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计算机图形学历史

2020-06-25  本文已影响0人  Cesium4Unreal

Computer graphics are graphics created by computers and, more generally, the representation and manipulation of pictorial data by a computer.

Computer graphics may also refer to:

计算机图形是由计算机生成的图形，更一般地说，是计算机对图形数据的表示和操作。

计算机图形学也可指:

Computer graphics

计算机图形学是计算机科学的一个分支，研究在计算机的帮助下生成图像。今天，计算机图形学是数字摄影、电影、视频游戏、手机和计算机显示器以及许多专门应用的核心技术。大量的专用硬件和软件已经开发出来，大多数设备的显示由计算机图形硬件驱动。它是计算机科学中一个广阔的、最近发展起来的领域。这个短语是由波音公司的计算机图形研究人员凡尔纳·哈德森和威廉·费特在1960年创造的。它通常缩写为CG，在电影中通常是CGI。

计算机图形学的一些主题包括用户界面设计、精灵图形、渲染、光线追踪、几何处理、计算机动画、矢量图形、3D建模、着色器、GPU设计、隐式表面可视化、图像处理、计算摄影、科学可视化、计算几何和计算机视觉等。整个方法论很大程度上依赖于几何学、光学、物理学和感知等基础科学。

计算机图形学负责向消费者有效和有意义地展示艺术和图像数据。它也用于处理从物理世界接收的图像数据。计算机图形学的发展已经对许多类型的媒体产生了重大的影响，并且已经彻底改变了动画、电影、广告、视频游戏和平面设计。

Overview

计算机图形这一术语在广义上被用来描述“计算机上除了文本和声音之外的几乎所有东西”。通常，计算机图形学这个术语指的是几个不同的东西:

今天，计算机图形学很普遍。在电视、报纸、天气预报以及各种医学调查和外科手术中都可以看到这样的图像。构造良好的图可以以更容易理解和解释的形式表示复杂的统计数据。在媒体中，“这些图表被用来说明论文、报告、论文”和其他演示材料。

已经开发了许多工具来可视化数据。计算机生成的图像可以分为几种不同的类型:二维(2D)、三维(3D)和动画图形。随着技术的进步，三维计算机图形变得越来越普遍，但二维计算机图形仍被广泛使用。计算机图形学已经成为计算机科学的一个子领域，研究数字合成和操纵视觉内容的方法。在过去的十年里,其他专业领域已经开发信息可视化、和科学可视化更关心“可视化三维现象(建筑、气象、医疗、生物等),重点是卷的逼真效果图,表面,照明源,等等,也许与动态(时间)组件”[5]。

History

See also: History of computer animation

Introduction

现代计算机图形学发展的先驱科学是发生在二十世纪上半叶的电气工程、电子学和电视方面的进步。自卢米埃尔兄弟在1895年使用哑光为最早的电影制作特效以来，屏幕就可以展示艺术，但这种展示受到限制，而且没有互动。第一种阴极射线管（CRT），勃劳恩管，发明于1897年——反过来，它使示波器和军事控制面板成为该领域更直接的前身，因为它们提供了第一种对程序或用户输入作出反应的二维电子显示器。然而,计算机图形学中保持相对未知作为一门学科,直到1950年代,二战后,在此期间纪律从两者的结合纯粹的大学和实验室学术研究更先进的电脑和美国军方的雷达等技术进一步发展,先进的航空和火箭技术在战争中发展起来的。需要新型的显示器来处理这些项目产生的丰富信息，这导致了计算机图形学作为一门学科的发展。

五分钟搞清楚阴极射线管的制造过程

超炫酷的阴极射线实验

模拟电视机(CRT)的工作原理

CRT cathode ray tube 阴极射线管

LED 发光二极管

LCD liquid crystal display 液晶显示器

1950s

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SAGE控制室。

早期的项目如Whirlwind和SAGE项目将CRT作为可行的显示和交互界面，并将光笔作为输入设备。旋风SAGE系统的道格拉斯·t·罗斯(Douglas T. Ross)进行了一项个人实验，他编写的一个小程序捕捉了他手指的运动，并在显示器上显示了它的矢量(他追踪的名字)。1958年，威廉·希金博瑟姆在布鲁克海文国家实验室为示波器设计了一款交互式视频游戏——《双人网球》，该游戏模拟了一场网球比赛。1959年，Douglas T. Ross在麻省理工学院工作时再次创新，利用这个机会将数学表述转换为计算机生成的3D机床矢量，创建了一个迪斯尼卡通人物的显示范围图像

电子行业的先驱惠普公司(Hewlett-Packard)在合并了10年前的公司后，于1957年上市，并通过创始人与斯坦福大学(Stanford University)建立了牢固的关系，这些创始人都是斯坦福大学的校友。这开始了长达数十年的旧金山海湾地区转变为世界领先的计算机技术中心——现在被称为硅谷。计算机图形学领域随着计算机图形硬件的出现而发展。

