计算机图形学的应用

计算机图形学的应用

——09051325 沈利国

计算机图形学是一门研究如何利用计算机表示、生成、显示和处理图形的学科。计算机图形学的应用领域十分的广泛，例如有信息的显示（统计图表、数据可视化）、设计（各种CAD）、仿真和动画（计算机艺术，计算机电影，计算机游戏，飞行、驾驶模拟，虚拟现实环境）、用户接口等。 信息的显示，包括各种统计图表，以直观的显示方式展示数据想要表示的内容。 设计，CAD技术在现代工业生产中起着重要的作用，在各个生产行业基本都会用到计算机绘制工具来绘制产品的外形或者产品结构。 计算机电影，实际上就是电影中的特技效果，无论是创造外星人模样的水底怪兽，还是16吨硕大的恐龙，计算机图动画在电影中的应用已经有30来个年头了。经过在20世纪后不断的改进和发展，现在的计算机动画技术终于在好莱坞占据了举足轻重的地位——几乎可以喝电影大明星们平起平坐。 在计算机游戏中，计算机图形学的首要任务就是实现计算机游戏中的虚拟场景，这主要通过在计算机中重现真是世界场景来实现。游戏编程的主要任务就是模拟真实物体的物理属性，即物体的形状、光学性质、表面的纹理和粗糙程度。以及物体间的相对位置、遮挡关系等等。期中，关照和表面属性是最难模拟的。为了模拟光照，已有各种各样的关照模型。从简单到复杂排列分别是：简单光照模型、局部光照模型和整体光照模型。从绘制方法上看有模拟光的实际传播过程的光线跟踪法，也有模拟能量交换的辐射度方法。除了在计算机中实现逼真物理模型外，计算机游戏中图形学应用的另个研究重点是加速算法，力求能在最短时间内绘制出最真实的场景，提高游戏的流畅度。例如求交算法的加速、光线跟踪的加速等等，像包围体树、自适应八叉树都是著名的加速算法。实时的游戏场景绘制已成为当前游戏开发的研究热点，当前计算机游戏实时绘制的两个热点问题这是物体网络模型的面片简化和基于图像的绘制（IBR）。网络模型的面片简化，就是指对网络面片表示的模型，在一定的误差范围内，删除部分点、边，面，从而简化所绘制场景的复杂程度，加快图形绘制速度。IBR完全摒弃传统的先建模，然后确定光源的绘制方法，它直接从一系列已知的图像中生成未知视角的图像。这种方法省去了建立场景的几何模型和光照模型的过程，也不用进行如光线跟踪等极费时的计算。该方法尤其适用于野外极其复杂场景的生成和漫游。另外，计算机游戏中的场景模拟已经从最初绘制简单的2D室内场景发展到现在3D模拟野外自然景物，比如绘制山、水、云、树、火等等。人们提出了多种方法来绘制自然景物，比如绘制火和草的粒子系统，基于生理模型的绘制植物的方法，绘制云的细胞自动机方法等。计算机游戏中图形显示的另一个重点是计算机动画的实现。事实上计算机动画也只是生成一幅静态的图像，但是每一幅都是对前一幅做一小部分的修改(如何修改便是计算机动画的研究内容)，这样，当这些画面连续播放时，整个场景就动起来了。 虚拟显示环境，用于脑外科规划的双手操作空间接口工具、虚拟环境用于恐高症治疗、

虚拟风洞、封闭式战斗作战训练器、虚拟现实技术在建筑设计中应用等等。 用户界面是计算机系统中人与计算机之间相互通讯的重要组成部分。八十年代以WIMP(窗口、图符、菜单、鼠标)为基础的图形用户界面(GUD极大地改善了计算机的可用

性、可学性和有效性，迅速代替了命令行为代表的字符界面，成为当今计算机用户界面的主流。以用户为中心的系统设计思想．增进人机交互的自然性，提高人机交互的效率和带宽是用户界面的研究方向。于是提出了多通道用户界面的思想，它包括语言、姿势输入、头部跟踪、视觉跟踪、立体显示、三维交互技术、感觉反馈及自然语言界面等。可以这样说人体的表面就是人机界面。人体的任何部分都应成为人机对话的通道。虚拟现实显示是关键所在，这不仅要求软件来实现，更主要的是硬件上的实现。概括起来虚拟现实的人机交互通道可分为两个方面：主要的感觉通道和主要作用通道。多通道用户界面强调：(1)多个交互通道，如眼一语言一手势等。(2)交互的双向性，如果每个通道兼有输入/输出。(3)交互不一定是在同一通道中完成。

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