淺析計算機圖形學的應用及技術發展趨勢

石燕

摘要：計算機圖形學是計算機理論與應用的分支學科，隨著計算機軟硬件技術的迅速發展，計算機圖形技術也得到了快速發展。本文介紹了計算機圖形學的概念后，分析了其應用方面，并詳細闡述了該學科的發展趨勢。

關鍵詞：計算機圖形學；虛擬現實；三維建模；發展趨勢Application and development trend of computer graphics

(Henan University of Animal Husbandry and Economy)

Abstract:Computer graphics is a branch of computer theory and Application，With the rapid development of computer hardware and software technology, computer graphics technology has been rapid development。This paper introduces the concept of computer graphics, and analyzes its application, and elaborates the development trend of the subject.

Key words:Computer Graphics;Virtual Reality;Three dimensional modeling;trend of development

1計算機圖形學概述

計算機圖形學是一門將數據通過計算機的轉換后成為圖形，并在一定設備上顯示的原理、技術和方法的學科，其內容主要包括了計算機對圖形數據進行處理的軟件和硬件技術等。

計算機圖形學的研究內容非常廣泛，如圖形硬件、圖形標準、圖形交互技術、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實體造型、真實感圖形計算與顯示算法、非真實感繪制，以及科學計算可視化、計算機動畫、自然景物仿真、虛擬現實等。簡而言之，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。

基于物體準確性、真實性和實時性的特點，圖像圖形的生成通常包含以下幾類：1)基于圖形設備的基本圖形元素的生成算法；2)圖形元素的幾何變換，可對圖形做放大、縮小、旋轉、平移、鏡像等操作；3)自由曲線和曲面的插值、分解、擬合、光順、拼接、過渡、整體和局部修改等；4)三維幾何造型技術，包括對基本體素的定義及輸入、規則曲面與自由曲面的造型技術，以及它們之間的布爾運算方法的研究。

2相關技術應用領域及發展前沿

2.1 計算機輔助設計與制造（CAD）

計算機輔助設計與制造是計算機圖形學在工業和建筑界最重要的應用領域。計算機繪圖代替其手工繪圖，并將計算機圖形處理技術運用于大樓、汽車、輪船及機械和部件的設計與制造，已成為目前計算機輔助設計與制造的發展趨勢。

新一代的智能CAD系統可以實現從概念設計到結構設計的全過程，智能CAD的另一個領域是工程圖紙的自動輸入與智能識別。

2.2 科學計算的可視化

隨著人們運用計算機辦理公務、生活娛樂的不斷增多，數據處理也逐漸成為人類所面臨的主要工作、重要問題之一。科學計算可視化是使用計算機圖形生成技術，將科學、工程計算中的結果或測量數據等通過計算機屏幕中圖像的形式顯示出來。科學計算可視按其實現的功能可以分為三個檔次：(1)結果數據的后處理；(2)結果數據的實時跟蹤處理及顯示；(3)結果數據的實時顯示及交互處理。

這種改進計算的方式能夠讓人們直接觀察到數據發展的規律和自然現象，并能夠在計算流體力學、有限元分析、氣象科學、天體物理、分子生物學、醫學圖像處理等領域中廣泛使用。

2.3 計算機動畫技術

計算機動畫技術的發展始于60年代后期，利用計算機顯示點陣的特性，通過精心地設計圖案來進行計算機藝術創造的活動。計算機動畫不是靜態而是一種動態的而且連續的動態畫面，計算機動畫主要應用于游戲、影視及廣告中，動畫的場景深入人心，計算機動畫的形成依賴于計算機技術。

計算機動畫的一個重要應用就是制作電影特技。如創下票房記錄的影視《阿凡達》就利用計算機技術生給人們展現了非常精彩的畫面；兒童喜歡看的動畫片《熊出沒》這部動畫片展現了特殊的計算機技術，給兒童視覺帶來美的享受；此外，還有《冰雪奇緣》、《飛屋環游記》等都應用了計算機動畫藝術。

