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1、 毕 业 设 计 （论 文）课题名称： 计算机图形学 指导教师： * 系 别： 电子信息系 专 业： 计算机网络技术 班 级： 计算机网络一班 姓 名： *88 计算机图形学目录第一章 前言1第二章 发展简史2第三章 计算机图形学中运用到的技术算法23.1 OPENGL 实现2D/3D图形算法23.2 二维图形变换23.3 三维图形变换23.4 贝塞尔（Bezier）曲线算法23.5纹理映射2第四章 应用及前沿44.1 智能CAD44.2 计算机辅助设计与制造44.3 计算机动画艺术44.4 计算机可视化44.5 虚拟现实44.6 用户接口4第五章 发展趋势55.1与图形硬件的发展紧密结合，突
2、破实时高真实感、高分辨率渲染的技术难点图形渲染是整个图形学发展的核心55.2研究和谐自然的三维模型建模方法55.3利用日益增长的计算性能，实现具有高度物理真实的动态仿真55.4研究多种高精度数据获取与处理技术，增强图形技术的表现55.5计算机图形学与图像视频处理技术的结合55.6 从追求绝对的真实感向追求与强调图形的表意性转变5第六章 对计算机图形学的认识13致谢14参考文献14一、前言计算机图形学(Computer Graphics，简称CG)是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说，计算机图形学的主要研究内容就是研究如何在计算机中表示图形、以及利用计算
3、机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。计算机图形学作为计算机科学与技术学科的一个独立分支已经历了近40年的发展历程。一方面,作为一个学科,计算机图形学在图形基础算法、图形软件与图形硬件三方面取得了长足的进步,成为当代几乎所有科学和工程技术领域用来加强信息理解和传递的技术和工具。计算机图形学在我国虽然起步较晚,然而它的发展却十分迅速。我国的主要高校都开设了多门计算机图形学的课程,并有一批从事图形学基础和应用研究的研究所。在浙江大学建立的计算机辅助与图形学国家重点实验室,已成为我国从事计算机图形学研究的重要基地之一。 二计算机图形学的发展简史计算机图形学的研究起源于麻省理工学院。从50年代
4、初到60年代中，麻省理工学院积极从事现代计算机辅助设计制造技术的开拓性研究。1952年在它的伺服构实验室里诞生了世界上第一台数控铣床的原型。1957年美国空军将第一批三坐标数控铣床装备了飞机工厂。大型精密数控绘图机也同时诞生。接着麻省理工学院发展了APT数控加工自动编程语言，这是目前国际上最通用的加工编程工具。1964年孔斯（Steve Coons）在这里提出了用小块曲面片组合表示自由型曲面时使曲面片边界上达到任意高次连续阶的理论方法，此方法得到工业界和学术界的极大推崇，称之为孔斯曲面。孔斯和法国雷诺汽车公司的贝齐埃（Pierre Bzier）并列被称为现代计算机辅助几何设计技术的奠基人。第一
5、台光笔交互式图形显示器1962年在麻省理工学院林肯实验室研制成功，这是Lvan Sutherland以博士论文形式完成的研究课题。在美国工业界，研制交互图形显示器的工作也在平行开展。其中最重要的是IBM公司。在1964年秋它推出了自己的设计方案。以后经过改进，成为IBM 2250显示器。这是IBM计算机上正式提供工业界使用的第一代刷新式随机扫描图形终端。它使用光笔作为交互输入手段，并且配有一组32个功能键，以便调用程序中的相应功能模块。洛克希德飞机公司利用IBM 2250开发的CADAM绘图加工系统，从1974年起向外界转让，成为IBM主机上目前应用最广的CADCAM软件。IBM 2250在1
