計(jì)算機(jī)圖形學(xué)

1、畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) （論（論 文）文） 課題名稱(chēng)：課題名稱(chēng)： 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué) 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： * 系系 別：別： 電子信息系 專(zhuān)專(zhuān) 業(yè)：業(yè)： 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 班班 級(jí)：級(jí)： 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)一班 姓姓 名：名： *88 計(jì)算機(jī)圖形學(xué) 目錄 第一章第一章 前言前言 .1 第二章第二章 發(fā)展簡(jiǎn)史發(fā)展簡(jiǎn)史 .2 第三章第三章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中運(yùn)用到的技術(shù)算法計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中運(yùn)用到的技術(shù)算法 .2 3.1 OPENGL 實(shí)現(xiàn) 2D/3D 圖形算法.2 3.2 二維圖形變換.2 3.3 三維圖形變換.2 3.4 貝塞爾（Bezier）曲線算法.2 3.5 紋理映射.2 第四章第四章 應(yīng)用及前沿

2、應(yīng)用及前沿 .4 4.1 智能 CAD.4 4.2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造.4 4.3 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)藝術(shù).4 4.4 計(jì)算機(jī)可視化.4 4.5 虛擬現(xiàn)實(shí).4 4.6 用戶接口.4 第五章第五章 發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展趨勢(shì) .5 5.1 與圖形硬件的發(fā)展緊密結(jié)合，突破實(shí)時(shí)高真實(shí)感、高分辨率渲染的技術(shù)難點(diǎn)圖 形渲染是整個(gè)圖形學(xué)發(fā)展的核心.5 5.2 研究和諧自然的三維模型建模方法.5 5.3 利用日益增長(zhǎng)的計(jì)算性能，實(shí)現(xiàn)具有高度物理真實(shí)的動(dòng)態(tài)仿真.5 5.4 研究多種高精度數(shù)據(jù)獲取與處理技術(shù)，增強(qiáng)圖形技術(shù)的表現(xiàn).5 5.5 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖像視頻處理技術(shù)的結(jié)合.5 5.6 從追求絕對(duì)的真實(shí)感向追求與強(qiáng)調(diào)圖形的表

3、意性轉(zhuǎn)變.5 第六章第六章 對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的認(rèn)識(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的認(rèn)識(shí) .13 致謝致謝 .14 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) .14 一、前言一、前言 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(Computer Graphics，簡(jiǎn)稱(chēng) CG)是一種使用數(shù)學(xué)算法將二維或三維圖形 轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)顯示器的柵格形式的科學(xué)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究?jī)?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。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的一個(gè)獨(dú)立分支已經(jīng)歷了近 40 年的發(fā)展歷 程。一方面,作為一個(gè)學(xué)科,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在圖形基礎(chǔ)算法、圖形軟件與圖形硬件三方面取得 了長(zhǎng)足的進(jìn)步,成為當(dāng)代幾乎所有科

4、學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域用來(lái)加強(qiáng)信息理解和傳遞的技術(shù)和工 具。 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在我國(guó)雖然起步較晚,然而它的發(fā)展卻十分迅速。我國(guó)的主要高校都開(kāi)設(shè) 了多門(mén)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的課程,并有一批從事圖形學(xué)基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的研究所。在浙江大學(xué)建 立的計(jì)算機(jī)輔助與圖形學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,已成為我國(guó)從事計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的重要基地之 一。 二計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史二計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究起源于麻省理工學(xué)院。從 50 年代初到 60 年代中，麻省理工學(xué)院積極 從事現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造技術(shù)的開(kāi)拓性研究。1952 年在它的伺服構(gòu)實(shí)驗(yàn)室里誕生了 世界上第一臺(tái)數(shù)控銑床的原型。1957 年美國(guó)空軍將第一批三坐標(biāo)數(shù)控銑床裝

5、備了飛機(jī)工廠。 大型精密數(shù)控繪圖機(jī)也同時(shí)誕生。接著麻省理工學(xué)院發(fā)展了 APT 數(shù)控加工自動(dòng)編程語(yǔ)言， 這是目前國(guó)際上最通用的加工編程工具。1964 年孔斯（Steve Coons）在這里提出了用小塊 曲面片組合表示自由型曲面時(shí)使曲面片邊界上達(dá)到任意高次連續(xù)階的理論方法，此方法得 到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大推崇，稱(chēng)之為孔斯曲面。孔斯和法國(guó)雷諾汽車(chē)公司的貝齊埃 （Pierre Bzier）并列被稱(chēng)為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)技術(shù)的奠基人。 第一臺(tái)光筆交互式圖形顯示器 1962 年在麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室研制成功，這是 Lvan Sutherland 以博士論文形式完成的研究課題。 在美國(guó)工業(yè)界，研制交互圖

