1 概述篇

1.1 計算機圖形學概念

（1）什么是計算機圖形學？（Computer Graphics）

關于計算機圖形學的定義眾說紛紜。IEEE 對計算機圖形學的定義為：Computer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer。

國際標準化組織 ISO 將計算機圖形學定義為：計算機圖形學是一門研究通過計算機將數據轉換成圖形，并在專門顯示設備上顯示的原理方法和技術的學科。它是建立在傳統的圖學理論、應用數學及計算機科學基礎上的一門邊緣學科。

總而言之計算機圖形學是研究怎樣利用計算機來顯示、生成和處理圖形的原理、方法和技術的一門學科，這里的圖形是指三維圖形的處理。

（2）相關概念辨析

表1 圖形和圖像辨析

計算機圖形學 & 圖像處理 & 計算機視覺

計算機圖形學（computer graphics）的基本含義是使用計算機通過算法和程序在顯示設備上構造圖形。圖形是人們通過計算機設計和構造出來的，不是通過攝像機、掃描儀等設備輸入的圖像。這里的圖形可以是現實中存在的圖形，也可以是完全虛擬構造的圖形。以矢量圖的形式呈現，更強調場景的幾何表示，記錄圖形的形狀參數與屬性參數。例如，工程圖紙 (drawing)，其最基本的圖形單元是點、線、圓/弧等，其信息包含圖元的幾何信息與屬性信息 (顏色、線型、線寬等顯式屬性和層次等隱式屬性)。

圖像處理（image processing）則是研究圖像的分析處理過程，圖像處理研究的是圖像增加、模式識別、景物分析等，研究對象一般為二維圖像。圖像以點陣圖形式呈現，并記錄每個點的灰度或色彩。例如，照片、掃描圖片和由計算機產生的真實感和非真實感圖·形等，最基本的圖像單元（pels，picture elements）是點—像素（pixel），其信息實際上是點與它的屬性信息 (顏色、灰度、亮度等)。

計算機視覺（computer vision）包括獲取、處理、分析和理解圖像或者更一般意義的真實世界的高維數據方法，它的目的是產生決策形式的數字或者符號信息。

計算機圖形學和計算機視覺是同一過程的兩個方向。計算機圖形學將抽象的語義信息轉化成圖形，計算機視覺則從圖形中提取抽象的語義信息，圖像處理研究的則是一個圖像或一組圖像之間的相互轉化和關系，與語義信息無關。下表從輸入和輸出的角度對三者的區別進行辨析：

表2 圖像處理&計算機視覺&計算機圖形學對比

計算機圖形學，輸入的是對虛擬場景的描述，通常為多邊形數組，而每個多邊形由三個頂點組成，每個頂點包括三維坐標、貼圖坐標、RGB 顏色等。輸出的是圖像，即二維像素數組。

計算機視覺，輸入的是圖像或圖像序列，通常來自相機、攝像頭或視頻文件。輸出的是對于圖像序列對應的真實世界的理解，比如檢測人臉、識別車牌。圖像處理，輸入的是圖像，輸出的也是圖像。Photoshop 中對一副圖像應用濾鏡就是典型的一種圖像處理。常見操作有模糊、灰度化、增強對比度等。

盡管三者所涉及的都是運用計算機來處理對象，但是長期以來卻是屬于不同技術領域，近些年來，隨著多媒體技術、計算機動畫以及三維數據場顯示技術等的迅速發展，計算機圖形學、圖像處理和計算機視覺結合日益緊密，并且相互滲透。例如，三維游戲為了增加表現力會疊加全屏的后期特效，原理就是數字圖像處理，只是將計算量放在了顯卡端；計算機視覺對需要識別的照片進行預處理也是運用了數字圖像處理技術；最明顯的是增強現實（AR），用數字圖像處理技術進行預處理，用計算機視覺技術進行跟蹤物體的識別與姿態獲取，用圖形學技術進行虛擬三維物體的疊加和顯示。

1.2 計算機圖形學發展歷史

圖 1 計算機圖形學發展歷史

20 世紀 50 年代：1950 年，美國 MIT 的旋風一號（whirlwind I）計算機配備了世界上第一臺顯示器——陰極射線管（CRT）來顯示一些簡單的圖形，使得計算機擺脫了純數值計算的單一用途，能夠進行簡單的圖形顯示，從此計算機具有了圖像顯示功能，但是還不能對圖形進行交互操作，這時的計算機圖形學處于準備和醞釀時期，并稱之為「被動式」圖形學。

