计算机图形学(Computer Graphics，简称 CG)是研究怎样借助计算机把数据转换成图形、并在专用显示设备上呈现的原理与方法的学科 [1]。它建立在传统图学理论、应用数学和计算机科学之上，属于一门边缘学科 [2]。其研究范围大致包括图形生成与表示、几何建模、真实感绘制、动画和图形交互 [3]。影视特效、电子游戏、虚拟现实、计算机辅助设计与科学计算可视化，都以它作为共性基础技术 [3]。
定义
国际标准化组织(ISO)的表述是，这门学科研究怎样通过计算机把数据变成图形，并把它显示在专门的显示设备上，其基础是传统图学理论、应用数学与计算机科学 [2]。电气与电子工程师学会(IEEE)则把它看作一种借助计算机生成图形图像的艺术或科学 [2]。中文教材常强调，它要解决的是用计算机构造图形，并借助算法把图形的描述数据变成可显示的画面 [4]。
由于出发点不同，这门学科的定义长期存在多种说法 [3]。有一种看法强调图形学处理的是三维图形，研究对象是点、线、面、体、场等几何对象随时间变化的数学构造方法及其显示 [4]。也有教材把它的基本问题概括成：如何让计算机自动生成接近人眼观察真实世界的画面 [5]。
它还需要与邻近学科区分。图形由人设计构造，用矢量方式描述场景几何，记录形状参数与属性参数；图像源于客观世界，以点阵方式记录每个像素的颜色或灰度，其分析处理属于 图像处理 的范围 [2]。图形学与 计算机视觉 的方向大体相反：前者把抽象语义变成画面，后者从画面中提取语义 [2]。
背景
显示设备的进步为图形学提供了物质条件。20世纪50年代，美国 麻省理工学院 的旋风一号计算机装上阴极射线管，可以显示一些简单图形，计算机由此具备了图像显示能力 [6]。1952年，同一所学校的实验室里出现了世界上第一台数控铣床原型 [4]。到20世纪60年代中期，麻省理工学院、通用汽车公司、洛克希德飞机制造公司和贝尔电话实验室等机构先后投入计算机图形显示的研究 [4]。
在这之前，工程设计主要依靠图纸和文字命令来完成，想在屏幕上直接作图、随时修改并保存结果并不方便 [7]。1963年，伊万·萨瑟兰在麻省理工学院完成博士论文，做出交互式绘图系统 Sketchpad：使用者可以拿光笔在屏幕上实时作画，还能缩放、复制和保存图形 [8]。这项工作被视作交互式计算机图形学的开端，也是计算机辅助设计的源头 [9]。“计算机图形学”这一名称的首次提出，也被归于萨瑟兰 [6]。
最初的画面由线条构成，重心放在模型能否被实时交互操作 。随着模型越来越复杂、光栅显示技术逐渐成熟，怎样去掉本应被遮挡的线条和面，成为让人看懂画面的关键问题 。
内容
常见划分下，这门学科的研究内容涵盖建模、动画、渲染和图形交互，并与图形硬件、图形标准相互关联 [3]。几何造型关心怎样用网格、参数曲线曲面、体素、点云等方式表示物体形状，以及怎样从隐式曲面或扫描数据重建出模型 [10]。
渲染解决的是把三维场景变成二维画面。1968年前后，Warnock 等人提出消除隐藏面的方法；1970年 Bezier 与 Riesenfeld 等人提出用多项式基函数合成来表达曲面；1971年 Gouraud 给出多面体近似曲面上的光滑着色方法；1975年 Phong 提出更接近真实镜面反射的着色模型，同年 Catmull 提出纹理映射与 Z 缓冲消隐方法 [11]。
1980年，Whitted 发表可以表现反射和折射的 光线跟踪 方法；1984年，Cohen 与西田等人提出同时考虑物体之间间接反射与阴影的全局光照模型，即辐射度方法 [11]。同年，Cook、Porter 与 Carpenter 提出分布光线跟踪 [12]。1986年，Kajiya 在 SIGGRAPH 上发表 渲染方程，把光线在场景里的多次反射、散射与吸收统一写成一个积分方程，此后各类全局光照算法都以它作为数学依据，蒙特卡洛路径追踪也由此发展出来 [13]。
