計(jì)算機(jī)圖形學(xué)學(xué)習(xí)的心得體會(huì)

對計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程學(xué)習(xí)的心得體會(huì)

通過一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)，了解了什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、什么是圖形API、為什么需要計(jì)算

機(jī)圖形學(xué)以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)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)，研究的是應(yīng)用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生圖像的所有工作，不管圖像是靜態(tài)的還是動(dòng)態(tài)的，可交互的還是固定的，等等。圖形API是允許程序員開發(fā)包含交互式計(jì)算機(jī)圖形操作的應(yīng)用而不需要關(guān)注圖形操作細(xì)節(jié)或任務(wù)系統(tǒng)細(xì)節(jié)的工具集。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，包括物理、航天、電影、電視、游戲、藝術(shù)、廣告、通信、天氣預(yù)報(bào)等幾乎所有領(lǐng)域都用到了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的知識，這些領(lǐng)域通過計(jì)算機(jī)圖形學(xué)將幾何模型生成圖像，將問題可視化從而為各領(lǐng)域更好的服務(wù)。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生讓人賞心悅目的視覺效果，必須建立描述圖形的幾何模型還有光照模型，再加上視角、顏色、紋理等屬性，再經(jīng)過模型變換、視圖變換、投影操作等，通過這些步驟從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的OpenGL程序效果。OpenGL是一個(gè)開放的三維圖形軟件包，它獨(dú)立于窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，以它為基礎(chǔ)開發(fā)的應(yīng)用程序可以十分方便地在各種平臺間移植。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)通過應(yīng)用OpenGL的功能，使得生成的圖形效果具有高度真實(shí)感。學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的重點(diǎn)是掌握OpenGL在圖形學(xué)程序中的使用方法。

21世紀(jì)是信息的時(shí)代，在日新月異的科技更新中相信計(jì)算機(jī)會(huì)發(fā)揮越來越重要的作用，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)也會(huì)在更多的領(lǐng)域所應(yīng)用，雖然我國在這方面還比較薄弱，但相信會(huì)有越來越好的時(shí)候的。

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計(jì)算機(jī)圖形學(xué)學(xué)習(xí)心得體會(huì)

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)與技術(shù)班

學(xué)號：

1.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（ComputerGraphics，簡稱CG），狹義上是一種研究基于物理定律、經(jīng)驗(yàn)方法以及認(rèn)知原理，使用各種數(shù)學(xué)算法處理二維或三維圖形數(shù)據(jù)，生成可在計(jì)算機(jī)等顯示設(shè)備上顯示的可視化數(shù)據(jù)的科學(xué)。它是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支領(lǐng)域與應(yīng)用方向。廣義上來看，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)不僅包含了從三維圖形建模、繪制，到生成動(dòng)畫的過程，同時(shí)也包含了對二維矢量圖形以及圖像視頻融合處理的研究。

2.研究內(nèi)容

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容非常廣泛，如圖形硬件、圖形標(biāo)準(zhǔn)、圖形交互技術(shù)、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實(shí)體造型、真實(shí)感圖形計(jì)算與顯示算法、非真實(shí)感繪制，以及科學(xué)計(jì)算可視化、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等。

簡單地說，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究內(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。圖形通常由點(diǎn)、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(shù)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(shí)感圖形。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)一個(gè)主要的目的就是要利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生令人賞心悅目的真實(shí)感圖形。為此，必須建立圖形所描述的場景的幾何表示，再用某種光照模型，計(jì)算在假想的光源、紋理、材質(zhì)屬性下的光照明效果。所以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與另一門學(xué)科計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)有著密切的關(guān)系。事實(shí)上，圖形學(xué)也把可以表示幾何場景的曲線曲面造型技術(shù)和實(shí)體造型技術(shù)作為其主要的研究內(nèi)容。同時(shí)，真實(shí)感圖形計(jì)算的結(jié)果是以數(shù)字圖像的方式提供的，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)也就和圖像處理有著密切的關(guān)系。

