計(jì)算機(jī)圖形學(xué)主要研究報(bào)告內(nèi)容

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)主要研究報(bào)告內(nèi)容個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)主要研究內(nèi)容要想了解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容，我們要弄清這樣幾個(gè)問題。1.我們先來看一下“圖形”這個(gè)關(guān)鍵詞。圖形是指在載體上以幾何線條和幾何符號等反映事物各類特征和變化規(guī)律的表達(dá)形式；圖像是圖形和各種影像的總稱。相較于文字，圖像所傳達(dá)的信息量要巨大的多，更加直觀，更易為人所接受，作為圖像的組成部分，圖形也具有這些特點(diǎn)。以圖1為例，這幅圖為香港亞太設(shè)計(jì)雙年展0174號展品，我們不難想象，文字是無法準(zhǔn)確地描述出下圖的會議室裝修效果的，不能傳達(dá)出設(shè)計(jì)師的思想。而這幅依靠計(jì)算機(jī)3D軟件做出來的圖形則清楚準(zhǔn)確地展現(xiàn)出了設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)意圖。學(xué)理論。由此，需要研究用計(jì)算機(jī)及其圖形設(shè)備對圖形進(jìn)行數(shù)學(xué)模型化生成、表示和變換及其輸入、輸出的原理和算法。它的研究分為兩個(gè)部分:一部分研究幾何作圖,它包括平面線條作圖和三維立體建模等。另一部分研究圖形表面渲染(Rendering>,它包括表面色調(diào)、光照、陰影和紋理等表面屬性的研究。簡而言之，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)就是主要研究在計(jì)算機(jī)中如何表示圖形以及如何利用計(jì)算機(jī)對圖形進(jìn)行分析、計(jì)算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法。這門新興的學(xué)科是如何產(chǎn)生的？它經(jīng)歷了哪些發(fā)展？計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展主要經(jīng)歷了硬件的發(fā)展、算法的發(fā)展、計(jì)算機(jī)圖形標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。

(1>硬件的發(fā)展

1950年，美國麻省理工學(xué)院(MIT>誕生了旋風(fēng)I號(WhirlwindI>計(jì)算機(jī)及其顯示器。五十年代中期，美國戰(zhàn)術(shù)防空系統(tǒng)SAGE(SemiAutomaticGroundEnvironment>則是第一個(gè)使用具有命令和控制功能的CRT顯示控制臺的系統(tǒng)。

1962年，MIT林肯實(shí)驗(yàn)室的IvanE.Sutherland發(fā)表了一篇題為“Sketchpad：一個(gè)人機(jī)通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文，他在論文中首次使用了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)“ComputerGraphics”這個(gè)術(shù)語，證明了交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一個(gè)可行的、有用的研究領(lǐng)域，從而確定了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為一個(gè)嶄新的科學(xué)分支的獨(dú)立地位。

(2>軟件及算法的發(fā)展20世紀(jì)70年代是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展過程中一個(gè)重要的歷史時(shí)期，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的CAD圖形系統(tǒng)開始出現(xiàn)，另外兩個(gè)重要進(jìn)展是真實(shí)感圖形學(xué)和實(shí)體造型技術(shù)的產(chǎn)生。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(shí)體造型系統(tǒng)。1980年Whitted提出了一個(gè)光透視模型——Whitted模型,并第一次給出光線跟蹤算法的范例,實(shí)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(jì)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)志著真實(shí)感圖形的顯示算法已逐漸成熟。

(3>計(jì)算機(jī)圖形標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展

1974年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)化局<ANSI）在ACMSIGGRAPH的一個(gè)與"與機(jī)器無關(guān)的圖形技術(shù)"的工作會議上，提出了制定有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基本規(guī)則。此后ACM專門成立了一個(gè)圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會，開始制定有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。該委員會于1977、1979年先后制定和修改了"核心圖形系統(tǒng)"<CoreGraphicsSystem）。ISO隨后又發(fā)布了計(jì)算機(jī)圖形接口CGI(ComputerGraphicsInterface>、計(jì)算機(jī)圖形元文件標(biāo)準(zhǔn)CGM<ComputerGraphicsMetafile）、計(jì)算機(jī)圖形核心系統(tǒng)GKS(GraphicsKernelsystem>、面向程序員的層次交互圖形標(biāo)準(zhǔn)PHIGS(Programmer''sHierarchicalInteractiveGraphicsStandard>等。1983年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局發(fā)布了初始圖形交換規(guī)范IGES(InitialGraphicsExchangeSpecification>。1992年，美國SGI(SiliconGraphics,Inc.>推出了OpenGL，這是目前在工作站和PC上都被廣泛應(yīng)用的一個(gè)圖形應(yīng)用編程接口<API）。這些標(biāo)準(zhǔn)的制定，使圖形應(yīng)用系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)硬件無關(guān)，提高了程序的可移植性，為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的推廣、應(yīng)用、資源信息共享，起到了極其重要的作用。