6、形顯示器的工作也在平行開(kāi)展。其中最重要的是 IBM 公司。在 1964 年秋它推出了自己的設(shè)計(jì)方案。以后經(jīng)過(guò)改進(jìn)，成為 IBM 2250 顯示器。這是 IBM 計(jì) 算機(jī)上正式提供工業(yè)界使用的第一代刷新式隨機(jī)掃描圖形終端。它使用光筆作為交互輸入 手段，并且配有一組 32 個(gè)功能鍵，以便調(diào)用程序中的相應(yīng)功能模塊。洛克希德飛機(jī)公司利 用 IBM 2250 開(kāi)發(fā)的 CADAM 繪圖加工系統(tǒng)，從 1974 年起向外界轉(zhuǎn)讓?zhuān)蔀?IBM 主機(jī)上 目前應(yīng)用最廣的 CADCAM 軟件。 IBM 2250 在 1978 年前后改型為 IBM 3250，但在原理上并無(wú)明顯變化。1984 年又改型為 IBM 508

7、0，采用光柵掃描技術(shù)，帶彩色，有局部處理能力，并可以用旋鈕直接放大、平移、 旋轉(zhuǎn)畫(huà)面。光筆也改為電筆，與輸入板配合使用，并操縱屏面上的光標(biāo)。 60 年代末、70 年代初，美國(guó) Tektronix 公司發(fā)展了存貯管技術(shù)。顯示器型號(hào)先后有 4006，4010，4012 等。Tektronix 4014 曾經(jīng)是 70 年代末 CAD 和工程分析中應(yīng)用最廣的圖 形終端。它的屏面尺寸是 19 英寸，畫(huà)面線條清晰，分辨率可以達(dá)到 40963072，價(jià)格不 到刷新式同類(lèi)顯示器的一半。一次輸入顯示命令后可以保留畫(huà)面一小時(shí)，因此編程簡(jiǎn)單， 復(fù)雜的畫(huà)面不會(huì)象刷新式顯示器那樣出現(xiàn)閃爍。它的缺點(diǎn)是不能局部動(dòng)態(tài)修改顯示

8、畫(huà)面。 光柵掃描型顯示器采用電視機(jī)的類(lèi)似工作原理，最初主要用作圖象處理。屏面象素的分辨 率不很高，大多用 512512，但是色彩層次十分豐富，可以高 24 個(gè)二進(jìn)制位，即紅綠藍(lán) 三原色各占 8 位，各有 28256 種層次，最終組合成 224 種色彩或灰度等級(jí)。當(dāng)分辨率低 時(shí)，這類(lèi)顯示器顯示線條的效果不很好，有明顯的鋸齒形，而且要作向量到點(diǎn)陣的相互轉(zhuǎn) 換，交互響應(yīng)速度受到一定影響。圖形顯示緩沖器占用的存貯量大。到了 80 年代初，個(gè)人 計(jì)算機(jī)象 Apple，IBMPC 以及 Apollo，SUN 等工程工作站問(wèn)世，并迅速得到廣大用戶的 歡迎，銷(xiāo)售量激增。在這些設(shè)計(jì)中，主機(jī)和圖形顯示器融為一體，

9、都用光柵掃描型顯示， 并呆以同時(shí)生成高質(zhì)量的線型圖和逼真的彩色明暗圖。由于大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和 專(zhuān)用圖形處理芯片的出現(xiàn)，使得光柵掃描型顯示的質(zhì)量越來(lái)越好，價(jià)格越來(lái)越低，現(xiàn)已成 為圖形顯示器的當(dāng)前常規(guī)形式。在工程設(shè)計(jì)中，聯(lián)網(wǎng)的分布式工作站的應(yīng)用也正在逐漸取 代分時(shí)形式的大型主機(jī)連接幾十個(gè)圖形終端的結(jié)構(gòu)。 在圖形顯示技術(shù)發(fā)展的里程碑中，需要提出兩家公司的產(chǎn)品，這就是 Evans GLuint mes TextureTexNumber; /定義紋理對(duì)象數(shù)組 第二步:生成紋理對(duì)象數(shù)組 glGenTextures(TexNumber,m Texture); 第三步:通過(guò)使用 glBindTextu

10、re 選擇紋理對(duì)象，來(lái)完成該紋理對(duì)象的定義。 glBindTexture(GL TEXTURE 2D,m_Texture0); g1TexImage2D(GL TEXTURE_2D,0,3,mes Texmapl.GetWidthU,mee Texmapl.GetHeight() ,0,GL BGR EXT,GL UNSIGNED BYTE,mse Texmapl.GetDibBitsltrQ); 第四步:在繪制景物之前通過(guò) glBindTexture，為該景物加載相應(yīng)的紋理。 glBindTexture(GLes TEXTURE_2D,mse Texture0); 第五步:在程序結(jié)束之前調(diào)用

11、 glDeleteTextures 刪除紋理對(duì)象。 glDeleteTextures(TexNumber, mee Texture); 這樣就完成了全部紋理對(duì)象的管理和使用。 四應(yīng)用及發(fā)展前沿四應(yīng)用及發(fā)展前沿 4.1 智能 CAD CAD 的發(fā)展也顯現(xiàn)出智能化的趨勢(shì)，就目前流行的大多數(shù) CAD 軟件來(lái)看，主要功能是支 持產(chǎn)品的后續(xù)階段一一工程圖的繪制和輸出，產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能相對(duì)薄弱， 利用 AutoCAD 最 常用的功能還是交互式繪圖，如果要想進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)， 最基本的是要用其中的 AutoLisp 語(yǔ)言編寫(xiě)程序，有時(shí)還要用其他高級(jí)語(yǔ)言協(xié)助編寫(xiě)，很不方便。而新一代的智能 CAD 系 統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)從概念