具體來說計(jì)算機(jī)圖形學(xué)分為兩方面內(nèi)容，一是建模，二是變換，三是渲染。所謂建模，就是將一個(gè)現(xiàn)實(shí)中的物體或者想象出來的物體做成一個(gè)模型，使計(jì)算機(jī)能夠識別。所謂變換，就是將空間中的實(shí)體變換到屏幕上。所謂渲染，就是在屏幕上顯示出來一些場景。

1、建模

建模方面涉及的內(nèi)容相對較少，這部分主要是和數(shù)學(xué)有關(guān)。因?yàn)橛?jì)算機(jī)的基礎(chǔ)就是數(shù)學(xué)，計(jì)算機(jī)可識別的模型也即數(shù)學(xué)模型。

(1)模型的表示方法

模型表示方法有兩種，一種是用方程表示，一種是用實(shí)體造型表示。

方程表示主要包括常見的曲線曲面方程，BEZIER曲線曲面，B樣條曲線曲面和NURBS曲線曲面。

實(shí)體造型表示包括內(nèi)容挺多，如邊界表示，空間劃分表示，等等，很多。

總而言之，這一部分的主要任務(wù)是以某種形式將一個(gè)實(shí)體表示出來。

(2)多邊形網(wǎng)格

以某種形式將模型表示出來后，通常在三維圖形領(lǐng)域，模型并沒有真正的建立起來。通用的模型是多邊形網(wǎng)格形式的，于是需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

在上一步形成的圖形可表示出大量的點(diǎn)，這些點(diǎn)都是實(shí)體表面上的點(diǎn)。按照一定的順序?qū)Ⅻc(diǎn)連接起來，就得到實(shí)體輪廓，即多邊形網(wǎng)格。

通常采用三角形網(wǎng)格，為此需要對點(diǎn)進(jìn)行三角剖分。常采用delaunay三角剖分和隨機(jī)增量剖分。

(3)網(wǎng)格簡化

形成三角網(wǎng)格后，網(wǎng)格數(shù)量如果過多，需要對模型簡化，以降低渲染的負(fù)荷。在簡化的同時(shí)還要盡量不降低渲染的效果。通常有靜態(tài)網(wǎng)格簡化技術(shù)，細(xì)節(jié)層次技術(shù)，漸進(jìn)式網(wǎng)格模型表示等。

2、坐標(biāo)系變換

(1)觀察變換

這一部分是將空間物體從世界坐標(biāo)系變換到二維視區(qū)。因?yàn)槲矬w處于三維空間中，然而屏幕是以圖片的形式顯示的，即視區(qū)是二維的，這樣就需要這樣一個(gè)變換。包括如下三個(gè)步驟：

觀察變換：將實(shí)體從世界坐標(biāo)系變換到觀察坐標(biāo)系。

規(guī)范化變換：將觀察域規(guī)范化

視區(qū)變換：完成從觀察坐標(biāo)系到視區(qū)的映射。

(2)裁剪

裁剪是確定圖元是否落在某一區(qū)域。視區(qū)是有限的，在視區(qū)外的圖元不需要顯示在屏幕上。裁剪是在視區(qū)變換的過程中執(zhí)行。

裁剪算法很多，關(guān)于直線裁剪，有Cohen-Sutherland算法、Liang-Barsky算法，關(guān)于多邊形裁剪，有Sutherland-Hodgman算法、Weiler-Atherton算法。

3、渲染

渲染是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中最龐大的部分，這部分和計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、物理等多個(gè)學(xué)科都有聯(lián)系。