50 年代末期，MIT 的林肯實驗室在「旋風」計算機上開發 SAGE（Semi－Automatic Ground Environment System）空中防御體系。SAGE 于 1957 年投入試運行，已經能夠將雷達信號轉換為顯示器上的圖形并具有簡單的人機交互功能，操作者使用光筆點擊屏幕上的目標即可獲得敵機的飛行信息，這是人類第一次使用光筆在屏幕上選取圖形。1959 年，麻省理工學院林肯實驗室第一次使用了具有指揮和控制功能的 CRT，「被動式」圖形學開始邁向交互式計算機圖形學。

20 世紀 60 年代：1962 年美國 MIT 林肯實驗室的 Ivan E.Sutherland 發表了一篇題為「sketchpad：一個人機交互通信的圖形系統」的博士論文，首次使用了「Computer Graphics」這一概念，證明了交互式計算機圖形學是一個可行的、有應用價值的研究領域，從而確立了計算機圖形學正式成為一個獨立學科的分支。1968 年 Ivan E. Sutherland 又發表了《頭戴式三維顯示器》的論文，在頭盔的封閉環境下，利用計算機成像的左右視圖匹配，生成立體場景，使人置身于虛擬現實中。Ivan E. Sutherland 為計算機圖形學技術做出了巨大的貢獻，被稱作計算機圖形學的開山鼻祖，1988 年 Ivan E. Sutherland 被授予 A.M 圖靈獎。并且這一時期，光柵圖形學算法開始萌芽。

20 世紀 70 年代：圖形學在這一時期進入了興盛期，光柵圖形學算法迅速發展，區域填充、裁剪、消隱等概念及其相應算法紛紛被提出，實用的 CAD 圖形系統也開始出現。除此之外，真實感圖形學和實體造型技術的產生也是 70 年代計算機圖形學的兩個重要進展。1970 年 J. Bouknight 在 ACM 上發表論文，提出了第一個光反射模型，指出物體表面朝向是確定物體表面上一點光強的主要因素，并用 Lambert 漫反射定律計算物體表面上各多邊形的光強，對光照射不到的地方用環境光代替。1971 年 Henri Gouraud 在 IEEE Trans.Computer 上提出被稱為 Gouraud 明暗處理的「漫反射模型＋插值」思想，對多面體模型，用漫反射模型計算多邊形頂點的光亮度，再用增量法插值計算多邊形的其他內部點。1975 年 Phong 在 ACM 上發表論文提出了著名的簡單光照模型「Phong 模型」，Phone 模型雖然只是一個經驗模型，但其真實度已經達到了較好的顯示效果。這些都是真實感圖形學最早的開創性工作。從 1973 年開始，相繼出現了英國劍橋大學 CAD 小組的 Build 系統、美國羅徹斯特大學的 PADL-1 系統等實體造型系統，這些都為 CAD 領域的發展做出了重要貢獻。

70 年代圖形軟件標準化程度提高，1974 年，ACM SIGGRAPH「與機器無關的圖形技術」的工作會議的召開，提出了圖形軟件標準化問題，ACM 成立圖形標準化委員會，制定「核心圖形系統」（core graphics system），ISO 發布 CGI、CGM、GKS、PHIGS 一系列的圖形標準，其中 19777 年的 CKS 是 ISO 批準的第一個圖形軟件標準軟件，是一個二維圖形軟件標準，1986 年，ISO 公布了程序員級的分層結構交互圖形系統 PHIGS，這是一些非官方的圖形軟件，廣泛應用于工業界并成為事實上的標準，PHIGS 是對 CKS 的擴充，增加的功能有對象建模、彩色設定、表面繪制和圖形管理等。伺候 PHIGS 的擴充成為 PHIGS+；1988 年的 CKS3D，是 ISO 批準的第二個圖形軟件標準軟件，是一個三維圖形軟件標準。

20 世紀 80 年代以后：出現了帶有光柵掃描顯示器的微型計算機和圖形工作站，極大的推動了計算機圖形學的發展，如 Machintosh、IBM 公司的 PC 及其兼容機，Apollp、Sun 工作站等。隨著奔騰 III 和奔騰 IV 系列 CPU 的出現，計算機圖形軟件功能一開始部分地由硬件實現。高性能顯卡和液晶顯示屏的使用，高傳輸率大容量硬盤的出現，特別是 Internet 的普及使得微型計算機和圖形工作站在運算速度、圖形顯示細節上的差距越來越小，這些都為圖形學的飛速發展奠定了物質基礎。

1980 年 Turner Whitted 提出了光透視模型，并第一次給出光線跟蹤算法的范例，實現了 Whitted 模型；1984 年美國 Cornell 大學和日本廣島大學的學者分別將熱輻射工程中的輻射度算法引入到計算機圖形學中，用輻射度的方法成功地模擬了理想漫反射表面間的多重漫反射效果。以上二者的提出，標志著真實感圖形的顯示算法已逐漸成熟。80 年代中期以后，超大規模集成電路的發展，計算機運算能力的提高，圖形處理速度的加快，促使了圖形學各個研究方向都得到了充分發展和廣泛的應用。