计算机的进一步发展导致了交互式计算机图形学的更大进步。1959年，麻省理工学院林肯实验室开发了TX-2计算机。TX-2集成了许多新的人机接口。光笔可以用来在电脑上用Ivan Sutherland革命性的画板软件画草图。使用光笔，画板可以让人在电脑屏幕上画出简单的形状，保存它们，甚至稍后可以回忆起来。光笔的尖端有一个小的光电管。只要把这个细胞放在电脑屏幕前，它就会发出电子脉冲，电脑屏幕的电子枪就会直接向它发射电子枪。只需根据电子枪的当前位置对电子脉冲进行计时，就可以很容易地精确地指出笔在任何给定时刻在屏幕上的位置。一旦确定了这个位置，计算机就可以在那个位置绘制光标。萨瑟兰似乎找到了许多他所面临的图形问题的完美解决方案。即使在今天，许多标准的计算机图形界面都是从这个早期的画板程序开始的。其中一个例子就是绘制约束。例如，如果一个人想画一个正方形，他们不必担心画四条线完美地形成盒子的边缘。我们可以简单地指定他们想要画一个方框，然后指定方框的位置和大小。软件将构建一个完美的盒子，具有正确的尺寸和正确的位置。另一个例子是Sutherland的软件为对象建模——而不仅仅是对象的图片。换句话说，一个汽车模型，一个人可以改变轮胎的大小而不影响汽车的其他部分。它可以拉伸车身而不变形轮胎。

1960s

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星球大战在计算机历史博物馆的PDP-1上运行

“计算机图形学”一词是由波音公司的图形设计师威廉·费特在1960年创造的。这句古老的引语在很多二手资料中都有完整的句子:Fetter说这些条款实际上是波音公司威奇托分部的Verne Hudson给他的。

1961年，另一位麻省理工学院的学生史蒂夫·拉塞尔创造了电子游戏历史上另一个重要的游戏名称:太空战!为12月PDP-1写的，太空战争!获得了即时的成功，拷贝开始流向其他PDP-1所有者，最终DEC得到了一个拷贝。DEC的工程师在每一个新的PDP-1发布前都将其作为诊断程序。销售团队很快就掌握了这一点，在安装新设备时，他们将为新客户运行“世界上第一款电子游戏”。(希金波坦的双人网球比《太空战》快了三年;但在研究或学术环境之外，它几乎无人知晓。)

大约在同一时间(1961-1962年)，在剑桥大学，伊丽莎白·瓦尔德拉姆编写了在阴极射线管上显示无线电天文地图的代码

E. E. Zajac是贝尔电话实验室(BTL)的一位科学家，他在1963年制作了一部名为《双环重力姿态控制系统模拟》的电影。在这部电脑制作的影片中，Zajac展示了卫星在绕地球轨道运行时如何改变其姿态。他在IBM 7090大型机上制作了动画。同样在BTL, Ken Knowlton, Frank Sinden, Ruth A. Weiss和Michael Noll开始在计算机图形领域工作。辛登创作了一部名为《力、质量和运动》的电影，来阐述牛顿的运动定律。与此同时，其他科学家也在制作计算机图形来说明他们的研究。在劳伦斯辐射实验室，纳尔逊·马克斯创造了粘性流体的薄膜流动和固体形式的冲击波传播。波音飞机制造了一种叫做飞机振动的薄膜。

同样在20世纪60年代早期的某个时候，汽车也将通过皮埃尔·贝塞尔在雷诺的早期工作提供一个推动力，他使用保罗·德·卡斯特约的曲线-现在称为贝塞尔曲线后，贝塞尔的工作在现场-发展雷诺汽车车身的3d建模技术。这些曲线将成为该领域许多曲线建模工作的基础，因为与多边形不同，曲线在数学上是复杂的实体，可以很好地绘制和建模。

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Pong街机版

不久之后，一些大公司开始对计算机图形产生兴趣。到20世纪60年代中期，TRW、lockheedgeorgia、通用电气(General Electric)和斯佩里兰德(Sperry Rand)等许多公司开始涉足计算机图形领域。IBM很快对这种兴趣做出了回应，发布了IBM 2250图形终端，这是第一款商用图形计算机。拉尔夫·贝尔(Ralph Baer)是桑德斯联合公司(Sanders Associates)的一名监督工程师，他在1966年发明了一款家庭视频游戏，后来授权给了Magnavox公司，名为奥德赛(Odyssey)。虽然非常简单，并且需要相当便宜的电子部件，但它允许玩家在屏幕上移动光点。它是第一个消费者电脑图形产品。从1953年到1962年，David C. Evans是Bendix公司计算机部门的工程总监，之后他在伯克利做了五年的访问教授。在那里，他继续对计算机以及计算机如何与人交互产生了兴趣。1966年，犹他大学招收了埃文斯，组建了一个计算机科学项目，计算机图形学很快成为了他的主要兴趣。整个20世纪70年代，这个新部门将成为世界计算机图形学的主要研究中心。

同样在1966年，Ivan Sutherland在麻省理工学院继续创新，他发明了第一台计算机控制头戴式显示器(HMD)。它显示了两个独立的线框图像，每只眼睛一个。这使得观看者可以看到三维立体的计算机场景。支撑显示器和追踪器的笨重硬件被称为达摩克利斯之剑，因为如果它落在佩戴者身上，会带来潜在的危险。在麻省理工学院获得博士学位后，萨瑟兰成为ARPA(高级研究计划局)信息处理主任，后来成为哈佛大学教授。1967年萨瑟兰被埃文斯加入犹他大学的计算机科学项目——发展将把该部门转变最重要的一个研究中心在图形了将近十年之后,最终生产一些最重要的先驱。在那里，萨瑟兰完善了他的HMD;20年后，美国宇航局在他们的虚拟现实研究中重新发现了他的技术。在犹他州，萨瑟兰和埃文斯深受大公司的欢迎，但他们对当时缺乏可用的图形硬件感到沮丧，于是开始制定计划，要创办自己的公司。

