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5.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)有著廣泛的應(yīng)用，可簡(jiǎn)單概括為如下幾個(gè)方面：
計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)被用來(lái)進(jìn)行土建工程，機(jī)械結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品設(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(shì)十分明顯。另一個(gè)研究領(lǐng)域是基于工程圖紙的三維形體重建，就是從二維信息中提取三維信息，通過(guò)對(duì)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(duì)應(yīng)的三維形體，恢復(fù)形體的點(diǎn)、線、面以及拓?fù)湓兀瑥亩鴮?shí)現(xiàn)形體的重建。
模具CAD/CAM是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在模具生產(chǎn)方面應(yīng)用的最廣泛、最活躍的領(lǐng)域。由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生成型物體隨時(shí)間、壓力、溫度等外部條件變化而產(chǎn)生的圖形，以研究塑流、縮脹、溫度和壓力的分布及結(jié)構(gòu)在負(fù)載下的變形，可以在制模前研究確定模具設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。利用計(jì)算機(jī)不但提供了逼真場(chǎng)景畫(huà)面和可靠數(shù)據(jù)，而且為這些數(shù)據(jù)提供了真正安全、迅速而廉價(jià)的條件。
模具制造中各種CNC或DNC自適應(yīng)機(jī)床的加工過(guò)程的監(jiān)視與控制等，現(xiàn)采用圖形實(shí)時(shí)顯示與控制，利用計(jì)算機(jī)輸出各種圖表、餅圖、工作進(jìn)程圖、倉(cāng)庫(kù)及生產(chǎn)管理的各類統(tǒng)計(jì)圖、變化趨勢(shì)圖等?？梢栽鰪?qiáng)對(duì)復(fù)雜現(xiàn)象的直觀理解，使人一目了然，以便迅速做出決策。
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，氣象分析等，尤其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可視化有著廣闊的發(fā)展空間，依靠精密機(jī)械做腦部手術(shù)是目前醫(yī)學(xué)熱門的課題，而這些技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)則是可視化。當(dāng)我們做腦部手術(shù)時(shí)，可視化技術(shù)將醫(yī)用掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成圖像，使得醫(yī)生能夠看到并準(zhǔn)確的判別病人的病患處，然后通過(guò)碰撞檢測(cè)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)手術(shù)效果的反饋，幫助醫(yī)生完成手術(shù)。
圖形實(shí)時(shí)繪制與自然景物仿真。真實(shí)感繪制是模擬真實(shí)物體的物理量，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是物體的形狀、光學(xué)性質(zhì)、表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對(duì)位置、遮擋關(guān)系等。自然景物仿真技術(shù)是消除隱藏線及面、體的明暗效應(yīng)、顏色模型、紋理、光線跟蹤、輻射度等方法，自然景物仿真在幾何圖形、廣告影視、指揮控制、科學(xué)計(jì)算等方面用范圍很廣。
計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)。動(dòng)畫(huà)也只是由一幅幅靜態(tài)的圖像動(dòng)態(tài)疊加生成，每一幅都是對(duì)前一幅小部分修改，如何修改便是計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)的研究?jī)?nèi)容，當(dāng)這些連續(xù)播放時(shí)，整個(gè)場(chǎng)景就動(dòng)起來(lái)。早期的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)靈感來(lái)源于傳統(tǒng)的卡通片，在生成幾幅被稱作“關(guān)鍵幀”，連續(xù)播放時(shí)兩個(gè)關(guān)鍵幀就被有機(jī)的結(jié)合起來(lái)。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)內(nèi)容豐富多彩，生成動(dòng)畫(huà)的方法也多種多樣，比如基于特征的圖像變形、二維形狀混合、軸變形方法、多維自由形體變形等。
