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计算机图形学发展

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1计算机图形学的发展简史

1950年,第一台图形显示器作为美国麻省理工学院旋风1号)计算机的附件诞生了。在整个50年代,只有电子管计算机,用机器语言编程,主要应用于科学计算,为这些计算机配置的图形设备仅具有输出功能。计算机图形学处于准备和酝酿时期,并称之为:“被动式”图形学。到50年代末期,MIT的林肯实验室在“旋风”计算机上开发SAGE空中防御体系,操作者可以用笔在屏幕上指出被确定的目标。它预示着交互式计算机图形学的诞生。

1962年,MIT林肯实验室的Ivan.E.Sutherland发表了1篇题为“Sketchpad:一个人机交互通信的图形系统”的博士论文,他在论文中首次使用了计算机图形学“ComputerGraphics”这个术语,证明了交互计算机图形学是一个可行的、有用的研究领域,从而确定了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的独立地位。同在60年代早期,法国雷诺汽车公司的工程师PierreBezier发展了1套被后人称为Bezier曲线、曲面的理论,成功地用于几何外形设计,并开发了用于汽车外形设计的UNISURF系统。20世纪70年代,计算机图形学另外两个重要进展是真实感图形学和实体造型技术的产生。另外,从1973年开始,相继出现了英国剑桥大学CAD小组的Build系统、美国罗彻斯特大学的PADLI系统等实体造型系统。1980年Whitted提出了一个光透视模型——Whitted模型,并第一次给出光线跟踪算法的范例,实现Whitted模型;1984年,美国Cornell大学和日本广岛大学的学者分别将热辐射工程中的辐射度的方法引入到计算机图形学中,用辐射度方法成功地模拟了理想漫反射表面间的多重漫反射效果;光线跟踪算法和辐射度算法的提出,标志着真实感图形的显示算法已逐渐成熟。从20世纪80年代中期以来,超大规模集成电路的发展,为图形学的飞速发展奠定了物质基础。计算机的运算能力的提高,图形处理速度的加快,使得图形学的各个研究方向得到充分发展,图形学已广泛应用于动画、科学计算可视化、CAD/CAM、影视娱乐等各个领域。

2应用及发前景

2.1智能CAD

CAD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,最基本的是要用其中的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。例如,德国西门子公司开发的SigraphDesign软件可以实现如下功能:①从一开始就可以用计算机设计草图,不必耗时费力的输入精确的坐标点,能随心所欲的修改,一旦结构确定,给出正确的尺寸即得到满意的图纸;②这个软件中具有关系数据结构,当你改变图纸的局部,相关部分自动变化,在一个视图上的修改,其他视图自动修改,甚至改变一个零件图,相关的其它零件图以及装配图的相关部分自动修改:③在各个专业领域中,有一些常用件和标准件,因此,希望有一个参数化图库。而Sigraph不用编程只需画一遍图就能建成自己的图库;④Sigraph还可以实现产品设计的动态模拟用于观察设计的装置在实际运行中是否合理等等。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。国家自然科学基金会和863计划基金都在支持这方面的研究,国内外已有一些这方面的软件付诸实用,如美国的RVmaster,德国的VPmax,以及清华大学,东北大学的产品等。但效果都不很理想.还未能达到人们企盼的效果。

2.2计算机辅助设计与制造

CAD/CAU是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域。计算机图形学被用来进行土建工程、机械结构和产品的设计,包括设计飞机、汽车、船舶的外形和发电厂、化工厂等的布局以及电子线路、电子器件等。在电子工业中,计算机图形学应用到集成电路、印刷电路板、电子线路和网络分析等方面的优势是十分明显的。一个复杂的大规模或超大规模集成电路板图根本不可能用手工设计和绘制,用计算机图形系统不仅能进行设计和画图,而且可以在较短的时间内完成,把其结果直接送至后续工艺进行加工处理。在飞机工业中,美国波音飞机公司已用有关的CAD系统实现波音777飞机的整体设计和模拟,其中包括飞机外型、内部零部件的安装和检验。CAD领域另一个非常重要的研究领域是基于工程图纸的三维形体重建。三维形体重建就是从二维信息中提取三维信息,通过对这些信息进行分类、综合等一系列处理,在三维空间中重新构造出二维信息所对应的三维形体,恢复形体的点、线、面及其拓扑关系,从而实现形体的重建。二维图纸设计在工程界中仍占有主导地位,工程上有大量的旧的透视图和投影图片可以利用、借鉴,许多新的设计可凭借原有的设计基础做修改即可完成。同时三维几何造型系统,因为可以做装配件的干涉检查以及有限元分析、仿真、加工等后续操作,代表CAD技术的发展方向。目前主要的三维形体重建算法是针对多面体和对主轴方向有严格限制的二次曲面体的。任意曲面体的三维形体重建,至今仍是一个未解决的世界难题。

