【摘 要】計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了多年的不斷研究和改進(jìn)，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造，圖形實(shí)施繪制，計(jì)算機(jī)藝術(shù)和動(dòng)畫，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)輔助改造，科學(xué)計(jì)算的可視化，自然景物的仿真，方面有著廣闊的發(fā)展和運(yùn)用的前景。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)圖形學(xué) 發(fā)展 應(yīng)用 計(jì)算機(jī)輔助改造

一、引言

計(jì)算機(jī)研究圖形的表示與生成和處理顯示的學(xué)科構(gòu)成了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基礎(chǔ)。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)經(jīng)歷了三十年發(fā)展之后，計(jì)算機(jī)科學(xué)中計(jì)算機(jī)圖形學(xué)有著一定重要的地位，我重要的分支之一。本文經(jīng)過研究討論和查閱資料后將粗略的介紹計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容和發(fā)展一、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史。第一臺(tái)圖形顯示器誕生于美國(guó)麻省理工學(xué)院，它作為計(jì)算機(jī)的福建。旋風(fēng)一號(hào)用波器的陰極射線管來顯示一系列簡(jiǎn)單的圖形。之后的整個(gè)五十年代電子管計(jì)算機(jī)開始使用，電子管計(jì)算機(jī)主要適用于科學(xué)計(jì)算。由于這些計(jì)算機(jī)使用的是機(jī)器語言編程，所以計(jì)算機(jī)的圖形設(shè)備很簡(jiǎn)單，只具備輸出的功能。這就是“被動(dòng)式”圖形學(xué)時(shí)期。在1962年林肯實(shí)驗(yàn)室發(fā)表了“一個(gè)人機(jī)互通信的圖形系統(tǒng)”的博士生論文，論文中第一次提到了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的術(shù)語，用實(shí)驗(yàn)證明了交互計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一個(gè)有前途的可研究的新領(lǐng)域。在20世紀(jì)的70年代是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展過程的一個(gè)突破時(shí)期，在這期間光柵顯示器產(chǎn)生了，光柵圖形學(xué)算法可以滿足區(qū)域填充和裁剪以及消隱等基本圖形相應(yīng)算法，這標(biāo)志著圖形學(xué)進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期，這個(gè)時(shí)期開始了CAD的圖形系統(tǒng)應(yīng)用。在60年代中期舉行了關(guān)于“the Special Interest Group On Computer Graphics and Interactive Techniques”的相關(guān)會(huì)議，并且取得了突破性的進(jìn)展，此次會(huì)議分別有六百多位專家學(xué)者參加，但在1997年左右已經(jīng)發(fā)展到了48900人左右，他們的論文成果分別展示在Computer Graphics 雜志上，該本雜志的學(xué)術(shù)水平很高，具有一定的權(quán)威性，代表了當(dāng)今圖形學(xué)研究的主流方向。

二、應(yīng)用及研究前沿

（一）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中運(yùn)用最多和最廣的兩個(gè)圖形軟件是CAD和CAU軟件，這些軟件分別被運(yùn)用于土建工程和機(jī)械結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品與設(shè)計(jì)。電子器件，飛機(jī)和汽車等交通工具等都需要該類軟件來完成。然而人們?yōu)榱俗非缶_圖形，也常用對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，產(chǎn)品與工程相關(guān)圖形進(jìn)行人機(jī)交換來輸出數(shù)據(jù)加工代碼和指令。電路板的規(guī)模非常大并且復(fù)雜，手工設(shè)計(jì)和繪制根本不能滿足電路板的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合性的問題，不是一個(gè)孤立的技術(shù)問題。目前任意曲面體的三位形體構(gòu)建并不能達(dá)到理想的效果，因?yàn)槿恍误w重建算法是針對(duì)多面體和對(duì)株洲方向有嚴(yán)格限制的二面體，因此，三維形體重建需要研究的內(nèi)容很艱巨。

