作者：張建中

來(lái)源：http://zhangjianzhong.blog./20150318111259.html

1、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（Computer Graphics，CG），也常簡(jiǎn)稱為圖形學(xué)或計(jì)算機(jī)圖形，是研究圖形輸入和輸出、圖形模型構(gòu)造和表示、圖形數(shù)據(jù)庫(kù)管理、圖形數(shù)據(jù)通信、圖形操作、圖形數(shù)據(jù)分析，以及如何以圖形信息為媒介實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互作用的方法、技術(shù)和應(yīng)用的一門學(xué)科，是一種使用數(shù)學(xué)算法將二維或三維圖形轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)顯示器的柵格形式的科學(xué)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)主要研究如何在計(jì)算機(jī)上表示圖形、以及利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形的計(jì)算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法。它包括圖形硬件、圖形算法、圖形軟件和圖形應(yīng)用等多方面的內(nèi)容。

圖形通常由點(diǎn)、線、面、體等幾何屬性和灰度、色彩、線型、線寬等非幾何屬性組成。從處理技術(shù)上來(lái)看，圖形主要分為兩類，一類是基于線條信息表示的圖形，如工程圖、等高線圖、曲面線框圖等；另一類是明暗圖，也就是通常所說(shuō)的真實(shí)感圖形。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)主要目的是利用計(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場(chǎng)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。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。

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(dòng)畫(huà)、計(jì)算機(jī)輔助工程制圖等多個(gè)領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展迅速，現(xiàn)仍處在快速向前發(fā)展的趨勢(shì)中，并且已經(jīng)成為一門獨(dú)立的學(xué)科，傲立在計(jì)算機(jī)科學(xué)的前端，有著廣泛的發(fā)展前景。

2、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，是一種研究基于物理定律、經(jīng)驗(yàn)方法以及認(rèn)知原理，使用各種數(shù)學(xué)算法處理二維或三維圖形數(shù)據(jù)，生成可視數(shù)據(jù)表現(xiàn)的科學(xué)。它是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支領(lǐng)域與應(yīng)用方向，主要關(guān)注數(shù)字合成與操作視覺(jué)的圖形內(nèi)容。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?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(dòng)畫(huà)、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)、圖形軟件等。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究計(jì)算機(jī)表示、生成、處理和顯示圖形的原理、算法、方法和技術(shù)的一門學(xué)科。它的研究分為兩個(gè)方向，一方面是研究幾何作圖，如平面線條作圖和三維立體建模等；另一方向是研究圖形表面渲染效果，主要包括表面色調(diào)、光照、陰影和紋理等表面屬性的研究。

3、二維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)

二維計(jì)算機(jī)圖形（2D Computer Graphics），也簡(jiǎn)稱為二維 CG，是基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字圖像的產(chǎn)生——主要是從二維模型產(chǎn)生（例如二維幾何模型，文本，和數(shù)字圖像），并且使用只適用這些模型的技術(shù)，采用該技術(shù)的計(jì)算機(jī)科學(xué)的分支稱為二維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)。

二維計(jì)算機(jī)圖形主要用于本來(lái)采用傳統(tǒng)印刷和繪制技術(shù)的那些應(yīng)用場(chǎng)合，如字體、地圖、工程制圖、廣告等。在這些應(yīng)用中，二維圖像不僅僅是現(xiàn)實(shí)世界物體的一個(gè)表示，它本身是有附加含義的獨(dú)立個(gè)體；因而二維模型在這些應(yīng)用中更為實(shí)用，因?yàn)樗鼈兘o出了比三維計(jì)算機(jī)圖形更為直接的控制。

在諸如桌面發(fā)布、工程、商務(wù)很多應(yīng)用領(lǐng)域里，基于二維計(jì)算機(jī)圖形的文檔的表述比相應(yīng)的數(shù)字圖像可能會(huì)小得多，經(jīng)常只有1/1000 或者更小。這種表示法也更靈活，因?yàn)樗梢栽诓煌膱D像分辨率進(jìn)行繪制以適應(yīng)不同的輸出設(shè)備。因而，文檔和插圖經(jīng)常采用二維圖形文件存儲(chǔ)和傳輸。

