計算機圖形學的應用領域

1、文檔供參考，可復制、編制，期待您的好評與關注！ 計算機圖形學的發(fā)展與應用摘要：計算機圖形學(Computer Graphics，簡稱CG)是一種使用數(shù)學算法將二維或三維圖形轉化為計算機顯示器的柵格形式的科學。它的研究分為兩部分：一部分研究幾何作圖，包括平面線條作圖和三維立體建模等；另一部分研究圖形表面渲染（Rendering）包括表面色調、光照、陰影和紋理等表面屬性的研究。目前，計算機圖形學的應用已深入到真實感圖形、科學計算可視化、虛擬環(huán)境、多媒體技術、計算機動畫、計算機輔助工程制圖等領域。綜觀計算機圖形學的發(fā)展，我們發(fā)現(xiàn)圖形學的發(fā)展迅速，而且仍在快速的向前發(fā)展。并且已經成為一門獨立的學科，有

2、著廣泛的發(fā)展前景。關鍵詞：計算機圖形學 發(fā)展 應用1. 計算機圖形學的定義 計算機圖形學：(Computer Graphics。簡稱CG)是一種使用數(shù)學算法將二維或三維圖形轉化為計算機顯示器的柵格形式的科學。計算機圖形學的主要研究內容就是研究如何在汁算機tI表示圖形、以及利用計算機進行圖形的計算、處理和顯示的相關原理與算法。圖形通常由點、線、面、體等幾何元素和灰度、色彩、線型、線寬等非幾何屬性組成。從處理技術上來看，圖形主要分為兩類，一類是基于線條信息表示的。如工程圖、等高線地圖、曲面的線框圖等，另一類是明暗圖，也就是通常所說的真實感圖形。計算機圖形學一個主要目的就是要利用計算機產生令人賞心悅

3、目的真實感圖形。為此，必須建立圖形所描述場景的幾何表示，再用某種光照模型，計算在假想的光源、紋理、材質屬性下的光照明效果。同時，真實感圖形計算的結果是以數(shù)字圖像的方式提供的，計算機圖形學也就和圖像處理有著密切的關系。計算機圖形學的研究內容非常廣泛，如圖形硬件、圖形標準、圖形交互技術、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實體造型、真實感圖形計算與顯示算法、非真實感繪制，以及科學計算可視化、計算機動畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實等。3計算機圖形學在實踐中的應用3.1計算機輔助設計與制造CADCAM是計算機圖形學在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應用領域。計算機圖形學被用來進行土建工程、機械結構和產品的設計，包括設計

4、飛機、汽車、船舶的外形和發(fā)電廠、化工廠等的布局以及電子線路、電子器件等。有時，著眼于產生工程和產品相應結構的精確圖形，然而更常用的是對所設計的系統(tǒng)、產品和工程的相關圖形進行人機交互設計和修改，經過反復的迭代設計，便可利用結果數(shù)據(jù)輸出零件表、材料單、加工流程和工藝卡，或者數(shù)據(jù)加工代碼的指令。在電子工業(yè)中，計算機圖形學應用到集成電路、印刷電路板、電子線路和網絡分析等方面的優(yōu)勢是十分明顯的。一個復雜的大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路板圖根本不可能用手工設計和繪制，用計算機圖形系統(tǒng)不僅能進行設計和畫圖，而且可以在較短的時間內完成，把其結果直接送至后續(xù)工藝進行加工處理。在飛機工業(yè)中，美國波音飛機公司已用有關的C

5、AD系統(tǒng)實現(xiàn)波音777飛機的整體設計和模擬，其中包括飛機外型、內部零部件的安裝和檢驗。隨著計算機網絡的發(fā)展，在網絡環(huán)境下進行異地異構系統(tǒng)的協(xié)同設計，已經成為CAD領域最熱門的課題之一?，F(xiàn)代產品設計已不再是一個設計領域內孤立的技術問題，而是綜合了產品各個相關領域、相關過程、相關技術資源和相關組織形式的系統(tǒng)化工程。它要求設計團隊在合理的組織結構下，采用群體工作方式來協(xié)調和綜合設計者的專長，并且從設計一開始就考慮產品生命周期的全部因素，從而達到快速響應市場需求的目的，協(xié)同設計的出現(xiàn)使企業(yè)生產的時空觀發(fā)生了根本的變化。使異地設計、異地制造、異地裝配成為可能，從而為企業(yè)在市場競爭中贏得了寶貴的時間。CA