<4）計(jì)算機(jī)圖形實(shí)際應(yīng)用的發(fā)展從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(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力的提高,圖形處理速度的加快,使得圖形學(xué)的各個(gè)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(jì)算可視化、CAD/CAM、影視娛樂等各個(gè)領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的目的是什么？計(jì)算機(jī)圖形學(xué)一個(gè)主要的目的就是要利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生令人賞心悅目的真實(shí)感圖形。為此，必須建立圖形所描述的場景的幾何表示，再用某種光照模型，計(jì)算在假想的光源、紋理、材質(zhì)屬性下的光照明效果。所以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與另一門學(xué)科計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)有著密切的關(guān)系。事實(shí)上，圖形學(xué)也把可以表示幾何場景的曲線曲面造型技術(shù)和實(shí)體造型技術(shù)作為其主要的研究內(nèi)容。同時(shí)，真實(shí)感圖形計(jì)算的結(jié)果是以數(shù)字圖像的方式提供的，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)也就和圖像處理有著密切的關(guān)系。6.最后，我們來看看計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究內(nèi)容。從總體上來說，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容非常廣泛，如圖形硬件、圖形標(biāo)準(zhǔn)、圖形交互技術(shù)、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實(shí)體造型、真實(shí)感圖形計(jì)算與顯示算法、非真實(shí)感繪制，以及科學(xué)計(jì)算可視化、計(jì)算機(jī)動畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等。從計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的特點(diǎn)目的以及發(fā)展過程來看，首先，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一個(gè)不斷發(fā)展的過程，那么它的研究內(nèi)容必然是不斷發(fā)生變化，不斷豐富的過程。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)由最初的硬件研究而產(chǎn)生，并隨著硬件的發(fā)展不斷豐富，因此，圖形硬件是其重要的研究內(nèi)容之一。圖形輸出、輸入設(shè)備和技術(shù)，包括顯示器結(jié)構(gòu)體系，硬件交互、接口、功能，請求模式等等。人們要利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行工作，首先必須實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)間的信息傳遞，計(jì)算機(jī)與人之間的交流界面隨著計(jì)算機(jī)軟件、硬件的發(fā)展而越來越簡單、友好，這也反映了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展變化。人機(jī)界面從早期的讀卡機(jī)及控制板上的開關(guān)、指示燈發(fā)展到鍵盤和字符終端，再發(fā)展到目前基于鍵盤、鼠標(biāo)、光筆等輸入設(shè)備和顯示器上的圖形用戶界面。這個(gè)發(fā)展過程正好對應(yīng)著計(jì)算機(jī)技術(shù)從初級到高級的發(fā)展過程。而這些發(fā)展都依賴于對算法的不斷研究與探尋，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)涉及的算法非常豐富，圍繞著生成、表示物體的圖形圖象的準(zhǔn)確性、真實(shí)性和實(shí)時(shí)性，其算法可以分以下幾類：

(1>基于圖形設(shè)備的基本圖形元素的生成算法，如用光柵圖形顯示器生成直線、圓弧、二次曲線、封閉邊界內(nèi)的填色、填圖案、反走樣等。

(2>基本圖形元素的幾何變換、投影變換、窗口裁剪等。

(3>自由曲線和曲面的插值、擬合、拼接、分解、過渡、光順、整體修改、局部修改等

(4>圖形元素(點(diǎn)、線、面、體、環(huán)>的求交與分類以及集合運(yùn)算。

(5>隱藏線、面消除以及具有光照顏色效果的真實(shí)圖形顯示。

(6>不同字體的點(diǎn)陣表示。

(7>山、水、花、煙云等模糊景物的生成。

(8>三維形體的實(shí)時(shí)顯示和圖形的并行處理。

(9>虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的生成以及控制算法等。圖形交互技術(shù)；圖像生成表示，包括算法、色彩處理等方面；圖形操作和處理；幾何變化、裁剪、分割、壓縮等等；圖形優(yōu)化和加速；圖形信息的描述和表示，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、存儲和檢索、信息編碼等等，這些都成為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究內(nèi)容。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)所研究的問題來源于日常生活和科學(xué)，來源于工程技術(shù)、藝術(shù)、音樂、舞蹈、電影制作等，反過來，它又大大促進(jìn)了這些領(lǐng)域的發(fā)展。目前,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用已深入到真實(shí)感圖形、科學(xué)計(jì)算可視化、虛擬環(huán)境、多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)動畫、計(jì)算機(jī)輔助工程制圖等領(lǐng)域。那么，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容將不斷擴(kuò)大，包括了幾何三維模型的構(gòu)造；動畫，與動態(tài)圖形仿真相關(guān)，包括圖形的實(shí)時(shí)性和真實(shí)感；業(yè)內(nèi)相關(guān)的軟件包。從具體內(nèi)容來看，圖形學(xué)主要研究內(nèi)容有：<1）圖形生成技術(shù)：直線、圓、橢圓等基本圖形元素的生成算法，以及光照模型、消隱面等各種圖形表示技術(shù)。<2）幾何造型技術(shù)：各種不同幾何模型的構(gòu)造方法，表示幾何場景的曲線、曲面造型技術(shù)和實(shí)體造型技術(shù)也是其重要的研究內(nèi)容<3）圖形操作的預(yù)處理技術(shù)：確定顯示范圍，根據(jù)規(guī)定的窗口范圍，將所有的輸出圖元與其進(jìn)行比較，利用圖形裁剪算法，裁剪出落在窗口有效邊界以內(nèi)的部分；將單個(gè)物體組裝，進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)和比例變換等操作，形成整體模擬環(huán)境；確定觀測點(diǎn)位置，進(jìn)行顯示對象的透視變換。<4）人機(jī)交互與用戶接口技術(shù)：各種交互技術(shù)的研究，如選擇技術(shù)、構(gòu)造技術(shù)、命令技術(shù)、響應(yīng)技術(shù)以及用戶模型等。<5）計(jì)算機(jī)動畫：高速動畫的各種實(shí)現(xiàn)方法的研究。<6）顯示出真實(shí)感圖形。如何利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生真實(shí)感圖形是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的餓一個(gè)重要研究內(nèi)容。為此，首先建立圖形所描述的場景的幾何表示，再利用光照模型，生成在某些