计算机图形学的综述

计算机图形学的综述摘要：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。图形通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、线宽等非几何属性组成。从处理技术上来看，图形主要分为两类，一类是基于线条信息表示的，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等，另一类是明暗图，也就是通常所说的真实感图形。经过30多年的发展，计算机图形学已成为计算机科学中最为活跃的分支之一，并得到广泛的应用。其中，3D计算机图形技术作为计算机图形学理论中近期最为火热的一项技术，在影视特效中的运用已经远远超越了“电脑特技”的概念。它不但可以使用虚拟技术模式现实场景，极大地减少拍摄成本，更重要的是它的表现力可以超越现实事物，甚至完美的刻画现实中无法达到的画面和效果。广大的艺术家和影视制作者可以利用此项技术充分的实现自己的想象力，同时满足大众视觉和心理的双重需求。本文将介绍计算机图形学的研究内容、发展历史，应用和图形学前沿的方向。关键词：计算机图形学；3D计算机图形技术；计算机辅助制造；虚拟现实；用户界面。1.绪论1.1研究内容如何在计算机中表示图形,以及如何利用计算机进行图形的生成、处理和显示的相关原理与算法，构成了计算机图形学的主要研究内容。从处理技术上来看，图形主要分为两类，一类是由线条组成的图形，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等，另一类是类似于照片的明暗图(Shading)，也就是通常所说的真实感图形。可以说，计算机图形学的一个重要研究内容就是要利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形。计算机图形学与另一门学科－计算机辅助几何设计有着密切的关系。事实上，图形学也把可以表示几何场景的曲线曲面造型技术和实体造型技术作为其重要的研究内容。同时，真实感图形计算的结果是以数字图象的方式提供的，计算机图形学也就和图象处理有着密切的关系。图形与图象两个概念间的区别越来越模糊，但我们认为还是有区别的：图象纯指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息。计算机图形学的研究内容非常广泛，如图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。作为一本面向计算机专业本科生和非计算机专业研究生的图形学教材，本书着重讨论与光栅图形生成、曲线曲面造型和真实感图形生成相关的原理与算法。1.2主要组成图形通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、线宽等非几何属性组成。从构成要素上看，图形主要分为两类，一类是几何要素在构图中具有突出作用的图形，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等，另一类非几何要素在构图中具有突出作用的图形，如明暗图、晕渲图、真实感图形等。1.3主要目的计算机图形学一个主要的目的就是要利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形。为此，必须建立图形所描述的场景的几何表示，再用某种光照模型，计算在假想的光源、纹理、材质属性下的光照明效果。所以计算机图形学与另一门学科计算机辅助几何设计有着密切的关系。事实上，图形学也把可以表示几何场景的曲线曲面造型技术和实体造型技术作为其主要的研究内容。同时，真实感图形计算的结果是以数字图像的方式提供的，计算机图形学也就和图像处理有着密切的关系。计算机图形学的研究内容非常广泛，如图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法、非真实感绘制，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。1.43D计算机图形技术概述1.4.1何为计算机3D技术3D计算机图形就是利用计算机在平面里显示出三维图形，目的就是要满足人眼近大远小特性的需求，使图形具有更高的真实感和立体感。具体来说就是利用计算机将图形图像的色彩灰度等属性进行层次处理，使其凸出的部分亮度高，凹陷的部分亮度较低，并且制造相应的阴影。虚拟三维技术是计算机图形学的一个分支理论，与计算机图形学一样，利用计算机的各种软件和程序来制作或者调整图像，从而满足人眼的各种立体需求。3D计算机图形技术最开始是应用于机械制造业和军事领域，后来随着计算机的普及，计算机图形学理论的迅速发展以及3D软件的不断开发和运用，其应用领域慢慢延伸到了影视、科研、航空等等，其中距离我们最近的，可以让我们感受到3D计算机图形魅力的就是现今我们在影院可以看到的3D影片。1.4.23D计算机技术运用在影视中的优点首先，3D计算机技术运用在电影制作中可以使电影能够通过一系列视觉效果使观众看到事物和现象，具有非常高的影视艺术价值。