畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）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：課題名稱： 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 專專 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 .23.1 opengl 實(shí)現(xiàn) 2d/3d 圖形算法.23.2 二維圖形變換.23.3 三維圖形變換.23.4 貝塞爾（bezier）曲線算法.23.5 紋理映射.2第四章第四章 應(yīng)用及前沿應(yīng)用及前沿 .44.

2、1 智能 cad.44.2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造.44.3 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫藝術(shù).44.4 計(jì)算機(jī)可視化.44.5 虛擬現(xiàn)實(shí).44.6 用戶接口.4第五章第五章 發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展趨勢(shì) .55.1 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.55.2 研究和諧自然的三維模型建模方法.55.3 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.55.4 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).55.5 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖像視頻處理技術(shù)的結(jié)合.55.6 從追求絕對(duì)的真實(shí)感向追求與強(qiáng)調(diào)圖形的表意性轉(zhuǎn)變.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)

3、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 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，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)代幾乎所有科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域用來加強(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

4、國(guó)雖然起步較晚,然而它的發(fā)展卻十分迅速。我國(guó)的主要高校都開設(shè)了多門計(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

5、自動(dòng)編程語言，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，稱之為孔斯曲面。孔斯和法國(guó)雷諾汽車公司的貝齊埃（pierre bzier）并列被稱為現(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，研制交互圖形顯示器的工作也在平行開展。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。

6、以后經(jīng)過改進(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 開發(fā)的 cadam 繪圖加工系統(tǒng)，從 1974 年起向外界轉(zhuǎn)讓，成為 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，但在原理上并無明顯變化。1984 年又改型為ibm 5080，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)畫面。光筆也改為電筆，與輸入板配合

7、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，畫面線條清晰，分辨率可以達(dá)到 40963072，價(jià)格不到刷新式同類顯示器的一半。一次輸入顯示命令后可以保留畫面一小時(shí)，因此編程簡(jiǎn)單，復(fù)雜的畫面不會(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)修改顯示畫面。光柵掃描型顯示器采用電視機(jī)的類似工作原理，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

8、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 等工程工作站問世，并迅速得到廣大用戶的歡迎，銷售量激增。在這些設(shè)計(jì)中，主機(jī)和圖形顯示器融為一體，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)展和專用圖形處理芯片的出現(xiàn)，使得光柵掃描型顯

9、示的質(zhì)量越來越好，價(jià)格越來越低，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 & sutherland公司的 ps300 型和 silicon graphicsr 的 iris 型。它們采用了新的體系結(jié)構(gòu)來提高圖形的處理速度，在某種程度上達(dá)到了實(shí)時(shí)的要求。evans 和 sutherland 都是知名的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)專家。后者就是前面提到的光筆圖形系統(tǒng)的研制人。ps 300 脫離了傳統(tǒng)的馮諾依曼機(jī)結(jié)構(gòu)，不是逐條執(zhí)行操作命令，而是采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)

10、式原理。各個(gè)操作的執(zhí)行次序取決于數(shù)據(jù)的到達(dá)時(shí)刻。當(dāng)一次操作所需的全部輸入數(shù)據(jù)都已齊備時(shí)，操作便啟動(dòng)執(zhí)行。這樣可以方便地組織并行處理。圖形處理中的矩陣運(yùn)算和其它基本算法使用三個(gè)位片處理機(jī)組成流水線，使得屏面上顯示的線框圖可以用旋鈕實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)、平移和放大縮小，并且快速顯示運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作過程，以便從不同角度觀察各個(gè)元件間的協(xié)調(diào)關(guān)系。三維物體輪廓線的顯示亮度可以隨距離遠(yuǎn)近而變化，離眼睛越遠(yuǎn)的部分線條越淡，這樣則可更好的體現(xiàn)出立體圖的真實(shí)感。數(shù)字成象的一般處理過程是：（1）建立模擬對(duì)象的幾何模型，按照需要的逼近精度將模型簡(jiǎn)化為平面多面體。不少系統(tǒng)為了簡(jiǎn)化和統(tǒng)一運(yùn)算過程，還進(jìn)一步將多面體的各個(gè)棱面分解為三角

