(計算機圖形學(xué))1.CG概論

1、( (計算機圖形學(xué)計算機圖形學(xué))1.CG)1.CG概概論論1.1 CG 1.1 CG 技術(shù)概述技術(shù)概述1.2 CG 1.2 CG 發(fā)展歷程發(fā)展歷程1.3 CG 1.3 CG 技術(shù)應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用1.4 CG 1.4 CG 技術(shù)發(fā)展趨勢技術(shù)發(fā)展趨勢第一講第一講 CG概論概論1.1 CG概述概述計算機中表示圖形的方法計算機中表示圖形的方法l點陣表示點陣表示 枚舉出圖形中所有的點枚舉出圖形中所有的點(強調(diào)圖形由點構(gòu)成強調(diào)圖形由點構(gòu)成) 簡稱為簡稱為圖像圖像（數(shù)字圖像）（數(shù)字圖像）l矢量表示矢量表示 由圖形的形狀參數(shù)由圖形的形狀參數(shù)(方程或分析表達式的系數(shù)，線段的方程或分析表達式的系數(shù)，線段的端點坐標等端

2、點坐標等)+屬性參數(shù)屬性參數(shù)(顏色、線型等顏色、線型等)來表示圖形來表示圖形 簡稱為簡稱為圖形：圖形： 圖形主要分為兩類：圖形主要分為兩類： 基于線條信息表示基于線條信息表示 明暗圖明暗圖(Shading)什么是計算機圖形學(xué)什么是計算機圖形學(xué)計算機圖形學(xué)是計算機圖形學(xué)是計算機科學(xué)中，最為計算機科學(xué)中，最為活躍、得到廣泛應(yīng)用的分支之一。活躍、得到廣泛應(yīng)用的分支之一。計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容如何在計算機中表示圖形、以及利用計如何在計算機中表示圖形、以及利用計算機進行圖形的計算、處理和顯示的相算機進行圖形的計算、處理和顯示的相關(guān)關(guān)原理與算法原理與算法，構(gòu)成了計算機圖形學(xué)的，構(gòu)成了

3、計算機圖形學(xué)的主要研究內(nèi)容。主要研究內(nèi)容。l圖形硬件（硬件加速、圖形硬件（硬件加速、GPU）、圖形標準、圖形）、圖形標準、圖形交互技術(shù)、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、交互技術(shù)、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實體造型、真實感圖形計算與顯示算法，以及科實體造型、真實感圖形計算與顯示算法，以及科學(xué)計算可視化、計算機動畫、自然景物仿真、虛學(xué)計算可視化、計算機動畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實等。擬現(xiàn)實等。CG: 研究物體幾何對象的計算機圖形信息的表達、輸入、研究物體幾何對象的計算機圖形信息的表達、輸入、存儲、顯示、輸出、檢索及運算等。以顯示效果為目標，存儲、顯示、輸出、檢索及運算等。以顯示效果為目標，側(cè)

4、側(cè)重研究共性的交互及顯示技術(shù)重研究共性的交互及顯示技術(shù)。如：科學(xué)數(shù)據(jù)可視化，物體。如：科學(xué)數(shù)據(jù)可視化，物體（或場景）的渲染顯示效果（或場景）的渲染顯示效果 。 主要研究內(nèi)容：主要研究內(nèi)容：1）圖形的輸入方法）圖形的輸入方法2）內(nèi)部表達及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）內(nèi)部表達及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)3）產(chǎn)生圖形的算法）產(chǎn)生圖形的算法4）圖形的變換及運算）圖形的變換及運算5）圖形描述語言）圖形描述語言6）圖形軟件的標準化）圖形軟件的標準化計算機圖形學(xué)概念計算機圖形學(xué)概念與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系數(shù)數(shù)字字圖圖像像數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)模模型型圖像生成（圖像生成（計算機圖形學(xué)計算機圖形學(xué)）模型（特征）提取模型（特征）提?。ㄓ嬎銠C視覺計算機視覺