二維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)含如下幾方面的內(nèi)容：

二維圖形技術(shù)   二維圖形模型可以是如下這些的組合：幾何模型（也稱為矢量圖形），數(shù)字圖像（也稱為光柵圖形），需要排版的文本（由內(nèi)容、字體和大小、顏色和方向定義），數(shù)學(xué)函數(shù)和方程，等等。這些組件可以通過(guò)象平移、旋轉(zhuǎn)、縮放這樣的二維幾何變換來(lái)修改和操作。

直接繪制    創(chuàng)建一個(gè)復(fù)雜圖像的一個(gè)簡(jiǎn)易辦法是從一塊空白畫(huà)布開(kāi)始背景色的光柵圖，然后通過(guò)正確的次序“畫(huà)”，“漆”或者“貼”上簡(jiǎn)單的色塊。特別，畫(huà)布可以是計(jì)算機(jī)顯示器的幀緩存。

有些程序會(huì)直接設(shè)置像素色彩值，但多數(shù)會(huì)依賴一些二維圖形庫(kù)以及（或者）機(jī)器的圖形卡，它們通常會(huì)實(shí)現(xiàn)下列操作：將一個(gè)給定的數(shù)字圖像以一個(gè)給定的偏移貼到畫(huà)布上；在給定的位置和角度將一個(gè)字符串以給定的字體寫(xiě)成幀緩存；繪制一個(gè)簡(jiǎn)單的幾何形體，例如用三個(gè)定點(diǎn)定義三角形，或者給定圓心和半徑的圓；繪制一條線段、圓弧、或者用給定粗細(xì)的虛擬筆繪制簡(jiǎn)單曲線。

擴(kuò)充色彩模型    文本、形狀和線條使用用戶指定的色彩繪制。很多庫(kù)和卡提供色彩梯度，它對(duì)于產(chǎn)生平滑變化的背景、陰影效果等等都很實(shí)用。用給定色彩繪制一個(gè)像素通常會(huì)取代其原先的色彩。但是，很多系統(tǒng)支持用透明和透過(guò)色彩繪制，它只會(huì)修改原先的像素值。

兩個(gè)色彩也可以用更花哨的方法組合，被稱為反色或者色彩翻轉(zhuǎn)，并經(jīng)常在圖形用戶界面中采用，用于高亮顯示、釘釘板以及其它臨時(shí)繪制——因?yàn)樵俅我酝瑯拥纳世L制相同的圖形會(huì)恢復(fù)原始的像素值。

分層模型    在分層模型中，目標(biāo)圖像通過(guò)“繪制”或者“粘貼”每個(gè)層次到虛擬畫(huà)布上產(chǎn)生，次序是按深度遞減。概念上，每一層首先獨(dú)自繪制，產(chǎn)生所需分辨率的數(shù)字圖像，然后在畫(huà)布上一個(gè)像素一個(gè)像素地描繪。當(dāng)然，層次全透明的部分無(wú)須繪制。繪制和描繪可以并行進(jìn)行，也就是說(shuō)，每個(gè)層次的像素在繪制進(jìn)程中一產(chǎn)生就可以描繪到畫(huà)布上。

包含復(fù)雜幾何體的層次（如文本或者多邊形）可以分解為更簡(jiǎn)單的元素（分別是字符或者線段），然后作為分離的層次以某種次序繪制。但是，這個(gè)辦法可能在兩個(gè)元素重疊在同一個(gè)像素時(shí)產(chǎn)生不良的走樣這樣的人工因素。

二維圖形硬件    現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖形卡幾乎全部采用光柵技術(shù)顯示，把整個(gè)屏幕分成像素的矩形點(diǎn)陣，這是因?yàn)榛诠鈻诺膱D形硬件和矢量圖形硬件相比要低價(jià)。多數(shù)圖形硬件對(duì)于位圖傳送操作和精靈繪制有內(nèi)部支持。專門用于位圖傳送的協(xié)處理器稱為傳送器芯片。

