計算機(jī)圖形學(xué)文獻(xiàn)綜述

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上計算機(jī)圖形學(xué)論文學(xué) 號： 專 業(yè)： 信息與計算科學(xué) 班 級： 姓 名： 王俊才 指導(dǎo)教師： 傅由甲 一摘要計算機(jī)圖形學(xué)(Computer Graphics，簡稱CG)是一種使用數(shù)學(xué)算法將二維或三維圖形轉(zhuǎn)化為計算機(jī)顯示器的柵格形式的科學(xué)。簡單地說，計算機(jī)圖形學(xué)的主要研究內(nèi)容就是研究如何在計算機(jī)中表示圖形、以及利用計算機(jī)進(jìn)行圖形的計算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法。計算機(jī)圖形學(xué)作為計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的一個獨立分支已經(jīng)歷了近40年的發(fā)展歷程。一方面,作為一個學(xué)科,計算機(jī)圖形學(xué)在圖形基礎(chǔ)算法、圖形軟件與圖形硬件三方面取得了長足的進(jìn)步,成為當(dāng)代幾乎所有科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域用來加強(qiáng)

2、信息理解和傳遞的技術(shù)和工具。計算機(jī)圖形學(xué)在我國雖然起步較晚,然而它的發(fā)展卻十分迅速。我國的主要高校都開設(shè)了多門計算機(jī)圖形學(xué)的課程,并有一批從事圖形學(xué)基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的研究所。在浙江大學(xué)建立的計算機(jī)輔助與圖形學(xué)國家重點實驗室,已成為我國從事計算機(jī)圖形學(xué)研究的重要基地之一。 關(guān)鍵詞：實現(xiàn)2D/3D 圖形的算法，紋理映射，發(fā)展簡史，發(fā)展趨勢二、計算機(jī)圖形學(xué)中運用到的技術(shù)算法(1) OpenGL 實現(xiàn)2D/3D 圖形的算法OpenGL（全寫Open Graphics Library）是個定義了一個跨編程語言、跨平臺的編程接口的規(guī)格，它用于三維圖象（二維的亦可）。OpenGL是個專業(yè)的圖形程序接口，是一個

3、功能強(qiáng)大，調(diào)用方便的底層圖形庫。OpenGL是個與硬件無關(guān)的軟件接口，可以在不同的平臺如Windows 95、Windows NT、Unix、Linux、MacOS、OS2之間進(jìn)行移植。因此，支持OpenGL的軟件具有很好的移植性，可以獲得非常廣泛的應(yīng)用。由于OpenGL是圖形的底層圖形庫，沒有提供幾何實體圖元，不能直接用以描述場景。但是，通過一些轉(zhuǎn)換程序，可以很方便地將AutoCAD、3DS/3DSMAX等3D圖形設(shè)計軟件制作的DXF和3DS模型文件轉(zhuǎn)換成OpenGL的頂點數(shù)組。OpenGL是一個開放的三維圖形軟件包，它獨立于窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，以它為基礎(chǔ)開發(fā)的應(yīng)用程序可以十分方便地在各種平

4、臺間移植；OpenGL可以與Visual C+緊密接口，便于實現(xiàn)機(jī)械手的有關(guān)計算和圖形算法，可保證算法的正確性和可靠性；OpenGL使用簡便，效率高。它具有一下功能：1.建模：OpenGL圖形庫除了提供基本的點、線、多邊形的繪制函數(shù)外，還提供了復(fù)雜的三維物體（球、錐、多面體、茶壺等）以及復(fù)雜曲線和曲面繪制函數(shù)。2.變換：OpenGL圖形庫的變換包括基本變換和投影變換?；咀儞Q有平移、旋轉(zhuǎn)、變比鏡像四種變換，投影變換有平行投影（又稱正射投影）和透視投 影兩種變換。3.顏色模式設(shè)置：OpenGL顏色模式有兩種，即RGBA模式和顏色索引（Color Index）。4.光照和材質(zhì)設(shè)置：OpenGL光有

5、輻射光（Emitted Light）、環(huán)境光（Ambient Light）、漫反射光（Diffuse Light）和鏡面光（Specular Light）。材質(zhì)是用光反射率來表示。5:紋理映射（Texture Mapping）。利用OpenGL紋理映射功能可以十分逼真地表達(dá)物體表面細(xì)節(jié)。此外，利用OpenGL還能實現(xiàn)深度暗示（Depth Cue）、運動模糊（Motion Blur）等特殊效果。從而實現(xiàn)了消隱算法。(2) 紋理映射理映射技術(shù)用于生成物體表面的紋理細(xì)節(jié)，是真實感圖形技術(shù)的重要組成部分，也是計算機(jī)圖形學(xué)的一個重要研究內(nèi)容。紋理給物體提供了豐富的細(xì)節(jié)，用簡單的方式模擬出了復(fù)雜的外觀。一

