計算機圖形學學習的心得體會

對計算機圖形學課程學習的心得體會

通過一個學期的學習，了解了什么是計算機圖形學、什么是圖形API、為什么需要計算

機圖形學以及計算機圖形學在各個領域的應用。計算機圖形學是一種使用數(shù)學算法將二維或三維圖形轉化為計算機顯示器的柵格形式的科學，研究的是應用計算機產(chǎn)生圖像的所有工作，不管圖像是靜態(tài)的還是動態(tài)的，可交互的還是固定的，等等。圖形API是允許程序員開發(fā)包含交互式計算機圖形操作的應用而不需要關注圖形操作細節(jié)或任務系統(tǒng)細節(jié)的工具集。計算機圖形學有著廣泛的應用領域，包括物理、航天、電影、電視、游戲、藝術、廣告、通信、天氣預報等幾乎所有領域都用到了計算機圖形學的知識，這些領域通過計算機圖形學將幾何模型生成圖像，將問題可視化從而為各領域更好的服務。

計算機圖形學利用計算機產(chǎn)生讓人賞心悅目的視覺效果，必須建立描述圖形的幾何模型還有光照模型，再加上視角、顏色、紋理等屬性，再經(jīng)過模型變換、視圖變換、投影操作等，通過這些步驟從而實現(xiàn)一個完整的OpenGL程序效果。OpenGL是一個開放的三維圖形軟件包，它獨立于窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，以它為基礎開發(fā)的應用程序可以十分方便地在各種平臺間移植。計算機圖形學通過應用OpenGL的功能，使得生成的圖形效果具有高度真實感。學習計算機圖形學的重點是掌握OpenGL在圖形學程序中的使用方法。

21世紀是信息的時代，在日新月異的科技更新中相信計算機會發(fā)揮越來越重要的作用，計算機圖形學也會在更多的領域所應用，雖然我國在這方面還比較薄弱，但相信會有越來越好的時候的。

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計算機圖形學學習心得體會

計算機科學與技術與技術班

學號：

1.計算機圖形學

計算機圖形學（ComputerGraphics，簡稱CG），狹義上是一種研究基于物理定律、經(jīng)驗方法以及認知原理，使用各種數(shù)學算法處理二維或三維圖形數(shù)據(jù)，生成可在計算機等顯示設備上顯示的可視化數(shù)據(jù)的科學。它是計算機科學的一個分支領域與應用方向。廣義上來看，計算機圖形學不僅包含了從三維圖形建模、繪制，到生成動畫的過程，同時也包含了對二維矢量圖形以及圖像視頻融合處理的研究。

2.研究內容

計算機圖形學的研究內容非常廣泛，如圖形硬件、圖形標準、圖形交互技術、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實體造型、真實感圖形計算與顯示算法、非真實感繪制，以及科學計算可視化、計算機動畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實等。

簡單地說，計算機圖形學的主要研究內容就是研究如何在計算機中表示圖形、以及利用計算機進行圖形的計算、處理和顯示的相關原理與算法。圖形通常由點、線、面、體等幾何元素和灰度、色彩、線型、線寬等非幾何屬性組成。從處理技術上來看，圖形主要分為兩類，一類是基于線條信息表示的，如工程圖、等高線地圖、曲面的線框圖等，另一類是明暗圖，也就是通常所說的真實感圖形。

計算機圖形學一個主要的目的就是要利用計算機產(chǎn)生令人賞心悅目的真實感圖形。為此，必須建立圖形所描述的場景的幾何表示，再用某種光照模型，計算在假想的光源、紋理、材質屬性下的光照明效果。所以計算機圖形學與另一門學科計算機輔助幾何設計有著密切的關系。事實上，圖形學也把可以表示幾何場景的曲線曲面造型技術和實體造型技術作為其主要的研究內容。同時，真實感圖形計算的結果是以數(shù)字圖像的方式提供的，計算機圖形學也就和圖像處理有著密切的關系。

具體來說計算機圖形學分為兩方面內容，一是建模，二是變換，三是渲染。所謂建模，就是將一個現(xiàn)實中的物體或者想象出來的物體做成一個模型，使計算機能夠識別。所謂變換，就是將空間中的實體變換到屏幕上。所謂渲染，就是在屏幕上顯示出來一些場景。

