計算機圖形學(xué)與圖形圖像的處理技術(shù)

李　彥

（新鄉(xiāng)學(xué)院，河南　新鄉(xiāng)　453000）

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計算機圖形學(xué)與圖形圖像的處理技術(shù)

李彥

（新鄉(xiāng)學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453000）

摘要：新時代背景下，計算機幾乎被應(yīng)用到了社會活動的所有領(lǐng)域中.計算機的應(yīng)用大幅度提升了工作生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，為企業(yè)經(jīng)濟效益增長提供了新途徑.計算機已改變了人們工作方式，生活習(xí)慣.計算機圖形學(xué)是隨著計算機的普及而產(chǎn)生的新科學(xué)，在計算機圖形學(xué)中圖形圖像的處理技術(shù)備受關(guān)注，如何對其進行合理利用，已成為現(xiàn)代科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域研究的重要課題.隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機圖形學(xué)與圖形圖像的處理技術(shù)逐漸成熟，其應(yīng)用范圍越來越廣泛，對科學(xué)進步，經(jīng)濟發(fā)展的推動作用越來越明顯.本文將針對計算機圖形學(xué)與圖形圖像的處理技術(shù)展開研究和分析.

關(guān)鍵詞：圖形系統(tǒng)；計算機；計算圖形；圖形圖像；處理技術(shù)

二十一世紀人類社會正在逐步進入信息時代，計算機技術(shù)水平和普及度越來越高，利用計算機處理圖形圖像已成為必然趨勢.傳統(tǒng)處理模式不僅效率低，且存在一定局限性，易出現(xiàn)漏洞，工作量十分龐大.而利用計算機處理則能夠大大簡化處理流程，提高處理效率，降低勞動強度，提升視覺效果.并且計算機處理可無限修改，修改過程簡單易實現(xiàn).早在二十世紀五十年代，人們就已開始嘗試利用計算機進行圖形和圖像的處理.隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，計算機圖形學(xué)逐漸形成，并引起廣泛關(guān)注和研究.

1　計算機圖形圖像系統(tǒng)組成及其功能

計算機圖形圖像系統(tǒng)由：硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)兩大部分組成.高質(zhì)量的計算機圖形處理離不開高性能的計算機圖形處理硬件[1].硬件設(shè)備性能往往決定著圖形處理效果和速度.計算機圖形系統(tǒng)硬件主要由：圖形處理器﹑圖形輸出和輸入設(shè)備組成，其中圖形處理器最為主要，是整個圖形處理系統(tǒng)的核心，稱為Graphics Processing Unit，又稱顯示芯片，是專門負責(zé)圖形運算工作的微處理器，為計算機系統(tǒng)所需要的顯示信息進行轉(zhuǎn)換驅(qū)動，并向顯示器提供掃描信號，控制顯示器正確顯示，是圖形處理及渲染必備硬件設(shè)備，具有存儲﹑處理圖形功能，能完成大部分圖形函數(shù)計算，能有效提高了系統(tǒng)顯示能力和圖形處理速度，主流圖形處理芯片廠家有AMD和NVIEDIA.隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，GPU圖形處理已不在局限于二維與三維，其通用運算技術(shù)使GPU的應(yīng)用范圍越來越廣泛，性能和功能越來越強大.另一方面，計算機圖形軟件也在隨著硬件不斷更新發(fā)展，主要包括：圖形函數(shù)庫﹑各種自程序包﹑專業(yè)圖形處理系統(tǒng)﹑管理程序包﹑圖形生產(chǎn)程序包等.計算機圖形系統(tǒng)的基本功能是：計算﹑輸出﹑輸入﹑存儲﹑對話等.只有建立在圖形系統(tǒng)基礎(chǔ)上，計算機才能完成圖形圖像的處理.

