淺析計算機圖形學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用

【摘 要】計算機圖形學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了多年的不斷研究和改進，在計算機輔助設(shè)計和制造，圖形實施繪制，計算機藝術(shù)和動畫，計算機輔助設(shè)計，計算機輔助改造，科學(xué)計算的可視化，自然景物的仿真，方面有著廣闊的發(fā)展和運用的前景。

【關(guān)鍵詞】計算機圖形學(xué) 發(fā)展 應(yīng)用 計算機輔助改造

一、引言

計算機研究圖形的表示與生成和處理顯示的學(xué)科構(gòu)成了計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)。在計算機圖形學(xué)經(jīng)歷了三十年發(fā)展之后，計算機科學(xué)中計算機圖形學(xué)有著一定重要的地位，我重要的分支之一。本文經(jīng)過研究討論和查閱資料后將粗略的介紹計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容和發(fā)展一、計算機圖形學(xué)的發(fā)展簡史。第一臺圖形顯示器誕生于美國麻省理工學(xué)院，它作為計算機的福建。旋風(fēng)一號用波器的陰極射線管來顯示一系列簡單的圖形。之后的整個五十年代電子管計算機開始使用，電子管計算機主要適用于科學(xué)計算。由于這些計算機使用的是機器語言編程，所以計算機的圖形設(shè)備很簡單，只具備輸出的功能。這就是“被動式”圖形學(xué)時期。在1962年林肯實驗室發(fā)表了“一個人機互通信的圖形系統(tǒng)”的博士生論文，論文中第一次提到了計算機圖形學(xué)的術(shù)語，用實驗證明了交互計算機圖形學(xué)是一個有前途的可研究的新領(lǐng)域。在20世紀的70年代是計算機圖形學(xué)發(fā)展過程的一個突破時期，在這期間光柵顯示器產(chǎn)生了，光柵圖形學(xué)算法可以滿足區(qū)域填充和裁剪以及消隱等基本圖形相應(yīng)算法，這標(biāo)志著圖形學(xué)進入了一個快速發(fā)展的時期，這個時期開始了CAD的圖形系統(tǒng)應(yīng)用。在60年代中期舉行了關(guān)于“the Special Interest Group On Computer Graphics and Interactive Techniques”的相關(guān)會議，并且取得了突破性的進展，此次會議分別有六百多位專家學(xué)者參加，但在1997年左右已經(jīng)發(fā)展到了48900人左右，他們的論文成果分別展示在Computer Graphics 雜志上，該本雜志的學(xué)術(shù)水平很高，具有一定的權(quán)威性，代表了當(dāng)今圖形學(xué)研究的主流方向。

二、應(yīng)用及研究前沿

（一）計算機輔助設(shè)計與制造。計算機圖形學(xué)中運用最多和最廣的兩個圖形軟件是CAD和CAU軟件，這些軟件分別被運用于土建工程和機械結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品與設(shè)計。電子器件，飛機和汽車等交通工具等都需要該類軟件來完成。然而人們?yōu)榱俗非缶_圖形，也常用對所設(shè)計的系統(tǒng)，產(chǎn)品與工程相關(guān)圖形進行人機交換來輸出數(shù)據(jù)加工代碼和指令。電路板的規(guī)模非常大并且復(fù)雜，手工設(shè)計和繪制根本不能滿足電路板的設(shè)計?，F(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計是一個綜合性的問題，不是一個孤立的技術(shù)問題。目前任意曲面體的三位形體構(gòu)建并不能達到理想的效果，因為三位形體重建算法是針對多面體和對株洲方向有嚴格限制的二面體，因此，三維形體重建需要研究的內(nèi)容很艱巨。