6、個圖像（紋理）被貼(映射)到場景中的一個簡單形體上，就像印花貼到一個平面上一樣。第一步:定義紋理對象coast int TexNumber4;GLuint mes TextureTexNumber; /定義紋理對象數(shù)組第二步:生成紋理對象數(shù)組glGenTextures(TexNumber,m Texture);第三步:通過使用glBindTexture選擇紋理對象，來完成該紋理對象的定glBindTexture(GL TEXTURE 2D,m_Texture0);g1TexImage2D(GL TEXTURE_2D,0,3,mes Texmapl.GetWidthU,mee Texmapl.G

7、etHeight(),0,GL BGR EXT,GL UNSIGNED BYTE,mse Texmapl.GetDibBitsl'trQ);第四步:在繪制景物之前通過glBindTexture，為該景物加載相應(yīng)的紋glBindTexture(GLes TEXTURE_2D,mse Texture0);第五步:在程序結(jié)束之前調(diào)用glDeleteTextures刪除紋理對象glDeleteTextures(TexNumber, mee Texture);這樣就完成了全部紋理對象的管理和使用。三應(yīng)用及發(fā)展簡史（1）發(fā)展簡史1950 年，第一臺圖形顯示器 作為美國麻省理工學(xué)

8、院 (MIT)旋風(fēng)號(Whirlwind)計算機(jī)的附件誕生了。 該顯示器用一個類似示波的陰極射線管(CRT)來顯示一些簡單的圖形 。 在整個50 年代，只有子管計算機(jī) ，用機(jī)器語言編程 ，主要應(yīng)用于科學(xué)計算，為這些計算機(jī)置的圖形設(shè)備僅具有輸出功能 。 計算機(jī)圖形學(xué)處于準(zhǔn)備和醞釀時期并稱之為 ：“被動式”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 畫板的博士論文， 它標(biāo)志著計算機(jī)圖形學(xué)的正式誕生 。此前的計算機(jī)主要是符號

9、處理系統(tǒng) ，自從有了計算機(jī)圖形學(xué) ， 計算機(jī)可以部分地表現(xiàn) 人的右腦功能了，計算機(jī)圖形學(xué)的建立意義重大 。從1973年開始,相繼出現(xiàn)了英國劍橋大學(xué)CAD小組的Build系統(tǒng)、美國羅徹斯特大學(xué)的PADLI系統(tǒng)等實體造型系統(tǒng)。1980年Whitted提出了一個光透視模型 Whitted 模型,并第一次給出光線跟蹤算法的范例,實現(xiàn)Whitted模型;1984年,美國Cornell大學(xué)和日本廣島大學(xué)的學(xué)者分別將熱輻射工程中的輻射度的方法引入到計算機(jī)圖形學(xué)中,用輻射度方法成功地模擬了理想漫反射表面間的多重漫反射效果;光線跟蹤算法和輻射度算法的提出,標(biāo)志著

10、真實感圖形的顯示算法已逐漸成熟。從20世紀(jì)80年代中期以來,超大規(guī)模集成電路的發(fā)展,為圖形學(xué)的飛速發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。計算機(jī)的運算能力的提高,圖形處理速度的加快,使得圖形學(xué)的各個研究方向得到充分發(fā)展,圖形學(xué)已廣泛應(yīng)用于動畫、科學(xué)計算可視化、CAD/CAM、影視娛樂等各個領(lǐng)域。ACM SIGGRAPH會議是計算機(jī)圖形學(xué)最權(quán)威的國際會議,每年在美國召開,參加會議的人在50000人左右。SIGGRAPH會議很大程度上促進(jìn)了圖形學(xué)的發(fā)展,世界上不會有第二個領(lǐng)域會每年召開如此規(guī)模巨大的專業(yè)會議。SIGGRAPH是大約60年代中期,由Brown大學(xué)的教授AndriesvanDam和IBM公司的Sam Ma