12、設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全過(guò)程。例如，德國(guó)西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的 Sigraph Design 軟件可以實(shí)現(xiàn)如下功能： 從一開(kāi)始就可以用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)草圖，不必耗時(shí)費(fèi)力的輸入精確 的坐標(biāo)點(diǎn)，能隨心所欲的修改，一旦結(jié)構(gòu)確定，給出正確的尺寸即得到滿意的圖紙； 這 個(gè)軟件中具有關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)， 當(dāng)你改變圖紙的局部，相關(guān)部分自動(dòng)變化，在一個(gè)視圖上的 修改，其他視圖自動(dòng)修改，甚至改變一個(gè)零件圖，相關(guān)的其它零件圖以及裝配圖的相關(guān)部 分自動(dòng)修改： 在各個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域中，有一些常用件和標(biāo)準(zhǔn)件， 因此，希望有一個(gè)參數(shù)化 圖庫(kù)。而 Sigraph 不用編程只需畫(huà)一遍圖就能建成自己的圖庫(kù)；Sigraph 還可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品 設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)模擬用于

13、觀察設(shè)計(jì)的裝置在實(shí)際運(yùn)行中是否合理等等。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(shí)別，隨著 CAD 技術(shù)的迅速推廣應(yīng)用，各個(gè)工廠、設(shè)計(jì) 院都需將成千上萬(wàn)張長(zhǎng)期積累下來(lái)的設(shè)計(jì)圖紙快速而準(zhǔn)確輸入計(jì)算機(jī)，作為新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的 技術(shù)資料。多年來(lái)，CAD 中普遍采用的圖形輸入方法是圖形數(shù)字化儀交互輸入和鼠標(biāo)加 鍵盤(pán)的交互輸入方法很難適應(yīng)工程界大量圖紙輸入的迫切需要。因此， 基于光電掃描儀 的圖紙自動(dòng)輸入方法已成為國(guó)內(nèi)外 CAD 工作者的努力探索的新課題。但由于工程圖的智 能識(shí)別涉及到計(jì)算機(jī)的硬件、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、模式識(shí)別及人工智能等高新技術(shù)內(nèi)容，使得 研究工作的難點(diǎn)較大。工程圖的自動(dòng)輸入與智能識(shí)

14、別是兩個(gè)密不可分的過(guò)程，用掃描儀將 手繪圖紙輸入到計(jì)算機(jī)后，形成的是點(diǎn)陣圖象 CAD 中只能對(duì)矢量圖形進(jìn)行編輯， 這 就要求將點(diǎn)陣圖像轉(zhuǎn)化成矢量圖形而這些工作都讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成這就帶來(lái)了許多的 問(wèn)題如 圖像的智能識(shí)別； 字符的提取與識(shí)別； 圖形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立與圖形的理 解；實(shí)用化的后處理方法等等。國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)和 863 計(jì)劃基金都在支持這方面的 研究， 國(guó)內(nèi)外已有一些這方面的軟件付諸實(shí)用，如美國(guó)的 RVmaster，德國(guó)的 VPmax， 以及清華大學(xué)，東北大學(xué)的產(chǎn)品等。但效果都不很理想還未能達(dá)到人們企盼的效果。 4.2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造 CAD/CAU 是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在工業(yè)界最廣泛、

15、最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)被用來(lái)進(jìn) 行土建工程、機(jī)械結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的設(shè)計(jì),包括設(shè)計(jì)飛機(jī)、汽車(chē)、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(shí),著眼于產(chǎn)生工程和產(chǎn)品相應(yīng)結(jié)構(gòu)的精確圖形,然 而更常用的是對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)、產(chǎn)品和工程的相關(guān)圖形進(jìn)行人機(jī)交互設(shè)計(jì)和修改,經(jīng)過(guò) 反復(fù)的迭代設(shè)計(jì),便可利用結(jié)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用到集成電路、印刷電路板、電子線路和網(wǎng)絡(luò) 分析等方面的優(yōu)勢(shì)是十分明顯的。一個(gè)復(fù)雜的大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路板圖根本不可能 用手工設(shè)計(jì)和繪制,用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)不僅能進(jìn)行設(shè)計(jì)和畫(huà)圖,而且可以在較短

16、的時(shí)間內(nèi)完成,把 其結(jié)果直接送至后續(xù)工藝進(jìn)行加工處理。在飛機(jī)工業(yè)中,美國(guó)波音飛機(jī)公司已用有關(guān)的 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)波音 777 飛機(jī)的整體設(shè)計(jì)和模擬,其中包括飛機(jī)外型、內(nèi)部零部件的安裝和 檢驗(yàn)。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行異地異構(gòu)系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì),已經(jīng)成為 領(lǐng)域最熱門(mén)的課題之一。現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)已不再是一個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)孤立的技術(shù)問(wèn)題,而是綜合 了產(chǎn)品各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域、相關(guān)過(guò)程、相關(guān)技術(shù)資源和相關(guān)組織形式的系統(tǒng)化工程。它要求設(shè) 計(jì)團(tuán)隊(duì)在合理的組織結(jié)構(gòu)下,采用群體工作方式來(lái)協(xié)調(diào)和綜合設(shè)計(jì)者的專(zhuān)長(zhǎng),并且從設(shè)計(jì)一開(kāi) 始就考慮產(chǎn)品生命周期的全部因素,從而達(dá)到快速響應(yīng)市場(chǎng)需求的目的,協(xié)同設(shè)計(jì)的出現(xiàn)使企 業(yè)生產(chǎn)的時(shí)空觀