1、建模

建模方面涉及的內容相對較少，這部分主要是和數(shù)學有關。因為計算機的基礎就是數(shù)學，計算機可識別的模型也即數(shù)學模型。

(1)模型的表示方法

模型表示方法有兩種，一種是用方程表示，一種是用實體造型表示。

方程表示主要包括常見的曲線曲面方程，BEZIER曲線曲面，B樣條曲線曲面和NURBS曲線曲面。

實體造型表示包括內容挺多，如邊界表示，空間劃分表示，等等，很多。

總而言之，這一部分的主要任務是以某種形式將一個實體表示出來。

(2)多邊形網(wǎng)格

以某種形式將模型表示出來后，通常在三維圖形領域，模型并沒有真正的建立起來。通用的模型是多邊形網(wǎng)格形式的，于是需要進行轉換。

在上一步形成的圖形可表示出大量的點，這些點都是實體表面上的點。按照一定的順序將點連接起來，就得到實體輪廓，即多邊形網(wǎng)格。

通常采用三角形網(wǎng)格，為此需要對點進行三角剖分。常采用delaunay三角剖分和隨機增量剖分。

(3)網(wǎng)格簡化

形成三角網(wǎng)格后，網(wǎng)格數(shù)量如果過多，需要對模型簡化，以降低渲染的負荷。在簡化的同時還要盡量不降低渲染的效果。通常有靜態(tài)網(wǎng)格簡化技術，細節(jié)層次技術，漸進式網(wǎng)格模型表示等。

2、坐標系變換

(1)觀察變換

這一部分是將空間物體從世界坐標系變換到二維視區(qū)。因為物體處于三維空間中，然而屏幕是以圖片的形式顯示的，即視區(qū)是二維的，這樣就需要這樣一個變換。包括如下三個步驟：

觀察變換：將實體從世界坐標系變換到觀察坐標系。

規(guī)范化變換：將觀察域規(guī)范化

視區(qū)變換：完成從觀察坐標系到視區(qū)的映射。

(2)裁剪

裁剪是確定圖元是否落在某一區(qū)域。視區(qū)是有限的，在視區(qū)外的圖元不需要顯示在屏幕上。裁剪是在視區(qū)變換的過程中執(zhí)行。

裁剪算法很多，關于直線裁剪，有Cohen-Sutherland算法、Liang-Barsky算法，關于多邊形裁剪，有Sutherland-Hodgman算法、Weiler-Atherton算法。

3、渲染

渲染是計算機圖形學中最龐大的部分，這部分和計算機、數(shù)學、物理等多個學科都有聯(lián)系。

(1)光照和明暗處理

這部分研究的是光源發(fā)出的光打到實體表面產(chǎn)生的光照效果。于是需要研究如下內容：

光照模型。即光源是什么樣的，發(fā)出什么樣的光。

明暗處理模型。即模型的表面是什么樣的，如何反射光。陰影屬于此部分

光線追蹤。一種計算光照效果的算法。

輻射度算法。另一種計算光照效果的算法。

即，這部分研究的主要內容是：光源發(fā)出什么樣的光，物體對光如何反射，以及根據(jù)光源模型和明暗處理模型而產(chǎn)生的模擬光照效果的算法。

(2)顏色模型與著色

現(xiàn)實世界是繽紛多彩的，因此必須有多種顏色。顏色模型有多種，如CIE-XYZ色度圖，RGB顏色模型，CMY顏色模型，HSV顏色模型，HLS顏色模型等等。

選用某種特定的顏色模型，對實體進行著色，是渲染的重要內容，是增加渲染效果真實性的重要組成部分。

(3)可見面判定

圖形學模擬的是人眼看到的世界。對于一個實體，面對著我們的一側可以被看到，而實體的背部則不在視線范圍內。不在視線范圍內的部分稱為隱藏面。

可見面判定即確定哪些面可見，哪些面不可見。這里算法也比較多，涉及到Z緩沖器算法，曲面求交算法等等。

(4)紋理

為實體添加紋理，通常采用貼圖的形式，使實體更加真實。

下面簡紹計算機圖形學在曲面造型技術中的應用

曲面造型技術是計算機圖形學和計算機輔助幾何設計的一項重要內容，主要研究在計算機圖象系統(tǒng)的環(huán)境下對曲面的表示、設計、顯示和分析。第一論文范文網(wǎng)編輯。