二維圖形軟件    很多圖形用戶界面（GUI），包括微軟視窗，或者X視窗系統(tǒng)，主要基于二維圖形概念。這些軟件提供了和計(jì)算機(jī)交互的視覺(jué)環(huán)境，并且常常包括某種形式的視窗管理器來(lái)幫助用戶從概念上區(qū)分不同的應(yīng)用程序。單個(gè)軟件應(yīng)用程序的典型用戶界面也是本質(zhì)上二維的，部分因?yàn)樽钇胀ǖ妮斎朐O(shè)備（例如鼠標(biāo)）被限制于做二維的運(yùn)動(dòng)。

二維圖形在打印機(jī)、繪圖儀、線切割機(jī)等等外圍設(shè)備的控制中都很重要。它們也用于早期的視頻游戲和計(jì)算機(jī)游戲中，并依然在棋牌類游戲中使用，例如接龍、象棋、麻將等等。

二維圖形器或者說(shuō)繪圖程序是應(yīng)用程序級(jí)的軟件，用于圖像、流程圖、插圖等的創(chuàng)建，它采用二維圖形體素的直接操縱實(shí)現(xiàn)（通過(guò)鼠標(biāo)，繪圖版，或者類似的設(shè)備）。這些軟件一般提供二維幾何體素以及數(shù)字圖像，有些甚至支持過(guò)程化模型。插圖通常內(nèi)部表示為分層模型，經(jīng)常會(huì)有一個(gè)等級(jí)結(jié)構(gòu)以方便這些軟件通常輸出圖形文件，其中層和體素分別以其原始形式保存。

圖像器是專用于數(shù)字圖像的操作的，主要通過(guò)自由手繪和信號(hào)處理操作。他們主要采用直接繪制的范型，其中用戶控制虛擬筆、刷、以及其他自由手動(dòng)藝術(shù)設(shè)備來(lái)將色彩繪于虛擬畫(huà)布上。有些圖像器支持多層模型；但是，為了支持圖像模糊這樣的信號(hào)處理操作，每個(gè)層通常表示為一個(gè)數(shù)字圖像。所以，任何軟件提供的幾何體素直接被轉(zhuǎn)換成像素并描到畫(huà)布上。這類軟件也包括很多專門化的圖像器——如用于醫(yī)藥、遙感、數(shù)字?jǐn)z影等。

4、三維計(jì)算機(jī)圖形

簡(jiǎn)單三維圖形繪制

三維計(jì)算機(jī)圖形（3D Computer Graphics）是計(jì)算機(jī)和特殊三維軟件幫助下創(chuàng)造的作品，也可指創(chuàng)造這些圖形的過(guò)程，或者三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的研究領(lǐng)域及其相關(guān)技術(shù)。

三維計(jì)算機(jī)圖形和二維計(jì)算機(jī)圖形的不同之處在于計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)了幾何數(shù)據(jù)的三維表示，用于計(jì)算和繪制最終的三維圖像。一般來(lái)講，為三維計(jì)算機(jī)圖形準(zhǔn)備的幾何數(shù)據(jù)與三維建模的藝術(shù)和雕塑及照相類似，而二維計(jì)算機(jī)圖形的藝術(shù)和繪畫(huà)相似。但是，三維計(jì)算機(jī)圖形依賴于很多二維計(jì)算機(jī)圖形的相同算法。

計(jì)算機(jī)圖形軟件中，該區(qū)別有時(shí)很模糊；有些二維應(yīng)用程序使用三維技術(shù)來(lái)達(dá)到特定效果，譬如燈光，而有些主要用于三維的應(yīng)用程序采用二維的視覺(jué)技術(shù)。二維圖形可以看作三維圖形的子集。

創(chuàng)建三維計(jì)算機(jī)圖形的過(guò)程可以順序分為三個(gè)基本階段：建模，場(chǎng)景布局和繪制。

建模：建模階段可以描述為“確定后面場(chǎng)景所要使用對(duì)象的形狀”的過(guò)程。有很多建模技術(shù)，包括：構(gòu)造實(shí)體幾何，NURBS建模，多邊形建模，細(xì)分曲面，隱函數(shù)曲面等建模過(guò)程，可能也包括物體表面或材料性質(zhì)（如顏色，熒光度，漫射和鏡面反射分量——經(jīng)常被叫做粗糙度和光潔度，反射特性，透明度或不透明度，或者折射指數(shù)），增加紋理，凹凸映射和其它特征。

