員大部分為科學家和工程師，作品以平面幾何圖形為主。1963年美國《計算機與自動化》雜誌開始舉辦年度“計算機美術比賽”。

代表作品：1960年WiuiamFerrter為波音公司製作的人體工程學實驗動態模擬．模擬飛行員在飛機中各種情況；1963年KennethKnowIton的印表機作品《裸體》。1967年日本GTG小組的《回到方塊》。

中期套用階段(1968年～1983年)以1968年倫敦第一次世界計算機美術大展一“控制論珍寶(CybernehicSerendipity1為標誌，進入世界性研究與套用階段；計算機與計算機圖形技術逐步成熟，一些大學開始設定相關課題，出現了一些CAD套用系統和成果，三維造型系統產生並逐漸完善。

代表作品：1983年美國IBM研究所RicherdVoss設計出分形山。

套用與普及階段(1984年～現在)以微機和工作站為平台的個人計算機圖形系統逐漸走向成熟，大批商業性美術(設計)軟體面市；以蘋果公司的MAC機和圖形化系統軟體為代表的桌面創意系統被廣泛接受，CAD成為美術設計領域的重要組成部分。

代表作品：1990年JefreyShaw的互動圖形作品“易讀的城市”。

計算機設計

包括三個方面：環境設計(建築、汽車)、視覺傳達設計(包裝)、產品設計。

CAD對藝術的介入，分三個套用層次：

(1)計算機圖形作為系統設計手段的一種強化和替代；效果是這個層次的核心(高精度、高速度、高存儲)。
(2)計算機圖形作為新的表現形式和新的形象資源。
(3)計算機圖形作為一種設計方法和觀念。

動畫藝術

70年代開始．計算機藝術走向繁榮和成熟1973年，在東京索尼公司舉辦了“首屆國際計算機藝術展覽會”80年代至今，計算機藝術的發展速度遠遠超出了人們的想像在代表計算機圖形研究最高水平的歷屆SIGGRAPH年會上，精彩的計算機藝術作品層出不窮。另外，在此期間的奧斯卡獎的獲獎名單中，採用計算機特技製作電影頻頻上榜，大有捨我其誰的感覺。在中國，首屆計算機藝術研討會和作品展示活動於1995年在北京舉行它總結了近年來計算機藝術在中國的發展，對未來的工作起到了重要的推動作用。

計算機可視化

科學計算的可視化是已開發國家八十年代後期提出並發展起來的一門新興技術，它將科學計算過程中及計算結果的數據轉換為幾何圖形及圖象信息在螢幕上顯示出來並進行互動處理，成為發現和理解科學計算過程中各種現象的有力工具。

1987年2月英國國家科學基金會在華盛頓召開了有關科學計算可視化的首次會議。會議一致認為“將圖形和圖象技術套用於科學計算是一個全新的領域”科學家們不僅需要分析由計算機得出的計算數據，而且需要了解在計算機過程中數據的變化。會議將這一技術定名為“科學計算可視化(VisualizationinScientificComputing)”。科學計算可視化將圖形生成技術圖象理解技術結合在一起，它即可理解送入計算機的圖象數據．也可以從複雜的多維數據中產生圖形。它涉及到下列相互獨立的幾個領域：計算機圖形學、圖象處理、計算機視覺、計算機輔助設計及互動技術等。科學計算可視按其實現的功能來分，可以分為三個檔次：(1)結果數據的後處理；(2)結果數據的實時跟蹤處理及顯示；(3)結果數據的實時顯示及互動處理。

國外科學計算可視化現狀：

(1)分散式虛擬風洞，這是美國國家宇航局(Ames)研究中心的研究項目，包括連線到一台超能計算機上的兩個虛擬螢幕。這一共享的分散式虛擬環境用來實現三維不穩定流場。兩個人協同工作，可在一個環境中從不同視點和觀察方向同一流場數據。

(2)PHTHFINDER，這是美國國家超級計算機套用中心(NCSA)的研究項目．是在互動分布環境下研究大氣流體的軟體。PHTHFINDER通過多個相聯繫的模型來研究暴風雨。

