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概況

計(jì)算機(jī)圖形在學(xué)術(shù)中的廣義被用來(lái)描述為“在計(jì)算機(jī)里除了文字與聲音以外的一切”。 通常，計(jì)算機(jī)圖形在學(xué)術(shù)上指以下事情：

用計(jì)算機(jī)表現(xiàn)或處理圖像數(shù)據(jù)

用于創(chuàng)建或處理圖像的各種技術(shù)

經(jīng)過(guò)制作的圖像

計(jì)算機(jī)科學(xué)分領(lǐng)域的數(shù)字合成和處理視覺(jué)內(nèi)容的研究，參見(jiàn)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)

現(xiàn)在，計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)生成圖像接觸到日常生活的多個(gè)層面。計(jì)算機(jī)圖像出現(xiàn)在電視、報(bào)紙等地方，同時(shí)在天氣預(yù)報(bào)、醫(yī)療調(diào)查和手術(shù)操作等產(chǎn)生作用。一個(gè)精心構(gòu)筑的圖表可以將復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)以更容易理解和解釋的方式呈現(xiàn)。在媒體中，“這樣的圖表可以被用于說(shuō)明文件、報(bào)告、論文”，和用于其它演示材料。

已經(jīng)開發(fā)出許多功能強(qiáng)大的工具將數(shù)據(jù)可視化。計(jì)算機(jī)生成圖像可以被分成幾種類型：二維、三維和動(dòng)畫。隨著技術(shù)的改進(jìn)，三維計(jì)算機(jī)圖形變得越來(lái)越常見(jiàn)，但二維計(jì)算機(jī)圖形仍然被廣泛使用。在過(guò)去的十年中，發(fā)展出在其它專門領(lǐng)域的應(yīng)用，如：信息可視化和科學(xué)可視化，其中更多涉及到“三維現(xiàn)象的可視化（建筑、氣象、醫(yī)療、生物等）”，強(qiáng)調(diào)的是體積、表面、光源等的真實(shí)渲染，可能是動(dòng)態(tài)（時(shí)間）的組成部分。

歷史

計(jì)算機(jī)圖形一詞在1960年由波音的設(shè)計(jì)師威廉·菲特創(chuàng)造。 計(jì)算機(jī)圖形領(lǐng)域隨著計(jì)算機(jī)圖形硬件的出現(xiàn)而發(fā)展。早期的項(xiàng)目，如旋風(fēng)計(jì)算機(jī)和半自動(dòng)地面防空系統(tǒng)引入CRT作為可行的顯示器和交互界面，并引入光筆作為輸入設(shè)備。

半自動(dòng)地面防空系統(tǒng)部門控制室。

1960年代早期發(fā)展

計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展導(dǎo)致了交互計(jì)算機(jī)圖形的巨大發(fā)展。在1959年，麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了TX-2計(jì)算機(jī)，集成了許多新的人機(jī)界面。光筆連接計(jì)算機(jī)，可以用來(lái)在伊凡·薩瑟蘭革命性的Sketchpad軟件繪制草圖。使用光筆， Sketchpad 讓人可以在計(jì)算機(jī)屏幕上繪制簡(jiǎn)單圖形，保存后還可以再使用它們。光筆尖端有一個(gè)微型的光電組件，將此組件置于電腦屏幕前，接收屏幕的電子槍所發(fā)射出的光線。通過(guò)簡(jiǎn)單為電子脈沖的定時(shí)和電子槍的位置判斷，可以簡(jiǎn)單準(zhǔn)確的判斷筆任何時(shí)刻在屏幕上的位置。當(dāng)確定位置后，計(jì)算機(jī)可以在該位置繪制光標(biāo)。

