清华AMiner团队发布计算机图形学研究报告

1 概述篇

1.1 计算机图形学概念

（1）什么是计算机图形学？（Computer Graphics） 

关于计算机图形学的定义众说纷纭。IEEE 对计算机图形学的定义为：Computer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer。

国际标准化组织 ISO 将计算机图形学定义为：计算机图形学是一门研究通过计算机将数据转换成图形，并在专门显示设备上显示的原理方法和技术的学科。它是建立在传统的图学理论、应用数学及计算机科学基础上的一门边缘学科。

总而言之计算机图形学是研究怎样利用计算机来显示、生成和处理图形的原理、方法和技术的一门学科，这里的图形是指三维图形的处理。

（2）相关概念辨析

表1 图形和图像辨析

计算机图形学 & 图像处理 & 计算机视觉 

计算机图形学（computer graphics）的基本含义是使用计算机通过算法和程序在显示设备上构造图形。图形是人们通过计算机设计和构造出来的，不是通过摄像机、扫描仪等设备输入的图像。这里的图形可以是现实中存在的图形，也可以是完全虚拟构造的图形。以矢量图的形式呈现，更强调场景的几何表示，记录图形的形状参数与属性参数。例如，工程图纸 (drawing)，其最基本的图形单元是点、线、圆/弧等，其信息包含图元的几何信息与属性信息 (颜色、线型、线宽等显式属性和层次等隐式属性)。

图像处理（image processing）则是研究图像的分析处理过程，图像处理研究的是图像增加、模式识别、景物分析等，研究对象一般为二维图像。图像以点阵图形式呈现，并记录每个点的灰度或色彩。例如，照片、扫描图片和由计算机产生的真实感和非真实感图·形等，最基本的图像单元（pels，picture elements）是点—像素（pixel），其信息实际上是点与它的属性信息 (颜色、灰度、亮度等)。

计算机视觉（computer vision）包括获取、处理、分析和理解图像或者更一般意义的真实世界的高维数据方法，它的目的是产生决策形式的数字或者符号信息。

计算机图形学和计算机视觉是同一过程的两个方向。计算机图形学将抽象的语义信息转化成图形，计算机视觉则从图形中提取抽象的语义信息，图像处理研究的则是一个图像或一组图像之间的相互转化和关系，与语义信息无关。下表从输入和输出的角度对三者的区别进行辨析：

表2 图像处理&计算机视觉&计算机图形学对比

计算机图形学，输入的是对虚拟场景的描述，通常为多边形数组，而每个多边形由三个顶点组成，每个顶点包括三维坐标、贴图坐标、RGB 颜色等。输出的是图像，即二维像素数组。

计算机视觉，输入的是图像或图像序列，通常来自相机、摄像头或视频文件。输出的是对于图像序列对应的真实世界的理解，比如检测人脸、识别车牌。图像处理，输入的是图像，输出的也是图像。Photoshop 中对一副图像应用滤镜就是典型的一种图像处理。常见操作有模糊、灰度化、增强对比度等。

尽管三者所涉及的都是运用计算机来处理对象，但是长期以来却是属于不同技术领域，近些年来，随着多媒体技术、计算机动画以及三维数据场显示技术等的迅速发展，计算机图形学、图像处理和计算机视觉结合日益紧密，并且相互渗透。例如，三维游戏为了增加表现力会叠加全屏的后期特效，原理就是数字图像处理，只是将计算量放在了显卡端；计算机视觉对需要识别的照片进行预处理也是运用了数字图像处理技术；最明显的是增强现实（AR），用数字图像处理技术进行预处理，用计算机视觉技术进行跟踪物体的识别与姿态获取，用图形学技术进行虚拟三维物体的叠加和显示。

1.2 计算机图形学发展历史

图 1 计算机图形学发展历史

20 世纪 50 年代：1950 年，美国 MIT 的旋风一号（whirlwind I）计算机配备了世界上第一台显示器——阴极射线管（CRT）来显示一些简单的图形，使得计算机摆脱了纯数值计算的单一用途，能够进行简单的图形显示，从此计算机具有了图像显示功能，但是还不能对图形进行交互操作，这时的计算机图形学处于准备和酝酿时期，并称之为「被动式」图形学。

