三维计算机图形

三维计算机图形或“3D 图形”，有时称为 CGI、3D-CGI 或三维计算机图形是使用存储在计算机中的几何数据（通常是笛卡尔）的三维表示的图形，用于执行 计算和渲染数字图像，通常是 2D 图像，但有时是 3D 图像。 生成的图像可以存储供以后查看（可能作为动画）或实时显示。

三维计算机图形，与名字所暗示的相反，最常显示在二维显示器上。 与 3D 电影和类似技术不同，结果是二维的，没有视觉深度。 更常见的是，3D 图形显示在 3D 显示器上，就像在虚拟现实系统中一样。

3D 图形与 2D 计算机图形形成对比，后者通常使用完全不同的方法和格式来创建和渲染。

三维计算机图形依赖于许多与线框模型中的 2D 计算机矢量图形和最终渲染显示中的 2D 计算机光栅图形相同的算法。 在计算机图形软件中，2D 应用程序可能会使用 3D 技术来实现光照等效果，同样，3D 也可能会使用一些 2D 渲染技术。

三维计算机图形中的对象通常被称为 3D 模型。 与渲染图像不同，模型的数据包含在图形数据文件中。 3D 模型是任何三维对象的数学表示； 模型在显示之前在技术上不是图形。 模型可以通过称为 3D 渲染的过程可视化地显示为二维图像，也可以用于非图形计算机模拟和计算。 通过 3D 打印，模型被渲染成自身的实际 3D 物理表示，但物理模型与虚拟模型的匹配准确度存在一些限制。

威廉·费特 (William Fetter) 因在 1961 年创造了计算机图形学一词来描述他在波音公司的工作而受到赞誉。 计算机动画的首批展示之一是 Futureworld (1976)，其中包括一张人脸和一只手的动画，该动画最初出现在 1971 年由犹他大学学生 Edwin Catmull 和 Fred Parke 创作的实验短片 A Computer Animated Hand 中 .

三维计算机图形软件在 1970 年代后期开始出现在家用电脑上。 已知最早的例子是 3D Art Graphics，这是一组三维计算机图形效果，由 Kazumasa Mitazawa 编写，于 1978 年 6 月为 Apple II 发布。

三维计算机图形制作工作流程分为三个基本阶段：

• 3D 建模 – 形成物体形状的计算机模型的过程
• 布局和 CGI 动画——对象（模型、灯光等）在场景中的放置和移动
• 3D 渲染 – 基于光线布置、表面类型和其他质量的计算机计算，生成（将场景光栅化为）图像

该模型描述了形成物体形状的过程。 3D 模型的两个最常见来源是艺术家或工程师使用某种 3D 建模工具在计算机上生成的模型，以及从真实世界对象扫描到计算机中的模型（多边形建模、面片建模和 NURBS 建模是一些流行的模型） 3d 建模中使用的工具）。 模型也可以通过程序或物理模拟生成。 基本上，3D 模型由定义形状和形成多边形的称为顶点的点形成。 多边形是由至少三个顶点（三角形）形成的区域。 n 个点组成的多边形是 n 边形。 模型的整体完整性及其在动画中的适用性取决于多边形的结构。

在渲染成图像之前，必须在场景中布置对象。 这定义了对象之间的空间关系，包括位置和大小。 动画是指对象的时间描述（即它如何随时间移动和变形。流行的方法包括关键帧、反向运动学和动作捕捉）。 这些技术经常结合使用。 与动画一样，物理模拟也指定运动。

材质和纹理是渲染引擎用来渲染模型的属性。 可以为模型提供材质，以告诉渲染引擎如何处理照射到表面上的光。 纹理用于使用颜色或反照率贴图赋予材质颜色，或使用凹凸贴图或法线贴图赋予表面特征。 它还可用于使用置换贴图使模型本身变形。

渲染通过模拟光传输以获得照片般逼真的图像，或通过应用艺术风格（如在非照片级渲染中）将模型转换为图像。 真实渲染中的两个基本操作是传输（有多少光从一个地方到另一个地方）和散射（表面如何与光相互作用）。