17、發(fā)生了根本的變化。使異地設(shè)計(jì)、異地制造、異地裝配成為可能,從而為企 業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中贏得了寶貴的時(shí)間。領(lǐng)域另一個(gè)非常重要的研究領(lǐng)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(guò)對(duì)這些信息進(jìn)行分 類(lèi)、綜合等一系列處理,在三維空間中重新構(gòu)造出二維信息所對(duì)應(yīng)的三維形體,恢復(fù)形體的點(diǎn)、 線、面及其拓?fù)潢P(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)形體的重建。二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)在工程界中仍占有主導(dǎo)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(shè)計(jì)可憑借原有的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)做 修改即可完成。同時(shí)三維幾何造型系統(tǒng),因?yàn)榭梢宰鲅b配件的干涉檢查以及有限元分析、仿 真、加工等后續(xù)操作,代表技術(shù)的發(fā)展方向。目

18、前主要的三維形體重建算法是針對(duì)多 面體和對(duì)主軸方向有嚴(yán)格限制的二次曲面體的。任意曲面體的三維形體重建,至今仍是一個(gè) 未解決的世界難題。 4.3 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)藝術(shù) 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)技術(shù)的發(fā)展是和許多其它學(xué)科的發(fā)展密切相關(guān)的。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)繪畫(huà)、 計(jì)算機(jī)音樂(lè)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、電影技術(shù)、電視技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件和硬件技術(shù)等眾多學(xué)科 的最新成果都對(duì)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)技術(shù)的研究和發(fā)展起著十分重要的推動(dòng)作用 50 年代到 60 年代 之間，大部分的計(jì)算機(jī)繪畫(huà)藝術(shù)作品都是在打印機(jī)和繪圖儀上產(chǎn)生的。直到 60 年代后期， 才出現(xiàn)利用計(jì)算機(jī)顯示點(diǎn)陣的特性，通過(guò)精心地設(shè)計(jì)圖案來(lái)進(jìn)行計(jì)算機(jī)藝術(shù)創(chuàng)造的活動(dòng)。 70 年代開(kāi)始計(jì)算機(jī)藝

19、術(shù)走向繁榮和成熟 1973 年，在東京索尼公司舉辦了“首屆國(guó)際計(jì) 算機(jī)藝術(shù)展覽會(huì)”80 年代至今，計(jì)算機(jī)藝術(shù)的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人們的想象 在代表計(jì) 算機(jī)圖形研究最高水平的歷屆 SIGGRAPH 年會(huì)上，精彩的計(jì)算機(jī)藝術(shù)作品層出不窮。另外， 在此期間的奧斯卡獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)名單中，采用計(jì)算機(jī)特技制作電影頻頻上榜，大有舍我其誰(shuí)的 感覺(jué)。在中國(guó)，首屆計(jì)算機(jī)藝術(shù)研討會(huì)和作品展示活動(dòng)于 1995 年在北京舉行 它總結(jié)了近 年來(lái)計(jì)算機(jī)藝術(shù)在中國(guó)的發(fā)展，對(duì)未來(lái)的工作起到了重要的推動(dòng)作用。 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)的一個(gè)重要應(yīng)用就是制作電影特技 可以說(shuō)電影特技的發(fā)展和計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)的發(fā)展 是相互促進(jìn)的。1987 年由著名的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)

20、專(zhuān)家塔爾曼夫婦領(lǐng)導(dǎo)的 MIRA 實(shí)驗(yàn)室制作了 一部七分鐘的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)片相會(huì)在蒙特利爾 再現(xiàn)了國(guó)際影星瑪麗蓮夢(mèng)露的風(fēng) 采。1988 年，美國(guó)電影誰(shuí)陷害了兔子羅杰” (Who Framed Roger Rabbit?)中二維動(dòng)畫(huà)人物 和真實(shí)演員的完美結(jié)合，令人膛目結(jié)舌、嘆為觀止 其中用了不少計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)處理 1991 年 美國(guó)電影終結(jié)者 II：世界末日展現(xiàn)了奇妙的計(jì)算機(jī)技術(shù)。此外，還有侏羅紀(jì)公園 (Jurassic Park)、 獅子王 、 玩具總動(dòng)員(Toy Story)等。 我國(guó)的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)技術(shù)起步較晚。1990 年的第 11 屆亞洲運(yùn)動(dòng)會(huì)上，首次采用了計(jì)算機(jī)三 維動(dòng)畫(huà)技術(shù)來(lái)制作有關(guān)的電視節(jié)目片

