什麼是計算機圖形學?

劉利剛

中國科學技術大學 圖形與幾何計算實驗室

http://staff.ustc.edu.cn/~lgliu

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【注】 由於時常有本科學生來向筆者詢問計算機圖形學是做什麼的，為了使得學生能夠快速瞭解計算機圖形學，有利於他們在選擇研究生方向做出適合自己的選擇，特撰寫此文。本文僅僅為筆者對計算機圖形學淺薄的理解，不涉及對概念的定義，是非學術性的。因此，筆者儘量嘗試用通俗的語言介紹一下計算機圖形學的內容及其應用，以幫助還未接觸計算機圖形學領域的學生來了解該學科方向。筆者對其中的有些內容的理解也是很有限的，值得進一步的學習和交流。有不當之處，還請讀者諒解指正。

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一、什麼是計算機圖形學？

   什麼是計算機圖形學？計算機圖形學(Computer Graphics，簡稱CG)的內容比較豐富，與很多學科都有交叉，因此筆者認為是無法嚴格定義的。

在“Wiki百科”和“百度百科”上，對“計算機圖形學”的解釋為：計算機圖形學是一種使用數學演算法將二維或三維圖形轉化為計算機顯示器的柵格形式的科學。簡單地說，計算機圖形學的主要研究內容就是研究如何在計算機中表示圖形、以及利用計算機進行圖形的計算、處理和顯示的相關原理與演算法。雖然通常認為CG是指三維圖形的處理，事實上也包括了二維圖形及影象的處理。

狹義地理解，計算機圖形學是數字圖象處理或計算機視覺的逆過程：計算機圖形學是用計算機來畫影象的學科，數字圖象處理是把外界獲得的圖象用計算機進行處理的學科，計算機視覺是根據獲取的影象來理解和識別其中的物體的三維資訊及其他資訊。

注意，這些都是不確切的定義，實際上，計算機圖形學、數字圖象處理和計算機視覺在很多地方的區別不是非常清晰，很多概念是相通的，而且隨著研究的深入，這些學科方向不斷的交叉融入，形成一個更大的學科方向，可稱之為“可視計算”(Visual Computing)。這是後話，此處不詳述。

 

二、計算機圖形學的主要內容

在學科開創之初，計算機圖形學要解決的是如何在計算機中表示三維幾何圖形,以及如何利用計算機進行圖形的生成、處理和顯示的相關原理與演算法，產生令人賞心悅目的真實感影象。這是狹義的計算機圖形學的範疇。隨著近40年的發展，計算機圖形學的內容已經遠遠不止這些了。廣義的計算機圖形學的研究內容非常廣泛，如圖形硬體、圖形標準、圖形互動技術、光柵圖形生成演算法、曲線曲面造型、實體造型、真實感圖形計算與顯示演算法，以及科學計算視覺化、計算機動畫、自然景物模擬、虛擬現實等。

根據筆者的理解，計算機圖形學主要包含四大部分的內容：建模(Modeling)、渲染(Rendering)、動畫(Animation)和人機互動(Human–computer Interaction, HCI)。

 

1、 建模(Modeling)

要在計算機中表示一個三維物體，首先要有它的幾何模型表達。因此，三維模型的建模是計算機圖形學的基礎，是其他內容的前提。表達一個幾何物體可以是用數學上的樣條函式或隱式函式來表達；也可以是用光滑曲面上的取樣點及其連線關係所表達的三角網格來表達（即連續曲面的分片線性逼近），如下圖所示。

三維建模方法主要包含如下的一些方法：

l  計算機輔助設計(CAD)中的主流方法是採用NURBS（非均勻有理B-樣條、Bezier曲線曲面）方法（已成為CAD工業領域的標準），這也是計算機輔助幾何設計(CAGD)所研究的主要內容。此類表達方法有一些難點問題仍未解決，比如非正規情況下的曲面光滑拼合，複雜曲面表達等。這部分涉及的數學比較多，國內做這塊的學者比較多些。