（二）科學(xué)計(jì)算可視化?？茖W(xué)計(jì)算的可視化可以將事物發(fā)展的本質(zhì)和發(fā)展的趨勢(shì)呈現(xiàn)在人們的面前，但是之前的技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)做不到，數(shù)據(jù)量的激增使得分析數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)很困難。在1986年美國(guó)科學(xué)基金會(huì)第一次提出了科學(xué)可視化的內(nèi)容，并且第二年提交了相關(guān)的研究報(bào)告，報(bào)告的提交表示科學(xué)計(jì)算可視化的發(fā)展有很大的前景。目前科學(xué)可視化內(nèi)容運(yùn)用于氣象分析和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，在這些領(lǐng)域中的運(yùn)用最為廣闊，醫(yī)學(xué)方面精密機(jī)械做的腦部手術(shù)依靠于可視化，可視化可以使醫(yī)生明確的看到病人體內(nèi)的患處，并且對(duì)手術(shù)的效果進(jìn)行及時(shí)反饋，幫助醫(yī)生成功的完成手術(shù)，但這項(xiàng)技術(shù)不夠完善，需要長(zhǎng)期的研究。

（三）圖形實(shí)時(shí)繪制與自然景物仿真。在圖形實(shí)施繪制和自然景物仿真方面物體的形狀，光學(xué)性質(zhì)以及物體間相對(duì)位置都是最難模擬的部分，真實(shí)感繪制的主要任務(wù)是模擬真實(shí)物體的物理屬性，但在以上內(nèi)容中光照和表面屬性是最難模擬的。光照模型為模擬光照提供了條件，其中局部光照和整體光照模型是模仿中比較困難的方面，從繪制方法上看有模擬廣德世紀(jì)傳播過程的光纖跟蹤發(fā)，這些都為模擬光照提供了可能，當(dāng)前物理網(wǎng)絡(luò)模型的簡(jiǎn)化和基于圖像的繪制是真實(shí)感圖形進(jìn)行實(shí)施繪制必須重視的兩個(gè)問題，這些方法適用于極其復(fù)雜的場(chǎng)景生成漫游和野外場(chǎng)景的生成漫游。

（四）計(jì)算機(jī)動(dòng)畫。靜態(tài)場(chǎng)景已經(jīng)不能滿足人們的生活需求，所以計(jì)算機(jī)動(dòng)畫場(chǎng)景就應(yīng)運(yùn)而生了，它的應(yīng)用主要?dú)w功于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)硬件的不斷發(fā)展。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的產(chǎn)生是又靜態(tài)場(chǎng)景對(duì)每一幅的內(nèi)容進(jìn)行修改后將這些畫面連續(xù)的播放，這些靈感來源于傳統(tǒng)的卡通片。但是要真正做到真實(shí)表達(dá)是很復(fù)雜和困難的過程，這需要多方面技術(shù)的協(xié)調(diào)，需要對(duì)計(jì)算方程的深入分析，所以物理模型的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫需要投入很大的精力來研究。

（五）用戶接口。在DOS時(shí)代，用于接口體驗(yàn)是非常差的，因?yàn)橛脩艚涌谑侨藗兪褂糜?jì)算機(jī)的第一觀感，但DOS系統(tǒng)圖形化界面想要做到精美是非常難的，但80年代之后蘋果公司圖形化操作系統(tǒng)的推出成為了一個(gè)跨時(shí)代的意義，之后微軟操作系統(tǒng)的普及將圖形學(xué)全面融入了計(jì)算機(jī)的各個(gè)方面。操作系統(tǒng)中存在的圖形和動(dòng)畫大大的減少了用戶使用系統(tǒng)的復(fù)雜性，簡(jiǎn)單易懂，不太需要過多的說明就可以進(jìn)行操作。

（六）計(jì)算機(jī)藝術(shù)。美術(shù)人員和商業(yè)藝術(shù)人員都熱衷于對(duì)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行美術(shù)加工，通過美術(shù)來優(yōu)化用戶體驗(yàn)，并且這是一項(xiàng)藝術(shù)創(chuàng)作。二維平面畫筆程序，三維建模渲染軟件包等等都是最常使用的美術(shù)創(chuàng)作軟件，種類眾多。這些軟件提供了多宗風(fēng)格的畫筆畫刷對(duì)圖像進(jìn)行修改和創(chuàng)作等操作，遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超出了人們的期望，也是當(dāng)今的藝術(shù)家無法實(shí)現(xiàn)的。

三、結(jié)語

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展和運(yùn)用目前正處于探索發(fā)展的階段，發(fā)展的過程既有機(jī)遇又面臨巨大的挑戰(zhàn)，由于經(jīng)濟(jì)全球化導(dǎo)致信息時(shí)代的到來，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展顯得越發(fā)的重要，所以在學(xué)習(xí)中要重視起來，時(shí)刻跟上科技發(fā)展的腳步，走在科學(xué)發(fā)展的前沿。

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