學科歷史
1963年，伊凡·蘇澤蘭(Ivan Sutherland)在麻省理工學院發表了名為《畫板》的博士論文，
它標誌著計算機圖形學的正式誕生。至今已有四十多年的歷史。此前的計算機主要是符號處理系統，自從有了計算機圖形學，計算機可以部分地表現人的右腦功能了，所以計算機圖形學的建立具有重要的意義。計算機圖形學在如下幾方面有了長足的進展：
智慧型CAD
CAD的發展也顯現出智慧型化的趨勢，就大多數流行的CAD軟體來看，主要功能是支持產品的後續階段一一工程圖的繪製和輸出，產品設計功能相對薄弱，利用AutoCAD最常用的功能還是互動式繪圖，如果要想進行產品設計，
最基本的是要其中的AutoLisp語言編寫程式，有時還要用其他高級語言協助編寫，很不方便。而新一代的智慧型CAD
系統可以實現從概念設計到結構設計的全過程。例如，德國西門子公司開發的SigraphDesign軟體可以實現如下功能：①
從一開始就可以用計算機設計草圖，不必耗時費力的輸入精確的坐標點，能隨心所欲的修改，一旦結構確定，給出正確的尺寸即得到滿意的圖紙；②這個軟體中具有關係數據結構，
當你改變圖紙的局部，相關部分自動變化，在一個視圖上的修改，其他視圖自動修改，甚至改變一個零件圖，相關的其它零件圖以及裝配圖的相關部分自動修改：③
在各個專業領域中，有一些常用件和標準件，
因此，希望有一個參數化圖庫。而Sigraph不用編程只需畫一遍圖就能建成自己的圖庫；④Sigraph還可以實現產品設計的動態模擬用於觀察設計的裝置在實際運行中是否合理等等。智慧型CAD的另一個領域是工程圖紙的自動輸入與智慧型識別，隨著CAD技術的迅速推廣套用，各個工廠、設計院都需將成千上萬張長期積累下來的設計圖紙快速而準確輸入計算機，作為新產品開發的技術資料。多年來，CAD
中普遍採用的圖形輸入方法是圖形數位化儀互動輸入和滑鼠加鍵盤的互動輸入方法．很難適應工程界大量圖紙輸入的迫切需要。因此，
基於光電掃瞄器的圖紙自動輸入方法已成為國內外CAD工作者的努力探索的新課題。但由於工程圖的智慧型識別涉及到計算機的硬體、計算機圖形學、模式識別及人工智慧等高新技術內容，使得研究工作的難點較大。工程圖的自動輸入與智慧型識別是兩個密不可分的過程，用掃瞄器將手繪圖紙輸入到計算機後，形成的是點陣圖象。CAD中只能對矢量圖形進行編輯，這就要求將點陣圖象轉化成矢量圖形．而這些工作都讓計算機自動完成．這就帶來了許多的問題．如①
圖象的智慧型識別；②字元的提取與識別；③圖形拓撲結構的建立與圖形的理解；④實用化的後處理方法等等。國家自然科學基金會和863計畫基金都在支持這方面的研究，國內外已有一些這方面的軟體付諸實用，如美國的RVmaster，德國的VPmax，以及清華大學，東北大學的產品等。但效果都不很理想．還未能達到人們企盼的效果。
美術與設計
2.1計算機美術的發展
1952年．美國的Ben．Laposke用模擬計算機做的波型圖《電子抽象畫》預示著電腦美術的開始(比計算機圖形學的正式確立還要早)。計算機美術的發展可分為三個階段：
代表作品：1960年Wiuiam
Ferrter為波音公司製作的人體工程學實驗動態模擬．模擬飛行員在飛機中各種情況；1963年KennethKnow
Iton的印表機作品《裸體》。1967年日本GTG小組的《回到方塊》。
倫敦第一次世界計算機美術大展一“控制論珍寶(Cybernehic
Serendipity1為標誌，進入世界性研究與套用階段；計算機與計算機圖形技術逐步成熟，一些大學開始設定相關課題，出現了一些CAD套用系統和成果，
三維造型系統產生並逐漸完善。代表作品：1983年美國IBM研究所Richerd
Voss設計出分形山(可到網站“分形頻道hrtp：ttfracta1．126．tom中查找有關“分形”的知識)
個人計算機圖形系統逐漸走向成熟，
大批商業性美術(設計)軟體面市；以蘋果公司的MAC機和圖形化系統軟體為代表的桌面創意系統被廣泛接受，CAD成為美術設計領域的重要組成部分。代表作品：1990年JefreyShaw的互動圖形作品“易讀的城市fThelegiblecity)
。
計算機設計學
(ComputerDesignics)
包括三個方面：環境設計(建築、汽車)、視覺傳達設計(包裝)、產品設計。
CAD對藝術的介入，分三個套用層次。
計算機動畫藝術
歷史的回顧
計算機動畫技術的發展是和許多其它學科的發展密切相關的。計算機圖形學、計算機繪畫、計算機音樂、計算機輔助設計、電影技術、電視技術、計算機軟體和硬體技術等眾多學科的最新成果都對計算機動畫技術的研究和發展起著十分重要的推動作用50年代到60年代之間，大部分的計算機繪畫藝術作品都是在印表機和繪圖儀上產生的。一直到60年代後期，才出現利用計算機顯示點陣的特性，通過精心地設計圖案來進行計算機藝術創造的活動。
70年代開始，計算機藝術走向繁榮和成熟。1973年，在東京索尼公司舉辦了“首屆國際計算機藝術展覽會”80年代至今，計算機藝術的發展速度遠遠超出了人們的想像
在代表計算機圖形研究最高水平的歷屆SIGGRAPH年會上，精彩的計算機藝術作品層出不窮。另外，在此期間的奧斯卡獎的獲獎名單中，採用計算機特技製作電影頻頻上榜，大有捨我其誰的感覺。在中國，首屆計算機藝術研討會和作品展示活動於1995年在北京舉行
它總結了計算機藝術在中國的發展，對未來的工作起到了重要的推動作用。
電影特技
計算機動畫的一個重要套用就是製作電影特技
可以說電影特技的發展和計算機動畫的發展是相互促進的。1987年由著名的計算機動畫專家塔爾曼夫婦領導的MIRA實驗室製作了一部七分鐘的計算機卡通片《相會在蒙特婁》再現了國際影星瑪麗蓮·夢露的風采。1988年，美國電影《誰陷害了兔子羅傑》(WhoFramedRoger
