3 计算机图形学概述之计算机图形学的基本概念

计算机图形学是计算机科学的一个重要分支，涉及将数字数据转换为视觉图像的技术和方法。自从计算机技术和视觉艺术结合以来，计算机图形学在多个领域得到了广泛应用，包括电影特效、电子游戏、虚拟现实、科学可视化等。在这一节中，我们将探讨计算机图形学的基本概念，以帮助读者更好地理解后续章节中将讨论的内容。

计算机图形学的目标

计算机图形学的主要目标是以可视化的形式表达数据和信息。其基本目标可以分为以下几个方面：

1. 图形的生成：创造静态图像或动画。
2. 图形的处理：对现有图像进行操作，如变换、缩放、旋转等。
3. 图形的分析：从图像中提取有用的信息，通过模块化工具来理解和测量图像的特征。
4. 图形的展示：在屏幕、投影仪或其他显示设备上以合适的格式展现图形。

计算机图形学的基本概念

在理解计算机图形学的目标后，我们进入一些基本概念。

坐标系统

计算机图形学中，坐标系统是一个重要的概念。它定义了如何在一个范围内指定点的位置。常见的坐标系统有：

• 二维坐标系统：用$(x, y)$对表示平面上的一个点。
• 三维坐标系统：用$(x, y, z)$对表示空间中的一个点。

在后续章节中，我们将更深入地讨论坐标系统与表示。

图形表示

图形可以通过不同的数据结构来表示，最基本的表示方法包括：

• 点：最基本的构成元素，通常以坐标表示。
• 线段：由两个点定义，表示一条直线。
• 多边形：由多个线段连接起来，形成封闭区域。

例如，下面是一个描述如何通过代码生成简单线段的示例（使用Python和Matplotlib库）：

import matplotlib.pyplot as plt

# 定义线段的两个端点
x_values = [0, 1]
y_values = [0, 2]

# 绘制线段
plt.plot(x_values, y_values, marker='o')
plt.title("Line Segment Example")
plt.xlabel("X-axis")
plt.ylabel("Y-axis")
plt.grid()
plt.show()

在这个例子中，我们通过Matplotlib创建了一条从点$(0, 0)$到$(1, 2)$的线段。

渲染与光照

渲染是将三维模型转化为二维图像的过程。在渲染过程中，光照模型的应用是十分重要的，它决定了对象表面的光亮和阴影效果，常见的光照模型有：

• 环境光：均匀的光照，给定场景中每个点都有一定的光线。
• 漫反射：光线与表面法线成角度时，表面会有不同的亮度。
• 镜面反射：观察者在某个角度看到的光亮反射。

在实际应用中，光照模型的选择会影响最终图像的真实感。

纹理映射

纹理映射是计算机图形中应用广泛的一种技术，用于在几何表面上添加细节和颜色，使其看起来更真实。例如，我们可以用一张图片作为材料贴图，将它映射到一个三维模型的表面上。这使得模型不会显得过于平面化，增加了视觉的丰富性。

小结

计算机图形学的基础概念涉及数据的表示、图形生成与处理、光照模型的应用以及纹理映射等。在理解这些基本概念后，我们将能在后续章节中更深入地探讨坐标系统与表示等更复杂的主题。此外，通过代码示例，我们能够更加形象地理解这些理论知识在实际中的应用。

进入下一章时，我们将详细讨论坐标系统的表现与如何在计算机图形学中进行有效的图像表示，这对我们的学习至关重要。