计算机图形学研究与应用调研报告

概述篇

计算机图形学概念

什么是计算机图形学?（Computer Graphics）

关于计算机图形学的定义众说纷纭。IEE对计算机图形学的定义为∶Computergraphics is theartor science of producing graphical imageswith the ai of computer。

国际标准化组织ISO将计算机图形学定义为∶计算机图形学是一门研究通过计算机将数据转换成图形，并在专门显示设备上显示的原理方法和技术的学科。它是建立在传统的图学理论、应用数学及计算机科学基础上的一门边缘学科。

总而言之计算机图形学是研究怎样利用计算机来显示、生成和处理图形的原理、方法和技术的一门学科，这里的图形是指三维图形的处理。

计算机图形学&图像处理&计算机视觉

计算机图形学（computer graphics）的基本含义是使用计算机通过算法和程序在显示设备上构造图形。图形是人们通过计算机设计和构造出来的，不是通过摄像机、扫描仪等设备输入的图像。这里的图形可以是现实中存在的图形，也可以是完全虚拟构造的图形。以矢量图的形式呈现，更强调场景的几何表示，记录图形的形状参数与属性参数。例如，工程图纸（drawing），其最基本的图形单元是点、线、圆/弧等，其信息包含图元的几何信息与属性信息（颜色、线型、线宽等显式属性和层次等隐式属性）。

图像处理（image processing）则是研究图像的分析处理过程，图像处理研究的是图像增加、模式识别、景物分析等，研究对象一般为二维图像。图像以点阵图形式呈现，并记录每个点的灰度或色彩。例如，照片、扫描图片和由计算机产生的真实感和非真实感图·形等，最基本的图像单元（pels，pictureelements）是点一像素（pixel），其信息实际上是点与它的属性信息（颜色、灰度、亮度等）。

计算机视觉（computer vision）包括获取、处理、分析和理解图像或者更一般意义的真实世界的高维数据方法，它的目的是产生决策形式的数字或者符号信息。

计算机图形学发展历史

20世纪50年代∶1950年，美国MIT的旋风一号（whirlivindI）计算机配备了世界上第一台显示器——阴极射线管（CRT）来显示一些简单的图形，使得计算机摆脱了纯数值计算的单一用途，能够进行简单的图形显示，从此计算机具有了图像显示功能，但是还不能对图形进行交互操作，这时的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。

50年代末期，MIT的林肯实验室在"旋风"计算机上开发SAGE（Semi-AutomaticGround EnvirommentSystem）空中防御体系。SAGE于1957年投入试运行，已经能够将雷达信号转换为显示器上的图形并具有简单的人机交互功能，操作者使用光笔点击屏幕上的目标即可获得敌机的飞行信息，这是人类第一次使用光笔在屏幕上选取图形。1959年，麻省理工学院林肯实验室第一次使用了具有指挥和控制功能的CRT，"被动式"图形学开始迈向交互式计算机图形学。

20世纪60年代∶1962年美国 MIT 林肯实验室的lvan E.Sthrland 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，首次使用了"ComputerGmphics"这一概念，证明了交互式计算机图形学是一个可行的、有应用价值的研究领域，从而确立了计算机图形学正式成为一个独立学科的分支。1968年lvam E.Sutherland又发表了《头戴式三维显示器》的论文，在头盔的封闭环境下，利用计算机成像的左右视图匹配，生成立体场景，使人置身于虚拟现实中。IvanE.Sutherland为计算机图形学技术做出了巨大的贡献，被称作计算机图形学的开山鼻祖，1988年lvanE.Suthrland被授予AM图灵奖。并且这一时期，光栅图形学算法开始萌芽。

20世纪70年代∶图形学在这一时期进入了兴盛期，光栅图形学算法迅速发展，区域填充、裁剪、消隐等概念及其相应算法纷纷被提出，实用的CAD图形系统也开始出现。除此之外，真实感图形学和实体造型技术的产生也是70年代计算机图形学的两个重要进展。1970 年J.Boukight在ACM上发表论文，提出了第一个光反射模型，指出物体表面朝向是确定物体表面上一点光强的主要因素，并用 Lambert 漫反射定律计算物体表面上各多边形的光强，对光照射不到的地方用环境光代替。1971年Henri Gouraud在IEEE Trans.Computer上提出被称为Gouraud明暗处理的"漫反射模型+插值"思想，对多面体模型，用漫反射模型计算多边形顶点的光亮度，再用增量法插值计算多边形的其他内部点。1975年 Phong在ACM上发表论文提出了著名的简单光照模型"Phong模型"3，Phone模型虽然只是一个经验模型，但其真实度已经达到了较好的显示效果。这些都是真实感图形学最早的开创性工作。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，这些都为CAD领域的发展做出了重要贡献。

