计 算 机 图 形 学 的 过 去、 现 在 和 未 来.doc

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1、计 算 机 图 形 学 的 过 去、 现 在 和 未 来 唐 泽 圣 唐 泽 圣 清 华 大 学 计 算 机 科 学 与 技 术 系 教 授， 博 士 生 导 师； 中 国 计 算 机 学 会 副 理 事 长 兼 学 术 工 作 委 员 会 主 任；IEEE 高 级 会 员。 近20 年 来， 一 直 从 事 计 算 机 图 形 学 与 可 视 化 技 术 的 研 究 及 教 学 工 作。 曾 主 持 并 承 担 过 多 项 国 家 自 然 科 学 基 金 及 863 高 技 术 项 目。 曾 获 国 家 科 技 进 步 三 等 奖 一 项， 省、 部 级 科 技 进 步 二、 三 等 奖 多

2、 项。 多 次 担 任 国 际 学 术 会 议 主 席、 程 序 委 员 会 主 席、 委 员 等 职 务。 目 前 的 研 究 方 向 是 计 算 机 图 形 学、 科 学 计 算 可 视 化、 虚 拟 现 实 等。 -1963 年， 美 国 麻 省 理 工 学 院 的 I.E.Sutherland 在 他 的 博 士 论 文“Sketchpad: 一 个 人 机 交 互 的 图 形 系 统” 中， 第 一 次 提 出 了 人 机 交 互 图 形 系 统 的 概 念， 被 认 为 是 奠 定 了 现 代 计 算 机 图 形 学 的 基 础。30 多 年 来， 计 算 机 图 形 学 发 展

3、迅 速， 经 历 了 初 创 时 期、 发 展 时 期 和 成 熟 时 期。 时 至 今 日， 人 们 已 经 可 以 用 一 台 普 通 的 微 机 生 成 丰 富 多 采 的 图 像， 应 用 于 国 民 经 济 和 社 会 生 活 的 各 个 方 面。 中 国 有 句 古 话：“ 一 幅 画 可 以 值 一 千 个 字”， 计 算 机 图 形 学 的 广 泛 应 用， 改 变 了 人 与 人 之 间 以 及 人 与 机 器 间 的 交 互 方 式， 极 大 地 提 高 了 人 类 获 取 信 息、 交 换 信 息 的 质 量 和 效 率， 从 而 也 极 大 地 提 高 了 人 类 的

4、工 作 效 率 和 生 活 质 量。 在 新 世 纪 到 来 之 际， 回 顾 计 算 机 图 形 学 的 过 去， 了 解 它 的 现 在 并 展 望 未 来， 是 十 分 必 要 的 和 有 益 的。 回 顾 过 去 - 在20 世 纪50 年 代， 最 初 的 计 算 机 图 形 生 成 技 术 就 出 现 了。 利 用 这 种 技 术， 计 算 机 可 以 在 绘 图 仪 或 阴 极 射 线 示 波 器 上 用 简 单 的 图 形 绘 制 计 算 结 果， 但 用 户 不 能 对 图 形 进 行 交 互 操 作， 因 而 这 一 技 术 被 称 为“ 被 动 的 图 形 生 成” 技

5、术。60 年 代 以 后， 尽 管 有 了 交 互 图 形 技 术， 但 由 于 当 时 的 图 形 硬 件 设 备 价 格 昂 贵、 计 算 机 的 功 能 不 强 但 价 格 不 低、 编 写 交 互 式 图 形 程 序 工 作 量 大 且 在 不 同 设 备 之 间 难 以 移 植， 因 此 计 算 机 图 形 学 的 应 用 进 展 不 快。70 年 代 以 后， 尽 管 出 现 了 小 型 计 算 机 和 存 储 管 式 显 示 器， 使 图 形 技 术 的 应 用 有 所 发 展， 但 是 图 形 学 的 应 用 仍 然 局 限 在 某 些 专 门 领 域。 这 一 阶 段 可 以

6、 说 是 计 算 机 图 形 学 的 初 创 阶 段。 -70 年 代 末 到 整 个80 年 代 是 计 算 机 图 形 技 术 高 速 发 展 的 时 期。 促 使 其 高 速 发 展 的 原 因 首 先 是 计 算 机 性 能/ 价 格 比 不 断 提 高， 出 现 了 图 形 处 理 功 能 很 强 的 工 作 站； 其 次 是 采 用 了 光 栅 图 形 显 示 器， 不 仅 价 格 便 宜， 而 且 可 以 生 成 矢 量 显 示 器 所 不 能 生 成 的 具 有 光 照 效 果 的 表 面 图 形， 因 而 推 动 了 计 算 机 图 形 学 在 计 算 机 辅 助 设 计 和