l  細分曲面(Subdivision surface)造型方法，作為一種離散迭代的曲面構造方法，由於其構造過程樸素簡單以及實現容易，是一個方興未艾的研究熱點。經過十多年的研究發展，細分曲面造型取得了較大的進展，包括奇異點處的連續性構造方法以及與GPU圖形硬體相結合的曲面處理方法。

l  利用軟體的直接手工建模。現在主流的商業化的三維建模軟體有Autodesk 3D Max和 Maya。其他還有面向特定領域的商業化軟體，比如面向建築模型造型的Google Sketchup，面向CAD/CAM/CAE的CATIA和AutoCAD，面向機械設計的SolidWorks，面向造船行業的Rhino等。這些軟體需要建模人員有較強的專業知識，而且需要一定時期的培訓才能掌握，建模效率低而學習門檻高，不易於普及和讓非專業使用者使用。

l  基於筆劃或草圖互動方式的三維建模方法。草圖互動方式由於其符合人類原有日常生活中的思考習慣，互動方式直觀簡單，是最近幾年研究的熱點建模方法。其難點是根據具體的應用場合，如何正確地理解和識別使用者的互動所表達的語義，構造出使用者所希望的模型。

l  基於語法及規則的過程式建模方法。特別適合具有重複特徵和結構化的幾何物體與場景，比如建築、樹木等。最近幾年有較多的論文及較大的發展。

l  基於影象或視訊的建模方法。這是傳統的計算機視覺所要解決的基本問題。在計算機圖形學領域，這方面的發展也很迅速。有一些商業化軟體或雲服務(比如Autodesk的123D)，已經能從若干張照片重建出所拍攝物體的三維模型。該方法的問題是需要物體本身已經存在，而且重建的三維模型的精度有限。

l  基於掃描點雲（深度影象如Kinect、結構光掃描、鐳射掃描、LiDAR掃描等）的建模(Reconstruction)方法。隨著深度相機的出現及掃描器的價格迅速下降，人們採集三維資料變得容易，從採集到的三維點雲來重建三維模型的工作在最近幾年的Siggraph(Asia)上能常見到。但是，單純的重建方式存在精度低、穩定性差和運算量大等不足，遠未能滿足實際的需求。

l  基於現有模型來合成建模的方法。隨著三維模型的逐漸增多，可以利用現有的三維模型通過簡單的操作，比如cut and paste，或者分析及變形等手段，來拼接或合成新的三維模型。這種通過“學習”模型資料庫的知識來進行建模的手段在近3-5年裡研究得非常熱門。從某方面來講，就是“大資料時代”背景下計算機圖形學領域中的一個具體的表現。

 

除了上述的這些建模方法，還有其他的一些建模方法，在此不再一一列舉。

在對三維幾何模型的構建過程中，還會涉及到很多需要處理的幾何問題，比如資料去噪(denoising or smoothing)、補洞(repairing)、簡化(simplification)、層次細節(level of detail)、引數化(parameterization)、變形(deformation or editing)、分割(segmentation)、形狀分析及檢索(shape analysis and retrieval)等。這些問題構成“數字幾何處理”的主要研究內容。筆者自2005年起開設了多年的《數字幾何處理》的研究生課程：

http://staff.ustc.edu.cn/~lgliu/Courses/DGP_2012_spring-summer/default.htm

 

雖然有上述所提到的這麼多的三維建模方式，但是至今為止，仍沒有適合一般家庭使用者的輕鬆簡單的建模工具。現有的電子裝置（比如相機，手機等）能夠幫助人們輕鬆獲得影象和視訊，但是，不是人人都有能力來構建三維幾何模型。如何讓大眾能夠像獲取影象那樣能夠隨時隨地地獲取或者構建三維模型，仍然是計算機圖形學的任重道遠的主要任務之一！今天，計算機圖形學仍未進入“大資料時代”。只有讓大眾能夠輕鬆進行三維建模，並上載分享他們所構建的模型資料，計算機圖形學才可能進入大資料時代。

另外，隨著三維列印(3D printing)的新興技術的逐漸普及，人們對三維模型的需求也日益增加。筆者個人認為，幾何建模和三維列印的未來是共呼吸，同命運的：也只有當人人都能輕鬆建模時，三維列印才有可能走向千家萬戶。