建?？赡芤舶ǜ鞣N準(zhǔn)備動(dòng)畫(huà)的三維模型相關(guān)的各種活動(dòng)。對(duì)象可能用一個(gè)骨架撐起來(lái)，一個(gè)物體的中央框架，它可以影響一個(gè)對(duì)象的形狀或運(yùn)動(dòng)。這個(gè)對(duì)動(dòng)畫(huà)構(gòu)造過(guò)程很有幫助，骨架的運(yùn)動(dòng)自動(dòng)決定模型相關(guān)部分。在模具階段，模型也可以給定特定的控制，使得運(yùn)動(dòng)的控制更為簡(jiǎn)便和直觀，例如用于聲音嘴唇同步的面部表情控制嘴形（音素）。

建模可以用以此為目的設(shè)計(jì)的程序，應(yīng)用的模塊或者某些場(chǎng)景描述語(yǔ)言。在有些情況中，這些階段之間沒(méi)有嚴(yán)格的區(qū)別；在這些情況下，建模只是場(chǎng)景創(chuàng)建過(guò)程的一部分。

場(chǎng)景布局設(shè)置

場(chǎng)景設(shè)置涉及安排一個(gè)場(chǎng)景內(nèi)的虛擬物體，燈光，攝像機(jī)和其他實(shí)體，它將被用于制作一幅靜態(tài)畫(huà)面或一段動(dòng)畫(huà)。如果用于動(dòng)畫(huà)，該階段通常采用叫做“關(guān)鍵幀”的技術(shù)，它使得場(chǎng)景內(nèi)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)的創(chuàng)建變得簡(jiǎn)單。使用關(guān)鍵幀的幫助，而不是必須對(duì)于動(dòng)畫(huà)中的每一幀設(shè)定對(duì)象的位置、方向或比例，只需設(shè)立一些關(guān)鍵的幀，它們之間的狀態(tài)可以用插值得到。

照明是場(chǎng)景布置中一個(gè)重要的方面。就像在實(shí)際場(chǎng)景布置的時(shí)候一樣，光照是最終作品的審美和視覺(jué)質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，因而，也是一項(xiàng)很難掌握的藝術(shù)。光照因素可以對(duì)一個(gè)場(chǎng)景的氛圍和情緒反映作出重大貢獻(xiàn)，這是為攝影師和舞臺(tái)照明師所熟悉的事實(shí)。

三角剖分和網(wǎng)格   把物體的表示轉(zhuǎn)換到一個(gè)多邊形表示的過(guò)程，稱為剖分。該步驟用于基于多邊形的繪制，其中對(duì)象從象球面、圓錐面等等這樣的抽象的表示（“體素”），分解成為所謂“網(wǎng)格”，它是互相連接的三角形的網(wǎng)絡(luò)，比較流行，因?yàn)樗鼈円子诓捎脪呙杈€繪制進(jìn)行繪制。

多邊形表示不是所有繪制技術(shù)都必須的，而在這些情況下，從抽象表示到繪制出的場(chǎng)景的轉(zhuǎn)換不包括剖分步驟。

繪制

繪制是從準(zhǔn)備的場(chǎng)景創(chuàng)建實(shí)際的二維景象或動(dòng)畫(huà)的最后階段。這可以和現(xiàn)實(shí)世界中在布景完成后的照相或攝制場(chǎng)景的過(guò)程相比。

用于諸如游戲或模擬程序這樣的交互式媒體的繪制需要實(shí)時(shí)計(jì)算和顯示，速度約為20到120幀每秒。非交互式媒體（如錄像或電影），繪制的慢得多。非實(shí)時(shí)繪制使得有限的計(jì)算能力得以放大以獲得高質(zhì)量的畫(huà)面。復(fù)雜場(chǎng)景的單幀的繪制速度可能從幾秒到一個(gè)小時(shí)或者更多。繪制完成的幀存貯在硬盤(pán)，然后可能轉(zhuǎn)錄到其它媒介，例如電影膠卷或者光盤(pán)。然后這些幀以高幀率播放，通常為24，25，或30幀每秒，以達(dá)成運(yùn)動(dòng)的假象。