(3)狗心臟CT數據的動態顯示，這也是NCSA的研究項目，它利用遠程的並行計算資源．用體繪製技術實現CT掃描三維數據場動態顯示。其具體內容是顯示一個狗的心臟跳動周期的動態圖像。

(4)燃燒過程動態模型的可視化，這是美國西北大學的研究項目．可以顯示發生在非燒熱的氣體燃燒中複雜的空問瞬態圖象。火焰位於兩個同心圓柱之間．可燃混合氣體從內圓柱注入，燃燒所生成的物質通過外圓柱送出。

(5)胚胎的可視化，依利諾大學芝加哥分校研製了一個在工作站和超級計算機上實現的可視億套用軟體。其內容是對一個七周的人類胚胎實現互動的三維顯示，是由衛生和醫學國家博物館所得到的數據重構而成的。這一項目表示了對人類形態數據實現遠程訪問和在網路資源中實現分布計算的可能性。最近美國還將做整個人體的可視化，他們將兩個自願者(一男一女)做成了切片，男的被切了1780片，厚度約1毫米，女的被切了5400片，厚度約O．3毫米，數據量很大。

多通道用戶界面

用戶界面是計算機系統中人與計算機之間相互通訊的重要組成部分。八十年代以WIMP(視窗、圖符、選單、滑鼠)為基礎的圖形用戶界面(GUD極大地改善了計算機的可用性、可學性和有效性，迅速代替了命令行為代表的字元界面，成為當今計算機用戶界面的主流。以用戶為中心的系統設計思想．增進人機互動的自然性，提高人機互動的效率和頻寬是用戶界面的研究方向。於是提出了多通道用戶界面的思想，它包括語言、姿勢輸入、頭部跟蹤、視覺跟蹤、立體顯示、三維互動技術、感覺反饋及自然語言界面等。可以這樣說人體的表面就是人機界面。人體的任何部分都應成為人機對話的通道。虛擬現實顯示是關鍵所在，這不僅要求軟體來實現，更主要的是硬體上的實現。

設備

高質量的計算機圖形離不開高性能的計算機圖形硬體設備。一個圖形系統通常由圖形處理器，圖形輸出設備和輸入設備構成：

圖形輸出設備

包括圖形的顯示和圖形的繪製，圖形顯示指的是在螢幕上輸出圖形，圖形繪製通常指把圖形畫在紙上，也稱硬拷貝，印表機和繪圖儀是兩種最常用的硬拷貝設備。

圖形處理器

光柵顯示系統離不開圖形處理器，圖形處理器是圖形系統結構的重要元件，是連線計算機和顯示終端的紐帶。應該說有顯示系統就有圖形處理器（俗稱顯示卡），但是早期的顯示卡只包含簡單的存儲器和幀緩衝區，他們實際上只起了一個圖形的存儲和傳遞作用，一切操作都必須有CPU來控制。這對於文本和一些簡單的圖形來說是足夠的，但是當要處理複雜場景特別是一些真實感的三維場景，單靠這種系統是無法完成任務的。所以以後發展的圖形處理器都有圖形處理的功能。它不單單存儲圖形，而且能完成大部分圖形函式，這樣就大大減輕了CPU的負擔，提高了顯示能力和顯示速度。隨著電子技術的發展，顯示卡技術含量越來越高，功能越來越強，許多專業的圖形卡已經具有很強的3D處理能力，而且這些3D圖形卡也漸漸地走向個人計算機。一些專業顯示卡具有的電晶體數甚至比同時代的CPU的電晶體數還多。比如2000年加拿大ATI公司推出的RADEON顯示卡晶片含有3千萬顆電晶體，達到每秒15億個像素填寫率。顯示卡的主要配件有顯示主晶片、顯示快取（簡稱顯存）、數字模擬轉換器（RAMDAC）。