它肇源于飛機、船舶的外形放樣工藝，經(jīng)三十多年發(fā)展，現(xiàn)在它已經(jīng)形成了以Bezier和B樣條方法為代表的參數(shù)化特征設計和隱式代數(shù)曲面表示這兩類方法為主體，以插值（Intmpolation）、擬合（Fitting）、逼近（Ap-proximation）這三種手段為骨架的幾何理論體系。隨著計算機圖形顯示對于真實性、實時性和交互性要求的日益增強，隨著幾何設計對象向著多樣性、特殊性和拓撲結構復雜性靠攏的趨勢的日益明顯，隨著圖形工業(yè)和制造工業(yè)邁向一體化、集成化和網(wǎng)絡化步伐的日益加快，隨著激光測距掃描等三維數(shù)據(jù)采樣技術和硬件設備的日益完善，曲面造型在近幾年來得到了長足的發(fā)展。1從研究領域來看，曲面造型技術已從傳統(tǒng)的研究曲面表示、曲面求交和曲面拼接，擴充到曲面變形、曲面重建、曲面簡化、曲面轉換和曲面位差。曲面變形（DeformationorShapeBlending）：傳統(tǒng)的非均勻有理B樣條（NURBS）曲面模型，僅允許調整控制頂點或權因子來局部改變曲面形狀，至多利用層次細化模型在曲面特定點進行直接操作；一些簡單的基于參數(shù)曲線的曲面設計方法，如掃掠法（Sweeping），蒙皮法（skinning），旋轉法和拉伸法，也僅允許調整生成曲線來改變曲面形狀。計算機動畫業(yè)和實體造型業(yè)迫切需要發(fā)展與曲面表示方式無關的變形方法或形狀調配方法，于是產(chǎn)生了自由變形（fFD）法，基于彈性變形或熱彈性力學等物理模型（原理）的變形法，基于求解約束的變形法，基于幾何約束的變形法等曲面變形技術和基于多面體對應關系或基于圖象形態(tài)學中Minkowski和操作的曲面形狀調配技術。

2從表示方法來看，以網(wǎng)格細分（Sub-division）為特征的離散造型與傳統(tǒng)的連續(xù)造型相比，大有后來居上的創(chuàng)新之勢。而且，這種曲面造型方法在生動逼真的特征動畫和雕塑曲面的設計加工中如魚得水，得到了高度的運用。

3在計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）的應用

這是一個最廣泛，最活躍的應用領域。計算機輔助設計（ComputerAidedDesign，CAD）是利用計算機強有力的計算功能和高效率的圖形處理能力，輔助知識勞動者進行工程和產(chǎn)品的設計與分析，以達到理想的目的或取得創(chuàng)新成果的一種技術。它是綜合了計算機科學與工程設計方法的最新發(fā)展而形成的一門新興學科。計算機輔助設計技術的發(fā)展是與計算機軟件、硬件技術的發(fā)展和完善，與工程設計方法的革新緊密相關的。采用計算機輔助設計已是現(xiàn)代工程設計的迫切需要。CAD技術目前已廣泛應用于國民經(jīng)濟的各個方面，其主要在制造業(yè)中的應用。CAD技術已在制造業(yè)中廣泛應用，其中以機床、汽車、飛機、船舶、航天器等制造業(yè)應用最為廣泛、深入。眾所周知，一個產(chǎn)品的設計過程要經(jīng)過概念設計、詳細設計、結構分析和優(yōu)化、仿真模擬等幾個主要階段。同時，現(xiàn)代設計技術將并行工程的概念引入到整個設計過程中，在設計階段就對產(chǎn)品整個生命周期進行綜合考慮。當前先進的CAD應用系統(tǒng)已經(jīng)將設計、繪圖、分析、仿真、加工等一系列功能集成于一個系統(tǒng)內�，F(xiàn)在較常用的軟件有UGII、I-DEAS、CATIA、PRO/E、Euclid等CAD應用系統(tǒng)，這些系統(tǒng)主要運行在圖形工作站平臺上。在PC平臺上運行的CAD應用軟件主要有Cimatron、Solidwork、MDT、SolidEdge等。由于各種因素，目前在二維CAD系統(tǒng)中Autodesk公司的AutoCAD占據(jù)了相當?shù)氖袌觥?/p>

