1 图形与图像

1.1 基本概念

两者都是不断发展和变化的概念。

图形是表现物体几何信息的图画。具体来说，图形是一种由不同属性（颜色、粗细、线型）的点、线、面等几何元素组合构成的图画，用来表现主客观世界中各种物体的几何信息。

从定义看，图形包括两方面的要素：几何要素（点、线、面、体等）和非几何要素（明暗、灰度、色彩、线型等）。

图像是记录在介质上的客观对象的映像。对于计算机这种戒指而言它就是数字图像。由于计算机只能处理离散的数据，图像如果要在计算机上存储、显示或处理，则首先得进行数字化。数字化即为对图像x、y方向的网格化和颜色、灰度信息的量化。数字图像的每一个基本单元为像素，每个像素具有灰度或颜色信息。

1.2 图形与图像的区别与联系

表 1 图形与图像的区别

比较内容	图形	图像
基本元素	几何元素	像素
存储数据	各个矢量的参数(属性)	各个像素的灰度或颜色分量
处理方式	旋转、扭曲、拉伸等	对比度增强、边缘检测等
缩放结果	不会失真，可以适应不同的分辨率	放大时会失真
其他	图形不是客观存在的，是根据客观事物的主观构成	对客观事物的真实描述
实例	工程图纸	照片
应用领域	计算机辅助设计(如CAD)	图像处理

联系

理想的图形只能在几何数学中存在，对计算机而言，所有的图形最终都要通过图像的方式显示或表示。这一过程在计算机图形学中称为光栅化或扫描转换。

另一方面，图像带有大量信息，其中就包括图形信息。可以通过图像处理技术提取图像中的图形信息并将其转换输出为图形，这一过程在图像处理中称为矢量化。

2 计算机图形学

2.1 几种定义

ISO：计算机图形学是研究通过计算机将数据转换成图形，并在专门设备上显示的原理、方法和技术的学科。

IEEE：计算机图形学是利用计算机产生图形图像的艺术或科学。

CHINA：

计算机图形学是利用计算机研究图形的表示、生成、处理和显示的学科。
计算机图形学是研究在计算机中如何构造图形，并把图形的描述数据（数学模型）通过指定的算法转换成图形显示的学科。
计算机图形学是研究通过计算机将场景对象转换为图形并进行显示的学科

2.2 主要内容

两个方面

将场景对象转换为图形。
将转换后的图形显示。（形式由输出设备决定。对于点阵式设备，图形的显示即为数字图像）

两个过程

表示/建模：研究如何用图形方式表示真实或虚拟世界中的场景对象。表示可能是近似的（如电影角色与对象），也可能有一定的精度要求（如CAD中的模型）。
显示/绘制（渲染 Render）：将计算机中场景对象的数字几何模型转换为直观形象的图像方式，是一个数字几何模型的视觉可视化过程。它实质上是综合利用数学、光学、计算机等知识，将几何模型的形状、材质特性，以及物体间的遮挡关系、相对位置等信息在计算机屏幕上显示出来。

绘制过程类似相机拍照成像，因此也被称为虚拟相机模型（Synthetic-camera model）。与现实相机成像相比，两者均需要三个基本元素：被观察对象、观察者和成像平面；但有如下不同点：

观察的对象不同：相机拍照的对象一般为真实的场景对象；虚拟相机观察的对象一般为数字几何模型
成像原理不同：相机成像通过小孔成像的光学原理完成；虚拟相机绘制通过一些几何方法来计算成像结果
相机的成像平面只能在镜头的后面；虚拟相机的成像平面之于镜头的位置可前可后

2.3 相关学科的概念

与计算机图形学相关的学科有数据可视化、数字图像处理、机器视觉、计算机几何、计算机辅助几何设计。

数据可视化：其研究对象包括科学可视化和信息可视化。前者面向科学和工程领域的数据，如含空间坐标和几何信息的三维空间测量数据、计算模拟数据和医学影像数据等；后者面向非结构化、非几何的抽象数据，如金融交易、社交网络和文本数据。
数字图像处理：从狭义上看，图像处理就是对图像进行增强、去噪、滤波以改善图像的视觉效果，突出感兴趣的内容或计算图像的统计特征；广义的图像处理还包括模式识别 —— 对图像进行理解和分析，从图像中提取有意义的信息，如对图像矢量化，识别图像中的符号，提取图像中所表达的信息特征，可以看作计算机图形学的一个逆过程。
计算几何：通过计算机技术求解几何问题的学科，如求任意多边形的面积和周长；任意多面体的体积和表面积；生成特定的几何图形，如最优三角形网等。计算几何所处理的几何数据可以使用计算机图形学技术进行显示，而某些计算机图形的生成和绘制过程需要借助计算几何得到算法来处理图形数据。
计算机视觉：研究用计算机来模拟生物微观或宏观视觉功能的科学和技术，它模拟人对客观事物模式的识别过程，是从图像到特征数据，再到对象描述的处理过程。

2.4 应用领域

计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）
科学计算可视化（Visualization in Scientific Computing）
虚拟现实
动画

2.5 发展简史

CG的诞生（1950-1960） $\rightarrow$ 线框图形学（1960-1970） $\rightarrow$ 光栅图形学（1970-1980） $\rightarrow$ 真实感图形学（1980-1990） $\rightarrow$ 实时图形学（1990至今）

2.6 发展趋势

GPU计算发展迅猛
研究和谐自然的三维模型建模方法
利用日益增长的计算性能，实现具有高度物理真实的动态仿真
研究多种高精度数据获取与处理技术，增强图形技术的表现
计算机图形学和图像视频处理技术的结合
从追求绝对的真实感向追求与强调图形的表意性转变
在移动设备、嵌入式设备上发展迅速

References

[1] 徐文鹏, 都伟冰, 等.计算机图形学基础:OpenGL版(第二版)[M].北京:清华大学出版社, 2020, pp. 1-19.

【计算机图形学基础】学习笔记 01 概念初探