计算机形态学
可以说，计算机图形学的一个重要研究内容就是利用计算机生成令人愉悦的真实感图形。计算机图形学与另一门学科——计算机辅助几何设计密切相关。实际上，图形学也是把能够表现几何场景的曲线曲面造型技术和实体造型技术作为其重要的研究内容。同时，真实感图形计算的结果以数字图像的形式提供，计算机图形学与图像处理密切相关。图形和图像的区别越来越模糊，但我们还是认为有区别:图像只是简单地指计算机中以位图形式存在的灰度信息。
计算机图形学的研究内容非常广泛，如图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面建模、实体建模、真实感图形计算和显示算法，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物模拟、虚拟现实等。作为计算机本科生和非计算机研究生的图形学教材，本书重点讲述了光栅图形生成、曲线曲面建模和真实感图形生成的相关原理和算法。[3]
主要成分
图形通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、颜色、线型、线宽等非几何属性组成。从构图要素来看，图形主要分为两类，一类是在构图中起突出作用的几何特征图形，如工程图、等高线图、曲面线框等；另一类是在构图中起突出作用的非几何特征图形，如明暗图、明暗图、真实感图形等。
主要目标
计算机图形学的主要目的之一是使用计算机产生令人愉悦的逼真图形。因此，需要建立用图形描述的场景的几何表示，然后用某种光照模型来计算假设光源、纹理、材质属性下的光照效果。因此，计算机图形学与另一门学科——计算机辅助几何设计密切相关。实际上，图形学也是以曲线曲面建模技术和能够表示几何场景的实体建模技术为主要研究内容的。同时，真实感图形计算的结果以数字图像的形式提供，计算机图形学与图像处理密切相关。
概念区别
图形和图像的区别越来越模糊，但还是有区别的:图像单纯指的是计算机中以位图形式存在的灰度信息，而图形则包含几何属性，或者强调场景的几何表示，由场景的几何模型和场景的物理属性组成。
研究范围
计算机图形学的研究内容非常广泛，如图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面建模、实体建模、真实感图形计算和显示算法、非真实感绘制、科学计算可视化、计算机动画、自然景物模拟、虚拟现实等。
2学科历史
编辑
伊凡·苏泽兰1963，伊凡·萨瑟兰在麻省理工学院发表了题为《画板》的博士论文，这标志着计算机图形学的正式诞生。它已经有四十多年的历史了。以前，计算机主要是符号处理系统。自从计算机图形学出现以来，计算机可以部分地代表人类的右脑功能，因此计算机图形学的建立具有重要的意义。计算机图形学在以下几个方面取得了很大的进步:
smartcad
CAD的发展也呈现出智能化的趋势。就大部分流行的CAD软件而言，其主要功能是支持产品后续阶段的工程图绘制和输出，产品设计功能相对较弱。AutoCAD最常用的功能是交互绘图。想设计产品，最基本的就是用AutoLisp语言写程序，有时候用其他高级语言辅助写不方便。新一代智能CAD系统可以实现从概念设计到结构设计的全过程。比如德国西门子公司开发的Sigraph设计软件，可以实现以下功能:①草图可以从一开始就由计算机设计，不需要费时费力地输入精确的坐标点，可以随意修改。一旦结构确定，给出正确的尺寸就可以得到满意的图纸；②该软件具有关系型数据结构。当你改变一个图的一部分时，相关的部分会自动改变，而当你修改一个视图时，其他视图会自动改变，甚至一个零件图，其他相关的零件图和装配图的相关部分也会自动改变。③在各个专业领域，都有一些通用件和标准件。因此，我们希望有一个参数库。Sigraph无需编程就能建立自己的图库，只需画一次图；④Sigraph还可以实现产品设计的动态仿真，用于观察设计的设备在实际运行中是否合理等等。智能CAD的另一个领域是工程图纸的自动输入和智能识别。随着CAD技术的迅速普及和应用，各个工厂和设计院需要将数以千计的长期积累的设计图纸快速准确地输入计算机，作为新产品开发的技术资料。多年来，CAD中常用的图形输入方式是图形数字化仪的交互输入和鼠标键盘的交互输入，难以满足工程中大量图纸输入的迫切需求。