在工程設計中的應用

CAD技術在工程領域巾的應用有以下幾個方面：①建筑設計，包括方案設計、三維造

型、建筑渲染圖設計等。②結構設計，包括有限元分析、結構平面設計、框/排架結構計算和分析等。③設備設計，包括水、電、暖各種設備及管道設計。④城市規(guī)劃、城市交通設計，如城市道路、高架、輕軌等。⑤市政管線設計，如自來水、污水排放、煤氣等。⑥交通工程設計，如公路、橋梁、鐵路等。⑦水利工程設計，如大壩、水渠等。⑧其他工程設計和管理，如房地產(chǎn)開發(fā)及物業(yè)管理、工程概預算等。

在電氣和電子電路方面的應用。

CAD技術最早曾用于電路原理圖和布線圖的設計工作。目前，CAD技術已擴展到印刷電路板的設計（布線及元器件布局），并在集成電路、大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路的設計制造中大顯身手，并由此大大推動了微電子技術和計算及技術的發(fā)展。仿真模擬和動畫制作。

應用CAD技術可以真實地模擬機械零件的加工處理過程、飛機起降、船舶進出港口、物體受力破壞分析、飛行訓練環(huán)境、作戰(zhàn)方針系統(tǒng)、事故現(xiàn)場重現(xiàn)等現(xiàn)象。在文化娛樂界已大量利用計算機造型仿真出逼真的現(xiàn)實世界中沒有的原始動物、外星人以及各種場景等，并將動畫和實際背景以及演員的表演天衣無縫地合在一起，在電影制作技術上大放異彩，拍制出一個個激動人心的巨片。

其他應用。

CAD技術除了在上述領域中的應用外，在輕工、紡織、家電、服裝、制鞋、醫(yī)療和醫(yī)藥乃至體育方面都會用到CAD技術。CAD標準化體系進一步完善；系統(tǒng)智能化成為又一個技術熱點；集成化成為CAD技術發(fā)展的一大趨勢；科學計算可視化、虛擬設計、虛擬制造技術是CAD技術發(fā)展的新趨向。

目前圖形學在一些前沿科技上也有很大的作用。例如1.計算機輔助設計與智能CAD

CAD(ComputeAidedDesign)計算機輔助設計的發(fā)展也顯現(xiàn)出智能化的趨勢，就目前流行的大多數(shù)CAD軟件來看，主要功能是支持產(chǎn)品的后續(xù)階段工程圖的繪制和輸出，而產(chǎn)品設計功能相對薄弱，著名的三維輔助設計軟件AutoCAD，其最常用的功能還是交互式繪圖，如果要想進行產(chǎn)品設計，最基本的是要用其中的AutoLisp語言編寫程序，有時還要用其他高級語言協(xié)助編寫，很不方便。而新一代的智能CAD系統(tǒng)可以實現(xiàn)從概念設計到結構設計的全過程。例如，德國西門子公司開發(fā)的SigraphDesign軟件可以實現(xiàn)如下功能：①從一開始就可以用計算機設計草圖，不必耗時費力的輸入精確的坐標點，能隨心所欲的修改，一旦結構確定，給出正確的尺寸即得到滿意的圖紙；②這個軟件中具有關系數(shù)據(jù)結構，當你改變圖紙的局部，相關部分自動變化，在一個視圖上的修改，其他視圖自動修改，甚至改變一個零件圖，相關的其它零件圖以及裝配圖的相關部分自動修改：③在各個專業(yè)領域中，有一些常用件和標準件，因此，希望有一個參數(shù)化圖庫。而Sigraph不用編程只需畫一遍圖就能建成自己的圖庫；④Sigraph還可以實現(xiàn)產(chǎn)品設計的動態(tài)模擬用于觀察設計的裝置在實際運行中是否合理等等。智能CAD的另一個領域是工程圖紙的自動輸入與智能識別，隨著CAD技術的迅速推廣應用，各個工廠、設計院都需將成千上萬張長期積累下來的設計圖