1968年，Dave Evans和Ivan Sutherland创立了第一家计算机图形硬件公司Evans & Sutherland。虽然Sutherland最初希望公司位于马萨诸塞州的剑桥，但由于靠近犹他大学教授的研究小组，最终选择了盐湖城。

同样在1968年亚瑟Appel第一雷铸造算法描述,第一个类的雷tracing-based渲染算法,已经成为实现超级现实主义基本的图形建模的路径,光线从光源,表面在一个场景,相机。

1969年，ACM发起了一个图形方面的特别兴趣小组(SIGGRAPH)，组织计算机图形领域内的会议、图形标准和出版物。到1973年，举行了第一次年度图章会议，这已经成为该组织的重点之一。随着计算机图形学领域的扩展，图形学的大小和重要性都有所增长。

1970s

20世纪70年代早期出现的金属-氧化物-半导体(MOS)大规模集成(LSI)技术是使实用计算机图形技术成为可能的一项重要技术进步。[12] MOS大规模集成电路技术使小型MOS集成电路芯片的大量计算能力成为可能，这导致了1972年Tektronix 4010计算机图形终端、[12]和1971年微处理器的发展。[13]MOS存储器,特别是动态随机存取存储器(DRAM)芯片介绍1970年,[14]也能够拿着千比特的数据在一个高密度内存芯片,[15]使持有整个标准清晰度(SD)光栅图形图像在数字帧缓冲,它被开发SuperPaint施乐帕克研究中心,第一个video-compatible,基于栅格的计算机图形系统,在1972年。[15]

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犹他州茶壶由马丁纽威尔和它的静态渲染成为象征的CGI发展在20世纪70年代。

随后，该领域的一系列突破——尤其是在图形从功利到现实的转变方面的早期重要突破——在1970年代犹他大学发生，该校聘请了Ivan Sutherland。他和大卫·c·埃文斯一起教授高级计算机图形学，这门课为该领域的创始研究做出了巨大贡献，并教了几名学生，这些学生后来创立了几家行业最重要的公司——皮克斯、硅图形和Adobe系统公司。汤姆·斯托克汉姆领导着UU的图像处理小组，该小组与计算机图形实验室密切合作。

其中一个学生是埃德温·卡特穆尔。卡特穆尔刚从波音公司回来，一直在攻读物理学学位。卡特穆尔是在迪斯尼长大的，他热爱动画，但很快发现自己并没有绘画的天赋。现在，卡特穆尔(和其他许多人一样)认为电脑是动画的自然发展，他们想成为这场革命的一部分。卡特穆尔看到的第一个电脑动画是他自己的。他制作了一个手张开和合上的动画。1974年，他还率先在三维模型上绘制纹理贴图，现在被认为是三维建模的基本技术之一。他的目标之一就是用计算机图形技术制作一部长篇电影——在他创立皮克斯动画工作室二十年后，他实现了这个目标。在同一节课上，弗雷德·帕克为他妻子的脸制作了一个动画。这两部动画片被收录在1976年的故事片《未来世界》中。

当UU计算机图形实验室吸引着来自世界各地的人们时，约翰·沃诺克是另一位早期开拓者;后来，他创建了Adobe系统公司，用他的PostScript页面描述语言在出版界掀起了一场革命。Adobe随后用Photoshop创建了行业标准的照片编辑软件，用After effects创建了著名的电影特效程序。

詹姆斯·克拉克也在那里;后来，他创立了硅图形公司(Silicon Graphics)，一家生产高级渲染系统的公司，在20世纪90年代初之前一直主导着高端图形领域。

三维计算机图形学的一个主要进展是由这些早期的先驱在UU创造的-隐藏表面的确定。为了在屏幕上绘制一个3D对象的表示，计算机必须从观察者的角度来确定哪些表面在对象的“后面”，因此当计算机创建(或渲染)图像时应该“隐藏”。3D核心图形系统(或Core)是第一个被开发的图形标准。ACM特别利益小组SIGGRAPH的25名专家开发了这个“概念框架”。该规范于1977年发布，并成为该领域许多未来发展的基础。

同样在20世纪70年代，Henri Gouraud, Jim Blinn和Bui Tuong Phong通过发展的Gouraud阴影和Blinn-Phong阴影模型，贡献了CGI阴影的基础，允许图形移动到一个“平”的外观更准确地描绘深度。1978年，Jim Blinn还进一步创新引入了凹凸贴图(bump mapping)，这是一种模拟不平坦表面的技术，也是今天使用的许多更先进类型的贴图的前身。

现代电子游戏街机，即今天所知的诞生于20世纪70年代，第一个街机游戏使用实时2D精灵图形。1972年的Pong是第一个风靡街机柜的游戏。1974年的速度比赛中，精灵们沿着垂直滚动的道路移动。1975年的《枪战》中出现了人形动画人物，1978年的《太空入侵者》中出现了大量的动画人物;两家公司都使用了由离散芯片制成的专用桶移位电路来帮助他们的Intel 8080微处理器使其framebuffer图形具有动画效果。

