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1.？？？ 計算機圖形學(xué)概述

計算機圖形學(xué)（Computer Graphics，CG），也常簡稱為圖形學(xué)或計算機圖形，是研究圖形輸入和輸出、圖形模型構(gòu)造和表示、圖形數(shù)據(jù)庫管理、圖形數(shù)據(jù)通信、圖形操作、圖形數(shù)據(jù)分析，以及如何以圖形信息為媒介實現(xiàn)人機交互作用的方法、技術(shù)和應(yīng)用的一門學(xué)科，是一種使用數(shù)學(xué)算法將二維或三維圖形轉(zhuǎn)化為計算機顯示器的柵格形式的科學(xué)。計算機圖形學(xué)主要研究如何在計算機上表示圖形、以及利用計算機進行圖形的計算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法。它包括圖形硬件、圖形算法、圖形軟件和圖形應(yīng)用等多方面的內(nèi)容。
圖形通常由點、線、面、體等幾何屬性和灰度、色彩、線型、線寬等非幾何屬性組成。從處理技術(shù)上來看，圖形主要分為兩類，一類是基于線條信息表示的圖形，如工程圖、等高線圖、曲面線框圖等；另一類是明暗圖，也就是通常所說的真實感圖形。計算機圖形學(xué)主要目的是利用計算機產(chǎn)生令人賞心悅目的真實感圖形。為此，必須建立圖形所描述場景的幾何表示，再用某種光照模型，計算在假想的光源、紋理、材質(zhì)屬性下的光照明效果。同時，真實感圖形計算的結(jié)果是以數(shù)字圖像的方式提供的，計算機圖形學(xué)也就和圖像處理有著密切的關(guān)系。
目前，計算機圖形學(xué)的應(yīng)用已深入到真實感圖形、科學(xué)計算可視化、虛擬環(huán)境、多媒體技術(shù)、計算機動畫、計算機輔助工程制圖等多個領(lǐng)域。計算機圖形學(xué)發(fā)展迅速，現(xiàn)仍處在快速向前發(fā)展的趨勢中，并且已經(jīng)成為一門獨立的學(xué)科，傲立在計算機科學(xué)的前端，有著廣泛的發(fā)展前景。

2.？？ 計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容

計算機圖形學(xué)，是一種研究基于物理定律、經(jīng)驗方法以及認(rèn)知原理，使用各種數(shù)學(xué)算法處理二維或三維圖形數(shù)據(jù)，生成可視數(shù)據(jù)表現(xiàn)的科學(xué)。它是計算機科學(xué)的一個分支領(lǐng)域與應(yīng)用方向，主要關(guān)注數(shù)字合成與操作視覺的圖形內(nèi)容。
計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容非常廣泛，如圖形硬件、圖形標(biāo)準(zhǔn)、圖形交互技術(shù)、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、非真實感繪制，以及科學(xué)計算可視化、計算機動畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實、圖形軟件等。
計算機圖形學(xué)是研究計算機表示、生成、處理和顯示圖形的原理、算法、方法和技術(shù)的一門學(xué)科。它的研究分為兩個方向，一方面是研究幾何作圖，如平面線條作圖和三維立體建模等；另一方向是研究圖形表面渲染效果，主要包括表面色調(diào)、光照、陰影和紋理等表面屬性的研究。

3.？ 二維計算機圖形學(xué)

