计算机图形学的发展前景

计算机图形学的发展前景计算机图形学，是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说，计算机图形学的主要研究内容就是研究如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。一、图形学的应用领域1、计算机辅助设计与制造(CAD/CAM) 这是一个最广泛、最活跃的应用领域，在机械、建筑、汽车、飞机、造船、电子等领域有着广泛的应用。如机械结构和零部件的设计，土木建筑工程及其图纸的设计，汽车、飞机、轮船的外形设计，集成电路、印刷线路板的设计等。过去在这些设计工作中，用的是绘图板加丁字尺的传统设计方法，现在正迅速地被 CAD技术所代替。使用 CAD 技术后，不仅提高了设计效率，缩短了设计周期，改善了设计质量，降低了设计成本，而且可以为后续工序的计算机辅助制造(CAM)建立起 CAD 数据库，使 CAD/CAM 联成一体，为生产自动化奠定基础。CAD/CAM 是高新技术，是先进的生产力，它已经并将进一步给人类带来巨大的影响和利益。现在，CAD 技术的水平已成为衡量一个国家工业技术水平的重要标志。2、科学计算可视化用图形来表示大量数据计算的结果或中间过程。例如：科技工作者需要认真分析大量的计算结果以确定一个系统的描述；商业主管需要分析大量的统计数据以做出对未来商业行为的决策；医生需要面对大量的 CT 数据以确定病人体内是否发生病变及何处发生病变；气象人员需要处理气象卫星传回的大批数据以绘出未来一段时间内的天气变化趋势图。分析处理这些大批数据是艰难和枯燥的，但如果应用计算机图形处理技术建立数据与图形之间的关系并将它们以图形的形式在屏幕上显示出来，则使用者很容易观察其中的各种现象并找出变化规律。这种研究如何将来自科学、工程、医学等领域的抽象数据用图形表示的学科称为科学计算可视化。可视化技术发展很快，已广泛应用于流体力学、有限元分析、医学、遥感等领域。3、地理信息系统与制图地理信息系统是建立在地理图形之上的关于人口分布、矿藏分布、森林覆盖、土地利用、旅游资源、海洋地理、地形地貌、山川河流分布、区域规划、城市交通、管线管网等综合信息管理系统。目前，它在发达国家中已得到广泛应用，我国也对其开展了广泛的研究与应用，全国数十所高校也纷纷设置地理信息系统专业。在地理信息系统中，计算机图形技术被用来产生高精度的上述各种资源的专题图，并为管理者提供有效的决策和帮助。4、事务管理和办公自动化无论是企业还是事业行政管理中，都存在着大量的图表，如作业进程表、生产产量表、库存表、销售统计图、生产计划表，以及统计分析方面的各种图表。这些图表都可以用计算机图形技术产生的直方图、饼图和折线图来表示。在办公自动化方面，各国都非常重视。办公自动化系统可以从联网的数据库中，取出所需要的数据，用清晰明了的图表在屏幕上显示或在打印机、绘图仪上输出。5、虚拟现实系统虚拟现实又称为虚拟环境，是指由计算机实时生成一个虚拟的三维空间。这个空间可以是小到分子、原子的微观世界，或是大到天体的宏观世界，也可以是类似于真实社会的生活空间。用户可以在这个三维空间中“自由”地走动，随意地观察，并可以通过一些特殊的设备与所处的虚拟景物进行交互操作。交互是多通道的、自然的，用来传递的信息可以是某个操作、一个手势、一个眼神，也可以是一个表情等。在此环境中，用户看到的是由计算机生成的逼真图像，听到的是虚拟环境中的声音，身体可以感受到虚拟环境所反馈的作用力，由此产生身临其境的感觉。虚拟现实技术主要研究用计算机模拟三维图形空间，并使用户能够自然地与该空间进行交互。在模拟训练中，可以用来训练飞机驾驶员操纵飞机飞行、训练宇航员驾驶登月舱登月。在模拟训练中，驾驶员的操作实时地变换成三维场景并投影在球形房间的内壁上，以模拟空中飞行的环境和状态，同时配上模拟飞行的音响效果，使驾驶员在训练驾驶舱内所见到的外部景物如同在真实的空中一样。这样的训练，既安全又方便，且节省了训练费用。目前，该技术已在航空航天、医学、教育、艺术、建筑等领域得到初步的应用。6、过程控制和指挥系统将各种实时过程的重要参数，如火箭的运行状态，炼油厂、发电厂和电力系统送来的压力、温度、电压、电流等数据传送到计算机，用图形方式进行显示，管理人员对图形进行监控，并对异常情况作出调整。此外，现在大量的指挥系统，军用指挥、铁路调度、机场指挥等系统，也用图形进行监视与控制。七、计算机动画为了产生连续的动画，每秒至少需要24帧画面。因而，一部两小时的动画片就需要十几万张画面，如果用传统的方式手工绘制，工作量是巨大的。首先要由原画设计师创作出人物、场景的关键画面，而两个关键画面之间的变化过程由其它动画工作者逐张完成。中间画的张数取决于人物动作变化的幅度及运动规律，要使动作过渡得平滑自然。60年代制作动画片《大闹天宫》时，就花了几十位动画工作者近两年的时间。如果用计算机图形技术来制作，一方面可以利用造型工具创作出形象逼真的演员、场景，另一方面可以在关键画面之间利用图形变换技术自动插入中间画面。这样大大提高了动画制作的质量和效率。现在，基于计算机图形技术的计算机动画软件3D MAX、Computer Animation 被广泛用于电视广告、节目片头、科教演示、电子游戏等的制作。2、计算机图形学发展与前景1、智能 CADCAD 的发展也显现出智能化的趋势，就目前流行的大多数 CAD 软件来看，主要功能是支持产品的后续阶段一一工程图的绘制和输出，产品设计功能相对薄弱， 利用 AutoCAD 最常用的功能还是交互式绘图，如果要想进行产品设计， 最基本的是要其中的 AutoLisp语言编写程序，有时还要用其他高级语言协助编写，很不方便。而新一代的智能 CAD 系统可以实现从概念设计到结构设计的全过程。智能 CAD 的另一个领域是工程图纸的自动输入与智能识别，随着 CAD 技术的迅速推广应用，各个工厂、设计院都需将成千上万张长期积累下来的设计图纸快速而准确输入计算机，作为新产品开发的技术资料。多年来，CAD 中普遍采用的图形输入方法是图形数字化仪交互输入和鼠标加键盘的交互输入方法．很难适应工程界大量图纸输入的迫切需要。因此， 基于光电扫描仪的图纸自动输入方法已成为国内外 CAD 工作者的努力探索的新课题。但由于工程图的智能识别涉及到计算机的硬件、计算机图形学、模式识别及人工智能等高新技术内容，使得研究工作的难点较大。工程图的自动输入与智能识别是两个密不可分的过程，用扫描仪将手绘图纸输入到计算机后，形成的是点阵图象． CAD 中只能对矢量图形进行编辑， 这就要求将点阵图象转化成矢量图形．而这些工作都让计算机自动完成．这就带来了许多的问题．2 计算机美术与设计2．1 计算机美术的发展计算机美术的发展可分为三个阶段：(1) 早期探索阶段 (1952 1968年) 主创人员大部分为科学家和工程师，作品以平面几何图形为主。1963年美国《计算机与自动化》杂志开始举办年度“计算机美术比赛”。(2) 中期应用阶段 (1968年～1983年)以1968年伦敦第一次世界计算机美术大展一“ 控制论珍宝 (Cybernehic Serendipity1为标志，进入世界性研究与应用阶段；计