图形学技术综述

1.计算机图像学的发展历史。

    1950 年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院（MIT）旋风 I 号（Whirlwind  I）计算 机的附件诞生了。该显示器用一个类似于示波器的阴极射线管（CRT）来显示一些简单的图形。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，第一次使用了具有指挥和控制功能的CRT 显示器，操作者可以用笔在屏幕上指出被确定的目标。与此同时，类似的技术在设计和生产过程中也陆续得到了应用，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 发表了一篇题为“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“Computer Graphics” 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。

    70年代是计算机图形学发展过程中一个重要的历史时期。因为通用、与设备无关的图形软件的发展，图形软件功能的标准化问题被提了出来。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。1970年Bouknight 提出了第一个光反射模型，1971年 Gourand 提出“漫反射模型＋插值”的思想，被称为 Gourand 明暗处理。1975 年 Phong 提出了著名的简单光照模型-Phong 模型。这些可以 算是真实感图形学最早的开创性工作。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 PADL-1 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。

1. 计算机图形学最新技术介绍

2.1草图三维建模

在计算机图形学中，三维建模技术提供了很多必要的方法用来将现实世界中的物体转化为三维坐标系下的数学表达形式，并通过计算机程序进行渲染，从而实现在虚拟空间模拟真实世界的效果。目前有很多提供三维建模功能的软件，例如Maya、3Ds Max 等，并且在实际的三维建模中都得到了各个领域的广泛应用。虽然这些三维建模软件已经广泛用于生产环境，但是对于复杂模型的建模时仍然需要比较复杂的交互，耗费时间与人力。为了解决这一问题，基于草图的三维建模技术提供了使用手绘草图作为输入的方式进行几何建模的有效方法。基于草图的建模技术用于三维建模的研究，其中一些已经常见于某部分特定的功能领域，如视频游戏、服装设计、动物研究等。通过较少的二维草图笔划，用户可以使用草图输入界面进行具有自由几何表面的复杂对象建模，从而能够以更有效的方式大大减少建模时间。

2.2新型场景再现

远程场景再现技术无疑是一个难点，远程端的数据如何实时可靠地传输到操控端，实现远程操控，基于远程操控机器人的特殊背景，机器人或可能需要在网络信号差，网络覆盖不足的环境工作，存在数据量大、传输延迟等问题。以机器人端传输所在环境的基础数据，与电脑终端的数据库进行匹配，以 VR 技术在一定程度上还原远程场景，使系统对网络的要求大幅度降低，实现场景的还原，以应对恶劣的运行环境。用机器人身上的传感器提取了远端空间里的各种信息数据。通过以太网将其传回终端电脑内。然后再与数据库内各物体的数据进行匹配，重构空间内的各个物体。最后将这些信息和传感器传出回来的其它关于空间内的环境因素，最终通过计算机图形学与VR 技术实现远端场景的再现。

2.3机械制造工业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。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．如①图象的智能识别；②字符的提取与识别；③图形拓扑结构的建立与图形的理解；④实用化的后处理方法等等。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。

2.4基于图形学的致旱天气系统自动识别技术

基于图形学分析技术，采用追踪算法、矢量分析法，利用常规 MICAPS 数据、NECP 逐日再分析资料和EC 细网格资料,对致旱天气系统进行识别试验。近年来，随着电子计算机性能的提高，计算机图形识别技术也取得飞速发展，而其成果多应用在工商和医学，如条形码的识别、汉字笔画自动识别、建筑图纸识别、人脸识别系统等方面。在地球科学研究方面，图形识别技术也在逐渐发展，如利用计算机图形识别技术与 GIS 技术相结合，进行地理信息的绘制与识别；利用图形识别技术进行沙尘天气监测识别或卫星云图、多普勒雷达图的系统识别。近几年，也有一些学者开展了天气系统自动识别技术的研究，但大部分都是从数学角度进行计算、识别。如袁美英等利用读取欧洲高度场格点数据，运用统计识别法和模糊识别技术，对高低压中心和槽线进行分析识别。胡文东等读MICAPS格点数据，在矢量旋转追踪法等值线分析的基础上，经过滤波、查找各等值线特性点、剔除异常点等处理，有序提取高空天气系统的节点。我国北方处在中纬度地区，主要受西风带系统影响，且干旱的发生往往是处在大槽大脊的环流转换中，同时由于西风带系统的移动均相对比较稳定、有序，利于开展识别实验。采用计算机图形识别技术，开展致旱天气系统的自动识别，通过编程实验，实现了高空槽线、脊线、高低压中心等主要天气系统的识别技术，为天气预报客观自动化的实现提供了一条新途径。

2.5科学计算可视化

科学计算可视化将图形生成技术图象理解技术结合在一起， 它即可理解送入计算机的图象数据．也可以从复杂的多维数据中产生图形。它涉及到下列相互独立的几个领域：计算机图形学、图象处理、计算机视觉、计算机辅助设计及交互技术等。科学计算可视按其实现的功能来分， 可以分为三个档次：(1)结果数据的后处理；(2)结果数据的实时跟踪处理及显示；(3)结果数据的实时显示及交互处理。

科学计算可视化技术应用范围涉及天体物理、生物学、气象学、空气动力学、数学、医学图象等领域。科学计算可视化的技术水平正在从后处理向实时跟踪和交互控制发展。就三维数据场的显示算法而言，当数据场分布密集而规则时(如cT扫描数据)多采用体绘制技术，这种算法效果好，但计算费时。对于数据场分布稀疏，或分布不规则的应用领域， 如天体物理、气象学多采用构造中间几何图象的方法，这种方法生成图象速度快，较易作到实时交互处理。计算科学可视化还有很大的发展与潜力。比如实时的科学计算可视化技术还没有很好的应用，与人工智能的结合也有很多的选择与方向可以探索。

1. 结语

计算机图形学的从发展至今，已经不单单是图形打交道，他涉及了很多的交叉学科，如上文中提到的那些新的技术，这些交叉学科不仅保障了图形学的发展，同时图形学的发展也推动了其他学科的进步，我们不能只关注计算机图形学中的图形方面的发展，他的延伸也需要了解和深入。