二維計算機圖形（2D Computer Graphics），也簡稱為二維 CG，是基于計算機的數(shù)字圖像的產(chǎn)生------主要是從二維模型產(chǎn)生（例如二維幾何模型，文本，和數(shù)字圖像），并且使用只適用這些模型的技術(shù)，采用該技術(shù)的計算機科學(xué)的分支稱為二維計算機圖形學(xué)。
二維計算機圖形主要用于本來采用傳統(tǒng)印刷和繪制技術(shù)的那些應(yīng)用場合，如字體、地圖、工程制圖、廣告等。在這些應(yīng)用中，二維圖像不僅僅是現(xiàn)實世界物體的一個表示，它本身是有附加含義的獨立個體；因而二維模型在這些應(yīng)用中更為實用，因為它們給出了比三維計算機圖形更為直接的控制。
在諸如桌面發(fā)布、工程、商務(wù)很多應(yīng)用領(lǐng)域里，基于二維計算機圖形的文檔的表述比相應(yīng)的數(shù)字圖像可能會小得多，經(jīng)常只有1/1000 或者更小。這種表示法也更靈活，因為它可以在不同的圖像分辨率進行繪制以適應(yīng)不同的輸出設(shè)備。因而，文檔和插圖經(jīng)常采用二維圖形文件存儲和傳輸。
二維計算機圖形學(xué)含如下幾方面的內(nèi)容：
二維圖形技術(shù)？？ 二維圖形模型可以是如下這些的組合：幾何模型（也稱為矢量圖形），數(shù)字圖像（也稱為光柵圖形），需要排版的文本（由內(nèi)容、字體和大小、顏色和方向定義），數(shù)學(xué)函數(shù)和方程，等等。這些組件可以通過象平移、旋轉(zhuǎn)、縮放這樣的二維幾何變換來修改和操作。
直接繪制？？？ 創(chuàng)建一個復(fù)雜圖像的一個簡易辦法是從一塊空白畫布開始背景色的光柵圖，然后通過正確的次序“畫”，“漆”或者“貼”上簡單的色塊。特別，畫布可以是計算機顯示器的幀緩存。
有些程序會直接設(shè)置像素色彩值，但多數(shù)會依賴一些二維圖形庫以及（或者）機器的圖形卡，它們通常會實現(xiàn)下列操作：將一個給定的數(shù)字圖像以一個給定的偏移貼到畫布上；在給定的位置和角度將一個字符串以給定的字體寫成幀緩存；繪制一個簡單的幾何形體，例如用三個定點定義三角形，或者給定圓心和半徑的圓；繪制一條線段、圓弧、或者用給定粗細(xì)的虛擬筆繪制簡單曲線。
擴充色彩模型 ？？？文本、形狀和線條使用用戶指定的色彩繪制。很多庫和卡提供色彩梯度，它對于產(chǎn)生平滑變化的背景、陰影效果等等都很實用。用給定色彩繪制一個像素通常會取代其原先的色彩。但是，很多系統(tǒng)支持用透明和透過色彩繪制，它只會修改原先的像素值。
兩個色彩也可以用更花哨的方法組合，被稱為反色或者色彩翻轉(zhuǎn)，并經(jīng)常在圖形用戶界面中采用，用于高亮顯示、釘釘板以及其它臨時繪制——因為再次以同樣的色彩繪制相同的圖形會恢復(fù)原始的像素值。
分層模型？？？ 在分層模型中，目標(biāo)圖像通過“繪制”或者“粘貼”每個層次到虛擬畫布上產(chǎn)生，次序是按深度遞減。概念上，每一層首先獨自繪制，產(chǎn)生所需分辨率的數(shù)字圖像，然后在畫布上一個像素一個像素地描繪。當(dāng)然，層次全透明的部分無須繪制。繪制和描繪可以并行進行，也就是說，每個層次的像素在繪制進程中一產(chǎn)生就可以描繪到畫布上。
包含復(fù)雜幾何體的層次（如文本或者多邊形）可以分解為更簡單的元素（分別是字符或者線段），然后作為分離的層次以某種次序繪制。但是，這個辦法可能在兩個元素重疊在同一個像素時產(chǎn)生不良的走樣這樣的人工因素。
二維圖形硬件？？？ 現(xiàn)代計算機圖形卡幾乎全部采用光柵技術(shù)顯示，把整個屏幕分成像素的矩形點陣，這是因為基于光柵的圖形硬件和矢量圖形硬件相比要低價。多數(shù)圖形硬件對于位圖傳送操作和精靈繪制有內(nèi)部支持。專門用于位圖傳送的協(xié)處理器稱為傳送器芯片。
二維圖形軟件？？？ 很多圖形用戶界面（GUI），包括微軟視窗，或者X視窗系統(tǒng)，主要基于二維圖形概念。這些軟件提供了和計算機交互的視覺環(huán)境，并且常常包括某種形式的視窗管理器來幫助用戶從概念上區(qū)分不同的應(yīng)用程序。單個軟件應(yīng)用程序的典型用戶界面也是本質(zhì)上二維的，部分因為最普通的輸入設(shè)備（例如鼠標(biāo)）被限制于做二維的運動。
二維圖形在打印機、繪圖儀、線切割機等等外圍設(shè)備的控制中都很重要。它們也用于早期的視頻游戲和計算機游戲中，并依然在棋牌類游戲中使用，例如接龍、象棋、麻將等等。
二維圖形器或者說繪圖程序是應(yīng)用程序級的軟件，用于圖像、流程圖、插圖等的創(chuàng)建，它采用二維圖形體素的直接操縱實現(xiàn)（通過鼠標(biāo)，繪圖版，或者類似的設(shè)備）。這些軟件一般提供二維幾何體素以及數(shù)字圖像，有些甚至支持過程化模型。插圖通常內(nèi)部表示為分層模型，經(jīng)常會有一個等級結(jié)構(gòu)以方便這些軟件通常輸出圖形文件，其中層和體素分別以其原始形式保存。
圖像器是專用于數(shù)字圖像的操作的，主要通過自由手繪和信號處理操作。他們主要采用直接繪制的范型，其中用戶控制虛擬筆、刷、以及其他自由手動藝術(shù)設(shè)備來將色彩繪于虛擬畫布上。有些圖像器支持多層模型；但是，為了支持圖像模糊這樣的信號處理操作，每個層通常表示為一個數(shù)字圖像。所以，任何軟件提供的幾何體素直接被轉(zhuǎn)換成像素并描到畫布上。這類軟件也包括很多專門化的圖像器——如用于醫(yī)藥、遙感、數(shù)字?jǐn)z影等。