20 世紀 90 年代以后：微機和軟件系統的普及使得圖形學的應用領域日益廣泛，計算機圖形學朝著標準化、集成化和智能化的方向發展，多媒體、人工智能、計算機可視化、虛擬現實等分支蓬勃發展，三維造型也獲得了長足發展。ISO 公布的圖形標準越來越精細，更加成熟。這是存在著一些事實上的標準，如 SGI 公司開發的 OpenGL 開放式三維圖形標準，微軟公司為 PC 游戲開發的應用程序接口標準 DirectX 等，Adobe 公司 Postscript 等，均朝著開放式、高效率的方向發展。

1.3 中國計算機圖形學發展

中國的計算機圖形學發展最早可以追溯到 20 世紀 80 年代末期，清華大學、浙江大學等率先開始了對計算機圖形學技術的研究，但是由于經濟發展程度以及對外開放程度等原因，絕大多數的學校和個人都沒有機會接觸計算機圖形學，計算機圖形學此時在中國處于萌芽階段。

1990 年-1998 年間，圖形學在中國迎來了發展。中國圖形學專家在貝塞爾曲線、非均勻有理 B 樣條曲線以及計算機真實感圖形渲染算法方面都取得了一定的成績。比如邵敏之教授和朱一寧教授分別在 1988 年和 1990 年成功采用輻射度算法在封閉空間中繪制出了真實感很強的圖像，浙江大學 CAD&CG 國家重點實驗室開發出中國自己的虛擬現實系統——CAVE，這套系統依靠高性能計算機同步產生同一場景相鄰視域內的四幅畫面并分別投影到大屏幕上，通過液晶眼鏡產生立體視覺效果。這些成就都表明中國的計算機圖形學發展已經取得了一定的成果。

1998 年至今，中國計算機圖形學逐漸走入了正軌。中國計算機圖形學行業的分工以及產業結構日益專業化、標準化、商業化和智能化。國內不斷有新的動畫算法和渲染算法理論被提出，不斷有論文入選 SIGGRAPH，各大高校紛紛開設圖形學課程，一批具有自主版權的二維繪圖軟件和三維 CAD 商品化軟件進入市場。

近年來，隨著我國改革開放的不斷深化，以及各項方針政策的落實，科學技術得到了廣泛的發展應用，計算機圖形學的理論和技術迅速發展，并取得了可喜的成果。在硬件方面，我國研制出多種系列和型號的繪圖機、數字化儀和圖形顯示器，其技術指標居國際先進水平，具有高分辨率的光柵圖形顯示器、全色的圖形圖像處理卡、國際上廣泛應用的 Sun SPANC 系列工作站、HP 9000/800 系列工作站等，在我國也有定點工廠生產，鼠標等交互設備也已在國內生產。

1.4 計算機圖形學著名公司

歐特克公司

歐特克股份有限公司（Autodesk，Inc），為財富雜志票選全球前 1000 大企業，更為雜志內 100 強之公司企業均使用其產品和服務。歐特克一直致力于用戶的創意實現，并在 2009 年于全球突破擁有超過 900 萬用戶，提供制造業、傳媒暨娛樂、地理信息空間、汽車與交通運輸業、建筑、工程與施工，以及無線數據服務等領域行業的全球頂尖軟件和服務之企業。

歐特克系由約翰·沃克等人在 1982 年建立。在美國的馬林縣設有多個分公司，且在全球擁有 16 家研發中心，超過 3000 名研發人員，而目前則以圣拉菲爾為總部。其中，位于中國上海的歐特克中國研究院是歐特克全球最大的研發機構，擁有超過 1500 名研發人員，歐特克每年的研發投入基本維持在全球總收入的 20% 的比例。縱觀歷史，歐特克從過去 2D 設計到現在的 3D 建模，從數字化原型（DP）、建筑信息模型（BIM）到在過去十四年歷屆奧斯卡最佳視覺特效獎全部獲獎視頻的數字娛樂創作解決方案（DEC），歐特克提供數字化設計領域中廣泛且強大的產品組合。

工業光魔

工業光魔（Industrial Light and Magic，ILM），是著名的電影特效制作公司。喬治·盧卡斯（George Lucas）于 1975 年創建該公司、并參與第一部《星球大戰》（Star Wars）的特效制作，到今天工業光魔已經為多達 300 多部影片提供了視覺特效制作服務。工業光魔的奇跡并不局限于在很多影片中創造的許多驚人的 CG 和視覺效果，更在于它開創了一個電影特效行業的新時代，迄今為止，ILM 獲得過 15 次奧斯卡最佳視覺效果獎。時至今日，工業光魔公司依然代表著當今世界電影特效行業頂尖的制作水準，取得的技術成就更是無出其右。

