计算机图形学论文-李

计算机图形学论文学号：专业：计算机科学与技术班级：计算机一班姓名：指导教师：一．摘要计算机图形学(ComputerGraphics，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。关键词：实现2D/3D图形的算法，二维图形变换，三维图形变换，贝塞尔曲线算法，纹理映射，发展前沿，发展趋势二、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OpenGraphicsLibrary）是个定义了一个跨编程语言、跨平台的编程接口的规格，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Windows95、WindowsNT、Unix、Linux、MacOS、OS／2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VisualC++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，即RGBA模式和颜色索引（ColorIndex）。4.光照和材质设置：OpenGL光有辐射光（EmittedLight）、环境光（AmbientLight）、漫反射光（DiffuseLight）和镜面光（SpecularLight）。材质是用光反射率来表示。5:纹理映射（TextureMapping）。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（DepthCue）、运动模糊（MotionBlur）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Bezier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coastintTexNumber4;GLuintmesTexture[TexNumber];//定义纹理对象数组第二步:生成纹理对象数组glGenTextures(TexNumber,mTexture);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(GLTEXTURE2D,m_Texture[0]);g1TexImage2D(GLTEXTURE_2D,0,3,mesTexmapl.GetWidthU,meeTexmapl.GetHeight(),0,GLBGREXT,GLUNSIGNEDBYTE,mseTexmapl.GetDibBitsl'trQ);第四步:在绘制景物之前通过glBindTexture，为该景物加载相应的纹理。glBindTexture(GLesTEXTURE_2D,mseTexture[0]);第五步:在程序结束之前调用glDeleteTextures删除纹理对象。glDeleteTextures(TexNumber,meeTexture);这样就完成了全部纹理对象的管理和使用。三．应用及发展前沿3.1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。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．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。3.2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。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ＣＡＤ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ＣＡＤ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、异地装配成为可能,从而为企业在市场竞争中赢得了宝贵的时间。ＣＡＤ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ＣＡＤ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。3.3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•梦露的风采。此外，还有《侏罗纪公园》(JurassicPark)、《狮子王》、《玩具总动员》(ToyStory)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3DStudio为代表的三维动画微机软什和以Photostyler、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3.4科学计算