计算机图形学概述

一、定义与范畴

计算机图形学（Computer Graphics）是研究如何在计算机中表示、生成、处理和显示图形的学科，核心任务是将数学模型转化为可视化图像。

主要应用领域：

  • 🎮 游戏开发（实时渲染）
  • 🎥 影视特效（离线渲染）
  • 🏗️ 工业设计（CAD/CAM）
  • 🧪 科学可视化
  • 🏥 医学成像
  • 🕶️ 虚拟现实（VR/AR）

二、核心概念

1. 图形渲染管线

  1. 顶点处理 → 2. 图元装配 → 3. 光栅化 → 4. 片段处理 → 5. 输出合并

2. 坐标系系统

  • 模型坐标系 → 世界坐标系 → 观察坐标系 → 投影坐标系 → 屏幕坐标系

3. 光照模型

  • Phong 光照模型：环境光 + 漫反射 + 镜面反射
  • BRDF（双向反射分布函数）

三、技术分支

1. 2D 图形

  • 矢量图形（SVG）
  • 位图处理
  • 字体渲染技术

2. 3D 图形

  • 光栅🌹（Rasterization）
  • 曲面和网格（Curves and Meshes）
  • 光线追踪（Ray Tracing）
  • 动画与仿真（Animation and Simulation）

四、发展历程

时期 里程碑事件
1963 Ivan Sutherland 开发 Sketchpad
1970s Phong 着色模型诞生
1980s OpenGL 标准制定
1990s GPU 硬件加速出现
2010s 实时光线追踪技术成熟

五、当前热点

  • 🚀 实时光线追踪（NVIDIA RTX）
  • 🤖 AI 辅助渲染（DLSS 技术）
  • 🌐 WebGL/WebGPU 发展
  • 🧊 体素渲染技术
  • 🌀 神经辐射场（NeRF）

六、学习路径

推荐教材：

  • 《计算机图形学原理及实践》C版本（原书第3版）
  • 《Real-Time Rendering》（第四版）

实践工具：

  • OpenGL / Vulkan
  • Unity Shader 编程
  • Blender 建模