圖形輸入設備

最常用的圖形輸入設備就是基本的計算機輸入設備——鍵盤和滑鼠。此外還有跟蹤球、空間球、數據手套、光筆、觸控螢幕等輸入設備。

套用

包括二維、三維的，靜止畫、動畫（movie），從自由創作、服裝設計、工業設計、電視廣告（CM）到網頁設計，可謂包羅萬象。其中最常被提起的就是動畫、遊戲、漫畫，三者經常被並列稱為ACG。

卡通動畫

很多技術不僅用在動畫製作上，還用在電視、電影的製作上。這些技術包括卡通渲染動畫（cel-Shading/ToonShadingAnimation）動作捕捉（motioncapture），藍屏（bluescreen），非真實渲染（non-photorealisticrendering），骨骼動畫（skeletalanimation），目標變形動畫（morphtargetanimation），模擬（simulation、模擬風，雨，雷，電等）使用點陣圖或矢量平面圖形。網際網路上主流的格式是點陣圖GIF與矢量Flash。通常而言，將計算機動畫或者圖片作為宣傳手段或者展示手段，一般稱為CG。隨著以計算機為主要工具進行視覺設計和生產的一系列相關產業的形成，國際上習慣將利用計算機技術進行視覺設計和生產的領域通稱為CG。它既包括技術也包括藝術，幾乎囊括了當今電腦時代中所有的視覺藝術創作活動，如三維動畫、影視特效、平面設計、網頁設計、多媒體技術、印前設計、建築設計、工業造型設計等。

從手塚治虫的鐵臂阿童木起，日本的動畫就廣為世界所熟悉，在電腦普及之前，靠手工繪製的動畫已經成了日本的朝陽產業。但在人工費等成本不斷上漲中，如果沒有導入電腦就很難想像動畫產業今天的規模。動畫大師宮崎駿的新作品一再創造了票房的新記錄。日本雖有東映那樣的製作‘影院動畫’的大公司，但大部分的作品還是出自小公司，小公司在很多製作方面又要委託零細的加工專業和個人製作者。整個產業的從業員約有3.4千人，每星期在日本的電視上放映的動畫連續劇有30多本，加上映象產品，定製作品等，他們的產量每個月差不多達到200本，儘管有部分在海外加工，但日本動畫業在簡陋的條件下（相對與其他製造業生產而言）達到的質量與產量是驚人的。沒有CG，動畫的大量生產是難以想像的。

遊戲軟體

電子遊戲開始於美國，日本的軟體使之風靡世界。1993年任天堂公司推出了8比特的專用遊戲機，到1996年達到了64比特。但硬體的性能再好，沒有有趣的軟體也是徒然。遊戲公司憑藉日本動畫，漫畫的文化積累，充分運用CG，一舉形成了世界注目的遊戲產業。在不到20年的時間裡，發展到數十兆日圓的規模。任天堂（Nintendo），Sega，索尼（Sony）等國際知名的企業成了電子遊戲的代名詞。

漫畫

在導入CG前，漫畫在日本已經是一個成熟的文化產業，是深受男女老少喜愛的大眾文化。有幼兒漫畫、少男漫畫、小女漫畫、青年漫畫、女性漫畫、成人漫畫等等，有覆蓋各個年齡層次的內容與風格。隨著讀者的年齡增大，老年漫畫也開始出現。雖然漫畫家們主要還是採用手繪，然後用掃瞄器進行數位化，便貼紙等很多技法採用了photoshop之類的軟體。年輕一代越來越習慣於用數碼輸入板和illustrator painer一類的軟體直接創作，或者用數位相機的素材加工成漫畫。