(1)光照和明暗處理

這部分研究的是光源發(fā)出的光打到實(shí)體表面產(chǎn)生的光照效果。于是需要研究如下內(nèi)容：

光照模型。即光源是什么樣的，發(fā)出什么樣的光。

明暗處理模型。即模型的表面是什么樣的，如何反射光。陰影屬于此部分

光線追蹤。一種計(jì)算光照效果的算法。

輻射度算法。另一種計(jì)算光照效果的算法。

即，這部分研究的主要內(nèi)容是：光源發(fā)出什么樣的光，物體對光如何反射，以及根據(jù)光源模型和明暗處理模型而產(chǎn)生的模擬光照效果的算法。

(2)顏色模型與著色

現(xiàn)實(shí)世界是繽紛多彩的，因此必須有多種顏色。顏色模型有多種，如CIE-XYZ色度圖，RGB顏色模型，CMY顏色模型，HSV顏色模型，HLS顏色模型等等。

選用某種特定的顏色模型，對實(shí)體進(jìn)行著色，是渲染的重要內(nèi)容，是增加渲染效果真實(shí)性的重要組成部分。

(3)可見面判定

圖形學(xué)模擬的是人眼看到的世界。對于一個(gè)實(shí)體，面對著我們的一側(cè)可以被看到，而實(shí)體的背部則不在視線范圍內(nèi)。不在視線范圍內(nèi)的部分稱為隱藏面。

可見面判定即確定哪些面可見，哪些面不可見。這里算法也比較多，涉及到Z緩沖器算法，曲面求交算法等等。

(4)紋理

為實(shí)體添加紋理，通常采用貼圖的形式，使實(shí)體更加真實(shí)。

下面簡紹計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在曲面造型技術(shù)中的應(yīng)用

曲面造型技術(shù)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，主要研究在計(jì)算機(jī)圖象系統(tǒng)的環(huán)境下對曲面的表示、設(shè)計(jì)、顯示和分析。第一論文范文網(wǎng)編輯。

它肇源于飛機(jī)、船舶的外形放樣工藝，經(jīng)三十多年發(fā)展，現(xiàn)在它已經(jīng)形成了以Bezier和B樣條方法為代表的參數(shù)化特征設(shè)計(jì)和隱式代數(shù)曲面表示這兩類方法為主體，以插值（Intmpolation）、擬合（Fitting）、逼近（Ap-proximation）這三種手段為骨架的幾何理論體系。隨著計(jì)算機(jī)圖形顯示對于真實(shí)性、實(shí)時(shí)性和交互性要求的日益增強(qiáng)，隨著幾何設(shè)計(jì)對象向著多樣性、特殊性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜性靠攏的趨勢的日益明顯，隨著圖形工業(yè)和制造工業(yè)邁向一體化、集成化和網(wǎng)絡(luò)化步伐的日益加快，隨著激光測距掃描等三維數(shù)據(jù)采樣技術(shù)和硬件設(shè)備的日益完善，曲面造型在近幾年來得到了長足的發(fā)展。1從研究領(lǐng)域來看，曲面造型技術(shù)已從傳統(tǒng)的研究曲面表示、曲面求交和曲面拼接，擴(kuò)充到曲面變形、曲面重建、曲面簡化、曲面轉(zhuǎn)換和曲面位差。曲面變形（DeformationorShapeBlending）：傳統(tǒng)的非均勻有理B樣條（NURBS）曲面模型，僅允許調(diào)整控制頂點(diǎn)或權(quán)因子來局部改變曲面形狀，至多利用層次細(xì)化模型在曲面特定點(diǎn)進(jìn)行直接操作；一些簡單的基于參數(shù)曲線的曲面設(shè)計(jì)方法，如掃掠法（Sweeping），蒙皮法（skinning），旋轉(zhuǎn)法和拉伸法，也僅允許調(diào)整生成曲線來改變曲面形狀。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫業(yè)和實(shí)體造型業(yè)迫切需要發(fā)展與曲面表示方式無關(guān)的變形方法或形狀調(diào)配方法，于是產(chǎn)生了自由變形（fFD）法，基于彈性變形或熱彈性力學(xué)等物理模型（原理）的變形法，基于求解約束的變形法，基于幾何約束的變形法等曲面變形技術(shù)和基于多面體對應(yīng)關(guān)系或基于圖象形態(tài)學(xué)中Minkowski和操作的曲面形狀調(diào)配技術(shù)。