4.？？ 三維計算機圖形

[caption id="attachment_1261" align="aligncenter" width="250"] 簡單三維圖形繪制[/caption]
三維計算機圖形（3D Computer Graphics）是計算機和特殊三維軟件幫助下創(chuàng)造的作品，也可指創(chuàng)造這些圖形的過程，或者三維計算機圖形技術(shù)的研究領(lǐng)域及其相關(guān)技術(shù)。
三維計算機圖形和二維計算機圖形的不同之處在于計算機內(nèi)存儲了幾何數(shù)據(jù)的三維表示，用于計算和繪制最終的三維圖像。一般來講，為三維計算機圖形準(zhǔn)備的幾何數(shù)據(jù)與三維建模的藝術(shù)和雕塑及照相類似，而二維計算機圖形的藝術(shù)和繪畫相似。但是，三維計算機圖形依賴于很多二維計算機圖形的相同算法。
計算機圖形軟件中，該區(qū)別有時很模糊；有些二維應(yīng)用程序使用三維技術(shù)來達到特定效果，譬如燈光，而有些主要用于三維的應(yīng)用程序采用二維的視覺技術(shù)。二維圖形可以看作三維圖形的子集。
創(chuàng)建三維計算機圖形的過程可以順序分為三個基本階段：建模，場景布局和繪制。
建模：建模階段可以描述為“確定后面場景所要使用對象的形狀”的過程。有很多建模技術(shù)，包括：構(gòu)造實體幾何，NURBS建模，多邊形建模，細(xì)分曲面，隱函數(shù)曲面等建模過程，可能也包括物體表面或材料性質(zhì)（如顏色，熒光度，漫射和鏡面反射分量——經(jīng)常被叫做粗糙度和光潔度，反射特性，透明度或不透明度，或者折射指數(shù)），增加紋理，凹凸映射和其它特征。
建?？赡芤舶ǜ鞣N準(zhǔn)備動畫的三維模型相關(guān)的各種活動。對象可能用一個骨架撐起來，一個物體的中央框架，它可以影響一個對象的形狀或運動。這個對動畫構(gòu)造過程很有幫助，骨架的運動自動決定模型相關(guān)部分。在模具階段，模型也可以給定特定的控制，使得運動的控制更為簡便和直觀，例如用于聲音嘴唇同步的面部表情控制嘴形（音素）。
建?？梢杂靡源藶槟康脑O(shè)計的程序，應(yīng)用的模塊或者某些場景描述語言。在有些情況中，這些階段之間沒有嚴(yán)格的區(qū)別；在這些情況下，建模只是場景創(chuàng)建過程的一部分。
場景布局設(shè)置
場景設(shè)置涉及安排一個場景內(nèi)的虛擬物體，燈光，攝像機和其他實體，它將被用于制作一幅靜態(tài)畫面或一段動畫。如果用于動畫，該階段通常采用叫做“關(guān)鍵幀”的技術(shù)，它使得場景內(nèi)復(fù)雜的運動的創(chuàng)建變得簡單。使用關(guān)鍵幀的幫助，而不是必須對于動畫中的每一幀設(shè)定對象的位置、方向或比例，只需設(shè)立一些關(guān)鍵的幀，它們之間的狀態(tài)可以用插值得到。
照明是場景布置中一個重要的方面。就像在實際場景布置的時候一樣，光照是最終作品的審美和視覺質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，因而，也是一項很難掌握的藝術(shù)。光照因素可以對一個場景的氛圍和情緒反映作出重大貢獻，這是為攝影師和舞臺照明師所熟悉的事實。
三角剖分和網(wǎng)格？？ 把物體的表示轉(zhuǎn)換到一個多邊形表示的過程，稱為剖分。該步驟用于基于多邊形的繪制，其中對象從象球面、圓錐面等等這樣的抽象的表示（“體素”），分解成為所謂“網(wǎng)格”，它是互相連接的三角形的網(wǎng)絡(luò)，比較流行，因為它們易于采用掃描線繪制進行繪制。