Rabbit?)中二維動畫人物和真實演員的完美結合，令人瞠目結舌、嘆為觀止
其中用了不少計算機動畫處理。1991年美國電影《終結者II：世界末日》展現了奇妙的計算機技術。此外，還有《侏羅紀公園》(JurassicPark)、《獅子王》、《玩具總動員》(ToyStory)等。
國內情況中國第一部cg動畫電影《魔比斯環》我國的計算機動畫技術起步較晚。1990年的第11屆亞洲運動會上，首次採用了計算機三維動畫技術來製作有關的電視節目片頭。從那時起，計算機動畫技術在國內影視製作方面得到了迅速的發展，繼而以3DStudio
為代表的三維動畫微機軟什和以Photostyler、Photoshop等為代表的微機二維平面設計軟體的普及，對我國計算機動畫技術的套用起到了推波助讕的作用。2006年由環球數碼製作了中國第一部3D動畫電影《魔比斯環》[1]。
計算機動畫的套用領域十分寬廣除了用來製作影視作品外，在科學研究、視覺模擬、電子遊戲、工業設計、教學訓練、寫真仿真、過程控制、平面繪畫、建築設計等許多方面都有重要套用，如軍事戰術模擬
科學計算可視化
科學計算的可視化是已開發國家八十年代後期提出並發展起來的一門新興技術，它將科學計算過程中及計算結果的數據轉換為幾何圖形及圖象信息在螢幕上顯示出來並進行互動處理，成為發現和理解科學計算過程中各種現象的有力工具。
1987年2月英國國家科學基金會在華盛頓召開了有關科學計算可視化的首次會議。會議一致認為“將圖形和圖象技術套用於科學計算是一個全新的領域”
科學家們不僅需要分析由計算機得出的計算數據，而且需要了解在計算機過程中數據的變化。會議將這一技術定名為“科學計算可視化(VisualizationinScientific
Computing)”。科學計算可視化將圖形生成技術圖象理解技術結合在一起，
它即可理解送入計算機的圖象數據．也可以從複雜的多維數據中產生圖形。它涉及到下列相互獨立的幾個領域：計算機圖形學、圖象處理、計算機視覺、計算機輔助設計及互動技術等。科學計算可視按其實現的功能來分，
可以分為三個檔次：(1)結果數據的後處理；(2)結果數據的實時跟蹤處理及顯示；(3)結果數據的實時顯示及互動處理。
可視化現狀
這是美國國家宇航局(Ames)研究中心的研究項目，包括連線到一台超能計算機上的兩個虛擬螢幕。這一共享的分散式虛擬環境用來實現三維不穩定流場。兩個人協同工作，
可在一個環境中從不同視點和觀察方向同一流場數據。
這是美國國家超級計算機套用中心(NCSA)的研究項目．
是在互動分布環境下研究大氣流體的軟體。PHTHFINDER通過多個相聯繫的模型來研究暴風雨。
心臟CT數據的動態顯示
這也是NCSA的研究項目，它利用遠程的並行計算資源．用體繪製技術實現CT掃描三維數據場動態顯示。其具體內容是顯示一個狗的心臟跳動周期的動態圖像。
動態模型的可視化
這是美國西北大學的研究項目．可以顯示發生在非燒熱的氣體燃燒中複雜的空問瞬態圖象。火焰位於兩個同心圓柱之間．可燃混合氣體從內圓柱注入，燃燒所生成的物質通過外圓柱送出。
依利諾大學芝加哥分校研製了一個在工作站和超級計算機上實現的可視億套用軟體。其內容是對一個七周的人類胚胎實現互動的三維顯示，是由衛生和醫學國家博物館所得到的數據重構而成的。這一項目表示了對人類形態數據實現遠程訪問和在網路資源中實現分布計算的可能性。美國還將做整個人體的可視化，
他們將兩個自願者(一男一女)做成了切片，男的被切了1780片，厚度約1毫米，女的被切了5400片，
厚度約O．3毫米，數據量很大。概括起來有以下幾點：
空氣動力學、數學、醫學圖象等領域。科學計算可視化的技術水平正在從後處理向實時跟蹤和互動控制發展。
虛擬現實
“虛擬現實”(VirtualReality)-詞是由美國噴氣推動實驗室(VPL)的創始人拉尼爾(Jaron
Lanier)首先提出的在克魯格(Myren
Kruege)70年代中早期實驗裡．被稱為人工現實”(Artificialreality)；而在吉布森(WilliamGibson)l984
年出版的科幻小說Neuremanccr里，又被稱為“可控空間”(Cyberspaee)。虛擬現實，也育人稱之為虛擬環境(Virtual
Environment)是美國國家航空和航天局及軍事部門為模擬而開發的一門高新技術它利用計算機圖形產生器，位置跟蹤器，多功能感測器和控制器等有效地模擬實際場景和情形，從而能夠使觀察者產生一種真實的身臨其境的感覺虛擬環境由硬體和軟體組成，硬體部分主要包括：感測器(Sensors)、印象器(Efeeter)和連線侍感器與印象器
產生模擬物理環境的特殊硬體。利用虛擬現實技術產生虛擬現實環境的軟體需完成以下三個功能：建立作用器(Actors)以及物體的外形和動力學模型：建立物體之間以及周圍環境之間接照牛頓運動定律所決定的相互作用；描述周圍環境的內容特性
虛擬現實，是指由計算機實時生成一個虛擬的三維空間。這個空間可以是小到分子、原子的微觀世界，或是大到天體的巨觀世界，也可以是類似於真實社會的生活空間。它可以亂真，所以又稱之為虛擬現實。用戶可以在這個三維空間中“自由”地走動，隨意地觀察，並可通過一些設備與其中的虛擬景物進行互動操作。互動是多通道的，自然的，用以傳遞信息的可以是一個手勢、一個眼神，也可以是一個表情等。在此環境中，用戶看到的是由計算機生成的逼真圖像，聽到的是虛擬環境中的聲音，身體感受到的是虛擬環境所反饋的作用力，由此產生身臨其境的感覺。
