詮解計算機圖形學發展歷程及應用

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摘要：綜觀計算機圖形學的發展，我們發現圖形學的發展迅速，而且仍在快速的向前發展。并且已經成為一門獨立的學科，傲站在科學的前端，有著廣泛的發展前景。

關鍵詞：圖形實時繪制自然景物仿真

計算機圖形學(ComputerGraphics，簡稱CG)是一種使用數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。簡單地說，計算機圖形學的主要研究內容就是研究如何在計算機中表示圖形、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。經過30多年的發展，計算機圖形學已成為計算機科學中最為活躍的分支之一，并得到廣泛的應用。本文將介紹計算機圖形學的研究內容、發展歷史，應用和圖形學前沿的方向。

1計算機圖形學的發展簡史

1950年，第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學院(MIT)旋風號—(Whirlwind)計算機的附件誕生了。該顯示器用一個類似示波的陰極射線管(CRT)來顯示一些簡單的圖形。在整個50年代，只有子管計算機，用機器語言編程，主要應用于科學計算，為這些計算機置的圖形設備僅具有輸出功能。計算機圖形學處于準備和醞釀時期并稱之為：“被動式”圖形學。1963年，伊凡•蘇澤蘭在麻省理工學院發表了名為《畫板》的博士論文，它標志著計算機圖形學的正式誕生。此前的計算機主要是符號處理系統，自從有了計算機圖形學，計算機可以部分地表現人的右腦功能了，計算機圖形學的建立意義重大。

2計算機圖形學的應用

2.1計算機輔助設計與制造

CAN/CAN是計算機圖形學在工業界最廣泛，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，包括設計飛機、汽車、船舶的外形和發電廠、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，產品和工程的相關圖形進行人—機交互設計和修改，經過反復的選代設計，便可利用結果數據輸出零件表、材料單、加工流程和工藝卡，或者數據加工代碼的指令。在電子工業中，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勢十分明顯。在網絡環境下進行異地異構系統的協同設計，已成為CAD領域最熱門的課題之一。現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化工程。

CAD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、面及其拓撲關素，從而實現形體的重建。

2.2科學計算可視化

目前科學計算可視化廣泛應用于醫學，流體力學，有限元分析，氣象分析當中。尤其在醫學領域，可視化有著廣闊的發展前途。依靠精密機械做腦部手術是目前醫學上很熱門的課題，而這些技術的實現的基礎則是可視化。當我們做腦部手術時，可視化技術技術將醫用CT掃描的數據轉化成圖象，使得醫生能夠看到并準確的判別病人的體內患處，然后通過碰撞檢測一類的技術實現手術效果的反饋，幫助醫生成功完成手術。我們利用了可視化技術。天氣氣象站將大量數據，通過可視化技術轉化成形象逼真的圖形后，經過仔細的分析就可以清晰的預見幾天后的天氣情況。

2.3圖形實時繪制與自然景物仿真

重現真實世界的場景叫做真實感繪制。真實感繪制主要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。在自然景物仿真這項技術中我們需要過行消除隱藏線及面、明暗效應、顏色模型、紋理、光線跟蹤，輻射度等工作。這其中光照和表面屬性是最難摸擬的。而且還必須處理物體表面的明暗效應，以便用不同的色彩灰度來增加圖形的真實感。自然景物仿真在幾何圖形、廣告影視、指揮控制，科學計算等方面應用范圍很廣。除了建造計算機可實現的逼真物理模型外，真實感繪制還有一個研究重點是研究加速算法，力求能在最短的時間內繪制出最真實的場景。

2.4計算機動畫

隨著計算機圖形和計算機硬件的不斷發展，計算機動畫應運而生。事實上動畫也只是生成一幅幅靜態的圖象，但是每一幅都是對前一幅小部分修改，如何修改便是計算機動畫的研究內容，這樣，當這些連續播放時，整個場景就動起來。

早期的計算機動畫靈感來源于傳統的卡通片，在生成幾幅被稱作“關健幀”，連續播放時2個關健幀就被有機的結合起來了。計算機動畫內容豐富多彩，生成動畫的方法也多種多樣，比如基于特征的圖象變形，二維形狀混合，軸變形方法，三維自由形體變形等。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計算，力求使動畫過程體現出最適合真實世界的運動規律。然而要真正到達真實運動是很難的，比如人的行走或跑步，要實現很自然的人走路的畫面，計算機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。

2.5計算機藝術

用計算機從事藝術創作，計算機圖形學除了廣泛用于藝術品的制造，如各種圖案、花紋及傳統的油畫、中國國畫等。還成功的用來制造廣告、動畫片甚至電影，其中有的影片還獲得了奧斯卡獎。這是電影界最高的殊榮。目前國內外不少人士正在研制人體模擬系統，這使得在不久的將來把歷史上早已去世的著名影視明星重新搬上新的影視片成為可能。這是一個傳統的藝術家無法實現也不可想象的。

3計算機圖形學發展前景

綜觀計算機圖形學的發展，我們發現圖形學的發展迅速，并且已經成為一門獨立的學科，傲站在科學的前端。計算機圖形學的已經應用到各個領域。比如計算機輔助設計與制造，自然景物仿真和計算機動畫。在我們的生活到處可見，使我們的生活變的絢麗多彩。還有將可視化用于天氣預報，使氣象預報越來越準確；用于地質堪探，使地質學家可以發現新資源；用于醫學做一些精密的手術提高了人們的壽命等。總之計算機圖形學的應用給人類帶來了很多益處，在促進人們物質水平提高的同時，也給我們帶來的精神上的享受。當然，計算機圖形學在某些領域的發展還未成熟，需要圖形學工作者再接再厲，不斷完善它的不足之處。從長遠來看。計算機圖形學有著廣泛的發展前景，而且將在人們的生活中起著越來越重要的作用。