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1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展簡史

1950年,第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學(xué)院旋風(fēng)1號)計(jì)算機(jī)的附件誕生了。在整個(gè)50年代，只有電子管計(jì)算機(jī)，用機(jī)器語言編程,主要應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算，為這些計(jì)算機(jī)配置的圖形設(shè)備僅具有輸出功能。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)處于準(zhǔn)備和醞釀時(shí)期，并稱之為：“被動式”圖形學(xué)。到50年代末期，MIT的林肯實(shí)驗(yàn)室在“旋風(fēng)”計(jì)算機(jī)上開發(fā)SAGE空中防御體系，操作者可以用筆在屏幕上指出被確定的目標(biāo)。它預(yù)示著交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的誕生。

1962年,MIT林肯實(shí)驗(yàn)室的Ivan.E.Sutherland發(fā)表了1篇題為“Sketchpad:一個(gè)人機(jī)交互通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文,他在論文中首次使用了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)“ComputerGraphics”這個(gè)術(shù)語,證明了交互計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一個(gè)可行的、有用的研究領(lǐng)域，從而確定了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為一個(gè)嶄新的科學(xué)分支的獨(dú)立地位。同在60年代早期，法國雷諾汽車公司的工程師PierreBezier發(fā)展了1套被后人稱為Bezier曲線、曲面的理論，成功地用于幾何外形設(shè)計(jì),并開發(fā)了用于汽車外形設(shè)計(jì)的UNISURF系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)另外兩個(gè)重要進(jìn)展是真實(shí)感圖形學(xué)和實(shí)體造型技術(shù)的產(chǎn)生。另外,從1973年開始,相繼出現(xiàn)了英國劍橋大學(xué)CAD小組的Build系統(tǒng)、美國羅徹斯特大學(xué)的PADLI系統(tǒng)等實(shí)體造型系統(tǒng)。1980年Whitted提出了一個(gè)光透視模型——Whitted模型,并第一次給出光線跟蹤算法的范例,實(shí)現(xiàn)Whitted模型;1984年,美國Cornell大學(xué)和日本廣島大學(xué)的學(xué)者分別將熱輻射工程中的輻射度的方法引入到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中,用輻射度方法成功地模擬了理想漫反射表面間的多重漫反射效果;光線跟蹤算法和輻射度算法的提出,標(biāo)志著真實(shí)感圖形的顯示算法已逐漸成熟。從20世紀(jì)80年代中期以來,超大規(guī)模集成電路的發(fā)展,為圖形學(xué)的飛速發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力的提高,圖形處理速度的加快,使得圖形學(xué)的各個(gè)研究方向得到充分發(fā)展,圖形學(xué)已廣泛應(yīng)用于動畫、科學(xué)計(jì)算可視化、CAD/CAM、影視娛樂等各個(gè)領(lǐng)域。

2應(yīng)用及發(fā)前景

2.1智能CAD

CAD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)階段一一工程圖的繪制和輸出，產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能相對薄弱，利用AutoCAD最常用的功能還是交互式繪圖，如果要想進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，最基本的是要用其中的AutoLisp語言編寫程序，有時(shí)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(shí)現(xiàn)從概念設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全過程。例如，德國西門子公司開發(fā)的SigraphDesign軟件可以實(shí)現(xiàn)如下功能：①從一開始就可以用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)草圖，不必耗時(shí)費(fèi)力的輸入精確的坐標(biāo)點(diǎn)，能隨心所欲的修改，一旦結(jié)構(gòu)確定，給出正確的尺寸即得到滿意的圖紙；②這個(gè)軟件中具有關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)你改變圖紙的局部，相關(guān)部分自動變化，在一個(gè)視圖上的修改，其他視圖自動修改，甚至改變一個(gè)零件圖，相關(guān)的其它零件圖以及裝配圖的相關(guān)部分自動修改：③在各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域中，有一些常用件和標(biāo)準(zhǔn)件，因此，希望有一個(gè)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的動態(tài)模擬用于觀察設(shè)計(jì)的裝置在實(shí)際運(yùn)行中是否合理等等。智能CAD的另一個(gè)領(lǐng)域是工程圖紙的自動輸入與智能識別，隨著CAD技術(shù)的迅速推廣應(yīng)用，各個(gè)工廠、設(shè)計(jì)院都需將成千上萬張長期積累下來的設(shè)計(jì)圖紙快速而準(zhǔn)確輸入計(jì)算機(jī)，作為新產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)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(biāo)加鍵盤的交互輸入方法．很難適應(yīng)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(nèi)外CAD工作者的努力探索的新課題。國家自然科學(xué)基金會和863計(jì)劃基金都在支持這方面的研究，國內(nèi)外已有一些這方面的軟件付諸實(shí)用，如美國的RVmaster，德國的VPmax，以及清華大學(xué)，東北大學(xué)的產(chǎn)品等。但效果都不很理想．還未能達(dá)到人們企盼的效果。