虛擬現實技術主要研究用計算機模擬（構造）三維圖形空間，並使用戶能夠自然地與該空間進行互動。它涉及很多科學的知識，對三維圖形處理技術的要求特別高。簡單的虛擬現實系統早在70年代便被套用于軍事領域，訓練駕駛員。80年代後隨著計算機軟硬體技術的提高，它也得到重視並迅速發展。它已在航空航天、醫學、教育、藝術、建築等領域得到初步的套用。例如，1997年7月，美國航天局的旅居者號火星車著陸距地球約1.9億公里的火星。這輛在火星表面緩慢爬行的小車中並沒有駕駛員，它是由地球上的工程師通過虛擬現實系統操縱的。
虛擬現實套用
5．1．1用於腦外科規劃的雙手操作空間接口工具
美國弗尼亞大學推出了一種能用於腦外科規劃的被稱為Netra的雙手操作空間接口工具
根據腦外科醫生的工作環境和習慣，該系統採用一種外形象人頭的控制器。腦外科醫生可以根據他們的職業習慣，通過轉動外形象人頭的控制器，來方便地觀察人腦的不部位，
同時通過右手控制臺的平面來控制人腦的剝面的掃描井能根據CT或強磁共振圖像所產生的主體腦模型顯示所需得到觀察視點著色後的真實圖像。
5．1．2虛擬環境用於恐高症治療
英國研製的一個虛擬現實系統可以產生以下虛擬環境：①透明的玻璃電梯，②
高層建筑陽台．@位於蛺咎之上的索橋。為了增加真實的感覺，患者除了佩戴能夠產生三維立體景象的頭盔式顯示器外，還必須站在一個特製的框架內。調節電梯、．陽台和索橋的高度就可以產生不同程度的刺激。
5．1．3虛擬風洞
德國信息技術國家研究中心的克魯格等人建立了一個所謂的“虛擬風嗣
，用以代替風洞實驗(因風洞實驗成本高，且實驗難以控制)。在虛擬風洞中，其模擬的數據來自超級計算機或高性能工作站上運行的有限元程式。利用虛擬風洞，觀測者通過佩戴液晶開關眼鏡可以方便地對於給定的點和線進行觀察，而且還可以通過放大的方式進行更細緻的研究，大大方便了人們對於物體動力中特性的研究。
5．1．4封閉式戰鬥作戰訓練器
封閉式戰鬥作戰訓練器(CCTT)是馬斯塔格利等人為美軍研製的用於坦克和機械化步兵在實際地形上進行演習的模擬裝置。它與通常的虛擬環境和模擬器不同，它需要建立的是適用於軍隊訓練的大規模複雜的虛擬環境。
5．1．5虛擬現實技術在建築設計中套用
虛擬現實技術還被廣泛用於建築設計。克魯格等將他們設計的未來建築顯現在他們發明的虛擬工作平台上，建築學家們聚集在一起透過所佩戴的液晶眼鏡，可以看到設計的立體建築，井方便地增添或移去建築的一部分或其它物體。同時也可以通過數據手套來設定不同的光源．模擬不同時間的日光和月光．觀察在不同光線下所設計建築的美感以及與整個環境的協調性。
地理信息系統
地理信息系統(GIS:
GeographicalInformationSystem）是建立在地理圖形之上的關於人口、礦藏、森林、旅遊等資源的綜合信息管理系統。它在已開發國家中[2]已得到廣泛套用，我國也對其開展了廣泛的研究與套用。在地理信息系統中，計算機圖形學技術被用來產生高精度的各種資源的圖形，包括地理圖、地形圖、森林分布圖、人口分布圖、礦藏分布圖、氣象圖、水資源分布圖等等。地理信息系統為管理和決策者提供非常有效的支持。
總之．虛擬現實技術是一門多學科交叉和綜合集成的新技術。因此，它的發展將取決於相關科學技術的發展和進步
虛擬現實技術最基本的要求就是反映的實時性和場景的真實性。但一般來說，實時性與真實性往往是相互矛盾的。
用戶界面
用戶界面是計算機系統中人與計算機之間相互通訊的重要組成部分。八十年代以WIMP(視窗、圖符、選單、滑鼠)為基礎的圖形用戶界面(GUD極大地改善了計算機的可用性、可學性和有效性，迅速代替了命令行為代表的字元界面，成為當今計算機用戶界面的主流。以用戶為中心的系統設計思想．增進人機互動的自然性，提高人機互動的效率和頻寬是用戶界面的研究方向。於是提出了多通道用戶界面的思想，它包括語言、姿勢輸入、頭部跟蹤、視覺跟蹤、立體顯示、三維互動技術、感覺反饋及自然語言界面等。可以這樣說人體的表面就是人機界面。人體的任何部分都應成為人機對話的通道。虛擬現實顯示是關鍵所在，這不僅要求軟體來實現，更主要的是硬體上的實現。概括起來虛擬現實的人機互動通道可分為兩個方面：主要的感覺通道和主要作用通道。
虛擬現實的發展要求必將帶動計算機圖形學各學科的發展。同樣虛擬現實的發展也將依賴於其他學科的發展，計算機圖形前景誘人。形勢逼人(我國還比較落後)，但通過努力還是可以縮短差距的。
研究內容
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。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，另一類是類似於照片的明暗圖(Shading)，也就是通常所說的真實感圖形。
可以說，計算機圖形學的一個重要研究內容就是要利用計算機產生令人賞心悅目的真實感圖形。計算機圖形學與另一門學科－計算機輔助幾何設計有著密切的關係。事實上，圖形學也把可以表示幾何場景的曲線曲面造型技術和實體造型技術作為其重要的研究內容。同時，真實感圖形計算的結果是以數字圖象的方式提供的，計算機圖形學也就和圖象處理有著密切的關係。圖形與圖象兩個概念間的區別越來越模糊，但我們認為還是有區別的：圖象純指計算機內以點陣圖(Bitmap)形式存在的灰度信息。
計算機圖形學的研究內容非常廣泛，如圖形硬體、圖形標準、圖形互動技術、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。作為一本面向計算機專業本科生和非計算機專業研究生的圖形學教材，本書著重討論與光柵圖形生成、曲線曲面造型和真實感圖形生成相關的原理與算法。
主要組成
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。從構成要素上看，圖形主要分為兩類，一類是幾何要素在構圖中具有突出作用的圖形，如工程圖、等高線地圖、曲面的線框圖等，另一類非幾何要素在構圖中具有突出作用的圖形，如明暗圖、暈渲圖、真實感圖形等。
主要目的
