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CG

計算機圖形學(Computer Graphics,簡稱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。
定義
計算機圖形學(Computer Graphics,簡稱CG)[1],常用中文名稱為“西橘”。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。如何在計算機中表示圖形,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,構成了計算機圖形學的主要研究內容。圖形通常由點、線、面、體等幾何元素和灰度、色彩、線型、線寬等非幾何屬性組成。從處理技術上來看,圖形主要分為兩類,一類是由線條組成的圖形,如工程圖、等高線地圖、曲面的線框圖等,另一類是類似于照片的明暗圖(Shading),也就是通常所說的真實感圖形。

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。
發展史
1950年,第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學院(MIT)旋風I號(Whirlwind I)計算機的附件誕生了。該顯示器用一個類似于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公司由聯機的數字記錄儀發展成滾筒式繪圖儀,GerBer公司把數控機床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,主要應用于科學計算,為這些計算機配置的圖形設備僅具有輸出功能。計算機圖形學處于準備和醞釀時期,并稱之為:“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:一個人機交互通信的圖形系統”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,證明了交互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。由于光柵顯示器的產生,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,并開始出現實用的CAD圖形系統。又因為通用、與設備無關的圖形軟件的發展,圖形軟件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,并第一次給出光線跟蹤算法的范例,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,標志著真實感圖形的顯示算法已逐漸成熟。從80年代中期以來,超大規模集成電路的發展,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,圖形學已廣泛應用于動畫、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”。
圖形設備
高質量的計算機圖形離不開高性能的計算機圖形硬件設備。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。
圖形顯示設備:圖形輸出包括圖形的顯示和圖形的繪制,圖形顯示指的是在屏幕上輸出圖形,圖形繪制通常指把圖形畫在紙上,也稱硬拷貝,打印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,是連接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(俗稱顯卡),但是早期的顯卡只包含簡單的存儲器和幀緩沖區,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。這對于文本和一些簡單的圖形來說是足夠的,但是當要處理復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。所以以后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數,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。一些專業顯卡具有的晶體管數甚至比同時代的CPU的晶體管數還多。比如2000年加拿大ATI公司(現美國AMD公司旗下品牌)推出的RADEON顯卡芯片含有3千萬顆晶體管,達到每秒15億個像素填寫率。顯卡的主要配件有顯示主芯片、顯示緩存(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——鍵盤和鼠標。此外還有跟蹤球、空間球、數據手套、光筆、觸摸屏等輸入設備。

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