11、tsa發(fā)起的。1974年,在Corlorado大學(xué)召開了第一屆SIGGRAPH年會,并取得了巨大的成功,當(dāng)時有大約600位來自世界各地的專家參加了會議。到了1997年,參加會議的人數(shù)已經(jīng)增加到48700。因為每年只錄取大約50篇論文,在Computer Graphics雜志上發(fā)表,因此論文的學(xué)術(shù)水平較高,基本上代表了圖形學(xué)已經(jīng)的主流方向。計算機(jī)圖形學(xué)中各個領(lǐng)域的發(fā)展各有各自的特點， 但總起來說是以虛擬現(xiàn)實為導(dǎo)向和目的的。虛擬現(xiàn)實的發(fā)展要求必將帶動計算機(jī)圖形學(xué)各學(xué)科的發(fā)展 同樣虛擬現(xiàn)實的發(fā)展也將依賴于其他學(xué)科的發(fā)展，計算機(jī)圖形前景誘人 形勢逼人(我國還比較落后)，但通過努力還是可以縮短差距的。（

12、2）應(yīng)用及發(fā)展前沿1.智能CADCAD 的發(fā)展也顯現(xiàn)出智能化的趨勢，就目前流行的大多數(shù)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(shè)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(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計， 最基本的是要用其中的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(shè)計到結(jié)構(gòu)設(shè)計的全過程。2.計算機(jī)輔助設(shè)計與制造CAD/CAU是計算機(jī)圖形學(xué)在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域。計算機(jī)圖形學(xué)被用來進(jìn)行土建工程、機(jī)械結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的設(shè)計,包括設(shè)計飛機(jī)、汽車、船舶的外形和發(fā)電廠、化工廠等的布

13、局以及電子線路、電子器件等。在電子工業(yè)中,計算機(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)勢是十分明顯的。3.計算機(jī)動畫藝術(shù)計算機(jī)動畫技術(shù)的發(fā)展是和許多其它學(xué)科的發(fā)展密切相關(guān)的。計算機(jī)圖形學(xué)、計算機(jī)繪畫、計算機(jī)音樂、計算機(jī)輔助設(shè)計、電影技術(shù)、電視技術(shù)、計算機(jī)軟件和硬件技術(shù)等眾多學(xué)科的最新成果都對計算機(jī)動畫技術(shù)的研究和發(fā)展起著十分重要的推動作用。計算機(jī)動畫的一個重要應(yīng)用就是制作電影特技 可以說電影特技的發(fā)展和計算機(jī)動畫的發(fā)展是相互促進(jìn)的。計算機(jī)動畫的應(yīng)用領(lǐng)域十分寬廣 除了用來制作影視作品外， 在科學(xué)研究、視覺模擬、電子游戲、工業(yè)設(shè)計、教學(xué)訓(xùn)練、寫真仿真、過程控制、平面繪畫、建

14、筑設(shè)計等許多方面都有重要應(yīng)用。4.科學(xué)計算可視化科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,數(shù)據(jù)量的與日俱增使得人們對數(shù)據(jù)的分析和處理變得越來越難,人們無法從數(shù)據(jù)海洋中得到最有用的數(shù)據(jù),找到數(shù)據(jù)的變化規(guī)律,提取最本質(zhì)的特征。但是如果能將這些數(shù)據(jù)用圖形的形式表示出來,情況就不一樣了,事物的發(fā)展趨勢和本質(zhì)特征將會很清楚地呈現(xiàn)在人們面前。5.虛擬現(xiàn)實“虛擬現(xiàn)實”(Virbual ReMity)- 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 Kruege070年代中早期實驗里被稱為人工現(xiàn)實”(Afitifi Cial realioy)；而在吉布森(WiUian

15、 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)實技術(shù)是一門多學(xué)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(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)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。6.用戶接口用戶界面是計算機(jī)系統(tǒng)中人與計算機(jī)之間相互通訊的重要組成部分。以用戶為中心的系統(tǒng)設(shè)計思想增進(jìn)人機(jī)交互的自然性，提高人機(jī)交互的效率和帶寬是用戶界面的研究方向。人體的表面就是人機(jī)界面。人體的任何部分都應(yīng)成為人機(jī)對話的通道。虛擬現(xiàn)實顯示是關(guān)鍵所在，這不僅要求軟件來實現(xiàn)，更主要的是硬件

