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計算機圖形學讀書報告 （計算機圖形學的發(fā)展前景） 專 業(yè)： 數(shù)字媒體技術(shù) 班 級： 1306班 姓 名： 燕旱雨 學 號： （2013100661） 一、計算機圖形學的基本知識計算機圖形學是研究怎樣用計算機表示、生成、處理、和顯示圖形的一門學科，在計算機輔助設計、地理信息系統(tǒng)、計算機游戲、計算機動畫、虛擬現(xiàn)實等方面有著廣泛的應用。計算機圖形 用計算機表示、生成、處理和顯示對象。從范圍上說，計算機圖形包括了山、水、蟲、水、人等客觀世界存在的所有物體甚至意識形態(tài)；從內(nèi)容上說，計算機圖形學也已不僅僅是物體的形狀，還包含了物體的材質(zhì)、運動等各種屬性。因此，計算機圖形是儲存在計算機內(nèi)部的物體的坐標、紋理等各種屬性。數(shù)字圖形 由規(guī)則排列的像素上的顏色值組成的二維數(shù)組。數(shù)字圖像可能由數(shù)碼相機、攝像機或者其成像設備如CT機從外界獲取，也可能在計算機上通過計算機圖形裝化而成。 除了計算機圖形和數(shù)字圖像外，物體在計算機內(nèi)部的表達還可以是符號或抽象模型、圖像中的的一個區(qū)域等，研究物體的這些在計算機內(nèi)部的表達及表達間的裝換形成了和計算機圖形學密切相關(guān)的幾個重要學科。 圖像處理 將客觀世界中原來存在的物體的影像處理成新的數(shù)字化圖像的相關(guān)技術(shù)，如CT掃描，人臉識別，X射線探傷等。 模式識別 對所輸入的圖像進行分析和識別，找出其中蘊含的內(nèi)在聯(lián)系或抽象模型，如郵政分揀，人臉識別，地貌地形識別等。 計算幾何 也稱為計算機輔助幾何設計，是研究幾何模型和數(shù)據(jù)處理的學科，探究幾何形體的計算機表示、分析和綜合，研究如何靈活、有效地建立幾何形體的數(shù)學模型以及在計算機中更好的儲存和管理這些模型數(shù)據(jù)。 計算機視覺 模擬人的視覺機理使計算機獲得與人類相似的獲取和處理視覺信息能力的學科二、計算機圖形學的發(fā)展方向1、智能CADCAD 的發(fā)展也顯現(xiàn)出智能化的趨勢，就大多數(shù)流行的CAD軟件來看，主要功能是支持產(chǎn)品的后續(xù)階段一一工程圖的繪制和輸出，產(chǎn)品設計功能相對薄弱， 利用AutoCAD最常用的功能還是交互式繪圖，如果要想進行產(chǎn)品設計， 最基本的是要其中的AutoLisp語言編寫程序，有時還要用其他高級語言協(xié)助編寫，很不方便。而新一代的智能CAD 系統(tǒng)可以實現(xiàn)從概念設計到結(jié)構(gòu)設計的全過程。智能CAD的另一個領(lǐng)域是工程圖紙的自動輸入與智能識別，隨著CAD技術(shù)的迅速推廣應用，各個工廠、設計院都需將成千上萬張長期積累下來的設計圖紙快速而準確輸入計算機，作為新產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)資料。多年來，CAD 中普遍采用的圖形輸入方法是圖形數(shù)字化儀交互輸入和鼠標加鍵盤的交互輸入方法很難適應工程界大量圖紙輸入的迫切需要。因此， 基于光電掃描儀的圖紙自動輸入方法已成為國內(nèi)外CAD工作者的努力探索的新課題。但由于工程圖的智能識別涉及到計算機的硬件、計算機圖形學、模式識別及人工智能等高新技術(shù)內(nèi)容，使得研究工作的難點較大。工程圖的自動輸入與智能識別是兩個密不可分的過程，用掃描儀將手繪圖紙輸入到計算機后，形成的是點陣圖象。CAD 中只能對矢量圖形進行編輯， 這就要求將點陣圖象轉(zhuǎn)化成矢量圖形而這些工作都讓計算機自動完成這就帶來了許多的問題如 圖象的智能識別； 字符的提取與識別； 圖形拓撲結(jié)構(gòu)的建立與圖形的理解；實用化的后處理方法等等。國家自然科學基金會和863計劃基金都在支持這方面的研究， 國內(nèi)外已有一些這方面的軟件付諸實用，如美國的RVmaster，德國的VPmax， 以及清華大學，東北大學的產(chǎn)品等。但效果都不很理想還未能達到人們企盼的效果。2、美術(shù)與設計計算機美術(shù)的發(fā)展1952年美國的Ben Laposke用模擬計算機做的波型圖電子抽象畫預示著電腦美術(shù)的開始(比計算機圖形學的正式確立還要早)。計算機美術(shù)的發(fā)展可分為三個階段：代表作品：1960年Wiuiam Ferrter為波音公司制作的人體工程學實驗動態(tài)模擬模擬飛行員在飛機中各種情況；1963年Kenneth Know Iton的打印機作品裸體。1967年日本GTG小組的回到方塊。