2　圖形與圖像的區(qū)別與聯(lián)系

圖形與圖像雖有著許多共性，但也有一定區(qū)別.圖形與圖像不論是數(shù)據(jù)來源，還是處理方法都存在差異.圖像數(shù)據(jù)來自客觀世界，而圖形數(shù)據(jù)來自主觀世界.圖像處理方法包括：圖像變換﹑圖像識別﹑幾何修正﹑圖像理解.圖形處理方法包括：紋理產(chǎn)生﹑明暗處理﹑幾何變換﹑曲線及曲面擬合等[2].并且圖形與圖像處理理論基礎(chǔ)也有不同.計算機圖形學(xué)理論基礎(chǔ)是：計算幾何﹑分形﹑幾何﹑透視﹑變換等理論.而圖像處理理論是：模糊數(shù)學(xué)﹑統(tǒng)計學(xué)﹑數(shù)字信號﹑模擬學(xué)等理論.但這二者間又有著必然聯(lián)系，所以很多時候圖形圖像技術(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，在具體應(yīng)用中通常會把圖形﹑圖像處理技術(shù)結(jié)合起立，從而達到處理的最佳效果和質(zhì)量.隨著圖形與圖像技術(shù)的發(fā)展，二者相互滲透﹑相互交叉，其界線越來越模糊，圖形圖像處理技術(shù)應(yīng)用前期備受矚目.在計算機技術(shù)研究領(lǐng)域中，圖形圖像處理技術(shù)一直是研究的重點.二十世紀六十年代，計算機圖形學(xué)誕生，很多學(xué)者曾針對計算機圖形與圖像進行研究[3].計算機圖形和圖形圖像技術(shù)的結(jié)合，已成為計算機現(xiàn)代化應(yīng)用的主要手段.大量計算機圖形圖像輔助制造軟件的出現(xiàn)不僅給人們工作帶來了便利，更推動了計算機技術(shù)發(fā)展進程，為世界技術(shù)經(jīng)濟發(fā)展起做出了巨大貢獻.

3　計算機圖形學(xué)

計算機圖形學(xué)(Computer Graphics)是一種使用數(shù)學(xué)算法將二維或三維圖形轉(zhuǎn)化為計算機顯示器的柵格形式的科學(xué).計算機圖形學(xué)涉及內(nèi)容非常廣泛，如實物造型﹑光棚圖形算法﹑圖形交互﹑圖形標準﹑曲面曲線建模﹑真實感圖形顯示算法等.計算機圖形學(xué)學(xué)科研究的主要是，圖形的處理及最終顯示以及如何使讓計算機轉(zhuǎn)換出來的圖像更加真實，以滿足人們的對視覺效果的要求.而要讓計算機轉(zhuǎn)化的圖形具備更強的真實感，就必須要建立圖形描述場景的幾何表示，從中計算出虛擬的光源﹑紋理以及材質(zhì)屬性產(chǎn)生的效果.所以在實踐應(yīng)用中，計算機圖形學(xué)與幾何設(shè)計學(xué)有著非常密切的聯(lián)系.而由計算機轉(zhuǎn)化出的圖形，通常都需要對圖形進行再一次的處理，這一處理過程需要建立在圖形圖像處理基礎(chǔ)上實現(xiàn)，所以計算機圖形學(xué)與圖形圖像處理技術(shù)間有著密切的聯(lián)系.計算機圖形學(xué)是麻省理工學(xué)院教授Ivan Sutherland提出，他在論文《畫板》中對計算機圖形進行了系統(tǒng)研究，該論文的發(fā)表標著計算機圖形學(xué)的誕生.在計算機圖形學(xué)提出前計算機主要是符號處理系統(tǒng)，自從有了計算機圖形學(xué)，計算機便逐漸開始具備右腦表現(xiàn)工具，擁有高質(zhì)量圖形圖像處理功能，計算機走向可視化操作[4].智能CAD就是計算機圖形學(xué)研究中取得的重大成果.利用智能CAD能夠支持產(chǎn)品工程圖的繪制與輸出，能夠大大降低產(chǎn)品設(shè)計成本，提高設(shè)計效率，可實現(xiàn)從概念設(shè)計到結(jié)構(gòu)設(shè)計的全過程.例如，早期的Sigraph Design能隨心所欲修改，不必費時費力的輸入準確的坐標點，只要有正確尺寸，系統(tǒng)即可自動運算，得出滿意圖紙.且智能CAD還具備智能識別和自動輸入功能，能大大降低設(shè)計難度，優(yōu)化設(shè)計過程.計算機圖形學(xué)經(jīng)過近十幾年的發(fā)展，已進入了較為成熟的發(fā)展期，對社會生產(chǎn)﹑經(jīng)濟發(fā)展的影響越來越明顯.