5、，模式識別），模式識別）模型變換模型變換（計算幾何計算幾何）圖像變換圖像變換（圖像處理圖像處理）特點特點: 交叉、界線模糊、相互滲透交叉、界線模糊、相互滲透1.21.2、CG CG 發(fā)展歷程發(fā)展歷程 40年代計算機問世，直至年代計算機問世，直至50年代中期尚不普遍，主要年代中期尚不普遍，主要用于計算；用于計算； 50年，麻省理工圖形顯示器旋風(fēng)年，麻省理工圖形顯示器旋風(fēng)I號（號（Whirlwind I）誕生誕生 58年美國年美國Calcomp公司滾筒繪圖儀公司滾筒繪圖儀 50 50年代年代CGCG萌芽誕生，顯示器、繪圖儀出現(xiàn)萌芽誕生，顯示器、繪圖儀出現(xiàn)（被動式圖形學(xué)）（被動式圖形學(xué)）CG發(fā)展歷程

6、 63年，麻省理工年，麻省理工Ivan Sutherland發(fā)明光筆，在顯示器上實現(xiàn)選擇、定位發(fā)明光筆，在顯示器上實現(xiàn)選擇、定位等交互功能，對交互圖形技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)等交互功能，對交互圖形技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ) 60年代圖形學(xué)迅速發(fā)展，填充、裁剪、消隱等算法誕生，進入了第一個年代圖形學(xué)迅速發(fā)展，填充、裁剪、消隱等算法誕生，進入了第一個興盛的時期，出現(xiàn)實用的二維興盛的時期，出現(xiàn)實用的二維CAD圖形系統(tǒng)圖形系統(tǒng) 64年年MITCoons提出超限插值思想構(gòu)造提出超限插值思想構(gòu)造Coons曲面曲面 60年代早期，法國雷諾汽車工程師年代早期，法國雷諾汽車工程師 Bzier發(fā)展發(fā)展Bzier曲線、曲面，

7、并開發(fā)曲線、曲面，并開發(fā)了汽車外形設(shè)計了汽車外形設(shè)計UNISURF系統(tǒng)系統(tǒng) 6060年代年代CGCG光柵圖形學(xué)快速發(fā)展，光柵圖形學(xué)快速發(fā)展，CADCAD系統(tǒng)出現(xiàn)，曲面系統(tǒng)出現(xiàn)，曲面造型出現(xiàn)造型出現(xiàn)CG發(fā)展歷程7070年代圖形學(xué)重要發(fā)展時期，真實感顯示、實體造年代圖形學(xué)重要發(fā)展時期，真實感顯示、實體造型產(chǎn)生，圖形標準出現(xiàn)型產(chǎn)生，圖形標準出現(xiàn) 70年年Bouknight提出了第一個提出了第一個光反射模型光反射模型 71年年Gourand提出提出“漫反射模型插值漫反射模型插值”的的明暗處理明暗處理思想思想 75年年P(guān)hong提出了著名的簡單光照模型提出了著名的簡單光照模型-Phong模型模型 73年

8、開始，英國劍橋大學(xué)年開始，英國劍橋大學(xué)CAD小組的小組的Build系統(tǒng)、美國羅徹斯特大學(xué)系統(tǒng)、美國羅徹斯特大學(xué)的的PADL-1系統(tǒng)等系統(tǒng)等實體造型系統(tǒng)實體造型系統(tǒng) 74年美國國家標準化局（年美國國家標準化局（ANSI）提出制定有關(guān)標準，）提出制定有關(guān)標準，77年制定核心年制定核心圖形系統(tǒng)（圖形系統(tǒng)（CGS）。德國）。德國85年提出圖形核心系統(tǒng)（年提出圖形核心系統(tǒng)（GKS)， ISO 91年年發(fā)布圖形設(shè)備接口（發(fā)布圖形設(shè)備接口（CGI) ，此外還有，此外還有IGES、STEP等標準。這些標等標準。這些標準為計算機圖形學(xué)的推廣應(yīng)用起到了重要作用。準為計算機圖形學(xué)的推廣應(yīng)用起到了重要作用。80年年W

9、hitted提出了一個提出了一個光透視模型光透視模型-Whitted模型模型，并第一次給出，并第一次給出光線光線跟蹤算法跟蹤算法的范例的范例84年，美國年，美國Cornell大學(xué)和日本廣島大學(xué)的學(xué)者分別將熱輻射工程中的大學(xué)和日本廣島大學(xué)的學(xué)者分別將熱輻射工程中的輻射度方法引入到計算機圖形學(xué)中，用輻射度方法引入到計算機圖形學(xué)中，用輻射度方法輻射度方法成功地模擬了理想成功地模擬了理想漫反射表面間的多重漫反射效果漫反射表面間的多重漫反射效果從從80年代中期以來，超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，為圖形學(xué)的飛速發(fā)展年代中期以來，超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，為圖形學(xué)的飛速發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。光線跟蹤算法和輻射度算法的

