可以說，計算機圖形學的壹個重要研究內容就是利用計算機生成令人愉悅的真實感圖形。計算機圖形學與另壹門學科——計算機輔助幾何設計密切相關。實際上，圖形學也是把能夠表現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以數字圖像的形式提供，計算機圖形學與圖像處理密切相關。圖形和圖像的區別越來越模糊，但我們還是認為有區別:圖像只是簡單地指計算機中以位圖形式存在的灰度信息。
計算機圖形學的研究內容非常廣泛，如圖形硬件、圖形標準、圖形交互技術、光柵圖形生成算法、曲線曲面建模、實體建模、真實感圖形計算和顯示算法，以及科學計算可視化、計算機動畫、自然景物模擬、虛擬現實等。作為計算機本科生和非計算機研究生的圖形學教材，本書重點講述了光柵圖形生成、曲線曲面建模和真實感圖形生成的相關原理和算法。[3]
主要成分
圖形通常由點、線、面、體等幾何元素和灰度、顏色、線型、線寬等非幾何屬性組成。從構圖要素來看，圖形主要分為兩類，壹類是在構圖中起突出作用的幾何特征圖形，如工程圖、等高線圖、曲面線框等；另壹類是在構圖中起突出作用的非幾何特征圖形，如明暗圖、明暗圖、真實感圖形等。
主要目標
計算機圖形學的主要目的之壹是使用計算機產生令人愉悅的逼真圖形。因此，需要建立用圖形描述的場景的幾何表示，然後用某種光照模型來計算假設光源、紋理、材質屬性下的光照效果。因此，計算機圖形學與另壹門學科——計算機輔助幾何設計密切相關。實際上，圖形學也是以曲線曲面建模技術和能夠表示幾何場景的實體建模技術為主要研究內容的。同時，真實感圖形計算的結果以數字圖像的形式提供，計算機圖形學與圖像處理密切相關。
概念區別
圖形和圖像的區別越來越模糊，但還是有區別的:圖像單純指的是計算機中以位圖形式存在的灰度信息，而圖形則包含幾何屬性，或者強調場景的幾何表示，由場景的幾何模型和場景的物理屬性組成。
研究範圍
計算機圖形學的研究內容非常廣泛，如圖形硬件、圖形標準、圖形交互技術、光柵圖形生成算法、曲線曲面建模、實體建模、真實感圖形計算和顯示算法、非真實感繪制、科學計算可視化、計算機動畫、自然景物模擬、虛擬現實等。
2學科歷史
編輯
伊凡·蘇澤蘭1963，伊凡·薩瑟蘭在麻省理工學院發表了題為《畫板》的博士論文，這標誌著計算機圖形學的正式誕生。它已經有四十多年的歷史了。以前，計算機主要是符號處理系統。自從計算機圖形學出現以來，計算機可以部分地代表人類的右腦功能，因此計算機圖形學的建立具有重要的意義。計算機圖形學在以下幾個方面取得了很大的進步:
smartcad
CAD的發展也呈現出智能化的趨勢。就大部分流行的CAD軟件而言，其主要功能是支持產品後續階段的工程圖繪制和輸出，產品設計功能相對較弱。AutoCAD最常用的功能是交互繪圖。想設計產品，最基本的就是用AutoLisp語言寫程序，有時候用其他高級語言輔助寫不方便。新壹代智能CAD系統可以實現從概念設計到結構設計的全過程。比如德國西門子公司開發的Sigraph設計軟件，可以實現以下功能:①草圖可以從壹開始就由計算機設計，不需要費時費力地輸入精確的坐標點，可以隨意修改。壹旦結構確定，給出正確的尺寸就可以得到滿意的圖紙；②該軟件具有關系型數據結構。當妳改變壹個圖的壹部分時，相關的部分會自動改變，而當妳修改壹個視圖時，其他視圖會自動改變，甚至壹個零件圖，其他相關的零件圖和裝配圖的相關部分也會自動改變。③在各個專業領域，都有壹些通用件和標準件。因此，我們希望有壹個參數庫。Sigraph無需編程就能建立自己的圖庫，只需畫壹次圖；④Sigraph還可以實現產品設計的動態仿真，用於觀察設計的設備在實際運行中是否合理等等。智能CAD的另壹個領域是工程圖紙的自動輸入和智能識別。隨著CAD技術的迅速普及和應用，各工廠和設計院需要將數以千計的長期積累的設計圖紙快速準確地輸入計算機，作為新產品開發的技術資料。多年來，CAD中常用的圖形輸入方式是圖形數字化儀的交互輸入和鼠標鍵盤的交互輸入，難以滿足工程中大量圖紙輸入的迫切需求。因此，基於光電掃描儀的圖紙自動輸入方法成為國內外CAD工作者探索的新課題。然而，工程圖紙的智能識別涉及計算機硬件、計算機圖形學、模式識別、人工智能等高科技內容，使得研究工作難度加大。