什么是计算机图形学?(节选)

作者:刘利刚

什么是计算机图形学?

计算机图形学(Computer Graphics,简称CG)的内容比较丰富,与很多学科都有交叉,因此笔者认为是无法严格定义的。

在“Wiki百科”和“百度百科”上,对“计算机图形学”的解释为:计算机图形学是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。

简单地说,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。虽然通常认为CG是指三维图形的处理,事实上也包括了二维图形及图像的处理。

狭义地理解,计算机图形学是数字图像处理或计算机视觉的逆过程:计算机图形学是用计算机来画图像的学科,数字图像处理是把外界获得的图像用计算机进行处理的学科,计算机视觉是根据获取的图像来理解和识别其中的物体的三维信息及其他信息。

注意,这些都是不确切的定义,实际上,计算机图形学、数字图像处理和计算机视觉在很多地方的区别不是非常清晰,很多概念是相通的,而且随着研究的深入,这些学科方向不断的交叉融入,形成一个更大的学科方向,可称之为“可视计算”(Visual Computing)。这是后话,此处不详述。

计算机图形学的主要内容

在学科开创之初,计算机图形学要解决的是如何在计算机中表示三维几何图形,以及如何利用计算机进行图形的生成、处理和显示的相关原理与算法,产生令人赏心悦目的真实感图像。这是狭义的计算机图形学的范畴。

随着近40年的发展,计算机图形学的内容已经远远不止这些了。广义的计算机图形学的研究内容非常广泛,如图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法,以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。

根据笔者的理解,计算机图形学主要包含四大部分的内容:建模(Modeling)、渲染(Rendering)、动画(Animation)和人机交互(Human–computer Interaction, HCI)。

1、建模(Modeling)

要在计算机中表示一个三维物体,首先要有它的几何模型表达。因此,三维模型的建模是计算机图形学的基础,是其他内容的前提。表达一个几何物体可以使用数学上的样条函数或隐式函数来表达;也可以使用光滑曲面上的采样点及其连接关系所表达的三角网格来表达(即连续曲面的分片线性逼近)。



三维建模方法主要包括:NURBS(非均匀有理B-样条、Bezier曲线曲面)方法,细分曲面(Subdivision surface)造型方法,利用软件的直接手工建模,基于笔划或草图交互方式的三维建模方法,基于语法及规则的过程式建模方法,基于图像或视频的建模方法,基于扫描点云(深度图像如Kinect、结构光扫描、激光扫描、LiDAR扫描等)的建模(Reconstruction)方法,基于现有模型来合成建模的方法。

除了上述的这些建模方法,还有其他的一些建模方法,在此不再一一列举。

在对三维几何模型的构建过程中,还会涉及到很多需要处理的几何问题,比如数据去噪(denoising or smoothing)、补洞(repairing)、简化(simplification)、层次细节(level of detail)、参数化(parameterization)、变形(deformation or editing)、分割(segmentation)、形状分析及检索(shape analysis and retrieval)等。这些问题构成“数字几何处理”的主要研究内容。

虽然有上述所提到的这么多的三维建模方式,但是至今为止,仍没有适合一般家庭用户的轻松简单的建模工具。现有的电子设备(比如相机,手机等)能够帮助人们轻松获得图像和视频,但是,不是人人都有能力来构建三维几何模型。

如何让大众能够像获取图像那样能够随时随地地获取或者构建三维模型,仍然是计算机图形学的任重道远的主要任务之一!今天,计算机图形学仍未进入“大数据时代”。只有让大众能够轻松进行三维建模,并上载分享他们所构建的模型数据,计算机图形学才可能进入大数据时代。

另外,随着三维打印(3D printing)的新兴技术的逐渐普及,人们对三维模型的需求也日益增加。笔者个人认为,几何建模和三维打印的未来是共呼吸,同命运的:也只有当人人都能轻松建模时,三维打印才有可能走向千家万户。

三维几何建模的任务仍然任重道远,大家仍需共同努力!

2、渲染(Rendering)

有了三维模型或场景,怎么把这些三维几何模型画出来,产生令人赏心悦目的真实感图像?这就是传统的计算机图形学的核心任务,在计算机辅助设计,影视动漫以及各类可视化应用中都对图形渲染结果的高真实感提出了很高的要求。

上个世纪80-90年代研究的比较多些,包含了大量的渲染模型,包括局部光照模型(Local Illumination Model)、光线跟踪算法(Ray Tracing)、辐射度(Radiosity)等,以及到后面的更为复杂、真实、快速的渲染技术,比如全局光照模型(Global Illumination Model)、Photo mapping、BTF、BRDF、以及基于GPU的渲染技术等。

现在的渲染技术已经能够将各种物体,包括皮肤、树木、花草、水、烟雾、毛发等渲染得非常逼真。一些商业化软件(比如Maya, Blender, Pov Ray等)也提供了强大的真实感渲染功能,在计算机图形学研究论文中作图中要经常用到这些工具来渲染漂亮的展示图或结果图。

然而,已知的渲染实现方法,仍无法实现复杂的视觉特效,离实时的高真实感渲染还有很大差距,比如完整地实现适于电影渲染(高真实感、高分辨率)制作的RenderMan标准,以及其他各类基于物理真实感的实时渲染算法等。

因此,如何充分利用GPU的计算特性,结合分布式的集群技术,从而来构造低功耗的渲染服务是发展趋势之一。



3、动画(Animation)

动画是采用连续播放静止图像的方法产生物体运动的效果。计算机动画借助于编程或动画制作软件生成一系列的景物画面,是计算机图形学的研究热点之一。

研究方向包括:人体动画,关节动画,运动动画,脚本动画,具有人的意识的虚拟角色的动画系统等。

另外,高度物理真实感的动态模拟,包括对各种形变、水、气、云、烟雾、燃烧、爆炸、撕裂、老化等物理现象的真实模拟,也是动画领域的主要问题。

这些技术是各类动态仿真应用的核心技术,可以极大地提高虚拟现实系统的沉浸感。计算机动画的应用领域广泛,比如动画片制作,广告、电影特技,训练模拟,物理仿真,游戏等。

4、人机交互(Human–Computer Interaction, HCI)

人机交互(Human-Computer Interaction, 简写HCI)是指人与计算机之间以一定的交互方式或交互界面,来完成确定任务的人与计算机之间的信息交换过程。简单来讲,就是人如何通过一定的交互方式告诉计算机来完成他所希望完成的任务。

计算机图形学的顶级会议ACM SIGGRAPH是“ACM Special Interest Group on GRAPHics and Interactive Techniques”的缩写,缩写中只包含了Graphics,而忽略了Interactive Techniques,在长时间没有得到计算机图形学研究的重视。

近年来陆续出现了许多新兴的人机交互技术及研究论文。大家逐渐重视起来。

5、其他内容

上述所提到的只是计算机图形学的主要的四个内容。

事实上,与计算机图形学相关的学科还有很多,包括虚拟现实(Virtual Reality)、可视化(Visualization)、可视媒体计算与处理(Visual Media Processing)、医学图像处理(Medical Imaging)、计算机艺术(Computational Arts)等。

本文作者为中国科技大学教授、博士生导师刘利刚,转载此文目的在于传递更多信息,版权归原作者所有。
原文:http://staff.ustc.edu.cn/~lgliu/Resources/CG/What_is_CG.htm

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