計(jì)算機(jī)圖形學(xué)( ，簡(jiǎn)稱CG)的內(nèi)容比較豐富，與很多學(xué)科都有交叉，因此筆者認(rèn)為是無法嚴(yán)格定義的。
在“Wiki百科”和“百度百科”上，對(duì)“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”的解釋為：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一種使用數(shù)學(xué)算法將二維或三維圖形轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)顯示器的柵格形式的科學(xué)。
簡(jiǎn)單地說，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容就是研究如何在計(jì)算機(jī)中表示圖形、以及利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形的計(jì)算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法。雖然通常認(rèn)為CG是指三維圖形的處理，事實(shí)上也包括了二維圖形及圖像的處理。
狹義地理解數(shù)字圖像處理主要內(nèi)容，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是數(shù)字圖像處理或計(jì)算機(jī)視覺的逆過程：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是用計(jì)算機(jī)來畫圖像的學(xué)科，數(shù)字圖像處理是把外界獲得的圖像用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理的學(xué)科，計(jì)算機(jī)視覺是根據(jù)獲取的圖像來理解和識(shí)別其中的物體的三維信息及其他信息。
注意，這些都是不確切的定義，實(shí)際上，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)字圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺在很多地方的區(qū)別不是非常清晰，很多概念是相通的，而且隨著研究的深入，這些學(xué)科方向不斷的交叉融入，形成一個(gè)更大的學(xué)科方向，可稱之為“可視計(jì)算”( )。這是后話，此處不詳述。
計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要內(nèi)容
在學(xué)科開創(chuàng)之初，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)要解決的是如何在計(jì)算機(jī)中表示三維幾何圖形,以及如何利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形的生成、處理和顯示的相關(guān)原理與算法，產(chǎn)生令人賞心悅目的真實(shí)感圖像。這是狹義的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的范疇。
隨著近40年的發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的內(nèi)容已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些了。廣義的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容非常廣泛，如圖形硬件、圖形標(biāo)準(zhǔn)、圖形交互技術(shù)、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實(shí)體造型、真實(shí)感圖形計(jì)算與顯示算法，以及科學(xué)計(jì)算可視化、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等。
根據(jù)筆者的理解，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)主要包含四大部分的內(nèi)容：建模()、渲染()、動(dòng)畫()和人機(jī)交互(Human– , HCI)。
1、建模()
要在計(jì)算機(jī)中表示一個(gè)三維物體，首先要有它的幾何模型表達(dá)。因此，三維模型的建模是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基礎(chǔ)，是其他內(nèi)容的前提。表達(dá)一個(gè)幾何物體可以使用數(shù)學(xué)上的樣條函數(shù)或隱式函數(shù)來表達(dá)；也可以使用光滑曲面上的采樣點(diǎn)及其連接關(guān)系所表達(dá)的三角網(wǎng)格來表達(dá)（即連續(xù)曲面的分片線性逼近）。
三維建模方法主要包括：NURBS（非均勻有理B-樣條、曲線曲面）方法，細(xì)分曲面( )造型方法，利用軟件的直接手工建模，基于筆劃或草圖交互方式的三維建模方法，基于語法及規(guī)則的過程式建模方法，基于圖像或視頻的建模方法，基于掃描點(diǎn)云（深度圖像如、結(jié)構(gòu)光掃描、激光掃描、LiDAR掃描等）的建模()方法，基于現(xiàn)有模型來合成建模的方法。
除了上述的這些建模方法，還有其他的一些建模方法，在此不再一一列舉。
在對(duì)三維幾何模型的構(gòu)建過程中，還會(huì)涉及到很多需要處理的幾何問題，比如數(shù)據(jù)去噪( or )、補(bǔ)洞()、簡(jiǎn)化()、層次細(xì)節(jié)(level of )、參數(shù)化()、變形( or )、分割()、形狀分析及檢索(shape and )等。這些問題構(gòu)成“數(shù)字幾何處理”的主要研究?jī)?nèi)容。
雖然有上述所提到的這么多的三維建模方式，但是至今為止，仍沒有適合一般家庭用戶的輕松簡(jiǎn)單的建模工具?，F(xiàn)有的電子設(shè)備（比如相機(jī)數(shù)字圖像處理主要內(nèi)容，手機(jī)等）能夠幫助人們輕松獲得圖像和視頻，但是，不是人人都有能力來構(gòu)建三維幾何模型。