最后的作品經(jīng)常會(huì)需要達(dá)到真實(shí)感圖形質(zhì)量，要達(dá)到這個(gè)目的，很多不同和專門的繪制技術(shù)被發(fā)展出來(lái)。這些技術(shù)的范圍包括相當(dāng)非真實(shí)感的線框模型繪制技術(shù)，到基于多邊形的繪制，到更高級(jí)的技術(shù)，例如：掃描線渲染、光線跟蹤或者輻射著色。

繪制軟件可以模擬例如鏡頭光暈、景深或者運(yùn)動(dòng)模糊這樣的視覺(jué)效果。這些技術(shù)試圖模擬鏡頭和人眼的光學(xué)特性所造成的視覺(jué)現(xiàn)象。這些技術(shù)可以增加場(chǎng)景的真實(shí)程度，雖然該效果可能只是鏡頭的人造模擬現(xiàn)象。

為模擬其他自然發(fā)生的效應(yīng)的各種技術(shù)被發(fā)展出來(lái)，例如光和不同形式的物質(zhì)的相互作用。這些技術(shù)的例子包括粒子系統(tǒng)（它可以模擬雨，煙，或者火），氣體采樣（用于模擬霧，塵或者其它空間大氣效果），焦散效果（用于模擬光被不均勻折射性質(zhì)的表面所聚焦的現(xiàn)象，例如游泳池底部的光的漣漪）， 還有次表面散射等。

繪制過(guò)程計(jì)算上很昂貴，特別是所模擬的物理過(guò)程復(fù)雜且多樣時(shí)。計(jì)算機(jī)的處理能力逐年上升，使得真實(shí)感繪制的質(zhì)量得到提高。生產(chǎn)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)的電影工作室可能用渲染農(nóng)場(chǎng)來(lái)進(jìn)行及時(shí)的繪制。但是，硬件費(fèi)用的下降使得在家庭計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上產(chǎn)生少量的三維動(dòng)畫(huà)完全成為可能。

繪制器經(jīng)常包含在三維軟件包中，但是有一些繪制系統(tǒng)作為流行三維應(yīng)用程序的插件使用。這些繪制程序的輸出經(jīng)常用于最終電影場(chǎng)景的一小部分。很多材料的層次可以分別繪制，然后采用合成軟件集成到最終的畫(huà)面中。

三維計(jì)算機(jī)圖形中流行的反射繪制技術(shù)包括： 平直著色使用多邊形的法矢量和位置以及光源的位置和強(qiáng)度對(duì)于物體的每一個(gè)多邊形給出一個(gè)明暗值的技術(shù)。Gouraud著色，一個(gè)快速的基于頂點(diǎn)和光源的關(guān)系的著色技術(shù)，用于模擬光滑著色的曲面。紋理映射：通過(guò)把圖像（紋理）映射到多邊形上來(lái)模擬曲面的大量細(xì)節(jié)的技術(shù)。Phong著色，用于模擬光滑著色曲面的鏡面反射高光效果，凸凹紋理映射，用法向擾動(dòng)技術(shù)模擬帶褶皺的曲面。Cel著色，用于模擬手繪動(dòng)畫(huà)的觀感的一種技術(shù)。

平直著色一例：三維繪成的敦刻爾克級(jí)戰(zhàn)列艦

5、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)有著廣泛的應(yīng)用，可簡(jiǎn)單概括為如下幾個(gè)方面：

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)被用來(lái)進(jìn)行土建工程，機(jī)械結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)飛機(jī)、汽車、船舶的外形和發(fā)電廠、化工廠等的布局以及電子線路、電子器件等。在電子工業(yè)中，計(jì)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(shì)十分明顯。另一個(gè)研究領(lǐng)域是基于工程圖紙的三維形體重建，就是從二維信息中提取三維信息，通過(guò)對(duì)信息進(jìn)行分類、綜合等一系列處理，在三維空間中重新構(gòu)造出二維信息所對(duì)應(yīng)的三維形體，恢復(fù)形體的點(diǎn)、線、面以及拓?fù)湓?，從而?shí)現(xiàn)形體的重建。

