计算机图形学的应用

摘 要 ：经历了三十多年的发展,在科学计算可视化、自然景物仿真、计算机艺术、计算机制造、图形实时绘制、计算机动画以及计算机辅助设计等方面计算机图形学都有了很大程度的就,应用前景非常广阔.

关 键 词 ：计算机动画；计算机图形学；计算机辅助设计；可视化

中图分类号：TP391.41

计算机图形学经过三十多年的发展,在各个领域都得到了较为广泛的应用,已经成为一项计算机科学中非常活跃的分支,其主要是利用计算机对图形的生成、显示、表示、处理进行研究的一门学科.本文主要对计算机图形学的定义、应用范围以及发展前景进行了简要介绍.

1计算机图形学的定义

将三维图形或者是二维图形使用数学算法转换为用计算机显示器的栅格形式的一种科学,这就是计算机图形学.计算机图形学主要研究的内容是,利用计算机如何进行图形的处理、图形的计算、图形的显示以及图形计算的相关算法和原理在计算机中如何进行等.图形都构成通常是由,面、线宽、线、灰度、体等几何元素、点、线型、色彩等非几何属性组成.如果从处理技术上来分析,图形可以分为两类：一类是明暗图,就是我们所说的真实感图形；另一类是如等高线地图、工程图、曲面的线框图等基于线条信息表示的.而计算机图形学的一个主要目的就是利用计算机生成让人赏心悦目的真实感图形.所以,图形所描述场景的几何表示必须要建立,然后在利用每一种光照模型,计算在检测象下的光照明效果.此外,真实感图形的计算结果是以数字图像的方式来提供的,因此,可以说计算机图形学和图形处理之间有着极为密切的关系.计算机图形学有着非常广泛的研究内容,如：实体造型、非真实感绘制、图形标准、光栅图形生成算法、真实感图形显示算法、图形硬件、计算机动画、虚拟现实、自然景物仿真、图形交互技术、曲线曲面造型、真实感图形计算、科学计算可视化等等.

2计算机图形学的主要应用范围

2.1科学计算可视化.目前在流体力学、气象分析、医学、有限元分析当中科学计算可视化得到了广泛的应用.可视化特别是在医学领域有着极为广阔的发展前景.当前医学上比较热门的一个课题就是依靠精密机械做脑部手术,而要想实现这些技术就必须要以可视化为基础.可视化技术在我们进行脑部手术时,能够帮助医生对患者体内的患处准确并清晰的进行判断,可以将医用CT所扫描的数据转化为图像,手术效果的反馈则可以通过碰撞检测等相关技术手段来实现,能够帮助医生顺利完成手术,在医学各个领域的未来发展中都离不开可视化技术.

2.2计算机动画.计算机动画随着计算机硬件以及计算机图形的不断发展应运而生.动画实际上也只不过是生成多个静态的图像,不过每一幅图像都有一定程度的修改,而计算机动画所研究的内容便是如何修改这一部分内容,而整个场景将这些做过修改的图形进行连续播放就会动起来形成动画效果.传统的卡通片是早期计算机动画的灵感来源,在生成几个关键帧之后,在进行连续播放时,对两个关键帧进行了有机的结合.计算机动画有多种多样生成动画的方法,内容也是丰富多彩的,比如说,三维自由行体变形,二维轴变形方法,形状混合等基于特征的图像变形.最近几年人们普遍将注意力转向一种崭新的方法上,就是基于物理模型的计算机动画生成方法,该方法力求动画的过程能够呈现出最为适合真实世界的运动规律,运用大量的流体力学与弹性力学的方程进行计算.不过,是很难达到真实的运动效果的,比如说行走的效果,要想实现非常自然的行走画面,所需要的计算量非常大,所用的计算机方程也非常复杂,目前以物理模型为基础的计算机动画还有很多内容需要不断深入研究,还存在很多不足.

2.3计算机辅助制造及设计.CAU和CAD是在工业界计算机图形学的应用中,最广泛也是最活跃的.无论在机械结构、土建工程,还是产品设计等领域计算机图形学都得到了广泛应用.生产工程的精确图形以及产品的相应结构,虽然有时候着重于这些方面,但是更为常用的还是进行人机修改及交互设计对所涉及产品、系统、工程的相关图形,我们可以通过不断选代设计,利用数据结构输出零件表、材料单、工艺卡、加工数据代码、加工流程等指令.在电子工业中计算机图形学主要在印刷电路板、网络分析、集成电路、电子线路等领域得到了广泛运用.