6、978年前后改型为IBM 3250，但在原理上并无明显变化。1984年又改型为IBM 5080，采用光栅扫描技术，带彩色，有局部处理能力，并可以用旋钮直接放大、平移、旋转画面。光笔也改为电笔，与输入板配合使用，并操纵屏面上的光标。60年代末、70年代初，美国Tektronix公司发展了存贮管技术。显示器型号先后有4006，4010，4012等。Tektronix 4014曾经是70年代末CAD和工程分析中应用最广的图形终端。它的屏面尺寸是19英寸，画面线条清晰，分辨率可以达到40963072，价格不到刷新式同类显示器的一半。一次输入显示命令后可以保留画面一小时，因此编程简单，复杂的画面不会象刷
7、新式显示器那样出现闪烁。它的缺点是不能局部动态修改显示画面。光栅扫描型显示器采用电视机的类似工作原理，最初主要用作图象处理。屏面象素的分辨率不很高，大多用512512，但是色彩层次十分丰富，可以高24个二进制位，即红绿蓝三原色各占8位，各有28256种层次，最终组合成224种色彩或灰度等级。当分辨率低时，这类显示器显示线条的效果不很好，有明显的锯齿形，而且要作向量到点阵的相互转换，交互响应速度受到一定影响。图形显示缓冲器占用的存贮量大。到了80年代初，个人计算机象Apple，IBMPC以及Apollo，SUN等工程工作站问世，并迅速得到广大用户的欢迎，销售量激增。在这些设计中，主机和图形显示器
8、融为一体，都用光栅扫描型显示，并呆以同时生成高质量的线型图和逼真的彩色明暗图。由于大规模集成电路技术的发展和专用图形处理芯片的出现，使得光栅扫描型显示的质量越来越好，价格越来越低，现已成为图形显示器的当前常规形式。在工程设计中，联网的分布式工作站的应用也正在逐渐取代分时形式的大型主机连接几十个图形终端的结构。在图形显示技术发展的里程碑中，需要提出两家公司的产品，这就是Evans & Sutherland公司的PS300型和Silicon Graphicsr的IRIS型。它们采用了新的体系结构来提高图形的处理速度，在某种程度上达到了实时的要求。Evans 和Sutherland都是知名的计算机图
9、形学专家。后者就是前面提到的光笔图形系统的研制人。PS 300脱离了传统的冯诺依曼机结构，不是逐条执行操作命令，而是采用数据驱动式原理。各个操作的执行次序取决于数据的到达时刻。当一次操作所需的全部输入数据都已齐备时，操作便启动执行。这样可以方便地组织并行处理。图形处理中的矩阵运算和其它基本算法使用三个位片处理机组成流水线，使得屏面上显示的线框图可以用旋钮实时旋转、平移和放大缩小，并且快速显示运动机构的动作过程，以便从不同角度观察各个元件间的协调关系。三维物体轮廓线的显示亮度可以随距离远近而变化，离眼睛越远的部分线条越淡，这样则可更好的体现出立体图的真实感。数字成象的一般处理过程是：（1）建立模
10、拟对象的几何模型，按照需要的逼近精度将模型简化为平面多面体。不少系统为了简化和统一运算过程，还进一步将多面体的各个棱面分解为三角形单元。（2）将单个物体进行组装，施加平移、旋转和比例变换，形成整个模拟环境。（3）确定观察点位置，作出显示对象的透视变换。（4）确定显示范围，相当于照相中的取景。窗口的有效范围用上下、左右、前后六个平面规定。将所有准备输出的图元都与窗口范围进行比较，裁剪出落在窗口有效边界以内的部分。（5）确定图形显示器屏面上的显示范围（称作视区），将用户定义的三维空间（称作世界坐标系）内的物体映射到显示器的屏坐标系中。（6）计算各单元三角形的法向矢量，根据光照模型确定可见三角形表面
11、的亮度和色彩。（7）显示所有可见的三角形单元。美国的J.H.Clark 从1979至1981年在斯坦福大学计算机系统实验室试用专用的浮点运算器组成流水线来完成上述过程。他将这类专用处理器称为几何机器。Silicon Graphics 公司的IRIS工作站就是采用上述工作原理的工业产品。此后，其它公司也纷纷效仿。这种持续不断的提高显示画面质量和加快交互呼应速度的努力将会继续进行，必将进一步推动计算机图形学技术的飞速发展。三、计算机图形学中运用到的技术算法(1)、OpenGL 实现2D/3D 图形的算法OpenGL（全写Open Graphics Library）是个定义了一个跨编程语言、跨平台的