11、形單元。（2）將單個(gè)物體進(jìn)行組裝，施加平移、旋轉(zhuǎn)和比例變換，形成整個(gè)模擬環(huán)境。（3）確定觀察點(diǎn)位置，作出顯示對(duì)象的透視變換。（4）確定顯示范圍，相當(dāng)于照相中的取景。窗口的有效范圍用上下、左右、前后六個(gè)平面規(guī)定。將所有準(zhǔn)備輸出的圖元都與窗口范圍進(jìn)行比較，裁剪出落在窗口有效邊界以內(nèi)的部分。（5）確定圖形顯示器屏面上的顯示范圍（稱作視區(qū)） ，將用戶定義的三維空間（稱作世界坐標(biāo)系）內(nèi)的物體映射到顯示器的屏坐標(biāo)系中。（6）計(jì)算各單元三角形的法向矢量，根據(jù)光照模型確定可見三角形表面的亮度和色彩。（7）顯示所有可見的三角形單元。美國(guó)的 j.h.clark 從 1979 至 1981 年在斯坦福大學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

12、實(shí)驗(yàn)室試用專用的浮點(diǎn)運(yùn)算器組成流水線來完成上述過程。他將這類專用處理器稱為幾何機(jī)器。silicon graphics 公司的 iris 工作站就是采用上述工作原理的工業(yè)產(chǎn)品。此后，其它公司也紛紛效仿。這種持續(xù)不斷的提高顯示畫面質(zhì)量和加快交互呼應(yīng)速度的努力將會(huì)繼續(xù)進(jìn)行，必將進(jìn)一步推動(dòng)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展。三、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中運(yùn)用到的技術(shù)算法三、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中運(yùn)用到的技術(shù)算法(1)、opengl 實(shí)現(xiàn) 2d/3d 圖形的算法opengl（全寫 open graphics library）是個(gè)定義了一個(gè)跨編程語言、跨平臺(tái)的編程接口的規(guī)格，它用于三維圖象（二維的亦可） 。opengl 是個(gè)專業(yè)的圖

13、形程序接口，是一個(gè)功能強(qiáng)大，調(diào)用方便的底層圖形庫(kù)。opengl 是個(gè)與硬件無關(guān)的軟件接口，可以在不同的平臺(tái)如 windows 95、windows nt、unix、linux、macos、os2 之間進(jìn)行移植。因此，支持 opengl 的軟件具有很好的移植性，可以獲得非常廣泛的應(yīng)用。由于 opengl 是圖形的底層圖形庫(kù)，沒有提供幾何實(shí)體圖元，不能直接用以描述場(chǎng)景。但是，通過一些轉(zhuǎn)換程序，可以很方便地將 autocad、3ds/3dsmax 等 3d 圖形設(shè)計(jì)軟件制作的 dxf 和 3ds 模型文件轉(zhuǎn)換成 opengl 的頂點(diǎn)數(shù)組。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

14、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(tái)間移植；opengl 可以與 visual c+緊密接口，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的有關(guān)計(jì)算和圖形算法，可保證算法的正確性和可靠性；opengl 使用簡(jiǎn)便，效率高。它具有一下功能：1.建模：opengl 圖形庫(kù)除了提供基本的點(diǎn)、線、多邊形的繪制函數(shù)外，還提供了復(fù)雜的三維物體（球、錐、多面體、茶壺等）以及復(fù)雜曲線和曲面繪制函數(shù)。2.變換：opengl 圖形庫(kù)的變換包括基本變換和投影變換?；咀儞Q有平移、旋轉(zhuǎn)、變比鏡像四種變換，投影變換有平行投影（又稱正射投影）和透視投 影兩種變換。3.顏色模式設(shè)置：opengl 顏色模式有兩種，即 rgba 模式和顏