模具CAD/CAM是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在模具生產(chǎn)方面應(yīng)用的最廣泛、最活躍的領(lǐng)域。由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生成型物體隨時(shí)間、壓力、溫度等外部條件變化而產(chǎn)生的圖形，以研究塑流、縮脹、溫度和壓力的分布及結(jié)構(gòu)在負(fù)載下的變形，可以在制模前研究確定模具設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。利用計(jì)算機(jī)不但提供了逼真場(chǎng)景畫(huà)面和可靠數(shù)據(jù)，而且為這些數(shù)據(jù)提供了真正安全、迅速而廉價(jià)的條件。

模具制造中各種CNC或DNC自適應(yīng)機(jī)床的加工過(guò)程的監(jiān)視與控制等，現(xiàn)采用圖形實(shí)時(shí)顯示與控制，利用計(jì)算機(jī)輸出各種圖表、餅圖、工作進(jìn)程圖、倉(cāng)庫(kù)及生產(chǎn)管理的各類統(tǒng)計(jì)圖、變化趨勢(shì)圖等。可以增強(qiáng)對(duì)復(fù)雜現(xiàn)象的直觀理解，使人一目了然，以便迅速做出決策。

科學(xué)計(jì)算可視化。廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，流體力學(xué)，有限元分析，氣象分析等，尤其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可視化有著廣闊的發(fā)展空間，依靠精密機(jī)械做腦部手術(shù)是目前醫(yī)學(xué)熱門的課題，而這些技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)則是可視化。當(dāng)我們做腦部手術(shù)時(shí)，可視化技術(shù)將醫(yī)用掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成圖像，使得醫(yī)生能夠看到并準(zhǔn)確的判別病人的病患處，然后通過(guò)碰撞檢測(cè)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)手術(shù)效果的反饋，幫助醫(yī)生完成手術(shù)。

圖形實(shí)時(shí)繪制與自然景物仿真。真實(shí)感繪制是模擬真實(shí)物體的物理量，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是物體的形狀、光學(xué)性質(zhì)、表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對(duì)位置、遮擋關(guān)系等。自然景物仿真技術(shù)是消除隱藏線及面、體的明暗效應(yīng)、顏色模型、紋理、光線跟蹤、輻射度等方法，自然景物仿真在幾何圖形、廣告影視、指揮控制、科學(xué)計(jì)算等方面用范圍很廣。

計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)。動(dòng)畫(huà)也只是由一幅幅靜態(tài)的圖像動(dòng)態(tài)疊加生成，每一幅都是對(duì)前一幅小部分修改，如何修改便是計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)的研究?jī)?nèi)容，當(dāng)這些連續(xù)播放時(shí)，整個(gè)場(chǎng)景就動(dòng)起來(lái)。早期的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)靈感來(lái)源于傳統(tǒng)的卡通片，在生成幾幅被稱作“關(guān)鍵幀”，連續(xù)播放時(shí)兩個(gè)關(guān)鍵幀就被有機(jī)的結(jié)合起來(lái)。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)內(nèi)容豐富多彩，生成動(dòng)畫(huà)的方法也多種多樣，比如基于特征的圖像變形、二維形狀混合、軸變形方法、多維自由形體變形等。

計(jì)算機(jī)藝術(shù)。用計(jì)算機(jī)從事藝術(shù)創(chuàng)作，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)除廣泛用于藝術(shù)品的制造外，還成功的用來(lái)制造廣告、動(dòng)畫(huà)片甚至電影。目前國(guó)內(nèi)外不少人士正在研制人體模擬系統(tǒng)，這將會(huì)使得在不久的將來(lái)把歷史上早已逝去的著名影視明星重新搬上新的影視片成為可能。

經(jīng)過(guò)多年眾多學(xué)者的研究與發(fā)展、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)現(xiàn)已形成相對(duì)獨(dú)立和完整的學(xué)科領(lǐng)域。目前，圖形技術(shù)已廣泛應(yīng)用于人類生活的許多領(lǐng)域，如：電影電視、文化教育、機(jī)械制造、建筑設(shè)計(jì)、醫(yī)學(xué)等，一切都是圍繞著圖形的產(chǎn)生、顯示、變換、輸出等幾個(gè)基本環(huán)節(jié)。這些改變著人們傳統(tǒng)的生產(chǎn)生活方式、思維方式，隨著微機(jī)、工作站、各種分布式系統(tǒng)的發(fā)展、各種圖形軟件的推陳出新，計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)將在機(jī)械領(lǐng)域和其他新領(lǐng)域有著更廣闊的發(fā)展前景。