2從表示方法來看，以網(wǎng)格細(xì)分（Sub-division）為特征的離散造型與傳統(tǒng)的連續(xù)造型相比，大有后來居上的創(chuàng)新之勢。而且，這種曲面造型方法在生動(dòng)逼真的特征動(dòng)畫和雕塑曲面的設(shè)計(jì)加工中如魚得水，得到了高度的運(yùn)用。

3在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM）的應(yīng)用

這是一個(gè)最廣泛，最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ComputerAidedDesign，CAD）是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)有力的計(jì)算功能和高效率的圖形處理能力，輔助知識勞動(dòng)者進(jìn)行工程和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與分析，以達(dá)到理想的目的或取得創(chuàng)新成果的一種技術(shù)。它是綜合了計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程設(shè)計(jì)方法的最新發(fā)展而形成的一門新興學(xué)科。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展是與計(jì)算機(jī)軟件、硬件技術(shù)的發(fā)展和完善，與工程設(shè)計(jì)方法的革新緊密相關(guān)的。采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已是現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)的迫切需要。CAD技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面，其主要在制造業(yè)中的應(yīng)用。CAD技術(shù)已在制造業(yè)中廣泛應(yīng)用，其中以機(jī)床、汽車、飛機(jī)、船舶、航天器等制造業(yè)應(yīng)用最為廣泛、深入。眾所周知，一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程要經(jīng)過概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化、仿真模擬等幾個(gè)主要階段。同時(shí)，現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)將并行工程的概念引入到整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，在設(shè)計(jì)階段就對產(chǎn)品整個(gè)生命周期進(jìn)行綜合考慮。當(dāng)前先進(jìn)的CAD應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)將設(shè)計(jì)、繪圖、分析、仿真、加工等一系列功能集成于一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)�，F(xiàn)在較常用的軟件有UGII、I-DEAS、CATIA、PRO/E、Euclid等CAD應(yīng)用系統(tǒng)，這些系統(tǒng)主要運(yùn)行在圖形工作站平臺上。在PC平臺上運(yùn)行的CAD應(yīng)用軟件主要有Cimatron、Solidwork、MDT、SolidEdge等。由于各種因素，目前在二維CAD系統(tǒng)中Autodesk公司的AutoCAD占據(jù)了相當(dāng)?shù)氖袌觥?/p>

在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

CAD技術(shù)在工程領(lǐng)域巾的應(yīng)用有以下幾個(gè)方面：①建筑設(shè)計(jì)，包括方案設(shè)計(jì)、三維造

型、建筑渲染圖設(shè)計(jì)等。②結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括有限元分析、結(jié)構(gòu)平面設(shè)計(jì)、框/排架結(jié)構(gòu)計(jì)算和分析等。③設(shè)備設(shè)計(jì)，包括水、電、暖各種設(shè)備及管道設(shè)計(jì)。④城市規(guī)劃、城市交通設(shè)計(jì)，如城市道路、高架、輕軌等。⑤市政管線設(shè)計(jì)，如自來水、污水排放、煤氣等。⑥交通工程設(shè)計(jì)，如公路、橋梁、鐵路等。⑦水利工程設(shè)計(jì)，如大壩、水渠等。⑧其他工程設(shè)計(jì)和管理，如房地產(chǎn)開發(fā)及物業(yè)管理、工程概預(yù)算等。

在電氣和電子電路方面的應(yīng)用。

CAD技術(shù)最早曾用于電路原理圖和布線圖的設(shè)計(jì)工作。目前，CAD技術(shù)已擴(kuò)展到印刷電路板的設(shè)計(jì)（布線及元器件布局），并在集成電路、大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)制造中大顯身手，并由此大大推動(dòng)了微電子技術(shù)和計(jì)算及技術(shù)的發(fā)展。仿真模擬和動(dòng)畫制作。