薩瑟蘭面對(duì)眾多的圖形問(wèn)題，似乎找到了完美的解決方案。即使在今天，許多計(jì)算機(jī)圖形界面的標(biāo)準(zhǔn)，也是以此早期的Sketchpad程序?yàn)槠瘘c(diǎn)。一個(gè)例子，是繪畫約束方面，如果有人想繪制一個(gè)正方形，他/她不需要為繪制完美的四條直線才能構(gòu)成方形的外框而擔(dān)心，只需要簡(jiǎn)單指定他/她想繪制的方形，并指定方形的位置和大小，然后該軟件將構(gòu)造一個(gè)擁有正確面積和合適位置的完美方形。另一個(gè)例子，是薩瑟蘭的軟件建模對(duì)象，不僅是一個(gè)對(duì)象的圖片，換句話說(shuō)，對(duì)一個(gè)汽車模型，改變輪胎的大小，不需要影響車的其它部分，也可以僅拉伸車身不改變車胎的形狀。

這些早期的計(jì)算機(jī)圖形是矢量圖形，由細(xì)線條構(gòu)成，而現(xiàn)在大多是基于光柵的像素圖形。

1960年代后期發(fā)展

Spacewar!在計(jì)算機(jī)歷史博物館的PDP-1上運(yùn)行。

在1961年，麻省理工學(xué)院學(xué)生史蒂夫·拉塞爾（Steve Russell）創(chuàng)造了第一個(gè)電子游戲Spacewar!。為DECPDP-1編寫，Spacewar的突然成功，并在其它的PDP-1用戶間傳播，最終甚至連DEC也得到一份副本。在DEC的工程師在每臺(tái)新PDP-1付運(yùn)前，將其作為診斷程序。銷售人員在安裝新設(shè)備時(shí)，會(huì)快速安裝上此程序，為他們的新顧客運(yùn)行世界上第一個(gè)電子游戲。

1963年，貝爾電話實(shí)驗(yàn)室（英語(yǔ)：Bell Telephone Laboratory，簡(jiǎn)稱：BLT）的科學(xué)家愛(ài)德華·E·薩迦克(Edward E.Zajac)，創(chuàng)作了一部名為《雙旋翼重力姿態(tài)控制系統(tǒng)仿真模擬》（Simulation of a two-giro gravity attitude control system）的視頻。 在這部計(jì)算機(jī)生成視頻中，顯示了衛(wèi)星姿態(tài)在繞地球盤旋時(shí)的變化。他在一臺(tái)IBM 7090大型計(jì)算機(jī)上創(chuàng)作了動(dòng)畫。同在貝爾電話實(shí)驗(yàn)室，肯·諾爾頓（Ken Knowlton）、弗蘭克·辛頓（Frank Sindon）和邁克爾·諾爾（Michael Noll）開始在計(jì)算機(jī)圖形領(lǐng)域工作。辛頓創(chuàng)作了一部名為《力量，質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)》（Force, Mass and Motion）的視頻，說(shuō)明運(yùn)作中的牛頓定律活動(dòng)。大約同時(shí)，其他科學(xué)家開始創(chuàng)作計(jì)算機(jī)圖形說(shuō)明他們的研究。在勞倫斯發(fā)射實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Radiation Laboratory），尼爾森·馬克思創(chuàng)作了視頻《粘稠液體的流動(dòng)》（Flow of a Viscous Fluid）和《振動(dòng)波在固體形式中的傳播》（Propagation of Shock Waves in a Solid Form）。波音飛機(jī)的程序員創(chuàng)作了視頻名為《航空器的振動(dòng)》（Vibration of an Aircraft）。

在此不久以前，大型企業(yè)開始對(duì)計(jì)算機(jī)圖形感興趣。天合汽車集團(tuán)、洛克希德-喬治亞、通用電氣和斯佩里·蘭德等眾多公司在1960年代中期開始使用計(jì)算機(jī)圖形。IBM迅速作出反應(yīng)，銷售首臺(tái)大量供應(yīng)的圖形計(jì)算機(jī)——IBM 2250圖形終端。

桑德斯聯(lián)營(yíng)公司（Sanders Associates）的監(jiān)理工程師拉爾夫·巴爾（Ralph Baer），在1966年構(gòu)思出家庭電子游戲機(jī)，后來(lái)授權(quán)給瑪格納沃克斯（Magnavox），并稱其為奧德賽。雖然其非常簡(jiǎn)單，并使用相當(dāng)便宜的電子零件，它允許玩家在一個(gè)屏幕上移動(dòng)光點(diǎn)。它是第一臺(tái)消費(fèi)計(jì)算機(jī)圖形產(chǎn)品。