21、頭。從那時(shí)起，計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)技術(shù)在國(guó)內(nèi)影視制作方面 得到了訊速的發(fā)展， 繼而以 3D Studio 為代表的三維動(dòng)畫(huà)微機(jī)軟什和以 Photostyler、Photoshop 等為代表的微機(jī)二維平面設(shè)計(jì)軟件的普及，對(duì)我國(guó)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)技術(shù) 的應(yīng)用起到了推波助讕的作用。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)的應(yīng)用領(lǐng)域十分寬廣 除了用來(lái)制作影視作品外， 在科學(xué)研究、視覺(jué)模擬、電子游戲、工業(yè)設(shè)計(jì)、教學(xué)訓(xùn)練、寫(xiě)真仿真、過(guò)程控制、平面繪 畫(huà)、建筑設(shè)計(jì)等許多方面都有重要應(yīng)用，如軍事戰(zhàn)術(shù)模擬 4.4 科學(xué)計(jì)算可視化 科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,數(shù)據(jù)量的與日俱增使得人們對(duì)數(shù)據(jù)的分析和處理變得越來(lái)越難,人們無(wú) 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

22、規(guī)律,提取最本質(zhì)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(lái),情況就不一樣了,事物的發(fā)展趨勢(shì)和本質(zhì)特征將會(huì)很清楚地 呈現(xiàn)在人們面前。1986 年,美國(guó)科學(xué)基金會(huì)(NSF)專(zhuān)門(mén)召開(kāi)了一次研討會(huì),會(huì)上提出了“科學(xué) 計(jì)算可視化” 。第二年,美國(guó)計(jì)算機(jī)成像專(zhuān)業(yè)委員會(huì)向 NSF 提交了“科學(xué)計(jì)算可視化的研究 報(bào)告”后,VISC 就迅速發(fā)展起來(lái)了。目前科學(xué)計(jì)算可視化廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、流體力學(xué)、有 限元分析、氣象分析當(dāng)中。尤其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,可視化有著廣闊的發(fā)展前途。依靠精密機(jī)械做 腦部手術(shù)已經(jīng)由機(jī)械人和醫(yī)學(xué)專(zhuān)家配合做遠(yuǎn)程手術(shù)是目前醫(yī)學(xué)上很熱門(mén)的課題,而這些技術(shù) 的實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)則是可視化?？梢暬夹g(shù)將醫(yī)用 C

23、T 掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維圖像,使得醫(yī)生能 夠看到并準(zhǔn)確地判別病人的體內(nèi)的患處,然后通過(guò)碰撞檢測(cè)一類(lèi)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手術(shù)效果的反饋, 幫助醫(yī)生成功完成手術(shù)。從目前的研究狀況來(lái)看,這項(xiàng)技術(shù)還遠(yuǎn)未成熟,離實(shí)用還有一定的距 離。主要難點(diǎn)在于生成人體內(nèi)漫游圖像的三維體繪制技術(shù)還沒(méi)有達(dá)到實(shí)時(shí)的程度,而且現(xiàn)在 大多的體繪制技術(shù)是基于平行投影,而漫游則需要真實(shí)感更強(qiáng)的透視投影技術(shù),然而體繪制的 透視投影技術(shù)到目前還沒(méi)有很好地解決。另概括起來(lái)有外在漫游當(dāng)中還要根據(jù)圖像區(qū) 分出不同的體內(nèi)組織,這項(xiàng)技術(shù)叫 Segmentation。目前的 Segmentation 主要是靠人機(jī)交互來(lái) 完成,遠(yuǎn)未達(dá)到自動(dòng)實(shí)時(shí)的地步。 4.

24、5 虛擬現(xiàn)實(shí) “虛擬現(xiàn)實(shí)”(Virbual ReMity)- 詞是由美國(guó)噴氣推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室(VPL)的創(chuàng)始人拉尼爾(Jaron Lanier)首先提出的，在克魯格(Myren Kruege070 年代中早期實(shí)驗(yàn)里被稱(chēng)為人工現(xiàn)實(shí)” (Afitifi Cial realioy)；而在吉布森(WiUian Gibson)l984 年出版的科幻小說(shuō) Neuremanccr 里， 又被稱(chēng)為“可控空間”(Cyberspaee)。虛擬現(xiàn)實(shí)， 也育人稱(chēng)之為虛擬環(huán)境(Virtual Environment)是美國(guó)國(guó)家航空和航天局及軍事部門(mén)為模擬而開(kāi)發(fā)的一門(mén)高新技術(shù) 它利用計(jì) 算機(jī)圖形產(chǎn)生器，位置跟蹤器， 多功能傳感

25、器和控制器等有效地模擬實(shí)際場(chǎng)景和情形，從 而能夠使觀察者產(chǎn)生一種真實(shí)的身臨其境的感覺(jué)虛擬環(huán)境由硬件和軟件組成，硬件部分主 要包括：傳感器(Sensors)、印象器和連接傳感器與印象器以產(chǎn)生模擬物理環(huán)境的特殊硬件。 利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)產(chǎn)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)產(chǎn)生虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的軟件需完成以下三個(gè)功能： 建立作用器(Actors)以及物體的外形和動(dòng)力學(xué)模型：建立物體之間以及周?chē)h(huán)境之間接照牛 頓運(yùn)動(dòng)定律所決定的相互作用；描述周?chē)h(huán)境的內(nèi)容特性，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要應(yīng)用于腦外 科規(guī)劃的雙手操作空間接口工具，恐高癥治療、虛擬風(fēng)洞、封閉式戰(zhàn)斗作戰(zhàn)訓(xùn)練器、建筑 設(shè)計(jì)、總之虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一門(mén)多學(xué)科交叉和綜合集成的新技術(shù)