應(yīng)用CAD技術(shù)可以真實(shí)地模擬機(jī)械零件的加工處理過程、飛機(jī)起降、船舶進(jìn)出港口、物體受力破壞分析、飛行訓(xùn)練環(huán)境、作戰(zhàn)方針系統(tǒng)、事故現(xiàn)場重現(xiàn)等現(xiàn)象。在文化娛樂界已大量利用計(jì)算機(jī)造型仿真出逼真的現(xiàn)實(shí)世界中沒有的原始動(dòng)物、外星人以及各種場景等，并將動(dòng)畫和實(shí)際背景以及演員的表演天衣無縫地合在一起，在電影制作技術(shù)上大放異彩，拍制出一個(gè)個(gè)激動(dòng)人心的巨片。

其他應(yīng)用。

CAD技術(shù)除了在上述領(lǐng)域中的應(yīng)用外，在輕工、紡織、家電、服裝、制鞋、醫(yī)療和醫(yī)藥乃至體育方面都會(huì)用到CAD技術(shù)。CAD標(biāo)準(zhǔn)化體系進(jìn)一步完善；系統(tǒng)智能化成為又一個(gè)技術(shù)熱點(diǎn)；集成化成為CAD技術(shù)發(fā)展的一大趨勢；科學(xué)計(jì)算可視化、虛擬設(shè)計(jì)、虛擬制造技術(shù)是CAD技術(shù)發(fā)展的新趨向。

目前圖形學(xué)在一些前沿科技上也有很大的作用。例如1.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與智能CAD

CAD(ComputeAidedDesign)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的發(fā)展也顯現(xiàn)出智能化的趨勢，就目前流行的大多數(shù)CAD軟件來看，主要功能是支持產(chǎn)品的后續(xù)階段工程圖的繪制和輸出，而產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能相對薄弱，著名的三維輔助設(shè)計(jì)軟件AutoCAD，其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語言編寫程序，有時(shí)還要用其他高級語言協(xié)助編寫，很不方便。而新一代的智能CAD系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)從概念設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全過程。例如，德國西門子公司開發(fā)的SigraphDesign軟件可以實(shí)現(xiàn)如下功能：①從一開始就可以用計(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；②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：③在各個(gè)專業(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。而Sigraph不用編程只需畫一遍圖就能建成自己的圖庫；④Sigraph還可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)模擬用于觀察設(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)院都需將成千上萬張長期積累下來的設(shè)計(jì)圖

紙快速而準(zhǔn)確輸入計(jì)算機(jī)，作為新產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)資料。多年來，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別涉及到計(jì)算機(jī)的硬件、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、模式識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)輸入與智能識別是兩個(gè)密不可分的過程，用掃描儀將手繪圖，紙輸入到計(jì)算機(jī)后，形成的是點(diǎn)陣圖像。CAD中只能對矢量圖形進(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．這就帶來了許多的問題．如①圖像的智能識別；②字符的提取與識別；③圖形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立與圖形的理解；④實(shí)用化的后處理方法等等。國家自然科學(xué)基金會(huì)和863計(jì)劃基金都在支持這方面的研究，國內(nèi)外已有一些這方面的軟件付諸實(shí)用，如美國的RVmaster，德國的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。

2.科學(xué)計(jì)算可視化

科學(xué)計(jì)算的可視化是發(fā)達(dá)國家八十年代后期提出并發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它將科學(xué)計(jì)算過程中及計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為幾何圖形及圖像信息在屏幕上顯示出來并進(jìn)行交互處理，成為發(fā)現(xiàn)和理解科學(xué)計(jì)算過程中各種現(xiàn)象的有力工具。

