计算机图形学定义

计算机图形学的领域专注于利用技术来创作艺术作品和图像。计算机图形学是当今许多专业应用的基础技术，包括数码摄影、电影、电子游戏、数字艺术、手机和电脑显示器。已经创造了大量的专用硬件和软件，并且计算机图形学硬件现在为大多数设备的显示器提供动力。

它是计算机科学中一个现代且广泛的领域。波音公司的计算机图形学研究员Verne Hudson和William Fetter于1960年创造了这个词。在电影的语境中，它经常被简称为CG，或者更常见的称为计算机生成图像（CGI）。计算机科学研究侧重于计算机图形学的技术元素。

计算机图形学的任务是成功且有意义地将艺术和视觉数据呈现给用户。此外，它还用于处理来自现实世界的视觉数据，如图片和视频。动画、电影、广告和电子游戏都因计算机图形学的进步而发生了彻底的变革。

理解计算机图形学

广义上讲，“计算机上除了文本和声音之外的几乎所有东西”都被称为计算机图形学。一般而言，“计算机图形学”一词可以指许多不同的事物：

• 计算机对图像数据的描绘和处理
• 创建和修改图像的各种方法
• 请参阅计算机图形学主题，了解数字创建和修改视觉信息的技巧。

计算机图形学如今得到了广泛应用。这些图像可以在报纸、电视、天气预报以及各种医疗测试和手术中看到。借助精心制作的图表，可以以更易于理解和解释的方式呈现复杂数据。此类图表在媒体中用于展示论文、报告、论文和其他演示材料。

为了显示数据，已经开发了多种技术。动画图形、二维（2D）和三维（3D）计算机生成图像是它可以划分的众多类别中的一部分。尽管由于技术进步，3D计算机图形现在更为普遍，但2D图形仍然很普遍。

计算机科学的一个分支，称为计算机图形学，已经出现，用于研究数字合成和修改视觉图像的技术。在过去的十年里，出现了其他专业领域，例如信息可视化和科学可视化，它们更侧重于“三维现象（建筑、气象、医疗、生物等）的可视化，其重点在于体、表面、光源等的逼真渲染，可能带有动态（时间）分量。”

计算机图形学历史

20世纪上半叶电气工程、技术和电视领域的发展为现代计算机图形学的创建奠定了基础科学。自1895年卢米埃尔兄弟使用遮挡来制作早期电影的特效以来，屏幕就能够显示艺术作品，但这些显示受限且不具交互性。

示波器和军事指挥面板是该领域更直接的前身，这得益于1897年发明的第一个阴极射线管——布劳恩管。这些设备提供了第一个对编程或人类输入做出响应的二维显示屏。

然而，直到20世纪50年代以及二战后时期，计算机图形学几乎不为人知，也没有作为一个研究领域。那时，该领域源于大学和实验室对更先进计算机的纯学术研究以及军事在雷达、先进航空和火箭技术等方面的持续进步。为了处理这些倡议产生的海量信息，需要新的显示类型，这就是计算机图形学领域诞生的原因。

约翰·惠特尼（John Whitney）被认为是20世纪40年代和50年代的先驱和早期计算机动画师之一。20世纪60年代初，波音美国公司的平面设计师威廉·艾伦·费特（William Alan Fetter）熟悉了“计算机图形学”一词。随着图形硬件的推出，创造了“计算机图形学”一词。

此外，它还是使计算机图形学能够互操作的硬件创新的中心。麻省理工学院的林肯实验室在20世纪50年代创建了TX-2，并将其与许多独特的接口结合起来。该程序的创建也使她看起来像是计算机图形学的父亲Avan Sutherland。此外，通用汽车公司生产了DAC-1，这是该公司首个设计的燃油系统。

计算机图形中的图像

计算机图形有多种形式，每种形式都有特定的应用。例如，当今大多数游戏都使用三维图形，而大多数视觉效果则使用二维图像。

二维

二维图形是计算机使用模型本身识别的方法数字创建的图形。最初用于印刷和绘图技术，包括字体设计、地图绘制、工业制图、广告等，这些2D图像主要用于此类目的的软件。在这些应用程序中，这些视觉效果既是现实的描绘，也是具有附加值的独立、独立的商品。由于它们比3D图形提供更直接的图像控制，因此在早期方法中更受青睐。