三維幾何建模的任務仍然任重道遠，大家仍需共同努力！

 

        

 

2、 渲染(Rendering)

有了三維模型或場景，怎麼把這些三維幾何模型畫出來，產生令人賞心悅目的真實感影象？這就是傳統的計算機圖形學的核心任務，在計算機輔助設計，影視動漫以及各類視覺化應用中都對圖形渲染結果的高真實感提出了很高的要求。

上個世紀80-90年代研究的比較多些，包含了大量的渲染模型，包括區域性光照模型(Local Illumination Model)、光線跟蹤演算法(Ray Tracing)、輻射度(Radiosity)等，以及到後面的更為複雜、真實、快速的渲染技術，比如全域性光照模型(Global Illumination Model)、Photo mapping、BTF、BRDF、以及基於GPU的渲染技術等。

現在的渲染技術已經能夠將各種物體，包括面板、樹木、花草、水、煙霧、毛髮等渲染得非常逼真。一些商業化軟體（比如Maya, Blender, Pov Ray等）也提供了強大的真實感渲染功能，在計算機圖形學研究論文中作圖中要經常用到這些工具來渲染漂亮的展示圖或結果圖。

然而，已知的渲染實現方法，仍無法實現複雜的視覺特效，離實時的高真實感渲染還有很大差距，比如完整地實現適於電影渲染（高真實感、高解析度）製作的RenderMan標準，以及其他各類基於物理真實感的實時渲染演算法等。因此，如何充分利用GPU的計算特性，結合分散式的叢集技術，從而來構造低功耗的渲染服務是發展趨勢之一。

      

 

3、 動畫(Animation)

動畫是採用連續播放靜止影象的方法產生物體運動的效果。計算機動畫藉助於程式設計或動畫製作軟體生成一系列的景物畫面，是計算機圖形學的研究熱點之一。研究方向包括：人體動畫，關節動畫，運動動畫，指令碼動畫，具有人的意識的虛擬角色的動畫系統等。另外，高度物理真實感的動態模擬，包括對各種形變、水、氣、雲、煙霧、燃燒、爆炸、撕裂、老化等物理現象的真實模擬，也是動畫領域的主要問題。這些技術是各類動態模擬應用的核心技術，可以極大地提高虛擬現實系統的沉浸感。計算機動畫的應用領域廣泛，比如動畫片製作，廣告、電影特技，訓練模擬，物理模擬，遊戲等。

網上的一些3D動畫的視訊：

Larva蟲蟲: http://v.youku.com/v_show/id_XMzAzMzkxMTY0.html

The Killer Bean: http://v.youku.com/v_show/id_XMjI5ODE2MTEy.html

愛與孝: http://v.youku.com/v_show/id_XNTU0OTUxNjUy.html

房地產動畫廣告宣傳片: http://v.youku.com/v_show/id_XNTc1OTE4MDMy.html

 

4、 人機互動(Human–Computer Interaction, HCI)

人機互動（Human-Computer Interaction, 簡寫HCI）是指人與計算機之間以一定的互動方式或互動介面，來完成確定任務的人與計算機之間的資訊交換過程。簡單來講，就是人如何通過一定的互動方式告訴計算機來完成他所希望完成的任務。

計算機圖形學的頂級會議ACM SIGGRAPH是“ACM Special Interest Group on GRAPHics and Interactive Techniques”的縮寫，縮寫中只包含了Graphics，而忽略了Interactive Techniques，在長時間沒有得到計算機圖形學研究的重視。最近，包括在SIGGRAPH會議上，以及人機互動的頂級會議SIGCHI上，陸續出現了許多新興的人機互動技術及研究論文。大家逐漸重視起來。

在早期（上個世紀60-70年代），只有以鍵盤輸入的字元介面；到了80年代，以WIMP(視窗、圖符、選單、滑鼠)為基礎的圖形使用者介面(GUI)逐漸成為當今計算機使用者介面的主流。

近年來，以使用者為中心的系統設計思想，增進人機互動的自然性，提高人機互動的效率是使用者介面的主要研究方向。陸續提出了多通道使用者介面的思想，它包括語言、姿勢輸入、頭部跟蹤、視覺跟蹤、立體顯示、三維互動技術、感覺反饋及自然語言介面等。