1980s

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在20世纪80年代，大金刚是帮助计算机图形普及给广大观众的电子游戏之一。

20世纪80年代开始出现计算机图形的现代化和商业化。随着家用计算机的激增，一门以前只属于学术领域的学科被更多的人所接受，计算机图形开发人员的数量显著增加。

在1980年代早期,金属氧化物半导体(MOS)超大规模集成(VLSI)技术导致的可用性16位微处理器中央处理单元(CPU)和第一个图形处理单元(GPU)芯片,它开始改变计算机图形学中,使计算机图形终端的高分辨率图形以及个人电脑(PC)系统。NEC公司的公司的产品是第一个在NMOS VLSI芯片上制作的GPU。它支持高达1024x1024分辨率，并为新兴的PC图形市场奠定了基础。它被用于许多显卡，并被授权用于英特尔的第一代显卡Intel 82720。[16] MOS存储器也在1980年代早期变得更便宜，使发展负担得起的帧缓冲存储器，[17]著名的视频RAM (VRAM)在1980年代中期由德州仪器(TI)引进。1984年，日立公司发布了第一款互补MOS (CMOS) GPU ARTC HD63484。它能够在彩色模式下显示高分辨率，在单色模式下可显示4K分辨率，在20世纪80年代后期被用于许多图形卡和终端。1986年，TI公司推出了TMS34010，这是第一款完全可编程的MOS图形处理器

计算机图形终端在这十年中变得越来越智能，半独立和独立的工作站。图形和应用程序处理越来越多地迁移到工作站的智能上，而不是继续依赖中央大型机和微型计算机。早期为计算机辅助工程市场采用高分辨率计算机图形智能工作站的典型例子是Orca 1000、2000和3000工作站，由渥太华的Orcatech公司开发，该公司是贝尔北方研究公司(Bell-Northern Research)的子公司，由早期工作站先驱戴维·皮尔森(David Pearson)领导。Orca 3000采用16位摩托罗拉68000微处理器和AMD位片处理器，操作系统为Unix。它的目标直指设计工程部门的尖端。艺术家和平面设计师开始把个人电脑，特别是Commodore Amiga和Macintosh，视为一种严肃的设计工具，一种比其他方法更节省时间和画得更精确的工具。麦金塔仍然是平面设计工作室和企业中非常受欢迎的计算机图形工具。20世纪80年代的现代计算机通常使用图形用户界面(GUI)来用符号、图标和图片而不是文本来表示数据和信息。图形是多媒体技术的五大要素之一。

在真实感渲染领域，日本大阪大学于1982年开发了LINKS-1计算机图形系统，这是一台使用了257 Zilog Z8001微处理器的超级计算机，用于绘制真实感3D计算机图形。日本信息处理学会认为:“三维图像渲染的核心是根据给定的视点、光源和物体位置计算构成渲染表面的每个像素的亮度。开发了LINKS-1系统，实现了一种利用光线追踪实现各像素独立并行处理的图像绘制方法。LINKS-1开发了一种专门用于高速图像渲染的新软件方法，能够快速渲染高度逼真的图像。它被用来制作世界上第一个完全由计算机图形制作的关于整个天空的3D类似行星的视频。这段视频在1985年筑波国际博览会富士通馆展出。在1984年，LINKS-1是世界上最强大的计算机。[21]也是在真实感渲染领域，David Immel和James Kajiya的一般渲染方程是在1986年开发的，这是实现全局光照的重要一步，是追求计算机图形学的照相真实感所必需的。

《星球大战》和其他科幻作品的持续流行与电影CGI有关，因为卢卡斯电影公司和工业光魔公司成为了许多其他电影公司的“首选”公司，在电影中使用一流的计算机图形。在彩色键控(“蓝幕化”等)方面取得了重要进展，为原三部曲的后期电影做了准备。另外两段视频也在历史意义上超越了那个时代:1985年，Dire Straits为他们的歌曲《Money for Nothing》制作了几乎全CGI的标志性视频，这使CGI在音乐爱好者中流行起来。

1990s

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Quarxs，系列海报，Maurice Benayoun, Francois Schuiten, 1992。

20世纪90年代压倒性的注意是出现了大规模的3D建模和一个令人印象深刻的上升质量的CGI一般。家用电脑能够完成渲染任务，而这些任务以前只能由工作站来完成，需要花费数千美元;随着3D建模师在家庭系统上的普及，硅图形工作站的普及程度下降，运行Autodesk产品(如3D Studio或其他家庭渲染软件)的强大微软Windows和苹果Macintosh机器的重要性上升。到本世纪末，GPU将开始崛起，成为今天仍然享有的显要。

该领域开始看到第一个渲染的图形，它可以真正地在未经训练的眼睛中传递为真实感(尽管他们还不能通过训练的CGI艺术家做到这一点)，3D图形在游戏、多媒体和动画中变得更加流行。在1980年代末和创建年代的开始,在法国,第一个计算机图形学电视系列:La Vie des打赌的工作室Mac废话线(1988),Les寓言在工作室Fantome(1989 - 1991),和Quarxs,第一个高清电视电脑图形由莫里斯·贝纳永系列和弗朗索瓦Schuiten(工作室Z-A生产,1990 - 1993)。