10、提出，標志著真實感奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。光線跟蹤算法和輻射度算法的提出，標志著真實感圖形的顯示算法已逐漸成熟圖形的顯示算法已逐漸成熟8080年代年代CGCG走向成熟走向成熟CG發(fā)展歷程CG發(fā)展歷程9090年代至今，年代至今，CGCG獲得廣泛應(yīng)用獲得廣泛應(yīng)用 90年代，隨著計算機的運算能力的提高，年代，隨著計算機的運算能力的提高，PC機普及，機普及， windows技術(shù)、技術(shù)、VR技術(shù)、技術(shù)、OpenGL及及DirectX圖形標準技術(shù)、圖形標準技術(shù)、WEB應(yīng)用技術(shù)、多媒體技術(shù)等迅速發(fā)展，圖形處理速度加應(yīng)用技術(shù)、多媒體技術(shù)等迅速發(fā)展，圖形處理速度加快，使得圖形學(xué)的各個研究方向得到充分發(fā)展，圖形學(xué)已快，使

11、得圖形學(xué)的各個研究方向得到充分發(fā)展，圖形學(xué)已廣泛應(yīng)用于：廣泛應(yīng)用于： 動畫及游戲、影視娛樂等動畫及游戲、影視娛樂等 教育及訓(xùn)練教育及訓(xùn)練 科學(xué)計算可視化科學(xué)計算可視化 CAD/CAM Association for Computing Machinery 圖形學(xué)會議圖形學(xué)會議ACM SIGGRAPH會議是計算機圖形學(xué)會議是計算機圖形學(xué)最權(quán)威的國際會議，每年在美國召開，最權(quán)威的國際會議，每年在美國召開，參加會議的人在參加會議的人在50,000人左右。世界人左右。世界上沒有第二個領(lǐng)域每年召開如此規(guī)模上沒有第二個領(lǐng)域每年召開如此規(guī)模巨大的專業(yè)會議，巨大的專業(yè)會議，SIGGRAPH會議很會議很大程度上

12、促進了圖形學(xué)的發(fā)展。大程度上促進了圖形學(xué)的發(fā)展。 1.3 CG技術(shù)應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用圖形用戶界面圖形用戶界面CAD/CAM/CAE科學(xué)數(shù)據(jù)可視化科學(xué)數(shù)據(jù)可視化地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)GIS虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實VR計算機動畫及游戲計算機動畫及游戲計算機藝術(shù)計算機藝術(shù)1.3 CG技術(shù)應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用圖形用戶界面 介于人與計算機之間，人與機器的通信。 人機界面（HCI）：軟件硬件 發(fā)展：由指示燈和機械開關(guān)組成的操縱界面由終端和鍵盤組成的字符界面（80年代）由多種輸入設(shè)備和光柵圖形顯示設(shè)備構(gòu)成的圖形用戶界面（GUI）（90年代）。PC、工作站，WIMP(W-windows、I-icons、M-menu、P-poin

13、ting devices)界面，所見即所得VR技術(shù)CAD應(yīng)用-CAD是計算機圖形學(xué)在工業(yè)界最廣泛、最活是計算機圖形學(xué)在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域躍的應(yīng)用領(lǐng)域 飛機、汽車、船舶的外形的設(shè)計 發(fā)電廠、化工廠等的布局 土木工程、建筑物的設(shè)計 電子線路、電子器件的設(shè)計 設(shè)計結(jié)果直接送至后續(xù)工藝進行加工處理，如波音777飛機的設(shè)計和加工過程CAD應(yīng)用應(yīng)用2D/3DCAM應(yīng)用應(yīng)用前后處理CAE應(yīng)用結(jié)構(gòu)分析建模與曲線后處理CAE應(yīng)用動力學(xué)分析科學(xué)數(shù)據(jù)可視化科學(xué)數(shù)據(jù)可視化科學(xué)計算可視化科學(xué)計算可視化(Scientific Visualization)l海量的數(shù)據(jù)使得人們對數(shù)據(jù)的分析和處理變海量的數(shù)據(jù)使得人