事實上，人體的表面本身就是人機介面。人體的任何部分（姿勢，手勢，語言，眼睛，肌肉電波，腦波等）都可以成為人機對話的通道。比如2010年微軟出的Kinect就是一種無需任何操縱桿的基於體感的人機介面，使用者本身就是控制器。Kinect在微軟的Xbox遊戲上取得了極大的成功，之後在其他方面也得到了很多的應用。

特別是到了今年（2013年），人機互動裝置有了巨大的發展，各種自然的互動手段層出不窮，極大地豐富了使用者與機器互動的體驗，方便了使用者的操作，輕鬆表達了使用者的互動意圖。可以說，

我們正處在圖形與互動技術極速發展的浪尖！

 

以下是最近幾年（特別是今年）出現的一些值得關注的新興的人機互動裝置：

l  Microsoft Kinect：http://v.youku.com/v_show/id_XNTc2ODY0MTA4.html

1)       Kinect由微軟於2010年推出的對XBOX360體感外設，它不需要使用任何控制器，僅依靠相機捕捉三維空間中玩家的運動，同時它匯入了即時動態捕捉、影像辨識、麥克風輸入、語音辨識、社群互動等功能。Kinect徹底顛覆了遊戲的單一操作。使人機互動的理念更加徹底的展現出來。之後，基於Kinect的各種應用像雨後春筍般的冒出來，包括人機互動，手勢識別，幾何建模等。

2)       在2013年5月28日的Xbox One釋出會上，微軟展示了新一代Kinect 2.0，新 Kinect能感知的語音、手勢和玩家感覺資訊，將給玩家帶來前所未有的互動性體驗：

http://v.youku.com/v_show/id_XNTIyODU0NDky.html

l  Leap Motion：http://v.youku.com/v_show/id_XNTAwMzg0MTQw.html

Leap Motion為放在鍵盤和顯示器之間的小小金屬棒，就能讓任何一位使用者通過簡單的手勢完成人機互動。Leap Motion 的響應驚人的準確，對各種自然而簡潔的手勢都能識別。不必站起來或者擺動手臂，Leap Motion 是簡單而毫不費力的互動方式。我們在4月份就預訂了一臺，到現在還未到貨，估計要到下個月到貨。到貨後我們會對其進行評測。

l  MYO：http://v.youku.com/v_show/id_XNTYzNzg3MDA0.html

MYO 是一款能在使用者揮動並指向螢幕時測量各種肌肉產生的電活動來完成互動的腕帶。MYO 超越 Leap Motion 的一點是，MYO 對使用者的位置沒有限制。儘管MYO只聽令於身體的一個部分（手臂），但是其應用的場合還是很多的。期望未來會有更多的聽令於身體的其他部分的互動裝置。

l  Google Glass：http://v.youku.com/v_show/id_XNTYzNzk1NjIw.html

Google Glass為Google公司在2012的I/O開發者大會上正式公佈的，在看起來普普通通的眼鏡上配置強大的計算機和顯示器。這款裝置小巧而不顯眼，可以在任何時間地點使用，即使用者想要專注於周圍環境時不會礙事。不過對其未來的發展各有說法，讓我們拭目以待。

l  3D Printer：這個就不用筆者詳細說了，這兩年太火了。正如上面所提到的觀點，筆者覺得3D列印的出現帶給了我們從事計算機圖形學研究的工作者許多的機會。挑戰和機會並存！我們應該要抓住這次機會！

l  3Doodler：http://v.youku.com/v_show/id_XNTE2MjM5NzUy.html

3Doodler是玩具和機器人公司Wobble Works開發的全球首款“3D列印筆”，可以幫助人們在半空中創造出三維結構的模型。今後人們可以在三維空間中來“畫圖”交流和表達想法了。

l  Apple iWatch：http://v.youku.com/v_show/id_XNTIwODk0MzM2.html

iWatch由蘋果公司推出的一款智慧手錶。現在仍是概念產品，面世時間未定。其介面看看視訊就知道有多酷。但是其技術上的實現筆者也沒有完全想通，呵呵。

 