以电影《泰坦尼克号》为例，导演为了提高该部影视的3D效果和影视艺术价值，要求其工作人员按照当时真实沉没的泰坦尼克号游轮创作了1：1实物特技模型。3D版的泰坦尼克号重拍投资2亿多美元，让我们重新体验了其完美的视觉效果，也成为了耗资最多的电影之一。超过18亿美元的票房收入不仅仅是因为电影的剧情美轮美奂，更多的是影院中让我们瞠目结舌的一幕幕电影特效起到了推波助澜的作用。其次，由于计算机3D虚拟技术可以创造出非常真实而且极具视觉冲击的效果，其真实度几乎可以和真正的现实相媲美，所以3D计算机技术运用在影视中可以重现甚至扩展现实世界的各种事物。现如今电影中为了配合剧情需要，越来越多的要用到各种毁灭性或者易毁性的镜头，如果直接用实物来进行拍摄，成本和人员伤亡的可能性都硬件的正常工作状态，降低故障发生的可能性。在机房和计算机的环境维护上，要注意对温度和湿度的适当控制，减少环境因素对整体系统的影响。在人员进出上，要进行严格的审查和管理，避免无关人员进入导致对设备进行恶意和无意的操作，避免相关损失。2.发展历程1963年，伊凡·苏泽兰(IvanSutherland)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。至今已有四十多年的历史。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，所以计算机图形学的建立具有重要的意义。计算机图形学在如下几方面有了长足的进展。2.1智能CADCAD的发展也显现出智能化的趋势，就大多数流行的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。例如，德国西门子公司开发的SigraphDesign软件可以实现如下功能：①从一开始就可以用计算机设计草图，不必耗时费力的输入精确的坐标点，能随心所欲的修改，一旦结构确定，给出正确的尺寸即得到满意的图纸；②这个软件中具有关系数据结构，当你改变图纸的局部，相关部分自动变化，在一个视图上的修改，其他视图自动修改，甚至改变一个零件图，相关的其它零件图以及装配图的相关部分自动修改：③在各个专业领域中，有一些常用件和标准件，因此，希望有一个参数化图库。而Sigraph不用编程只需画一遍图就能建成自己的图库；④Sigraph还可以实现产品设计的动态模拟用于观察设计的装置在实际运行中是否合理等等。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，这就要求将点阵图象转化成矢量图形，而这些工作都让计算机自动完成，这就带来了许多的问题。如①图象的智能识别；②字符的提取与识别；③图形拓扑结构的建立与图形的理解；④实用化的后处理方法等等。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。2.2美术与设计1952年．美国的Ben．Laposke用模拟计算机做的波型图《电子抽象画》预示着电脑美术的开始(比计算机图形学的正式确立还要早)。计算机美术的发展可分为三个阶段：代表作品：1960年WiuiamFerrter为波音公司制作的人体工程学实验动态模拟．模拟飞行员在飞机中各种情况；1963年KennethKnowIton的打印机作品《裸体》。1967年日本GTG小组的《回到方块》。伦敦第一次世界计算机美术大展一“控制论珍宝(CybernehicSerendipity1为标志，进入世界性研究与应用阶段；计算机与计算机图形技术逐步成熟，一些大学开始设置相关课题，出现了一些CAD应用系统和成果，三维造型系统产生并逐渐完善。代表作品：1983年美国IBM研究所RicherdVoss设计出分形山(可到网站“分形频道hrtp：ttfracta1．126．tom中查找有关“分形”的知识)个人计算机图形系统逐渐走向成熟，大批商业性美术(设计)软件面市；以苹果公司的MAC机和图形化系统软件为代表的桌面创意系统被广泛接受，CAD成为美术设计领域的重要组成部分。代表作品：1990年JefreyShaw的交互图形作品“易读的城市fThelegiblecity)。2.3计算机动画艺术2.3.1历史回顾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。一直到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。2.3.2电影特技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。1988年，美国电影《谁陷害了兔子罗杰》(WhoFramedRogerRabbit?)中二维动画人物和真实演员的完美结合，令人瞠目结舌、叹为观止，其中用了不少计算机动画处理。1991年美国电影《终结者II：世界末日》展现了奇妙的计算机技术。此外，还有《侏罗纪公园》(JurassicPark)、《狮子王》、《玩具总动员》(ToyStory)等。2.3.3国内情况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