計算機動畫

是藉助計算機來製作動畫的技術。計算機動畫也有非常多的形式，但大致可以分為二維動畫和三維動畫兩種。

二維動畫也稱為2D動畫。藉助計算機2D點陣圖或者是矢量圖形來創建修改或者編輯動畫。現在的2D動畫在前期上往往仍然使用手繪然後掃描至計算機或者是用數寫板直接繪製作在計算機上，然後在計算機上對作品進行上色的工作。而特效，音響音樂效果，渲染等後期製作則幾乎完全使用計算機來完成。一些可以製作二維動畫的軟體有包括Flash,AfterEffects,Premiere等，三維動畫也稱為3D動畫。基於3D計算機圖形來表現。有別於二維動畫，三維動畫提供三維數字空間利用數字模型來製作動畫。給予動畫者更大的創作空間。精度的模型，和照片質量的渲染使動畫的各方面水平都有了新的提高，也使其被大量的用於現代電影之中。3D動畫幾乎完全依賴於計算機製作，在製作時，大量的圖形計算機工作會因為計算機性能的不同而不同。3D動畫可以通過計算機渲染來實現各種不同的最終影像效果。包括逼真的圖片效果，以及2D動畫的手繪效果。

電影特技

我國的計算機動畫技術起步較晚。1990年的第11屆亞洲運動會上，首次採用了計算機三維動畫技術來製作有關的電視節目片頭。從那時起，計算機動畫技術在國內影視製作方面得到了訊速的發展，繼而以3DStudio為代表的三維動畫微機軟什和以Photostyler、Photoshop等為代表的微機二維平面設計軟體的普及，對我國計算機動畫技術的套用起到了推波助讕的作用。

計算機動畫的套用領域十分寬廣除了用來製作影視作品外，在科學研究、視覺模擬、電子遊戲、工業設計、教學訓練、寫真仿真、過程控制、平面繪畫、建築設計等許多方面都有重要套用，如軍事戰術模擬。

趨勢

計算機圖形學狹義上是一種研究基於物理定律、經驗方法以及認知原理，使用各種數學算法處理二維或三維圖形數據，生成可視數據表現的科學。它是計算機科學的一個分支領域與套用方向，主要關注數字合成與操作視覺的圖形內容。廣義上來看，計算機圖形學不僅包含了從三維圖形建模、繪製到動畫的過程，同時也包括了對二維矢量圖形以及圖像視頻融合處理的研究。計算機圖形學經過將近40年的發展，已進入了較為成熟的發展期。目前，其主要套用領域包括計算機輔助設計與加工，影視動漫，軍事仿真，醫學圖像處理，氣象、地質、財經和電磁等的科學可視化等。由於計算機圖形學在這些領域的成功運用，特別是在迅猛發展的動漫產業中，帶來了可觀的經濟效益。動漫產業是目前各國優先發展的綠色產業，具有高科技、高投入與高產出等特點。

從計算機圖形學目前學科發展來看，有以下幾個發展趨勢：

1、與圖形硬體的發展緊密結合，突破實時高真實感、高解析度渲染的技術難點。

近10年來，基於GPU的圖形硬體技術得以發展迅速，已經能在一個GPU晶片上採用64nm工藝集成上千個採用SIMD（單指令多數據流）架構的通用計算核心。而2009年底，主流圖形硬體商nVidia和AMD以及Intel還會推出基於MIMD（多指令多數據流）計算核心的GPU晶片用於圖形加速繪製，以支持DirectX11以及OpenGL3.0圖形標準。最新的圖形學研究，採用GPU技術可以充分利用計算指令和數據的並行性，已可在單個工作站上實現百倍於基於CPU方法的渲染速度。

然而已知的實現方法，其實現效果還較為初步，無法實現複雜的視覺特效，離實時的高真實感渲染還有很大差距。

2、研究和諧自然的三維模型建模方法。三維建模方法中一主要問題是研究合適的曲面表達方法，以適於各類圖形學的套用。在CAD的主流方法是採用NURBS（非均勻有理B-樣條）方法，然而此類方法無法很好解決非正規情況下的曲面拼合，不甚適合於圖形學。為此，細分曲面方法，作為一種離散疊代的曲面構造方法，由於其構造過程樸素簡單以及實現容易，是一個方興未艾的研究熱點，而且極有可能逐步取代NURBS方法。目前主要需要解決的問題有：（i）奇異點處的C連續性的有效構造方法；(ii)與GPU圖形硬體相結合的曲面處理方法。