因此，基于光电扫描仪的图纸自动输入方法成为国内外CAD工作者探索的新课题。然而，工程图纸的智能识别涉及计算机硬件、计算机图形学、模式识别、人工智能等高科技内容，使得研究工作难度加大。工程图纸的自动输入和智能识别是两个不可分割的过程。绘图纸通过扫描仪手柄输入计算机后，形成点阵图像。在CAD中，只能编辑矢量图形，这就需要将点阵图像转换成矢量图形。这些任务都是由计算机自动完成的，这就带来了很多问题，比如:①图像的智能识别；②字符提取和识别；③图形拓扑结构的建立和图形的理解；④实用的后处理方法等等。国家自然科学基金和863计划基金都在支持这方面的研究，国内外也有一些这方面的软件投入了实践，比如美国的RVmaster，德国的VPmax，清华大学和东北大学的产品。但效果并不理想。并没有达到预期的效果。
艺术与设计
电脑艺术的发展
1952.电子抽象画，本做的波形图。美国的拉波斯克用模拟计算机，标志着计算机艺术的开始(早于计算机图形学的正式建立)。电脑艺术的发展可以分为三个阶段。
代表作品:1960 Wiuiam Ferrter为波音公司设计的工效学实验动态模拟，模拟飞行员在飞机中的各种情况；1963肯尼斯·克诺顿的打印机裸体工作。1967日本GTG集团的回箱。
伦敦首届世界计算机艺术展——“控制论宝藏1”标志着世界范围内研究和应用的开始。随着计算机和计算机图形学技术的逐渐成熟，一些大学开始开设相关课题，出现了一些CAD应用系统和成果，三维建模系统应运而生并逐步完善。
代表作品:1983美国IBM研究院Richerd Voss设计的分形山(你可以在网站“分形频道HRTP:TT fractal 1.126 . Tom”找到关于“分形”的知识)。
个人计算机图形系统逐渐成熟，大量商业美术(设计)软件上市；以苹果MAC和图形系统软件为代表的桌面创意系统被广泛接受，CAD成为艺术设计领域的重要组成部分。
代表作品:1990杰弗雷·肖的互动平面作品《易读的城市》。
计算机设计科学
(计算机设计学)
包括环境设计(建筑、汽车)、视觉传达设计(包装)、产品设计三个方面。
CAD在艺术中的应用可以分为三个层次。
电脑动画艺术
1.历史评论
计算机动画技术的发展与许多其他学科的发展密切相关。计算机图形学、计算机绘画、计算机音乐、计算机辅助设计、电影技术、电视技术、计算机软硬件技术的最新成果都对计算机动画技术的研究和发展起到了非常重要的推动作用。在20世纪50年代和60年代，大多数电脑绘画作品都是在打印机和绘图仪上完成的。直到20世纪60年代末，利用电脑显示点阵的特点，精心设计图案，出现了电脑艺术创作的活动。
从20世纪70年代开始，电脑艺术开始走向繁荣和成熟。65438-0973，“首届国际电脑艺术展”在东京索尼公司举行。自20世纪80年代以来，电脑艺术的发展速度远远超出了人们的想象。在历届代表计算机图形学研究最高水平的SIGGRAPH年会上，精彩的计算机艺术作品层出不穷。另外，在这期间的奥斯卡获奖名单中，用电脑特效制作的电影频频上榜，大有一种舍我其谁的感觉。在中国，第一届计算机艺术研讨会和展览于65438-0995年在北京举行。它总结了中国计算机艺术的发展，对今后的工作起到了重要的推动作用。
玩具总动员2。电影特效
电脑动画的一个重要应用是制作电影特技。可以说，电影特技和电脑动画的发展是相辅相成的。65438-0987年，由著名电脑动画专家塔尔曼夫妇领导的米拉实验室制作了一部七分钟的电脑动画《相约蒙特利尔》，再现了国际影星玛丽莲·梦露的风采。1988，美国电影谁陷害了兔子罗杰？二维动画角色与真实演员的完美结合令人瞠目结舌，叹为观止，大量使用电脑动画处理。1991美国电影《终结者二:世界末日》展现了精彩的计算机技术。此外，还有《侏罗纪公园》、狮子王、玩具总动员等等。
3.国内形势
中国的电脑动画技术起步较晚。1990年11亚运会上，首次运用计算机三维动画技术制作相关电视节目片头。此后，计算机动画技术在国内影视制作中迅速发展，随后以3D Studio为代表的3D动画计算机软件和以Photostyler、Photoshop为代表的2D平面设计软件的普及，推动了计算机动画技术在中国的应用。2006年，环球数码制作了中国第一部3D动画电影《莫比乌斯环》。