倫敦第一次世界計算機美術(shù)大展一“控制論珍寶 (Cybernehic Serendipity1為標志，進入世界性研究與應用階段；計算機與計算機圖形技術(shù)逐步成熟， 一些大學開始設置相關(guān)課題， 出現(xiàn)了一些CAD應用系統(tǒng)和成果， 三維造型系統(tǒng)產(chǎn)生并逐漸完善。代表作品：1983年美國IBM 研究所Richerd Voss設計出分形山(可到網(wǎng)站“分形頻道hrtp：ttfracta1126tom 中查找有關(guān)“分形”的知識)個人計算機圖形系統(tǒng)逐漸走向成熟， 大批商業(yè)性美術(shù)(設計)軟件面市； 以蘋果公司的MAC 機和圖形化系統(tǒng)軟件為代表的桌面創(chuàng)意系統(tǒng)被廣泛接受，CAD成為美術(shù)設計領(lǐng)域的重要組成部分。代表作品：1990年Jefrey Shaw的交互圖形作品“易讀的城市f The legible city) 。計算機設計學(Computer Designics) 包括三個方面：環(huán)境設計(建筑、汽車)、視覺傳達設計(包裝)、產(chǎn)品設計。3、計算機動畫藝術(shù) 計算機動畫的簡介計算機動畫技術(shù)的發(fā)展是和許多其它學科的發(fā)展密切相關(guān)的。計算機圖形學、計算機繪畫、計算機音樂、計算機輔助設計、電影技術(shù)、電視技術(shù)、計算機軟件和硬件技術(shù)等眾多學科的最新成果都對計算機動畫技術(shù)的研究和發(fā)展起著十分重要的推動作用50年代到60年代之間，大部分的計算機繪畫藝術(shù)作品都是在打印機和繪圖儀上產(chǎn)生的。一直到60年代后期，才出現(xiàn)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(shù)創(chuàng)造的活動。電影特技計算機動畫的一個重要應用就是制作電影特技 可以說電影特技的發(fā)展和計算機動畫的發(fā)展是相互促進的。1987年由著名的計算機動畫專家塔爾曼夫婦領(lǐng)導的MIRA 實驗室制作了一部七分鐘的計算機動畫片相會在蒙特利爾 再現(xiàn)了國際影星瑪麗蓮夢露的風采。1988年，美國電影誰陷害了兔子羅杰 (Who Framed Roger Rabbit?)中二維動畫人物和真實演員的完美結(jié)合，令人瞠目結(jié)舌、嘆為觀止 其中用了不少計算機動畫處理。1991年美國電影終結(jié)者II：世界末日展現(xiàn)了奇妙的計算機技術(shù)。此外，還有侏羅紀公園(Jurassic Park)、獅子王、玩具總動員(Toy Story)等。計算機動畫的應用領(lǐng)域十分寬廣 除了用來制作影視作品外， 在科學研究、視覺模擬、電子游戲、工業(yè)設計、教學訓練、寫真仿真、過程控制、平面繪畫、建筑設計等許多方面都有重要應用，如軍事戰(zhàn)術(shù)模擬4、科學計算可視科學計算的可視化是發(fā)達國家八十年代后期提出并發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它將科學計算過程中及計算結(jié)果的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為幾何圖形及圖象信息在屏幕上顯示出來并進行交互處理，成為發(fā)現(xiàn)和理解科學計算過程中各種現(xiàn)象的有力工具。1987年2月英國國家科學基金會在華盛頓召開了有關(guān)科學計算可視化的首次會議。會議一致認為“將圖形和圖象技術(shù)應用于科學計算是一個全新的領(lǐng)域” 科學家們不僅需要分析由計算機得出的計算數(shù)據(jù)，而且需要了解在計算機過程中數(shù)據(jù)的變化。會議將這一技術(shù)定名為“科學計算可視化(Visualization in Scientific Computing)”?？茖W計算可視化將圖形生成技術(shù)圖象理解技術(shù)結(jié)合在一起， 它即可理解送入計算機的圖象數(shù)據(jù)也可以從復雜的多維數(shù)據(jù)中產(chǎn)生圖形。它涉及到下列相互獨立的幾個領(lǐng)域：計算機圖形學、圖象處理、計算機視覺、計算機輔助設計及交互技術(shù)等。科學計算可視按其實現(xiàn)的功能來分， 可以分為三個檔次：(1)結(jié)果數(shù)據(jù)的后處理；(2)結(jié)果數(shù)據(jù)的實時跟蹤處理及顯示；(3)結(jié)果數(shù)據(jù)的實時顯示及交互處理。5、虛擬現(xiàn)實技術(shù)“虛擬現(xiàn)實”(Virtual Reality)- 詞是由美國噴氣推動實驗室(VPL)的創(chuàng)始人拉尼爾(Jaron Lanier)首先提出的 在克魯格(Myren Kruege)70年代中早期實驗里被稱為 人工現(xiàn)實”(Artificial reality)；而在吉布森(William Gibson)l984 年出版的科幻小說Neuremanccr里，又被稱為“可控空間”(Cyberspaee)。