紙快速而準確輸入計算機，作為新產(chǎn)品開發(fā)的技術資料。多年來，CAD中普遍采用的圖形輸入方法是圖形數(shù)字化儀交互輸入和鼠標加鍵盤的交互輸入方法．很難適應工程界大量圖紙輸入的迫切需要。因此，基于光電掃描儀的圖紙自動輸入方法已成為國內外CAD工作者的努力探索的新課題。但由于工程圖的智能識別涉及到計算機的硬件、計算機圖形學、模式識別及人工智能等高新技術內容，使得研究工作的難點較大。工程圖的自動輸入與智能識別是兩個密不可分的過程，用掃描儀將手繪圖，紙輸入到計算機后，形成的是點陣圖像。CAD中只能對矢量圖形進行編輯，這就要求將點陣圖像轉化成矢量圖形．而這些工作都讓計算機自動完成．這就帶來了許多的問題．如①圖像的智能識別；②字符的提取與識別；③圖形拓撲結構的建立與圖形的理解；④實用化的后處理方法等等。國家自然科學基金會和863計劃基金都在支持這方面的研究，國內外已有一些這方面的軟件付諸實用，如美國的RVmaster，德國的VPmax，以及清華大學，東北大學的產(chǎn)品等。但效果都不很理想．還未能達到人們企盼的效果。

2.科學計算可視化

科學計算的可視化是發(fā)達國家八十年代后期提出并發(fā)展起來的一門新興技術，它將科學計算過程中及計算結果的數(shù)據(jù)轉換為幾何圖形及圖像信息在屏幕上顯示出來并進行交互處理，成為發(fā)現(xiàn)和理解科學計算過程中各種現(xiàn)象的有力工具。

1987年2月英國國家科學基金會在華盛頓召開了有關科學計算可視化的首次會議。會議一致認為“將圖形和圖像技術應用于科學計算是一個全新的領域”科學家們不僅需要分析由計算機得出的計算數(shù)據(jù)，而且需要了解在計算機過程中數(shù)據(jù)的變化。會議將這一技術定名為“科學計算可視化(VisualizationinScientificComputing)”�？茖W計算可視化將圖形生成技術、圖像理解技術結合在一起，它即可理解送入計算機的圖像數(shù)據(jù)．也可以從復雜的多維數(shù)據(jù)中產(chǎn)生圖形。它涉及到下列相互獨立的幾個領域：計算機圖形學、圖像處理、計算機視覺、計算機輔助設計及交互技術等�？茖W計算可視按其實現(xiàn)的功能來分，可以分為三個檔次：(1)結果數(shù)據(jù)的后處理；(2)結果數(shù)據(jù)的實時跟蹤處理及顯示；(3)結果數(shù)據(jù)的實時顯示及交互處理。

3.計算機動畫

計算機動畫技術的發(fā)展是和許多其它學科的發(fā)展密切相關的。計算機圖形學、計算機繪畫、計算機音樂、計算機輔助設計、電影技術、電視技術、計算機軟件和硬件技術等眾多學科的最新成果都對計算機動畫技術的研究和發(fā)展起著十分重要的推動作用50年代到60年代之間，大部分的計算機繪畫藝術作品都是在打印機和繪圖儀上產(chǎn)生的。一直到60年代后期，才出現(xiàn)利用計算機顯示點陣的特性，通過精心地設計圖案來進行計算機藝術創(chuàng)造的活動。70年代開，計算機藝術走向繁榮和成熟1973年，在東京索尼公司舉辦了首屆”國際計算機藝術展覽會”，80年代至今，計算機藝術的發(fā)展速度遠遠超出了人們的想象在代表計算機圖形研究最高水平的歷屆SIGGRAPH年會上，精彩的計算機藝術作品層出不窮。在中國，首屆計算機藝術研討會和作品展示活動于1995年在北京舉行，它總結了近年來計算機藝術在中國的發(fā)展，對未來的工作起到了重要的推動作用。

計算機動畫的一個重要應用就是制作電影特技�？梢哉f電影特技的發(fā)展和計算機動畫的發(fā)展是相互促進的。1987年由著名的計算機動畫專家塔爾曼夫婦領導的MIRA實驗室制作了一部七分鐘的計算機動畫片《相會在蒙特利爾》再現(xiàn)了國際影星瑪麗蓮?夢露的風采。1988

年，美國電影《誰陷害了兔子羅杰》（《WhoFramedRogerRabbit?》）中二維動畫人物和真實演員的完美結合，令人膛目結舌、嘆為觀止，其中用了不少計算機動畫處理。1991年美國電影《終結者II：世界末日》展現(xiàn)了奇妙的計算機技術。此外，還有《侏羅紀公園》(JurassicPark)、《獅子王》、《玩具總動員》(ToyStory)等。