实时绘制是另一条主线。光栅化把几何图元按屏幕栅格转成像素，配合深度缓冲、纹理映射、采样与抗锯齿等技术，在着色器接口上实现快速绘制，光栅化与光线跟踪分别对应正向与逆向两种渲染思路 [10]。
影响与争议
图形学技术已经进入社会生活和生产的许多环节，应用集中在影视制作、游戏制作、虚拟现实、仿真技术、科学计算可视化和计算机辅助设计与制造 [3]。20世纪70年代后期起，电影和电视制作开始大量借助 CG，1977年公映的《星球大战》、1982年公映的《创》都使用了这类技术 [11]。
学术共同体方面，美国计算机协会下属的 SIGGRAPH 于1967年成立，1974年在科罗拉多大学举办首次年会，参加者约600人 。会议规模此后不断扩大，1997年洛杉矶年会的参加人数接近5万 。它至今仍是这一领域展示研究成果最重要的场合 [14]。
这一领域的开拓者多次获得图灵奖。萨瑟兰因在计算机图形学方面的开创性贡献，于1988年获奖 [8]；此后 Ed Catmull 与 Pat Hanrahan 也因图形学相关工作获得该奖 [14]。
被修正和争议的部分主要涉及定义与标准。学界对这门学科的界定至今没有统一说法 [3]。早期制定的 GKS、CGI、CGM、IGES、PHIGS 等图形标准，虽然按与硬件无关、程序可移植的原则设计 [4]，但因为实践发展太快，后来大多被新的做法超过 [15]。图形用户界面长期依赖具体操作系统开发，也带来标准化上的困难 [16]。
中国开展计算机图形学研究的时间，按现有资料最早只能上溯到20世纪80年代末期，清华大学、浙江大学等高校率先涉足，整个领域当时还处在萌芽阶段 [6]。
参见
参考资料
- 计算机图形学 . dlmu.edu.cn [引用日期2026-09-27]
- 2018计算机图形学研究报告（附下载） . zhihu.com [引用日期2026-09-27]
- 2018 . aminer.cn [引用日期2026-09-27]
- 第10章 图形学和可视化 . shzu.edu.cn [引用日期2026-09-27]
- 第 0 章 . hxedu.com.cn [引用日期2026-09-27]
- 目录 . aminer.cn [引用日期2026-09-27]
- Ivan Sutherland, PhD ’63 . technologyreview.com [引用日期2026-09-27]
- Computer Pioneers . computer.org [引用日期2026-09-27]
- CCF YOCSEF上海成功举办图灵奖得主Ivan Sutherland教授学术报告会 . ccf.org.cn [引用日期2026-09-27]
- Graphics and Interactive Techniques (GIT) . acm.org [引用日期2026-09-27]
- コンピュータグラフィックスの . jst.go.jp [引用日期2026-09-27]
- Reading . utexas.edu [引用日期2026-09-27]
- Computer Graphics (CS 563) . wpi.edu [引用日期2026-09-27]
- siggraph.org 上的网页 . siggraph.org [引用日期2026-09-27]
- acm.org 上的网页 . acm.org [引用日期2026-09-27]
- セマンティックを考慮した教育環境の数学的構造の研究 . nii.ac.jp [引用日期2026-09-27]
浏览次数：0 次
阅读量：0 次 · 阅读完成量：0 次
最近更新：2026-09-27T15:37:06Z
完成率 = 阅读完成量 ÷ 阅读量，分母是阅读量不是浏览次数 —— 关了 JS 的、秒退的都在浏览次数里、不在阅读量里。 详细口径在后台的「数据统计」页。