2.3计算机动画艺术

计算机动画技术的发展是和许多其它学科的发展密切相关的。计算机图形学、计算机绘画、计算机音乐、计算机辅助设计、电影技术、电视技术、计算机软件和硬件技术等众多学科的最新成果都对计算机动画技术的研究和发展起着十分重要的推动作用50年代到60年代之间,大部分的计算机绘画艺术作品都是在打印机和绘图仪上产生的。直到60年代后期,才出现利用计算机显示点阵的特性,通过精心地设计图案来进行计算机艺术创造的活动。70年代开始.计算机艺术走向繁荣和成熟1973年,在东京索尼公司举办了“首届国际计算机艺术展览会”80年代至今,计算机艺术的发展速度远远超出了人们的想象在代表计算机图形研究最高水平的历届SIGGRAPH年会上,精彩的计算机艺术作品层出不穷。另外,在此期间的奥斯卡奖的获奖名单中,采用计算机特技制作电影频频上榜,大有舍我其谁的感觉。在中国,首届计算机艺术研讨会和作品展示活动于1995年在北京举行它总结了近年来计算机艺术在中国的发展,对未来的工作起到了重要的推动作用。

计算机动画的一个重要应用就是制作电影特技可以说电影特技的发展和计算机动画的发展是相互促进的。1987年由著名的计算机动画专家塔尔曼夫妇领导的MIRA实验室制作了一部七分钟的计算机动画片《相会在蒙特利尔》再现了国际影星玛丽莲•梦露的风采。1988年,美国电影《谁陷害了兔子罗杰》中二维动画人物和真实演员的完美结合,令人膛目结舌、叹为观止其中用了不少计算机动画处理1991年美国电影《终结者II:世界末日》展现了奇妙的计算机技术。此外,还有《侏罗纪公园》、《狮子王》、《玩具总动员》等。

我国的计算机动画技术起步较晚。1990年的第11届亚洲运动会上,首次采用了计算机三维动画技术来制作有关的电视节目片头。从那时起,计算机动画技术在国内影视制作方面得到了讯速的发展,继而以3DStudio为代表的三维动画微机软什和以Photostyler、Photoshop等为代表的微机二维平面设计软件的普及,对我国计算机动画技术的应用起到了推波助谰的作用。计算机动画的应用领域十分宽广除了用来制作影视作品外,在科学研究、视觉模拟、电子游戏、工业设计、教学训练、写真仿真、过程控制、平面绘画、建筑设计等许多方面都有重要应用,如军事战术模拟

2.4科学计算可视化

科学技术的迅猛发展,数据量的与日俱增使得人们对数据的分析和处理变得越来越难,人们无法从数据海洋中得到最有用的数据,找到数据的变化规律,提取最本质的特征。但是如果能将这些数据用图形的形式表示出来,情况就不一样了,事物的发展趋势和本质特征将会很清楚地呈现在人们面前。1986年,美国科学基金会(NSF)专门召开了一次研讨会,会上提出了“科学计算可视化”。第二年,美国计算机成像专业委员会向NSF提交了“科学计算可视化的研究报告”后,VISC就迅速发展起来了。目前科学计算可视化广泛应用于医学、流体力学、有限元分析、气象分析当中。尤其在医学领域,可视化有着广阔的发展前途。依靠精密机械做脑部手术已经由机械人和医学专家配合做远程手术是目前医学上很热门的课题,而这些技术的实现的基础则是可视化。可视化技术将医用CT扫描的数据转化为三维图像,使得医生能够看到并准确地判别病人的体内的患处,然后通过碰撞检测一类的技术实现手术效果的反馈,帮助医生成功完成手术。从目前的研究状况来看,这项技术还远未成熟,离实用还有一定的距离。主要难点在于生成人体内漫游图像的三维体绘制技术还没有达到实时的程度,而且现在大多的体绘制技术是基于平行投影,而漫游则需要真实感更强的透视投影技术,然而体绘制的透视投影技术到目前还没有很好地解决。另概括起来有外在漫游当中还要根据CT图像区分出不同的体内组织,这项技术叫Segmentation。目前的Segmentation主要是靠人机交互来完成,远未达到自动实时的地步。

计算机图形学发展责任编辑:刘老师    阅读:人次