1987年2月英國國家科學(xué)基金會(huì)在華盛頓召開了有關(guān)科學(xué)計(jì)算可視化的首次會(huì)議。會(huì)議一致認(rèn)為“將圖形和圖像技術(shù)應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算是一個(gè)全新的領(lǐng)域”科學(xué)家們不僅需要分析由計(jì)算機(jī)得出的計(jì)算數(shù)據(jù)，而且需要了解在計(jì)算機(jī)過程中數(shù)據(jù)的變化。會(huì)議將這一技術(shù)定名為“科學(xué)計(jì)算可視化(VisualizationinScientificComputing)”�？茖W(xué)計(jì)算可視化將圖形生成技術(shù)、圖像理解技術(shù)結(jié)合在一起，它即可理解送入計(jì)算機(jī)的圖像數(shù)據(jù)．也可以從復(fù)雜的多維數(shù)據(jù)中產(chǎn)生圖形。它涉及到下列相互獨(dú)立的幾個(gè)領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及交互技術(shù)等�？茖W(xué)計(jì)算可視按其實(shí)現(xiàn)的功能來分，可以分為三個(gè)檔次：(1)結(jié)果數(shù)據(jù)的后處理；(2)結(jié)果數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)跟蹤處理及顯示；(3)結(jié)果數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示及交互處理。

3.計(jì)算機(jī)動(dòng)畫

計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(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、計(jì)算機(jī)音樂、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)科的最新成果都對計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(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)繪畫藝術(shù)作品都是在打印機(jī)和繪圖儀上產(chǎn)生的。一直到60年代后期，才出現(xiàn)利用計(jì)算機(jī)顯示點(diǎn)陣的特性，通過精心地設(shè)計(jì)圖案來進(jìn)行計(jì)算機(jī)藝術(shù)創(chuàng)造的活動(dòng)。70年代開，計(jì)算機(jī)藝術(shù)走向繁榮和成熟1973年，在東京索尼公司舉辦了首屆”國際計(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。在中國，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)了近年來計(jì)算機(jī)藝術(shù)在中國的發(fā)展，對未來的工作起到了重要的推動(dòng)作用。

計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的一個(gè)重要應(yīng)用就是制作電影特技�？梢哉f電影特技的發(fā)展和計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的發(fā)展是相互促進(jìn)的。1987年由著名的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫專家塔爾曼夫婦領(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)畫片《相會(huì)在蒙特利爾》再現(xiàn)了國際影星瑪麗蓮?夢露的風(fēng)采。1988

年，美國電影《誰陷害了兔子羅杰》（《WhoFramedRogerRabbit?》）中二維動(dòng)畫人物和真實(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)畫處理。1991年美國電影《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》(JurassicPark)、《獅子王》、《玩具總動(dòng)員》(ToyStory)等。

4.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

“虛擬現(xiàn)實(shí)”(VirbualReality)一詞是由美國噴氣推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室(VPL)的創(chuàng)始人拉尼爾(JaronLanier)首先提出的。在克魯格(MyrenKruege)70年代中的早期實(shí)驗(yàn)里，被稱為”人工現(xiàn)實(shí)”(Artificialreality)；而在吉布森(WilliamGibson)l984年出版的科幻小說Neuremanccr里，又被稱為“可控空間”(Cyberspaee)。虛擬現(xiàn)實(shí)，也有人稱之為虛擬環(huán)境(VirtualEnvironment)是美國國家航空和航天局及軍事部門為模擬而開發(fā)的一門高新技術(shù)它利用計(jì)算機(jī)圖形產(chǎn)生器，位置跟蹤器，多功能傳感器和控制器等有效地模擬實(shí)際場景和情形，從而能夠使觀察者產(chǎn)生一種真實(shí)的身臨其境的感覺。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(Efeeter)和連接侍感器與印象器產(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)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圍環(huán)境之間按照牛頓運(yùn)動(dòng)定律所決定的相互作用；描述周圍環(huán)境的內(nèi)容特性

