石燕

摘要：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)理論與應(yīng)用的分支學(xué)科，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)也得到了快速發(fā)展。本文介紹了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的概念后，分析了其應(yīng)用方面，并詳細(xì)闡述了該學(xué)科的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)；虛擬現(xiàn)實(shí)；三維建模；發(fā)展趨勢Application and development trend of computer graphics

(Henan University of Animal Husbandry and Economy)

Abstract:Computer graphics is a branch of computer theory and Application，With the rapid development of computer hardware and software technology, computer graphics technology has been rapid development。This paper introduces the concept of computer graphics, and analyzes its application, and elaborates the development trend of the subject.

Key words:Computer Graphics;Virtual Reality;Three dimensional modeling;trend of development

1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一門將數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)的轉(zhuǎn)換后成為圖形，并在一定設(shè)備上顯示的原理、技術(shù)和方法的學(xué)科，其內(nèi)容主要包括了計(jì)算機(jī)對圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的軟件和硬件技術(shù)等。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容非常廣泛，如圖形硬件、圖形標(biāo)準(zhǔn)、圖形交互技術(shù)、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實(shí)體造型、真實(shí)感圖形計(jì)算與顯示算法、非真實(shí)感繪制，以及科學(xué)計(jì)算可視化、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等。簡而言之，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究內(nèi)容就是研究如何在計(jì)算機(jī)中表示圖形、以及利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形的計(jì)算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法。

基于物體準(zhǔn)確性、真實(shí)性和實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，圖像圖形的生成通常包含以下幾類：1)基于圖形設(shè)備的基本圖形元素的生成算法；2)圖形元素的幾何變換，可對圖形做放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、平移、鏡像等操作；3)自由曲線和曲面的插值、分解、擬合、光順、拼接、過渡、整體和局部修改等；4)三維幾何造型技術(shù)，包括對基本體素的定義及輸入、規(guī)則曲面與自由曲面的造型技術(shù)，以及它們之間的布爾運(yùn)算方法的研究。

2相關(guān)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展前沿

2.1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD）

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在工業(yè)和建筑界最重要的應(yīng)用領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)繪圖代替其手工繪圖，并將計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)運(yùn)用于大樓、汽車、輪船及機(jī)械和部件的設(shè)計(jì)與制造，已成為目前計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造的發(fā)展趨勢。

新一代的智能CAD系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)從概念設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全過程，智能CAD的另一個(gè)領(lǐng)域是工程圖紙的自動(dòng)輸入與智能識別。

2.2 科學(xué)計(jì)算的可視化

隨著人們運(yùn)用計(jì)算機(jī)辦理公務(wù)、生活?yuàn)蕵返牟粩嘣龆?，?shù)據(jù)處理也逐漸成為人類所面臨的主要工作、重要問題之一。科學(xué)計(jì)算可視化是使用計(jì)算機(jī)圖形生成技術(shù)，將科學(xué)、工程計(jì)算中的結(jié)果或測量數(shù)據(jù)等通過計(jì)算機(jī)屏幕中圖像的形式顯示出來。科學(xué)計(jì)算可視按其實(shí)現(xiàn)的功能可以分為三個(gè)檔次：(1)結(jié)果數(shù)據(jù)的后處理；(2)結(jié)果數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)跟蹤處理及顯示；(3)結(jié)果數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示及交互處理。

這種改進(jìn)計(jì)算的方式能夠讓人們直接觀察到數(shù)據(jù)發(fā)展的規(guī)律和自然現(xiàn)象，并能夠在計(jì)算流體力學(xué)、有限元分析、氣象科學(xué)、天體物理、分子生物學(xué)、醫(yī)學(xué)圖像處理等領(lǐng)域中廣泛使用。

2.3 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)

計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)的發(fā)展始于60年代后期，利用計(jì)算機(jī)顯示點(diǎn)陣的特性，通過精心地設(shè)計(jì)圖案來進(jìn)行計(jì)算機(jī)藝術(shù)創(chuàng)造的活動(dòng)。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫不是靜態(tài)而是一種動(dòng)態(tài)的而且連續(xù)的動(dòng)態(tài)畫面，計(jì)算機(jī)動(dòng)畫主要應(yīng)用于游戲、影視及廣告中，動(dòng)畫的場景深入人心，計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的形成依賴于計(jì)算機(jī)技術(shù)。

計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的一個(gè)重要應(yīng)用就是制作電影特技。如創(chuàng)下票房記錄的影視《阿凡達(dá)》就利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生給人們展現(xiàn)了非常精彩的畫面；兒童喜歡看的動(dòng)畫片《熊出沒》這部動(dòng)畫片展現(xiàn)了特殊的計(jì)算機(jī)技術(shù)，給兒童視覺帶來美的享受；此外，還有《冰雪奇緣》、《飛屋環(huán)游記》等都應(yīng)用了計(jì)算機(jī)動(dòng)畫藝術(shù)。

