计算机图形学到底讲了什么

最近看了好几本图形学的书，都是中国人写的，感觉讲什么的都有，不同的书讲的内容都不同。于是又翻了下孙家广的《计算机图形学(第三版)》，又看了下图形学圣经《计算机图形学原理及实践 C语言描述》的目录，发现还是圣经涵盖的内容广泛，几乎涉及了其它图形学教材的所有内容。东西太多，看完有点乱，于是自己梳理一下，看看到底有些什么。

粗略的看，计算机图形学分为两方面内容，一是建模，二是变换，三是渲染。所谓建模，就是将一个现实中的物体或者想象出来的物体做成一个模型，使计算机能够识别。所谓变换，就是将空间中的实体变换到屏幕上。所谓渲染，就是在屏幕上显示出来一些场景。

1、建模

建模方面涉及的内容相对较少，这部分主要是和数学有关。因为计算机的基础就是数学，计算机可识别的模型也即数学模型。

(1) 模型的表示方法

模型表示方法有两种，一种是用方程表示，一种是用实体造型表示。

方程表示主要包括常见的曲线曲面方程，BEZIER曲线曲面，B样条曲线曲面和NURBS曲线曲面。

实体造型表示包括内容挺多，如边界表示，空间划分表示，等等，很多。

总而言之，这一部分的主要任务是以某种形式将一个实体表示出来。

(2) 多边形网格

以某种形式将模型表示出来后，通常在三维图形领域，模型并没有真正的建立起来。通用的模型是多边形网格形式的，于是需要进行转换。

在上一步形成的图形可表示出大量的点，这些点都是实体表面上的点。按照一定的顺序将点连接起来，就得到实体轮廓，即多边形网格。

通常采用三角形网格，为此需要对点进行三角剖分。常采用delaunay三角剖分和随机增量剖分。

(3) 网格简化

形成三角网格后，网格数量如果过多，需要对模型简化，以降低渲染的负荷。在简化的同时还要尽量不降低渲染的效果。通常有静态网格简化技术，细节层次技术，渐进式网格模型表示等。

2、坐标系变换

(1) 观察变换

这一部分是将空间物体从世界坐标系变换到二维视区。因为物体处于三维空间中，然而屏幕是以图片的形式显示的，即视区是二维的，这样就需要这样一个变换。包括如下三个步骤：

观察变换：将实体从世界坐标系变换到观察坐标系。

规范化变换：将观察域规范化

视区变换：完成从观察坐标系到视区的映射。

(2) 裁剪

裁剪是确定图元是否落在某一区域。视区是有限的，在视区外的图元不需要显示在屏幕上。裁剪是在视区变换的过程中执行。

裁剪算法很多，关于直线裁剪，有Cohen-Sutherland算法、Liang-Barsky算法，关于多边形裁剪，有Sutherland-Hodgman算法、Weiler-Atherton算法。

3、渲染

渲染是计算机图形学中最庞大的部分，这部分和计算机、数学、物理等多个学科都有联系。

(1) 光照和明暗处理

这部分研究的是光源发出的光打到实体表面产生的光照效果。于是需要研究如下内容：

光照模型。即光源是什么样的，发出什么样的光。

明暗处理模型。即模型的表面是什么样的，如何反射光。阴影属于此部分

光线追踪。一种计算光照效果的算法。

辐射度算法。另一种计算光照效果的算法。

即，这部分研究的主要内容是：光源发出什么样的光，物体对光如何反射，以及根据光源模型和明暗处理模型而产生的模拟光照效果的算法。

(2) 颜色模型与着色

现实世界是缤纷多彩的，因此必须有多种颜色。颜色模型有多种，如CIE-XYZ色度图，RGB颜色模型，CMY颜色模型，HSV颜色模型，HLS颜色模型等等。

选用某种特定的颜色模型，对实体进行着色，是渲染的重要内容，是增加渲染效果真实性的重要组成部分。

(3) 可见面判定

图形学模拟的是人眼看到的世界。对于一个实体，面对着我们的一侧可以被看到，而实体的背部则不在视线范围内。不在视线范围内的部分称为隐藏面。

可见面判定即确定哪些面可见，哪些面不可见。这里算法也比较多，涉及到Z缓冲器算法，曲面求交算法等等。

(4) 纹理

为实体添加纹理，通常采用贴图的形式，使实体更加真实。

总结：

其实整理的也很乱，因为图形学涉及的东西太多太杂了，比如几何变换，投影等等，都没有写在上面。

下面是三维图形实现流程，我想有了这样一个流程图，心中就有了一条比较清晰的脉络了。



关于渲染过程画的不全，但是比较重要的内容就是这些。写这些也就是梳理一下，想阐述下某种技术在图形学中到底有什么作用，仅此而已。

The End