26、。因此， 它的發(fā)展將取 決于相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最基本的要求就是反映的實(shí)時(shí)性和場(chǎng)景的真 實(shí)性。但一般來(lái)說(shuō)，實(shí)時(shí)性與真實(shí)性往往是相互矛盾的。 4.6 用戶接口 用戶界面是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中人與計(jì)算機(jī)之間相互通訊的重要組成部分。八十年代以 WIMP(窗 口、圖符、菜單、鼠標(biāo))為基礎(chǔ)的圖形用戶界面(GUD 極大地改善了計(jì)算機(jī)的可用性、可學(xué) 性和有效性，迅速代替了命令行為代表的字符界面，成為當(dāng)今計(jì)算機(jī)用戶界面的主流。以 用戶為中心的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想增進(jìn)人機(jī)交互的自然性，提高人機(jī)交互的效率和帶寬是用戶 界面的研究方向。于是提出了多通道用戶界面的思想，它包括語(yǔ)言、姿勢(shì)輸入、頭部跟蹤、 視覺(jué)跟蹤、立

27、體顯示、三維交互技術(shù)、感覺(jué)反饋及自然語(yǔ)言界面等。可以這樣說(shuō)人體的表 面就是人機(jī)界面。人體的任何部分都應(yīng)成為人機(jī)對(duì)話的通道。虛擬現(xiàn)實(shí)顯示是關(guān)鍵所在， 這不僅要求軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，更主要的是硬件上的實(shí)現(xiàn)。概括起來(lái)虛擬現(xiàn)實(shí)的人機(jī)交互通道可 分為兩個(gè)方面：主要的感覺(jué)通道和主要作用通道。多通道用戶界面強(qiáng)調(diào)： (1)多個(gè)交互通道，如眼一語(yǔ)言一手勢(shì)等。 (2)交互的雙向性如果每個(gè)通道兼有輸入輸出 (3)交互不一定是在同一通道中完成 例如， 眼和耳都可以接受信息但有明顯的區(qū)別。眼永遠(yuǎn)是主動(dòng)的， 即主動(dòng)地去獲取信 息，耳永遠(yuǎn)是被動(dòng)的，有些信息不管你愿不愿聽(tīng)，總要輸?shù)蕉渲校@就要求在具體的交 互中具體選擇交互通道。

28、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展各有各自的特點(diǎn)， 但總起來(lái)說(shuō)是以虛擬現(xiàn)實(shí)為導(dǎo)向和目的 的。虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展要求必將帶動(dòng)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)各學(xué)科的發(fā)展 同樣虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展也將 依賴于其他學(xué)科的發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形前景誘人 形勢(shì)逼人(我國(guó)還比較落后)，但通過(guò)努力 還是可以縮短差距的。 五計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)五計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展趨勢(shì) 5.1 與圖形硬件的發(fā)展緊密結(jié)合，突破實(shí)時(shí)高真實(shí)感、高分辨率渲染的技術(shù)難點(diǎn)圖形渲染 是整個(gè)圖形學(xué)發(fā)展的核心。 在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，影視動(dòng)漫以及各類(lèi)可視化應(yīng)用中都對(duì)圖形渲染結(jié)果的高真實(shí)感提出了 很高的要求。同時(shí)，由于顯示設(shè)備的快速發(fā)展，人們要求能提供高清分辨率（1920 x1080） ，

29、 進(jìn)一步要能達(dá)到數(shù)字電影所能播放的 4K 分辨率(4096x2060)；色彩的動(dòng)態(tài)范圍也希望從原 來(lái)每個(gè)通道的 8Bit 提高到 10bit 及以上。雖然已有的圖形學(xué)方法已經(jīng)能較為真實(shí)地再現(xiàn)各 類(lèi)視覺(jué)效果，然而為了能提供高分辨率高動(dòng)態(tài)的渲染效果，必須消耗非常可觀的計(jì)算能力。 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)。為此，傳統(tǒng)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。即使這樣，也需要使用上千臺(tái) 計(jì)算機(jī)，耗費(fèi)數(shù)月時(shí)間才能完成一部標(biāo)準(zhǔn) 90 分鐘長(zhǎng)度的影片渲染。 近 10 年來(lái)，基于 GPU 的圖形硬件技術(shù)得以發(fā)展迅速，已經(jīng)能在一個(gè) GPU 芯片上采用 64n

