計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用論文(2)
計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用論文
計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用論文篇二
《分析計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用》
摘要：經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展，在科學(xué)計(jì)算可視化、自然景物仿真、計(jì)算機(jī)藝術(shù)、計(jì)算機(jī)制造、圖形實(shí)時(shí)繪制、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等方面計(jì)算機(jī)圖形學(xué)都有了很大程度的就，應(yīng)用前景非常廣闊。
關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)動(dòng)畫;計(jì)算機(jī)圖形學(xué);計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì);可視化
計(jì)算機(jī)圖形學(xué)經(jīng)過三十多年的發(fā)展，在各個(gè)領(lǐng)域都得到了較為廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為一項(xiàng)計(jì)算機(jī)科學(xué)中非?；钴S的分支，其主要是利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖形的生成、顯示、表示、處理進(jìn)行研究的一門學(xué)科。本文主要對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的定義、應(yīng)用范圍以及發(fā)展前景進(jìn)行了簡要介紹。
1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的定義
將三維圖形或者是二維圖形使用數(shù)學(xué)算法轉(zhuǎn)換為用計(jì)算機(jī)顯示器的柵格形式的一種科學(xué)，這就是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)主要研究的內(nèi)容是，利用計(jì)算機(jī)如何進(jìn)行圖形的處理、圖形的計(jì)算、圖形的顯示以及圖形計(jì)算的相關(guān)算法和原理在計(jì)算機(jī)中如何進(jìn)行等。圖形都構(gòu)成通常是由，面、線寬、線、灰度、體等幾何元素、點(diǎn)、線型、色彩等非幾何屬性組成。如果從處理技術(shù)上來分析，圖形可以分為兩類：一類是明暗圖，就是我們所說的真實(shí)感圖形;另一類是如等高線地圖、工程圖、曲面的線框圖等基于線條信息表示的。而計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一個(gè)主要目的就是利用計(jì)算機(jī)生成讓人賞心悅目的真實(shí)感圖形。所以，圖形所描述場景的幾何表示必須要建立，然后在利用每一種光照模型，計(jì)算在假象下的光照明效果。此外，真實(shí)感圖形的計(jì)算結(jié)果是以數(shù)字圖像的方式來提供的，因此，可以說計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖形處理之間有著極為密切的關(guān)系。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)有著非常廣泛的研究內(nèi)容，如：實(shí)體造型、非真實(shí)感繪制、圖形標(biāo)準(zhǔn)、光柵圖形生成算法、真實(shí)感圖形顯示算法、圖形硬件、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、虛擬現(xiàn)實(shí)、自然景物仿真、圖形交互技術(shù)、曲線曲面造型、真實(shí)感圖形計(jì)算、科學(xué)計(jì)算可視化等等。
2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要應(yīng)用范圍
2.1科學(xué)計(jì)算可視化。目前在流體力學(xué)、氣象分析、醫(yī)學(xué)、有限元分析當(dāng)中科學(xué)計(jì)算可視化得到了廣泛的應(yīng)用?？梢暬貏e是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著極為廣闊的發(fā)展前景。當(dāng)前醫(yī)學(xué)上比較熱門的一個(gè)課題就是依靠精密機(jī)械做腦部手術(shù)，而要想實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)就必須要以可視化為基礎(chǔ)?？梢暬夹g(shù)在我們進(jìn)行腦部手術(shù)時(shí)，能夠幫助醫(yī)生對(duì)患者體內(nèi)的患處準(zhǔn)確并清晰的進(jìn)行判斷，可以將醫(yī)用CT所掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖像，手術(shù)效果的反饋則可以通過碰撞檢測(cè)等相關(guān)技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)，能夠幫助醫(yī)生順利完成手術(shù)，在醫(yī)學(xué)各個(gè)領(lǐng)域的未來發(fā)展中都離不開可視化技術(shù)。
2.2計(jì)算機(jī)動(dòng)畫。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫隨著計(jì)算機(jī)硬件以及計(jì)算機(jī)圖形的不斷發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生。動(dòng)畫實(shí)際上也只不過是生成多個(gè)靜態(tài)的圖像，不過每一幅圖像都有一定程度的修改，而計(jì)算機(jī)動(dòng)畫所研究的內(nèi)容便是如何修改這一部分內(nèi)容，而整個(gè)場景將這些做過修改的圖形進(jìn)行連續(xù)播放就會(huì)動(dòng)起來形成動(dòng)畫效果。傳統(tǒng)的卡通片是早期計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的靈感來源，在生成幾個(gè)關(guān)鍵幀之后，在進(jìn)行連續(xù)播放時(shí)，對(duì)兩個(gè)關(guān)鍵幀進(jìn)行了有機(jī)的結(jié)合。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫有多種多樣生成動(dòng)畫的方法，內(nèi)容也是豐富多彩的，比如說，三維自由行體變形，二維軸變形方法，形狀混合等基于特征的圖像變形。最近幾年人們普遍將注意力轉(zhuǎn)向一種嶄新的方法上，就是基于物理模型的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫生成方法，該方法力求動(dòng)畫的過程能夠呈現(xiàn)出最為適合真實(shí)世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，運(yùn)用大量的流體力學(xué)與彈性力學(xué)的方程進(jìn)行計(jì)算。不過，是很難達(dá)到真實(shí)的運(yùn)動(dòng)效果的，比如說行走的效果，要想實(shí)現(xiàn)非常自然的行走畫面，所需要的計(jì)算量非常大，所用的計(jì)算機(jī)方程也非常復(fù)雜，目前以物理模型為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫還有很多內(nèi)容需要不斷深入研究，還存在很多不足。