14、們對數(shù)據(jù)的分析和處理變得越來越難，用圖形來表示數(shù)據(jù)的迫切性與得越來越難，用圖形來表示數(shù)據(jù)的迫切性與日俱增日俱增l1986年，美國科學(xué)基金會（年，美國科學(xué)基金會（NSF）專門召開）專門召開了一次研討會，會上提出了了一次研討會，會上提出了“科學(xué)計算可視科學(xué)計算可視化（化（Visualization in Scientific Computing）”l科學(xué)計算可視化廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、流體力學(xué)、科學(xué)計算可視化廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、流體力學(xué)、有限元分析、氣象分析當(dāng)中有限元分析、氣象分析當(dāng)中科學(xué)數(shù)據(jù)可視化科學(xué)數(shù)據(jù)可視化地理信息系統(tǒng)（地理信息系統(tǒng)（GIS）建立在地理圖形之上的關(guān)于各種資源的建立在地理圖形之上的關(guān)于各

15、種資源的綜合信息管理系統(tǒng)。綜合信息管理系統(tǒng)。數(shù)字地球數(shù)字地球，地形數(shù)據(jù)作為載體。，地形數(shù)據(jù)作為載體。Google地球，百度地圖等地球，百度地圖等軍事，政府決策，旅游，資源調(diào)查。軍事，政府決策，旅游，資源調(diào)查。 Virtual Reality（虛擬現(xiàn)實、靈境）（虛擬現(xiàn)實、靈境）Virtual Reality 或稱虛擬環(huán)境（Virtual Environment)l是用計算機技術(shù)來生成一個逼真的三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺等感覺世界，讓用戶可以從自己的視點出發(fā)，利用自然的技能和某些設(shè)備對這一生成的虛擬世界客體進行瀏覽和交互考察。l輸入輸出設(shè)備虛擬現(xiàn)實技術(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊。它始于軍事和航

16、空航天領(lǐng)域虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊。它始于軍事和航空航天領(lǐng)域的需求，但近年來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用已在工業(yè)設(shè)計、建筑的需求，但近年來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用已在工業(yè)設(shè)計、建筑規(guī)劃、教育培訓(xùn)、文化娛樂等方面得到廣泛應(yīng)用。規(guī)劃、教育培訓(xùn)、文化娛樂等方面得到廣泛應(yīng)用。 在軍事領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于戰(zhàn)場環(huán)境，作戰(zhàn)指揮模擬，飛在軍事領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于戰(zhàn)場環(huán)境，作戰(zhàn)指揮模擬，飛機、艦船駕駛訓(xùn)練等。機、艦船駕駛訓(xùn)練等。 在城市建設(shè)規(guī)劃中，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)正發(fā)揮著巨大作用。例如，許多城在城市建設(shè)規(guī)劃中，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)正發(fā)揮著巨大作用。例如，許多城市都有自己的近期、中期和遠景規(guī)劃，規(guī)劃中需要考慮各個建筑同周市都有

17、自己的近期、中期和遠景規(guī)劃，規(guī)劃中需要考慮各個建筑同周圍環(huán)境是否和諧圍環(huán)境是否和諧 。虛擬現(xiàn)實技術(shù)還可用于保護文物、重現(xiàn)古建筑，把珍貴的文物虛擬現(xiàn)實技術(shù)還可用于保護文物、重現(xiàn)古建筑，把珍貴的文物用虛擬現(xiàn)實技術(shù)展現(xiàn)出來供人參觀，有利于保護真實的古文物用虛擬現(xiàn)實技術(shù)展現(xiàn)出來供人參觀，有利于保護真實的古文物 。在產(chǎn)品開發(fā)上，虛擬現(xiàn)實可縮短開發(fā)周期，減少費用。如克萊斯在產(chǎn)品開發(fā)上，虛擬現(xiàn)實可縮短開發(fā)周期，減少費用。如克萊斯勒公司勒公司1998年初利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計兩種新型車，減少新車試年初利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計兩種新型車，減少新車試生產(chǎn)環(huán)節(jié)，大大縮短產(chǎn)品研發(fā)周期生產(chǎn)環(huán)節(jié)，大大縮短產(chǎn)品研發(fā)周期 。虛擬現(xiàn)