同樣在1966年，薩瑟蘭在麻省理工學(xué)院發(fā)明了第一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制頭戴式顯示器（HMD）。因?yàn)檫^(guò)重需要連接天花板的支架所以被戲稱為“達(dá)摩克利斯之劍”，它分別在每只眼眼睛顯示獨(dú)立的線框圖像。這讓觀眾能在計(jì)算機(jī)場(chǎng)景中看到三維立體。在他獲得麻省理工學(xué)院的博士學(xué)位后，薩瑟蘭成為遠(yuǎn)景研究規(guī)劃局（Advanced Research Projects Agency）的信息處理總監(jiān)，之后成為哈佛大學(xué)教授。

大衛(wèi)·C·埃文斯從1953年到1962年在本迪克斯公司的電腦部門做工程總監(jiān)，其后5年在伯克利做客座教授。在那里他繼續(xù)研究他感興趣的計(jì)算機(jī)與人交互的界面。猶他州立大學(xué)在1968年招募了埃文斯創(chuàng)建計(jì)算機(jī)科學(xué)項(xiàng)目，而電腦圖形很快成為他的主要興趣。這個(gè)新部門之后成為世界計(jì)算機(jī)圖形的主要研究中心。

1967年，薩瑟蘭被埃文斯招募加入猶他州立大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)項(xiàng)目。在那里，他完善了他的頭戴式顯示器。20年后，美國(guó)宇航局（NASA）重新將他的技術(shù)運(yùn)用到他們的虛擬現(xiàn)實(shí)研究。在猶他州，薩瑟蘭和埃文斯為多間大型公司做顧問(wèn)后被高度追捧，但他們對(duì)當(dāng)時(shí)圖形硬件的落后感到沮喪，所以他們開始制定計(jì)劃成立自己的公司。

1969年，計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)（ACM）創(chuàng)立了圖形方面的特別興趣小組（SIGGRAPH），舉辦會(huì)議、制定圖形標(biāo)志和出版計(jì)算機(jī)圖形領(lǐng)域的刊物。1973年舉辦首屆SIGGRAPH會(huì)議，并成為該組織的重點(diǎn)項(xiàng)目。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)計(jì)算機(jī)圖形領(lǐng)域不斷發(fā)展，SIGGRAPH的規(guī)模和重要性逐漸增強(qiáng)。

1970年代

許多在計(jì)算機(jī)圖形研究中最重要的早期突破發(fā)生在1970年代的猶他州立大學(xué)。始于一位名叫埃德溫·卡特穆爾（Edwin Catmull）的學(xué)生，在1970年簽入薩瑟蘭的計(jì)算機(jī)圖形班。卡特莫?jiǎng)傠x開波音公司，并忙于他的物理的學(xué)位。雖然在迪士尼長(zhǎng)大，卡特莫熱衷動(dòng)畫，但他很快發(fā)現(xiàn)沒(méi)有繪畫方面的天分?？ㄌ啬热税l(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)將成為動(dòng)畫的自然發(fā)展，希望自己成為變革的一部分?？ㄌ啬谱鞯牡谝粋€(gè)動(dòng)畫是他自己，他創(chuàng)作了他手部的開合動(dòng)畫。使用計(jì)算機(jī)圖形制作一部達(dá)到正片長(zhǎng)度的電影成為他的目標(biāo)。在同一班上，弗雷德·帕克（Fred Parke）創(chuàng)作了他妻子臉部的動(dòng)畫。因?yàn)榘Ｎ乃购退_瑟蘭的存在，猶他州立大學(xué)成為計(jì)算機(jī)圖形研究頗負(fù)盛名的地方。