7、 绘 图、 办 公 自 动 化、 电 子 出 版、 地 理 信 息 系 统 等 领 域 的 广 泛 应 用。 此 时， 计 算 机 图 形 学 也 开 始 深 入 到 国 民 经 济 和 社 会 发 展 的 众 多 领 域。 - 自90 年 代 以 来， 计 算 机 图 形 技 术 开 始 走 向 成 熟， 其 重 要 标 志 就 是 在 许 多 图 形 学 的 应 用 领 域， 出 现 了 一 批 商 品 化 软 件。 在 图 形 软 件 的 开 发 上， 已 经 有 了 可 以 遵 循 的 部 分 国 际 标 准 或 公 认 的 开 发 环 境。 更 重 要 的 是， 由 于 微 型 计

8、算 机 性 能 的 不 断 提 高， 在 普 通 微 机 上 实 现 比 较 复 杂 的 图 形 技 术 已 经 成 为 可 能。 目 前， 计 算 机 图 形 学 已 经 开 始 深 入 到 人 民 生 活 和 社 会 活 动 的 各 个 领 域。 从 飞 机、 汽 车 的 计 算 机 辅 助 设 计 到 飞 行 模 拟 器、 从 电 视 广 告 到 游 戏、 从 天 气 预 报 到 地 质 勘 探， 无 一 不 应 用 计 算 机 图 形 生 成 技 术。 - 从 这 里 可 以 看 出， 与 其 他 技 术 领 域 一 样， 应 用 需 求 的 牵 引 和 科 学 技 术 的 进 步 是

9、 推 动 计 算 机 图 形 学 发 展 的 两 大 因 素。 人 们 对 图 像 质 量 和 生 成 速 度 的 要 求 是 永 无 止 境 的， 当 计 算 机 硬、 软 件 环 境 及 图 像 生 成 技 术 达 到 一 个 新 的 水 平 时， 高 质 量 的 图 像 就 会 快 速 生 成 并 且 以 人 们 可 接 受 的 价 格 提 供 给 社 会。 这 时， 计 算 机 图 形 学 的 应 用 就 会 进 一 步 扩 展， 反 过 来 又 会 促 进 计 算 机 图 形 学 技 术 的 提 高 和 发 展。 当 前 热 点 - 计 算 机 图 形 学 可 以 理 解 为 在 计

10、 算 机 上 利 用 算 法 和 程 序 生 成 图 像 的 理 论、 方 法 和 技 术。 简 单 地 说， 就 是 计 算 机 图 像 生 成 技 术。 一 般 说 来， 要 在 计 算 机 上 生 成 一 幅 图 像， 有 三 个 要 素： 其 一 是 在 计 算 机 中 建 立 所 要 生 成 图 像 的 物 体 的 模 型， 即 给 出 表 示 该 物 体 的 几 何 数 据 和 拓 扑 关 系， 这 称 为 造 型 技 术； 其 二 是 按 照 给 定 的 观 察 点 及 观 察 方 向 将 物 体 模 型 在 计 算 机 屏 幕 上 显 示 出 来， 称 为 绘 制 技 术； 其

11、 三 是 为 造 型 和 绘 制 这 两 个 过 程 提 供 友 好 的 人 机 界 面， 这 就 是 人 机 交 互 技 术。 在 本 文 中， 仅 就 造 型 技 术 和 绘 制 技 术 两 方 面 谈 谈 当 前 的 技 术 水 平 与 研 究 热 点。 -1 曲 面 造 型 技 术 及 参 数 化 特 征 造 型 技 术 - 造 型 技 术 一 直 是 围 绕 着 提 高 可 靠 性、 扩 大 复 盖 域 以 及 增 加 使 用 的 方 便 及 灵 活 程 度 等 几 方 面 发 展 的。 - 早 期 的 计 算 机 图 形 学 采 用 线 框 造 型， 具 有 数 据 量 小， 处

12、理 速 度 快 的 优 点。 但 由 于 缺 乏 面 的 信 息， 在 表 示 三 维 模 型 时， 易 出 现 二 义 性， 因 此， 当 前 只 作 为 一 种 辅 助 手 段 使 用。70 年 代 以 来， 由 于 飞 机、 汽 车 等 辅 助 设 计 技 术 的 需 要， 曲 面 造 型 技 术 得 到 了 快 速 发 展 和 广 泛 应 用，Bezier 曲 线、 曲 面， B 样 条 曲 线 曲 面 等 均 大 量 应 用 于 计 算 机 辅 助 设 计 系 统 中。 目 前， 曲 面 造 型 技 术 仍 然 是 研 究 的 热 点 之 一。 - 与 曲 面 造 型 相 比 较，