以工程图纸为基础的三维形体重建是在CAD领域的另一个非常重要的研究领域.在二维信息中将三维信息提取,对这些信息同时进行分类、综合等处理,在三维空间内重现构建三维信息相对应的三维形体,对形体的线、拓扑因素、点、面等进行恢复,最终实现形体的重建,这就是我们通常所说的三维形体重建.

2.4计算机艺术.除了在艺术品制造方面的广泛应用外（花纹、中国国画、图案以及传统油画等）计算机图形学在制造动画片、广告、电影等方法获得了成功,其中不乏一些获得奖项的作品,可以说这些奖项对计算机从事艺术创作是一个非常大的鼓励.当前不少国内人外相关人士正在对人体模拟系统进行研究,这就让我们有理由相信,在不久的将来将去世已久的著名人物搬上荧幕也是可能的,这对于传统的艺术家来说,是不可想象的更是无法实现的.

2.5自然景物方针及图形实时绘制.对真实无体的物理属性进行模拟就是真实感绘制的主要目的,也就是对光学性质、物体间的相对位置、物体的形状、粗糙程度、遮挡关系以及表面的纹理等进行模拟.重现真实世界的场景就是我们所说的真实感绘制.在自然景物仿真技术中我们需要将辐射度、线与面、明暗效应、、光线跟踪、颜色模型、纹理等消除或者隐藏,其中最难进行模拟的就是表面属性与光照属性.此外,为了便于用不同的色彩灰度来进一步增加图形的真实感,还必须对物体表面的明暗效应进行处理.在广告影视、科学计算、几何图形、指挥控制等方面,自然景物仿真技术得到了广泛的应用.

3计算机图形学的发展前景

计算机图形学我们可以发现不仅发展极为迅速,同时也已经逐步成为了独立的一门学科,处于科学的发展前沿位置.在自然景物仿真、计算机辅助制造和设计、计算机动画等多个领域,计算机图形学已经得到的广泛应用,在我们的日常生活中随处都可以见到计算机图形学的影子,计算机图形学的广泛应用让我们的生活变得越来越丰富多彩.此外,在地质勘探方面运用可视化,可以帮助地质学家发展新的资源,运用于预报天气,可以让气象预报更加准确,用于医学手术方面,可以进一步提高手术的成功率,减少手术风险.

从计算机图形学学科发展来看,有以下几个发展趋势：（1）与图形硬件的发展紧密结合,突破实时高真实感、高分辨率渲染的技术难点.图形渲染是整个图形学发展的核心.在计算机辅助设计,影视动漫以及各类可视化应用中都对图形渲染结果的高真实感提出了很高的要求.构造低功耗的渲染怎么写作是图形学的未来发展趋势之一；（2）研究和谐自然的三维模型建模方法.三维模型建模方法是计算机图形学的重要基础,是生成精美的三维场景和逼真动态效果的前提.研究和谐自然的三维建模方法是发展的一个重要趋势；（3）利用日益增长的计算性能,实现具有高度物理真实的动态仿真.高度物理真实感的动态模拟,包括对各种形变、水、气、云、烟雾、燃烧、爆炸、撕裂、老化等物理现象的真实模拟,是计算机图形学一直试图达到的目标；（4）研究多种高精度数据获取与处理技术,增强图形技术的表现.真实感的画面与逼真动态效果,一种有效的解决途径是采用各种高精度手段获取所需的几何、纹理以及动态信息；（5）计算机图形学与图像视频处理技术的结合.家用数字相机和摄像机的日益普及,对于数字图像与视频数据处理成为了计算机研究中的热点问题；（6）从追求绝对的真实感向追求与强调图形的表意性转变.人们创造和生成图片的终极目的不仅仅是展现真实的世界,更重要的是表达所需要传达的信息.

4总结

计算机图形学,给人类社会带来了诸多益处,可以说促进了人们物质水平的提高,也带来了精神上的享受.