計算機圖形學一個主要的目的就是要利用計算機產生令人賞心悅目的真實感圖形。為此，必須建立圖形所描述的場景的幾何表示，再用某種光照模型，計算在假想的光源、紋理、材質屬性下的光照明效果。所以計算機圖形學與另一門學科計算機輔助幾何設計有著密切的關係。事實上，圖形學也把可以表示幾何場景的曲線曲面造型技術和實體造型技術作為其主要的研究內容。同時，真實感圖形計算的結果是以數字圖像的方式提供的，計算機圖形學也就和圖像處理有著密切的關係。
概念區分
圖形與圖像兩個概念間的區別越來越模糊，但還是有區別的：圖像純指計算機內以點陣圖形式存在的灰度信息，而圖形含有幾何屬性，或者說更強調場景的幾何表示，是由場景的幾何模型和景物的物理屬性共同組成的。
研究範圍
計算機圖形學的研究內容非常廣泛，如圖形硬體、圖形標準、圖形互動技術、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、非真實感繪製，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。
學科趨勢
計算機圖形學狹義上是一種研究基於物理定律、經驗方法以及認知原理，使用各種數學算法處理二維或三維圖形數據，生成可視數據表現的科學。它是計算機科學的一個分支領域與套用方向，主要關注數字合成與操作視覺的圖形內容。廣義上來看，計算機圖形學不僅包含了從三維圖形建模、繪製到動畫的過程，同時也包括了對二維矢量圖形以及圖像視頻融合處理的研究。
計算機圖形學經過將近40年的發展，已進入了較為成熟的發展期。其主要套用領域包括計算機輔助設計與加工，影視動漫，軍事仿真，醫學圖像處理，氣象、地質、財經和電磁等的科學可視化等。由於計算機圖形學在這些領域的成功運用，特別是在迅猛發展的動漫產業中，帶來了可觀的經濟效益。動漫產業是各國優先發展的綠色產業，具有高科技、高投入與高產出等特點。據統計，截至2009年3月，美國動畫夢工廠所拍攝的三維卡通片《怪物史萊克II》在預算為1.5億美元的情況下，獲得了超過9.2億的全球累計票房。而我國在2008年度共製作完成的國產電視卡通片249部，計131042分鐘，與2007年度相比增加了近28%。另一方面，由於這些領域套用的推動，也給計算機圖形學的發展提供了新的發展機遇與挑戰。
發展趨勢
從計算機圖形學學科發展來看，有以下幾個發展趨勢：
（1）與圖形硬體的發展緊密結合，突破實時高真實感、高解析度渲染的技術難點
圖形渲染是整個圖形學發展的核心。在計算機輔助設計，影視動漫以及各類可視化套用中都對圖形渲染結果的高真實感提出了很高的要求。同時，由於顯示設備的快速發展，人們要求能提供高清解析度（1920x1080），進一步要能達到數字電影所能播放的4K解析度(4096x2060)；色彩的動態範圍也希望從原來每個通道的8Bit提高到10bit及以上。雖然已有的圖形學方法已經能較為真實地再現各類視覺效果，然而為了能提供高解析度高動態的渲染效果，必須消耗非常可觀的計算能力。一幀精美的高清解析度圖像，單機渲染往往需要耗費數小時至數十小時。為此，傳統方法主要採用分散式系統，將渲染任務分配到集群渲染節點中。即使這樣，也需要使用上千台計算機，耗費數月時間才能完成一部標準90分鐘長度的影片渲染。
基於GPU的圖形硬體技術得以發展迅速，已經能在一個GPU晶片上採用64nm工藝集成上千個採用SIMD（單指令多數據流）架構的通用計算核心。而2009年底，主流圖形硬體商nVidia和AMD以及Intel還會推出基於MIMD（多指令多數據流）計算核心的GPU晶片用於圖形加速繪製，以支持DirectX
11以及OpenGL
3.0圖形標準。最新的圖形學研究，採用GPU技術可以充分利用計算指令和數據的並行性，已可在單個工作站上實現百倍於基於CPU方法的渲染速度。
然而已知的實現方法，其實現效果還較為初步，無法實現複雜的視覺特效，離實時的高真實感渲染還有很大差距。其主要原因是：（i）缺乏良好的數據組織方法，基於GPU方法由於硬體的架構原因，數據組織無法如同CPU方法一樣的組織，因此對複雜的數據結構仍無法得到很好地支持。（ii）缺乏標準高效的GPU高層程式語言、編譯器以及相應調試工具,（iii）由於以上兩個問題，無法完整地實現適於電影渲染製作的RenderMan標準，以及其他各類基於物理真實感的渲染算法。因此，如何充分利用GPU的計算特性，結合分散式的集群技術，解決以上這些難題，從而來構造低功耗的渲染服務是圖形學的未來發展趨勢之一。（本段主要根據周昆博士所作發言總結）
（2）研究和諧自然的三維模型建模方法
三維模型建模方法是計算機圖形學的重要基礎，是生成精美的三維場景和逼真動態效果的前提。然而，傳統的三維模型方法，由於其主要思想方法來源於CAD中基於參數式調整的形狀構造方法，建模效率低而學習門檻高，不易於普及和讓非專業用戶使用。而隨著計算機圖形技術的普及和發展，各類用戶都提出了高效的三維建模需求，因此研究和諧自然的三維建模方法是發展的一個重要趨勢。
採用合適的互動手段，來進行三維模型的快速構造，特別是套用於概念設計和建築設計領域已引起了國際同行的廣泛關注。由於筆式或草圖互動方式，非常符合人類原有日常生活中的思考習慣，是研究的重點問題。其難點是根據具體的套用領域，與視覺方法相融合，如何設計合理的互動語彙以及對應的過程式“識別-構造”方法。
與此相關的一個問題是基於規則的過程式建模方法。由於Google
Earth等數字地圖信息系統的廣泛套用，對於地圖之上的建築物信息等存在迫切需求。為此，研究者希望通過雷射掃描或者視頻等獲取方式獲得相關信息後能迅速地重建出相關三維模型信息。然而單純的重建方式存在精度低、穩定性差和運算量大等不足，遠未能滿足實際的需求。因此，最近的研究中，傾向於採用基於規則的過程式建模方法相結合來嘗試高效地構造出三維建築模型，以及相關的樹木等結構化場景。