4　計算機圖形圖像處理技術(shù)

計算機圖形圖像處理技術(shù)提出于二十世紀八十年代，經(jīng)過不斷的發(fā)展和完善，最終被廣泛運用，是現(xiàn)代應(yīng)用科學(xué)中最活躍的分支之一.計算機圖形圖像處理技術(shù)主要包括兩方面，一方面是圖形處理，另一方面是圖像處理[5].目前的主流計算機圖形圖像處理軟件都基于這兩種技術(shù)而設(shè)計實現(xiàn).利用計算機圖形圖像處理技術(shù)能夠造出各種物體，整個設(shè)計過程在計算機上完成，最后生產(chǎn)相應(yīng)效果圖并輸出.計算機圖形圖像處理的目的是將由概念或數(shù)學(xué)描述所表示的物體幾何模型進行處理，用于計算機顯示﹑存儲﹑修改等操作.計算機圖形圖像處理的主要內(nèi)容包括：圖像增強﹑圖形還原﹑圖像數(shù)字化﹑圖像編碼﹑透視﹑投影﹑隱線﹑隱面等.但計算機圖形圖像處理技術(shù)的實現(xiàn)通常需依靠計算機圖形系統(tǒng)軟件來實現(xiàn)，計算機圖形圖像處理技術(shù)的軟件工作站包括：ALIAS和TDI；計算機主流處理軟件有：3DMAX﹑Winmorph﹑PHOTOSHOP等.計算機圖形圖像處理技術(shù)功能的發(fā)揮很大程度上要取決于GUP，新時代背景下GUP技術(shù)發(fā)展越來越快，經(jīng)過不斷的更新?lián)Q代，現(xiàn)如今不論是二維處理，還是三維處理，都表現(xiàn)的十分出色.

5　計算機圖形學(xué)與圖形圖像處理技術(shù)的應(yīng)用

計算機圖形學(xué)與圖形圖像處理技術(shù)都是高新技術(shù)融合的產(chǎn)物，以數(shù)字技術(shù)與計算機硬件設(shè)備為依托，以圖形處理系統(tǒng)為核心，以圖形圖像處理軟件為主導(dǎo)，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，其功能和性能越來越強大，對人類社會的影響作用越來越突出.小到日常辦公，大到工業(yè)生產(chǎn)﹑建筑設(shè)計都對計算機圖形學(xué)與圖形圖像處理技術(shù)進行了應(yīng)用.下面通過幾點來分析計算機圖形學(xué)與圖形圖像處理技術(shù)的應(yīng)用：

5.1工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

計算機圖形學(xué)與圖形圖像處理技術(shù)最早就是應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，且在工業(yè)中的應(yīng)用也最活躍﹑最廣泛.例如，汽車﹑飛機﹑機械﹑船舶外觀的設(shè)計，部件的設(shè)計，電路的設(shè)計等等.傳統(tǒng)人工設(shè)計模式中一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜部件往往很難表達，且設(shè)計效果受到局限，易發(fā)生設(shè)計漏洞，容易導(dǎo)致質(zhì)量缺陷.而計算機圖形學(xué)與圖形圖像處理技術(shù)進行設(shè)計，則可通過建立虛擬模型的方式來完成設(shè)計，設(shè)計效果更直觀，且方便修改，錯誤率更低，設(shè)計效率更高.例如在飛機制造工業(yè)中，法國空客飛機公司的A300大型運輸客機就采用了CAD系統(tǒng)進行整體設(shè)計和模擬，這種設(shè)計模式降低設(shè)計成本百分之三十以上，大大提高了企業(yè)效益，降低了設(shè)計難度.