2.4 虛擬現實技術

虛擬現實也稱虛擬現實環境，是指用計算機技術生成一個逼真的三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺等感覺世界，讓用戶可以從自己的視點出發，利用自然的技能和某些設備對這一生成的虛擬世界客體進行瀏覽和交互考察，從而能夠給觀察者帶來一種身臨其境的感覺。

虛擬現實不僅是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機系統，提供了先進的人機交流技術；同時也是一項綜合性計算機圖形交互技術。計算機圖形學中的一些方法，如科學計算可視化、三維造型與變換、光照模型等為虛擬現實技術提供了理論和技術基礎。目前虛擬現實技術已被廣泛應用軍事駕駛模擬、視景仿真現實、3D游戲開發、虛擬設計與規劃、仿真培訓、遠程操作控制等領域之中。

2.5 計算機輔助教學

3計算機圖形學發展趨勢

3.1 基于交互式的三維模型建模方法

采用合適的交互手段，來進行三維模型的快速構造，達到和諧自然的三維建模。主要應用于概念設計和建筑設計領域。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慣，是目前研究的重點問題，研究難點是根據具體的應用領域，與視覺方法相融合，如何設計合理的交互語匯以及對應的過程式“識別-構造”方法。目前較為流行的是基于規則的過程式建模方法，用于嘗試高效地構造出三維建筑模型，以及相關的樹木等結構化場景。

3.2 基于圖形處理器的圖形硬件技術，提高圖形渲染效率

近年來，影視動漫以及各類可視化應用中都對圖形渲染結果的高真實感提出了很高的要求,因此圖形渲染就成了整個圖形學發展的核心。目前，已有的圖形學方法已經能較為真實地再現各類視覺效果，然而為了能提供高分辨率高動態的渲染效果，必須消耗非常可觀的計算能力。通常，一幀精美的高清分辨率圖像，單機渲染往往需要耗費數小時至數十小時，傳統的方法主要采用分布式系統，將渲染任務分配到集群渲染節點中。

隨著圖形處理器（GPU）技術的出現，加速了圖形繪制和渲染。GPU所采用的核心技術有硬體T&L、立方環境材質貼圖和頂點混合、紋理壓縮和凹凸映射貼圖、雙重紋理四像素256位渲染引擎等，而硬體T&L技術可以說是GPU的標志。最新的圖形學研究，采用GPU技術可以充分利用計算指令和數據的并行性，可在單個工作站上實現百倍于基于CPU方法的渲染速度。

3.3 計算機圖形學與圖像視頻處理技術相結合

隨著數碼相機和攝像機的日益普及，對于數字圖像與視頻數據處理成為了計算機研究中的熱點問題。而計算機圖形學技術，恰可以與這些圖像處理，視覺方法相交叉融合，來直接地生成風格化的畫面，實現基于圖像三維建模，以及直接基于視頻和圖像數據來生成動畫序列。目前，計算機圖形學研究的趨勢更傾向于圖像生成方法與在計算機視覺中逆向地從圖像中恢復各種信息的方法相結合，可以帶來無可限量的想象空間，構造出很多視覺特效來，最終用于增強現實、數字地圖、虛擬博物館展示等多種應用中去。

3.4 追求圖形的真實感向強調圖形的表意性轉變

在一個所需要描繪的場景中每個對象和元素都有與其相關需要傳達的信息，可根據重要度不同，采用不同的繪制策略來進行分層渲染再加以融合，最終合成具有一定表意性的圖像。這就是人們創造和生成圖片的終極目標，不僅僅是展現真實的世界，更重要的是表達所需要傳達的信息。為此，研究者已經開始研究如何與圖像處理、人工智能、心理認知等領域相結合，探索合適表意性圖形生成方法。

[參考文獻]

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[2]李春雨,等,編著.《計算機圖形學與實用編程技術》.北京航空航天大學出版社.

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[4]http://www.sciencenet.cn/u/kull/學科發展報告-計算機圖形學.