三維建模方法中的另一主要問題是研究合適的曲面表達方法，以適於各類圖形學的套用。在CAD的主流方法是採用NURBS（非均勻有理B-樣條）方法，然而此類方法無法很好解決非正規情況下的曲面拼合，不甚適合於圖形學。為此，細分曲面方法，作為一種離散疊代的曲面構造方法，由於其構造過程樸素簡單以及實現容易，是一個方興未艾的研究熱點，而且極有可能逐步取代NURBS方法。主要需要解決的問題有：（i）奇異點處的C連續性的有效構造方法；(ii)與GPU圖形硬體相結合的曲面處理方法。
（3）利用日益增長的計算性能，實現具有高度物理真實的動態仿真
高度物理真實感的動態模擬，包括對各種形變、水、氣、雲、煙霧、燃燒、爆炸、撕裂、老化等物理現象的真實模擬，是計算機圖形學一直試圖達到的目標。這一技術是各類動態仿真套用的核心技術，可以極大地提高虛擬現實系統的沉浸感。然而高度物理真實性模擬，主要受限於計算機的處理能力和存儲容量限制，不能處理很高精度的模擬，也無法做到很高的回響速度。所幸的是，GPU技術帶來了革新這一技術的可能。充分利用GPU硬體內部的並行性，研究者開始普遍關注基於GPU的各類數學物理方程求解極其相關的有限元加速計算方法。主要研究關注焦點還是單個物理方法的GPU實現。然而，隨著nVidia推出了基於GPU的PhysX通用物理加速技術，以及Havok公司與AMD合作開發了通用物理中間件技術，相信未來可為高度物理真實的動態模擬提供新的研究機遇。
（4）研究多種高精度數據獲取與處理技術，增強圖形技術的表現
真實感的畫面與逼真動態效果，一種有效的解決途徑是採用各種高精度手段獲取所需的幾何、紋理以及動態信息。為此，研究者正在考慮對各個尺度上的信息進行獲取。小到物體表面的微結構、紋理屬性和反射屬性通過研製特殊裝置予以捕獲與處理，或採用一組同攝像機來獲取演員的幾何形體與動態，大到採用雷射掃描獲取整幢建築物的三維數據。這裡主要研究的三個問題是：（a）圖形獲取設備的設計與實現，這是與計算機視覺、硬體、軟體相關的系統工程研究問題；（b）由於一般獲取的數據均極為龐大且附加了各種噪聲與冗餘信息，如何進行處理與壓縮以適合於圖形學套用是主要問題；（c）一旦獲取相關的數據，如何進行重用是一個主要課題，因此使得基於數據驅動的方法，與機器學習相交叉的圖形學方法是最近的研究熱點。
（5）計算機圖形學與圖像視頻處理技術的結合
家用數字相機和攝像機的日益普及，對於數字圖像與視頻數據處理成為了計算機研究中的熱點問題。而計算機圖形學技術，恰可以與這些圖像處理，視覺方法相交叉融合，來直接地生成風格化的畫面，實現基於圖像三維建模，以及直接基於視頻和圖像數據來生成動畫序列。當計算機圖形學正向地圖像生成方法和計算機視覺中逆向地從圖像中恢復各種信息方法相結合，可以帶來無可限量的想像空間，構造出很多視覺特效來，最終用於增強現實、數字地圖、虛擬博物館展示等多種套用中去。
（6）從追求絕對的真實感向追求與強調圖形的表意性轉變
計算機圖形學在追求真實感方向的研究發展已進入一個發展的平台期，基本上各種真實感特效在不計較計算代價的前提下均能較好得以重現。然而，人們創造和生成圖片的終極目的不僅僅是展現真實的世界，更重要的是表達所需要傳達的信息。例如，在一個所需要描繪的場景中每個對象和元素都有其相關需要傳達的信息，可根據重要度不同可採用不同的繪製策略來進行分層渲染再加以融合，最終合成具有一定表意性的圖像。為此，研究者已經開始研究如何與圖像處理、人工智慧、心理認知等領域相結合，探索合適表意性圖形生成方法。而這一技術趨勢的興起，實際上延續了已有的非真實感繪製研究中的若干進展，必將在未來有更多的發展。
領域專家
JacquesBertin
StuartCard
ThomasA.DeFanti
麥可·弗蘭德利
NigelHolmes
Alan
MacEachren
JockD.Mackinlay
MichaelMaltz
BruceH.McCormick
CharlesJosephMinard
OttoNeurath
WilliamPlayfair
CliffordA.Pickover
ArthurH.Robinson
LawrenceJ.Rosenblum
AdolpheQuetelet
GeorgeG.Robertson
BenShneiderman
EdwardTufte
學科教材
作 者：(美)(PeterShirley)
出版社：人民郵電出版社
出版時間：2007
開本：16
定價:49.00元
本書是國外高校採用率很高的計算機圖形學教材，共分為26章，全面系統地講解了計算機圖形學的基本概念和相關技術。書中先介紹圖形學相關的數學知識，然後依次講解圖形學的光柵算法、三維觀察、隱藏面消除、光照、紋理、繪製等算法和理論，並介紹可視感知、計算機動畫、基於圖像的繪製、可視化以及構建互動式圖形套用等。本書可作為信息技術等相關專業本科生、研究生計算機圖形學課程的教材，也可以作為計算機圖形學工作者的參考用書。
內容簡介
本書為普通高等教育“十一五”國家級規劃教材，主要介紹了計算機圖形學的基本概念、原理和算法，是作者根據長期從事計算機圖形學教學、科研取得的成果，並參考國內外出版的相關教材編寫而成的。
全書分為兩個部分：第一部分為二維圖形學，分為7章，包括計算機圖形學概述、VC++圖形程式設計、基本圖形生成算法、圖形變換的矩陣方法、圖形處理算法、圖形互動技術初步及圖形數據結構等內容；第二部分是三維圖形學的基本內容，分為4章，包括OpenGL簡介、三維幾何造型初步、三維圖形顯示與消隱算法及真實感圖形與可視化技術基礎等內容。本書基本涵蓋了計算機圖形學的主要內容，每章還附有習題，便於教學和自學。?