6、D領域另一個非常重要的研究領域是基于工程圖紙的三維形體重建。三維形體重建就是從二維信息中提取三維信息，通過對這些信息進行分類、綜合等一系列處理，在三維空間中重新構造出二維信息所對應的三維形體，恢復形體的點、線、面及其拓撲關系，從而實現(xiàn)形體的重建。二維圖紙設計在工程界中仍占有主導地位，工程上有大量的舊的透視圖和投影圖片可以利用、借鑒，許多新的設計可憑借原有的設計基礎做修改即可完成。同時三維幾何造型系統(tǒng)，因為可以做裝配件的干涉檢查以及有限元分析、仿真、加工等后續(xù)操作，代表CAD技術的發(fā)展方向。目前主要的三維形體重建算法是針對多面體和對主軸方向有嚴格限制的二次曲面體的。任意曲面體的三維形體重建，至今

7、仍是一個未解決的世界難題。3.2科學計算可視化科學技術的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)量的與日俱增使得人們對數(shù)據(jù)的分析和處理變得越來越難，人們無法從數(shù)據(jù)海洋中得到最有用的數(shù)據(jù)，找到數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，提取最本質的特征。但是如果能將這些數(shù)據(jù)用圖形的形式表示出來，情況就不一樣了，事物的發(fā)展趨勢和本質特征將會很清楚地呈現(xiàn)在人們面前。1986年，美國科學基金會(NSF)專門召開了一次研討會，會上提出了“科學計算可視化(Visualization in Scientific Computing)”。第二年，美國計算機成像專業(yè)委員會向NSF提交了“科學計算可視化的研究報告”后，VISC就迅速發(fā)展起來了。目前科學計算可視化廣泛

8、應用于醫(yī)學、流體力學、有限元分析、氣象分析當中。尤其在醫(yī)學領域，可視化有著廣闊的發(fā)展前途。依靠精密機械做腦部手術已經由機械人和醫(yī)學專家配合做遠程手術是目前醫(yī)學上很熱門的課題，而這些技術的實現(xiàn)的基礎則是可視化?？梢暬夹g將醫(yī)用CT掃描的數(shù)據(jù)轉化為三維圖像，使得醫(yī)生能夠看到并準確地判別病人的體內的患處，然后通過碰撞檢測一類的技術實現(xiàn)手術效果的反饋，幫助醫(yī)生成功完成手術。從目前的研究狀況來看，這項技術還遠未成熟，離實用還有一定的距離。主要難點在于生成人體內漫游圖像的三維體繪制技術還沒有達到實時的程度，而且現(xiàn)在大多的體繪制技術是基于平行投影，而漫游則需要真實感更強的透視投影技術，然而體繪制的透視投影技

9、術到目前還沒有很好地解決。另外在漫游當中還要根據(jù)cT圖像區(qū)分出不同的體內組織，這項技術cgInentation。目前的Segmentation主要是靠人機交互來完成，遠未達到自動實時的地步。3.3圖形實時繪制與自然景物仿真在計算機中重現(xiàn)真實世界的場景叫做真實感繪制。真實感繪制的主要任務是模擬真實物體的物理屬性，簡單的說就是物體的形狀、光學性質、表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對位置、遮擋關系等等。這其中光照和表面屬性是最難模擬的。為了模擬光照，已有各種各樣的光照模型。從簡單到復雜排列分別是：簡單光照模型、局部光照模型和整體光照模型。從繪制方法上看有模擬光的實際傳播過程的光線跟蹤法，也有模擬

10、能量交換的輻射度方法。除了建造計算機可實現(xiàn)的逼真物理模型外，真實感繪制還有一個研究重點是研究加速算法，力求能在最短時間內繪制出最真實的場景。例如求交算法的加速、光線跟蹤的加速等等，像包圍體樹、自適應八叉樹都是著名的加速算法。實時的真實感繪制已經成為當前真實感繪制的研究熱點，而當前真實感圖形實時繪制的兩個熱點問題則是物體網格模型的面片簡化和基于圖像的繪制(IBR Image BasedRendering)。IBR完全摒棄傳統(tǒng)的先建模，然后確定光源的繪制的方法。它直接從一系統(tǒng)已知的圖像中生成未知視角的圖像。這種方法省去了建立場景的幾何模型和光照模型的過程，也不用進行如光線跟蹤等極費時的計算。該方法

11、尤其適用于野外極其復雜場景的生成和漫游。另外，真實感繪制已經從最初繪制簡單的室內場景發(fā)展到現(xiàn)在大量模擬野外自然景物，比如繪制山、水、云、樹、火等等。人們提出了多種方法來繪制這些自然景物，比如繪制火和草的粒子系統(tǒng)(Particle System)，基于生理模型的繪制植物的方法，繪制云的細胞自動機方法等。也出現(xiàn)了一些自然景物仿真繪制的綜合平臺，如德國Lintermann和Deussen的繪制植物的平臺Xforg，以及清華大學自主開發(fā)的自然景物設計平臺。3.4計算機動畫隨著計算機圖形學和計算機硬件的不斷發(fā)展，人們已經不滿足于僅僅生成高質量的靜態(tài)場景，于是計算機動畫就應運而生。事實上計算機動畫也只是生

