1.计算机图形学概述

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发布时间 : 2026-09-29 14:11

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1.计算机图形学概述

1.计算机图形学概述

1.1 概述

1.2 什么是计算机图形学

计算机图形学（Computer Graphics）：使用计算机合成Synthesize和处理Manipulate视觉信息。

定义中有两个关键动作：

合成视觉信息：根据场景中的几何形体、材质、光照和相机等信息，生成最终图像。例如，将游戏场景渲染到屏幕上。
处理视觉信息：对已有的视觉内容进行操作。例如，数字绘画中的曲线绘制、图形编辑，以及将数据转化为直观图形的可视化操作。

因此，计算机图形学不只是三维建模，也不只是把三维场景渲染成图片。后面介绍的光栅化、几何、光线传播、动画与模拟，都是这一大领域的重要组成部分。

1.3 为什么学习计算机图形学

应用领域

计算机图形学在很多领域都有应用，例如：

电子游戏：实时渲染游戏画面，以及表现不同的美术风格。
电影：将计算机生成的视觉效果与真实拍摄画面结合。
动画：生成虚拟角色、毛发、服饰、特效，以及角色的运动。
设计：计算机辅助设计（CAD）、产品建模和设计效果预览。
可视化：将科学、工程、医学、统计等数据转换为可理解的视觉信息。
虚拟现实（VR）：让用户沉浸于计算机生成的虚拟环境。
增强现实（AR）：在现实环境中叠加计算机生成的虚拟内容。
数字插画：在数字设备上绘制、编辑图像，处理笔触、曲线及透明度等。
模拟：模拟布料、沙尘、粒子，甚至特定条件下的光线传播。
图形用户界面（GUI）：窗口、图标及交互界面的视觉呈现。
字体排印（Typography）：字形的几何表示、缩放和显示。

以上并不是相互独立的技术分类。例如，一部动画电影可能同时涉及建模、毛发渲染、布料模拟和电影特效。

基础性的智力挑战

学习图形学不仅是为了生成好看的图片，还需要理解和构建逼真的虚拟世界：

理解物理世界：真实物体的形状、材质、光照和运动都有各自的规律。
创造并与虚拟世界交互：除了生成静态图片，还要考虑场景及对象如何随时间变化。
探索新的计算与显示方式：新的计算方法和显示技术，会带来不同的图形学问题。

技术挑战

要解决上述问题，需要综合使用多个学科的知识：

数学：透视投影、曲线、曲面，以及三维空间中的变换。
物理：光的传播、光照与着色。
几何：三维形体的表示与操作。
动画与模拟：描述物体随时间发生的变化。
软硬件技术：三维图形软件编程及图形硬件相关知识。

1.3.4 小结

闫令琪大佬在列举完这些应用与挑战后，用一句话概括学习图形学的理由：Computer Graphics is AWESOME！——计算机图形学太酷了！

1.4 课程内容

光栅化（Rasterization）

光栅化的核心是：将几何图元投影到屏幕上，并确定投影后的图元覆盖哪些像素位置。

曲线与网格（Curves and Meshes）

主要研究：计算机应该如何表示、创建和处理几何形体？

课件展示了两个典型例子：

贝塞尔曲线（Bézier Curve）：使用控制点描述曲线，常见于路径、字体及曲线编辑等场景。
Catmull–Clark 细分（Subdivision）：通过网格细分，由较粗糙的网格逐步构造更光滑的曲面形状。

光线追踪（Ray Tracing）

光线追踪从另一个角度思考如何生成图像：从相机出发，沿像素对应的方向发射光线，计算光线与场景的相交及光照情况。

动画与模拟（Animation / Simulation）

动画与模拟关注的是场景中的对象应该如何随时间变化。

关键帧动画（Keyframe Animation）：设定不同时间点的关键状态，形成连续的动画过程。
质点弹簧系统（Mass-Spring System）：使用质点和弹簧等简化模型，描述可变形物体的运动。

例如，布料下垂、受力后的变形和摆动，可以借助物理模型进行模拟。

不包含的内容

重点学习的是图形学原理，而不是某一种图形 API 的使用教程，因此不会专门教授 OpenGL、DirectX、Vulkan 的 API 用法，也不会把 Shader 的具体语法当作课程目标。

同样，课程不会教学使用 Maya、3ds Max、Blender 建模，也不以 Unity、Unreal Engine 的游戏开发操作为教学内容。

此外，计算机视觉、深度学习等也不属于本课程的讲授范围。

核心区别是：理解图形学原理，不等于学习某个具体工具的操作；反过来，会使用图形工具也不等于已经理解其背后的图形学原理。

计算机图形学与计算机视觉的区别

用 Model（模型） 和 Image（图像） 之间的关系来更好的理解：

数据关系	课程中的直观解释	典型问题
Model → Image	图形学中的渲染（Rendering）	已知三维场景，怎样生成一张图像？
Image → Model	计算机视觉（Computer Vision）中的一类问题	已知图片，怎样推断场景和物体的信息？
Model → Model	图形学中的建模、模拟等	怎样改变几何形状，或计算物体的运动？
Image → Image	图像处理等领域中的一类问题	怎样对已有图像进行分析或处理？

例如，已经知道游戏角色的模型、材质与灯光，计算屏幕画面，是典型的图形学渲染问题；从一张街景照片推断哪些区域是车辆和行人，则是计算机视觉中的一类问题。

1.5 课程安排

课程概况

课时：共 22 讲，包括图形学概述、数学、光栅化、几何、光线追踪和动画模拟等内容。
前置知识：微积分、线性代数、算法和数据结构；信号处理、数值分析、大学物理（光学）有帮助，但不是必须条件。
作业：官方最终课程信息列出 8 次小作业与 1 次大作业，以编程实践为主，并提供代码框架。
编程语言：课程小作业主要使用 C++。

参考资料

GAMES101 官方主页（课程大纲、讲义、参考资料）
GAMES 官方课件与视频索引
推荐参考书：Steve Marschner、Peter Shirley，Fundamentals of Computer Graphics，第三版或更新版本。该书为参考资料，并非必购教材。

1.6 总结

核心问题	本讲要记住的内容
计算机图形学研究什么？	使用计算机合成和处理视觉信息。
为什么学习图形学？	既有游戏、电影、设计等广泛应用，也涉及数学、物理、几何和软件工程等挑战。
四个主要领域是什么？	光栅化、几何表示、光线传播、动画与模拟。
光栅化和光线追踪有什么区别？	前者从几何图元投影及像素覆盖出发，后者从相机光线及其与场景的作用出发。
图形学是否等于 OpenGL 或 Unity？	不等于。OpenGL 是图形 API，Unity 是游戏引擎；本课程的目标是理解背后的图形学原理。
图形学与计算机视觉的关系是什么？	渲染常从模型生成图像；计算机视觉中的部分任务则从图像推断信息，但两个学科没有绝对边界。

计算机图形学不是某个 API，也不只是光栅化或光线追踪，而是一套理解和构建虚拟世界的基础知识体系。

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