13、实 体 造 型 技 术 的 发 展 和 应 用 要 曲 折 得 多。 早 期 的 实 体 造 型 技 术 主 要 通 过 简 单 实 体 之 间 的 集 合 运 算 拼 合 三 维 复 杂 实 体， 由 于 计 算 机 精 度 有 限， 常 常 引 起 计 算 误 差， 导 致 拓 扑 关 系 混 乱， 影 响 了 造 型 系 统 的 可 靠 性。90 年 代 以 来， 在 不 断 提 高 实 体 造 型 系 统 可 靠 性 的 同 时， 又 发 展 了 特 征 造 型， 它 不 仅 用 设 计 人 员 习 惯 的 各 种 特 征 来 描 述 设 计 对 象， 而 且 可 以 统 一 表 示

14、计 算 机 辅 助 设 计、 辅 助 制 造 过 程 中 的 全 部 信 息。 随 后， 人 们 为 了 提 高 造 型 技 术 的 灵 活 性 及 使 用 的 方 便 程 度， 又 提 出 了 参 数 化 的 特 征 造 型 技 术， 尽 管 这 一 技 术 当 前 还 不 成 熟， 但 无 疑 是 很 有 应 用 前 景 的 造 型 技 术， 是 重 要 的 发 展 方 向， 值 得 我 们 加 以 高 度 重 视。 -2 真 实 感 图 像 的 实 时 动 态 绘 制 -80 年 代 以 来， 计 算 机 图 形 学 的 一 个 研 究 重 点 是 生 成 具 有 高 度 真 实 感 的

15、 图 像， 即 所 谓“ 具 有 和 照 片 一 样 真 实 感 的 图 像”。 多 年 来， 国 内 外 专 家 提 出 了 许 多 算 法， 先 后 解 决 了 隐 藏 线、 隐 藏 面 的 消 除、 局 部 光 照 模 型 的 定 义 及 实 现、 光 线 跟 踪 算 法 及 幅 射 度 算 法 等 全 局 光 照 模 型 及 其 快 速 计 算、 多 种 不 同 光 源 的 效 果 模 拟、 纹 理 生 成 算 法 及 实 现、 反 走 样 算 法 及 实 现 等 问 题。 在 此 基 础 上， 人 们 已 经 能 在 计 算 机 上 生 成 具 有 高 度 真 实 感 的 图 像，

16、达 到“ 以 假 乱 真” 的 程 度。 - 但 是， 飞 行 模 拟 及 仿 真、 计 算 机 游 戏 等 应 用， 特 别 是 虚 拟 现 实 技 术 的 出 现， 要 求 对 真 实 感 图 像 能 作 到 实 时 动 态 绘 制。 真 实 感 图 像 中， 每 一 幅 画 面 的 每 一 个 象 素， 都 要 经 过 大 量 的 计 算， 才 能 获 得 其 应 有 的 颜 色 及 光 强 度， 计 算 量 是 很 大 的。 - 在 这 里， 我 们 首 先 要 说 明 真 实 感 图 像 实 时 动 态 绘 制 的 概 念。 它 指 的 是 计 算 机 能 根 据 用 户 给 定 的

17、 观 察 点 及 观 察 方 向 实 时 生 成 真 实 感 图 像， 即 所 谓“ 交 互 实 时”。 这 与 一 般 制 作 动 画 的 方 法 “ 逐 帧 计 算， 逐 帧 存 储， 逐 帧 记 录， 连 续 播 放” 是 完 全 不 同 的。 从 理 论 上 说， 后 者 对 计 算 速 度 无 特 殊 要 求， 但 是， 一 旦 生 成 图 像 以 后， 观 察 点 及 观 察 方 向 是 不 能 改 变 的， 它 不 是“ 交 互 实 时” 的， 完 全 不 能 满 足 虚 拟 现 实 的 要 求。 因 此， 实 现 真 实 感 图 像 的 实 时 动 态 绘 制 就 成 为 近

18、十 年 来 计 算 机 图 形 学 的 一 个 研 究 热 点。 - 实 现 实 时 动 态 绘 制 面 临 的 另 一 个 挑 战 是 模 型 复 杂 程 度 的 不 断 提 高。 随 着 应 用 要 求 的 不 断 发 展， 模 型 越 来 越 大。 美 国 加 州 大 学 伯 克 利 分 校 在 进 行 建 筑 物 内 部 的 实 时 漫 游 研 究 时， 模 型 的 面 片 数 达 到200 万 个 以 上， 很 显 然， 单 靠 提 高 机 器 性 能 已 经 难 以 满 足 实 时 显 示 的 要 求 了。 为 此， 国 内 外 学 者 纷 纷 研 究 真 实 感 图 像 实 时

