计算机图形学（CG）是一门利用数学算法将二维或三维图形转换为计算机显示器的网格形式的科学。简单地说，计算机图形学的主要研究内容是研究如何在计算机中表示图形以及利用计算机计算、处理和显示图形的相关原理和算法。

【发展历程】

1963年1月，24岁的萨瑟兰在麻省理工学院林肯实验室完成了关于人机通信图形系统的博士论文。 Sutherland 引入了用于符号分层存储的数据结构，开发了能够使用键盘和光笔进行定位、选择和绘图的交互技术，并提出了许多至今仍在使用的图形中的其他基本思想和技术。萨瑟兰的博士论文被认为是计算机图形学的基础和现代计算机辅助设计的开端。

l 20世纪70年代，由于光栅显示器的诞生，光栅图形算法迅速发展；基本的图形运算和相应的算法相继出现，图形学进入第一个繁荣时期。 20世纪70年代，许多国家应用计算机图形学开发了CAD图形系统，并将其应用于设计、过程控制和管理、教育等领域。

l 20世纪80年代中期以来，大规模集成电路提高了计算机硬件的性能，图形学得到迅速发展。 1980年，光线追踪算法首次提出。用于逼真图形的算法正在逐渐成熟。

l 20世纪80年代到90年代，图形学更加广泛地应用于动画、科学计算可视化、CAD/CAM、虚拟现实等领域。这对计算机图形——的真实性和实时性提出了更高、更新的要求

【目标】

计算机图形学的核心目标是创造有效的视觉传达。在科学领域，图形可以通过可视化的方式向公众展示科学成果；在娱乐领域，如PC游戏、手机游戏、3D电影和电影特效，计算机图形学发挥着越来越重要的作用；在娱乐领域，计算机图形学发挥着越来越重要的作用。图形在创意或艺术创作、商业广告、产品设计等行业中也发挥着重要的基础作用。在科学领域，这一点仅在1987 年《科学计算视觉报告》中得到强调。报告引用了理查德·汉明1962年的经典言论：“计算的目的是洞察事物的本质，而不是获取数字。”报告提到了计算机图形学在帮助人类大脑从图形图像的角度理解事物本质的重要性。因为图形图像比单纯的数字更能提供洞察力。

【任务】

计算机图形学（视觉传达）的核心目标可以分解为表征、交互、绘图三个基本任务，即如何在计算机中“交互”“表征”和“绘制”丰富多彩的主客观世界。这里的“表示”是指如何把主观世界和客观世界放入计算机中，对二维和三维物体进行表示和建模； “画”是指如何在计算机中用直观、生动的图形图像方法来表现物体。表达式—— 二维和三维物体的绘制：“交互”是指通过计算机输入输出设备以有效的方式实现“表示”和“绘制”的技术。其中，“表示”是计算机图形学的“数据层”，是物体或对象在计算机中的各种几何表示； “绘图”是计算机图形学的“视图层”，指图形数据的显示和呈现。出来。 “表征”是建模和输入，“绘图”是显示和输出。 “交互”是计算机图形学的“控制层”，负责完成有效的对象输入输出任务，解决与用户的交互问题。

【内容】

计算机图形学的主要研究对象是点、线、面、体、场的数学构造方法及其图形显示，以及它们随时间的变化。需要从以下几个方面进行研究。

(1)描述复杂物体图形的方法和数学算法。二维、三维场景的表示是计算机图形显示的前提和基础，包括曲线曲面建模技术、实体建模技术以及纹理、云彩、波浪等自然景物的建模与模拟；三维场景的显示包括光栅图形生成算法、线框图形和真实感图形的理论和算法。

(2)对象图形描述数据的输入。

(3)几何图形数据的存储，包括数据压缩和解压缩。

（4）物体图形数据的计算处理，包括基于图像与图形的混合渲染技术、自然场景模拟、图形用户界面、虚拟现实、动画技术和可视化技术等。

(5)对象图形数据的输出显示，包括图形硬件和图形交互技术。

（6）实时动画与多媒体技术，研究实现高速动画的各种硬件/软件方法、开发工具、动画语言和多媒体技术。

（七）制定图形应用软件相关技术标准。

【应用领域】

随着计算机图形学的不断发展，其应用范围也越来越广泛。目前计算机图形学的主要应用领域如下。

1.计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）

这是计算机图形学最广泛、最重要的应用领域。它给工程设计方法带来了巨大的变化。利用交互式计算机图形生成技术进行土木工程、机械结构和产品的设计，正在迅速取代传统的绘图板、字尺等手工设计方法，承担起日常繁重的绘图工作。任务和总体方案的优化和详细设计工作。事实上，复杂的大规模或超大规模集成电路板图根本不可能用手设计和绘制。利用计算机绘图系统不仅可以设计和绘制图表，而且可以在短时间内完成，并且结果可以直接发送到后续工序。进行处理。

2.计算机辅助教学（CAI）

在这一领域中，图形作为一种重要的表达手段，可以使教学过程形象化、直观、生动，激发学生的学习兴趣，大大提高教学效果。随着微型计算机的不断普及，计算机辅助教学系统已深入家庭。

3.电脑动画

传统的漫画是手绘的。由于动画一秒需要24帧，所以手工绘制的工作量相当大。通过计算机制作动画，只需要生成几张称为“关键帧”的图片，然后计算机对这两个关键帧进行插值，生成许多“中间帧”。连续播放时，两个关键帧有机地结合在一起。这样可以大大节省时间，提高动画制作的效率。

4、管理及办公自动化

计算机图形学最常用于管理、办公自动化领域绘制各种图形，如统计数据的二维、三维图形、饼图、折线图、柱状图等，还可以绘制工作流程图以及生产排程表。库存图片等。所有这些图形都以简洁的形式呈现数据的模式和趋势，从而加快决策和执行的速度。

5、土地信息及自然资源的展示与绘制

国土信息和自然资源系统将以前分散的表格、照片、图纸等资料整理成统一的数据库，记录了全国的大地测量和重力测量数据、山地和平原地形、河流和湖泊系统、道路和桥梁、城镇和村庄、农田、林地植被、国界和地区边界、地名等。这些存储的信息不仅可以用来绘制平面地图，还可以生成三维地形地貌图，为高水平的土地修复预测提供科学依据决策、综合管理和资源开发研究。

6.科学计算可视化

信息时代，需要处理海量的数据。科学计算可视化是利用计算机图形学方法，以图形的形式直观地表示科学计算的中间或最终结果以及通过测量获得的数据。科学计算可视化广泛应用于气象、地震、天体物理学、分子生物学、医学等众多领域。

7. 电脑游戏

计算机游戏现已成为推动计算机图形学研究，特别是图形硬件发展的主要动力来源。计算机图形学为计算机游戏开发提供技术支持，例如三维引擎的创建。建模和渲染这两个主要图形问题在游戏开发中起着非常重要的作用。

8. 虚拟现实

虚拟现实技术有着广泛的应用领域，可以应用于军事、医疗、教育、娱乐等领域。虚拟现实使人们通过视觉、听觉、嗅觉、触觉、身体或手势完全融入计算机营造的虚拟氛围中，从而实现身临其境的体验。经验。例如，您可以探索分子结构的微观世界，并在新设计的建筑图形中漫游。这也成为近年来计算机图形学的研究热点之一。