12、编程接口的规格，它用于三维图象（二维的亦可）。OpenGL是个专业的图形程序接口，是一个功能强大，调用方便的底层图形库。OpenGL是个与硬件无关的软件接口，可以在不同的平台如Windows 95、Windows NT、Unix、Linux、MacOS、OS2之间进行移植。因此，支持OpenGL的软件具有很好的移植性，可以获得非常广泛的应用。由于OpenGL是图形的底层图形库，没有提供几何实体图元，不能直接用以描述场景。但是，通过一些转换程序，可以很方便地将AutoCAD、3DS/3DSMAX等3D图形设计软件制作的DXF和3DS模型文件转换成OpenGL的顶点数组。OpenGL是一个开放的三
13、维图形软件包，它独立于窗口系统和操作系统，以它为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植；OpenGL可以与Visual C+紧密接口，便于实现机械手的有关计算和图形算法，可保证算法的正确性和可靠性；OpenGL使用简便，效率高。它具有一下功能：1.建模：OpenGL图形库除了提供基本的点、线、多边形的绘制函数外，还提供了复杂的三维物体（球、锥、多面体、茶壶等）以及复杂曲线和曲面绘制函数。2.变换：OpenGL图形库的变换包括基本变换和投影变换。基本变换有平移、旋转、变比镜像四种变换，投影变换有平行投影（又称正射投影）和透视投 影两种变换。3.颜色模式设置：OpenGL颜色模式有两种，
14、即RGBA模式和颜色索引（Color Index）。4.光照和材质设置：OpenGL光有辐射光（Emitted Light）、环境光（Ambient Light）、漫反射光（Diffuse Light）和镜面光（Specular Light）。材质是用光反射率来表示。5:纹理映射（Texture Mapping）。利用OpenGL纹理映射功能可以十分逼真地表达物体表面细节。此外，利用OpenGL还能实现深度暗示（Depth Cue）、运动模糊（Motion Blur）等特殊效果。从而实现了消隐算法。(2)、二维图形变换图形的几何变换一般是指对图形的几何信息经过变换后产生新的图形，图形几何变换既
15、可以看作是坐标系不动而图形变动，变动后的图形在坐标系中的坐标值发生变化；出可以看作图形不动而坐标系变动，变动后的图形在新坐标系下具有新的坐标值。基本的变换有：平移、旋转、缩放等。计算机图形学中基本的二维图形的几何变换算法， (3)、三维图形变换三维图形的基本变换有：三维比例变换、三维对称变换、三维错切变换、三维平移变换、三维选装变换。和二维图形一样，用适当的变换矩阵也可以对三维图形进行各种几何变换。对三维空间的点如（x，y，z），可用齐次坐标表示为（x，y，z，1），或（X，Y，Z，H），因此，三维空间里的点的变换可写为 其中M是4X4阶变换矩阵，即： (4)、贝塞尔（Bezier）曲线算法B
16、ezier曲线是以逼近为基础的参数多项式曲线。在空间给定n+1个控制点，其位置矢量表示为Pi(i=0,1,n)，n次的Bezier曲线可以写为：伯恩斯坦基函数：(5)、纹理映射理映射技术用于生成物体表面的纹理细节，是真实感图形技术的重要组成部分，也是计算机图形学的一个重要研究内容。纹理给物体提供了丰富的细节，用简单的方式模拟出了复杂的外观。一个图像（纹理）被贴(映射)到场景中的一个简单形体上，就像印花贴到一个平面上一样。第一步:定义纹理对象 coast int TexNumber4; GLuint mes TextureTexNumber; /定义纹理对象数组 第二步:生成纹理对象数组 glG
17、enTextures(TexNumber,m Texture); 第三步:通过使用glBindTexture选择纹理对象，来完成该纹理对象的定义。 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:在绘制景物之前通过glBindTexture，为该景物加载相应的纹理。 glBindTe