本書可作為普通高等院校本科生“計算機圖形學”課程的教材，也可供相關專業的工程技術人員參考。
簡介
本書全面系統地講解了計算機圖形學的基本概念和相關技術。書中先介紹圖形學相關的數學知識，然後依次講解圖形學的三維觀察、隱藏面消除、光照、紋理、繪製等算法和理論。
目錄
第1章引言1
1.1圖形學領域1
1.2主要套用1
1.3圖形學API2
1.4三維幾何模型2
1.5圖形流水線3
1.6數值問題3
1.7效率4
1.8軟體工程5
1.8.1單精度與雙精度5
1.8.2內聯5
1.8.3成員函式與非成員運算符6
1.8.4包含保護符6
1.8.5編譯調試7
1.8.6實驗性調試7
文獻註記7
第2章數學知識9
2.1集合與映射9
2.1.1逆映射10
2.1.2區間10
2.1.3對數11
2.2解二次方程12
2.3三角學12
2.3.1角12
2.3.2三角函式13
2.3.3三角函式公式14
2.4向量15
2.4.1向量運算16
2.4.2向量的笛卡兒坐標16
2.4.3點積17
2.4.4叉積18
2.4.5標準正交基與坐標系19
2.4.6從單向量建立正交基20
2.5二維隱式曲線20
2.5.1二維梯度21
2.5.2隱式二維直線23
2.5.3隱式二次曲線25
2.6二維參數曲線26
2.6.1二維參數直線26
2.6.2二維參數圓27
2.7三維隱式曲面27
2.7.1隱式曲面的法向量27
2.7.2隱式平面27
2.7.3隱式曲面上的三維曲線28
2.8三維參數曲線28
2.9三維參數曲面29
2.10線性插值30
2.11三角形30
2.11.1二維三角形30
2.11.2三維三角形33
常見問題34
文獻註記34
習題34
第3章光柵算法35
3.1光柵顯像35
3.2顯示器亮度和γ值36
3.3RGB顏色37
3.4α通道38
3.5直線繪製39
3.5.1基於隱式方程繪製直線39
3.5.2基於參數方程繪製直線42
3.6三角形光柵化43
3.7簡單眼走樣技術46
3.8圖像捕捉與存儲46
3.8.1掃瞄器和數碼攝像機47
3.8.2圖像存儲47
常見問題47
習題48
第4章信號處理49
4.1數字音頻：一維採樣50
4.2卷積51
4.2.1滑動平均52
4.2.2離散卷積52
4.2.3把卷積看作移位濾波器之和55
4.2.4與連續函式的卷積56
4.2.5離散—連續卷積58
4.2.6多維卷積59
4.3卷積濾波器61
4.3.1各種卷積濾波器61
4.3.2濾波器的性質63
4.4圖像信號處理66
4.4.1離散圖像濾波66
4.4.2圖像採樣中的反走樣技術67
4.4.3重構與重採樣68
4.5採樣理論71
4.5.1傅立葉變換72
4.5.2卷積與傅立葉變換74
4.5.3傅立葉變換舉例75
4.5.4採樣理論中的狄拉克脈衝76
4.5.5採樣與走樣76
4.5.6理想濾波器與實用濾波器80
習題81
第5章線性代數82
5.1行列式82
5.2矩陣84
5.2.1矩陣運算84
5.2.2矩陣形式的向量運算86
5.2.3矩陣與行列式86
5.2.4計算逆矩陣88
5.2.5線性方程組89
5.2.6特徵值及矩陣對角化89
5.2.7奇異值分解91
常見問題91
文獻註記92
習題92
第6章矩陣變換93
6.1基本二維變換93
6.1.1縮放93
6.1.2切變94
6.1.3鏇轉95
6.1.4反射96
6.1.5二維變換組合97
6.1.6二維變換分解98
6.2基本三維變換101
6.2.1任意三維鏇轉101
6.2.2法向量變換102
6.3平移103
6.4變換矩陣的逆106
6.5坐標變換106
常見問題108
文獻註記108
習題108
第7章觀察109
7.1繪製標準視體109
7.2正射投影111
7.3透視投影114
7.4透視變換的性質118
7.5視域119
常見問題119
文獻註記120
習題120
第8章隱藏面消除121
8.1BSP樹121
8.1.1BSP樹算法概述121
8.1.2構造BSP樹124
8.1.3分割三角形126
8.1.4最佳化BSP樹127
8.2z緩衝器127
8.2.1z緩衝器算法127
8.2.2整數z緩衝器128
常見問題129
習題129
第9章表面明暗處理130
9.1漫反射明暗處理130
9.1.1朗伯明暗處理模型130
9.1.2環境明暗處理131
9.1.3基於頂點的漫反射明暗處理131
9.2Phong明暗處理132
9.2.1Phong光照模型132
9.2.2表面法線向量插值134
9.3藝術化明暗處理134
9.3.1線圖134
9.3.2冷暖明暗處理135
常見問題136
習題136
第10章光線跟蹤137
10.1基本光線跟蹤算法137
10.2計算觀察光線138
10.3光線與物體相交139
10.3.1光線與球相交139
10.3.2光線與三角形相交140
10.3.3光線與多邊形相交142
10.4光線跟蹤程式142
10.5陰影144
10.6鏡面反射144
10.7折射145
10.8實例化147
10.9次線性的光線與物體相交148
10.9.1包圍盒149
10.9.2層次包圍盒151