除了上述介紹的外，最近還有其他很多新的人機互動類的電子科技產品，比如透明手機，可摺疊的螢幕，具有氣味和觸感反饋的頭盔等，就不一一介紹了。

由此可見，以前在科幻電影裡出現的“神器”逐漸被實現，計算機圖形學及相關技術在其中發揮了重要的作用。同時，這些裝置的出現，也帶給了計算機圖形學領域更多的探索和機會。

 

5、 其他內容

上述所提到的只是計算機圖形學的主要的四個內容。事實上，與計算機圖形學相關的學科還有很多，以下僅介紹幾個最為相關的研究方向：

l  虛擬現實(Virtual Reality)：利用計算機圖形產生器，位置跟蹤器，多功能感測器和控制器等有效地模擬實際場景和情形，從而能夠使觀察者產生一種真實的身臨其境的感覺。虛擬現實技術主要研究用計算機模擬（構造）三維圖形空間，並使使用者能夠自然地與該空間進行互動。對三維圖形處理技術的要求特別高。簡單的虛擬現實系統早在70年代便被應用於軍事領域，訓練駕駛員。80年代後隨著計算機軟硬體技術的提高，它也得到重視並迅速發展。它已在航空航天、醫學、教育、藝術、建築等領域得到初步的應用。

l  視覺化(Visualization)：利用計算機圖形學和影象處理技術，將資料轉換成圖形或影象在螢幕上顯示出來，並進行互動處理的理論、方法和技術。現已成為研究資料表示、資料處理、決策分析等一系列問題的綜合技術。上面提到的虛擬現實技術也是以圖形影象的視覺化技術為依託的。在現在的大資料時代的背景下，視覺化的內容除了傳統的科學視覺化外，現在還有資訊視覺化，可視分析等方面。

l  可視媒體計算與處理(Visual Media Processing)：幾何資料，被認為是繼聲音、影象、視訊之後的新一代數字媒體，是計算機圖形學的研究重點。最近幾年，計算機圖形學與影象視訊處理技術相結合的研究與技術日益增多。正如筆者在上面所提及的，影象和視訊的大資料處理能帶給計算機圖形學很多處理手段上的更新。另一方面，隨著而計算機圖形學技術，恰可以與這些影象處理，視覺方法相交叉融合，來直接地生成風格化的畫面，實現基於影象三維建模，以及直接基於視訊和影象資料來生成動畫序列。當計算機圖形學正向地影象生成方法和計算機視覺中逆向地從影象中恢復各種資訊方法相結合，可以帶來無可限量的想象空間，構造出很多視覺特效來，最終用於增強現實、數字地圖、虛擬博物館展示等多種應用中去。因此，在很多方面，計算機圖形學與影象處理、視訊處理、多媒體處理、計算機視覺等學科逐漸融合在一起，有成為一個更大的學科的趨勢。

l  醫學影象處理(Medical Imaging)：隨著醫學成像技術的發展與進步，影象處理在醫學研究與臨床醫學中的應用越來越廣泛。與一般意義上的影象處理比較，醫學影象處理有其特殊性和不同的側重點。醫學影象處理由生物醫學成像(X射線、CT、MRI)和生物醫學影象處理兩部分組成，在生命科學研究、醫學診斷、臨床治療等方面起著重要的作用。醫學影象分析中涉及的兩個最為重要的內容為影象分割與影象配準。

l  計算機藝術(Computational Arts)：計算機圖形學的發展也提供給了藝術家發揮和實現想象的豐富的技術手段。計算機藝術的發展速度遠遠超出了人們的想象，在代表計算機圖形研究最高水平的歷屆SIGGRAPH年會上，精彩的計算機藝術作品層出不窮。在計算機圖形學領域，還有幾個關於計算藝術方面的會議，包括非真實性圖形學(Non-Photorealistic Graphics)和Computational Aesthetics(計算美學)等。吸引了計算機工作者、藝術家、建築師、設計師等方面的人員在一起，通過頭腦風暴和交流討論的方式進行一些有創意的技術研究。

  

三、 學習計算機圖形學需要哪些基礎？

 