18、xture(GLes TEXTURE_2D,mse Texture0); 第五步:在程序结束之前调用glDeleteTextures删除纹理对象。 glDeleteTextures(TexNumber, mee Texture); 这样就完成了全部纹理对象的管理和使用。四应用及发展前沿4.1 智能CADCAD 的发展也显现出智能化的趋势，就目前流行的大多数CAD 软件来看，主要功能是支持产品的后续阶段一一工程图的绘制和输出，产品设计功能相对薄弱， 利用AutoCAD 最常用的功能还是交互式绘图，如果要想进行产品设计， 最基本的是要用其中的AutoLisp语言编写程序，有时还要用其他高级语言协助
19、编写，很不方便。而新一代的智能CAD 系统可以实现从概念设计到结构设计的全过程。例如，德国西门子公司开发的Sigraph Design软件可以实现如下功能： 从一开始就可以用计算机设计草图，不必耗时费力的输入精确的坐标点，能随心所欲的修改，一旦结构确定，给出正确的尺寸即得到满意的图纸； 这个软件中具有关系数据结构， 当你改变图纸的局部，相关部分自动变化，在一个视图上的修改，其他视图自动修改，甚至改变一个零件图，相关的其它零件图以及装配图的相关部分自动修改： 在各个专业领域中，有一些常用件和标准件， 因此，希望有一个参数化图库。而Sigraph不用编程只需画一遍图就能建成自己的图库；Sigrap
20、h还可以实现产品设计的动态模拟用于观察设计的装置在实际运行中是否合理等等。智能CAD的另一个领域是工程图纸的自动输入与智能识别，随着CAD技术的迅速推广应用，各个工厂、设计院都需将成千上万张长期积累下来的设计图纸快速而准确输入计算机，作为新产品开发的技术资料。多年来，CAD 中普遍采用的图形输入方法是图形数字化仪交互输入和鼠标加键盘的交互输入方法很难适应工程界大量图纸输入的迫切需要。因此， 基于光电扫描仪的图纸自动输入方法已成为国内外CAD工作者的努力探索的新课题。但由于工程图的智能识别涉及到计算机的硬件、计算机图形学、模式识别及人工智能等高新技术内容，使得研究工作的难点较大。工程图的自动输入
21、与智能识别是两个密不可分的过程，用扫描仪将手绘图纸输入到计算机后，形成的是点阵图象 CAD 中只能对矢量图形进行编辑， 这就要求将点阵图像转化成矢量图形而这些工作都让计算机自动完成这就带来了许多的问题如 图像的智能识别； 字符的提取与识别； 图形拓扑结构的建立与图形的理解；实用化的后处理方法等等。国家自然科学基金会和863计划基金都在支持这方面的研究， 国内外已有一些这方面的软件付诸实用，如美国的RVmaster，德国的VPmax， 以及清华大学，东北大学的产品等。但效果都不很理想还未能达到人们企盼的效果。4.2 计算机辅助设计与制造CAD/CAU是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域
22、。计算机图形学被用来进行土建工程、机械结构和产品的设计,包括设计飞机、汽车、船舶的外形和发电厂、化工厂等的布局以及电子线路、电子器件等。有时,着眼于产生工程和产品相应结构的精确图形,然而更常用的是对所设计的系统、产品和工程的相关图形进行人机交互设计和修改,经过反复的迭代设计,便可利用结果数据输出零件表、材料单、加工流程和工艺卡,或者数据加工代码的指令。在电子工业中,计算机图形学应用到集成电路、印刷电路板、电子线路和网络分析等方面的优势是十分明显的。一个复杂的大规模或超大规模集成电路板图根本不可能用手工设计和绘制,用计算机图形系统不仅能进行设计和画图,而且可以在较短的时间内完成,把其结果直接送至
23、后续工艺进行加工处理。在飞机工业中,美国波音飞机公司已用有关的系统实现波音777飞机的整体设计和模拟,其中包括飞机外型、内部零部件的安装和检验。随着计算机网络的发展,在网络环境下进行异地异构系统的协同设计,已经成为领域最热门的课题之一。现代产品设计已不再是一个设计领域内孤立的技术问题,而是综合了产品各个相关领域、相关过程、相关技术资源和相关组织形式的系统化工程。它要求设计团队在合理的组织结构下,采用群体工作方式来协调和综合设计者的专长,并且从设计一开始就考虑产品生命周期的全部因素,从而达到快速响应市场需求的目的,协同设计的出现使企业生产的时空观发生了根本的变化。使异地设计、异地制造、异地装配成