18、實技術(shù)還可用教育培訓(xùn)、娛樂及藝術(shù)等領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實技術(shù)還可用教育培訓(xùn)、娛樂及藝術(shù)等領(lǐng)域。計算機動畫及游戲計算機動畫及游戲l計算機動畫近十多年來取得了很大的發(fā)計算機動畫近十多年來取得了很大的發(fā)展，已滲透到人們生活的各個角落展，已滲透到人們生活的各個角落 商業(yè)廣告、影視特技商業(yè)廣告、影視特技/片頭、動畫片片頭、動畫片 教育、軍事、飛行模擬等教育、軍事、飛行模擬等l分類分類 二維動畫二維動畫 圖象變形圖象變形 形狀混合形狀混合三維動畫三維動畫關(guān)鍵幀動畫關(guān)鍵幀動畫變形物體的動畫變形物體的動畫過程動畫過程動畫關(guān)節(jié)動畫與人體動畫關(guān)節(jié)動畫與人體動畫計算機藝術(shù)計算機藝術(shù)l用計算機軟件從事藝術(shù)創(chuàng)作用計算機軟件從事

19、藝術(shù)創(chuàng)作 二維平面的畫筆程序（如二維平面的畫筆程序（如CorelDraw，Photoshop，PaintShop） 圖表繪制軟件（如圖表繪制軟件（如Visio） 三維建模和渲染軟件包（如三維建模和渲染軟件包（如3DMAX，Maya）、以及一些專）、以及一些專門生成動畫的軟件（如門生成動畫的軟件（如Alias，Softimage）計算機藝術(shù) 優(yōu)點：優(yōu)點： 提供多種風(fēng)格的畫筆畫刷提供多種風(fēng)格的畫筆畫刷 提供多種多樣的紋理貼圖，甚至能對圖提供多種多樣的紋理貼圖，甚至能對圖象進行霧化，變形等操作象進行霧化，變形等操作 可以任意修改，取消敗筆可以任意修改，取消敗筆不足：不足： 無法達到傳統(tǒng)繪畫中風(fēng)格無法

20、達到傳統(tǒng)繪畫中風(fēng)格化的化的 藝術(shù)效果藝術(shù)效果 很難得到有素描效果、油很難得到有素描效果、油畫效果的藝術(shù)品畫效果的藝術(shù)品計算機藝術(shù)l非真實感繪制（NPR，Non-Photorealistic Rendering） 用于模擬藝術(shù)效果，研究方法有別于真實感圖形學(xué) 鋼筆素描的生成 鋼筆素描產(chǎn)生于中世紀，從19世紀開始成為一門藝術(shù)20世紀90年代開始研究用計算機模擬 中國國畫與書法的生成CAD中心CAX產(chǎn)品CADCAMCAPPPDM/PLMMWorksInteDynaInteSolidInteCADCAD中心研究開發(fā)的典型軟件產(chǎn)品InteCAPPInteCAPPInteCAMInteVSSIntePDM

21、IntePDMInteDynaInteDyna設(shè)計變量設(shè)計變量目標變量目標變量數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)類型約約 束束輸輸入入變變量量輸輸出出變變量量MWorks多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化1.4 CG技術(shù)發(fā)展趨勢技術(shù)發(fā)展趨勢圖形渲染是整個圖形學(xué)發(fā)展的核心。在計算機輔助設(shè)計，影視動漫以及圖形渲染是整個圖形學(xué)發(fā)展的核心。在計算機輔助設(shè)計，影視動漫以及各類可視化應(yīng)用中都對圖形渲染結(jié)果的高真實感提出了很高的要求。各類可視化應(yīng)用中都對圖形渲染結(jié)果的高真實感提出了很高的要求。高清分辨率（高清分辨率（1920 x1080）。進一步要能達到數(shù)字電影所能播放的）。進一步要能達到數(shù)字電影所能播放的4K分分辨率辨率(4096x

22、2060)的圖形圖像；的圖形圖像；色彩。動態(tài)范圍也希望從原來每個通道的色彩。動態(tài)范圍也希望從原來每個通道的8Bit提高到提高到10bit及以上。及以上。提供高分辨率高動態(tài)的渲染效果，必須消耗非?？捎^的計算能力。一幀提供高分辨率高動態(tài)的渲染效果，必須消耗非常可觀的計算能力。一幀精美的高清分辨率圖像，精美的高清分辨率圖像，單機渲染單機渲染往往需要耗費數(shù)小時至數(shù)十小時。為往往需要耗費數(shù)小時至數(shù)十小時。為此，傳統(tǒng)方法主要采用此，傳統(tǒng)方法主要采用分布式系統(tǒng)分布式系統(tǒng)，將渲染任務(wù)分配到集群渲染節(jié)點中。，將渲染任務(wù)分配到集群渲染節(jié)點中。即使這樣，也需要使用上千臺計算機，耗費數(shù)月時間才能完成一部標準即使這樣，