工業光魔是盧卡斯影業公司的子公司，總部位于加利福尼亞州舊金山市的萊特曼數碼藝術中心，2012 年，沃特·迪士尼公司以 40.5 億美元收購盧卡斯影業，此次收購包括了盧卡斯影業旗下的所有子公司，工業光魔也在其中，《星球大戰》《加勒比海盜》《變形金剛》《哈利波特》《冒牌天神》等系列電影的特效都與工業光魔有關。

Oculus

Facebook2014 年 7 月宣布以 20 億美元的價格收購 Oculus，被外界視為 Facebook 為未來買單的舉措。2015 年 1 月，Oculus 周一在圣丹斯電影節上宣布，已組建了一個名為「故事工作室」（Oculus Story Studio）的內部實驗室，以創作虛擬現實版本的電影。Facebook 于 2017 年 5 月份宣布關閉 Oculus Story Studio 故事工作室，以重新分配資源，通過投資的方式繼續資助虛擬現實影視內容。

Oculus 成立于 2012 年，當年 Oculus 登陸美國眾籌網站 kickstarter，總共籌資近 250 萬美元；2013 年 6 月，Oculus 宣布完成 A 輪 1600 萬美元融資，由經緯創投領投。Facebook 在 2014 年 7 月宣布以 20 億美元的價格收購 Oculus，被外界視為 Facebook 為未來買單的舉措。在 Facebook 看來，Oculus 的技術開辟了全新的體驗和可能性，不僅僅在游戲領域，還在生活、教育、醫療等諸多領域擁有廣闊的想象空間。對于虛擬現實技術的態度，Facebook 已經用行動證明自己的觀點，其搶購 Oculus 背后的野心已昭然若揭：「攻」可做虛擬現實領域的「蘋果」，「守」可為下一個社交時代做準備。

Base FX

是一家電影后期視覺特效和動畫公司，2010 年公司憑借在 HBO 迷你劇集《太平洋戰爭》中的特效制作，獲得第 62 屆艾美獎最佳視覺特效獎；2011 年，公司憑借為 HBO 制作的《海濱帝國》再度贏得艾美獎最佳視覺特效獎；2014 年，公司憑借為 Starz 制作的《黑帆》第三次贏得艾美獎最佳視覺特效獎。

公司成立于 2006 年，總部位于北京，特效制作和項目管理團隊位于北京、無錫、廈門和洛杉磯，并在大廠建立了培訓基地。截至 2015 年 3 月，公司現已完成了 130 余部國內外的影視特效制作，如《美國隊長 2》、《變形金剛 4》、《環太平洋》、《狼圖騰》、《王的盛宴》、《金陵十三釵》、《趙氏孤兒》、《四大名捕》等。

2012 年 5 月底，Base FX 正式與工業光魔展開戰略合作，進行好萊塢項目的特效制作。2015 年 5 月 20 日，在第五屆北京國際電影節上，Base FX 發起成立了中國影視后期產業聯盟（CPPA）

皮克斯

皮克斯動畫工作室（Pixar Animation Studios），是一家位于加州愛莫利維爾市的計算機動畫制片廠。該公司制作計算機三維軟件，如用于影視效果制作并匹配自家制定的 RenderMan 規范的三維渲染軟件包——PRMan。皮克斯的前身是盧卡斯影業于 1979 年成立的的計算機動畫部。1986 年，蘋果公司聯合創始人史蒂夫·喬布斯收購了盧卡斯的計算機動畫部，成立了皮克斯動畫工作室。2006 年，皮克斯被迪士尼以 74 億美元收購，成為華特迪士尼公司的一部分，喬布斯亦因此成為迪士尼的最大個人股東。截至 2018 年，皮克斯共發布了 20 部動畫長片，第一部是 1995 年的《玩具總動員》，最近的一部是 2018 年的《超人總動員 2》。皮克斯的 20 部作品都獲得了好評與商業上的成功，這些作品都獲得了 CinemaScore 至少「A-」的評價，該公司也制作一些動畫短片。截至 2017 年 12 月，該公司的所有作品在全世界累計獲得了 115 億美元的票房，平均每部電影獲得 6.08 億美元。皮克斯電影都曾進入電影票房收入前五十名，其中《海底總動員》與《玩具總動員 3》一直保持在前五十名，《玩具總動員 3》在全球獲得了十億美元票房。