电脑动画的应用领域非常广泛。除了制作影视作品，在科学研究、视景仿真、电子游戏、工业设计、教学培训、照片模拟、过程控制、图形绘画、建筑设计等诸多方面都有重要应用，比如军事战术模拟。
科学计算的可视化
科学计算可视化是20世纪80年代后期发达国家提出并发展起来的一项新技术。它将科学计算过程和结果中的数据转化为几何图形和图像信息，在屏幕上显示并进行交互处理，成为发现和理解科学计算过程中各种现象的有力工具。
1987年2月，美国国家科学基金会在华盛顿召开了第一次科学计算可视化会议。会议一致认为“将图形和图像技术应用于科学计算是一个全新的领域。”科学家不仅需要分析计算机获得的计算数据，还需要了解数据在计算机处理过程中的变化。会议将这项技术命名为“科学计算中的可视化”。科学计算可以看作是图形生成技术和图像理解技术的结合，可以理解发送给计算机的图像数据，从复杂的多维数据中生成图形。它涉及以下几个独立的领域:计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计和交互技术。科学计算按其功能可分为三个等级:(1)结果数据后处理；(2)结果数据的实时跟踪处理和显示；(3)结果数据的实时显示和交互处理。
可视化现状
这是美国国家航空航天局(Ames)研究中心的一个研究项目，其中包括两个连接到一台超级计算机的虚拟屏幕。该分布式虚拟环境用于实现三维非定常流场。两个人一起工作可以在一个环境中共享来自不同视点和观察方向的相同流场数据。
这是美国国家超级计算机应用中心(NCSA)的一个研究项目。这是一个在交互式分布式环境中研究大气流体的软件。PHTHFINDER通过几个相关的模型研究风暴。
心脏CT数据的动态显示
这也是NCSA的研究项目，利用远程并行计算资源和体绘制技术实现ct扫描三维数据场的动态显示。其具体内容是显示狗的心跳周期的动态图像。
动态模型可视化
这是美国西北大学的一个研究项目，可以显示非加热气体燃烧时出现的复杂时空瞬态图像。火焰位于两个同心圆筒之间。可燃混合气体从内筒注入，燃烧产生的物质通过外筒送出。
伊利诺伊大学芝加哥分校开发了一种在工作站和超级计算机上实现的visual billion应用软件。它的内容是一个七周大的人类胚胎的交互式三维显示，由美国国家健康和医学博物馆获得的数据重建而成。这个项目展示了在网络资源中远程访问人体形态学数据和分布式计算的可能性。美国也会把整个人体可视化。他们将两名志愿者(一男一女)切成薄片。男方被切成1780片，厚度约1 mm，女方被切成5400片，厚度约0.3 mm，数据量大。总结起来，有以下几点:
空气动力学、数学、医学影像等领域。科学计算可视化的技术水平正从后处理向实时跟踪和交互控制发展。
虚拟现实
吉普森的“虚拟现实”——这个词最早是由美国喷气推进实验室(VPL)的创始人杰伦·拉尼尔提出的，在20世纪70年代初迈伦·克鲁格的实验中被称为“人工现实”。在1984年威廉·吉布森出版的科幻小说《Neuremanccr》中，它也被称为“Cyberspaee”。虚拟现实又称虚拟环境，是美国国家航空航天局和军事部门为进行仿真而发展起来的高新技术。它使用计算机图形生成器、位置跟踪器、多功能传感器和控制器来有效地模拟实际场景和情况，使观察者有一种真正的身临其境的感觉。虚拟环境由硬件和软件组成。硬件部分主要包括:传感器、Efeeter，以及连接传感器和印象派的特殊硬件，以生成模拟的物理环境。利用虚拟现实技术生成虚拟现实环境的软件需要完成以下三个功能:建立演员和物体的形状和动态模型；建立由牛顿运动定律决定的物体与周围环境的相互作用；描述周围环境的内容特征
虚拟现实是指由计算机实时生成一个虚拟的三维空间。这个空间可以是小到分子、原子的微观世界，也可以是大到天体的宏观世界，也可以是类似于现实社会的生存空间。它可以混淆视听，所以也被称为虚拟现实。用户可以在这个三维空间中自由行走，随意观察，并通过一些设备与虚拟场景进行交互。互动是多渠道的，自然的。可以是一个手势，一个眼神，一个表情来传递信息。在这种环境中，用户看到计算机生成的逼真图像，听到虚拟环境中的声音，身体感受到虚拟环境反馈的力，从而产生身临其境的感觉。
