導(dǎo)語(yǔ)：詮解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展歷程及應(yīng)用一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：綜觀計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，我們發(fā)現(xiàn)圖形學(xué)的發(fā)展迅速，而且仍在快速的向前發(fā)展。并且已經(jīng)成為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科，傲站在科學(xué)的前端，有著廣泛的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：圖形實(shí)時(shí)繪制自然景物仿真

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(ComputerGraphics，簡(jiǎn)稱CG)是一種使用數(shù)學(xué)算法將二維或三維圖形轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)顯示器的柵格形式的科學(xué)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容就是研究如何在計(jì)算機(jī)中表示圖形、以及利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形的計(jì)算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法。圖形通常由點(diǎn)、線、面、體等幾何元素和灰度、色彩、線型、線寬等非幾何屬性組成。從處理技術(shù)上來(lái)看，圖形主要分為兩類，一類是基于線條信息表示的，如工程圖、等高線地圖、曲面的線框圖等，另一類是明暗圖，也就是通常所說(shuō)的真實(shí)感圖形。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)已成為計(jì)算機(jī)科學(xué)中最為活躍的分支之一，并得到廣泛的應(yīng)用。本文將介紹計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容、發(fā)展歷史，應(yīng)用和圖形學(xué)前沿的方向。

1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史

1950年，第一臺(tái)圖形顯示器作為美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)旋風(fēng)號(hào)—(Whirlwind)計(jì)算機(jī)的附件誕生了。該顯示器用一個(gè)類似示波的陰極射線管(CRT)來(lái)顯示一些簡(jiǎn)單的圖形。在整個(gè)50年代，只有子管計(jì)算機(jī)，用機(jī)器語(yǔ)言編程，主要應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算，為這些計(jì)算機(jī)置的圖形設(shè)備僅具有輸出功能。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)處于準(zhǔn)備和醞釀時(shí)期并稱之為：“被動(dòng)式”圖形學(xué)。1963年，伊凡•蘇澤蘭在麻省理工學(xué)院發(fā)表了名為《畫(huà)板》的博士論文，它標(biāo)志著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的正式誕生。此前的計(jì)算機(jī)主要是符號(hào)處理系統(tǒng)，自從有了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，計(jì)算機(jī)可以部分地表現(xiàn)人的右腦功能了，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的建立意義重大。

2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用

2.1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造

CAN/CAN是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在工業(yè)界最廣泛，最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)被用來(lái)進(jìn)行土建工程，機(jī)械結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)飛機(jī)、汽車、船舶的外形和發(fā)電廠、化工廠等的布局以及電子線路、電子器件等。有時(shí)，著眼于產(chǎn)生工程和產(chǎn)品相應(yīng)結(jié)構(gòu)的精確圖形，然而更常用的是對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，產(chǎn)品和工程的相關(guān)圖形進(jìn)行人—機(jī)交互設(shè)計(jì)和修改，經(jīng)過(guò)反復(fù)的選代設(shè)計(jì)，便可利用結(jié)果數(shù)據(jù)輸出零件表、材料單、加工流程和工藝卡，或者數(shù)據(jù)加工代碼的指令。在電子工業(yè)中，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用到集成電路、印刷電路板，電子線路和網(wǎng)絡(luò)分析等方面的優(yōu)勢(shì)十分明顯。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行異地異構(gòu)系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)，已成為CAD領(lǐng)域最熱門(mén)的課題之一。現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)已不再是一個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)孤立的技術(shù)問(wèn)題，而是綜合了產(chǎn)品各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域，相關(guān)過(guò)程，相關(guān)技術(shù)資源和相關(guān)組織形式的系統(tǒng)化工程。

CAD領(lǐng)域另一個(gè)非常重要的研究領(lǐng)域是基于工程圖紙的三維形體重建。三維形體重建是從二維信息中提取三維信息，通過(guò)對(duì)這些信息進(jìn)行分類，綜合等一系列處理，在三維空間中重新構(gòu)造出二維信息所對(duì)應(yīng)的三維形體，恢復(fù)形體的點(diǎn)、線、面及其拓?fù)潢P(guān)素，從而實(shí)現(xiàn)形體的重建。

2.2科學(xué)計(jì)算可視化

目前科學(xué)計(jì)算可視化廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，流體力學(xué)，有限元分析，氣象分析當(dāng)中。尤其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可視化有著廣闊的發(fā)展前途。依靠精密機(jī)械做腦部手術(shù)是目前醫(yī)學(xué)上很熱門(mén)的課題，而這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)則是可視化。當(dāng)我們做腦部手術(shù)時(shí)，可視化技術(shù)技術(shù)將醫(yī)用CT掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成圖象，使得醫(yī)生能夠看到并準(zhǔn)確的判別病人的體內(nèi)患處，然后通過(guò)碰撞檢測(cè)一類的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手術(shù)效果的反饋，幫助醫(yī)生成功完成手術(shù)。我們利用了可視化技術(shù)。天氣氣象站將大量數(shù)據(jù)，通過(guò)可視化技術(shù)轉(zhuǎn)化成形象逼真的圖形后，經(jīng)過(guò)仔細(xì)的分析就可以清晰的預(yù)見(jiàn)幾天后的天氣情況。