計(jì)算機(jī)藝術(shù)。用計(jì)算機(jī)從事藝術(shù)創(chuàng)作，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)除廣泛用于藝術(shù)品的制造外，還成功的用來(lái)制造廣告、動(dòng)畫(huà)片甚至電影。目前國(guó)內(nèi)外不少人士正在研制人體模擬系統(tǒng)，這將會(huì)使得在不久的將來(lái)把歷史上早已逝去的著名影視明星重新搬上新的影視片成為可能。
經(jīng)過(guò)多年眾多學(xué)者的研究與發(fā)展、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)現(xiàn)已形成相對(duì)獨(dú)立和完整的學(xué)科領(lǐng)域。目前，圖形技術(shù)已廣泛應(yīng)用于人類生活的許多領(lǐng)域，如：電影電視、文化教育、機(jī)械制造、建筑設(shè)計(jì)、醫(yī)學(xué)等，一切都是圍繞著圖形的產(chǎn)生、顯示、變換、輸出等幾個(gè)基本環(huán)節(jié)。這些改變著人們傳統(tǒng)的生產(chǎn)生活方式、思維方式，隨著微機(jī)、工作站、各種分布式系統(tǒng)的發(fā)展、各種圖形軟件的推陳出新，計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)將在機(jī)械領(lǐng)域和其他新領(lǐng)域有著更廣闊的發(fā)展前景。

6.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)

從計(jì)算機(jī)圖形學(xué)學(xué)科來(lái)看，有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：
(1)？？ 與圖形硬件發(fā)展緊密結(jié)合，突破實(shí)時(shí)高真實(shí)感、高分辨率渲染的技術(shù)難點(diǎn)
圖形渲染是整個(gè)圖形學(xué)發(fā)展的核心。在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，影視動(dòng)漫以及各類可視化應(yīng)用中都對(duì)圖形渲染結(jié)果的高真實(shí)感提出了很高的要求。同時(shí)，由于顯示設(shè)備的快速發(fā)展，人們要求能提供高清分辨率（1920x1080），進(jìn)一步要能達(dá)到數(shù)字電影所能播放的4K分辨率(4096x2060)；色彩的動(dòng)態(tài)范圍也希望從原來(lái)每個(gè)通道的8Bit提高到10bit及以上。雖然已有的圖形學(xué)方法已經(jīng)能較為真實(shí)地再現(xiàn)各類視覺(jué)效果，然而為了能提供高分辨率高動(dòng)態(tài)的渲染效果，必須消耗非?？捎^的計(jì)算能力。一幀精美的高清分辨率圖像，單機(jī)渲染往往需要耗費(fèi)數(shù)小時(shí)至數(shù)十小時(shí)。為此，傳統(tǒng)方法主要采用分布式系統(tǒng)，將渲染任務(wù)分配到集群渲染節(jié)點(diǎn)中。即使這樣，也需要使用上千臺(tái)計(jì)算機(jī)，耗費(fèi)數(shù)月時(shí)間才能完成一部標(biāo)準(zhǔn)90分鐘長(zhǎng)度的影片渲染。 基于GPU的圖形硬件技術(shù)得以迅速發(fā)展，已經(jīng)能在一個(gè)GPU芯片上采用64nm工藝集成上千個(gè)采用SIMD（單指令多數(shù)據(jù)流）架構(gòu)的通用計(jì)算核心。而2009年底，主流圖形硬件商nVidia和AMD以及Intel還會(huì)推出基于MIMD（多指令多數(shù)據(jù)流）計(jì)算核心的GPU芯片用于圖形加速繪制，以支持DirectX 11以及OpenGL 3.0圖形標(biāo)準(zhǔn)。最新的圖形學(xué)研究，采用GPU技術(shù)可以充分利用計(jì)算指令和數(shù)據(jù)的并行性，已可在單個(gè)工作站上實(shí)現(xiàn)百倍于基于CPU方法的渲染速度。 然而已知的實(shí)現(xiàn)方法，其實(shí)現(xiàn)效果還較為初步，無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的視覺(jué)特效，離實(shí)時(shí)的高真實(shí)感渲染還有很大差距。