工程圖紙的自動輸入和智能識別是兩個不可分割的過程。繪圖紙通過掃描儀手柄輸入計算機後，形成點陣圖像。在CAD中，只能編輯矢量圖形，這就需要將點陣圖像轉換成矢量圖形。這些任務都是由計算機自動完成的，這就帶來了很多問題，比如:①圖像的智能識別；②字符提取和識別；③圖形拓撲結構的建立和圖形的理解；④實用的後處理方法等等。國家自然科學基金和863計劃基金都在支持這方面的研究，國內外也有壹些這方面的軟件投入了實踐，比如美國的RVmaster，德國的VPmax，清華大學和東北大學的產品。但效果並不理想。並沒有達到預期的效果。
藝術與設計
電腦藝術的發展
1952.電子抽象畫，本做的波形圖。美國的拉波斯克用模擬計算機，標誌著計算機藝術的開始(早於計算機圖形學的正式建立)。電腦藝術的發展可以分為三個階段。
代表作品:1960 Wiuiam Ferrter為波音公司設計的工效學實驗動態模擬，模擬飛行員在飛機中的各種情況；1963肯尼斯·克諾頓的打印機裸體工作。1967日本GTG集團的回箱。
倫敦首屆世界計算機藝術展——“控制論寶藏1”標誌著世界範圍內研究和應用的開始。隨著計算機和計算機圖形學技術的逐漸成熟，壹些大學開始開設相關課題，出現了壹些CAD應用系統和成果，三維建模系統應運而生並逐步完善。
代表作品:1983美國IBM研究院Richerd Voss設計的分形山(妳可以在網站“分形頻道HRTP:TT fractal 1.126 . Tom”找到關於“分形”的知識)。
個人計算機圖形系統逐漸成熟，大量商業美術(設計)軟件上市；以蘋果MAC和圖形系統軟件為代表的桌面創意系統被廣泛接受，CAD成為藝術設計領域的重要組成部分。
代表作品:1990傑弗雷·肖的互動平面作品《易讀的城市》。
計算機設計科學
(計算機設計學)
包括環境設計(建築、汽車)、視覺傳達設計(包裝)、產品設計三個方面。
CAD在藝術中的應用可以分為三個層次。
電腦動畫藝術
1.歷史評論
計算機動畫技術的發展與許多其他學科的發展密切相關。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、計算機軟硬件技術的最新成果都對計算機動畫技術的研究和發展起到了非常重要的推動作用。在20世紀50年代和60年代，大多數電腦繪畫作品都是在打印機和繪圖儀上完成的。直到20世紀60年代末，利用電腦顯示點陣的特點，精心設計圖案，出現了電腦藝術創作的活動。
從20世紀70年代開始，電腦藝術開始走向繁榮和成熟。65438-0973，“首屆國際電腦藝術展”在東京索尼公司舉行。自20世紀80年代以來，電腦藝術的發展速度遠遠超出了人們的想象。在歷屆代表計算機圖形學研究最高水平的SIGGRAPH年會上，精彩的計算機藝術作品層出不窮。另外，在這期間的奧斯卡獲獎名單中，用電腦特效制作的電影頻頻上榜，大有壹種舍我其誰的感覺。在中國，第壹屆計算機藝術研討會和展覽於65438-0995年在北京舉行。它總結了中國計算機藝術的發展，對今後的工作起到了重要的推動作用。
玩具總動員2。電影特效
電腦動畫的壹個重要應用是制作電影特技。可以說，電影特技和電腦動畫的發展是相輔相成的。65438-0987年，由著名電腦動畫專家塔爾曼夫婦領導的米拉實驗室制作了壹部七分鐘的電腦動畫《相約蒙特利爾》，再現了國際影星瑪麗蓮·夢露的風采。1988，美國電影誰陷害了兔子羅傑？二維動畫角色與真實演員的完美結合令人瞠目結舌，嘆為觀止，大量使用電腦動畫處理。1991美國電影《終結者二:世界末日》展現了精彩的計算機技術。此外，還有《侏羅紀公園》、獅子王、玩具總動員等等。
3.國內形勢
中國的電腦動畫技術起步較晚。1990年11亞運會上，首次運用計算機三維動畫技術制作相關電視節目片頭。此後，計算機動畫技術在國內影視制作中迅速發展，隨後以3D Studio為代表的3D動畫計算機軟件和以Photostyler、Photoshop為代表的2D平面設計軟件的普及，推動了計算機動畫技術在中國的應用。2006年，環球數碼制作了中國第壹部3D動畫電影《莫比烏斯環》。
電腦動畫的應用領域非常廣泛。除了制作影視作品，在科學研究、視景仿真、電子遊戲、工業設計、教學培訓、照片模擬、過程控制、圖形繪畫、建築設計等諸多方面都有重要應用，比如軍事戰術模擬。