10.9.3均勻空間子分法154
10.9.4二叉空間劃分法155
10.10構造實體幾何156
10.11分散式光線跟蹤156
10.11.1反走樣157
10.11.2軟陰影157
10.11.3景深159
10.11.4光澤反射160
10.11.5運動模糊160
常見問題161
習題161
第11章紋理映射162
11.1三維紋理映射162
11.1.1三維條紋紋理162
11.1.2紋理數組163
11.1.3實體噪聲165
11.1.4擾動166
11.2二維紋理映射167
11.3鑲嵌模型168
11.4光柵化三角形的紋理映射169
11.5凹凸紋理172
11.6置換映射172
11.7環境映照173
11.8陰影圖174
常見問題174
文獻註記175
習題175
第12章完整的圖形流水線176
12.1裁剪176
12.2流水線中裁剪部分的位置176
12.2.1在透視除法後的裁剪（選項3）177
12.2.2在變換前裁剪（選項1）178
12.2.3在齊次坐標系中裁剪（選項2）179
12.2.4用平面裁剪179
12.3擴展的圖形流水線180
12.3.1剔除180
12.3.2光照和明暗處理180
12.4背向面刪除180
12.5三角形條帶和三角形扇區180
12.6保留狀態181
12.7完整的圖形流水線181
常見問題182
文獻註記182
習題182
第13章圖形學的數據結構183
13.1三角形格線183
13.2翼邊數據結構183
13.3場景圖184
13.4平鋪多維數組186
13.4.1二維數組的一層平鋪187
13.4.2示例：三維數組的兩層平鋪188
常見問題189
文獻註記189
習題189
第14章採樣190
14.1積分190
14.1.1度量和均值191
14.1.2示例：二維平面中直線的度量191..
14.1.3示例：三維空間中直線的度量193
14.2連續機率194
14.2.1一維連續機率密度函式194
14.2.2一維期望194
14.2.3多維隨機變數194
14.2.4方差195
14.2.5估計均值196
14.3蒙特卡羅積分196
14.4選擇隨機點197
14.4.1求反函式198
14.4.2拒絕200
14.4.3Metropolis200
14.4.4示例：在正方形上選擇隨機直線201
常見問題203
文獻註記204
習題204
第15章曲線205
15.1曲線205
15.1.1參數化和重新參數化206
15.1.2分段的參數表達式207
15.1.3樣條208
15.2曲線的性質209
15.3多項式片段210
15.3.1多項式的表示210
15.3.2線段211
15.3.3超線段212
15.3.4三次方程的基矩陣214
15.3.5混合函式214
15.3.6插值多項式214
15.4片段連線215
15.4.1節點215
15.4.2使用獨立的片段216
15.4.3連線線段216
15.5三次多項式217
15.5.1自然三次多項式218
15.5.2埃爾米特三次多項式219
15.5.3基數三次多項式219
15.6擬合曲線221
15.6.1貝塞爾曲線222
15.6.2B樣條曲線226
15.6.3非均勻B樣條曲線230
15.6.4非均勻有理B樣條曲線232
15.7小結233
文獻註記233
習題233
第16章計算機動畫235
16.1動畫原理236
16.1.1時間控制236
16.1.2動作布局236
16.1.3動畫技術237
16.1.4人工控制與自動化方法238
16.2關鍵幀238
16.2.1運動控制240
16.2.2鏇轉插值242
16.3變形244
16.4角色動畫245
16.4.1面部動畫249
16.4.2運動捕捉250
16.5基於物理的動畫251
16.6過程技術253
16.7對象群255
文獻註記257
第17章使用圖形硬體258
17.1什麼是圖形硬體258
17.2從硬體角度描述幾何模型259
17.3幾何模型轉化為像素263
17.3.1設計流水線264
17.3.2基本執行模型265
17.3.3頂點著色器示例267
17.3.4片段著色器示例269
17.3.5GPU上的通用計算270
常見問題271
文獻註記271
習題271
第18章構建互動式圖形應用程式272
18.1擊球程式272
18.2編程模型274
18.2.1控制驅動的編程274
18.2.2事件驅動的編程276
18.2.3事件驅動的擊球程式280
18.2.4實現文獻註記282
18.2.5小結284
18.3模型—視圖—控制器體系結構284
18.3.1模型—視圖—控制器框架284
18.3.2將MVC套用於擊球程式285
18.3.3利用MVC擴充擊球程式289
18.3.4MVC組件之間的互動作用290
18.3.5套用MVC概念291
18.4實現示例291
圖書
書名:計算機圖形學(21世紀高等院校規劃教材)
ISBN:750842898
作者:銀紅霞//杜四春//蔡立軍
出版社:中國水利水電出版社
定價:26
頁數:260
出版日期:2005-5-1
版次:
開本:小16開
包裝:平裝