2.3圖形實(shí)時(shí)繪制與自然景物仿真

重現(xiàn)真實(shí)世界的場(chǎng)景叫做真實(shí)感繪制。真實(shí)感繪制主要是模擬真實(shí)物體的物理屬性，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是物體的形狀，光學(xué)性質(zhì)，表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對(duì)位置，遮擋關(guān)系等等。在自然景物仿真這項(xiàng)技術(shù)中我們需要過(guò)行消除隱藏線及面、明暗效應(yīng)、顏色模型、紋理、光線跟蹤，輻射度等工作。這其中光照和表面屬性是最難摸擬的。而且還必須處理物體表面的明暗效應(yīng)，以便用不同的色彩灰度來(lái)增加圖形的真實(shí)感。自然景物仿真在幾何圖形、廣告影視、指揮控制，科學(xué)計(jì)算等方面應(yīng)用范圍很廣。除了建造計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)的逼真物理模型外，真實(shí)感繪制還有一個(gè)研究重點(diǎn)是研究加速算法，力求能在最短的時(shí)間內(nèi)繪制出最真實(shí)的場(chǎng)景。

2.4計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)

隨著計(jì)算機(jī)圖形和計(jì)算機(jī)硬件的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)應(yīng)運(yùn)而生。事實(shí)上動(dòng)畫(huà)也只是生成一幅幅靜態(tài)的圖象，但是每一幅都是對(duì)前一幅小部分修改，如何修改便是計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)的研究?jī)?nèi)容，這樣，當(dāng)這些連續(xù)播放時(shí)，整個(gè)場(chǎng)景就動(dòng)起來(lái)。

早期的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)靈感來(lái)源于傳統(tǒng)的卡通片，在生成幾幅被稱作“關(guān)健幀”，連續(xù)播放時(shí)2個(gè)關(guān)健幀就被有機(jī)的結(jié)合起來(lái)了。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)內(nèi)容豐富多彩，生成動(dòng)畫(huà)的方法也多種多樣，比如基于特征的圖象變形，二維形狀混合，軸變形方法，三維自由形體變形等。近年來(lái)人們普遍將注意力轉(zhuǎn)向基于物理模型的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)生成方法。這是一種嶄新的方法，該方法大量運(yùn)用彈性力學(xué)和流體力學(xué)的方程進(jìn)行計(jì)算，力求使動(dòng)畫(huà)過(guò)程體現(xiàn)出最適合真實(shí)世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。然而要真正到達(dá)真實(shí)運(yùn)動(dòng)是很難的，比如人的行走或跑步，要實(shí)現(xiàn)很自然的人走路的畫(huà)面，計(jì)算機(jī)方程非常復(fù)雜和計(jì)算量極大，基于物理模型的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)還有許多內(nèi)容需要進(jìn)一步研究。

2.5計(jì)算機(jī)藝術(shù)

用計(jì)算機(jī)從事藝術(shù)創(chuàng)作，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)除了廣泛用于藝術(shù)品的制造，如各種圖案、花紋及傳統(tǒng)的油畫(huà)、中國(guó)國(guó)畫(huà)等。還成功的用來(lái)制造廣告、動(dòng)畫(huà)片甚至電影，其中有的影片還獲得了奧斯卡獎(jiǎng)。這是電影界最高的殊榮。目前國(guó)內(nèi)外不少人士正在研制人體模擬系統(tǒng)，這使得在不久的將來(lái)把歷史上早已去世的著名影視明星重新搬上新的影視片成為可能。這是一個(gè)傳統(tǒng)的藝術(shù)家無(wú)法實(shí)現(xiàn)也不可想象的。

3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展前景

綜觀計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，我們發(fā)現(xiàn)圖形學(xué)的發(fā)展迅速，并且已經(jīng)成為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科，傲站在科學(xué)的前端。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。比如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造，自然景物仿真和計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)。在我們的生活到處可見(jiàn)，使我們的生活變的絢麗多彩。還有將可視化用于天氣預(yù)報(bào)，使氣象預(yù)報(bào)越來(lái)越準(zhǔn)確；用于地質(zhì)堪探，使地質(zhì)學(xué)家可以發(fā)現(xiàn)新資源；用于醫(yī)學(xué)做一些精密的手術(shù)提高了人們的壽命等。總之計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用給人類帶來(lái)了很多益處，在促進(jìn)人們物質(zhì)水平提高的同時(shí)，也給我們帶來(lái)的精神上的享受。當(dāng)然，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在某些領(lǐng)域的發(fā)展還未成熟，需要圖形學(xué)工作者再接再厲，不斷完善它的不足之處。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)有著廣泛的發(fā)展前景，而且將在人們的生活中起著越來(lái)越重要的作用。