计算机图形学文献综述

计算机图形学论文学号：11001010123专业：信息与计算科学班级：110010101姓名：王俊才指导教师：傅由甲一．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，纹理映射，发展简史，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)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．应用及发展简史（1）发展简史1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院(MIT)旋风号—(Whirlwind)计算机的附件诞生了。该显示器用一个类似示波的阴极射线管(CRT)来显示一些简单的图形。在整个50年代，只有子管计算机，用机器语言编程，主要应用于科学计算，为这些计算机置的图形设备仅具有输出功能。计算机图形学处于准备和酝酿时期并称之为：“被动式”图形学。1963年，伊凡·苏泽兰在麻省理工学院发表了名为《画板》的博士论文，它标志着计算机图形学的正式诞生。此前的计算机主要是符号处理系统，自从有了计算机图形学，计算机可以部分地表现人的右脑功能了，计算机图形学的建立意义重大。从1973年开始,相继出现了英国剑桥大学CAD小组的Build系统、美国罗彻斯特大学的PADLI系统等实体造型系统。1980年Whitted提出了一个光透视模型———Whitted模型,并第一次给出光线跟踪算法的范例,实现Whitted模型;1984年,美国Cornell大学和日本广岛大学的学者分别将热辐射工程中的辐射度的方法引入到计算机图形学中,用辐射度方法成功地模拟了理想漫反射表面间的多重漫反射效果;光线跟踪算法和辐射度算法的提出,标志着真实感图形的显示算法已逐渐成熟。从20世纪80年代中期以来,超大规模集成电路的发展,为图形学的飞速发展奠定了物质基础。计算机的运算能力的提高,图形处理速度的加快,使得图形学的各个研究方向得到充分发展,图形学已广泛应用于动画、科学计算可视化、CAD/CAM、影视娱乐等各个领域。ACMSIGGRAPH会议是计算机图形学最权威的国际会议,每年在美国召开,参加会议的人在50000人左右。SIGGRAPH会议很大程度上促进了图形学的发展,世界上不会有第二个领域会每年召开如此规模巨大的专业会议。SIGGRAPH是大约60年代中期,由Brown大学的教授AndriesvanDam和IBM公司的SamMatsa发起的。1974年,在Corlorado大学召开了第一届SIGGRAPH年会,并取得了巨大的成功,当时有大约600位来自世界各地的专家参加了会议。到了1997年,参加会议的人数已经增加到48700。因为每年只录取大约50篇论文,在ComputerGraphics杂志上发表,因此论文的学术水平较高,基本上代表了图形学已经的主流方向。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。（2）应用及发展前沿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。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。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。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。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。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。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。5.虚拟现实“虚拟现实”(VirbualReMity)-词是由美国喷气推动实验室(VPL)的创始人拉尼尔(JaronLanier)首先提出的，在克鲁格(MyrenKruege070年代中早期实验里．被称为人工现实”(AfitifiCialrealioy)；而在吉布森(WiUianGibson)l984年出版的科幻小说Neuremanccr里，又被称为“可控空间”(Cyberspaee)。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。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。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。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道。四．计算机图形学的发展趋势（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DirectX11以及OpenGL3.0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