（1）用于腦外科規(guī)劃的雙手操作空間接口工具

最近，美國弗尼亞大學(xué)推出了一種能用于腦外科規(guī)劃的被稱為Netra的雙手操作空間接口工具根據(jù)腦外科醫(yī)生的工作環(huán)境和習(xí)慣，該系統(tǒng)采用一種外形象人頭的控制器。腦外科醫(yī)生可以根據(jù)他們的職業(yè)習(xí)慣，通過轉(zhuǎn)動(dòng)外形象人頭的控制器，來方便地觀察人腦的不同部位，同時(shí)通過右手控制面板的平面來控制人腦的剝面的掃描井能根據(jù)CT或強(qiáng)磁共振圖像所產(chǎn)生的主體腦模型顯示所需得到觀察視點(diǎn)著色后的真實(shí)圖像

（2）虛擬環(huán)境用于恐高癥治療

英國研制的一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以產(chǎn)生以下虛擬環(huán)境：①透明的玻璃電梯②高層建筑陽臺③位于峽谷之上的索橋。為了增加真實(shí)的感覺，患者除了佩戴能夠產(chǎn)生三維立體景象的頭盔式顯示器外，還必須站在一個(gè)特制的框架內(nèi)。調(diào)節(jié)電梯、陽臺和索橋的高度就可以產(chǎn)生不同程度的刺激。

（3）虛擬風(fēng)洞

德國信息技術(shù)國家研究中心的克魯格等人建立了一個(gè)所謂的“虛擬風(fēng)洞，用以代替風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)(因風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)成本高，且實(shí)驗(yàn)難以控制)。在虛擬風(fēng)洞中，其模擬的數(shù)據(jù)來自超級計(jì)算機(jī)或高性能工作站上運(yùn)行的有限元程序。利用虛擬風(fēng)洞，觀測者通過佩戴液晶開關(guān)眼鏡可以方便地對于給定的點(diǎn)和線進(jìn)行觀察，而且還可以通過放大的方式進(jìn)行更細(xì)致的研究，大大方便了人們對于物體動(dòng)力中特性的研究。

（4）封閉式戰(zhàn)斗作戰(zhàn)訓(xùn)練器

封閉式戰(zhàn)斗作戰(zhàn)訓(xùn)練器(CCTT)是馬斯塔格利等人為美軍研制的用于坦克和機(jī)械化步兵在實(shí)際地形上進(jìn)行演習(xí)的模擬裝置。它與通常的虛擬環(huán)境和模擬器不同，它需要建立的是適用于軍隊(duì)訓(xùn)練的大規(guī)模復(fù)雜的虛擬環(huán)境。

（5）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還被廣泛用于建筑設(shè)計(jì)。克魯格等將他們設(shè)計(jì)的未來建筑顯現(xiàn)在他們發(fā)明的虛擬工作平臺上，建筑學(xué)家們聚集在一起透過所佩戴的液晶眼鏡，可以看到設(shè)計(jì)的立體建筑，并方便地增添或移去建筑的一部分或其它物體。同時(shí)也可以通過數(shù)據(jù)手套來設(shè)置不同的光源．模擬不同時(shí)間的日光和月光．觀察在不同光線下所設(shè)計(jì)建筑的美感以及與整個(gè)環(huán)境的協(xié)調(diào)性。

總之．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一門多學(xué)科交叉和綜合集成的新技術(shù)。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)性和場景的真實(shí)性。但一般來說，實(shí)時(shí)性與真實(shí)性往往是相互矛盾的。

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)圖形學(xué)前景誘人。形勢逼人，但我國的技術(shù)還比較落后。

從計(jì)算機(jī)圖形學(xué)目前學(xué)科發(fā)展來看，未來可能有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢：

（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)漫以及各類可視化應(yīng)用中都對圖形渲染結(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（1920x1080），進(jìn)一步要能達(dá)到數(shù)字電影所能播放的4K分辨率(4096x2060)的圖形圖像；色彩的動(dòng)態(tài)范圍也希望從原來每個(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)各類視覺效果，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�？捎^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分鐘長度的影片渲染。