在电影方面，皮克斯在埃德温·卡特穆尔的领导下开始了它的商业崛起，在1995年发行了第一部主要电影《玩具总动员》，这部电影在商业上取得了9位数的成功。该工作室发明的可编程着色器将继续有许多动画的热门，和它的工作预先录制的视频动画仍然被认为是一个行业的领导者和研究trail breaker。

在1992年的视频游戏中，Virtua Racing在Sega Model 1 arcade system board上运行，为完全3D的比赛游戏奠定了基础，并在视频游戏行业的更广泛受众中普及了实时3D多边形图形。1993年的世嘉模型2和1996年的世嘉模型3随后推动了商业实时3D图形的发展。回到个人电脑上，id软件公司发布了《Wolfenstein 3D》、《Doom》和《Quake》这三款第一代大受欢迎的3D第一人称射击游戏，在这十年里，它们使用了一种主要由John Carmack发明的渲染引擎(vague)，并获得了广泛好评。索尼Playstation、世嘉土星(Sega Saturn)和任天堂64 (Nintendo 64)等游戏机的销量都达到数百万美元，为家庭游戏玩家普及了3D图形。某些20世纪90年代末的第一代3D游戏被视为在游戏机用户中普及3D图形方面具有影响力，如平台游戏《超级马里奥64》和《塞尔达传说:时光之歌》，以及早期的3D战斗游戏如Virtua Fighter、Battle Arena Toshinden和Tekken。

绘制技术和算法继续得到极大的改进。1996年，Krishnamurty和Levoy发明了法线贴图——对Jim Blinn凹凸贴图的改进。1999年，英伟达发布了具有开创性的GeForce 256，这是第一款家用显卡，号称是图形处理单元或GPU，用它自己的话来说，包含了“集成变换、照明、三角形设置/剪裁和渲染引擎”。到本世纪末，计算机采用了通用的图形处理框架，如DirectX和OpenGL。从那时起，计算机图形变得更加详细和真实，由于更强大的图形硬件和3D建模软件。在这十年中，AMD也成为显卡的主要开发者，在这个领域创造了“双头垄断”的局面。

2000s

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来自视频游戏《杀戮地板》的截图，内置在虚幻引擎2中。21世纪初，个人电脑和控制台视频游戏在图形化方面取得了巨大的飞跃，能够在实时计算中显示图形，而在此之前，只有预先渲染和/或商用硬件才能实现。

CGI在这个时代变得无处不在。到20世纪90年代末，电子游戏和CGI电影已经将计算机图形的范围扩展到主流，并在21世纪头十年继续加速。在20世纪90年代末和21世纪初，CGI也被广泛应用于电视广告中，因此为广大观众所熟悉。

图形处理单元的持续上升和日益复杂是这十年的关键，3D渲染能力成为一个标准特性，3D图形gpu被认为是桌面电脑制造商提供的必要。Nvidia GeForce图形卡产品线在早期的十年中主导了市场，偶尔也有来自ATI的显著竞争存在。[25]随着这十年的发展，即使是低端的机器通常也包含某种具有3d功能的GPU，因为英伟达和AMD都推出了低价芯片组，并继续主导市场。着色器在1980年代被引入在GPU执行专门的处理将在年底前十年成为大多数消费者硬件支持,加快图形大大和允许大大提高纹理和阴影通过法线贴图的广泛应用在计算机图形学中,凹凸贴图,和各种其他技术允许模拟大量的细节。

电影和电子游戏中使用的计算机图形逐渐开始变得逼真，甚至进入了恐怖谷。CGI电影激增，传统动画电影如《冰河世纪》和《马达加斯加》，以及皮克斯出品的《海底总动员》占据了这一领域的票房。2001年上映的《最终幻想:内心的灵魂》是第一部使用逼真的CGI角色和动作捕捉技术的全电脑生成的故事片。然而，这部电影的票房成绩并不好。[27]一些评论家认为，部分原因可能是CGI主要角色的面部特征陷入了“恐怖谷”。[注1]其他动画电影如《极地快车》也在这个时候引起了人们的注意。《星球大战》的前传三部曲也重新浮出水面，其效果继续为CGI电影设定了标准。

在视频游戏方面，索尼的PlayStation 2和3，微软的Xbox系列游戏机，任天堂的GameCube等产品，以及Windows PC都拥有大量的追随者。《侠盗猎车手》系列、《刺客信条》(Assassin's Creed)、《最终幻想》(Final Fantasy)、《生化奇兵》(BioShock)、《王国之心》(Kingdom Hearts)、《魔镜之刃》(Mirror's Edge)等数十款主打cgi的游戏继续向照片现实主义靠拢，促进了电子游戏产业的发展，并给人留下深刻印象，直到该产业的收入可以与电影媲美。微软决定通过XNA程序让DirectX更容易地暴露给独立开发者世界，但它并不成功。然而，DirectX本身在商业上仍然取得了成功。OpenGL也在不断成熟，它和DirectX都有了很大的改进;第二代着色器语言HLSL和GLSL在这十年开始流行起来。

在科学计算领域，发明了GPGPU技术，可以在GPU和CPU之间双向传递大量数据;加快对多种生物信息学和分子生物学实验的分析。该技术也被用于比特币挖掘，并在计算机视觉中有应用。