15、色索引（color index） 。4.光照和材質(zhì)設(shè)置：opengl 光有輻射光（emitted light） 、環(huán)境光（ambient light） 、漫反射光（diffuse light）和鏡面光（specular light） 。材質(zhì)是用光反射率來表示。5:紋理映射（texture mapping） 。利用 opengl 紋理映射功能可以十分逼真地表達(dá)物體表面細(xì)節(jié)。此外，利用 opengl 還能實(shí)現(xiàn)深度暗示（depth cue） 、運(yùn)動(dòng)模糊（motion blur）等特殊效果。從而實(shí)現(xiàn)了消隱算法。(2)、二維圖形變換圖形的幾何變換一般是指對(duì)圖形的幾何信息經(jīng)過變換后產(chǎn)生新的圖形，圖形幾何變

16、換既可以看作是坐標(biāo)系不動(dòng)而圖形變動(dòng)，變動(dòng)后的圖形在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值發(fā)生變化；出可以看作圖形不動(dòng)而坐標(biāo)系變動(dòng)，變動(dòng)后的圖形在新坐標(biāo)系下具有新的坐標(biāo)值。基本的變換有：平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中基本的二維圖形的幾何變換算法， (3)、三維圖形變換三維圖形的基本變換有：三維比例變換、三維對(duì)稱變換、三維錯(cuò)切變換、三維平移變換、三維選裝變換。和二維圖形一樣，用適當(dāng)?shù)淖儞Q矩陣也可以對(duì)三維圖形進(jìn)行各種幾何變換。對(duì)三維空間的點(diǎn)如（x，y，z），可用齊次坐標(biāo)表示為（x，y，z，1），或（x，y，z，h），因此，三維空間里的點(diǎn)的變換可寫為 其中m是 4x4 階變換矩陣，即： (4)、貝塞爾（bezier）曲

17、線算法bezier 曲線是以逼近為基礎(chǔ)的參數(shù)多項(xiàng)式曲線。在空間給定 n+1 個(gè)控制點(diǎn)，其位置矢量表示為 pi(i=0,1,n)，n 次的 bezier 曲線可以寫為：伯恩斯坦基函數(shù)：(5)、紋理映射理映射技術(shù)用于生成物體表面的紋理細(xì)節(jié)，是真實(shí)感圖形技術(shù)的重要組成部分，也是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。紋理給物體提供了豐富的細(xì)節(jié)，用簡(jiǎn)單的方式模擬出了復(fù)雜的外觀。一個(gè)圖像（紋理）被貼(映射)到場(chǎng)景中的一個(gè)簡(jiǎn)單形體上，就像印花貼到一個(gè)平面上一樣。第一步:定義紋理對(duì)象 coast int texnumber4; gluint mes texturetexnumber; /定義紋理對(duì)象數(shù)組 第二步:生

18、成紋理對(duì)象數(shù)組 glgentextures(texnumber,m texture); 第三步:通過使用 glbindtexture 選擇紋理對(duì)象，來完成該紋理對(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 glbindtexture，為該景物加載相

19、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 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 cadcad 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

20、autolisp語言編寫程序，有時(shí)還要用其他高級(jí)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(guó)西門子公司開發(fā)的 sigraph design軟件可以實(shí)現(xiàn)如下功能： 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； 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 si

21、graph 不用編程只需畫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)院都需將成千上萬張長(zhǎng)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(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

22、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)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)完成這就帶來了許多的問題如 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

23、.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、最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)被用來進(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、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

24、繪制,用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)不僅能進(jìn)行設(shè)計(jì)和畫圖,而且可以在較短的時(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)域最熱門的課題之一?，F(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)問題,而是綜合了產(chǎn)品各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域、相關(guān)過程、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協(xié)調(diào)和綜合設(shè)計(jì)者的專長(zhǎng),并且從設(shè)計(jì)一開始就考慮產(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