30、m 工藝集成上千個(gè)采用 SIMD（單指令多數(shù)據(jù)流）架構(gòu)的通用計(jì)算核心。而 2009 年底，主流 圖形硬件商 nVidia 和 AMD 以及 Intel 還會(huì)推出基于 MIMD（多指令多數(shù)據(jù)流）計(jì)算核心的 GPU 芯片用于圖形加速繪制，以支持 DirectX 11 以及 OpenGL 3.0 圖形標(biāo)準(zhǔn)。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，已可在單個(gè)工作站上實(shí)現(xiàn) 百倍于基于 CPU 方法的渲染速度。然而已知的實(shí)現(xiàn)方法，其實(shí)現(xiàn)效果還較為初步，無(wú)法實(shí) 現(xiàn)復(fù)雜的視覺(jué)特效，離實(shí)時(shí)的高真實(shí)感渲染還有很大差距。其主要原因是：（i）缺乏良好 的數(shù)據(jù)組織方法，基于 GPU 方

31、法由于硬件的架構(gòu)原因，數(shù)據(jù)組織無(wú)法如同 CPU 方法一樣的 組織，因此對(duì)復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)仍無(wú)法得到很好地支持。 （ii）缺乏標(biāo)準(zhǔn)高效的 GPU 高層編程 語(yǔ)言、編譯器以及相應(yīng)調(diào)試工具,（iii）由于以上兩個(gè)問(wèn)題，無(wú)法完整地實(shí)現(xiàn)適于電影渲 染制作的 RenderMan 標(biāo)準(zhǔn)，以及其他各類(lèi)基于物理真實(shí)感的渲染算法。因此，如何充分利 用 GPU 的計(jì)算特性，結(jié)合分布式的集群技術(shù)，解決以上這些難題，從而來(lái)構(gòu)造低功耗的渲 染服務(wù)是圖形學(xué)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)之一。 5.2 研究和諧自然的三維模型建模方法 三維模型建模方法是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的重要基礎(chǔ)，是生成精美的三維場(chǎng)景和逼真動(dòng)態(tài)效果的 前提。然而，傳統(tǒng)的三維模型方法

32、，由于其主要思想方法來(lái)源于 CAD 中基于參數(shù)式調(diào)整的 形狀構(gòu)造方法，建模效率低而學(xué)習(xí)門(mén)檻高，不易于普及和讓非專(zhuān)業(yè)用戶使用。而隨著計(jì)算 機(jī)圖形技術(shù)的普及和發(fā)展，各類(lèi)用戶都提出了高效的三維建模需求，因此研究和諧自然的 三維建模方法是目前發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。采用合適的交互手段，來(lái)進(jìn)行三維模型的快速 構(gòu)造，特別是應(yīng)用于概念設(shè)計(jì)和建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域目前已引起了國(guó)際同行的廣泛關(guān)注。由于筆 式或草圖交互方式，非常符合人類(lèi)原有日常生活中的思考習(xí)慣，是目前研究的重點(diǎn)問(wèn)題。 其難點(diǎn)是根據(jù)具體的應(yīng)用領(lǐng)域，與視覺(jué)方法相融合，如何設(shè)計(jì)合理的交互語(yǔ)匯以及對(duì)應(yīng)的 過(guò)程式“識(shí)別-構(gòu)造”方法。與此相關(guān)的一個(gè)問(wèn)題是基于規(guī)則的過(guò)程式建

33、模方法。目前由于 Google Earth 等數(shù)字地圖信息系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，對(duì)于地圖之上的建筑物信息等存在迫切需 求。為此，研究者希望通過(guò)激光掃描或者視頻等獲取方式獲得相關(guān)信息后能迅速地重建出 相關(guān)三維模型信息。然而單純的重建方式存在精度低、穩(wěn)定性差和運(yùn)算量大等不足，遠(yuǎn)未 能滿足實(shí)際的需求。因此，最近的研究中，傾向于采用基于規(guī)則的過(guò)程式建模方法相結(jié)合 來(lái)嘗試高效地構(gòu)造出三維建筑模型，以及相關(guān)的樹(shù)木等結(jié)構(gòu)化場(chǎng)景。三維建模方法中的另 一主要問(wèn)題是研究合適的曲面表達(dá)方法，以適于各類(lèi)圖形學(xué)的應(yīng)用。在 CAD 的主流方法是 采用 NURBS（非均勻有理 B-樣條）方法，然而此類(lèi)方法無(wú)法很好解決非正規(guī)情況下

34、的曲面 拼合，不甚適合于圖形學(xué)。為此，細(xì)分曲面方法，作為一種離散迭代的曲面構(gòu)造方法，由 于其構(gòu)造過(guò)程樸素簡(jiǎn)單以及實(shí)現(xiàn)容易，是一個(gè)方興未艾的研究熱點(diǎn)，而且極有可能逐步取 代 NURBS 方法。目前主要需要解決的問(wèn)題有：（i）奇異點(diǎn)處的 C2 連續(xù)性的有效構(gòu)造方法； (ii)與 GPU 圖形硬件相結(jié)合的曲面處理方法。 5.3 利用日益增長(zhǎng)的計(jì)算性能，實(shí)現(xiàn)具有高度物理真實(shí)的動(dòng)態(tài)仿真 高度物理真實(shí)感的動(dòng)態(tài)模擬，包括對(duì)各種形變、水、氣、云、煙霧、燃燒、爆炸、撕裂、 老化等物理現(xiàn)象的真實(shí)模擬，是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)一直試圖達(dá)到的目標(biāo)。這一技術(shù)是各類(lèi)動(dòng)態(tài) 仿真應(yīng)用的核心技術(shù)，可以極大地提高虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的沉浸感。然而