2010s

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使用基于物理渲染原理的菱形纹理渲染特写——在2010年代日益成为计算机图形学研究的活跃领域。

在2010年代，CGI已经几乎在视频中无处不在，预渲染的图形几乎是科学的照片真实感，并且在一个适当的高端系统上的实时图形可以模拟照片真实感给未经训练的眼睛。

纹理映射已经成熟为一个多层次的多阶段过程;通常，在一个渲染引擎中使用着色器来实现纹理映射、凹凸映射、等值面或法线映射、光照映射(包括高光和反射技术)和阴影体是很常见的，这些都是相当成熟的。着色器现在几乎是该领域高级工作的必需品，提供了相当复杂的操作像素，顶点，和每个元素基础上的纹理，以及无数可能的效果。他们的着色语言HLSL和GLSL是研究和开发的活跃领域。基于物理的渲染或PBR，它实现了许多地图和执行高级计算来模拟真实的光流，是一个活跃的研究领域，以及先进的领域，如环境遮挡，地下散射，瑞利散射，光子映射，以及许多其他。在超高分辨率模式下提供实时图像所需的处理能力(如4K超高清)的实验正在开始，尽管除了最高端的硬件之外，其他硬件都无法实现。

在电影院里，大多数动画电影都是用电脑合成的;每年都有大量的CGI动画电影被制作出来，但是由于对恐怖谷的持续恐惧，很少有人尝试用照片写实主义。大部分是3D动画。

在电子游戏领域，微软的Xbox One、索尼的PlayStation 4和任天堂的Switch目前主导着家庭游戏领域，它们都具备高度先进的3D图形;Windows PC仍然是最活跃的游戏平台之一。

Image types

Two-dimensional

光栅图形精灵(左)和遮罩(右)

2D计算机图形是基于计算机生成的数字图像，主要来自模型，比如数字图像，以及特定的技术。

二维计算机图形主要用于最初基于传统印刷和绘图技术开发的应用程序，如排印。在这些应用程序中，二维图像不仅仅是真实物体的表现，而是具有附加语义价值的独立伪影;二维模型因此更受青睐，因为它们比3D计算机图形能更直接地控制图像，而3D计算机图形的方法更类似于摄影而不是排版。

Pixel art[edit]

See also: Pixel art

A large form of digital art, pixel art is created through the use of raster graphics software, where images are edited on the pixel level. Graphics in most old (or relatively limited) computer and video games, graphing calculator games, and many mobile phone games are mostly pixel art.

像素艺术是一种大型的数字艺术，它是通过光栅图形软件创建的，图像在像素级上进行编辑。大多数旧的(或相对有限的)电脑和视频游戏、图形计算器游戏和许多手机游戏中的图形大多是像素艺术。

Sprite graphics

精灵是一个集成到更大场景中的二维图像或动画。最初只包括与视频显示的内存位图分开处理的图形对象，现在包括图形覆盖的各种方式。

最初，精灵是一种将不相关的位图集成在一起的方法，使它们看起来像是屏幕上正常位图的一部分，比如创建一个可以在屏幕上移动的动画角色，而不改变定义整个屏幕的数据。这种精灵可以由电子电路或软件产生。在电路中，硬件精灵是一种硬件构造，它使用自定义的直接存储器存取通道来整合视觉元素与主屏幕，因为它叠加了两个离散的视频源。软件可以通过专门的渲染方法来模拟。

Vector graphics

See also: Vector graphics

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显示矢量图形与光栅(位图)图形效果的例子。

矢量图形格式是光栅图形的补充。光栅图形以像素数组的形式表示图像，通常用于表示摄影图像。[28]矢量图形包含有关组成图像的形状和颜色的编码信息，这可以在呈现时提供更大的灵活性。在某些情况下，使用矢量工具和格式是最佳实践，使用光栅工具和格式是最佳实践。有时两种格式同时出现。了解每种技术的优势和局限性以及它们之间的关系，最有可能导致高效和有效地使用工具。

Three-dimensional

与2D图形相比，3D图形是使用几何数据的三维表示的图形。为了提高性能，它存储在计算机中。这包括可能用于以后显示或实时查看的图像。

尽管存在这些差异，3D计算机图形依赖于类似的算法，就像2D计算机图形在框架和光栅图形(像在2D)在最终渲染显示。在计算机图形软件中，2D和3D之间的区别有时很模糊;2D应用程序可以使用3D技术来实现诸如照明等效果，而3D主要可以使用2D渲染技术。

3D计算机图形与3D模型是一样的。除了呈现之外，模型包含在图形数据文件中。然而，也有不同之处，包括3D模型是任何3D对象的表示。在视觉上显示之前，模型不是图形化的。由于打印技术，3D模型不再局限于虚拟空间。3D渲染是模型显示的方式。也可用于非图形计算机模拟和计算。

Computer animation

See also: Computer animation

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分形景观，计算机生成图像的一个例子。

计算机动画是一种通过计算机创造活动图像的艺术。它是计算机图形学和动画学的一个分支。尽管二维计算机图形仍被广泛用于风格、低带宽和更快的实时渲染需求，但它越来越多地通过3D计算机图形的方式创建。有时动画的目标是计算机本身，但有时目标是另一种媒介，如电影。它也被称为CGI(计算机生成图像或计算机生成图像)，特别是在电影中使用时。