12、成一幅幅靜態(tài)的圖像，但是每一幅都是對前一幅做一小部分修改，如何修改便是計算機動畫的研究內容，這樣，當這些畫面連續(xù)播放時，整個場景就動起來了。早期的計算機動畫靈感來源于傳統(tǒng)的卡通片，在生成幾幅被稱做“關鍵幀”的畫面后，由計算機對2幅關鍵幀進行插值生成若干“中間幀”,連續(xù)播放時2個關鍵幀就被有機地結合起來了。計算機動畫內容豐富多彩，生成動畫的方法也多種多樣，比如基于特征的圖像變形、二維形狀混合、軸變形方法、三維自由形體變形(FFD，F(xiàn)ree-FormDeformation)等。近年來人們普遍將注意力轉向基于物理模型的計算機動畫生成方法。這是一種嶄新的方法，該方法大量運用彈性力學和流體力學的方程進行

13、計算，力求使動畫過程體現(xiàn)出最適合真實世界的運動規(guī)律。然而要真正到達真實的運動是很難的，比如人的行走或跑步是全身的各個關節(jié)協(xié)調的結果，要實現(xiàn)很自然的人走路的動畫，計算方程非常復雜和計算量極大，基于物理模型的計算機動畫還有許多內容需要進一步研究。20世紀90年代是計算機動畫應用輝煌的10年。Disney公司每年都要出一部制作精美的卡通動畫片，好萊塢的大片屢屢大量運用計算機生成各種各樣精彩絕倫的特技效果。廣告設汁，電腦游戲也頻頻運用計算機動畫。計算機動畫也因這些商業(yè)應用的大力推動而有了極大的發(fā)展。3.5用戶接口用戶接口是人們使用計算機的第一觀感。一個友好的圖形化的用戶界面能夠大大提高軟件的易用性，在

14、DOS時代，計算機的易用性很差，編寫一個圖形化的界面要費去大量的勞動，過去傳統(tǒng)的軟件中有60的程序是用來處理與用戶接口有關的問題和功能的。進入80年代后，隨著Xwindow標準的提出，蘋果公司圖形化操作系統(tǒng)的推出，特別是微軟公司Windows操作系統(tǒng)的普及，標志著圖形學已經全面融入計算機的方方面面。如今在任何一臺普通計算機上都可以看到圖形學在用戶接口方面的應用。操作系統(tǒng)和應用軟件中的圖形、動畫比比皆是，程序直觀易用。很多軟件幾乎可以不看任何說明書，而根據(jù)它的圖形或動畫界面的指示進行操作。目前幾個大的軟件公司都在研究下一代用戶界面，開發(fā)面向主流應用的自然、高效多通道的用戶界面。研究多通道語義模型

15、、多通道整合算法及其軟件結構和界面范式是當前用戶界面和接口方面研究的主流方向，而圖形學在其中起主導作用。3.6計算機藝術現(xiàn)在的美術人員、尤其是商業(yè)藝術人員都熱衷于用計算機軟件從事藝術創(chuàng)作?？捎糜诿佬g創(chuàng)作的軟件很多，如二維平面的畫筆程序(如CorelDraw，Photoshop，PaintShop)、專門的圖表繪制軟件(如Visio)、三維建模和渲染軟件包如3DMAX，Maya)以及一些專門生成動畫的軟件(如Alias，Soffimage)等，可以說是數(shù)不勝數(shù)。這些軟件不僅提供多種風格的畫筆畫刷，而且提供多種多樣的紋理貼圖，甚至能對圖像進行霧化、變形等操作。好多功能是一個傳統(tǒng)的藝術家無法實現(xiàn)也不

16、可想象的。當然，傳統(tǒng)藝術的一些效果也是上述軟件所不能達到的，比如鋼筆素描的效果，中國毛筆書法的效果，而且在傳統(tǒng)繪畫中有許多個人風格化的效果也是上述軟件所元法企及的。然而圖形學工作者們是不甘失敗的，就在真實感圖形學如火如荼發(fā)展的同時，模擬藝術效果的非真實感繪制(NPR Nor廣Photoreal Rendering)也在逐漸發(fā)展。鋼筆素描是非真實感繪制的一個重要內容，目前仍然是一個非?；钴S的研究領域。由于鋼筆素描與傳統(tǒng)的圖形學繪制方法差別很大，研究起來難度頗大，但是很多學者已經在這方面做了卓有成效的工作，比如華盛頓大學的GeorgesWinkenbaeh，Michael Salisbury，德國Magdeburg大學的OliverDeussen等人都在Siggraph會議上發(fā)表了高水平的論文。參考文獻【1】唐澤圣，周嘉玉，李新友計算機圖形學基礎M北京：清華大學出版社，1999【2】Do