19、动 态 绘 制 的 算 法 及 其 实 现。 在 这 方 面， 有 两 条 不 同 的 技 术 路 线： 其 一 是 基 于 几 何 模 型 的 实 时 动 态 绘 制 技 术； 其 二 是 基 于 图 像 的 实 时 动 态 绘 制 技 术。 - 先 讨 论 基 于 几 何 模 型 的 实 时 动 态 绘 制 技 术。 它 所 采 用 的 算 法 包 括 以 下 几 种： 复 杂 模 型 的 简 化 及 多 分 辨 率 表 示 算 法。 力 图 在 不 影 响 视 觉 效 果 的 前 提 下， 采 用 比 较 简 单 的 模 型， 以 加 快 绘 制 速 度。 可 见 性 检 测 算 法。

20、将 模 型 中 不 可 见 的 面 片 剔 除 掉， 不 进 入 绘 制 运 算 过 程。 对 于 特 殊 复 杂 的 物 体， 如 树 木， 草 皮 等， 用 相 应 的 纹 理 来 代 替 三 维 模 型。 实 践 证 明， 其 效 果 是 可 以 接 受 的。 模 型 的 几 何 压 缩 算 法。 对 于 同 样 大 小 的 模 型， 采 用 精 心 设 计 的 表 示 方 法 和 数 据 结 构， 可 以 大 幅 度 提 高 绘 制 速 度。- 尽 管 这 些 方 法 可 以 大 大 提 高 图 形 的 绘 制 速 度， 但 对 于 复 杂 模 型 而 言， 在 实 现 实 时 动 态

21、 绘 制 的 同 时， 图 像 质 量 仍 不 能 令 人 满 意， 还 达 不 到 像 照 片 一 样 的 真 实 程 度。 - 为 此， 近 年 来， 国 内 外 的 学 者 们 开 始 进 行 基 于 图 像 的 实 时 动 态 绘 制 技 术 的 研 究。 其 主 要 思 想 是： 用 虚 拟 照 相 机 生 成 几 何 模 型 的 真 实 感 图 像， 或 用 数 字 相 机 拍 摄 实 景 图 像。 然 后 将 这 些 图 像 连 接 起 来 或 进 行 重 新 采 样 以 实 现 实 时 动 态 绘 制。 目 前 的 问 题 是， 如 果 图 像 样 本 较 少， 或 者 是 在

22、 某 些 定 点 采 集 的， 那 么 只 能 在 这 些 点 上 进 行 实 时 动 态 观 察， 不 能 实 现 任 意 位 置 的 漫 游。 如 果 要 实 现 任 意 位 置、 任 意 方 向 的 漫 游 和 观 察， 就 必 须 将 可 能 用 到 的 图 像 样 本 都 采 集 并 存 储 起 来， 这 不 仅 使 数 据 量 庞 大 到 无 法 处 理， 而 且 事 实 上 也 不 可 能 作 到 任 意 位 置、 任 意 方 向 的 连 续 采 样。 当 前 的 研 究 集 中 在 寻 求 图 像 采 集 的 自 由 度 与 漫 游 灵 活 性 之 间 的 折 衷 点， 以 求

23、 获 得 最 佳 结 果。 -3 图 像 生 成 技 术 与 图 像 处 理 的 结 合 - 计 算 机 图 形 学 是 利 用 计 算 机 生 成 图 像 的 技 术， 而 图 像 处 理 则 是 对 图 像 进 行 采 集、 存 储、 去 噪、 增 强、 复 原、 压 缩 解 压 缩 等 处 理 的 技 术。 多 年 来， 二 者 独 立 发 展、 互 不 相 干。 但90 年 代 以 后， 出 现 了 图 像 生 成 技 术 与 图 像 处 理 相 结 合 的 趋 势， 这 种 趋 势 不 仅 反 映 在 基 于 图 像 的 实 时 动 态 绘 制 技 术 中， 而 且 突 出 地 表

24、现 在 科 学 计 算 可 视 化 这 一 新 兴 领 域 中。 - 科 学 计 算 可 视 化 是 将 科 学 计 算 过 程 中 的 数 据 及 结 果 数 据 转 换 为 图 像， 实 际 上 也 包 括 了 工 程 计 算 可 视 化 和 测 量 数 据 可 视 化， 其 核 心 是 三 维 数 据 场 的 可 视 化。 这 一 技 术 可 应 用 于 气 象 预 报、 石 油 地 质 勘 探、 环 境 保 护、 核 爆 炸 模 拟、 计 算 流 体 力 学、 天 体 物 理 及 医 学 等 许 多 领 域。 实 现 三 维 数 据 场 的 可 视 化， 首 先 要 进 行 数 据 处