虚拟实体可以包含各种属性并由各种属性控制，比如存储在对象转换矩阵中的转换值(位置、方向和比例)。动画是属性随时间的变化。实现动画的方法多种多样;基本表单基于关键帧的创建和编辑，每个关键帧在给定的时间存储一个值，每个属性都要进行动画处理。2D/3D图形软件会随着每个关键帧的变化而变化，随着时间的推移，创建一个可编辑的曲线，并在其中生成动画。其他动画方法包括程序和基于表达的技术:前者将动画实体的相关元素整合到属性集中，用于创建粒子效果和人群模拟;后者允许从用户定义的逻辑表达式返回评估结果，并结合数学，以可预测的方式自动化动画(便于在骨骼系统设置的层次结构之外控制骨骼行为)。

为了产生运动的错觉，在计算机屏幕上显示一幅图像，然后迅速地被与前一幅图像相似但稍微移动的新图像所取代。这种技术与电视和电影中的运动错觉相同。

Concepts and principles

Images are typically created by devices such as cameras, mirrors, lenses, telescopes, microscopes, etc.

Digital images include both vector images and raster images, but raster images are more commonly used.

图像通常是由相机、镜子、镜头、望远镜、显微镜等设备生成的。数字图像包括矢量图像和光栅图像，但光栅图像更常用。

Pixel

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在图像的放大部分，单个像素被渲染为方块，可以很容易地看到。

在数字成像中，像素(或图像元素[29])是光栅图像中的单点。像素被放置在一个规则的二维网格上，通常用点或正方形表示。每个像素都是原始图像的一个样本，越多的样本通常就能更准确地表示原始图像。每个像素的强度是可变的;在彩色系统中，每个像素通常由红、绿、蓝三部分组成。

图形是表面(如计算机屏幕)上的可视表示。例如照片、绘图、图形设计、地图、工程图或其他图像。图形常常结合文字和插图。平面设计可能仅包括有意选择、创作或排印，如宣传册、传单、海报、网站或书籍中没有任何其他元素。目的可能是清晰或有效的沟通，可能是寻求与其他文化元素的联系，或者仅仅是创造一种独特的风格。

Primitives

原语是图形系统可以组合起来创建更复杂图像或模型的基本单元。例如2D视频游戏中的精灵和人物地图，CAD中的几何原语，或3D渲染中的多边形或三角形。原语可能在硬件中被支持以实现有效的渲染，或者图形应用程序提供的构建块。

Rendering

渲染是用计算机程序从三维模型中生成二维图像。场景文件以严格定义的语言或数据结构包含对象;它将包含几何体，视点，纹理，照明，和阴影信息作为虚拟场景的描述。在场景文件中包含的数据然后被传递到一个渲染程序被处理和输出到一个数字图像或光栅图形图像文件。渲染程序通常内置在计算机图形软件中，尽管其他程序可以作为插件或完全独立的程序使用。术语“渲染”可以与场景的“艺术家渲染”进行类比。尽管渲染方法的技术细节各不相同，但在从存储在场景文件中的3D表示生成2D图像时要克服的一般挑战是沿着渲染设备(如GPU)的图形管道概述的。GPU是一种能够协助CPU进行计算的设备。如果一个场景在虚拟灯光下看起来比较真实和可预测，渲染软件应该解决渲染方程。渲染方程并不能解释所有的光照现象，但它是计算机生成图像的一般光照模型。“渲染”也用于描述在视频编辑文件中计算效果以产生最终视频输出的过程。

三维投影是一种将三维点映射到二维平面的方法。由于目前显示图形数据的方法大多基于平面二维介质，因此这种投影的使用非常广泛。这种方法在大多数实时3D应用中使用，通常使用光栅化来生成最终图像。射线tracingRay跟踪是一种来自于图像序列算法家族的技术，用于通过跟踪光通过图像平面像素的路径来生成图像。该技术能够产生高度的照相现实主义;通常比典型的扫描线绘制方法要高，但计算成本较高。

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阴影的例子。阴影是指在3D模型或插图中通过不同程度的黑暗来描绘深度。这是一种用于在纸上描绘黑暗层次的绘画过程，通过对较暗的区域使用更密集或更暗的阴影，对较亮的区域使用更少密集或更亮的阴影。有各种各样的阴影技术，包括交叉阴影，其中垂线的不同的亲密度绘制在一个网格模式，以阴影区域。线条越靠近，区域就越暗。同样的，线间距越远，区域就越亮。这个术语最近被概括为指着色器的应用。纹理映射是一种添加细节，表面纹理，或颜色到计算机生成的图形或3D模型的方法。1974年，Edwin Catmull博士率先将其应用到3D图形中。纹理贴图应用于一个形状或多边形的表面。这个过程类似于把图案纸涂在一个普通的白色盒子上。多重纹理是在一个多边形上一次使用多个纹理。[30]程序纹理(从调整参数创建一个底层算法产生一个输出纹理),和位图纹理图像编辑应用程序中创建(或进口数码相机),一般来说,常用的方法实现纹理的定义在3 d模型在计算机图形学软件,尽管表面纹理模型上的预定位置常常需要一种技术称为UV映射(任意,非均匀有理b样条(NURB)曲面有其固有的参数化作为纹理坐标。纹理映射作为一门学科也包含了创建法线贴图和凹凸贴图的技术，它们对应于纹理来模拟高度和高光贴图来帮助模拟光照和光线反射，以及环境映射来模拟类似镜面的反射率，也称为光泽。在光栅(基于像素的)设备(如液晶显示器或CRT电视)上观看与分辨率无关的实体(如3D模型)不可避免地会导致主要沿着几何边缘和纹理细节边界的混叠失真;这些人工制品被非正式地称为“锯齿”。反混叠方法纠正了这些问题，使图像更易于观看，但可能在一定程度上计算昂贵。各种抗混叠算法(如超采样)可以被使用，然后定制为最有效的渲染性能相对于合成图像的质量;如果要使用抗锯齿方法，图形艺术家应该考虑这种权衡。pre-anti-aliased位图的纹理显示在屏幕上(或屏幕位置)分辨率不同的分辨率纹理本身(如变形模型在虚拟摄像机的距离)将展示混叠的工件,而任何程序定义纹理总是显示混叠工件时分辨率无关;mipmapping和纹理过滤等技术有助于解决与纹理相关的混叠问题。