多邊形表示不是所有繪制技術(shù)都必須的，而在這些情況下，從抽象表示到繪制出的場景的轉(zhuǎn)換不包括剖分步驟。
繪制
繪制是從準(zhǔn)備的場景創(chuàng)建實際的二維景象或動畫的最后階段。這可以和現(xiàn)實世界中在布景完成后的照相或攝制場景的過程相比。
用于諸如游戲或模擬程序這樣的交互式媒體的繪制需要實時計算和顯示，速度約為20到120幀每秒。非交互式媒體（如錄像或電影），繪制的慢得多。非實時繪制使得有限的計算能力得以放大以獲得高質(zhì)量的畫面。復(fù)雜場景的單幀的繪制速度可能從幾秒到一個小時或者更多。繪制完成的幀存貯在硬盤，然后可能轉(zhuǎn)錄到其它媒介，例如電影膠卷或者光盤。然后這些幀以高幀率播放，通常為24，25，或30幀每秒，以達成運動的假象。
最后的作品經(jīng)常會需要達到真實感圖形質(zhì)量，要達到這個目的，很多不同和專門的繪制技術(shù)被發(fā)展出來。這些技術(shù)的范圍包括相當(dāng)非真實感的線框模型繪制技術(shù)，到基于多邊形的繪制，到更高級的技術(shù)，例如：掃描線渲染、光線跟蹤或者輻射著色。
繪制軟件可以模擬例如鏡頭光暈、景深或者運動模糊這樣的視覺效果。這些技術(shù)試圖模擬鏡頭和人眼的光學(xué)特性所造成的視覺現(xiàn)象。這些技術(shù)可以增加場景的真實程度，雖然該效果可能只是鏡頭的人造模擬現(xiàn)象。
為模擬其他自然發(fā)生的效應(yīng)的各種技術(shù)被發(fā)展出來，例如光和不同形式的物質(zhì)的相互作用。這些技術(shù)的例子包括粒子系統(tǒng)（它可以模擬雨，煙，或者火），氣體采樣（用于模擬霧，塵或者其它空間大氣效果），焦散效果（用于模擬光被不均勻折射性質(zhì)的表面所聚焦的現(xiàn)象，例如游泳池底部的光的漣漪）， 還有次表面散射等。
繪制過程計算上很昂貴，特別是所模擬的物理過程復(fù)雜且多樣時。計算機的處理能力逐年上升，使得真實感繪制的質(zhì)量得到提高。生產(chǎn)計算機動畫的電影工作室可能用渲染農(nóng)場來進行及時的繪制。但是，硬件費用的下降使得在家庭計算機系統(tǒng)上產(chǎn)生少量的三維動畫完全成為可能。
繪制器經(jīng)常包含在三維軟件包中，但是有一些繪制系統(tǒng)作為流行三維應(yīng)用程序的插件使用。這些繪制程序的輸出經(jīng)常用于最終電影場景的一小部分。很多材料的層次可以分別繪制，然后采用合成軟件集成到最終的畫面中。
三維計算機圖形中流行的反射繪制技術(shù)包括： 平直著色使用多邊形的法矢量和位置以及光源的位置和強度對于物體的每一個多邊形給出一個明暗值的技術(shù)。Gouraud著色，一個快速的基于頂點和光源的關(guān)系的著色技術(shù)，用于模擬光滑著色的曲面。紋理映射：通過把圖像（紋理）映射到多邊形上來模擬曲面的大量細(xì)節(jié)的技術(shù)。Phong著色，用于模擬光滑著色曲面的鏡面反射高光效果，凸凹紋理映射，用法向擾動技術(shù)模擬帶褶皺的曲面。Cel著色，用于模擬手繪動畫的觀感的一種技術(shù)。
[caption id="attachment_1262" align="aligncenter" width="250"] 平直著色一例：三維繪成的敦刻爾克級戰(zhàn)列艦[/caption]