23、也需要使用上千臺計算機，耗費數(shù)月時間才能完成一部標準90分鐘長度的影片渲染。分鐘長度的影片渲染。1）實時計算機圖形學(xué)）實時計算機圖形學(xué)與圖形硬件的發(fā)與圖形硬件的發(fā)展緊密結(jié)合，突破實時高真實感、高分辨展緊密結(jié)合，突破實時高真實感、高分辨率渲染的技術(shù)難點率渲染的技術(shù)難點與圖形硬件的發(fā)展緊密結(jié)合，突與圖形硬件的發(fā)展緊密結(jié)合，突破實時高真實感、高分辨率渲染破實時高真實感、高分辨率渲染基于基于GPU（Graphic Processing Unit）的圖形硬件技術(shù)得以發(fā)展迅速，）的圖形硬件技術(shù)得以發(fā)展迅速，已經(jīng)能在一個已經(jīng)能在一個GPU芯片上采用芯片上采用64nm工藝集成上千個采用工藝集成上千個采用SIM

24、D（單指（單指令多數(shù)據(jù)流）架構(gòu)的通用計算核心。而令多數(shù)據(jù)流）架構(gòu)的通用計算核心。而2009年底，主流圖形硬件商年底，主流圖形硬件商nVidia和和AMD以及以及Intel還會推出基于還會推出基于MIMD（多指令多數(shù)據(jù)流）計算（多指令多數(shù)據(jù)流）計算核心的核心的GPU芯片用于圖形加速繪制，以支持芯片用于圖形加速繪制，以支持DirectX 11以及以及OpenGL 3.0圖形標準。最新的圖形學(xué)研究，采用圖形標準。最新的圖形學(xué)研究，采用GPU技術(shù)可以充分利用計算指技術(shù)可以充分利用計算指令和數(shù)據(jù)的并行性，令和數(shù)據(jù)的并行性，已可在單個工作站上實現(xiàn)百倍于基于已可在單個工作站上實現(xiàn)百倍于基于CPU方法的方法的

25、渲染速度渲染速度。然而已知的實現(xiàn)方法，其實現(xiàn)效果還較為初步，無法實現(xiàn)復(fù)雜的視覺然而已知的實現(xiàn)方法，其實現(xiàn)效果還較為初步，無法實現(xiàn)復(fù)雜的視覺特效，離實時的高真實感渲染還有很大差距。其主要原因是：特效，離實時的高真實感渲染還有很大差距。其主要原因是：缺乏良好的數(shù)據(jù)組織方法，基于缺乏良好的數(shù)據(jù)組織方法，基于GPU方法由于硬件的架構(gòu)原因，數(shù)方法由于硬件的架構(gòu)原因，數(shù)據(jù)組織無法如同據(jù)組織無法如同CPU方法一樣的組織，因此對復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)仍無法方法一樣的組織，因此對復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)仍無法得到很好地支持。得到很好地支持。缺乏標準高效的缺乏標準高效的GPU高層編程語言、編譯器以及相應(yīng)調(diào)試工具。高層編程語言、編譯

26、器以及相應(yīng)調(diào)試工具。 無法完整地實現(xiàn)適于電影渲染制作的無法完整地實現(xiàn)適于電影渲染制作的RenderMan標準。標準。如何充分利用如何充分利用GPU的計算特性，結(jié)合分布式的集群技術(shù)，解決以上這的計算特性，結(jié)合分布式的集群技術(shù)，解決以上這些難題，從而來構(gòu)造低功耗的渲染服務(wù)是圖形學(xué)的未來發(fā)展趨勢之一。些難題，從而來構(gòu)造低功耗的渲染服務(wù)是圖形學(xué)的未來發(fā)展趨勢之一。2）研究和諧自然的三維模型）研究和諧自然的三維模型建模方法建模方法三維模型建模方法是計算機圖形學(xué)的重要基礎(chǔ)，是生成精美三維模型建模方法是計算機圖形學(xué)的重要基礎(chǔ)，是生成精美的三維場景和逼真動態(tài)效果的前提。然而，傳統(tǒng)的三維模型的三維場景和逼真動態(tài)