4.虛擬現(xiàn)實技術

“虛擬現(xiàn)實”(VirbualReality)一詞是由美國噴氣推動實驗室(VPL)的創(chuàng)始人拉尼爾(JaronLanier)首先提出的。在克魯格(MyrenKruege)70年代中的早期實驗里，被稱為”人工現(xiàn)實”(Artificialreality)；而在吉布森(WilliamGibson)l984年出版的科幻小說Neuremanccr里，又被稱為“可控空間”(Cyberspaee)。虛擬現(xiàn)實，也有人稱之為虛擬環(huán)境(VirtualEnvironment)是美國國家航空和航天局及軍事部門為模擬而開發(fā)的一門高新技術它利用計算機圖形產(chǎn)生器，位置跟蹤器，多功能傳感器和控制器等有效地模擬實際場景和情形，從而能夠使觀察者產(chǎn)生一種真實的身臨其境的感覺。虛擬環(huán)境由硬件和軟件組成，硬件部分主要包括：傳感器(Sensors)、印象器(Efeeter)和連接侍感器與印象器產(chǎn)生模擬物理環(huán)境的特殊硬件。利用虛擬現(xiàn)實技術產(chǎn)生虛擬現(xiàn)實環(huán)境的軟件需完成以下三個功能：建立作用器(Actors)以及物體的外形和動力學模型：建立物體之間以及周圍環(huán)境之間按照牛頓運動定律所決定的相互作用；描述周圍環(huán)境的內容特性

（1）用于腦外科規(guī)劃的雙手操作空間接口工具

最近，美國弗尼亞大學推出了一種能用于腦外科規(guī)劃的被稱為Netra的雙手操作空間接口工具根據(jù)腦外科醫(yī)生的工作環(huán)境和習慣，該系統(tǒng)采用一種外形象人頭的控制器。腦外科醫(yī)生可以根據(jù)他們的職業(yè)習慣，通過轉動外形象人頭的控制器，來方便地觀察人腦的不同部位，同時通過右手控制面板的平面來控制人腦的剝面的掃描井能根據(jù)CT或強磁共振圖像所產(chǎn)生的主體腦模型顯示所需得到觀察視點著色后的真實圖像

（2）虛擬環(huán)境用于恐高癥治療

英國研制的一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以產(chǎn)生以下虛擬環(huán)境：①透明的玻璃電梯②高層建筑陽臺③位于峽谷之上的索橋。為了增加真實的感覺，患者除了佩戴能夠產(chǎn)生三維立體景象的頭盔式顯示器外，還必須站在一個特制的框架內。調節(jié)電梯、陽臺和索橋的高度就可以產(chǎn)生不同程度的刺激。

（3）虛擬風洞

德國信息技術國家研究中心的克魯格等人建立了一個所謂的“虛擬風洞，用以代替風洞實驗(因風洞實驗成本高，且實驗難以控制)。在虛擬風洞中，其模擬的數(shù)據(jù)來自超級計算機或高性能工作站上運行的有限元程序。利用虛擬風洞，觀測者通過佩戴液晶開關眼鏡可以方便地對于給定的點和線進行觀察，而且還可以通過放大的方式進行更細致的研究，大大方便了人們對于物體動力中特性的研究。

（4）封閉式戰(zhàn)斗作戰(zhàn)訓練器

封閉式戰(zhàn)斗作戰(zhàn)訓練器(CCTT)是馬斯塔格利等人為美軍研制的用于坦克和機械化步兵在實際地形上進行演習的模擬裝置。它與通常的虛擬環(huán)境和模擬器不同，它需要建立的是適用于軍隊訓練的大規(guī)模復雜的虛擬環(huán)境。

（5）虛擬現(xiàn)實技術在建筑設計中的應用

虛擬現(xiàn)實技術還被廣泛用于建筑設計�？唆敻竦葘⑺麄冊O計的未來建筑顯現(xiàn)在他們發(fā)明的虛擬工作平臺上，建筑學家們聚集在一起透過所佩戴的液晶眼鏡，可以看到設計的立體建筑，并方便地增添或移去建筑的一部分或其它物體。同時也可以通過數(shù)據(jù)手套來設置不同的光源．模擬不同時間的日光和月光．觀察在不同光線下所設計建筑的美感以及與整個環(huán)境的協(xié)調性。