70年代图形软件标准化程度提高，1974年，ACM SIGGRAPH"与机器无关的图形技术"的工作会议的召开，提出了图形软件标准化问题，ACM成立图形标准化委员会，制定"核心图形系统"（coregraphicssystem），ISO发布CGI、CGM、GKS、PHIGS一系列的图形标准，其中19777年的CKS是ISO批准的第一个图形软件标准软件，是一个二维图形软件标准，1986年，ISO公布了程序员级的分层结构交互图形系统PHIGS，这是一些非官方的图形软件，广泛应用于工业界并成为事实上的标准，PHIGS是对CKS的扩充，增加的功能有对象建模、彩色设定、表面绘制和图形管理等。同候PHIGS的扩充成为PHIGS+;1988 年的CKS3D，是ISO批准的第二个图形软件标准软件，是一个三维图形软件标准。

20世纪80年代以后∶出现了带有光栅扫描显示器的微型计算机和图形工作站，极大的推动了计算机图形学的发展，如Machinosth、IBM公司的PC及其兼容机，Aplp、Sun 工作站等。随着奔腾IⅢ和奔腾IV系列CPU的出现，计算机图形软件功能一开始部分地由硬件实现。高性能显卡和液晶显示屏的使用，高传输率大容量硬盘的出现，特别是Internct的普及使得微型计算机和图形工作站在运算速度、图形显示细节上的差距越来越小，这些都为图形学的飞速发展奠定了物质基础。1980年Tumer Whited 提出了光透视模型，并第一次给出光线跟踪算法的范例，实现了Whited模型∶1984年美国Comel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算法引入到计算机图形学中，用辐射度的方法成功地模拟了理想漫反射表面间的多重漫反射效果。以上二者的提出，标志着真实感图形的显示算法已逐渐成熟。80年代中期以后，超大规模集成电路的发展，计算机运算能力的提高，图形处理速度的加快，促使了图形学各个研究方向都得到了充分发展和广泛的应用。

20世纪90年代以后∶微机和软件系统的普及使得图形学的应用领域日益广泛，计算机图形学朝着标准化、集成化和智能化的方向发展，多媒体、人工智能、计算机可视化、虚拟现实等分支蓬勃发展，三维造型也获得了长足发展。ISO公布的图形标准越来越精细，更加成熟。这是存在着一些事实上的标准，如SGI公司开发的OpenGL开放式三维图形标准，微软公司为PC游戏开发的应用程序接口标准DirectX等，Adobe公司Poscrip等，均朝着开放式、高效率的方向发展。

中国计算机图形学发展

中国的计算机图形学发展最早可以追溯到20世纪80年代末期，清华大学、浙江大学等率先开始了对计算机图形学技术的研究，但是由于经济发展程度以及对外开放程度等原因，绝大多数的学校和个人都没有机会接触计算机图形学，计算机图形学此时在中国处于萌芽阶段。

1990年-1998年间，图形学在中国迎来了发展。中国图形学专家在贝塞尔曲线、非均匀有理B样条曲线以及计算机真实感图形渲染算法方面都取得了一定的成绩。比如邵敏之教授和朱一宁教授分别在1988年和1990年成功采用辐射度算法在封闭空间中绘制出了真实感很强的图像，浙江大学CAD&CG 国家重点实验室开发出中国自己的虚拟现实系统———CAVE，这套系统依靠高性能计算机同步产生同一场景相邻视域内的四幅画面并分别投影到大屏幕上，通过液晶眼镜产生立体视觉效果。这些成就都表明中国的计算机图形学发展已经取得了一定的成果。

1998年至今，中国计算机图形学逐渐走入了正轨。中国计算机图形学行业的分工以及产业结构日益专业化、标准化、商业化和智能化。国内不断有新的动画算法和渲染算法理论被提出，不断有论文入选 SIGGRAPH，各大高校纷纷开设图形学课程，一批具有自主版权的二维绘图软件和三维CAD 商品化软件进入市场。