如何讓大眾能夠像獲取圖像那樣能夠隨時(shí)隨地地獲取或者構(gòu)建三維模型，仍然是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的任重道遠(yuǎn)的主要任務(wù)之一！今天，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)仍未進(jìn)入“大數(shù)據(jù)時(shí)代”。只有讓大眾能夠輕松進(jìn)行三維建模，并上載分享他們所構(gòu)建的模型數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)才可能進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代。
另外，隨著三維打印(3D )的新興技術(shù)的逐漸普及，人們對(duì)三維模型的需求也日益增加。筆者個(gè)人認(rèn)為，幾何建模和三維打印的未來是共呼吸，同命運(yùn)的：也只有當(dāng)人人都能輕松建模時(shí)，三維打印才有可能走向千家萬戶。
三維幾何建模的任務(wù)仍然任重道遠(yuǎn)，大家仍需共同努力！
2、渲染()
有了三維模型或場(chǎng)景，怎么把這些三維幾何模型畫出來，產(chǎn)生令人賞心悅目的真實(shí)感圖像？這就是傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的核心任務(wù)，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，影視動(dòng)漫以及各類可視化應(yīng)用中都對(duì)圖形渲染結(jié)果的高真實(shí)感提出了很高的要求。
上個(gè)世紀(jì)80-90年代研究的比較多些，包含了大量的渲染模型，包括局部光照模型(Local Model)、光線跟蹤算法(Ray )、輻射度()等，以及到后面的更為復(fù)雜、真實(shí)、快速的渲染技術(shù)，比如全局光照模型( Model)、Photo 、BTF、BRDF、以及基于GPU的渲染技術(shù)等。
現(xiàn)在的渲染技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)⒏鞣N物體，包括皮膚、樹木、花草、水、煙霧、毛發(fā)等渲染得非常逼真。一些商業(yè)化軟件（比如Maya, , Pov Ray等）也提供了強(qiáng)大的真實(shí)感渲染功能，在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究論文中作圖中要經(jīng)常用到這些工具來渲染漂亮的展示圖或結(jié)果圖。
然而，已知的渲染實(shí)現(xiàn)方法，仍無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的視覺特效，離實(shí)時(shí)的高真實(shí)感渲染還有很大差距，比如完整地實(shí)現(xiàn)適于電影渲染（高真實(shí)感、高分辨率）制作的標(biāo)準(zhǔn)，以及其他各類基于物理真實(shí)感的實(shí)時(shí)渲染算法等。
因此，如何充分利用GPU的計(jì)算特性，結(jié)合分布式的集群技術(shù)，從而來構(gòu)造低功耗的渲染服務(wù)是發(fā)展趨勢(shì)之一。
3、動(dòng)畫()
動(dòng)畫是采用連續(xù)播放靜止圖像的方法產(chǎn)生物體運(yùn)動(dòng)的效果。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫借助于編程或動(dòng)畫制作軟件生成一系列的景物畫面，是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。
研究方向包括：人體動(dòng)畫，關(guān)節(jié)動(dòng)畫，運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫，腳本動(dòng)畫，具有人的意識(shí)的虛擬角色的動(dòng)畫系統(tǒng)等。
另外，高度物理真實(shí)感的動(dòng)態(tài)模擬，包括對(duì)各種形變、水、氣、云、煙霧、燃燒、爆炸、撕裂、老化等物理現(xiàn)象的真實(shí)模擬，也是動(dòng)畫領(lǐng)域的主要問題。
這些技術(shù)是各類動(dòng)態(tài)仿真應(yīng)用的核心技術(shù)，可以極大地提高虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的沉浸感。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，比如動(dòng)畫片制作，廣告、電影特技，訓(xùn)練模擬，物理仿真，游戲等。
4、人機(jī)交互(Human– , HCI)
人機(jī)交互（Human- , 簡(jiǎn)寫HCI）是指人與計(jì)算機(jī)之間以一定的交互方式或交互界面，來完成確定任務(wù)的人與計(jì)算機(jī)之間的信息交換過程。簡(jiǎn)單來講，就是人如何通過一定的交互方式告訴計(jì)算機(jī)來完成他所希望完成的任務(wù)。
計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的頂級(jí)會(huì)議ACM 是“ACM Group on and ”的縮寫，縮寫中只包含了，而忽略了 ，在長(zhǎng)時(shí)間沒有得到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的重視。
近年來陸續(xù)出現(xiàn)了許多新興的人機(jī)交互技術(shù)及研究論文。大家逐漸重視起來。
5、其他內(nèi)容
上述所提到的只是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要的四個(gè)內(nèi)容。
事實(shí)上，與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)的學(xué)科還有很多，包括虛擬現(xiàn)實(shí)( )、可視化()、可視媒體計(jì)算與處理( Media )、醫(yī)學(xué)圖像處理( )、計(jì)算機(jī)藝術(shù)( Arts)等。
本文作者為中國(guó)科技大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師劉利剛，轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息，版權(quán)歸原作者所有。
原文：~lgliu//CG/.htm