計算機圖形學是一門與很多學科都交叉的學科方向。因此，要學好計算機圖形學和做好計算機圖形學方面的研究，除了計算機圖形學的基礎知識以外，你還需要有其他方面的一些知識。當然你懂得越多當然會越好。

 

1、 數學

計算機圖形學進入我國大概在上個世紀70年代末和80年代初，那時國內還沒有計算機學科。於是，開始學習和研究計算機圖形學的大部分都是搞數學的一些學者和教授。由此可見，計算機圖形學是需要數學知識較多的一門計算機應用技術學科，在我國也是應用數學的一個重要分支（國內的很多高校和科研院所的數學專業都有計算機圖形學方向）。

計算機圖形學裡面用到的數學比較多，列舉一些常用的，包括：微積分、線性代數、矩陣計算、微分幾何、數值計算和分析、計算方法、偏微分方程、微分方程數值解、最優化、概率、統計、計算幾何等。

計算機圖形學領域的一位優秀學者Greg Turk教授在1997年曾寫過一篇“計算機圖形學中的數學”(Mathematics for Computer Graphics)的帖子，詳細可見：

http://www.cc.gatech.edu/~turk/math_gr.html

其中文翻譯版本可見：

http://staff.ustc.edu.cn/~lgliu/Resources/CG/Math_for_CG_Turk_CN.htm

筆者在多年從事計算機圖形學研究中對數學的體會是：“數學不是沒有用，而是不夠用！”。對數學的學習和應用將是“活到老，學到老”。重要的是，從以前看似枯燥的數學到看到它的實際應用的過程中，你會更容易享受數學的美妙。在你不斷進行計算機圖形學的研究的過程中，你會感覺到你的數學知識越來越不夠用，從而真正理解其中的數學思想和數學方法。

另一方面，想成為一名計算機圖形學的研究者也不必精通各門數學！在大學裡，你所學的那些數學看起來都很抽象，枯燥無味，這是因為你並不知道它們的用處，甚至連講課的老師也不知道，而你們的目的只是記住那些定理和公式，考個好分數。與大學學習數學不一樣的是，你在計算機圖形學的學習和研究過程中會感受到數學的用處和美妙，這時你學習數學的目的將更加明確，興趣將更加濃厚，學習方法將更加有效。因為你是在使用數學的過程中在學習數學！想想看你是如何學會中文說話的？以上提到的常用的數學課程你不必都要熟悉，許多研究工作者從不需要考慮其中提到的某些數學知識，成功的研究者總是將某一方面的數學知識和數學工具用到極致！

總之，關於計算機圖形學與數學的關係，歸納起來就是以下幾個原則：

l  計算機圖形學的研究需要用到較多的數學知識，有較好數學功底的學生從事計算機圖形學有一定優勢；

l  即使沒有學太多的數學也不要緊。數學的知識不需要都學會了再去做問題，在解決問題的過程中去學習數學是最快的學習方法。即，研究過程中若遇到什麼數學知識再去學相關的知識，學習起來會更有興趣，掌握起來會更快更紮實；

l  學習數學要結合圖形，即“數形結合”，需要有圖形的想象能力；數學公式不重要，是“紙老虎”，重要的是背後的思想及其所表達的概念，公式只是它們的一個抽象表達；

l  活到老，學到老。要不斷學習新的知識和技術，使自己不斷進步和增長功力，才是王道。

 

2、 程式設計

在計算機圖形學中，大部分的想法都要通過實際例子來驗證的，再好的理論也要拿實際例子來得到驗證和應用。因此，利用程式語言來實現想法或演算法是必須要有的能力。C/C++是計算機圖形學最常用的程式語言。

筆者要求學生必須掌握C++程式語言和麵向物件程式設計思想，這是大家通用的“語言”。網上的大部分的資源、類庫、演算法程式碼基本上都是C++寫的，因此，你若需要利用這些資源，必須掌握甚至精通C++語言。