其主要原因是：（i）缺乏良好的數(shù)據(jù)組織方法，基于GPU方法由于硬件的架構(gòu)原因，數(shù)據(jù)組織無(wú)法如同CPU方法一樣的組織，因此對(duì)復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)仍無(wú)法得到很好地支持。（ii）缺乏標(biāo)準(zhǔn)高效的GPU高層編程語(yǔ)言、編譯器以及相應(yīng)調(diào)試工具,（iii）由于以上兩個(gè)問(wèn)題，無(wú)法完整地實(shí)現(xiàn)適于電影渲染制作的Render Man標(biāo)準(zhǔn)，以及其他各類基于物理真實(shí)感的渲染算法。因此，如何充分利用GPU的計(jì)算特性，結(jié)合分布式的集群技術(shù)，解決以上這些難題，從而來(lái)構(gòu)造低功耗的渲染服務(wù)是圖形學(xué)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)之一。
（2） 研究和諧自然的三維模型建模方法
三維模型建模方法是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的重要基礎(chǔ)，是生成精美的三維場(chǎng)景和逼真動(dòng)態(tài)效果的前提。然而，傳統(tǒng)的三維模型方法，由于其主要思想方法來(lái)源于CAD中基于參數(shù)式調(diào)整的形狀構(gòu)造方法，建模效率低而學(xué)習(xí)門檻高，不易于普及和讓非專業(yè)用戶使用。而隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的普及和發(fā)展，各類用戶都提出了高效的三維建模需求，因此研究和諧自然的三維建模方法是發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。采用合適的交互手段，來(lái)進(jìn)行三維模型的快速構(gòu)造，特別是應(yīng)用于概念設(shè)計(jì)和建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域已引起了國(guó)際同行的廣泛關(guān)注。由于筆式或草圖交互方式，非常符合人類原有日常生活中的思考習(xí)慣，是研究的重點(diǎn)問(wèn)題。其難點(diǎn)是根據(jù)具體的應(yīng)用領(lǐng)域，與視覺(jué)方法相融合，如何設(shè)計(jì)合理的交互語(yǔ)匯以及對(duì)應(yīng)的過(guò)程式“識(shí)別-構(gòu)造”方法。 與此相關(guān)的一個(gè)問(wèn)題是基于規(guī)則的過(guò)程式建模方法。由于Google Earth等數(shù)字地圖信息系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，對(duì)于地圖之上的建筑物信息等存在迫切需求。為此，研究者希望通過(guò)激光掃描或者視頻等獲取方式獲得相關(guān)信息后能迅速地重建出相關(guān)三維模型信息。然而單純的重建方式存在精度低、穩(wěn)定性差和運(yùn)算量大等不足，遠(yuǎn)未能滿足實(shí)際的需求。因此，最近的研究中，傾向于采用基于規(guī)則的過(guò)程式建模方法相結(jié)合來(lái)嘗試高效地構(gòu)造出三維建筑模型，以及相關(guān)的樹(shù)木等結(jié)構(gòu)化場(chǎng)景。 三維建模方法中的另一主要問(wèn)題是研究合適的曲面表達(dá)方法，以適于各類圖形學(xué)的應(yīng)用。在CAD的主流方法是采用非均勻有理B-樣條方法，然而此類方法無(wú)法很好解決非正規(guī)情況下的曲面拼合，不甚適合于圖形學(xué)。為此，細(xì)分曲面方法，作為一種離散迭代的曲面構(gòu)造方法，由于其構(gòu)造過(guò)程樸素簡(jiǎn)單以及實(shí)現(xiàn)容易，是一個(gè)方興未艾的研究熱點(diǎn)，而且極有可能逐步取代NURBS方法。主要需要解決的問(wèn)題有：（i）奇異點(diǎn)處的C連續(xù)性的有效構(gòu)造方法；(ii) 與GPU圖形硬件相結(jié)合的曲面處理方法。
（3） 利用日益增長(zhǎng)的計(jì)算性能，實(shí)現(xiàn)具有高度物理真實(shí)的動(dòng)態(tài)仿真
高度物理真實(shí)感的動(dòng)態(tài)模擬，包括對(duì)各種形變、水、氣、云、煙霧、燃燒、爆炸、撕裂、老化等物理現(xiàn)象的真實(shí)模擬，是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)一直試圖達(dá)到的目標(biāo)。這一技術(shù)是各類動(dòng)態(tài)仿真應(yīng)用的核心技術(shù)，可以極大地提高虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的沉浸感。然而高度物理真實(shí)性模擬，主要受限于計(jì)算機(jī)的處理能力和存儲(chǔ)容量限制，不能處理很高精度的模擬，也無(wú)法做到很高的響應(yīng)速度。所幸的是，GPU技術(shù)帶來(lái)了革新這一技術(shù)的可能。充分利用GPU硬件內(nèi)部的并行性，研究者開(kāi)始普遍關(guān)注基于GPU的各類數(shù)學(xué)物理方程求解極其相關(guān)的有限元加速計(jì)算方法。主要研究關(guān)注焦點(diǎn)還是單個(gè)物理方法的GPU實(shí)現(xiàn)，隨著計(jì)算機(jī)一些高新技術(shù)發(fā)展，相信會(huì)為未來(lái)高度物理真實(shí)的動(dòng)態(tài)模擬提供新的研究機(jī)遇。