猶他州立大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形實(shí)驗(yàn)室吸引來(lái)自各地的人，約翰·沃諾克（John Warnock）是早期的開拓者之一，他之后成立了Adobe Systems，并使用他的頁(yè)面描述語(yǔ)言PostScript在出版界創(chuàng)造了一場(chǎng)革命。湯姆·斯托克曼（Tom Stockham）領(lǐng)導(dǎo)猶他州立大學(xué)與計(jì)算機(jī)圖形實(shí)驗(yàn)室工作最密切的圖像運(yùn)算組。吉姆·克拉克（Jim Clark）也在那里，他其后成立了Silicon Graphics, Inc。

1980年代

在1980年代，個(gè)人計(jì)算機(jī)出現(xiàn)在藝術(shù)家和圖形設(shè)計(jì)師的眼前，特別是Commodore Amiga和Macintosh。它們作為最嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)工具，除了可以節(jié)省時(shí)間外，還能比其它方式更精準(zhǔn)的繪畫。1980年代中期，皮克斯使用SGI計(jì)算機(jī)創(chuàng)作了第一條完全用計(jì)算機(jī)生成的短片。Macintosh在圖形設(shè)計(jì)工作室和商業(yè)之間成為最受歡迎的計(jì)算機(jī)圖形工具。自1980年代以來(lái)，現(xiàn)在計(jì)算機(jī)更多的是使用圖形用戶界面的符號(hào)、圖標(biāo)和圖片顯示數(shù)據(jù)和信息，而不是使用文本。圖形是多媒體技術(shù)的五個(gè)關(guān)鍵要素之一。

1990年代

自1990年代開始，在游戲、多媒體和動(dòng)畫中，三維圖形變得很受歡迎。1995年，首部正片長(zhǎng)度計(jì)算機(jī)生成的動(dòng)畫視頻《玩具總動(dòng)員》在全球的電影院上映。1996年，最早的全三維游戲之一的《雷神之錘》發(fā)售。自此，由于更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)硬件和三維建模軟件，計(jì)算機(jī)圖形變得擁有更多細(xì)節(jié)和真實(shí)感。

圖像類型

二維圖形

二維計(jì)算機(jī)圖形是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)字圖像，大多來(lái)自二維模型，例如二維集合模型、文本和數(shù)字圖像，具體由它們的技術(shù)所區(qū)分。

二維計(jì)算機(jī)圖形最初主要用于傳統(tǒng)的印刷和繪畫技術(shù)的應(yīng)用程序，如：排版、地圖、工程制圖、廣告等行業(yè)。在這些應(yīng)用程序中，二維圖像不僅是真實(shí)世界物體的表現(xiàn)，而是添加了語(yǔ)義值的獨(dú)立人工制品。所以二維模型是首選，因?yàn)樗鼈儽热S計(jì)算機(jī)圖形能更直接的控制，三維圖形更接近于攝影。

三維圖形

簡(jiǎn)單三維繪制。

三維圖形對(duì)比二維圖形來(lái)說(shuō)，是指使用三維的幾何數(shù)據(jù)描繪的儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中為了進(jìn)行計(jì)算和渲染為目的的二維圖像。這些圖像會(huì)在之后顯示或?qū)崟r(shí)查看。

盡管存在差異，三維計(jì)算機(jī)圖形仍舊依賴于多種二維圖形算法，如在圖形線框模型中使用二維計(jì)算機(jī)矢量圖形，在最終渲染顯示中使用二維計(jì)算機(jī)光柵圖形。在計(jì)算機(jī)圖形軟件中，二維和三維之間的區(qū)別偶爾會(huì)模糊，二維應(yīng)用程序可能會(huì)使用三維技術(shù)實(shí)現(xiàn)諸如光照等效果，而主要的三維也可使用二維渲染技術(shù)。

三維計(jì)算機(jī)圖形通常被稱為三維模型。除了渲染圖形以外，模型包含在圖形數(shù)據(jù)文件中。然而還是有所差別，一個(gè)三維模型是任何三維物體的精確呈現(xiàn)，但一個(gè)模型除非被直觀地顯示出來(lái)，否則嚴(yán)格來(lái)說(shuō)還不是圖形。由于有三維打印技術(shù)，三維模型并不局限于虛擬空間。模型通過(guò)一個(gè)名為三維渲染的過(guò)程，可以用二維圖像直觀地顯示出來(lái)，或用于非圖形化的計(jì)算機(jī)模擬和計(jì)算。有專門的三維計(jì)算機(jī)圖形軟件給用戶創(chuàng)建三維圖像。