三维

与2D图形不同，3D图形使用计算机中包含的技术数据的三维表示来进行计算并创建2D视觉效果，3D图形是计算机图形学的一个子集。Martin Newell于1975年在犹他大学的工作产生了第一个三维模型。原始的罐子目前收藏在美国加利福尼亚的计算机历史博物馆，其形式存在于大多数3D程序中。

计算机图形学类型

绝大多数人可能会在电脑、智能手机和平板电脑上看到图像，而不会考虑图像的处理或屏幕显示。如果您只将图像用于图形目的，那就太好了，但任何想创建或编辑计算机图形图像的人都需要了解所讨论图像的设计。在这一部分，我们将描述多种类型的计算机图形。它们是：

1. 矢量图形

可缩放矢量图形（SVG），也称为矢量图形，非常受欢迎。就像您小时候可能玩过的连点游戏一样，这些图形由连接线和曲线的锚点组成。这些图形被定义为分辨率无关，因为它们不依赖于像素，这使得它们可以无限扩展。

无论其大小如何，其线条都精确且保留了所有美感和细节。此外，这些图形独立于显示它们的设备，因此它们的质量不受打印机或屏幕能够产生的点或像素数量的影响。由于它们仅包含线条和锚点，因此文件大小非常小。

2. 位图图形

位图图形由微小的彩色和色调点或像素构成。当图像被放大或缩小时，像素会呈现出图纸上的小方块。数码相机、电脑扫描仪或基于位图的软件用于创建这些图像。每个图像都有最大像素数；像素数会影响图像的最终效果。这里指的是分辨率。在与原始尺寸相似或更大的尺寸下，更多的像素可以提高质量，但这样做也会使文件变大并占用更多存储空间。

分辨率随像素数量的减少而降低。分辨率决定了可以在不出现像素可见性（像素化）的情况下放大的最大图像尺寸。另一方面，在小尺寸下打印的高质量图像会使像素“挤压”在一起，使图像看起来像在大图像中像素不足一样不专业。

计算机图形学应用

计算机图形学涉及多种图像和对象的制作、修改和存储。计算机图形学可用于各种目的，包括：

• 计算机艺术： 借助计算机图形学，我们可以创作艺术和商业艺术，例如绘画和动画程序。这些软件包提供的工具可以描述物体运动并创建物体形状。还可以创建绘画、卡通图画和徽标。
  
• 计算机辅助设计： 计算机辅助设计（CAD）用于设计建筑物、车辆和飞机。CAD增强了绘图的精细细节，从而使绘图更加清晰、准确，并且具有更好的规格。
• 演示文稿图形： 利用计算机图形学工具，除了汇总研究报告和管理报告的财务、统计、数学、科学和经济数据外，还可以构建条形图、饼图和时间图。
• 娱乐： 电影和电子游戏行业是计算机图形学应用最广泛的领域。用于制作卡通动画电影、音乐视频、电视节目和故事片。在游戏领域，计算机图形学有助于提供这样的品质，在游戏领域，注意力和参与度是主要的决定因素。
  
• 教育： 为了以易于理解和学习的方式传授大量的概念和基础知识，计算机生成的模型至关重要。计算机图形学可用于构建各种教学模型，以增加学生对主题的兴趣。
• 培训： 可以使用专用系统（例如模拟器）以一种使候选人能够在很短的时间内并更深刻地理解材料的方式进行教学。计算机图形学可用于轻松有效地创建培训模块。
• 可视化： 如今，可视化事物的需求比以往任何时候都高。例如，数据可视化有助于从数据中发现见解。为了观察和分析我们周围过程的行为，我们还需要适当的可视化，这通过计算机图形学的适当应用来实现。
• 图像处理： 为了在不同环境中应用，需要编辑各种类型的图片或图像。计算机图形学的众多用途之一是将现有图像处理成改进的图像以获得更好的解释。
  
