计算机图形学是研究如何使用计算机生成、处理和显示图像的学科。它广泛应用于计算机游戏、虚拟现实、电影制作、CAD、医学图像处理等领域。本文将介绍计算机图形学的一些基本概念。
1. 图像和图形
在计算机图形学中，图像是指由像素组成的二维网格，每个像素保存了图像某一位置的颜色。图像可以是静态的，也可以是动态的。而图形是指使用几何形状和属性来描述和表示物体的数据结构。
2. 坐标系统
在计算机图形学中，常用的坐标系统有屏幕坐标和世界坐标。屏幕坐标是指图像在屏幕上的位置，通常以屏幕左上角为原点，向右为正X轴，向下为正Y轴。世界坐标则是指物体在一个虚拟的三维世界中的位置。
3. 几何变换
几何变换是指对图形进行平移、旋转、缩放等操作，以改变图形的位置、大小和方向。常用的几何变换包括仿射变换和透视变换。
仿射变换是指保持直线性和平行性的一类变换，包括平移、旋转、缩放、错切等。透视变换是指通过改变图像的视角，使得远处的物体看起来较小，近处的物体看起来较大。
4. 光栅化
光栅化是指将几何图形转化为像素表示的过程。在光栅化过程中，将图形的几何属性映射到像素的颜色和位置上。光栅化算法的效率和精度对图像质量有着重要影响。
5. 可视化效果
计算机图形学可用于实现各种可视化效果，如阴影、纹理映射、反射、抗锯齿等。这些效果能够增强图形的逼真度和真实感，使得生成的图像更加生动细致。
6. 渲染管线
渲染管线是图形渲染过程中的一系列处理步骤的总称。典型的渲染管线包括几何处理、顶点处理、光照处理、片段处理等。每个阶段都对图像进行特定的操作，以生成最终的渲染结果。
7. 可编程图形硬件
可编程图形硬件是指具备可编程性的图形处理器(GPU)，它允许开发人员编写自定义的图形处理程序，以实现更高效的图形渲染和处理。可编程图形硬件的出现极大地推动了计算机图形学的发展。
8. 三维重建
三维重建是指通过一系列的图像处理和计算，从二维图像中恢复出物体的三维表面结构。三维重建在医学图像处理、地理信息系统、虚拟现实等领域有着广泛的应用。
总结起来，计算机图形学是研究如何使用计算机生成、处理和显示图像的学科，涵盖了坐标系统、几何变换、光栅化、可视化效果、渲染管线、可编程图形硬件和三维重建等多个方面。掌握这些基本概念，对于理解和应用计算机图形学具有重要意义。
参考文献：
- Foley, J.D., van Dam, A., Feiner, S.K., & Hughes, J.F. (1990). Computer Graphics: Principles and Practice. Addison-Wesley.
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