近10年來，基于GPU（GraphicProcessingUnit）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64nm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201*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DirectX11以及OpenGL3.0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，無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的視覺特效，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：①缺乏良好的數(shù)據(jù)組織方法，基于GPU方法由于硬件的架構(gòu)原因，數(shù)據(jù)組織無法如同CPU方法一樣的組織，因此對復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)仍無法得到很好地支持。②缺乏標(biāo)準(zhǔn)高效的GPU高層編程語言、編譯器以及相應(yīng)調(diào)試工具。③由于

以上兩個(gè)問題，無法完整地實(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，從而來構(gòu)造低功耗的渲染服務(wù)是圖形學(xué)的未來發(fā)展趨勢之一。

（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，由于其主要思想方法來源于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)門檻高，不易于普及和讓非專業(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。

采用合適的交互手段，來進(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，非常符合人類原有日常生活中的思考習(xí)慣，是目前研究的重點(diǎn)問題。其難點(diǎn)是根據(jù)具體的應(yīng)用領(lǐng)域，與視覺方法相融合，如何設(shè)計(jì)合理的交互語匯以及對應(yīng)的過程式“識別-構(gòu)造”方法。

與此相關(guān)的一個(gè)問題是基于規(guī)則的過程式建模方法。目前由于GoogleEarth等數(shù)字地圖信息系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，對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)則的過程式建模方法相結(jié)合來嘗試高效地構(gòu)造出三維建筑模型，以及相關(guān)的樹木等結(jié)構(gòu)化場景。

（3）利用日益增長的計(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)的處理能力和存儲容量限制，不能處理很高精度的模擬，也無法做到很高的響應(yīng)速度。所幸的是，GPU技術(shù)帶來了革新這一技術(shù)的可能。充分利用GPU硬件內(nèi)部的并行性，研究者開始普遍關(guān)注基于GPU的各類數(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合作開發(fā)了通用物理中間件技術(shù)，相信未來可為高度物理真實(shí)的動(dòng)態(tài)模擬提供新的研究機(jī)遇。

（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)

達(dá)到現(xiàn)實(shí)中真實(shí)感的畫面與逼真動(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研制特殊裝置予以捕獲與處理，或采用一組同攝像機(jī)來獲取演員的幾何形體與動(dòng)態(tài)，達(dá)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)問題是：①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、硬件、軟件相關(guān)的系統(tǒng)工程研究問題；②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)用是主要問題；③一旦獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)，如何進(jìn)行重用是一個(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）計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖像視頻處理技術(shù)的結(jié)合

隨著家用數(shù)字相機(jī)和攝像機(jī)的日益普及，對于數(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，視覺方法相交叉融合，來直接地生成風(fēng)格化的畫面，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)來生成動(dòng)畫序列。當(dāng)今計(jì)算機(jī)圖形學(xué)正向著圖像生成方法和計(jì)算機(jī)視覺中逆向地從圖像中恢復(fù)各種信息方法相結(jié)合，可以帶來無可限量的想象空間，構(gòu)造出很多視覺特效來，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。

（6）從追求絕對的真實(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)所需要描繪的場景中每個(gè)對象和元素都有與其相關(guān)需要傳達(dá)的信息，可根據(jù)重要度不同，采用不同的繪制策略來進(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，必將在未來有更多的發(fā)展。

本學(xué)期學(xué)了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)后，對我有了很多的幫助。老師講解的十分詳細(xì)，易于理解。也舉了很多的生動(dòng)例子。以前，我學(xué)了一段時(shí)間3DMAX。當(dāng)時(shí)對一些其中牽扯的概念不大了解，經(jīng)過了本學(xué)期學(xué)系終于明白了。

希望老師以后能再找一些更生動(dòng)的例子，讓課堂的氣氛更活躍。

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