近年来，随着我国改革开放的不断深化，以及各项方针政策的落实，科学技术得到了广泛的发展应用，计算机图形学的理论和技术迅速发展，并取得了可喜的成果。在硬件方面，我国研制出多种系列和型号的绘图机、数字化仪和图形显示器，其技术指标居国际先进水平，具有高分辨率的光栅图形显示器、全色的图形图像处理卡、国际上广泛应用的SunSPANC 系列工作站、HP900/800系列工作站等，在我国也有定点工厂生产，鼠标等交互设备也已在国内生产。

技术篇

计算机图形学总体框架

数学基础∶主要包括一些基本的算法，例如向量与几何的变换，如几何建模时的三维空间变换、绘制时的三维到二维的投影变换和二维空间的窗口和视图变换等。

建模∶三维和二维空间的各种几何模型，有解析式表达的简单形体，也有隐函数表达的复杂曲线等。建模的主要工作是几何计算。

渲染∶或者叫做绘制，指的是模型的视觉实现过程，计算机图形学的光照、纹理等理论和算法都需要对模型进行处理，其中也要用到大量的几何计算。

交互技术∶如今的交互式图形学已经可以提供图形通讯手段，成为图形交互的主要工具。几何计算贯穿于以上各个过程之中，是计算机图形学的基础。在图形学中那些看上去是"绘制"的内容，本质上仍是几何计算的问题。例如隐藏线、隐藏面的消除以及具有光照效果的真实感图形显示虽是提升图形显示效果的手段，但其主要的工作恰是几何计算。Gourand插值模型（通过对多边形顶点颜色进行线性插值来绘制其内部各点）和Phong插值模型（对多边形顶点的法线方向进行插值以产生中间各点的法线方向）的实质均是几何插值问题∶光线跟踪的工作和时间花费主要是几何计算-光线与景物的求交计算及交点处景物表面的法向、反射光线与折射光线的方向计算等。下表对几何计算在图形学中的作用做一总结。

计算机图形学研究内容

随着图形学技术的不断发展，计算机图形学被广泛应用于工程技术、艺术、动画电影等领域，反过来，这些产业的发展又大大促进了图形学的发展，目前计算机图形学的研究内容不断扩大，参考中国科技大学刘利刚老师的分类，可以将计算机图形学主要研究内容分为∶建模（Modeling）、渲染（Rendering）、动画（Animation）和图形交互（Interactive graphics）四部分。

建模

没有模型，图形就无从谈起，建模是计算机图形学各项工作的基础和前提，建模技术的核心是根据研究对象的三维空间信息构造其立体模型，尤其是几何模型，并利用相关建模软件或编程语言生成该模型的图形显示，然后对其进行处理。目前，物体的三维几何模型就其复杂程度来说可以分为三类∶线模型、面模型和体模型。对三维建模技术的研究基本上都是针对三维面元模型和体元模型来展开的。

动画

计算机动画（Computer Animation），是借助计算机来制作动画的技术。计算机的普及和强大的功能革新了动画的制作和表现方式。由于计算机动画可以完成一些简单的中间帧，使得动画的制作得到了简化，这种只需要制作关键帧（keyframe）的制作方式被称为"Pseto pose"。

渲染

计算机图形学的一项主要工作是将计算机中抽象的模型转换为人们直观可见、可以形象理解的图形。它综合利用数学、物理学、计算机等知识，将模型的形状、物理特性（如材料的折射率、反射率、物体发光温度等，机械强度、材料密度等对运动模拟的影响等），以及物体间的相对位置、遮挡关系等性质在计算机屏幕上模拟出来，是一个将"几何"演绎到画面上的再创造过程，这就是渲染，也叫绘制。

计算机图形学相关技术算法

OpenGL

OpenGl定义了一个跨编程语言、平台的编程接口的规范，一般用于三维图形，但也可用于二维图像。OpenGL是一个功能强大，调用方便的底层图形库，它与硬件无关可以在不同的平台如 windows、mac、linux等之间进行移植，支持OpenGL的软件具有很好的移植性，可以获得非常广泛的支持。OpenGL 不提供几何实体格式，不能直接用于描述场景。但是，通过一些转换程序，可以很方便的将AutoCAD、3ds MAX等3D 设计软件制作的DXF和3DS 模型文件转换成 OpenGL的顶点数组。