50 年代末期，MIT 的林肯实验室在「旋风」计算机上开发 SAGE（Semi－Automatic Ground Environment System）空中防御体系。SAGE 于 1957 年投入试运行，已经能够将雷达信号转换为显示器上的图形并具有简单的人机交互功能，操作者使用光笔点击屏幕上的目标即可获得敌机的飞行信息，这是人类第一次使用光笔在屏幕上选取图形。1959 年，麻省理工学院林肯实验室第一次使用了具有指挥和控制功能的 CRT，「被动式」图形学开始迈向交互式计算机图形学。

20 世纪 60 年代：1962 年美国 MIT 林肯实验室的 Ivan E.Sutherland 发表了一篇题为「sketchpad：一个人机交互通信的图形系统」的博士论文，首次使用了「Computer Graphics」这一概念，证明了交互式计算机图形学是一个可行的、有应用价值的研究领域，从而确立了计算机图形学正式成为一个独立学科的分支。1968 年 Ivan E. Sutherland 又发表了《头戴式三维显示器》的论文，在头盔的封闭环境下，利用计算机成像的左右视图匹配，生成立体场景，使人置身于虚拟现实中。Ivan E. Sutherland 为计算机图形学技术做出了巨大的贡献，被称作计算机图形学的开山鼻祖，1988 年 Ivan E. Sutherland 被授予 A.M 图灵奖。并且这一时期，光栅图形学算法开始萌芽。

20 世纪 70 年代：图形学在这一时期进入了兴盛期，光栅图形学算法迅速发展，区域填充、裁剪、消隐等概念及其相应算法纷纷被提出，实用的 CAD 图形系统也开始出现。除此之外，真实感图形学和实体造型技术的产生也是 70 年代计算机图形学的两个重要进展。1970 年 J. Bouknight 在 ACM 上发表论文，提出了第一个光反射模型，指出物体表面朝向是确定物体表面上一点光强的主要因素，并用 Lambert 漫反射定律计算物体表面上各多边形的光强，对光照射不到的地方用环境光代替。1971 年 Henri Gouraud 在 IEEE Trans.Computer 上提出被称为 Gouraud 明暗处理的「漫反射模型＋插值」思想，对多面体模型，用漫反射模型计算多边形顶点的光亮度，再用增量法插值计算多边形的其他内部点。1975 年 Phong 在 ACM 上发表论文提出了著名的简单光照模型「Phong 模型」，Phone 模型虽然只是一个经验模型，但其真实度已经达到了较好的显示效果。这些都是真实感图形学最早的开创性工作。从 1973 年开始，相继出现了英国剑桥大学 CAD 小组的 Build 系统、美国罗彻斯特大学的 PADL-1 系统等实体造型系统，这些都为 CAD 领域的发展做出了重要贡献。

70 年代图形软件标准化程度提高，1974 年，ACM SIGGRAPH「与机器无关的图形技术」的工作会议的召开，提出了图形软件标准化问题，ACM 成立图形标准化委员会，制定「核心图形系统」（core graphics system），ISO 发布 CGI、CGM、GKS、PHIGS 一系列的图形标准，其中 19777 年的 CKS 是 ISO 批准的第一个图形软件标准软件，是一个二维图形软件标准，1986 年，ISO 公布了程序员级的分层结构交互图形系统 PHIGS，这是一些非官方的图形软件，广泛应用于工业界并成为事实上的标准，PHIGS 是对 CKS 的扩充，增加的功能有对象建模、彩色设定、表面绘制和图形管理等。伺候 PHIGS 的扩充成为 PHIGS+；1988 年的 CKS3D，是 ISO 批准的第二个图形软件标准软件，是一个三维图形软件标准。

20 世纪 80 年代以后：出现了带有光栅扫描显示器的微型计算机和图形工作站，极大的推动了计算机图形学的发展，如 Machintosh、IBM 公司的 PC 及其兼容机，Apollp、Sun 工作站等。随着奔腾 III 和奔腾 IV 系列 CPU 的出现，计算机图形软件功能一开始部分地由硬件实现。高性能显卡和液晶显示屏的使用，高传输率大容量硬盘的出现，特别是 Internet 的普及使得微型计算机和图形工作站在运算速度、图形显示细节上的差距越来越小，这些都为图形学的飞速发展奠定了物质基础。

1980 年 Turner Whitted 提出了光透视模型，并第一次给出光线跟踪算法的范例，实现了 Whitted 模型；1984 年美国 Cornell 大学和日本广岛大学的学者分别将热辐射工程中的辐射度算法引入到计算机图形学中，用辐射度的方法成功地模拟了理想漫反射表面间的多重漫反射效果。以上二者的提出，标志着真实感图形的显示算法已逐渐成熟。80 年代中期以后，超大规模集成电路的发展，计算机运算能力的提高，图形处理速度的加快，促使了图形学各个研究方向都得到了充分发展和广泛的应用。

