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摘要：计算机图形学是一种研究在计算机中表现图形，进行图形计算处理和显示的学科。随着计算机的发展，计算机图形学也有了长足的发展，并在我们的生活中扮演着重要角色，它应用在科学技术可视化领域，工业领域，艺术领域，动画领域等，给我们带来了沉浸式体验。纵观图形学的发展，图形学发展迅速，应用广泛，对社会经济推动作用明显，相信之后图形学会给我们带来新的生活体验。
关键字：计算机图形学;计算机科学;图形图像;处理技术
1.简述
计算机自20世纪发展以来，已经经过了翻天覆地的变化。从原来的巨型机器变成了现在微型机器，从原来只能进行简单的数值计算到现在已经能进行复杂的应用，可以说计算机经过几代的更新换代已经对我们的日常生活和国民生产造成了巨大的影响。它已经深入到我们生活的方方面面，方便了我们的生活提高了我们的生活品质。随着科技的发展和计算机科学水平的提高，我们对计算机有了更高的要求。在应用中，我们常常要求能用更直观直接的方式展现我们的设计，随着计算机图形学的发展，这一想法逐渐成为现实，并满足了关于真实性和实时性等一系列要求。
2.计算机图形学的发展
1950年，第一天能显示图形的计算机在美国麻省理工学院诞生了，并命名为旋风1号。随后，林肯实验室的Ivan在他的博士论文中第一次提出了计算机图形学这个概念，这被认为是计算机图形学的产生。到了20世纪70年代，影响图形学发展的光栅显示器出现，并迅速发展。在光栅显示器发展的基础上，基本的图形编辑和算法也相继提出，计算机图形学进入了第一个快速发展的兴盛时期。到20世纪80年代，计算机图形学得到了飞速的发展，真实感图形的算法已经日渐成熟，不仅提出了很多新的算法范例和模型，同时也将其他学科的研究方法引入到了计算机图形学中，包括光线跟踪算法和辐射度算法的提出，此时，真实感图形的算法已经逐渐发展到成熟阶段。随后，在80年代中后期，随着集成电路的发展，超大规模的集成电路的提出和应用，图形学已经在各个领域中得到了应用，并对他提出了新的要求。此时，图形学已经可以应用到诸如CAD，动画等各个领域。
3.计算机图形学的内容
图形学的主要研究内容为研究如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。计算机图形学主要包括四个部分：建模，渲染，动画和人机交互。
3.1建模
建模是指在计算机中建立我们需要的三维模型，这是计算机图形学的基础。三维建模模型具有动画感，可以生动形象的展示图形各个方面的状态。建模中，也可以通过各种几何结构关系，和数学模型来建模，方便更改模型和三维结构。三维建模简单的可以分为三种：线框建模，曲线建模和实体建模
3.2渲染
渲染是指将三维图形渲染成更逼真的样式，让图形更有真实感。常用的渲染模型包括最早提出的局部光照模型、光线跟踪算法等，以及随着技术的发展而发展起来的包括全局光照模型、Photo mapping、BTF、BRDF等。虽然随着计算机的发展渲染技术也在不断的发，但是，现在的渲染技术仍然离真正的高真实度高还原度的艺术效果存在较大差距，所以如何提升渲染效果，实现低功耗渲染，达到高还原度的目的，依旧是我们现在需要注意的问题。
3.3动画
动画，顾名思义，就是将连续的静止画面通过快速的播放形成连续的动画画面。动画在我们的日常生活中应用很多，包括人物动画，动物动画，自然景观动画等。随着人们对生活品质和娱乐画面要求的提高，动画也面临着诸多挑战。所以，增加动画体验，提高动画质量，提升动画制作水平，增加人机交互体验是现在动画的发展方向。
3.4人机交互
人机交互，是指人与计算机进行通话，通过面板来达到控制计算机的目的。现在，人机交互手段越来越多，与计算机图形学的联系越来越多。现在人们不满足于简单的面板控制，而是要求更直观更简洁的控制体验，图形学的发展可以提高人机交互体验。
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4.计算机图形学的应用
4.1科学计算可视化