25、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,通過對(duì)這些信息進(jìn)行分類、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)

26、操作,代表技術(shù)的發(fā)展方向。目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)畫藝術(shù)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(duì)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。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

27、始計(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(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，大有舍我其誰的感覺。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)了近年來計(jì)算機(jī)藝術(shù)在中國(guó)的發(fā)展，對(duì)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 可以說電影特技的發(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

28、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(guó)際影星瑪麗蓮夢(mèng)露的風(fēng)采。1988 年，美國(guó)電影誰陷害了兔子羅杰” (who framed roger rabbit?)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(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)畫技術(shù)來制作有關(guān)的電視節(jié)目片頭。從那時(shí)起，計(jì)算

29、機(jī)動(dòng)畫技術(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)畫的應(yīng)用領(lǐng)域十分寬廣 除了用來制作影視作品外， 在科學(xué)研究、視覺模擬、電子游戲、工業(yè)設(shè)計(jì)、教學(xué)訓(xùn)練、寫真仿真、過程控制、平面繪畫、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越難,人們無法從數(shù)據(jù)海洋中得到最有用的數(shù)據(jù),找到數(shù)據(jù)的變化規(guī)律,提取最本質(zhì)的特征。但是如果

30、能將這些數(shù)據(jù)用圖形的形式表示出來,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)專門召開了一次研討會(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)專家配合做遠(yuǎn)程手術(shù)是目前醫(yī)學(xué)上很熱門的課題,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 ct 掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維圖像,使得醫(yī)生能夠看到

31、并準(zhǔn)確地判別病人的體內(nèi)的患處,然后通過碰撞檢測(cè)一類的技術(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)到目前還沒有很好地解決。另概括起來有外在漫游當(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)交互來完成,遠(yuǎn)未達(dá)到自動(dòng)實(shí)時(shí)的地步。4.5 虛擬現(xiàn)實(shí)“虛擬現(xiàn)實(shí)”(virbual remity)- 詞

32、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 neuremanccr 里，又被稱為“可控空間”(cyberspaee)。虛擬現(xiàn)實(shí)， 也育人稱之為虛擬環(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(chǎng)景和情形，從而能夠使觀察者產(chǎn)生一種真實(shí)的身

33、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圍環(huán)境之間接照牛頓運(yùn)動(dòng)定律所決定的相互作用；描述周圍環(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

34、的實(shí)時(shí)性和場(chǎng)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。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，它包括語言、姿勢(shì)輸入、頭部跟蹤、視覺跟蹤、立體顯示、三維交互技術(shù)、感覺反饋及自然語言界面等?？梢赃@樣說人體的表面就是人機(jī)界面。人體的任何部分都應(yīng)成

35、為人機(jī)對(duì)話的通道。虛擬現(xiàn)實(shí)顯示是關(guān)鍵所在，這不僅要求軟件來實(shí)現(xiàn)，更主要的是硬件上的實(shí)現(xiàn)。概括起來虛擬現(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，總要輸?shù)蕉渲?，這就要求在具體的交互中具體選擇交互通道。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)， 但總起來說是以虛擬現(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)

36、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） ，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)范圍也希望從原來每個(gè)通道的 8bit 提高到 10bit

37、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(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，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 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 2009 年底，主流圖形硬件商 nvidia 和 amd 以及 intel 還會(huì)

38、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：（i）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(duì)復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)仍無法得到很好地支持。 （ii）缺乏標(biāo)準(zhǔn)高效的 gpu 高層編程語言、編譯器以及相

39、應(yīng)調(diào)試工具,（iii）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(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，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

40、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(duì)應(yīng)的過程式“識(shí)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

41、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(chǎng)景。三維建模方法中的另一主要問題是研究合適的曲面表達(dá)方法，以適于各類圖形學(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，然而此類方法無法很好解決非正規(guī)情況下的曲面拼合，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題有

42、：（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(chǔ)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 am