科學計算的可視化
科學計算可視化是20世紀80年代後期發達國家提出並發展起來的壹項新技術。它將科學計算過程和結果中的數據轉化為幾何圖形和圖像信息，在屏幕上顯示並進行交互處理，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，美國國家科學基金會在華盛頓召開了第壹次科學計算可視化會議。會議壹致認為“將圖形和圖像技術應用於科學計算是壹個全新的領域。”科學家不僅需要分析計算機獲得的計算數據，還需要了解數據在計算機處理過程中的變化。會議將這項技術命名為“科學計算中的可視化”。科學計算可以看作是圖形生成技術和圖像理解技術的結合，可以理解發送給計算機的圖像數據，從復雜的多維數據中生成圖形。它涉及以下幾個獨立的領域:計算機圖形學、圖像處理、計算機視覺、計算機輔助設計和交互技術。科學計算按其功能可分為三個等級:(1)結果數據後處理；(2)結果數據的實時跟蹤處理和顯示；(3)結果數據的實時顯示和交互處理。
可視化現狀
這是美國國家航空航天局(Ames)研究中心的壹個研究項目，其中包括兩個連接到壹臺超級計算機的虛擬屏幕。該分布式虛擬環境用於實現三維非定常流場。兩個人壹起工作可以在壹個環境中共享來自不同視點和觀察方向的相同流場數據。
這是美國國家超級計算機應用中心(NCSA)的壹個研究項目。這是壹個在交互式分布式環境中研究大氣流體的軟件。PHTHFINDER通過幾個相關的模型研究風暴。
心臟CT數據的動態顯示
這也是NCSA的研究項目，利用遠程並行計算資源和體繪制技術實現ct掃描三維數據場的動態顯示。其具體內容是顯示狗的心跳周期的動態圖像。
動態模型可視化
這是美國西北大學的壹個研究項目，可以顯示非加熱氣體燃燒時出現的復雜時空瞬態圖像。火焰位於兩個同心圓筒之間。可燃混合氣體從內筒註入，燃燒產生的物質通過外筒送出。
伊利諾伊大學芝加哥分校開發了壹種在工作站和超級計算機上實現的visual billion應用軟件。它的內容是壹個七周大的人類胚胎的交互式三維顯示，由美國國家健康和醫學博物館獲得的數據重建而成。這個項目展示了在網絡資源中遠程訪問人體形態學數據和分布式計算的可能性。美國也會把整個人體可視化。他們將兩名誌願者(壹男壹女)切成薄片。男方被切成1780片，厚度約1 mm，女方被切成5400片，厚度約0.3 mm，數據量大。總結起來，有以下幾點:
空氣動力學、數學、醫學影像等領域。科學計算可視化的技術水平正從後處理向實時跟蹤和交互控制發展。
虛擬現實
吉普森的“虛擬現實”——這個詞最早是由美國噴氣推進實驗室(VPL)的創始人傑倫·拉尼爾提出的，在20世紀70年代初邁倫·克魯格的實驗中被稱為“人工現實”。在威廉·吉布森於1984年出版的科幻小說《Neuremanccr》中，它也被稱為“Cyberspaee”。虛擬現實又稱虛擬環境，是美國國家航空航天局和軍事部門為進行仿真而發展起來的高新技術。它使用計算機圖形生成器、位置跟蹤器、多功能傳感器和控制器來有效地模擬實際場景和情況，使觀察者有壹種真正的身臨其境的感覺。虛擬環境由硬件和軟件組成。硬件部分主要包括:傳感器、Efeeter，以及連接傳感器和印象派的特殊硬件，以生成模擬的物理環境。利用虛擬現實技術生成虛擬現實環境的軟件需要完成以下三個功能:建立演員和物體的形狀和動態模型；建立由牛頓運動定律決定的物體與周圍環境的相互作用；描述周圍環境的內容特征
虛擬現實是指由計算機實時生成壹個虛擬的三維空間。這個空間可以是小到分子、原子的微觀世界，也可以是大到天體的宏觀世界，也可以是類似於現實社會的生存空間。它可以混淆視聽，所以也被稱為虛擬現實。用戶可以在這個三維空間中自由行走，隨意觀察，並通過壹些設備與虛擬場景進行交互。互動是多渠道的，自然的。可以是壹個手勢，壹個眼神，壹個表情來傳遞信息。在這種環境中，用戶看到計算機生成的逼真圖像，聽到虛擬環境中的聲音，身體感受到虛擬環境反饋的力，從而產生身臨其境的感覺。