像素畫

像素畫是一種數(shù)字藝術(shù)形式，通過(guò)使用光柵圖形軟件，以像素級(jí)來(lái)編輯圖片。在很多老（或相對(duì)有限）的計(jì)算機(jī)游戲、電子游戲、圖形計(jì)算器游戲和許多手機(jī)游戲中使用的圖形，通常都是像素畫。

矢量圖形與光柵圖形

矢量圖形格式與光柵圖形是互補(bǔ)的，光柵圖形由大量像素構(gòu)成，通常的代表是攝影圖像。 矢量圖形使用形狀和顏色的編碼數(shù)據(jù)構(gòu)成圖像，在渲染方面可以更靈活。當(dāng)使用矢量時(shí)，最好使用矢量工具與格式；當(dāng)使用光柵圖形時(shí)，最好使用光柵工具與格式。有時(shí)兩種圖形會(huì)同時(shí)使用。了解每種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和局限，以及它們之間的關(guān)系，可以在使用工具時(shí)能更好的使用和有更高的效率。

計(jì)算機(jī)動(dòng)畫

使用動(dòng)作捕捉技術(shù)的電腦動(dòng)畫示范

計(jì)算機(jī)動(dòng)畫是通過(guò)計(jì)算機(jī)創(chuàng)造的移動(dòng)圖像藝術(shù)。它是計(jì)算機(jī)圖形和動(dòng)畫的子域。雖然二維計(jì)算機(jī)圖形因?yàn)轱L(fēng)格化、低帶寬要求、便于高速實(shí)時(shí)渲染，而被廣泛地使用在電腦動(dòng)畫中（如：Flash動(dòng)畫），但越來(lái)越多的動(dòng)畫使用三維計(jì)算機(jī)圖形制作。有時(shí)動(dòng)畫的播放媒體是計(jì)算機(jī)本身，但有時(shí)則是其它的媒體，如電影。它也被稱為計(jì)算機(jī)生成圖像（CGI，Computer-generated imagery或computer-generated imaging），特別是在電影中使用時(shí)。

虛擬實(shí)體可以自制，并被存儲(chǔ)在對(duì)象變換矩陣中的變換值（包括：位置、方向和大?。┑葘傩运刂?。動(dòng)畫的屬性隨時(shí)間推移而改變。動(dòng)畫有多種實(shí)現(xiàn)的方法，基本的方法是基于關(guān)鍵幀的創(chuàng)作和編輯，每個(gè)關(guān)鍵幀儲(chǔ)存獨(dú)立賦予的時(shí)間值，播放關(guān)鍵幀成為動(dòng)畫。也可以使用二維/三維圖形軟件在兩個(gè)關(guān)鍵幀間插值，創(chuàng)建一個(gè)映射值隨時(shí)間推移的可編輯曲線，最終生成動(dòng)畫。其它動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)方法，包括程序動(dòng)畫和基于表達(dá)式的技術(shù)：前者將動(dòng)畫實(shí)體的互動(dòng)元素集中成為屬性集，用于創(chuàng)建粒子系統(tǒng)效果和群仿真；后者允許從用戶定義的邏輯表達(dá)式返回評(píng)估結(jié)果，再加上數(shù)學(xué)計(jì)算，以可預(yù)見(jiàn)的方式（除創(chuàng)建骨骼系統(tǒng)提供的等級(jí)外便于控制骨骼行為）自動(dòng)生成動(dòng)畫。

為了創(chuàng)造運(yùn)動(dòng)錯(cuò)覺(jué)，顯示在計(jì)算機(jī)顯示器上的圖像快速的被新的稍微移動(dòng)的圖像所替代。這種技術(shù)與電視和電影上使用的運(yùn)動(dòng)錯(cuò)覺(jué)是相同的。

參見(jiàn)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)

計(jì)算機(jī)視覺(jué)

圖像處理

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

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