20 世纪 90 年代以后：微机和软件系统的普及使得图形学的应用领域日益广泛，计算机图形学朝着标准化、集成化和智能化的方向发展，多媒体、人工智能、计算机可视化、虚拟现实等分支蓬勃发展，三维造型也获得了长足发展。ISO 公布的图形标准越来越精细，更加成熟。这是存在着一些事实上的标准，如 SGI 公司开发的 OpenGL 开放式三维图形标准，微软公司为 PC 游戏开发的应用程序接口标准 DirectX 等，Adobe 公司 Postscript 等，均朝着开放式、高效率的方向发展。

1.3 中国计算机图形学发展

中国的计算机图形学发展最早可以追溯到 20 世纪 80 年代末期，清华大学、浙江大学等率先开始了对计算机图形学技术的研究，但是由于经济发展程度以及对外开放程度等原因，绝大多数的学校和个人都没有机会接触计算机图形学，计算机图形学此时在中国处于萌芽阶段。

1990 年-1998 年间，图形学在中国迎来了发展。中国图形学专家在贝塞尔曲线、非均匀有理 B 样条曲线以及计算机真实感图形渲染算法方面都取得了一定的成绩。比如邵敏之教授和朱一宁教授分别在 1988 年和 1990 年成功采用辐射度算法在封闭空间中绘制出了真实感很强的图像，浙江大学 CAD&CG 国家重点实验室开发出中国自己的虚拟现实系统——CAVE，这套系统依靠高性能计算机同步产生同一场景相邻视域内的四幅画面并分别投影到大屏幕上，通过液晶眼镜产生立体视觉效果。这些成就都表明中国的计算机图形学发展已经取得了一定的成果。

1998 年至今，中国计算机图形学逐渐走入了正轨。中国计算机图形学行业的分工以及产业结构日益专业化、标准化、商业化和智能化。国内不断有新的动画算法和渲染算法理论被提出，不断有论文入选 SIGGRAPH，各大高校纷纷开设图形学课程，一批具有自主版权的二维绘图软件和三维 CAD 商品化软件进入市场。

近年来，随着我国改革开放的不断深化，以及各项方针政策的落实，科学技术得到了广泛的发展应用，计算机图形学的理论和技术迅速发展，并取得了可喜的成果。在硬件方面，我国研制出多种系列和型号的绘图机、数字化仪和图形显示器，其技术指标居国际先进水平，具有高分辨率的光栅图形显示器、全色的图形图像处理卡、国际上广泛应用的 Sun SPANC 系列工作站、HP 9000/800 系列工作站等，在我国也有定点工厂生产，鼠标等交互设备也已在国内生产。

1.4 计算机图形学著名公司

欧特克公司 

欧特克股份有限公司（Autodesk，Inc），为财富杂志票选全球前 1000 大企业，更为杂志内 100 强之公司企业均使用其产品和服务。欧特克一直致力于用户的创意实现，并在 2009 年于全球突破拥有超过 900 万用户，提供制造业、传媒暨娱乐、地理信息空间、汽车与交通运输业、建筑、工程与施工，以及无线数据服务等领域行业的全球顶尖软件和服务之企业。

欧特克系由约翰·沃克等人在 1982 年建立。在美国的马林县设有多个分公司，且在全球拥有 16 家研发中心，超过 3000 名研发人员，而目前则以圣拉菲尔为总部。其中，位于中国上海的欧特克中国研究院是欧特克全球最大的研发机构，拥有超过 1500 名研发人员，欧特克每年的研发投入基本维持在全球总收入的 20% 的比例。纵观历史，欧特克从过去 2D 设计到现在的 3D 建模，从数字化原型（DP）、建筑信息模型（BIM）到在过去十四年历届奥斯卡最佳视觉特效奖全部获奖视频的数字娱乐创作解决方案（DEC），欧特克提供数字化设计领域中广泛且强大的产品组合。

工业光魔 

工业光魔（Industrial Light and Magic，ILM），是著名的电影特效制作公司。乔治·卢卡斯（George Lucas）于 1975 年创建该公司、并参与第一部《星球大战》（Star Wars）的特效制作，到今天工业光魔已经为多达 300 多部影片提供了视觉特效制作服务。工业光魔的奇迹并不局限于在很多影片中创造的许多惊人的 CG 和视觉效果，更在于它开创了一个电影特效行业的新时代，迄今为止，ILM 获得过 15 次奥斯卡最佳视觉效果奖。时至今日，工业光魔公司依然代表着当今世界电影特效行业顶尖的制作水准，取得的技术成就更是无出其右。

