计算机图形学：第1章绪论

“图形是人类与计算机对话的窗口，而计算机图形学则是打开这扇窗的钥匙。”

计算机图形学（Computer Graphics）是一门研究如何利用计算机生成、处理和显示图形的学科。它不仅是计算机科学的重要分支，还融合了数学、物理学和艺术的精髓。从最初的简单线框图到如今的实时光线追踪，计算机图形学已经深刻改变了我们的生活方式。

本章将带你走进计算机图形学的世界，探索其定义、内涵以及发展历程。我们将从 4W 问题（What, Why, Where, When）入手，逐步揭开图形学的神秘面纱。

1.1 计算机图形学的定义与内涵

在学习计算机图形学之前，我们需要明确它的定义和研究对象。简单来说，计算机图形学是一门研究如何通过计算机生成和处理图形的学科。它不仅关注图像的生成，还涉及如何让这些图像更逼真、更高效地呈现。

计算机图形学的核心在于 “形” 和 “光”：

计算机图形学的研究内容可以从以下几个方面展开：

通过这些研究，计算机图形学能够将抽象的数学模型转化为直观的视觉效果，为用户提供沉浸式的体验。

在学习图形学时，我们常常会遇到“图形”和“图像”这两个概念。它们看似相似，但实际上有着本质的区别。

我们生活在一个充满图形的现实世界中。无论是自然界的花草树木，还是人造的建筑车辆，这些物体都可以被抽象为 “形”。在计算机图形学中，图形是指通过数学模型描述的几何形状，例如点、线、面等。

图像则是对现实世界的采样结果，通常以像素的形式存储。无论是照片、视频还是屏幕上的显示内容，图像都是由像素点组成的。

以下表格从多个维度对比图形和图像的特点：

维度	图形	图像
定义	通过数学模型描述的几何形状，通常以矢量形式存储（如点、线、面）。	对现实世界的采样结果，以像素（光栅化）形式存储（如照片）。
存储方式	以数学公式或向量数据存储（如 SVG 文件），文件体积小。	以像素网格存储（如 PNG、JPEG 文件），文件体积较大。
缩放效果	支持无损缩放，放大后不会失真。	缩放可能导致失真，放大后会出现像素化（锯齿）。
生成方式	通过算法生成，通常由建模和渲染技术创建。	通过设备采样（如相机拍摄）或渲染图形后生成。
编辑方式	直接修改几何属性（如调整坐标、形状），编辑灵活。	通过图像处理软件（如 Photoshop）编辑像素，修改复杂。
应用场景	CAD 设计、游戏 3D 模型、矢量插图等需要精确建模的领域。	数字摄影、视频帧、网页图片等视觉呈现场景。
与计算机图形学的关系	核心研究对象，关注生成和操作几何形状。	图形的渲染结果，通过渲染技术由图形转化而来。
转化关系	可通过渲染技术（如光栅化）转化为图像。	可通过逆向工程（如图像识别）提取图形信息。

为了更全面地理解计算机图形学，我们可以从以下 4W 问题入手：

What（是什么）
计算机图形学是一门研究如何生成和处理图形的学科，核心在于“形”与“光”的结合。
Why（为什么学）
图形学不仅是技术，更是艺术与科学的结合。它推动了游戏、电影、虚拟现实等行业的发展，为人类提供了更直观的表达方式。
Where（应用在哪里）
计算机图形学的应用无处不在：
- 娱乐：电影特效（如《阿凡达》）、游戏渲染（如《赛博朋克2077》）。
- 科学：医学成像、气象模拟。
- 工业：建筑设计、汽车建模。
When（什么时候学）
学习计算机图形学需要一定的数学基础（如线性代数、微积分）和编程能力（如 C++ 或 Python）。建议在掌握这些基础后开始学习。

本章作为计算机图形学的开篇，介绍了其定义、内涵以及图形与图像的区别。通过 4W 问题，我们初步了解了图形学的核心内容和应用场景。下一章，我们将深入探讨图形学的基础数学工具，为后续学习打下坚实基础。

“图形学的魅力在于，它不仅让我们看到世界，还让我们创造世界。”