關於計算機圖形學所需要的程式設計能力的幾點看法：

l  從事計算機圖形學和影象處理的研究需要有較強的程式設計能力，要對程式設計有極大的興趣和熱情；

l  如果你對程式設計比較“感冒”或“厭惡”，則建議你不要選擇計算機圖形學方向；

l  不太會程式設計不要緊，任何人都是從不會到會的！只要你對程式設計有興趣，覺得程式設計“好玩”，您完全可以在很短的時間內極大地提高您的程式設計水平。筆者在長期的教學實驗和科研過程中，摸索和發展出一套有效的方法，能夠在最短的時間內，幫助學生（包括數學專業的學生）快速提高程式設計的能力。

 

3、 其他

l  英語基礎要好，因為需要大量閱讀英文文獻和進行英文論文的寫作；英文的聽說能力也要好些，因為要跟國際學者交流討論；

l  計算機圖形學中的很多演算法是真實物理世界的模擬，因此，如果你要進行基於物理的建模和模擬，一些物理知識和理論也需要的，比如力學（動力學，運動學，流體力學）和光學等；

l  其他學科的知識，根據具體研究的需要去學習即可，不必刻意去提前學多少。

 

4、 計算機圖形學的教材

上面列舉的只是在你從事計算機圖形學的學習和研究中可能要用到的東西，不必所有的都學會才能開始計算機圖形學的學習和研究。一門知識點不懂不要緊，重要的是要能儘快學習新知識的能力和速度！事實上，最好的學習方法就是在使用中學習。因此，計算機圖形學的學習和研究提供了你學習其他相關知識的好的過程。

現在市面上的計算機圖形學的教材有很多，但是很多教材的內容僅僅是計算機圖形學的基本知識，知識點也比較陳舊。不能指望通過一本或幾本教材就能學會計算機圖形學。計算機圖形學的內容遠比教材中或你想象中的內容多得多。正如筆者上面所述，計算機圖形學作為一門技術科學，特別是在當前的網際網路、移動網際網路、大資料時代及第三次工業革命的時代背景下，最近幾年的發展日新月異！務必要通過跟著老師做相關研究來了解計算機圖形學最新的發展和趨勢。除了閱讀最新的最新的科研論文外，還需要不斷關注資訊科技及電子科技的一些前沿發展。要相信，計算機圖形學是好玩的，是有用的，更是有未來的！充滿熱情和激情，才能做好計算機圖形學方面的研究。

 

四、SIGGRAPH簡介

   說到計算機圖形學，不能不提SIGGRAPH。

ACM SIGGRAPH是“ACM Special Interest Group on GRAPHics and Interactive Techniques”（美國計算機協會計算機圖形專業組）的縮寫，成立於1967年，致力於推廣和發展計算機繪圖和動畫製作的軟硬體技術。從1974年開始，ACM SIGGRAPH每年都會舉辦一次年會（也稱為SIGGRAPH），至今年已經舉辦了40次。SIGGRAPH是計算機圖形學頂級年度會議，代表著世界級水平的研究，能在SIGGRAPH上發表論文是許多從事計算機圖形學研究的工作者的夢想。

SIGGRAPH每年7月底或8月初在美國召開（2011年在加拿大溫哥華召開，是SIGGRAPH首次在美國以外的城市舉行）。事實上，SIGGRAPH是世界上影響最廣、規模最大，同時也是最權威的一個集科學、藝術、商業於一身的CG展示、學術研討會，參會人數眾多，一般有2--4萬人。絕大部分計算機圖技術軟硬體廠商每年都會將最新研究成果拿到SIGGRAPH年會上釋出，大部分遊戲的電腦動畫創作者也將他們本年度最傑出的藝術作品集中在SIGGRAPH上展示。因此，SIGGRAPH在圖形影象技術，計算機軟硬體以及CG等方面都有著相當的影響力。

從2008年開始，Siggraph來到亞洲，每年冬天（11或12月）在亞洲的一個城市（2008，新加坡；2009，日本橫濱；2010，韓國首爾；2011，中國香港；2012，新加坡）召開，稱為SIGGRAPH Asia。今年的Siggraph Asia將在2013年11月19-22號於中國香港召開。