Volume rendering

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Volume rendered CT scan of a forearm with different colour schemes for muscle, fat, bone, and blood.

Volume rendering is a technique used to display a 2D projection of a 3D discretely sampled data set. A typical 3D data set is a group of 2D slice images acquired by a CT or MRI scanner.

Usually these are acquired in a regular pattern (e.g., one slice every millimeter) and usually have a regular number of image pixels in a regular pattern. This is an example of a regular volumetric grid, with each volume element, or voxel represented by a single value that is obtained by sampling the immediate area surrounding the voxel.

对前臂肌肉、脂肪、骨骼和血液的不同颜色方案的体积渲染CT扫描。

体绘制是一种用于显示离散采样数据集的二维投影的技术。典型的三维数据集是CT或MRI扫描仪获得的一组二维切片图像。

通常这些图像以规则模式获得(例如，每毫米一片)，并且通常以规则模式拥有规则数量的图像像素。这是规则体积网格的一个示例，每个体积元素或体素由单个值表示，该值是通过对体素周围的邻近区域采样获得的。

3D modeling

3D建模是通过专门的软件开发任何三维物体的数学、线框表示的过程，称为“3D模型”。模型可以自动或手动创建;为三维计算机图形准备几何数据的手工建模过程类似于造型艺术，如雕刻。三维模型可以使用多种方法创建:使用NURBs生成精确和光滑的表面斑块，多边形网格建模(处理面几何)，或多边形网格细分(多边形的高级镶嵌，产生类似NURB模型的光滑表面)。一个3D模型可以通过一个叫做3D渲染的过程显示为一个二维图像，用于计算机模拟物理现象，或直接动画的其他目的。模型也可以使用3D打印设备进行物理创建。

Pioneers in computer graphics

Charles CsuriCharles Csuri是计算机动画和数字美术的先驱，在1964年创造了第一个计算机艺术。Csuri被史密森尼公认为数字艺术和计算机动画之父，并被现代艺术博物馆(MoMA)和计算机机器- siggraph协会视为计算机动画的先驱。Donald P. Greenberg是计算机图形学领域的领先创新者。格林伯格撰写了数百篇文章，并担任许多杰出的计算机图形艺术家、动画师和研究人员的导师，如罗伯特·l·库克、马克·勒沃伊、布莱恩·a·巴斯基和韦恩·莱特尔。他以前的学生中有许多获得了奥斯卡技术成就奖，还有一些获得了SIGGRAPH成就奖。参考译文:格林伯格是美国国家科学基金会计算机图形和科学可视化中心的创始主任。Michael NollNoll是最早使用数字计算机来创造艺术模式并将随机过程在视觉艺术创作中的使用形式化的研究者之一。1962年，他开始创作数字艺术，成为最早的数字艺术家之一。1965年，诺尔与弗里德·纳克(Frieder Nake)和格奥尔格·内斯(Georg Nees)率先公开展示了他们的计算机艺术作品。1965年4月，霍华德·怀斯画廊展出了诺尔的计算机艺术和贝拉·朱尔斯的随机点图案。

Other pioneers

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A modern render of the Utah teapot, an iconic model in 3D computer graphics created by Martin Newell, 1975

Organizations

Study of computer graphics

Main article: Computer graphics (computer science)

The study of computer graphics is a sub-field of computer science which studies methods for digitally synthesizing and manipulating visual content. Although the term often refers to three-dimensional computer graphics, it also encompasses two-dimensional graphics and image processing.

As an academic discipline, computer graphics studies the manipulation of visual and geometric information using computational techniques. It focuses on the mathematical and computational foundations of image generation and processing rather than purely aesthetic issues. Computer graphics is often differentiated from the field of visualization, although the two fields have many similarities.

计算机图形学是计算机科学的一个子领域，研究数字合成和操纵视觉内容的方法。虽然这个术语通常指三维计算机图形，但它也包括二维图形和图像处理。

作为一门学科，计算机图形学研究利用计算技术处理视觉和几何信息。它关注的是图像生成和处理的数学和计算基础，而不是纯粹的美学问题。计算机图形学常常与可视化领域相区别，尽管这两个领域有许多相似之处。

Applications

Computer graphics may be used in the following areas:

See also

References

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