25、 理， 包 括 数 据 的 精 炼 或 插 值、 数 据 的 分 类 和 边 界 提 取、 数 据 场 梯 度 值 的 计 算 以 及 数 据 场 的 滤 波 和 重 采 样 等， 这 些 都 是 利 用 传 统 的 图 像 处 理 技 术 实 现 的， 因 此， 图 像 处 理 是 三 维 数 据 场 可 视 化 的 重 要 组 成 部 分。 在 对 数 据 进 行 了 以 上 处 理 之 后， 再 利 用 图 像 生 成 技 术 绘 制 出 三 维 数 据 场 的 图 像， 这 一 过 程 充 分 体 现 了 计 算 机 图 形 学 和 图 像 处 理 技 术 的 紧 密 结 合。 - 科

26、 学 计 算 可 视 化 技 术 自 提 出 以 来， 发 展 十 分 迅 速。 规 则 的 标 量 数 据 场 可 视 化 算 法 已 经 基 本 成 熟， 矢 量 场 的 可 视 化 算 法 也 正 在 迅 速 发 展。 值 得 注 意 的 是， 近 五 年 来， 在 美 国、 德 国 等 发 达 国 家， 可 视 化 技 术 在 医 学 教 育、 医 学 研 究 及 临 床 诊 断 和 治 疗 方 面 的 应 用 发 展 迅 速， 已 经 有 多 种 基 于 可 视 化 技 术 的 计 算 机 辅 助 医 疗 系 统 进 入 市 场。 我 国 人 口 众 多， 医 疗 设 备 的 市 场

27、 庞 大， 但 迄 今 为 止， 进 行 医 学 数 据 可 视 化 研 究 及 应 用 的 单 位 屈 指 可 数， 自 主 开 发 的 基 于 可 视 化 技 术 的 计 算 机 辅 助 手 术 系 统 还 在 试 验 阶 段， 尚 未 形 成 商 品。 -4 虚 拟 现 实 技 术 将 促 进 计 算 机 图 形 学 的 进 步 - 在 未 来 的 图 形 学 发 展 进 程 中， 虚 拟 现 实 技 术 将 起 到 非 常 重 要 的 促 进 作 用。 虚 拟 现 实 是 在 计 算 机 中 建 立 一 个 虚 拟 的 场 景， 当 人 与 它 进 行 交 互 操 作 时， 可 以 得

28、 到 与 在 现 实 世 界 中 同 样 的 反 映， 包 括 视 觉、 听 觉、 触 觉 和 嗅 觉 等。 由 于 虚 拟 现 实 中 的 场 景 是 虚 构 的， 因 此， 它 既 可 以 是 真 实 世 界 中 场 景 的 重 现， 也 可 以 是 完 全 虚 构 的 场 景； 它 可 以 是 远 古 时 代 人 类 生 活 环 境 的 重 现， 也 可 以 是 数 千 年 后 的 未 来； 它 既 可 以 是 人 类 不 能 达 到 的 危 险 环 境（ 如 含 有 高 剂 量 放 射 性 的 区 域）， 也 可 以 是 人 类 不 可 能 进 入 的 微 小 世 界（ 如 人 体 器

29、 官 内 部）。 一 句 话， 虚 拟 现 实 技 术 将 突 破 人 类 认 识 世 界 的 时 空 限 制， 为 人 们 的 实 践 活 动 提 供 崭 新 的 环 境 和 手 段， 因 而 具 有 重 要 的 意 义。 - 在 虚 拟 现 实 的 各 种 反 馈 信 息 中， 视 觉 反 馈 是 最 重 要 的。 它 要 求 在 人 的 头 部 移 动 造 成 视 点 变 化 时， 虚 拟 环 境 中 的 复 杂 场 景 也 必 须 能 随 着 视 点 的 变 化 而 变 化。 可 以 毫 不 夸 张 地 说， 复 杂 场 景 的 实 时 动 态 显 示 是 实 现 虚 拟 现 实 的 最 重 要 基 础。 当 然， 为 了 构 造 一 个 沉 浸 式 的 虚 拟 环 境， 听 觉、 触 觉 也 是 不 可 少 的。 因 此， 虚 拟 现 实 技 术 必 将 促 进 计 算 机 图 形 学 及 可 视 化 技 术 各 子 领 域 的 快 速 发 展。