總之．虛擬現(xiàn)實技術是一門多學科交叉和綜合集成的新技術。因此，它的發(fā)展將取決于相關科學技術的發(fā)展和進步。虛擬現(xiàn)實技術最基本的要求就是反映的實時性和場景的真實性。但一般來說，實時性與真實性往往是相互矛盾的。

虛擬現(xiàn)實的發(fā)展也將依賴于其他學科的發(fā)展，計算機圖形學前景誘人。形勢逼人，但我國的技術還比較落后。

從計算機圖形學目前學科發(fā)展來看，未來可能有以下幾個發(fā)展趨勢：

（1）與圖形硬件的發(fā)展緊密結合，突破實時高真實感、高分辨率渲染的技術難點

圖形渲染是整個圖形學發(fā)展的核心。在計算機輔助設計，影視動漫以及各類可視化應用中都對圖形渲染結果的高真實感提出了很高的要求。同時，由于顯示設備的快速發(fā)展，人們要求能提供高清分辨率（1920x1080），進一步要能達到數(shù)字電影所能播放的4K分辨率(4096x2060)的圖形圖像；色彩的動態(tài)范圍也希望從原來每個通道的8Bit提高到10bit及以上。雖然已有的圖形學方法已經(jīng)能較為真實地再現(xiàn)各類視覺效果，然而為了能提供高分辨率高動態(tài)的渲染效果，必須消耗非�？捎^的計算能力。一幀精美的高清分辨率圖像，單機渲染往往需要耗費數(shù)小時至數(shù)十小時。為此，傳統(tǒng)方法主要采用分布式系統(tǒng)，將渲染任務分配到集群渲染節(jié)點中。即使這樣，也需要使用上千臺計算機，耗費數(shù)月時間才能完成一部標準90分鐘長度的影片渲染。

近10年來，基于GPU（GraphicProcessingUnit）的圖形硬件技術得以發(fā)展迅速，已經(jīng)能在一個GPU芯片上采用64nm工藝集成上千個采用SIMD（單指令多數(shù)據(jù)流）架構的通用計算核心。而201*年底，主流圖形硬件商nVidia和AMD以及Intel還會推出基于MIMD（多指令多數(shù)據(jù)流）計算核心的GPU芯片用于圖形加速繪制，以支持DirectX11以及OpenGL3.0圖形標準。最新的圖形學研究，采用GPU技術可以充分利用計算指令和數(shù)據(jù)的并行性，已可在單個工作站上實現(xiàn)百倍于基于CPU方法的渲染速度。

然而已知的實現(xiàn)方法，其實現(xiàn)效果還較為初步，無法實現(xiàn)復雜的視覺特效，離實時的高真實感渲染還有很大差距。其主要原因是：①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原因，數(shù)據(jù)組織無法如同CPU方法一樣的組織，因此對復雜的數(shù)據(jù)結構仍無法得到很好地支持。②缺乏標準高效的GPU高層編程語言、編譯器以及相應調試工具。③由于

以上兩個問題，無法完整地實現(xiàn)適于電影渲染制作的RenderMan標準，以及其他各類基于物理真實感的渲染算法。因此，如何充分利用GPU的計算特性，結合分布式的集群技術，解決以上這些難題，從而來構造低功耗的渲染服務是圖形學的未來發(fā)展趨勢之一。

（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算機圖形學的重要基礎，是生成精美的三維場景和逼真動態(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源于CAD中基于參數(shù)式調整的形狀構造方法，建模效率低而學習門檻高，不易于普及和讓非專業(yè)用戶使用。而隨著計算機圖形技術的普及和發(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目前發(fā)展的一個重要趨勢。

采用合適的交互手段，來進行三維模型的快速構造，特別是應用于概念設計和建筑設計領域目前已引起了國際同行的廣泛關注。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慣，是目前研究的重點問題。其難點是根據(jù)具體的應用領域，與視覺方法相融合，如何設計合理的交互語匯以及對應的過程式“識別-構造”方法。