（4） 研究多種高精度數(shù)據(jù)獲取與處理技術(shù)，增強(qiáng)圖形技術(shù)的表現(xiàn)力度
計(jì)算機(jī)圖形的真實(shí)感畫(huà)面與逼真動(dòng)態(tài)效果，有效的解決途徑是采用各種高精度手段獲取所需的幾何、紋理以及動(dòng)態(tài)信息。為此，研究者正在考慮對(duì)各個(gè)尺度上的信息進(jìn)行獲取。小到物體表面的微結(jié)構(gòu)、紋理屬性和反射屬性通過(guò)研制特殊裝置予以捕獲與處理，或采用一組同攝像機(jī)來(lái)獲取演員的幾何形體與動(dòng)態(tài)，大到采用激光掃描獲取整幢建筑物的三維數(shù)據(jù)。這里主要研究的三個(gè)問(wèn)題是：（a）圖形獲取設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，這是與計(jì)算機(jī)視覺(jué)、硬件、軟件相關(guān)的系統(tǒng)工程研究問(wèn)題；（b）由于一般獲取的數(shù)據(jù)均極為龐大且附加了各種噪聲與冗余信息，如何進(jìn)行處理與壓縮以適合于圖形學(xué)應(yīng)用是主要問(wèn)題；（c）一旦獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)，如何進(jìn)行重用是一個(gè)主要課題，因此使得基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，與機(jī)器學(xué)習(xí)相交叉的圖形學(xué)方法是最近的研究熱點(diǎn)。
（5） 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖像視頻處理技術(shù)的結(jié)合
家用數(shù)字相機(jī)和攝像機(jī)的日益普及，對(duì)于數(shù)字圖像與視頻數(shù)據(jù)處理成為了計(jì)算機(jī)研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題。而計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)，恰可以與這些圖像處理，視覺(jué)方法相交叉融合，來(lái)直接地生成風(fēng)格化的畫(huà)面，實(shí)現(xiàn)基于圖像三維建模，以及直接基于視頻和圖像數(shù)據(jù)來(lái)生成動(dòng)畫(huà)序列。當(dāng)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)正向地圖像生成方法和計(jì)算機(jī)視覺(jué)中逆向地從圖像中恢復(fù)各種信息方法相結(jié)合，可以帶來(lái)無(wú)可限量的想象空間，構(gòu)造出很多視覺(jué)特效來(lái)，最終用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、數(shù)字地圖、虛擬博物館展示等多種應(yīng)用中去。
（6） 從追求絕對(duì)的真實(shí)感向追求與強(qiáng)調(diào)圖形的表意性轉(zhuǎn)變
計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在追求真實(shí)感方向的研究發(fā)展已進(jìn)入一個(gè)發(fā)展的平臺(tái)期，基本上各種真實(shí)感特效在不計(jì)較計(jì)算代價(jià)的前提下均能較好得以重現(xiàn)。然而，人們創(chuàng)造和生成圖片的終極目的不僅僅是展現(xiàn)真實(shí)的世界，更重要的是表達(dá)所需要傳達(dá)的信息。例如，在一個(gè)所需要描繪的場(chǎng)景中每個(gè)對(duì)象和元素都有其相關(guān)需要傳達(dá)的信息，可根據(jù)重要度不同可采用不同的繪制策略來(lái)進(jìn)行分層渲染再加以融合，最終合成具有一定表意性的圖像。為此，研究者已經(jīng)開(kāi)始研究如何與圖像處理、人工智能、心理認(rèn)知等領(lǐng)域相結(jié)合，探索合適表意性圖形生成方法。而這一技術(shù)趨勢(shì)的興起，實(shí)際上延續(xù)了已有的非真實(shí)感繪制研究中的若干進(jìn)展，必將在未來(lái)有更多的發(fā)展。