工业光魔是卢卡斯影业公司的子公司，总部位于加利福尼亚州旧金山市的莱特曼数码艺术中心，2012 年，沃特·迪士尼公司以 40.5 亿美元收购卢卡斯影业，此次收购包括了卢卡斯影业旗下的所有子公司，工业光魔也在其中，《星球大战》《加勒比海盗》《变形金刚》《哈利波特》《冒牌天神》等系列电影的特效都与工业光魔有关。

Oculus 

Facebook2014 年 7 月宣布以 20 亿美元的价格收购 Oculus，被外界视为 Facebook 为未来买单的举措。2015 年 1 月，Oculus 周一在圣丹斯电影节上宣布，已组建了一个名为「故事工作室」（Oculus Story Studio）的内部实验室，以创作虚拟现实版本的电影。Facebook 于 2017 年 5 月份宣布关闭 Oculus Story Studio 故事工作室，以重新分配资源，通过投资的方式继续资助虚拟现实影视内容。

Oculus 成立于 2012 年，当年 Oculus 登陆美国众筹网站 kickstarter，总共筹资近 250 万美元；2013 年 6 月，Oculus 宣布完成 A 轮 1600 万美元融资，由经纬创投领投。Facebook 在 2014 年 7 月宣布以 20 亿美元的价格收购 Oculus，被外界视为 Facebook 为未来买单的举措。在 Facebook 看来，Oculus 的技术开辟了全新的体验和可能性，不仅仅在游戏领域，还在生活、教育、医疗等诸多领域拥有广阔的想象空间。对于虚拟现实技术的态度，Facebook 已经用行动证明自己的观点，其抢购 Oculus 背后的野心已昭然若揭：「攻」可做虚拟现实领域的「苹果」，「守」可为下一个社交时代做准备。

Base FX 

是一家电影后期视觉特效和动画公司，2010 年公司凭借在 HBO 迷你剧集《太平洋战争》中的特效制作，获得第 62 届艾美奖最佳视觉特效奖；2011 年，公司凭借为 HBO 制作的《海滨帝国》再度赢得艾美奖最佳视觉特效奖；2014 年，公司凭借为 Starz 制作的《黑帆》第三次赢得艾美奖最佳视觉特效奖。

公司成立于 2006 年，总部位于北京，特效制作和项目管理团队位于北京、无锡、厦门和洛杉矶，并在大厂建立了培训基地。截至 2015 年 3 月，公司现已完成了 130 余部国内外的影视特效制作，如《美国队长 2》、《变形金刚 4》、《环太平洋》、《狼图腾》、《王的盛宴》、《金陵十三钗》、《赵氏孤儿》、《四大名捕》等。

2012 年 5 月底，Base FX 正式与工业光魔展开战略合作，进行好莱坞项目的特效制作。2015 年 5 月 20 日，在第五届北京国际电影节上，Base FX 发起成立了中国影视后期产业联盟（CPPA）

皮克斯 

皮克斯动画工作室（Pixar Animation Studios），是一家位于加州爱莫利维尔市的计算机动画制片厂。该公司制作计算机三维软件，如用于影视效果制作并匹配自家制定的 RenderMan 规范的三维渲染软件包——PRMan。皮克斯的前身是卢卡斯影业于 1979 年成立的的计算机动画部。1986 年，苹果公司联合创始人史蒂夫·乔布斯收购了卢卡斯的计算机动画部，成立了皮克斯动画工作室。2006 年，皮克斯被迪士尼以 74 亿美元收购，成为华特迪士尼公司的一部分，乔布斯亦因此成为迪士尼的最大个人股东。截至 2018 年，皮克斯共发布了 20 部动画长片，第一部是 1995 年的《玩具总动员》，最近的一部是 2018 年的《超人总动员 2》。皮克斯的 20 部作品都获得了好评与商业上的成功，这些作品都获得了 CinemaScore 至少「A-」的评价，该公司也制作一些动画短片。截至 2017 年 12 月，该公司的所有作品在全世界累计获得了 115 亿美元的票房，平均每部电影获得 6.08 亿美元。皮克斯电影都曾进入电影票房收入前五十名，其中《海底总动员》与《玩具总动员 3》一直保持在前五十名，《玩具总动员 3》在全球获得了十亿美元票房。