與此相關的一個問題是基于規(guī)則的過程式建模方法。目前由于GoogleEarth等數(shù)字地圖信息系統(tǒng)的廣泛應用，對于地圖之上的建筑物信息等存在迫切需求。為此，研究者希望通過激光掃描或者視頻等獲取方式獲得相關信息后能迅速地重建出相關三維模型信息。然而單純的重建方式存在精度低、穩(wěn)定性差和運算量大等不足，遠未能滿足實際的需求。因此，最近的研究中，傾向于采用基于規(guī)則的過程式建模方法相結合來嘗試高效地構造出三維建筑模型，以及相關的樹木等結構化場景。

（3）利用日益增長的計算性能，實現(xiàn)具有高度物理真實的動態(tài)仿真

高度物理真實感的動態(tài)模擬，包括對各種形變、水、氣、云、煙霧、燃燒、爆炸、撕裂、老化等物理現(xiàn)象的真實模擬，是計算機圖形學一直試圖達到的目標。這一技術是各類動態(tài)仿真應用的核心技術，可以極大地提高虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的沉浸感。然而高度物理真實性模擬，主要受限于目前計算機的處理能力和存儲容量限制，不能處理很高精度的模擬，也無法做到很高的響應速度。所幸的是，GPU技術帶來了革新這一技術的可能。充分利用GPU硬件內部的并行性，研究者開始普遍關注基于GPU的各類數(shù)學物理方程求解極其相關的有限元加速計算方法。就目前而言，主要研究關注焦點還是單個物理方法的GPU實現(xiàn)。然而，最近隨著nVidia推出了基于GPU的PhysX通用物理加速技術，以及Havok公司與AMD合作開發(fā)了通用物理中間件技術，相信未來可為高度物理真實的動態(tài)模擬提供新的研究機遇。

（4）研究多種高精度數(shù)據(jù)獲取與處理技術，增強圖形技術的表現(xiàn)

達到現(xiàn)實中真實感的畫面與逼真動態(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、紋理以及動態(tài)信息。為此，研究者正在考慮對各個尺度上的信息進行獲取。小到物體表面的微結構、紋理屬性和反射屬性通過研制特殊裝置予以捕獲與處理，或采用一組同攝像機來獲取演員的幾何形體與動態(tài)，達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問題是：①圖形獲取設備的設計與實現(xiàn)，這是與計算機視覺、硬件、軟件相關的系統(tǒng)工程研究問題；②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，如何進行處理與壓縮以適合于圖形學應用是主要問題；③一旦獲取相關的數(shù)據(jù)，如何進行重用是一個主要課題，因此使得基于數(shù)據(jù)驅動的方法，與機器學習相交叉的圖形學方法是最近的研究熱點。

（5）計算機圖形學與圖像視頻處理技術的結合

隨著家用數(shù)字相機和攝像機的日益普及，對于數(shù)字圖像與視頻數(shù)據(jù)處理成為了計算機研究中的熱點問題。而計算機圖形學技術，恰可以與這些圖像處理，視覺方法相交叉融合，來直接地生成風格化的畫面，實現(xiàn)基于圖像三維建模，以及直接基于視頻和圖像數(shù)據(jù)來生成動畫序列。當今計算機圖形學正向著圖像生成方法和計算機視覺中逆向地從圖像中恢復各種信息方法相結合，可以帶來無可限量的想象空間，構造出很多視覺特效來，最終用于增強現(xiàn)實、數(shù)字地圖、虛擬博物館展示等多種應用中去。

（6）從追求絕對的真實感向追求與強調圖形的表意性轉變

計算機圖形學在追求真實感方向的研究發(fā)展已進入一個發(fā)展的平臺期，基本上各種真實感特效在不計較計算代價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)真實的世界，更重要的是表達所需要傳達的信息。例如，在一個所需要描繪的場景中每個對象和元素都有與其相關需要傳達的信息，可根據(jù)重要度不同，采用不同的繪制策略來進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)開始研究如何與圖像處理、人工智能、心理認知等領域相結合，探索合適表意性圖形生成方法。而這一技術趨勢的興起，實際上延續(xù)了已有的非真實感繪制研究中的若干進展，必將在未來有更多的發(fā)展。

本學期學了計算機圖形學后，對我有了很多的幫助。老師講解的十分詳細，易于理解。也舉了很多的生動例子。以前，我學了一段時間3DMAX。當時對一些其中牽扯的概念不大了解，經(jīng)過了本學期學系終于明白了。

希望老師以后能再找一些更生動的例子，讓課堂的氣氛更活躍。

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