24、为可能,从而为企业在市场竞争中赢得了宝贵的时间。领域另一个非常重要的研究领域是基于工程图纸的三维形体重建。三维形体重建就是从二维信息中提取三维信息,通过对这些信息进行分类、综合等一系列处理,在三维空间中重新构造出二维信息所对应的三维形体,恢复形体的点、线、面及其拓扑关系,从而实现形体的重建。二维图纸设计在工程界中仍占有主导地位,工程上有大量的旧的透视图和投影图片可以利用、借鉴,许多新的设计可凭借原有的设计基础做修改即可完成。同时三维几何造型系统,因为可以做装配件的干涉检查以及有限元分析、仿真、加工等后续操作,代表技术的发展方向。目前主要的三维形体重建算法是针对多面体和对主轴方向有严格限制的二次
25、曲面体的。任意曲面体的三维形体重建,至今仍是一个未解决的世界难题。4.3 计算机动画艺术计算机动画技术的发展是和许多其它学科的发展密切相关的。计算机图形学、计算机绘画、计算机音乐、计算机辅助设计、电影技术、电视技术、计算机软件和硬件技术等众多学科的最新成果都对计算机动画技术的研究和发展起着十分重要的推动作用50年代到60年代之间，大部分的计算机绘画艺术作品都是在打印机和绘图仪上产生的。直到60年代后期，才出现利用计算机显示点阵的特性，通过精心地设计图案来进行计算机艺术创造的活动。70年代开始计算机艺术走向繁荣和成熟 1973 年，在东京索尼公司举办了“首届国际计算机艺术展览会”80年代至今，计
26、算机艺术的发展速度远远超出了人们的想象 在代表计算机图形研究最高水平的历届SIGGRAPH年会上，精彩的计算机艺术作品层出不穷。另外，在此期间的奥斯卡奖的获奖名单中，采用计算机特技制作电影频频上榜，大有舍我其谁的感觉。在中国，首届计算机艺术研讨会和作品展示活动于1995年在北京举行 它总结了近年来计算机艺术在中国的发展，对未来的工作起到了重要的推动作用。计算机动画的一个重要应用就是制作电影特技 可以说电影特技的发展和计算机动画的发展是相互促进的。1987年由著名的计算机动画专家塔尔曼夫妇领导的MIRA 实验室制作了一部七分钟的计算机动画片相会在蒙特利尔 再现了国际影星玛丽莲•梦露的
27、风采。1988年，美国电影谁陷害了兔子罗杰” (Who Framed Roger Rabbit?)中二维动画人物和真实演员的完美结合，令人膛目结舌、叹为观止 其中用了不少计算机动画处理1991年美国电影终结者II：世界末日展现了奇妙的计算机技术。此外，还有侏罗纪公园(Jurassic Park)、狮子王、玩具总动员(Toy Story)等。我国的计算机动画技术起步较晚。1990年的第11届亚洲运动会上，首次采用了计算机三维动画技术来制作有关的电视节目片头。从那时起，计算机动画技术在国内影视制作方面得到了讯速的发展， 继而以3D Studio 为代表的三维动画微机软什和以Photostyler、
28、Photoshop等为代表的微机二维平面设计软件的普及，对我国计算机动画技术的应用起到了推波助谰的作用。计算机动画的应用领域十分宽广 除了用来制作影视作品外， 在科学研究、视觉模拟、电子游戏、工业设计、教学训练、写真仿真、过程控制、平面绘画、建筑设计等许多方面都有重要应用，如军事战术模拟4.4 科学计算可视化科学技术的迅猛发展,数据量的与日俱增使得人们对数据的分析和处理变得越来越难,人们无法从数据海洋中得到最有用的数据,找到数据的变化规律,提取最本质的特征。但是如果能将这些数据用图形的形式表示出来,情况就不一样了,事物的发展趋势和本质特征将会很清楚地呈现在人们面前。1986年,美国科学基金会(
