今天，我们已经进入了智能时代，计算机、智能手机、VR/AR设备等为我们呈现出丰富多彩的图片、视频，鼠标单击、手指触摸，就可以浏览网站、观看视频、购买商品。但你知道吗？这背后都离不开计算机图形学。
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。
1963年，MIT林肯实验室24岁的Ivan Sutherland完成了关于《人机通信的图形系统》的博士论文。Sutherland引入了分层存储符号的数据结构，开发了交互技术，可以用键盘和光笔实现定位、选项和绘图。这些基本思想和技术至今仍在沿用。因此，Sutherland的博士论文被认为既是计算机图形学的奠基，也是现代计算机辅助设计之肇始。
20世纪70年代，随着光栅显示器的诞生，光栅图形学算法迅速发展起来；基本图形操作和相应的算法纷纷出现，图形学进入了第一个兴盛时期。很多国家开始研制以计算机图形学为基础的CAD系统，并用于设计、过程控制和管理、教育等方面。
20世纪80年代中期以来，大规模集成电路使得计算机硬件性能显著提高，图形学得到飞速的发展。其中，光线跟踪算法被提出，标志着真实感图形技术逐渐走向成熟。
20世纪80至90年代，图形学更加广泛地应用于计算机动画、科学计算可视化、CAD/CAM、虚拟现实等领域。这些应用向计算机图形学提出了更高、更新的要求——真实性和实时性。
计算机图形学的核心目标在于创建有效的视觉交流。无论是在科学领域、娱乐领域，还是在创意或艺术创作、商业广告、产品设计等行业，对视觉效果的要求都越来越高。视觉效果的背后，图形学也起着重要的技术支撑作用。
计算机图形学核心目标可以分解为三个基本任务：表示、交互和绘制，即如何在计算机中“交互”地“表示”、“绘制”出丰富多彩的主、客观世界。这里的“表示”是如何将主、客观世界放到计算机中去，即二维、三维对象的表示与建模；而“绘制”是指如何将计算机中的对象用一种直观形象的图形图像方式表现出来，即二维、三维对象的绘制：“交互”是指通过计算机输入、输出设备，以有效的方式实现“表示”与“绘制”的技术。其中，“表示”是计算机图形学的“数据层”，是物体或对象在计算机中的各种几何表示；“绘制”是计算机图形学的“视图层”，指将图形学的数据显示、展现出来。“表示”是建模、输入，“绘制”是显示、输出。“交互”是计算机图形学的“控制层”，它负责完成有效的对象输入与输出任务，解决计算机与用户的交互问题。
计算机图形学需要研究以下几方面的内容
（1）描述复杂物体图形的方法与数学算法。二维和三维景物的表示是计算机图形显示的前提和基础，包括曲线、曲面的造型技术，实体造型技术，以及纹理、云彩、波浪等自然景物的造型和模拟；三维场景的显示包括光栅图形生成算法、线框图形以及真实感图形的理论和算法。
（2）物体图形描述数据的输入，研究借助于鼠标、触控板、姿势、各类传感器等接触式和非接触式的输入技术。
（3）几何和图形数据的存储，包括数据压缩、解缩和传输等。
（4）物体图形数据的运算处理，包括基于图像和图形的混合绘制技术、自然景物仿真、图形用户接口、虚拟现实、动画技术和可视化技术等。
（5）物体图形数据的输出显示，包括图形硬件和图形交互技术等。
（6）实时动画和多媒体技术，研究实现高速动画的各种硬/软件方法、开发工具、动画语言以及多媒体技术。
（7）制定与图形应用软件有关的技术标准。
计算机图形学的主要应用领域
1．计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)
这是计算机图形学最广泛、最重要的应用领域。它使工程设计的方法发生了巨大的改变，利用交互式计算机图形生成技术进行土建工程、机械结构和产品的设计已经取代了绘图板加工字尺的传统手工设计方法，担负起繁重的日常出图任务以及总体方案的优化和细节设计工作。事实上，一个复杂的大规模或超大规模集成电路板图根本不可能手工设计和绘制，用计算机图形系统不仅能设计和画图，而且可以在较短的时间内完成，将结果直接送至后续工艺进行加工处理。
2．计算机辅助教学(CAI)
在这个领域中，图形是一个重要的表达手段，它可以使严肃、刻板的教学过程变得形象、直观、生动，从而激发学生的学习兴趣，极大地提高了教学效果。随着计算设备的普及，计算机辅助教学系统已深入到每个家庭，使得教师和家长能够根据学生自身学习情况进行定制教学和辅导。
3．可视化与可视分析
在信息时代，大量多源、多维、多尺度的数据需要处理和分析。可视化是利用计算机图形学方法将采集或计算得到的数据以图形形式直观地表示出来，高效地传递有用信息。进一步，借助人机交互式方法和交互技术，辅助数据可视化后的分析推理，准确地洞悉数据蕴含的知识与智慧。可视化与可视分析已经广泛应用于气象、地震、天体物理、分子生物学、医学等诸多领域。
