| 单词 | 计算机图形学 |
| 释义 | 【计算机图形学】 拼译：computer graphics 是研究利用计算机生成、存储、处理和显示图形的一门学科。其应用十分广泛，不但扩展到科学技术的各领域，而且渗透到商业、教育、娱乐、甚至家庭中。在CAD、CAM、办公室自动化、地形图绘制、资源图、气象图，以及飞行环境模拟、机器人运动模拟、动画片、电视广告、艺术作品制作等领域，处处可见计算机图形学成功的应用。 计算机图形学主要内容为：造型，用数学和计算机方法建立所描述对象的几何模型；存储，将模型按照一定的数据结构存放于计算机中；处理，用某种方法改变模型的几何或视觉特征；显示，按一定的视觉效果表现图形，并进行明暗、阴影、纹理等处理。计算机图形学以光栅显示器为主要设备。工作站一般都带有高分辨率的CRT显示器，强有力32位微处理器，大容量的内存及硬盘。有些高性能的工作站有专门的图形处理器，图形处理如平移、旋转、定比、透视、裁剪、光照、色调以及曲线曲面生成都可以用硬件实现，能够快速生成和处理三维真实感图形。计算机图形学的应用与三维形体表示有密切的关系。几何造型研究如何利用数学和计算机来建立和表示三维物体，可分为曲面造型和实体造型两种。曲面造型使用各种曲面，如二次曲面，多边形网络、双三次参数曲面片(Coons、Bezier、B-spline)等来表示三维物体，这些表示方法被广泛应用于飞机、汽车的计算机辅助设计中。实体造型被广泛用于机械CAD／CAM中，它能完整、有效地表示三维形体，并且十分符合人们构造几何形体时的思维方式。实体造型使用的表示方法有边界表示(B-rep)、构造实体几何(CSG)等。在许多应用领域中，如电视广告、电影制作、医学图象处理等常需要有高度真实感图形。目前利用计算机图形学技术可产生的具有高度真实感图象，几乎达到了乱真的程度。生成有真实感的图形，首先要消除隐藏面，其次要选取光照模型对可见面进行明暗处理，最后还要考虑材料的透明度、阴影、表面纹理等。常用的对由多边形格网定义的物体进行明暗处理方法有：Gouraud明暗处理，使用亮度插值来表示区域的亮度；Phong明暗处理，使用法向量插值，以改进图象的质量；Torrance-Sparrow明暗处理，预先测到所有物体的最精确反射值。光线跟踪(Ray tracing)是一种早在20世纪70年代就提出的三维真实感明暗图形生成算法，具有很高的真实感。在整体光照模型中，这种方法是利用从视点发出的射线测试景物中的可见点，再从可见点发出几向光源以及周围物体的射线来综合考虑光源和环境对该点产生的镜面反射、漫射和透射，能较真实地模拟物体的透明、半透明和阴影等的光照效果。1984年，Goral使用热辐射工程中辐射度(Radiosity)技术来模拟光在景物间由漫反射到漫反射的能量传播形式(如彩色渗透现象)，因为考虑了环境的整体漫射，使真实感大大增强，这就是著名的辐射度方法。自然景物模拟是计算机图形学的重要研究方向之一，应用于诸如飞行、汽车驾驶动画等高逼真度的环境描述，以表示纹理、植物、岩石、山光水色、烟雾和火焰等自然景象。为此，发展了纹理模拟、分形、粒子系统等技术，较好地解决了模拟自然景物的难题。1976年世界一些计算机图形学者在法国举行Seillac I会议，决定建立图形标准。美国的SIGGRAPH小组建立了Core图形系统，而欧洲人则建立了GKS，并使GKS成为国际标准。PHIGS(Programmer’s Hierarchical Interactive Graphics Standard)是一个3D图形标准，它为观察三维模型的动态改变提供了更多的人机交互功能。此外，SGI公司开发的GL(Graphics Library)，由于其较强的三维图形图象处理能力、层次化的图形结构、使用方便以及与图形加速硬件结合，已被SGI IRIS系列、IBM RS 6000系列和Microsoft公司的软硬件产品所采用，成为一种工业标准。计算机图形学由于其独具的艺术魅力、广阔的应用领域以及硬件和软件环境的不断完善，正以惊人的速度向前发展。有许多研究领域仍在不断地拓展。几何造型技术的研究主要集中在以下两个方面：(1)任意拓扑曲面的造型：着重研究具有一定连续性和边界条件的任意双面流曲面造型。(2)特征造型(Feature Modelling)：主要应用分类、编码、成组技术，研究几何信息与所描述对象的拓扑、物理、加工、应用等信息特征的融合方法。科学计算可视化是近几年提出的新名词，然而对于这方面的研究与应用却几乎与计算机图形学有一样长的历史。它的涵义是利用计算机图形学的技术和方法将科学计算产生的数据和过程用形象具体的图形表示。科学计算可视化的研究领域十分广阔，如分子结构模拟、大脑结构和功能模拟、气象、天体演变、计算流体力学、有限元分析、机器人学、甚至于人的行为科学等等。空间数据场的整体绘制(Volume Rendering)是近些年发展较快的一种图形技术，主要用于表现三维数据场的某些物理特性。最典型的应用是CT断层扫描的三维信息重构以及核磁共振的成像。此外还大量应用于有限元分析的后置处理、热力分析、气象图等方面。常用的显示方法有如下几种：截面法、阈值法、光线穿透法和边界重构法。用户界面是计算机应用的关键性研究课题之一，其发展与计算机图形学有着愈来愈紧密的联系。窗口技术原来是计算机图形学中针对图形显示而发展的一种技术，后来被用户界面所采纳并发展。它之所以流行在于能使用户更有效的利用有限的屏幕空间，而且提供了支持用户并行工作的运行机制。1988年，MIT推出了X－Window的11版本。由于其网络透明，客户－服务器模型、极高的可移植性等特点，被誉为90年代最重要的软件之一。现在X11几乎被所有工作站制造商作为界面的标准。人们预计：UNIX、C++、X－Window将成为工作站的软件环境的3大基本组成部分。用户界面及其管理的面向对象和图形化的特征是未来发展的主要方向。此外人们还在探索界面的智能化的技术。虚拟现实(Virtual Reality)是在集成计算机图形学、声学、光纤和传感器等研究成果的基础上发展的一种与现实世界高度逼真的、崭新的人机界面技术。虚拟现实技术高度逼真地综合模拟人在现实世界中的视、听、动等行为，使人们能够摆脱以往人机界面较为抽象的形式，而变得形象、生动。虚拟现实技术向我们展示了未来计算机图形学发展的一个新趋势。【参考文献】：1 Rogers D F．Procedural Elements for Computer Graphics，New York：McGraw-Hill，19852 Hearn D，Baker M P．Computer Graphics，New Jersey：Prentice-Hall，19863 Foley J D，Van Dam A，et al Computer Graphics，principles and practice，USA：Addiison-Wesley，19904 唐荣锡，汪嘉业，彭群生，计算机图形学教程，北京：科学出版社，1990(中国科学院计算技术研究所博士生导师刘慎权研究员、谭峻博士撰) |
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