Question

什么是计算机图形学

Answer 1

Answer 2

计算机图形学的主要研究内容就是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。
计算机图形学应用领域包括计算机辅助设计与制造、计算机辅助教学、计算机动画、管理和办公自动化、国土子女子和自然资源现实与绘制、计算机游戏、科学计算可视化、虚拟现实等等。

Answer 3

本质是在屏幕某个窗口区域内的所有像素上画特定颜色的点从而让窗口显示出画面。
现在的计算机图形学一般集中于三维画面。为了能做更加真实，好看的画面，图形学往往需要使用物理学的知识。
图形学主要分三个分支：渲染，动画，和几何建模。
渲染指的是光照效果。对于光照，我们要做光线的折射，反射，阴影等特效。这还要和物体的材质结合起来。当光线射入一个物体表面，光线会有一个向材质平面反向180度范围反射同样强度的光。同样会有一个镜面反射光，镜面反射光反方向与光线入射方向关于材质点法线堆成。而折射光用折射率和材质点法线算。
动画的实质是每隔一段人类视觉反应不到的时间快速刷新画面窗口。在图形学中有三大变换，旋转，平移和伸缩。基本上所有复杂动画都是基于这三大变换开发的。一般动画为了做得真实，我们要使用各种物理学知识。比如对于碰撞系统你要用动量守恒，能量守恒。对于流体（比如火焰，烟雾和水波），你要学会流体力学，热学等等。当前每一帧物体位置的状态都会被用于计算下一帧物体的位置。前面我讲的是粒子系统类的动画。事实上，还有机械臂的IK动画（机械臂移动到目标点）和mesh动画（三角形类型几何模型动画）。对于Mesh动画而言，你有可能要处理肌肉变形，这还要学习生物学呢。同时，为了保障画面流畅，你的物理引擎与渲染模型还要运行地足够快。
在几何建模中，你会用大量的小四边形或者小三角形拼装一个大型几何模型。除了画出图形外，你还要对每个小点设置法线，颜色等材质信息以便用于渲染。
然后，我介绍计算机图形学里面的成像流程：
第一步，建立一个几何模型。这里包括所有重要的几何模型坐标和法线。
第二步，把几何模型摆放到世界坐标的某一点。所谓世界坐标，你可以想象一个独立的3D空间，然后把你做好的几何模型放到这个空间的任意一处。
第三步，设置你的眼睛。你的眼睛要摆在三维空间的一个点，同时要设好看三维空间的方向，以及你视野的上方向（如果不设上方向看向同一个点，随着你的视角沿着视野方向旋转，看到东西不变，成像却会变）。在设好眼睛后，我们要把所有几何模型和光源的坐标，法线等信息根据眼睛位置和眼睛朝向做变换。这里要用矩阵计算。
第四步，做投影。在图形学中有两种投影，正交投影和透视投影。一般我们认为在三维空间中有一个成像平面。正交投影会直接把物体做垂线投影到成像平面。在这种情况下，远处如果有一个正方形平行于成像平面，无论这个正方形离成像平面多远，成像一样大。而对于透视投影，我们把物体的所有点与眼睛连接，眼睛射线与成像平面的交点即为成像点。透视投影的效果是同样大的东西，离得越近就成像越大，离得越远就成像越小。
第五步，剪裁。在图形学中，我们会设置成像平面的有效范围。太远的，太近的（比如在成像平面与眼睛点之间的区域），太靠左，太靠右，太靠上，太靠下等不可能看得到的范围都要舍弃。
第六步，遮挡处理。假设视界默认为原点看向负Z轴（有X,Y,Z三条轴，X朝右，Y朝上，Z朝自己的后方）。一个物体如果Z绝对值越大（已经被眼睛坐标处理过），说明这物体离眼睛越远。如果同一像素有两个物体经过剪裁后能够在可视范围，选择近的物体进行显示。
第七步，把成像平面坐标转化为窗口的像素坐标并进行绘画。
最后我提一下图形学的门槛。你必须要有三维空间感，懂得三角函数，导数，积分，线性代数和一定理解物理学公式的学习能力。