29、NSF)专门召开了一次研讨会,会上提出了“科学计算可视化”。第二年,美国计算机成像专业委员会向NSF提交了“科学计算可视化的研究报告”后,VISC就迅速发展起来了。目前科学计算可视化广泛应用于医学、流体力学、有限元分析、气象分析当中。尤其在医学领域,可视化有着广阔的发展前途。依靠精密机械做脑部手术已经由机械人和医学专家配合做远程手术是目前医学上很热门的课题,而这些技术的实现的基础则是可视化。可视化技术将医用CT扫描的数据转化为三维图像,使得医生能够看到并准确地判别病人的体内的患处,然后通过碰撞检测一类的技术实现手术效果的反馈,帮助医生成功完成手术。从目前的研究状况来看,这项技术还远未成熟,离实
30、用还有一定的距离。主要难点在于生成人体内漫游图像的三维体绘制技术还没有达到实时的程度,而且现在大多的体绘制技术是基于平行投影,而漫游则需要真实感更强的透视投影技术,然而体绘制的透视投影技术到目前还没有很好地解决。另概括起来有外在漫游当中还要根据图像区分出不同的体内组织,这项技术叫Segmentation。目前的Segmentation主要是靠人机交互来完成,远未达到自动实时的地步。4.5 虚拟现实“虚拟现实”(Virbual ReMity)- 词是由美国喷气推动实验室(VPL)的创始人拉尼尔(Jaron Lanier)首先提出的，在克鲁格(Myren Kruege070年代中早期实验里被称为人
31、工现实”(Afitifi Cial realioy)；而在吉布森(WiUian Gibson)l984 年出版的科幻小说Neuremanccr里，又被称为“可控空间”(Cyberspaee)。虚拟现实， 也育人称之为虚拟环境(Virtual Environment)是美国国家航空和航天局及军事部门为模拟而开发的一门高新技术 它利用计算机图形产生器，位置跟踪器， 多功能传感器和控制器等有效地模拟实际场景和情形，从而能够使观察者产生一种真实的身临其境的感觉虚拟环境由硬件和软件组成，硬件部分主要包括：传感器(Sensors)、印象器和连接传感器与印象器以产生模拟物理环境的特殊硬件。利用虚拟现实技术产
32、。利用虚拟现实技术产生虚拟现实环境的软件需完成以下三个功能：建立作用器(Actors)以及物体的外形和动力学模型：建立物体之间以及周围环境之间接照牛顿运动定律所决定的相互作用；描述周围环境的内容特性，虚拟现实技术主要应用于脑外科规划的双手操作空间接口工具，恐高症治疗、虚拟风洞、封闭式战斗作战训练器、建筑设计、总之虚拟现实技术是一门多学科交叉和综合集成的新技术。因此， 它的发展将取决于相关科学技术的发展和进步 虚拟现实技术最基本的要求就是反映的实时性和场景的真实性。但一般来说，实时性与真实性往往是相互矛盾的。4.6 用户接口用户界面是计算机系统中人与计算机之间相互通讯的重要组成部分。八十年代以W
33、IMP(窗口、图符、菜单、鼠标)为基础的图形用户界面(GUD极大地改善了计算机的可用性、可学性和有效性，迅速代替了命令行为代表的字符界面，成为当今计算机用户界面的主流。以用户为中心的系统设计思想增进人机交互的自然性，提高人机交互的效率和带宽是用户界面的研究方向。于是提出了多通道用户界面的思想，它包括语言、姿势输入、头部跟踪、视觉跟踪、立体显示、三维交互技术、感觉反馈及自然语言界面等。可以这样说人体的表面就是人机界面。人体的任何部分都应成为人机对话的通道。虚拟现实显示是关键所在，这不仅要求软件来实现，更主要的是硬件上的实现。概括起来虚拟现实的人机交互通道可分为两个方面：主要的感觉通道和主要作用通
34、道。多通道用户界面强调：(1)多个交互通道，如眼一语言一手势等。(2)交互的双向性如果每个通道兼有输入输出(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显的区别。眼永远是主动的， 即主动地去获取信息，耳永远是被动的，有些信息不管你愿不愿听，总要输到耳朵中，这就要求在具体的交互中具体选择交互通道。计算机图形学中各个领域的发展各有各自的特点， 但总起来说是以虚拟现实为导向和目的的。虚拟现实的发展要求必将带动计算机图形学各学科的发展 同样虚拟现实的发展也将依赖于其他学科的发展，计算机图形前景诱人 形势逼人(我国还比较落后)，但通过努力还是可以缩短差距的。五计算机图形学的发展趋势