與SIGGRAPH一樣，發表者SIGGRAPH Asia上的研究論文也代表著計算機圖形學領域的最前沿和最高水準，所有研究論文都發表在ACM Transactions on Graphics期刊上，這是計算機圖形學領域唯一的一個Top (I區)的學術期刊。可以形象地將SIGGRAPH和SIGGRAPH Asia分別比喻為計算機圖形學領域的“夏季奧運會”和“冬季奧運會”。

在SIGGRAPH會議上，除了研究論文外，還有很多其他內容，比如課程、短文、海報、CG企業展示、電子劇場、動畫節、新型科技展示、藝術畫廊、教育等，比你想象得要多得多。很多活動都是並行的，因此你需要每天提前計劃好所參加的活動。視覺中國網站的“Siggraph 2007會議報道”有詳盡的關於Siggraph 2007年的報道：

http://static.chinavisual.com/storage/topics/39942/index.shtml

雖然這是6年前的Siggraph介紹，但上述連結的內容仍然是對SIGGRAPH比較全面的介紹。其中有很多視訊和材料，詳細介紹了Siggraph盛會的情況，而且有對計算機圖形學的歷史發展的介紹。建議詳細檢視。

  

五、其他問題

 1、  如何選擇適合自己的工作（研究方向）？

A: 就兩點：興趣 + 擅長！

興趣是第一位的，是否擅長需要嘗試和不斷學習成長！將學會將自己的天賦發揮到極致！

 

2、  自己是否適合學習和從事計算機圖形學的研究？

A: 看看自己是否滿足以下兩個條件：

1)       對計算機圖形學或影象處理具有強烈的興趣和激情；

2)       喜歡演算法設計和程式設計。

若上述兩個條件都滿足（覺得好玩！），則可以嘗試選擇計算機圖形學作為自己的研究方向。

 

3、  從事研究工作需要哪些品質？

A: 激情、好奇心、努力！

 

4、  為何選擇從事研究工作？

A: http://staff.ustc.edu.cn/~lgliu/Resources/ForMyStudents/GCL-WhyResearch.rar

 

5、  如何在研究生期間取得成功？

A: http://staff.ustc.edu.cn/~lgliu/Resources/ForMyStudents/HowToSucceedAtGCL.rar

 

 六、更多參考材料

 

l  有關更多地瞭解計算機圖形的知識和內容，可搜尋並參考Internet上的豐富的資源介紹，比如百度百科，維基百科等。本文的寫作過程中也參考了網上的許多資源。

l  國外和國內有很多有關《計算機圖形學》的課程網站，可以通過檢視相關視訊和課件更多地瞭解計算機圖形學的內容。

l  國內外有很多從事計算機圖形學研究的教授學者的網站，會列出他們所做的有關計算機圖形學方面的研究，可以更為深入瞭解計算機圖形學領域所研究的東西。

l  與計算機其他學科一樣，每年都有計算機圖形學方面的很多會議。這些會議會有該領域的最新進展和研究工作，是瞭解計算機圖形學發展及趨勢的重要手段。在計算機圖形學方面，可以通過以下連結來獲得各個會議的資訊http://kesen.realtimerendering.com/ 建議加該連結為你的瀏覽器的標籤。

l  Internet上經常會有計算機圖形學相關的科技資訊，要有意識經常關注，隨時瞭解該學科方向的動態、發展和未來。

l  計算機圖形學及相關學科在近些年來得到迅速的發展，特別是2013年出現的各種互動人機互動技術的出現，我們正處在技術極速發展的浪尖！計算機圖形學前景誘人，形勢逼人。相對於美國等西方國家，我國的計算機圖形學相關產業還相對落後，但這正是留給我們這代人的機會！相信通過我們的努力，是可以逐漸縮短差距的，也帶來了巨大的挑戰和機會。

l  最後，要相信，計算機圖形學是很好玩的，是有用的，更是有未來的。“相信是成功的開始”。祝各位能夠感受計算機圖形的美妙，能夠在計算機圖形學的海洋中享受快樂和成功！J

 

祝您健康、快樂、成功！

 

劉利剛

中國科學技術大學圖形與幾何計算實驗室(http://gcl.ustc.edu.cn)

個人主頁：http://staff.ustc.edu.cn/~lgliu

電子郵箱：[email protected]

2013年8月8日