16、上的實現(xiàn)。概括起來虛擬現(xiàn)實的人機(jī)交互通道可分為兩個方面：主要的感覺通道和主要作用通道。四計算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展趨勢（1）與圖形硬件的發(fā)展緊密結(jié)合，突破實時高真實感、高分辨率渲染的技術(shù)難點圖形渲染是整個圖形學(xué)發(fā)展的核心。在計算機(jī)輔助設(shè)計，影視動漫以及各類可視化應(yīng)用中都對圖形渲染結(jié)果的高真實感提出了很高的要求。同時，由于顯示設(shè)備的快速發(fā)展，人們要求能提供高清分辨率（1920x1080），進(jìn)一步要能達(dá)到數(shù)字電影所能播放的4K分辨率(4096x2060)；色彩的動態(tài)范圍也希望從原來每個通道的8Bit提高到10bit及以上。雖然已有的圖形學(xué)方法已經(jīng)能較為真實地再現(xiàn)各類視覺效果，然而為了能提供高分辨率高動態(tài)的

17、渲染效果，必須消耗非?？捎^的計算能力。一幀精美的高清分辨率圖像，單機(jī)渲染往往需要耗費數(shù)小時至數(shù)十小時。為此，傳統(tǒng)方法主要采用分布式系統(tǒng)，將渲染任務(wù)分配到集群渲染節(jié)點中。即使這樣，也需要使用上千臺計算機(jī)，耗費數(shù)月時間才能完成一部標(biāo)準(zhǔn)90分鐘長度的影片渲染。近10年來，基于GPU的圖形硬件技術(shù)得以發(fā)展迅速，已經(jīng)能在一個GPU芯片上采用64nm工藝集成上千個采用SIMD（單指令多數(shù)據(jù)流）架構(gòu)的通用計算核心。而2009年底，主流圖形硬件商nVidia和AMD以及Intel還會推出基于MIMD（多指令多數(shù)據(jù)流）計算核心的GPU芯片用于圖形加速繪制，以支持DirectX 11以及OpenGL 3.0圖形標(biāo)

18、準(zhǔn)。最新的圖形學(xué)研究，采用GPU技術(shù)可以充分利用計算指令和數(shù)據(jù)的并行性，已可在單個工作站上實現(xiàn)百倍于基于CPU方法的渲染速度。然而已知的實現(xiàn)方法，其實現(xiàn)效果還較為初步，無法實現(xiàn)復(fù)雜的視覺特效，離實時的高真實感渲染還有很大差距。其主要原因是：（i）缺乏良好的數(shù)據(jù)組織方法，基于GPU方法由于硬件的架構(gòu)原因，數(shù)據(jù)組織無法如同CPU方法一樣的組織，因此對復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)仍無法得到很好地支持。（ii）缺乏標(biāo)準(zhǔn)高效的GPU高層編程語言、編譯器以及相應(yīng)調(diào)試工具,（iii）由于以上兩個問題，無法完整地實現(xiàn)適于電影渲染制作的RenderMan標(biāo)準(zhǔn)，以及其他各類基于物理真實感的渲染算法。因此，如何充分利用GPU的計

19、算特性，結(jié)合分布式的集群技術(shù)，解決以上這些難題，從而來構(gòu)造低功耗的渲染服務(wù)是圖形學(xué)的未來發(fā)展趨勢之一。 （2）研究和諧自然的三維模型建模方法三維模型建模方法是計算機(jī)圖形學(xué)的重要基礎(chǔ)，是生成精美的三維場景和逼真動態(tài)效果的前提。然而，傳統(tǒng)的三維模型方法，由于其主要思想方法來源于CAD中基于參數(shù)式調(diào)整的形狀構(gòu)造方法，建模效率低而學(xué)習(xí)門檻高，不易于普及和讓非專業(yè)用戶使用。而隨著計算機(jī)圖形技術(shù)的普及和發(fā)展，各類用戶都提出了高效的三維建模需求，因此研究和諧自然的三維建模方法是目前發(fā)展的一個重要趨勢。采用合適的交互手段，來進(jìn)行三維模型的快速構(gòu)造，特別是應(yīng)用于概念設(shè)計和建筑設(shè)計領(lǐng)域目前已引起了國際同行的廣泛關(guān)