27、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源于方法，由于其主要思想方法來源于CAD中基于參數(shù)式調(diào)整的中基于參數(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。而隨著計算機圖形技術(shù)的普及和發(fā)展，各非專業(yè)用戶使用。而隨著計算機圖形技術(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目前發(fā)展的一個重要趨勢。三維建模方法是目前發(fā)展的一個重要趨勢。采用合適的交互手段，來進行三維模型的快速構(gòu)造，特別是采用合適的交互手段，來進行

28、三維模型的快速構(gòu)造，特別是應(yīng)用于概念設(shè)計和建筑設(shè)計領(lǐng)域目前已引起了國際同行的廣應(yīng)用于概念設(shè)計和建筑設(shè)計領(lǐng)域目前已引起了國際同行的廣泛關(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，是目前研究的重點問題。其難點是根據(jù)生活中的思考習(xí)慣，是目前研究的重點問題。其難點是根據(jù)具體的應(yīng)用領(lǐng)域，與視覺方法相融合，如何設(shè)計合理的交互具體的應(yīng)用領(lǐng)域，與視覺方法相融合，如何設(shè)計合理的交互語匯以及對應(yīng)的過程式語匯以及對應(yīng)的過程式“識別識別-構(gòu)造構(gòu)造”方法。方法。3）利用日益增長的計算性能，實）利用日益增長的計算性能，實現(xiàn)具有高度物理真實的動態(tài)仿

29、真現(xiàn)具有高度物理真實的動態(tài)仿真高度物理真實感的動態(tài)模擬，包括對各種形變、水、氣、云、高度物理真實感的動態(tài)模擬，包括對各種形變、水、氣、云、煙霧、燃燒、爆炸、撕裂、老化等物理現(xiàn)象的真實模擬，是計煙霧、燃燒、爆炸、撕裂、老化等物理現(xiàn)象的真實模擬，是計算機圖形學(xué)一直試圖達到的目標。算機圖形學(xué)一直試圖達到的目標。這一技術(shù)是各類動態(tài)仿真應(yīng)用的核心技術(shù)，可以極大地提高虛這一技術(shù)是各類動態(tài)仿真應(yīng)用的核心技術(shù)，可以極大地提高虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的沉浸感。然而高度物理真實性模擬，主要受限于擬現(xiàn)實系統(tǒng)的沉浸感。然而高度物理真實性模擬，主要受限于目前計算機的處理能力和存儲容量限制，不能處理很高精度的目前計算機的處理能力和存

30、儲容量限制，不能處理很高精度的模擬，也無法做到很高的響應(yīng)速度。模擬，也無法做到很高的響應(yīng)速度。所幸的是，所幸的是，GPU技術(shù)帶來了革新這一技術(shù)的可能。充分利用技術(shù)帶來了革新這一技術(shù)的可能。充分利用GPU硬件內(nèi)部的并行性，研究者開始普遍關(guān)注基于硬件內(nèi)部的并行性，研究者開始普遍關(guān)注基于GPU的各類的各類數(shù)學(xué)物理方程求解極其相關(guān)的有限元加速計算方法。數(shù)學(xué)物理方程求解極其相關(guān)的有限元加速計算方法。4） 研究多種高精度數(shù)據(jù)獲取與處研究多種高精度數(shù)據(jù)獲取與處理技術(shù)，增強圖形技術(shù)的表現(xiàn)力理技術(shù)，增強圖形技術(shù)的表現(xiàn)力達到現(xiàn)實中真實感的畫面與逼真動態(tài)效果，一種有效的解決達到現(xiàn)實中真實感的畫面與逼真動態(tài)效果，一種

31、有效的解決途徑是采用各種高精度手段獲取所需的幾何、紋理以及動態(tài)途徑是采用各種高精度手段獲取所需的幾何、紋理以及動態(tài)信息。信息。為此，研究者正在考慮對各個尺度上的信息進行獲取。小到為此，研究者正在考慮對各個尺度上的信息進行獲取。小到物體表面的微結(jié)構(gòu)、紋理屬性和反射屬性通過研制特殊裝置物體表面的微結(jié)構(gòu)、紋理屬性和反射屬性通過研制特殊裝置予以捕獲與處理，或采用一組同攝像機來獲取演員的幾何形予以捕獲與處理，或采用一組同攝像機來獲取演員的幾何形體與動態(tài)，達到采用激光掃描獲取整幢建筑物的三維數(shù)據(jù)。體與動態(tài)，達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問題是：這里主要研究的三個問題是：圖形獲取設(shè)備的設(shè)計與實現(xiàn)，