浅析计算机图形学的应用及技术发展趋势

石燕

摘要：计算机图形学是计算机理论与应用的分支学科，随着计算机软硬件技术的迅速发展，计算机图形技术也得到了快速发展。本文介绍了计算机图形学的概念后，分析了其应用方面，并详细阐述了该学科的发展趋势。

关键词：计算机图形学；虚拟现实；三维建模；发展趋势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计算机图形学概述

计算机图形学是一门将数据通过计算机的转换后成为图形，并在一定设备上显示的原理、技术和方法的学科，其内容主要包括了计算机对图形数据进行处理的软件和硬件技术等。

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。简而言之，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。

基于物体准确性、真实性和实时性的特点，图像图形的生成通常包含以下几类：1)基于图形设备的基本图形元素的生成算法；2)图形元素的几何变换，可对图形做放大、缩小、旋转、平移、镜像等操作；3)自由曲线和曲面的插值、分解、拟合、光顺、拼接、过渡、整体和局部修改等；4)三维几何造型技术，包括对基本体素的定义及输入、规则曲面与自由曲面的造型技术，以及它们之间的布尔运算方法的研究。

2相关技术应用领域及发展前沿

2.1 计算机辅助设计与制造（CAD）

计算机辅助设计与制造是计算机图形学在工业和建筑界最重要的应用领域。计算机绘图代替其手工绘图，并将计算机图形处理技术运用于大楼、汽车、轮船及机械和部件的设计与制造，已成为目前计算机辅助设计与制造的发展趋势。

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。

2.2 科学计算的可视化

随着人们运用计算机办理公务、生活娱乐的不断增多，数据处理也逐渐成为人类所面临的主要工作、重要问题之一。科学计算可视化是使用计算机图形生成技术，将科学、工程计算中的结果或测量数据等通过计算机屏幕中图像的形式显示出来。科学计算可视按其实现的功能可以分为三个档次：(1)结果数据的后处理；(2)结果数据的实时跟踪处理及显示；(3)结果数据的实时显示及交互处理。

这种改进计算的方式能够让人们直接观察到数据发展的规律和自然现象，并能够在计算流体力学、有限元分析、气象科学、天体物理、分子生物学、医学图像处理等领域中广泛使用。

2.3 计算机动画技术

计算机动画技术的发展始于60年代后期，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。计算机动画不是静态而是一种动态的而且连续的动态画面，计算机动画主要应用于游戏、影视及广告中，动画的场景深入人心，計算机动画的形成依赖于计算机技术。

计算机动画的一个重要应用就是制作电影特技。如创下票房记录的影视《阿凡达》就利用计算机技术生给人们展现了非常精彩的画面；儿童喜欢看的动画片《熊出没》这部动画片展现了特殊的计算机技术，给儿童视觉带来美的享受；此外，还有《冰雪奇缘》、《飞屋环游记》等都应用了计算机动画艺术。

2.4 虚拟现实技术

虚拟现实也称虚拟现实环境，是指用计算机技术生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察，从而能够给观察者带来一种身临其境的感觉。

虚拟现实不仅是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，提供了先进的人机交流技术；同时也是一项综合性计算机图形交互技术。计算机图形学中的一些方法，如科学计算可视化、三维造型与变换、光照模型等为虚拟现实技术提供了理论和技术基础。目前虚拟现实技术已被广泛应用军事驾驶模拟、视景仿真现实、3D游戏开发、虚拟设计与规划、仿真培训、远程操作控制等领域之中。

2.5 计算机辅助教学

3计算机图形学发展趋势

3.1 基于交互式的三维模型建模方法

采用合适的交互手段，来进行三维模型的快速构造，达到和谐自然的三维建模。主要应用于概念设计和建筑设计领域。由于笔式或草图交互方式，非常符合人类原有日常生活中的思考习惯，是目前研究的重点问题，研究难点是根据具体的应用领域，与视觉方法相融合，如何设计合理的交互语汇以及对应的过程式“识别-构造”方法。目前较为流行的是基于规则的过程式建模方法，用于尝试高效地构造出三维建筑模型，以及相关的树木等结构化场景。

3.2 基于图形处理器的图形硬件技术，提高图形渲染效率

近年来，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,因此图形渲染就成了整个图形学发展的核心。目前，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。通常，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，传统的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。

随着图形处理器（GPU）技术的出现，加速了图形绘制和渲染。GPU所采用的核心技术有硬体T&L、立方环境材质贴图和顶点混合、纹理压缩和凹凸映射贴图、双重纹理四像素256位渲染引擎等，而硬体T&L技术可以说是GPU的标志。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，可在单个工作站上实现百倍于基于CPU方法的渲染速度。

3.3 计算机图形学与图像视频处理技术相结合

随着数码相机和摄像机的日益普及，对于数字图像与视频数据处理成为了计算机研究中的热点问题。而计算机图形学技术，恰可以与这些图像处理，视觉方法相交叉融合，来直接地生成风格化的画面，实现基于图像三维建模，以及直接基于视频和图像数据来生成动画序列。目前，计算机图形学研究的趋势更倾向于图像生成方法与在计算机视觉中逆向地从图像中恢复各种信息的方法相结合，可以带来无可限量的想象空间，构造出很多视觉特效来，最终用于增强现实、数字地图、虚拟博物馆展示等多种应用中去。

3.4 追求图形的真实感向强调图形的表意性转变

在一个所需要描绘的场景中每个对象和元素都有与其相关需要传达的信息，可根据重要度不同，采用不同的绘制策略来进行分层渲染再加以融合，最终合成具有一定表意性的图像。这就是人们创造和生成图片的终极目标，不仅仅是展现真实的世界，更重要的是表达所需要传达的信息。为此，研究者已经开始研究如何与图像处理、人工智能、心理认知等领域相结合，探索合适表意性图形生成方法。

[参考文献]

[1]杨钦,徐永安,翟红英.《计算机图形学》.清华大学出版社.

[2]李春雨,等,编著.《计算机图形学与实用编程技术》.北京航空航天大学出版社.

[3]孙正兴.《计算机图形学教程》.机械工业出版社.

[4]http://www.sciencenet.cn/u/kull/学科发展报告-计算机图形学.