3、利用日益增長的計算性能，實現具有高度物理真實的動態仿真。

高度物理真實感的動態模擬，包括對各種形變、水、氣、雲、煙霧、燃燒、爆炸、撕裂、老化等物理現象的真實模擬，是計算機圖形學一直試圖達到的目標。這一技術是各類動態仿真套用的核心技術，可以極大地提高虛擬現實系統的沉浸感。然而高度物理真實性模擬，主要受限於目前計算機的處理能力和存儲容量限制，不能處理很高精度的模擬，也無法做到很高的回響速度。所幸的是，GPU技術帶來了革新這一技術的可能。充分利用GPU硬體內部的並行性，研究者開始普遍關注基於GPU的各類數學物理方程求解極其相關的有限元加速計算方法。就目前而言，主要研究關注焦點還是單個物理方法的GPU實現。然而，最近隨著nVidia推出了基於GPU的PhysX通用物理加速技術，以及Havok公司與AMD合作開發了通用物理中間件技術，相信未來可為高度物理真實的動態模擬提供新的研究機遇。

4、研究多種高精度數據獲取與處理技術，增強圖形技術的表現。

真實感的畫面與逼真動態效果，一種有效的解決途徑是採用各種高精度手段獲取所需的幾何、紋理以及動態信息。為此，研究者正在考慮對各個尺度上的信息進行獲取。小到物體表面的微結構、紋理屬性和反射屬性通過研製特殊裝置予以捕獲與處理，或採用一組同攝像機來獲取演員的幾何形體與動態，大到採用雷射掃描獲取整幢建築物的三維數據。這裡主要研究的三個問題是：（a）圖形獲取設備的設計與實現，這是與計算機視覺、硬體、軟體相關的系統工程研究問題；（b）由於一般獲取的數據均極為龐大且附加了各種噪聲與冗餘信息，如何進行處理與壓縮以適合於圖形學套用是主要問題；（c）一旦獲取相關的數據，如何進行重用是一個主要課題，因此使得基於數據驅動的方法，與機器學習相交叉的圖形學方法是最近的研究熱點。

5、計算機圖形學與圖像視頻處理技術的結合。

數字相機和攝像機的日益普及，對於數字圖像與視頻數據處理成為了計算機研究中的熱點問題。而計算機圖形學技術，恰可以與這些圖像處理，視覺方法相交叉融合，來直接地生成風格化的畫面，實現基於圖像三維建模，以及直接基於視頻和圖像數據來生成動畫序列。當計算機圖形學正向地圖像生成方法和計算機視覺中逆向地從圖像中恢復各種信息方法相結合，可以帶來無可限量的想像空間，構造出很多視覺特效來，最終用於增強現實、數字地圖、虛擬博物館展示等多種套用中去。

6、從追求絕對的真實感向追求與強調圖形的表意性轉變。

計算機圖形學在追求真實感方向的研究發展已進入一個發展的平台期，基本上各種真實感特效在不計較計算代價的前提下均能較好得以重現。然而，人們創造和生成圖片的終極目的不僅僅是展現真實的世界，更重要的是表達所需要傳達的信息。例如，在一個所需要描繪的場景中每個對象和元素都有其相關需要傳達的信息，可根據重要度不同可採用不同的繪製策略來進行分層渲染再加以融合，最終合成具有一定表意性的圖像。為此，研究者已經開始研究如何與圖像處理、人工智慧、心理認知等領域相結合，探索合適表意性圖形生成方法。而這一技術趨勢的興起，實際上延續了已有的非真實感繪製研究中的若干進展，必將在未來有更多的發展。

領域專家

JacquesBertin
StuartCard
ThomasA.DeFanti
麥可·弗蘭德利
NigelHolmes
AlanMacEachren
JockD.Mackinlay
MichaelMaltz
BruceH.McCormick
CharlesJosephMinard
OttoNeurath
WilliamPlayfair
CliffordA.Pickover
ArthurH.Robinson
LawrenceJ.Rosenblum
AdolpheQuetelet
GeorgeG.Robertson
BenShneiderman
EdwardTufte

CG[計算機圖形學]

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