35、5.1与图形硬件的发展紧密结合，突破实时高真实感、高分辨率渲染的技术难点图形渲染是整个图形学发展的核心。在计算机辅助设计，影视动漫以及各类可视化应用中都对图形渲染结果的高真实感提出了很高的要求。同时，由于显示设备的快速发展，人们要求能提供高清分辨率（1920x1080），进一步要能达到数字电影所能播放的4K分辨率(4096x2060)；色彩的动态范围也希望从原来每个通道的8Bit提高到10bit及以上。虽然已有的图形学方法已经能较为真实地再现各类视觉效果，然而为了能提供高分辨率高动态的渲染效果，必须消耗非常可观的计算能力。一帧精美的高清分辨率图像，单机渲染往往需要耗费数小时至数十小时。为此，传
36、统方法主要采用分布式系统，将渲染任务分配到集群渲染节点中。即使这样，也需要使用上千台计算机，耗费数月时间才能完成一部标准90分钟长度的影片渲染。近10年来，基于GPU的图形硬件技术得以发展迅速，已经能在一个GPU芯片上采用64nm工艺集成上千个采用SIMD（单指令多数据流）架构的通用计算核心。而2009年底，主流图形硬件商nVidia和AMD以及Intel还会推出基于MIMD（多指令多数据流）计算核心的GPU芯片用于图形加速绘制，以支持DirectX 11以及OpenGL 3.0图形标准。最新的图形学研究，采用GPU技术可以充分利用计算指令和数据的并行性，已可在单个工作站上实现百倍于基于CPU
37、方法的渲染速度。然而已知的实现方法，其实现效果还较为初步，无法实现复杂的视觉特效，离实时的高真实感渲染还有很大差距。其主要原因是：（i）缺乏良好的数据组织方法，基于GPU方法由于硬件的架构原因，数据组织无法如同CPU方法一样的组织，因此对复杂的数据结构仍无法得到很好地支持。（ii）缺乏标准高效的GPU高层编程语言、编译器以及相应调试工具,（iii）由于以上两个问题，无法完整地实现适于电影渲染制作的RenderMan标准，以及其他各类基于物理真实感的渲染算法。因此，如何充分利用GPU的计算特性，结合分布式的集群技术，解决以上这些难题，从而来构造低功耗的渲染服务是图形学的未来发展趋势之一。 5.2
38、研究和谐自然的三维模型建模方法三维模型建模方法是计算机图形学的重要基础，是生成精美的三维场景和逼真动态效果的前提。然而，传统的三维模型方法，由于其主要思想方法来源于CAD中基于参数式调整的形状构造方法，建模效率低而学习门槛高，不易于普及和让非专业用户使用。而随着计算机图形技术的普及和发展，各类用户都提出了高效的三维建模需求，因此研究和谐自然的三维建模方法是目前发展的一个重要趋势。采用合适的交互手段，来进行三维模型的快速构造，特别是应用于概念设计和建筑设计领域目前已引起了国际同行的广泛关注。由于笔式或草图交互方式，非常符合人类原有日常生活中的思考习惯，是目前研究的重点问题。其难点是根据具体的应用
39、领域，与视觉方法相融合，如何设计合理的交互语汇以及对应的过程式“识别-构造”方法。与此相关的一个问题是基于规则的过程式建模方法。目前由于Google Earth等数字地图信息系统的广泛应用，对于地图之上的建筑物信息等存在迫切需求。为此，研究者希望通过激光扫描或者视频等获取方式获得相关信息后能迅速地重建出相关三维模型信息。然而单纯的重建方式存在精度低、稳定性差和运算量大等不足，远未能满足实际的需求。因此，最近的研究中，倾向于采用基于规则的过程式建模方法相结合来尝试高效地构造出三维建筑模型，以及相关的树木等结构化场景。三维建模方法中的另一主要问题是研究合适的曲面表达方法，以适于各类图形学的应用。在
40、CAD的主流方法是采用NURBS（非均匀有理B-样条）方法，然而此类方法无法很好解决非正规情况下的曲面拼合，不甚适合于图形学。为此，细分曲面方法，作为一种离散迭代的曲面构造方法，由于其构造过程朴素简单以及实现容易，是一个方兴未艾的研究热点，而且极有可能逐步取代NURBS方法。目前主要需要解决的问题有：（i）奇异点处的C2连续性的有效构造方法；(ii)与GPU图形硬件相结合的曲面处理方法。5.3利用日益增长的计算性能，实现具有高度物理真实的动态仿真高度物理真实感的动态模拟，包括对各种形变、水、气、云、烟雾、燃烧、爆炸、撕裂、老化等物理现象的真实模拟，是计算机图形学一直试图达到的目标。这一技术是各