虚拟现实技术主要研究如何用计算机模拟(构造)一个三维图形空间，并使用户能够与该空间进行自然的交互。涉及到很多科学知识，对三维图形处理技术的要求特别高。简单的虚拟现实系统早在20世纪70年代就被用于军事领域来训练驾驶员。80年代以后，随着计算机软硬件技术的提高，也受到重视，发展迅速。已初步应用于航空航天、医学、教育、艺术、建筑等领域。例如，在1997年7月，美国国家航空航天局的漫游车sojourner在距离地球约190万公里的火星上着陆。这辆车没有在火星表面缓慢爬行的司机。它由地球上的工程师通过虚拟现实系统来操作。
虚拟现实应用
1.用于脑外科手术规划的双手空间接口工具
美国弗吉尼亚大学推出了一款名为Netra的双手空间接口工具，可用于脑部手术规划。根据脑外科医生的工作环境和习惯，系统采用了一个酷似人头的控制器。脑外科医生根据自己的专业习惯，通过转动外接头的控制器，可以方便地观察人脑的不同部位，同时通过右手控制面板的平面控制人脑表面被剥离的扫描井，从而可以根据CT或强磁振动图像生成的主脑模型，显示具有彩色观察视点的真实图像。
2.虚拟环境用于治疗恐高症。
英国开发的一个虚拟现实系统可以产生以下虚拟环境:①透明的玻璃电梯，②高层建筑的阳台，断层上方的@电缆桥。为了增加真实感，患者除了佩戴可以产生三维场景的头盔显示器外，还必须站在一个特殊的框架中。调节电梯、阳台、电缆桥架的高度，可以产生不同程度的刺激。
3.虚拟风洞
德国国家信息技术研究中心的Kruger等人建立了一个所谓的“虚拟风继承人”来代替风洞实验(因为风洞实验昂贵且难以控制)。在虚拟风洞中，模拟数据来自运行在超级计算机或高性能工作站上的有限元程序。利用虚拟风洞，观测者可以通过佩戴液晶开关眼镜方便地观测到给定的点和线，还可以通过放大进行更细致的研究，极大地方便了人们对物体动态特性的研究。
4.封闭式格斗训练器
CCTT(closed Combat Training Device)是Masta Gurley等人为美军研制的模拟装置，用于坦克和机械化步兵在实际地形上进行演习。它不同于通常的虚拟环境和模拟器，需要构建适合军事训练的大规模复杂虚拟环境。
5.虚拟现实技术在建筑设计中的应用
虚拟现实技术也广泛应用于建筑设计中。克鲁格等人在他们发明的虚拟工作平台上展示了他们设计的未来建筑。建筑师们聚在一起，通过液晶眼镜看到设计好的三维建筑，并方便地添加或删除部分建筑或其他物体。同时也可以通过数据手套设置不同的光源。模拟不同时间的阳光和月光。观察所设计的建筑在不同光线下的美感以及与整体环境的协调性。
地理信息系统
地理信息系统(GIS)是基于地理图形的关于人口、矿产资源、森林、旅游等资源的综合信息管理系统。它在发达国家得到了广泛的应用，我国也对其进行了广泛的研究和应用。在地理信息系统中，利用计算机图形技术制作各种资源的高精度图形，包括地理图、地形图、森林分布图、人口分布图、矿产分布图、气象图、水资源分布图等。地理信息系统为管理和决策者提供了非常有效的支持。
总之，虚拟现实技术是一门跨学科、综合性的新技术。因此，它的发展将依赖于相关科学技术的发展和进步。虚拟现实技术最基本的要求是场景的实时反映和真实性。但一般来说，实时性和真实性往往是矛盾的。
用户界面
用户界面是计算机系统中人与计算机之间交流的重要组成部分。20世纪80年代，基于WIMP(窗口、图标、菜单、鼠标)的图形用户界面(GUD)极大地提高了计算机的可用性、可学性和有效性，并迅速取代了以命令行为为代表的字符界面，成为当今计算机用户界面的主流。以用户为中心的系统设计思想，增强人机交互的自然性，提高人机交互的效率和带宽是用户界面的研究方向。于是多通道用户界面的概念被提出，它包括语言、手势输入、头部跟踪、视觉跟踪、立体显示、三维交互技术、感官反馈和自然语言界面。可以说，人体的表面就是人机界面。人体的任何部位都应该是人机对话的通道。虚拟现实显示是关键，不仅需要软件实现，还需要硬件实现。总结起来，虚拟现实的人机交互通道可以分为两个方面:主感官通道和主动作通道。
虚拟现实的发展需求必将推动计算机图形学各个学科的发展。同样，虚拟现实的发展也会依赖于其他学科的发展，计算机图形学的前景是诱人的。形势紧迫(中国还比较落后)，但差距还是可以通过努力缩短的。