20、注。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(xí)慣，是目前研究的重點問題。其難點是根據(jù)具體的應(yīng)用領(lǐng)域，與視覺方法相融合，如何設(shè)計合理的交互語匯以及對應(yīng)的過程式“識別-構(gòu)造”方法。與此相關(guān)的一個問題是基于規(guī)則的過程式建模方法。目前由于Google Earth等數(shù)字地圖信息系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，對于地圖之上的建筑物信息等存在迫切需求。為此，研究者希望通過激光掃描或者視頻等獲取方式獲得相關(guān)信息后能迅速地重建出相關(guān)三維模型信息。然而單純的重建方式存在精度低、穩(wěn)定性差和運算量大等不足，遠(yuǎn)未能滿足實際的需求。因此，最近的研究中，傾向于采用基于規(guī)則的過程式建模方法相結(jié)合來嘗試高效地構(gòu)造出三維建筑模型

21、，以及相關(guān)的樹木等結(jié)構(gòu)化場景。三維建模方法中的另一主要問題是研究合適的曲面表達(dá)方法，以適于各類圖形學(xué)的應(yīng)用。在CAD的主流方法是采用NURBS（非均勻有理B-樣條）方法，然而此類方法無法很好解決非正規(guī)情況下的曲面拼合，不甚適合于圖形學(xué)。為此，細(xì)分曲面方法，作為一種離散迭代的曲面構(gòu)造方法，由于其構(gòu)造過程樸素簡單以及實現(xiàn)容易，是一個方興未艾的研究熱點，而且極有可能逐步取代NURBS方法。目前主要需要解決的問題有：（i）奇異點處的C2連續(xù)性的有效構(gòu)造方法；(ii)與GPU圖形硬件相結(jié)合的曲面處理方法。（3）利用日益增長的計算性能，實現(xiàn)具有高度物理真實的動態(tài)仿真高度物理真實感的動態(tài)模擬，包括對各種形變

22、、水、氣、云、煙霧、燃燒、爆炸、撕裂、老化等物理現(xiàn)象的真實模擬，是計算機(jī)圖形學(xué)一直試圖達(dá)到的目標(biāo)。這一技術(shù)是各類動態(tài)仿真應(yīng)用的核心技術(shù)，可以極大地提高虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的沉浸感。然而高度物理真實性模擬，主要受限于目前計算機(jī)的處理能力和存儲容量限制，不能處理很高精度的模擬，也無法做到很高的響應(yīng)速度。所幸的是，GPU技術(shù)帶來了革新這一技術(shù)的可能。充分利用GPU硬件內(nèi)部的并行性，研究者開始普遍關(guān)注基于GPU的各類數(shù)學(xué)物理方程求解極其相關(guān)的有限元加速計算方法。就目前而言，主要研究關(guān)注焦點還是單個物理方法的GPU實現(xiàn)。然而，最近隨著nVidia推出了基于GPU的PhysX通用物理加速技術(shù)，以及Havok公司與

23、AMD合作開發(fā)了通用物理中間件技術(shù)，相信未來可為高度物理真實的動態(tài)模擬提供新的研究機(jī)遇。（4）研究多種高精度數(shù)據(jù)獲取與處理技術(shù)，增強(qiáng)圖形技術(shù)的表現(xiàn)真實感的畫面與逼真動態(tài)效果，一種有效的解決途徑是采用各種高精度手段獲取所需的幾何、紋理以及動態(tài)信息。為此，研究者正在考慮對各個尺度上的信息進(jìn)行獲取。小到物體表面的微結(jié)構(gòu)、紋理屬性和反射屬性通過研制特殊裝置予以捕獲與處理，或采用一組同攝像機(jī)來獲取演員的幾何形體與動態(tài)，大到采用激光掃描獲取整幢建筑物的三維數(shù)據(jù)。這里主要研究的三個問題是：（a）圖形獲取設(shè)備的設(shè)計與實現(xiàn)，這是與計算機(jī)視覺、硬件、軟件相關(guān)的系統(tǒng)工程研究問題；（b）由于一般獲取的數(shù)據(jù)均極為龐大且附加了各種噪聲與冗余信息，如何進(jìn)行處理與壓縮以適合于圖形學(xué)應(yīng)用是主要問題；（c）一旦獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)，如何進(jìn)行重用是一個主要課題，因此使得基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，與機(jī)器學(xué)習(xí)相交叉的圖形學(xué)方法是最近的研究熱點。（5）計算機(jī)圖形學(xué)與圖像視頻處理技術(shù)的結(jié)合家用數(shù)字相機(jī)和攝像機(jī)的日益普及，對于數(shù)字圖像與視頻數(shù)據(jù)處理成為了計算機(jī)研究中的熱點問題。而計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)，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(fēng)格化的畫面，實現(xiàn)基于圖像三維建