2.2計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造

CAD/CAU是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)被用來進(jìn)行土建工程、機(jī)械結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的設(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)勢是十分明顯的。一個(gè)復(fù)雜的大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路板圖根本不可能用手工設(shè)計(jì)和繪制,用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)不僅能進(jìn)行設(shè)計(jì)和畫圖,而且可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成,把其結(jié)果直接送至后續(xù)工藝進(jìn)行加工處理。在飛機(jī)工業(yè)中,美國波音飛機(jī)公司已用有關(guān)的CAD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)波音777飛機(jī)的整體設(shè)計(jì)和模擬,其中包括飛機(jī)外型、內(nèi)部零部件的安裝和檢驗(yàn)。CAD領(lǐng)域另一個(gè)非常重要的研究領(lǐng)域是基于工程圖紙的三維形體重建。三維形體重建就是從二維信息中提取三維信息,通過對這些信息進(jìn)行分類、綜合等一系列處理,在三維空間中重新構(gòu)造出二維信息所對應(yīng)的三維形體,恢復(fù)形體的點(diǎn)、線、面及其拓?fù)潢P(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)形體的重建。二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)在工程界中仍占有主導(dǎo)地位,工程上有大量的舊的透視圖和投影圖片可以利用、借鑒,許多新的設(shè)計(jì)可憑借原有的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)做修改即可完成。同時(shí)三維幾何造型系統(tǒng),因?yàn)榭梢宰鲅b配件的干涉檢查以及有限元分析、仿真、加工等后續(xù)操作,代表CAD技術(shù)的發(fā)展方向。目前主要的三維形體重建算法是針對多面體和對主軸方向有嚴(yán)格限制的二次曲面體的。任意曲面體的三維形體重建,至今仍是一個(gè)未解決的世界難題。

2.3計(jì)算機(jī)動畫藝術(shù)

計(jì)算機(jī)動畫技術(shù)的發(fā)展是和許多其它學(xué)科的發(fā)展密切相關(guān)的。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)繪畫、計(jì)算機(jī)音樂、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、電影技術(shù)、電視技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件和硬件技術(shù)等眾多學(xué)科的最新成果都對計(jì)算機(jī)動畫技術(shù)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(jì)算機(jī)繪畫藝術(shù)作品都是在打印機(jī)和繪圖儀上產(chǎn)生的。直到60年代后期，才出現(xiàn)利用計(jì)算機(jī)顯示點(diǎn)陣的特性，通過精心地設(shè)計(jì)圖案來進(jìn)行計(jì)算機(jī)藝術(shù)創(chuàng)造的活動。70年代開始．計(jì)算機(jī)藝術(shù)走向繁榮和成熟1973年，在東京索尼公司舉辦了“首屆國際計(jì)算機(jī)藝術(shù)展覽會”80年代至今，計(jì)算機(jī)藝術(shù)的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人們的想象在代表計(jì)算機(jī)圖形研究最高水平的歷屆SIGGRAPH年會上，精彩的計(jì)算機(jī)藝術(shù)作品層出不窮。另外，在此期間的奧斯卡獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)名單中，采用計(jì)算機(jī)特技制作電影頻頻上榜，大有舍我其誰的感覺。在中國，首屆計(jì)算機(jī)藝術(shù)研討會和作品展示活動于1995年在北京舉行它總結(jié)了近年來計(jì)算機(jī)藝術(shù)在中國的發(fā)展，對未來的工作起到了重要的推動作用。