虛擬現實技術主要研究如何用計算機模擬(構造)壹個三維圖形空間，並使用戶能夠與該空間進行自然的交互。涉及到很多科學知識，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20世紀70年代就被用於軍事領域來訓練駕駛員。80年代以後，隨著計算機軟硬件技術的提高，也受到重視，發展迅速。已初步應用於航空航天、醫學、教育、藝術、建築等領域。例如，在1997年7月，美國國家航空航天局的漫遊車sojourner在距離地球約190萬公裏的火星上著陸。這輛車沒有在火星表面緩慢爬行的司機。它由地球上的工程師通過虛擬現實系統來操作。
虛擬現實應用
1.用於腦外科手術規劃的雙手空間接口工具
美國弗吉尼亞大學推出了壹款名為Netra的雙手空間接口工具，可用於腦部手術規劃。根據腦外科醫生的工作環境和習慣，系統采用了壹個酷似人頭的控制器。腦外科醫生根據自己的專業習慣，通過轉動外接頭的控制器，可以方便地觀察人腦的不同部位，同時通過右手控制面板的平面控制人腦表面被剝離的掃描井，從而可以根據CT或強磁振動圖像生成的主腦模型，顯示具有彩色觀察視點的真實圖像。
2.虛擬環境用於治療恐高癥。
英國開發的壹個虛擬現實系統可以產生以下虛擬環境:①透明的玻璃電梯，②高層建築的陽臺，斷層上方的@電纜橋。為了增加真實感，患者除了佩戴可以產生三維場景的頭盔顯示器外，還必須站在壹個特殊的框架中。調節電梯、陽臺、電纜橋架的高度，可以產生不同程度的刺激。
3.虛擬風洞
德國國家信息技術研究中心的Kruger等人建立了壹個所謂的“虛擬風繼承人”來代替風洞實驗(因為風洞實驗昂貴且難以控制)。在虛擬風洞中，模擬數據來自運行在超級計算機或高性能工作站上的有限元程序。利用虛擬風洞，觀測者可以通過佩戴液晶開關眼鏡方便地觀測到給定的點和線，還可以通過放大進行更細致的研究，極大地方便了人們對物體動態特性的研究。
4.封閉式格鬥訓練器
CCTT(closed Combat Training Device)是Masta Gurley等人為美軍研制的模擬裝置，用於坦克和機械化步兵在實際地形上進行演習。它不同於通常的虛擬環境和模擬器，需要構建適合軍事訓練的大規模復雜虛擬環境。
5.虛擬現實技術在建築設計中的應用
虛擬現實技術也廣泛應用於建築設計中。克魯格等人在他們發明的虛擬工作平臺上展示了他們設計的未來建築。建築師們聚在壹起，通過液晶眼鏡看到設計好的三維建築，並方便地添加或刪除部分建築或其他物體。同時也可以通過數據手套設置不同的光源。模擬不同時間的陽光和月光。觀察所設計的建築在不同光線下的美感以及與整體環境的協調性。
地理信息系統
地理信息系統(GIS)是基於地理圖形的關於人口、礦產資源、森林、旅遊等資源的綜合信息管理系統。它在發達國家得到了廣泛的應用，我國也對其進行了廣泛的研究和應用。在地理信息系統中，利用計算機圖形技術制作各種資源的高精度圖形，包括地理圖、地形圖、森林分布圖、人口分布圖、礦產分布圖、氣象圖、水資源分布圖等。地理信息系統為管理和決策者提供了非常有效的支持。
總之，虛擬現實技術是壹門跨學科、綜合性的新技術。因此，它的發展將依賴於相關科學技術的發展和進步。虛擬現實技術最基本的要求是場景的實時反映和真實性。但壹般來說，實時性和真實性往往是矛盾的。
用戶界面
用戶界面是計算機系統中人與計算機之間交流的重要組成部分。20世紀80年代，基於WIMP(窗口、圖標、菜單、鼠標)的圖形用戶界面(GUD)極大地提高了計算機的可用性、可學性和有效性，並迅速取代了以命令行為為代表的字符界面，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，增強人機交互的自然性，提高人機交互的效率和帶寬是用戶界面的研究方向。於是多通道用戶界面的概念被提出，它包括語言、手勢輸入、頭部跟蹤、視覺跟蹤、立體顯示、三維交互技術、感官反饋和自然語言界面。可以說，人體的表面就是人機界面。人體的任何部位都應該是人機對話的通道。虛擬現實顯示是關鍵，不僅需要軟件實現，還需要硬件實現。總結起來，虛擬現實的人機交互通道可以分為兩個方面:主感官通道和主動作通道。
虛擬現實的發展需求必將推動計算機圖形學各個學科的發展。同樣，虛擬現實的發展也會依賴於其他學科的發展，計算機圖形學的前景是誘人的。形勢緊迫(中國還比較落後)，但差距還是可以通過努力縮短的。