41、类动态仿真应用的核心技术，可以极大地提高虚拟现实系统的沉浸感。然而高度物理真实性模拟，主要受限于目前计算机的处理能力和存储容量限制，不能处理很高精度的模拟，也无法做到很高的响应速度。所幸的是，GPU技术带来了革新这一技术的可能。充分利用GPU硬件内部的并行性，研究者开始普遍关注基于GPU的各类数学物理方程求解极其相关的有限元加速计算方法。就目前而言，主要研究关注焦点还是单个物理方法的GPU实现。然而，最近随着nVidia推出了基于GPU的PhysX通用物理加速技术，以及Havok公司与AMD合作开发了通用物理中间件技术，相信未来可为高度物理真实的动态模拟提供新的研究机遇。5.4研究多种高精度数
42、据获取与处理技术，增强图形技术的表现真实感的画面与逼真动态效果，一种有效的解决途径是采用各种高精度手段获取所需的几何、纹理以及动态信息。为此，研究者正在考虑对各个尺度上的信息进行获取。小到物体表面的微结构、纹理属性和反射属性通过研制特殊装置予以捕获与处理，或采用一组同摄像机来获取演员的几何形体与动态，大到采用激光扫描获取整幢建筑物的三维数据。这里主要研究的三个问题是：（a）图形获取设备的设计与实现，这是与计算机视觉、硬件、软件相关的系统工程研究问题；（b）由于一般获取的数据均极为庞大且附加了各种噪声与冗余信息，如何进行处理与压缩以适合于图形学应用是主要问题；（c）一旦获取相关的数据，如何进行重
43、用是一个主要课题，因此使得基于数据驱动的方法，与机器学习相交叉的图形学方法是最近的研究热点。5.5计算机图形学与图像视频处理技术的结合家用数字相机和摄像机的日益普及，对于数字图像与视频数据处理成为了计算机研究中的热点问题。而计算机图形学技术，恰可以与这些图像处理，视觉方法相交叉融合，来直接地生成风格化的画面，实现基于图像三维建模，以及直接基于视频和图像数据来生成动画序列。当计算机图形学正向地图像生成方法和计算机视觉中逆向地从图像中恢复各种信息方法相结合，可以带来无可限量的想象空间，构造出很多视觉特效来，最终用于增强现实、数字地图、虚拟博物馆展示等多种应用中去。5.6 从追求绝对的真实感向追求与
44、强调图形的表意性转变计算机图形学在追求真实感方向的研究发展已进入一个发展的平台期，基本上各种真实感特效在不计较计算代价的前提下均能较好得以重现。然而，人们创造和生成图片的终极目的不仅仅是展现真实的世界，更重要的是表达所需要传达的信息。例如，在一个所需要描绘的场景中每个对象和元素都有其相关需要传达的信息，可根据重要度不同可采用不同的绘制策略来进行分层渲染再加以融合，最终合成具有一定表意性的图像。为此，研究者已经开始研究如何与图像处理、人工智能、心理认知等领域相结合，探索合适表意性图形生成方法。而这一技术趋势的兴起，实际上延续了已有的非真实感绘制研究中的若干进展，必将在未来有更多的发展。六、对计算
45、机图形学的认识经过了一阶段计算机图形学的学习，对于图形学中基本图形的生成算法有了一定的了解。深度研究图形学，需要高深的数学知识，且每一个细化的方向需要的知识也不一样。图形学是计算机科学与技术学科的活跃前沿学科，被广泛的应用到生物学、物理学、化学、天文学、地球物理学、材料科学等领域。我深深感到这门学科涉及的领域之广是惊人的，可以说博大精深。在这个计算机的时代什么都要用到计算机技术，图形也是我们生活中重要的部分，所以我们得好好学好图形学。致谢论文和设计完成的前提是老师给予我悉心的关怀与指导。在此表示衷心地感谢。老师认真负责的工作态度、严谨的治学风格，使我深受启发；开发的同时，和同学们之间的相互探讨也使我获益匪浅。所以我再次感谢徐老师和我的队友们。参考文献1 计算机图形学基础陆枫，何云峰编著 -2版 -北京：电子工业出版社；2008.10 高等学校规划教材2 常进；OpenGL机载图形生成算法的研究D；上海交通大学；2007年3 罗振东，计算机图示学原理和方法，1993年