6、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)

從計(jì)算機(jī)圖形學(xué)學(xué)科來(lái)看，有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：

(1)   與圖形硬件發(fā)展緊密結(jié)合，突破實(shí)時(shí)高真實(shí)感、高分辨率渲染的技術(shù)難點(diǎn)

圖形渲染是整個(gè)圖形學(xué)發(fā)展的核心。在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，影視動(dòng)漫以及各類可視化應(yīng)用中都對(duì)圖形渲染結(jié)果的高真實(shí)感提出了很高的要求。同時(shí)，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（1920×1080），進(jìn)一步要能達(dá)到數(shù)字電影所能播放的4K分辨率(4096×2060)；色彩的動(dòng)態(tài)范圍也希望從原來(lái)每個(gè)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(shí)地再現(xiàn)各類視覺(jué)效果，然而為了能提供高分辨率高動(dòng)態(tài)的渲染效果，必須消耗非常可觀的計(jì)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(fèi)數(shù)小時(shí)至數(shù)十小時(shí)。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(diǎn)中。即使這樣，也需要使用上千臺(tái)計(jì)算機(jī)，耗費(fèi)數(shù)月時(shí)間才能完成一部標(biāo)準(zhǔn)90分鐘長(zhǎng)度的影片渲染。 基于GPU的圖形硬件技術(shù)得以迅速發(fā)展，已經(jīng)能在一個(gè)GPU芯片上采用64nm工藝集成上千個(gè)采用SIMD（單指令多數(shù)據(jù)流）架構(gòu)的通用計(jì)算核心。而2009年底，主流圖形硬件商nVidia和AMD以及Intel還會(huì)推出基于MIMD（多指令多數(shù)據(jù)流）計(jì)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)準(zhǔn)。最新的圖形學(xué)研究，采用GPU技術(shù)可以充分利用計(jì)算指令和數(shù)據(jù)的并行性，已可在單個(gè)工作站上實(shí)現(xiàn)百倍于基于CPU方法的渲染速度。 然而已知的實(shí)現(xiàn)方法，其實(shí)現(xiàn)效果還較為初步，無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的視覺(jué)特效，離實(shí)時(shí)的高真實(shí)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(wú)法如同CPU方法一樣的組織，因此對(duì)復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)仍無(wú)法得到很好地支持。（ii）缺乏標(biāo)準(zhǔn)高效的GPU高層編程語(yǔ)言、編譯器以及相應(yīng)調(diào)試工具,（iii）由于以上兩個(gè)問(wèn)題，無(wú)法完整地實(shí)現(xiàn)適于電影渲染制作的Render Man標(biāo)準(zhǔn)，以及其他各類基于物理真實(shí)感的渲染算法。因此，如何充分利用GPU的計(jì)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(lái)構(gòu)造低功耗的渲染服務(wù)是圖形學(xué)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)的重要基礎(chǔ)，是生成精美的三維場(chǎng)景和逼真動(dòng)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(lái)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(jì)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發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。采用合適的交互手段，來(lái)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(jì)和建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域已引起了國(guó)際同行的廣泛關(guān)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，是研究的重點(diǎn)問(wèn)題。其難點(diǎn)是根據(jù)具體的應(yīng)用領(lǐng)域，與視覺(jué)方法相融合，如何設(shè)計(jì)合理的交互語(yǔ)匯以及對(duì)應(yīng)的過(guò)程式“識(shí)別-構(gòu)造”方法。 與此相關(guān)的一個(gè)問(wèn)題是基于規(guī)則的過(guò)程式建模方法。由于Google Earth等數(shù)字地圖信息系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，對(duì)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(guò)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(yùn)算量大等不足，遠(yuǎn)未能滿足實(shí)際的需求。因此，最近的研究中，傾向于采用基于規(guī)則的過(guò)程式建模方法相結(jié)合來(lái)嘗試高效地構(gòu)造出三維建筑模型，以及相關(guān)的樹(shù)木等結(jié)構(gòu)化場(chǎng)景。 三維建模方法中的另一主要問(wèn)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的主流方法是采用非均勻有理B-樣條方法，然而此類方法無(wú)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(guò)程樸素簡(jiǎn)單以及實(shí)現(xiàn)容易，是一個(gè)方興未艾的研究熱點(diǎn)，而且極有可能逐步取代NURBS方法。主要需要解決的問(wèn)題有：（i）奇異點(diǎn)處的C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(zhǎng)的計(jì)算性能，實(shí)現(xiàn)具有高度物理真實(shí)的動(dòng)態(tài)仿真