5.2商業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

計算機圖形學(xué)與圖形圖像處理技術(shù)在商業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用有效促進了商業(yè)發(fā)展，為商業(yè)發(fā)展提供了新路徑.例如，電腦游戲﹑三維卡通﹑影視特效等等，都需要基于計算機圖形學(xué)與圖形圖像處理技術(shù)來實現(xiàn).通過虛擬技術(shù)，能夠模擬橋梁﹑大樓的坍塌，能夠模擬爆炸效果.另外，在廣告設(shè)計中的應(yīng)用則有效提高了廣告視覺效果，使廣告宣傳能夠更加深入人心，得到更好的宣傳效果[6].目前很多的廣告都利用了圖形圖像處理技術(shù).另外，三維動畫幾乎完全需要依托計算機圖形學(xué)與圖形圖像處理技術(shù).三維動畫所表現(xiàn)出的商業(yè)價值已十分明顯，一部成功的三維動畫電影所創(chuàng)造的價值可超越真人電影.

5.3藝術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用

藝術(shù)領(lǐng)域是計算機圖形圖像處理技術(shù)應(yīng)用的逐漸領(lǐng)域，計算機圖形系統(tǒng)是計算機藝術(shù)主要工具，很多藝術(shù)品的設(shè)計與制作需要依靠計算機圖形學(xué)與圖形圖像處理技術(shù).例如，立體圖形﹑平面構(gòu)成﹑空間構(gòu)成﹑平面圖形等等[7].利用計算機進行雕塑設(shè)計，就是在利用立體圖形設(shè)計.另外，利用計算機作畫，不僅效果好，且成本低，效果豐富.Corel Painter或Adobe Photoshop就是典型的計算機繪畫及圖形圖像處理軟件，但這些軟件的應(yīng)用需用一定美術(shù)基礎(chǔ)，對使用者專業(yè)素質(zhì)要求較高.此外，在多媒體中，通過圖形系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)語音﹑圖像﹑圖形﹑視頻等數(shù)據(jù)的整合與集成處理，能增加多媒體的圖形信息的多樣性和操作的交互性﹑系統(tǒng)的集成性，大大提高藝術(shù)表現(xiàn)力.

5.4科學(xué)可視化

傳統(tǒng)科學(xué)計算模式中，過程與原理都十分抽象，不易理解.而利用圖形學(xué)處理技術(shù)和方法進行科學(xué)計算，完全可以實現(xiàn)可視化，人們可以在科學(xué)計算結(jié)果中獲取到大量可視化圖形﹑圖像，這些直觀的數(shù)據(jù)便于理解，十分有助于科學(xué)研究的開展.目前天氣預(yù)報﹑分子生物學(xué)等許多領(lǐng)域都在應(yīng)用計算機圖形學(xué).如天氣數(shù)據(jù)的搜集﹑分析﹑整理，現(xiàn)如今都可以實現(xiàn)可視化衛(wèi)星云圖.

6　結(jié)束語

計算機技術(shù)的誕生，改變了人們生活方式﹑工作方式，計算機已成為生活﹑辦公中﹑生產(chǎn)中不可缺乏的重要工具，融入到了現(xiàn)代社會各個領(lǐng)域.計算機圖形學(xué)與圖形圖像處理技術(shù)隨著計算機的普及迅速發(fā)展起來，受到廣泛關(guān)注和研究，被應(yīng)用到工業(yè)﹑科學(xué)﹑藝術(shù)等多個領(lǐng)域，有效提高了設(shè)計效率，簡化了工業(yè)設(shè)計﹑產(chǎn)品設(shè)計﹑部件設(shè)計環(huán)節(jié)，為設(shè)計師提供了更好的設(shè)計環(huán)境.積極推廣和應(yīng)用計算機圖形學(xué)與圖形圖像處理技術(shù)對于促進我國信息化發(fā)展有著重要意義.

參考文獻：

〔1〕鐘凱飛.計算機圖形與圖形圖像處理技術(shù)的相互結(jié)合[J].科技視界,2013（22）:48.

〔2〕周宇.基于線描圖智能化生成的計算機輔助壁畫修復(fù)[D].浙江大學(xué),2014（03）:52-53+59.

收稿日期：2015-12-02

中圖分類號：TP911.7

文獻標識碼：A

文章編號：1673-260X（2016）03-0026-02