簡介:本書詳細雨介紹了計算機圖形學的基本原理、理論、數學方法、算法及計算機圖形系統。內容包括計算機圖形系統、計算機圖形學的基本算法、裁剪與變換、自由曲線和曲面、幾何造型、隱藏線和面的消除、真實感圖形顯示等。書後有3個附錄，內容包括圖形變換的數學基礎、三套模擬試題及參考答案、課程實驗指導和課程實驗參考解決方案。
本書可以作為高等學校計算機及相近專業的教材，或作為計算機圖形學的培訓、自學教材；也可供從事計算機圖形學或相關領域研究的技術人員參考。
本書為授課教師和讀者免費提供PowerPoint電子教案，教師可以根據教學需要任意修改。
目錄:
序
前言
第1章緒論
1.1計算機圖形學的研究內容
1.2計算機圖形學與圖像處理
1.3計算機圖形學的發展
1.4計算機圖形學的套用領域
習題一
第2章圖形系統
2.1圖形系統的組成
2.1.1圖形系統的功能
2.1.2圖形系統的分類
2.2圖形硬體設備
2.2.1圖形顯示設備
2.2.2圖形繪製設備
2.2.3圖形輸入設備
2.3圖形軟體系統
2.3.1圖形軟體的層次
2.3.2圖形軟體標準
2.3.3OpenGL簡介
習題二
第3章基本圖形生成算法
3.1生成直線的常用算法
3.1.1DDA畫線算法
3.1.2中點畫線算法
3.1.3Bresenham畫線算法
3.1.4直線屬性
3.2生成圓弧的常用算法
3.2.1圓的特性
3.2.2中點畫圓算法
3.2.3Bresenham畫圓算法
3.3區域填充
3.3.1區域的表示和類型
3.3.2掃描線多邊形填充算法
3.3.3邊填充算法
3.3.4種子填充算法
3.3.5圓域的填充
3.3.6區域填充屬性
3.4字元
3.4.1字元存儲與顯示
3.4.2字元屬性
3.5裁剪
3.5.1點的裁剪
3.5.2直線裁剪
3.5.3多邊形裁剪
3.5.4曲線裁剪
3.5.5字元裁剪
3.5.6三維圖形的裁剪
3.6反走樣
3.6.1光柵圖形的走樣現象
3.6.2常用反走樣技術
習題三
第4章圖形變換
4.1二維圖形幾何變換
4.1.1齊次坐標
4.1.2二維圖形的基本變換
4.1.3複合變換
4.2三維圖形幾何變換
4.2.1三維圖形的基本變換
4.2.2複合變換
4.3投影變換
4.3.1投影變換的基本概念
4.3.2平行投影
4.3.3透視投影
4.4坐標系統及其變換
4.4.1坐標系統
4.4.2模型變換
4.4.3觀察變換
4.4.4視窗-視區變換
習題四
第5章曲線和曲面
5.1參數表示曲線和曲面的基礎知識
5.1.1曲線和曲面的表示方法
5.1.2位置矢量、切矢量、法矢量、曲率與撓率
5.1.3樣條表示
5.2Hermite曲線
5.2.1n次參數多項式曲線
5.2.2三次Hermite曲線的定義
5.2.3三次Hermite曲線的矩陣表示
5.2.4三次Hermite曲線的算法
5.3Bezier曲線
5.3.1Bezier曲線的定義
5.3.2Bernstein基函式的性質
5.3.3Bezier曲線的性質
5.3.4Bezier曲線的生成
5.4B樣條曲線
5.4.1B樣條曲線的定義
5.4.2B樣條曲線的表示及性質
5.4.3B樣條曲線的生成
5.5Coons曲面
5.5.1參數曲面的基本概念
5.5.2Coons曲面的定義
5.5.3Coons曲面的拼合
5.6Bezier曲面
5.6.1Bezier曲面的定義及性質
5.6.2Bezier曲面的生成
5.7B樣條曲面
5.7.1B樣條曲面的定義
5.7.2B樣條曲面的生成
習題五
第6章幾何造型
6.1簡單幾何形體
6.1.1幾何元素的定義
6.1.2平面立體的拓撲關係
6.2形體的常用模型
6.2.1線框模型
6.2.2表面模型
6.2.3實體模型
6.3形體的常用表示方法
6.3.1分解表示
6.3.2構造表示
6.3.3邊界表示
習題六
第7章消隱
7.1基本概念
7.1.1消隱的定義
7.1.2消隱的分類
7.1.3消隱算法的基本原則
7.2畫家算法
7.2.1算法的基本思想
7.2.2深度優先權表的建立
7.3z緩衝區(z—Buffer)算法
7.3.1算法的基本思想
7.3.2算法的描述
7.3.3算法的改進
7.4掃描線z緩衝區算法
7.4.1算法的基本思想
7.4.2算法的描述
7.5光線追蹤算法
7.5.1算法的基本思想
7.5.2算法的描述
習題七
第8章真實圖形
8.1光照模型
8.1.1基本光學原理
8.1.2環境光
8.1.3漫反射光
8.1.4鏡面反射光和馮(Phong)反射模型
8.2明暗處理
8.2.1雙線性光強插值(Gouraud明暗處理
8.2.2雙線性法向插值(Phong明暗處理)
8.3紋理
8.3.1概述
8.3.2二維紋理域的映射
8.3.3三維紋理域的映射
8.3.4幾何紋理
8.4光線跟蹤
8.4.1基本光線跟蹤算法
8.4.2光線與物體的求交
8.4.3光線跟蹤算法的加速
習題八
附錄
附錄A圖形變換的數學基礎
一、矢量的定義及運算
二、矩陣的定義及運算
三、線性方程組的求解
附錄B模擬試題
模擬試題一
模擬試題二
模擬試題三
模擬試題一參考答案
模擬試題二參考答案
模擬試題三參考答案
附錄C課程實驗指導
一、課程實驗方案
二、課程實驗解決方案
參考文獻