虛擬現(xiàn)實， 也育人稱之為虛擬環(huán)境(Virtual Environment)是美國國家航空和航天局及軍事部門為模擬而開發(fā)的一門高新技術(shù) 它利用計算機圖形產(chǎn)生器，位置跟蹤器，多功能傳感器和控制器等有效地模擬實際場景和情形，從而能夠使觀察者產(chǎn)生一種真實的身臨其境的感覺虛擬環(huán)境由硬件和軟件組成，硬件部分主要包括：傳感器(Sensors)、印象器(Efeeter)和連接侍感器與印象器 產(chǎn)生模擬物理環(huán)境的特殊硬件。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)產(chǎn)生虛擬現(xiàn)實環(huán)境的軟件需完成以下三個功能：建立作用器(Actors)以及物體的外形和動力學模型：建立物體之間以及周圍環(huán)境之間接照牛頓運動定律所決定的相互作用；描述周圍環(huán)境的內(nèi)容特性虛擬現(xiàn)實，是指由計算機實時生成一個虛擬的三維空間。這個空間可以是小到分子、原子的微觀世界，或是大到天體的宏觀世界，也可以是類似于真實社會的生活空間。它可以亂真，所以又稱之為虛擬現(xiàn)實。用戶可以在這個三維空間中“自由”地走動，隨意地觀察，并可通過一些設備與其中的虛擬景物進行交互操作。交互是多通道的，自然的，用以傳遞信息的可以是一個手勢、一個眼神，也可以是一個表情等。在此環(huán)境中，用戶看到的是由計算機生成的逼真圖像，聽到的是虛擬環(huán)境中的聲音，身體感受到的是虛擬環(huán)境所反饋的作用力，由此產(chǎn)生身臨其境的感覺。虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要研究用計算機模擬（構(gòu)造）三維圖形空間，并使用戶能夠自然地與該空間進行交互。它涉及很多科學的知識，對三維圖形處理技術(shù)的要求特別高。簡單的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)早在70年代便被應用于軍事領(lǐng)域，訓練駕駛員。80年代后隨著計算機軟硬件技術(shù)的提高，它也得到重視并迅速發(fā)展。它已在航空航天、醫(yī)學、教育、藝術(shù)、建筑等領(lǐng)域得到初步的應用。例如，1997年7月，美國航天局的旅居者號火星車著陸距地球約1.9億公里的火星。這輛在火星表面緩慢爬行的小車中并沒有駕駛員，它是由地球上的工程師通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)操縱的。虛擬現(xiàn)實應用 虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要應用于腦外科規(guī)劃的雙手操作空間接口工具、虛擬環(huán)境用于恐高癥治療、虛擬風洞、封閉式戰(zhàn)斗作戰(zhàn)訓練器、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑設計中應用、地理信息系統(tǒng)（地理信息系統(tǒng)是建立在地理圖形之上的關(guān)于人口、礦藏、森林、旅游等資源的綜合信息管理系統(tǒng)。它在發(fā)達國家中已得到廣泛應用，我國也對其開展了廣泛的研究與應用。在地理信息系統(tǒng)中，計算機圖形學技術(shù)被用來產(chǎn)生高精度的各種資源的圖形，包括地理圖、地形圖、森林分布圖、人口分布圖、礦藏分布圖、氣象圖、水資源分布圖等等。地理信息系統(tǒng)為管理和決策者提供非常有效的支持。）總之虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一門多學科交叉和綜合集成的新技術(shù)。因此， 它的發(fā)展將取決于相關(guān)科學技術(shù)的發(fā)展和進步 虛擬現(xiàn)實技術(shù)最基本的要求就是反映的實時性和場景的真實性。但一般來說，實時性與真實性往往是相互矛盾的。電腦用戶界面用戶界面是計算機系統(tǒng)中人與計算機之間相互通訊的重要組成部分。八十年代以WIMP(窗口、圖符、菜單、鼠標)為基礎(chǔ)的圖形用戶界面(GUD極大地改善了計算機的可用性、可學性和有效性，迅速代替了命令行為代表的字符界面，成為當今計算機用戶界面的主流。以用戶為中心的系統(tǒng)設計思想增進人機交互的自然性，提高人機交互的效率和帶寬是用戶界面的研究方向。于是提出了多通道用戶界面的思想，它包括語言、姿勢輸入、頭部跟蹤、視覺跟蹤、立體顯示、三維交互技術(shù)、感覺反饋及自然語言界面等?？梢赃@樣說人體的表面就是人機界面。人體的任何部分都應成為人機對話的通道。虛擬現(xiàn)實顯示是關(guān)鍵所在，這不僅要求軟件來