2.3計(jì)算機(jī)輔助制造及設(shè)計(jì)。CAU和CAD是在工業(yè)界計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用中，最廣泛也是最活躍的。無論在機(jī)械結(jié)構(gòu)、土建工程，還是產(chǎn)品設(shè)計(jì)等領(lǐng)域計(jì)算機(jī)圖形學(xué)都得到了廣泛應(yīng)用。生產(chǎn)工程的精確圖形以及產(chǎn)品的相應(yīng)結(jié)構(gòu)，雖然有時(shí)候著重于這些方面，但是更為常用的還是進(jìn)行人機(jī)修改及交互設(shè)計(jì)對(duì)所涉及產(chǎn)品、系統(tǒng)、工程的相關(guān)圖形，我們可以通過不斷選代設(shè)計(jì)，利用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)輸出零件表、材料單、工藝卡、加工數(shù)據(jù)代碼、加工流程等指令。在電子工業(yè)中計(jì)算機(jī)圖形學(xué)主要在印刷電路板、網(wǎng)絡(luò)分析、集成電路、電子線路等領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用。
以工程圖紙為基礎(chǔ)的三維形體重建是在CAD領(lǐng)域的另一個(gè)非常重要的研究領(lǐng)域。在二維信息中將三維信息提取，對(duì)這些信息同時(shí)進(jìn)行分類、綜合等處理，在三維空間內(nèi)重現(xiàn)構(gòu)建三維信息相對(duì)應(yīng)的三維形體，對(duì)形體的線、拓?fù)湟蛩?、點(diǎn)、面等進(jìn)行恢復(fù)，最終實(shí)現(xiàn)形體的重建，這就是我們通常所說的三維形體重建。
2.4計(jì)算機(jī)藝術(shù)。除了在藝術(shù)品制造方面的廣泛應(yīng)用外(花紋、中國國畫、圖案以及傳統(tǒng)油畫等)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在制造動(dòng)畫片、廣告、電影等方法獲得了成功，其中不乏一些獲得獎(jiǎng)項(xiàng)的作品，可以說這些獎(jiǎng)項(xiàng)對(duì)計(jì)算機(jī)從事藝術(shù)創(chuàng)作是一個(gè)非常大的鼓勵(lì)。當(dāng)前不少國內(nèi)人外相關(guān)人士正在對(duì)人體模擬系統(tǒng)進(jìn)行研究，這就讓我們有理由相信，在不久的將來將去世已久的著名人物搬上熒幕也是可能的，這對(duì)于傳統(tǒng)的藝術(shù)家來說，是不可想象的更是無法實(shí)現(xiàn)的。
2.5自然景物方針及圖形實(shí)時(shí)繪制。對(duì)真實(shí)無體的物理屬性進(jìn)行模擬就是真實(shí)感繪制的主要目的，也就是對(duì)光學(xué)性質(zhì)、物體間的相對(duì)位置、物體的形狀、粗糙程度、遮擋關(guān)系以及表面的紋理等進(jìn)行模擬。重現(xiàn)真實(shí)世界的場景就是我們所說的真實(shí)感繪制。在自然景物仿真技術(shù)中我們需要將輻射度、線與面、明暗效應(yīng)、、光線跟蹤、顏色模型、紋理等消除或者隱藏，其中最難進(jìn)行模擬的就是表面屬性與光照屬性。此外，為了便于用不同的色彩灰度來進(jìn)一步增加圖形的真實(shí)感，還必須對(duì)物體表面的明暗效應(yīng)進(jìn)行處理。在廣告影視、科學(xué)計(jì)算、幾何圖形、指揮控制等方面，自然景物仿真技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。
3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展前景
計(jì)算機(jī)圖形學(xué)我們可以發(fā)現(xiàn)不僅發(fā)展極為迅速，同時(shí)也已經(jīng)逐步成為了獨(dú)立的一門學(xué)科，處于科學(xué)的發(fā)展前沿位置。在自然景物仿真、計(jì)算機(jī)輔助制造和設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫等多個(gè)領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)已經(jīng)得到的廣泛應(yīng)用，在我們的日常生活中隨處都可以見到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的影子，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的廣泛應(yīng)用讓我們的生活變得越來越豐富多彩。此外，在地質(zhì)勘探方面運(yùn)用可視化，可以幫助地質(zhì)學(xué)家發(fā)展新的資源，運(yùn)用于預(yù)報(bào)天氣，可以讓氣象預(yù)報(bào)更加準(zhǔn)確，用于醫(yī)學(xué)手術(shù)方面，可以進(jìn)一步提高手術(shù)的成功率，減少手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。
從計(jì)算機(jī)圖形學(xué)學(xué)科發(fā)展來看，有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：(1)與圖形硬件的發(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。構(gòu)造低功耗的渲染服務(wù)是圖形學(xué)的未來發(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景和逼真動(dòng)態(tài)效果的前提。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);(3)利用日益增長的計(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);(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)。真實(shí)感的畫面與逼真動(dòng)態(tài)效果，一種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;(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)問題;(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。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。
4總結(jié)
計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，給人類社會(huì)帶來了諸多益處，可以說促進(jìn)了人們物質(zhì)水平的提高，也帶來了精神上的享受。
參考文獻(xiàn)：
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