高度物理真實(shí)感的動(dòng)態(tài)模擬，包括對(duì)各種形變、水、氣、云、煙霧、燃燒、爆炸、撕裂、老化等物理現(xiàn)象的真實(shí)模擬，是計(jì)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(dòng)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(shí)系統(tǒng)的沉浸感。然而高度物理真實(shí)性模擬，主要受限于計(jì)算機(jī)的處理能力和存儲(chǔ)容量限制，不能處理很高精度的模擬，也無(wú)法做到很高的響應(yīng)速度。所幸的是，GPU技術(shù)帶來(lái)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(kāi)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(jì)算方法。主要研究關(guān)注焦點(diǎn)還是單個(gè)物理方法的GPU實(shí)現(xiàn)，隨著計(jì)算機(jī)一些高新技術(shù)發(fā)展，相信會(huì)為未來(lái)高度物理真實(shí)的動(dòng)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)力度

計(jì)算機(jī)圖形的真實(shí)感畫(huà)面與逼真動(dòng)態(tài)效果，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(dòng)態(tài)信息。為此，研究者正在考慮對(duì)各個(gè)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(guò)研制特殊裝置予以捕獲與處理，或采用一組同攝像機(jī)來(lái)獲取演員的幾何形體與動(dòng)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(gè)問(wèn)題是：（a）圖形獲取設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，這是與計(jì)算機(jī)視覺(jué)、硬件、軟件相關(guān)的系統(tǒng)工程研究問(wèn)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(wèn)題；（c）一旦獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)，如何進(jìn)行重用是一個(gè)主要課題，因此使得基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)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(diǎn)。

（5） 計(jì)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(duì)于數(shù)字圖像與視頻數(shù)據(jù)處理成為了計(jì)算機(jī)研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題。而計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)，恰可以與這些圖像處理，視覺(jué)方法相交叉融合，來(lái)直接地生成風(fēng)格化的畫(huà)面，實(shí)現(xiàn)基于圖像三維建模，以及直接基于視頻和圖像數(shù)據(jù)來(lái)生成動(dòng)畫(huà)序列。當(dāng)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)正向地圖像生成方法和計(jì)算機(jī)視覺(jué)中逆向地從圖像中恢復(fù)各種信息方法相結(jié)合，可以帶來(lái)無(wú)可限量的想象空間，構(gòu)造出很多視覺(jué)特效來(lái)，最終用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、數(shù)字地圖、虛擬博物館展示等多種應(yīng)用中去。

（6） 從追求絕對(duì)的真實(shí)感向追求與強(qiáng)調(diào)圖形的表意性轉(zhuǎn)變

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在追求真實(shí)感方向的研究發(fā)展已進(jìn)入一個(gè)發(fā)展的平臺(tái)期，基本上各種真實(shí)感特效在不計(jì)較計(jì)算代價(jià)的前提下均能較好得以重現(xiàn)。然而，人們創(chuàng)造和生成圖片的終極目的不僅僅是展現(xiàn)真實(shí)的世界，更重要的是表達(dá)所需要傳達(dá)的信息。例如，在一個(gè)所需要描繪的場(chǎng)景中每個(gè)對(duì)象和元素都有其相關(guān)需要傳達(dá)的信息，可根據(jù)重要度不同可采用不同的繪制策略來(lái)進(jìn)行分層渲染再加以融合，最終合成具有一定表意性的圖像。為此，研究者已經(jīng)開(kāi)始研究如何與圖像處理、人工智能、心理認(rèn)知等領(lǐng)域相結(jié)合，探索合適表意性圖形生成方法。而這一技術(shù)趨勢(shì)的興起，實(shí)際上延續(xù)了已有的非真實(shí)感繪制研究中的若干進(jìn)展，必將在未來(lái)有更多的發(fā)展。

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