2.4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)也稱虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，是指用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個(gè)逼真的三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺等感覺世界，讓用戶可以從自己的視點(diǎn)出發(fā)，利用自然的技能和某些設(shè)備對這一生成的虛擬世界客體進(jìn)行瀏覽和交互考察，從而能夠給觀察者帶來一種身臨其境的感覺。

虛擬現(xiàn)實(shí)不僅是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，提供了先進(jìn)的人機(jī)交流技術(shù)；同時(shí)也是一項(xiàng)綜合性計(jì)算機(jī)圖形交互技術(shù)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的一些方法，如科學(xué)計(jì)算可視化、三維造型與變換、光照模型等為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用軍事駕駛模擬、視景仿真現(xiàn)實(shí)、3D游戲開發(fā)、虛擬設(shè)計(jì)與規(guī)劃、仿真培訓(xùn)、遠(yuǎn)程操作控制等領(lǐng)域之中。

2.5 計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)

3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展趨勢

3.1 基于交互式的三維模型建模方法

采用合適的交互手段，來進(jìn)行三維模型的快速構(gòu)造，達(dá)到和諧自然的三維建模。主要應(yīng)用于概念設(shè)計(jì)和建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域。由于筆式或草圖交互方式，非常符合人類原有日常生活中的思考習(xí)慣，是目前研究的重點(diǎn)問題，研究難點(diǎn)是根據(jù)具體的應(yīng)用領(lǐng)域，與視覺方法相融合，如何設(shè)計(jì)合理的交互語匯以及對應(yīng)的過程式“識別-構(gòu)造”方法。目前較為流行的是基于規(guī)則的過程式建模方法，用于嘗試高效地構(gòu)造出三維建筑模型，以及相關(guān)的樹木等結(jié)構(gòu)化場景。

3.2 基于圖形處理器的圖形硬件技術(shù)，提高圖形渲染效率

近年來，影視動(dòng)漫以及各類可視化應(yīng)用中都對圖形渲染結(jié)果的高真實(shí)感提出了很高的要求,因此圖形渲染就成了整個(gè)圖形學(xué)發(fā)展的核心。目前，已有的圖形學(xué)方法已經(jīng)能較為真實(shí)地再現(xiàn)各類視覺效果，然而為了能提供高分辨率高動(dòng)態(tài)的渲染效果，必須消耗非?？捎^的計(jì)算能力。通常，一幀精美的高清分辨率圖像，單機(jī)渲染往往需要耗費(fèi)數(shù)小時(shí)至數(shù)十小時(shí)，傳統(tǒng)的方法主要采用分布式系統(tǒng)，將渲染任務(wù)分配到集群渲染節(jié)點(diǎn)中。

隨著圖形處理器（GPU）技術(shù)的出現(xiàn)，加速了圖形繪制和渲染。GPU所采用的核心技術(shù)有硬體T&L、立方環(huán)境材質(zhì)貼圖和頂點(diǎn)混合、紋理壓縮和凹凸映射貼圖、雙重紋理四像素256位渲染引擎等，而硬體T&L技術(shù)可以說是GPU的標(biāo)志。最新的圖形學(xué)研究，采用GPU技術(shù)可以充分利用計(jì)算指令和數(shù)據(jù)的并行性，可在單個(gè)工作站上實(shí)現(xiàn)百倍于基于CPU方法的渲染速度。

3.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖像視頻處理技術(shù)相結(jié)合

隨著數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)的日益普及，對于數(shù)字圖像與視頻數(shù)據(jù)處理成為了計(jì)算機(jī)研究中的熱點(diǎn)問題。而計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)，恰可以與這些圖像處理，視覺方法相交叉融合，來直接地生成風(fēng)格化的畫面，實(shí)現(xiàn)基于圖像三維建模，以及直接基于視頻和圖像數(shù)據(jù)來生成動(dòng)畫序列。目前，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的趨勢更傾向于圖像生成方法與在計(jì)算機(jī)視覺中逆向地從圖像中恢復(fù)各種信息的方法相結(jié)合，可以帶來無可限量的想象空間，構(gòu)造出很多視覺特效來，最終用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、數(shù)字地圖、虛擬博物館展示等多種應(yīng)用中去。

3.4 追求圖形的真實(shí)感向強(qiáng)調(diào)圖形的表意性轉(zhuǎn)變

在一個(gè)所需要描繪的場景中每個(gè)對象和元素都有與其相關(guān)需要傳達(dá)的信息，可根據(jù)重要度不同，采用不同的繪制策略來進(jìn)行分層渲染再加以融合，最終合成具有一定表意性的圖像。這就是人們創(chuàng)造和生成圖片的終極目標(biāo)，不僅僅是展現(xiàn)真實(shí)的世界，更重要的是表達(dá)所需要傳達(dá)的信息。為此，研究者已經(jīng)開始研究如何與圖像處理、人工智能、心理認(rèn)知等領(lǐng)域相結(jié)合，探索合適表意性圖形生成方法。

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[4]http://www.sciencenet.cn/u/kull/學(xué)科發(fā)展報(bào)告-計(jì)算機(jī)圖形學(xué).