35、高度物理真實(shí)性模擬， 主要受限于目前計(jì)算機(jī)的處理能力和存儲(chǔ)容量限制，不能處理很高精度的模擬，也無(wú)法做 到很高的響應(yīng)速度。所幸的是，GPU 技術(shù)帶來(lái)了革新這一技術(shù)的可能。充分利用 GPU 硬件 內(nèi)部的并行性，研究者開(kāi)始普遍關(guān)注基于 GPU 的各類(lèi)數(shù)學(xué)物理方程求解極其相關(guān)的有限元 加速計(jì)算方法。就目前而言，主要研究關(guān)注焦點(diǎn)還是單個(gè)物理方法的 GPU 實(shí)現(xiàn)。然而，最 近隨著 nVidia 推出了基于 GPU 的 PhysX 通用物理加速技術(shù)，以及 Havok 公司與 AMD 合作開(kāi) 發(fā)了通用物理中間件技術(shù)，相信未來(lái)可為高度物理真實(shí)的動(dòng)態(tài)模擬提供新的研究機(jī)遇。 5.4 研究多種高精度數(shù)據(jù)獲取與處理技術(shù)

36、，增強(qiáng)圖形技術(shù)的表現(xiàn) 真實(shí)感的畫(huà)面與逼真動(dòng)態(tài)效果，一種有效的解決途徑是采用各種高精度手段獲取所需的幾 何、紋理以及動(dòng)態(tài)信息。為此，研究者正在考慮對(duì)各個(gè)尺度上的信息進(jìn)行獲取。小到物體 表面的微結(jié)構(gòu)、紋理屬性和反射屬性通過(guò)研制特殊裝置予以捕獲與處理，或采用一組同攝 像機(jī)來(lái)獲取演員的幾何形體與動(dòng)態(tài)，大到采用激光掃描獲取整幢建筑物的三維數(shù)據(jù)。這里 主要研究的三個(gè)問(wèn)題是：（a）圖形獲取設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，這是與計(jì)算機(jī)視覺(jué)、硬件、軟 件相關(guān)的系統(tǒng)工程研究問(wèn)題；（b）由于一般獲取的數(shù)據(jù)均極為龐大且附加了各種噪聲與冗 余信息，如何進(jìn)行處理與壓縮以適合于圖形學(xué)應(yīng)用是主要問(wèn)題；（c）一旦獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)， 如何進(jìn)行重

37、用是一個(gè)主要課題，因此使得基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，與機(jī)器學(xué)習(xí)相交叉的圖形 學(xué)方法是最近的研究熱點(diǎn)。 5.5 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖像視頻處理技術(shù)的結(jié)合 家用數(shù)字相機(jī)和攝像機(jī)的日益普及，對(duì)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(wèn)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(jué)方法相交叉融合，來(lái)直接 地生成風(fēng)格化的畫(huà)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(lái)生成動(dòng)畫(huà) 序列。當(dāng)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)正向地圖像生成方法和計(jì)算機(jī)視覺(jué)中逆向地從圖像中恢復(fù)各種信息 方法相結(jié)合，可以帶來(lái)無(wú)可限量的想象空間，構(gòu)造出很多視覺(jué)特效來(lái)，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。 5.6 從追求

38、絕對(duì)的真實(shí)感向追求與強(qiáng)調(diào)圖形的表意性轉(zhuǎn)變 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在追求真實(shí)感方向的研究發(fā)展已進(jìn)入一個(gè)發(fā)展的平臺(tái)期，基本上各種真實(shí)感 特效在不計(jì)較計(jì)算代價(jià)的前提下均能較好得以重現(xiàn)。然而，人們創(chuàng)造和生成圖片的終極目 的不僅僅是展現(xiàn)真實(shí)的世界，更重要的是表達(dá)所需要傳達(dá)的信息。例如，在一個(gè)所需要描 繪的場(chǎng)景中每個(gè)對(duì)象和元素都有其相關(guān)需要傳達(dá)的信息，可根據(jù)重要度不同可采用不同的 繪制策略來(lái)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。為此，研究者已 經(jīng)開(kāi)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。而這一技術(shù)趨勢(shì)的興起，實(shí)際上延續(xù)了已有的非真實(shí)感繪制研究中的若干進(jìn)展， 必將在未來(lái)有更多的發(fā)展。 六、對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的認(rèn)識(shí)六、對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的認(rèn)識(shí) 經(jīng)過(guò)了一階段計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的學(xué)習(xí)，對(duì)于圖形學(xué)中基本圖形的生成算法有了一定的了 解。深度研究圖形學(xué)，需要高深的數(shù)學(xué)知識(shí)，且每一個(gè)細(xì)化的方向需要的知識(shí)也不一樣。 圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的活躍前沿學(xué)科，被廣泛的應(yīng)用到生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、 天文學(xué)、地球物理學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域。我深深感到這門(mén)學(xué)科涉及的領(lǐng)域之廣是驚人的， 可以說(shuō)博大精深。在這個(gè)計(jì)算機(jī)的時(shí)代什么都要用到計(jì)算機(jī)技術(shù)，圖形也是我們生活中重 要的部分，所以我們得