在传统的科学计算中，因为计算的过程和计算的模式都十分抽象，因此很难理解计算，科学计算可视化可以将抽象的计算过程更直观。而图形学在科学可视化的应用，使得人们能够将各种抽象的数据转化为简洁易懂的图形和图像，方便理解和分析。不仅可以对数据进行后期处理，可以对变化着的数据实行实时跟踪处理，对可以进行交互的数据，进行数据分享传输和实时改进，让计算结果更加符合实际。现在，图形学已经应用到了气象，天文还有诸如生物化学的科学计算中。当然，数据的变化也是我们非常关注的范围。将图形学应用到计算可视化中，我们可以直观的感受图形的变化，以此来得到更深入的而研究。例如，我们可以通过云图来分析天气，通过云层的变化，通过乌云的移动速度，以此来推断气象天气，得到精准的预测。
4.2工业领域应用
图形学最早的应用就是在工业领域中应用。传统的人工不能将工业中比如飞机汽车，机械零部件等的设计完全表达，在设计过程中也面临着需要随时修改草图，发生设计漏洞时需要增添零部件等问题，因此，图形学的应用可以轻松的解决这个问题。利用图形学，人们可以再计算机上通过虚拟模拟的方式来设计产品，不仅更为直观简单，还可以根据想法进行修改和增减部件。现在，计算机图形学已经在工业领域中也起到了十分重要的作用，例如CAN和CAD都是图形学的重要应用领域。人们可以将设计的内容存放在计算机内，通过计算机来完成图形绘制工作，简化了大部分的人工工作量，通过计算机做出的快速图形，再根据自己的要求进行修改和改进，对图形进行编辑。在制作图形的过程中，对每次的设计进行保存，方便之后的使用，大大减少了企业和个人的设计成本，降低了设计的难度，提高了设计的效率。
4.3计算机动画
随着计算机的发展，人们更倾向于看视频而不是图片文字，伴着计算机图形的发展，计算机动画也应运而生。计算机动画的应用十分广泛，它可以让画面更生动形象，让人们的感官效果更好，更具有带入感。现在计算机动画不仅应用在电影，广告，电视，游戏等娱乐方面，还应用于生产，科研，教育等多种方面。虽然计算机动画是讲无数的静态图象连接起来，通过一小部分的微微修改来达到动画的目的，但是不同的修改方式和速率回产生不同的动画效果。传统的生成动画方式有刺入特征图形变形，二维形状混合等，但随着科技的发展，现在已经逐渐演变出新的动画生成方式，包括运用力学和物理学进行计算，可以将动画更符合客观世界的事实规律，让动画更加自然。现在，计算机动画大致分为两个方面，二维动画和三维动画。二维动画主要是平面的展示，画面的立体感不强，观众的带入性也有所欠缺。三维动画可以看到动画的多个角度，增加了物体的三维性和立体感，让动画更加生动形象，更给观众带来视觉冲击。
4.4计算机艺术
由于计算机带来的直观感受和冲击，可以让观众更能感受到艺术，所以计算机在艺术上也得到了充分应用和发注。特别是计算机图形学的发展，使人们可以在计算机上模拟各种艺术品制造，包括各种复杂生动的图案，传统新潮的油画国画等，还可以通过计算机来还原以前的画作，让画“活起来”。因此，依靠计算机图形学，可以完成很多艺术品的设计和制作，可以实现立体图形和平面图形的构成和设计。除此以外，利用计算机还可以进行三维的立体雕刻，进行立体图形的设计。在计算机动画方面，通过制造电影电视来传播艺术文化，通过复刻和还原，还可以将已逝的影星重新搬上大荧幕，让他们“活起来”。比如早在1987年，计算机动画学家塔尔曼就制作了计算机动画《相会在蒙特利尔》来复线著名影星玛丽莲·梦露。通过各种的设计软件，人们也可以对图形和图象进行处理和剪辑，通过多媒体来提高艺术的表现力。
5.计算机图形学的发展前景
现在，计算机图形学已经广泛的应用到了我们生活的方方面面，从视频到工业，从娱乐到艺术，都有计算机图形学的应用。它的发展也是整个互联网发展的重点。现在，虽然计算机图形学发展较为成熟，但仍有需要进步的空间。现在，科学家们力求将“真实感”与“高速”相结合，希望能真是的反映客观世界，又希望能实时反馈，实时绘制，这需要继续探究。相信在未来计算机图形学会给人们带来更好的体验。
参考文献
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论文作者:张万祺
论文发表刊物:《科技新时代》2018年8期
论文发表时间:2018/10/18
标签：计算机论文; 图形学论文; 动画论文; 图形论文; 建模论文; 算法论文; 领域论文; 《科技新时代》2018年8期论文;