4．计算机动画
传统的动画片都是手工绘制的。由于动画放映一秒钟需要24幅画面，故手工绘制的工作量相当大。而通过计算机制作动画，只需生成几幅被称作“关键帧”的画面，然后由计算机对两幅关键帧进行插值便可以生成若干“中间帧”，使得连续播放时的两个关键帧被有机地结合起来，这样可以大大节省时间和成本，提高动画制作的效率。《玩具总动员》是世界上第一部完全使用计算机动画技术制作的长篇动画电影，获得了多项奥斯卡奖。后续动画影片，如《海底总动员》、《超人总动员》等，也均创造了可观的票房。
5. 影视特效
计算机图形学更是广泛应用于影视媒体制作中的特效镜头。通过三维建模和绘制，可以将虚拟角色和场景叠加到拍摄的真实画面上，生成各种各样、精彩绝伦的特技效果，丰富了画面内容，提升了观影体验。例如《星球大战》、《加勒比海盗》、《变形金刚》等好莱坞电影，其中不乏大量通过真实感绘制创作的内容，能够和真实人物及场景一起完美呈现。
6．计算机游戏
计算机游戏目前已成为促进计算机图形学研究特别是图形硬件发展的一大动力源泉。计算机图形学为计算机游戏开发提供了技术支持，如三维引擎的创建、交互操作的设计等，可以让游戏玩家有身临其境的感觉，大大增加了游戏娱乐的体验效果。建模和渲染这两大图形学主要问题在游戏开发中的地位十分重要。
7．虚拟/增强/混合现实
虚拟和现实的融合变得越来越重要，使得虚拟/增强/混合现实广泛应用于军事、医学、教育和娱乐等领域。虚拟现实是要使人们通过带上具有立体感觉的眼睛、头盔或数据手套，通过视觉、听觉、嗅觉、触觉以及形体或手势，整个融进计算机所创造的虚拟氛围中，从而取得身临其境的体验。例如走进分子结构的微观世界里猎奇，在新设计的建筑大厦图形里漫游等。而增强现实、混合现实则将虚拟和现实氛围无缝融合，带来一种具有高度沉浸感的体感交互和视觉呈现体验。例如最先进第五代战机F35的头盔，就是增强/混合现实的集大成者。这些也成为了近些年计算机图形学的研究热点。
从20世纪80年代到90年代，是国际上计算机图形学蓬勃发展的黄金时期，而国内则处于刚起步阶段。那时，有关计算机图形学的中文教材和参考书甚少，使得图形学的入门较为困难。为了吸引年轻学生和科技工作者投入到计算机图形学，推动国内计算机图形学的发展，老一辈的学者高瞻远瞩，开始翻译或者编著计算机图形学教材，例如北京航空航天大学的唐荣锡教授，清华大学的唐泽圣教授、孙家广教授，浙江大学的梁友栋教授、石教英教授、彭群生教授、汪国昭教授等前辈。在今天看来，这些经典的图形学教材，对推动当时国内计算机图形学的普及和发展起到了很好的作用，培养了一大批的图形工作者。
近二十年来，计算机科学和技术发生了巨大的变化，以人工智能、云计算、大数据、虚拟/增强现实等为代表的新技术也带动了计算机图形学的进一步发展，涌现出了更加激动人心的图形学浪潮。然而，目前的图形学教材略显滞后，尚未及时整理和收入这些新发展。这就迫切需要一本能够反映图形学崭新内容的教材，以使得初学者或者具有图形学基础知识的人能够及时掌握这些新发展。
由北京理工大学黄华、张磊编写的《现代计算机图形学基础》（书号：978-7-302-55271-0）一书的出现，恰好能够弥补上述的不足。该书对以往图形学教材的内容做了大幅的扩展，尤其是涵盖了许多计算机图形学的新发展。这是该书的一大特色，对新形势下计算机图形学学科的传承与发扬具有重要的意义。具体到章节安排上，该书的第2、3、5章中是经典图形学的建模和绘制内容，而其余章节则详细介绍了近二十年计算机图形学在方法和应用方面取得的新进展，包括数字几何处理、非真实感绘制、基于图形的影像处理、计算摄像等内容。这为初学者快速掌握最新的计算机图形学理论、方法和技术，提供了很好的入门教材和参考资料。
除了理论和方法学习，计算机图形学也是一门很注重实践的学科，需要通过编程来实现各种图形学算法。因此，该书中列举了很多的例题，并在书中给出了一些代表性算法关键步骤的伪代码。相应的源代码也提供了网络下载。这对初学者正确理解和快速掌握该书中所介绍的图形学方法和技术也是大有裨益。同时，每章节后的思考题和书后的参考文献也能引发读者继续深入学习。该书不仅可以作为高等院校计算机相关专业的“计算机图形学”课程教材，也可以作为计算机图形学科研工作者和产业界技术人员的参考用书。
2020年3月，ACM将计算机界最负盛名的“图灵奖”授予了Patrick M.Hanrahan和Edwin E. Catmull，以表彰他们在计算机图形学领域的突出贡献。在此背景下，《现代计算机图形学基础》一书的出版恰逢其时，为开始学习或者已经使用计算机图形学方法和技术的人员提供了一本新的参考教材。
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