計(jì)算機(jī)動畫的一個(gè)重要應(yīng)用就是制作電影特技可以說電影特技的發(fā)展和計(jì)算機(jī)動畫的發(fā)展是相互促進(jìn)的。1987年由著名的計(jì)算機(jī)動畫專家塔爾曼夫婦領(lǐng)導(dǎo)的MIRA實(shí)驗(yàn)室制作了一部七分鐘的計(jì)算機(jī)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(fēng)采。1988年，美國電影《誰陷害了兔子羅杰》中二維動畫人物和真實(shí)演員的完美結(jié)合，令人膛目結(jié)舌、嘆為觀止其中用了不少計(jì)算機(jī)動畫處理1991年美國電影《終結(jié)者II：世界末日》展現(xiàn)了奇妙的計(jì)算機(jī)技術(shù)。此外，還有《侏羅紀(jì)公園》、《獅子王》、《玩具總動員》等。

我國的計(jì)算機(jī)動畫技術(shù)起步較晚。1990年的第11屆亞洲運(yùn)動會上，首次采用了計(jì)算機(jī)三維動畫技術(shù)來制作有關(guān)的電視節(jié)目片頭。從那時(shí)起，計(jì)算機(jī)動畫技術(shù)在國內(nèi)影視制作方面得到了訊速的發(fā)展，繼而以3DStudio為代表的三維動畫微機(jī)軟什和以Photostyler、Photoshop等為代表的微機(jī)二維平面設(shè)計(jì)軟件的普及，對我國計(jì)算機(jī)動畫技術(shù)的應(yīng)用起到了推波助讕的作用。計(jì)算機(jī)動畫的應(yīng)用領(lǐng)域十分寬廣除了用來制作影視作品外，在科學(xué)研究、視覺模擬、電子游戲、工業(yè)設(shè)計(jì)、教學(xué)訓(xùn)練、寫真仿真、過程控制、平面繪畫、建筑設(shè)計(jì)等許多方面都有重要應(yīng)用，如軍事戰(zhàn)術(shù)模擬

2.4科學(xué)計(jì)算可視化

科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,數(shù)據(jù)量的與日俱增使得人們對數(shù)據(jù)的分析和處理變得越來越難,人們無法從數(shù)據(jù)海洋中得到最有用的數(shù)據(jù),找到數(shù)據(jù)的變化規(guī)律,提取最本質(zhì)的特征。但是如果能將這些數(shù)據(jù)用圖形的形式表示出來,情況就不一樣了,事物的發(fā)展趨勢和本質(zhì)特征將會很清楚地呈現(xiàn)在人們面前。1986年,美國科學(xué)基金會(NSF)專門召開了一次研討會,會上提出了“科學(xué)計(jì)算可視化”。第二年,美國計(jì)算機(jī)成像專業(yè)委員會向NSF提交了“科學(xué)計(jì)算可視化的研究報(bào)告”后,VISC就迅速發(fā)展起來了。目前科學(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、氣象分析當(dāng)中。尤其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,可視化有著廣闊的發(fā)展前途。依靠精密機(jī)械做腦部手術(shù)已經(jīng)由機(jī)械人和醫(yī)學(xué)專家配合做遠(yuǎn)程手術(shù)是目前醫(yī)學(xué)上很熱門的課題,而這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)則是可視化。可視化技術(shù)將醫(yī)用CT掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維圖像,使得醫(yī)生能夠看到并準(zhǔn)確地判別病人的體內(nèi)的患處,然后通過碰撞檢測一類的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手術(shù)效果的反饋,幫助醫(yī)生成功完成手術(shù)。從目前的研究狀況來看,這項(xiàng)技術(shù)還遠(yuǎn)未成熟,離實(shí)用還有一定的距離。主要難點(diǎn)在于生成人體內(nèi)漫游圖像的三維體繪制技術(shù)還沒有達(dá)到實(shí)時(shí)的程度,而且現(xiàn)在大多的體繪制技術(shù)是基于平行投影,而漫游則需要真實(shí)感更強(qiáng)的透視投影技術(shù),然而體繪制的透視投影技術(shù)到目前還沒有很好地解決。另概括起來有外在漫游當(dāng)中還要根據(jù)CT圖像區(qū)分出不同的體內(nèi)組織,這項(xiàng)技術(shù)叫Segmentation。目前的Segmentation主要是靠人機(jī)交互來完成,遠(yuǎn)未達(dá)到自動實(shí)時(shí)的地步。