• 自动化绘图： 采用计算机图形学达到此目的的主要好处是我们从这些绘图中获得的最终且非常期望的清晰度和准确性，以安全地制造机器。计算机图形学用于设计、修改和创建机器的各个部件以及整台机器。
  
• 图形用户界面： 图片、图像、图标、弹出菜单和图形对象的应用有助于创建用户友好的环境，在这种环境中工作既简单又愉快。通过利用计算机图形学，我们可以创建一个自动化一切的环境，任何人都可以轻松地执行所需的操作。

计算机图形学的重要性

如今，计算机图形学在许多领域都至关重要，其重要性还在不断增加。以下主要观点最能说明计算机图形学的重要性：

设计

借助计算机图形学，可以以图形方式传达复杂的概念。这对于建筑、工程和产品设计等行业尤其重要，因为在建造之前设想一个概念有助于节省时间和金钱。

如今，无论计划建造桥梁、机场还是高速公路，都必须首先为其创建设计。该计划要求以后进行开发。计算机图形学使得创建此设计成为可能。

娱乐

计算机图形学是娱乐行业的重要组成部分。这包括大量的电子游戏、电影和视觉效果内容。如今，计算机图形学用于创建和呈现所有电影、网络剧集、新闻等。为了让我们所有人都能享受观看其中任何内容，它必须对所有人看起来都真实。

此外，人们一定看过《权力的游戏》、《阿凡达》、《黑客帝国》、《复仇者联盟》、《钢铁侠》、《巴霍巴利》、《丛林之书》、《金刚》以及其他热门节目和电影的电影和在线系列。此外，这些还提供了虚拟效果以及计算机图形学。正因如此，这些电影和网络剧集中所描绘的事件看起来才如此真实。

教育和培训

计算机图形学经常用于培训和教育，以帮助学生可视化复杂的概念。计算机动画和视觉效果可以用来以更易于理解和有趣的方式说明困难的主题。对于所有学生来说，它提高了学习的可及性和乐趣。

大多数学校和大学的老师都使用数字工具来帮助学生更全面地理解他们的科目。因此，他们使用投影仪来展示照片或电影等视觉材料，以消除学生可能有的任何误解。这使得老师能够更清晰地向学生解释所显示图片或视频的每个元素。因此，计算机图形学在教育或学习中的价值至关重要。

广告和营销

当今世界的所有广告都在线进行。为了提供引人注目的视觉效果来传达品牌信息，计算机图形学经常用于营销和广告。动画徽标、商业电影和其他营销产品仍然使用计算机图形学制作。由于现在一切都可以在线获得，因此每个人都倾向于在线销售他们的产品。为此需要营销和广告。为了满足这一需求，计算机图形学得到了应用。

就营销或广告而言，Instagram、Facebook Ads 和 Google Ads 等热门平台只是其中的一些例子。所有这些渠道上的产品都通过视频、广告或品牌营销进行销售。这些广告、横幅和品牌徽标都是使用计算机图形学创建的。

随着电子商务的增长，计算机图形学已成为企业用于营销产品的重要工具。高质量的产品照片和交互式3D模型为客户带来了更具吸引力和更逼真的购物体验。

总结

计算机图形学使用计算机创建视觉效果和艺术作品。计算机图形学现在是电子游戏、数字艺术、互联网摄影和计算机显示器的基本组成部分。为计算机生产了各种专用硬件和软件，计算机图形学技术支持后者设备的显示。

计算机图形学还包括诸如光线追踪隐式曲面可视化、3D建模、矢量图形、用户界面设计、GPU设计、计算机视觉、精灵图形和着色器等方法。几何、物理和光学概念是计算机图形学的基础。

根据最新的研究报告，2022年全球计算机图形学市场的收入价值和份额估计为255亿美元，预计到2030年将超过351亿美元，在2023年至2030年的预测期间，复合年增长率（CAGR）约为9.1%。

计算机图形学行业研究是有关市场前景、挑战和发展因素的信息的重要资源。计算机图形学业务研究包括对竞争格局的全面审查以及地理市场分析。为了帮助企业做出数据驱动的决策，该研究还考察了利益相关者和投资者格局。