（二）科學(xué)計算可視化?？茖W(xué)計算的可視化可以將事物發(fā)展的本質(zhì)和發(fā)展的趨勢呈現(xiàn)在人們的面前，但是之前的技術(shù)遠遠做不到，數(shù)據(jù)量的激增使得分析數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)很困難。在1986年美國科學(xué)基金會第一次提出了科學(xué)可視化的內(nèi)容，并且第二年提交了相關(guān)的研究報告，報告的提交表示科學(xué)計算可視化的發(fā)展有很大的前景。目前科學(xué)可視化內(nèi)容運用于氣象分析和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，在這些領(lǐng)域中的運用最為廣闊，醫(yī)學(xué)方面精密機械做的腦部手術(shù)依靠于可視化，可視化可以使醫(yī)生明確的看到病人體內(nèi)的患處，并且對手術(shù)的效果進行及時反饋，幫助醫(yī)生成功的完成手術(shù)，但這項技術(shù)不夠完善，需要長期的研究。

（三）圖形實時繪制與自然景物仿真。在圖形實施繪制和自然景物仿真方面物體的形狀，光學(xué)性質(zhì)以及物體間相對位置都是最難模擬的部分，真實感繪制的主要任務(wù)是模擬真實物體的物理屬性，但在以上內(nèi)容中光照和表面屬性是最難模擬的。光照模型為模擬光照提供了條件，其中局部光照和整體光照模型是模仿中比較困難的方面，從繪制方法上看有模擬廣德世紀傳播過程的光纖跟蹤發(fā)，這些都為模擬光照提供了可能，當(dāng)前物理網(wǎng)絡(luò)模型的簡化和基于圖像的繪制是真實感圖形進行實施繪制必須重視的兩個問題，這些方法適用于極其復(fù)雜的場景生成漫游和野外場景的生成漫游。

（四）計算機動畫。靜態(tài)場景已經(jīng)不能滿足人們的生活需求，所以計算機動畫場景就應(yīng)運而生了，它的應(yīng)用主要歸功于計算機圖形學(xué)和計算機硬件的不斷發(fā)展。計算機動畫的產(chǎn)生是又靜態(tài)場景對每一幅的內(nèi)容進行修改后將這些畫面連續(xù)的播放，這些靈感來源于傳統(tǒng)的卡通片。但是要真正做到真實表達是很復(fù)雜和困難的過程，這需要多方面技術(shù)的協(xié)調(diào)，需要對計算方程的深入分析，所以物理模型的計算機動畫需要投入很大的精力來研究。

（五）用戶接口。在DOS時代，用于接口體驗是非常差的，因為用戶接口是人們使用計算機的第一觀感，但DOS系統(tǒng)圖形化界面想要做到精美是非常難的，但80年代之后蘋果公司圖形化操作系統(tǒng)的推出成為了一個跨時代的意義，之后微軟操作系統(tǒng)的普及將圖形學(xué)全面融入了計算機的各個方面。操作系統(tǒng)中存在的圖形和動畫大大的減少了用戶使用系統(tǒng)的復(fù)雜性，簡單易懂，不太需要過多的說明就可以進行操作。

（六）計算機藝術(shù)。美術(shù)人員和商業(yè)藝術(shù)人員都熱衷于對計算機軟件進行美術(shù)加工，通過美術(shù)來優(yōu)化用戶體驗，并且這是一項藝術(shù)創(chuàng)作。二維平面畫筆程序，三維建模渲染軟件包等等都是最常使用的美術(shù)創(chuàng)作軟件，種類眾多。這些軟件提供了多宗風(fēng)格的畫筆畫刷對圖像進行修改和創(chuàng)作等操作，遠遠的超出了人們的期望，也是當(dāng)今的藝術(shù)家無法實現(xiàn)的。

三、結(jié)語

計算機圖形學(xué)的發(fā)展和運用目前正處于探索發(fā)展的階段，發(fā)展的過程既有機遇又面臨巨大的挑戰(zhàn)，由于經(jīng)濟全球化導(dǎo)致信息時代的到來，計算機圖形學(xué)的發(fā)展顯得越發(fā)的重要，所以在學(xué)習(xí)中要重視起來，時刻跟上科技發(fā)展的腳步，走在科學(xué)發(fā)展的前沿。

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