OpenGL可以与VisualC+紧密结合，以实现有关计算和图形算法。OpenGL使用便捷、效率高，可以实现建模、变换、映射（光照、材质、纹理）等功能。此外，OpenGL还能实现运动模糊等特殊效果，并支持消隐算法。

二维图形变换

图形的几何变换一般是指图形的几何信息经过变换后产生新的图形，图形几何变换既可以看作是坐标系不动而图形变动，即变动后的图形在坐标系中的坐标值发生变化;又可以看作是图形不动而坐标系变动，即变动后的图形在新坐标系下具有新的坐标值。基本的变换有平移、旋转、缩放等。

应用篇

图形学发展迅速，已经成为一门独立的学科。计算机图形学已经应用到各个领域，例如计算机辅助设计与制造，自然景物仿真和计算机动画等，在我们的生活随处可见，将可视化用于天气预报，使气象预报越来越准确∶用于地质勘探，使地质学家可以发现新资源;用于医学，做一些精密的手术等。下面对计算机图形学的应用做一一介绍。

影视制作

计算机图形学在影视动画领域有着广泛的应用。早期的计算机动画灵感来源于传统的卡通片，在关键帧之间由软件来创建过渡帧，当连续播放时2个关键帧被有机的结合起来，整个场景就会动起来。计算机动画内容丰富多彩，生成动画的方法也多种多样，比如基于特征的图象变形，二维形状混合，轴变形方法，三维自由形体变形等。近年来人们普遍将注意力转向基于物理模型的计算机动画生成方法。这是一种崭新的方法，该方法大量运用弹性力学和流体力学的方程进行计算，力求使动画过程体现出最符合真实世界的运动规律。

最为人熟知的是2010年的《阿凡达》，这部被称为电影技术革命的电影，将计算机动画技术运用到了炉火纯青的地步。据报道，《阿凡达》中60%的画面是由图形学的相关技术来完成的，这其中包括∶场景渲染技术、动作和表情捕捉技术以及基于虚拟现实的拍摄技术等。为了将潘多拉星球的景象展现在屏幕前，首先需要建模师对出现在场景中的所有物体进行建模，然后借助于计算机，就可以得到在某一时刻、某一位置下的场景效果。由于人的动作和表情更为细腻，当场景中不仅只有景物，还有人物时，为了让虚构的纳威族人具有和人一样敏捷的动作和饱含感情的表情，就需要用到动作和表情捕捉技术。动作和表情捕捉是通过对人体和人脸进行采样，然后将采样点映射到模型上来实现模型和演员做同样的动作、表达同样的情感。

游戏

游戏一直都是计算机图形学的一个重要应用方向，计算机图形学为游戏开发提供了技术支持，如三维引擎的创建等。图形学在游戏中有三大应用∶几何学、动画和绘制。

几何学中边界表示法、CSG、多边形网状表示法对于游戏中物体之间的互动有着重要的意义;动画捕捉通过记录运动物体的位置、角度、速度等得到精确的数据，然后把得到的数据用于模型，现如今流行的游戏中都可以找到动作捕捉的运用;绘制是游戏制作中最复杂的部分，在游戏中有两种绘制方法∶基于预处理的绘制和实时绘制。基于预处理的绘制一般用于游戏场景中不会改变的模型上，实时绘制用的较为普遍，大多数游戏都采用这种方法。

虚拟现实

虚拟现实是用计算机技术来生成的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界，让用户从自己的视点出发，利用某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行直接自然的交流。

计算机图形学则是实现虚拟现实最重要的保证。虚拟现实为了使人和计算机能够融洽的交互，必须配备相应的硬件设备，包括∶跟踪系统、触觉系统、音频系统、图像生成、显示系统和可视化显示设备。

由此可以看出，虚拟现实本质上是一种与计算机图形学理论与技术密切相关的仿真系统。建立在计算机图形学上的仿真系统更具有真实性和多维性，同时随着图形学的发展和进步，虚拟现实系统对对象的刻画更为深刻，从而推动了虚拟现实在城市规划、室内设计、文化保护、交通、教育等方面的运用。

仿真技术

重现真实世界的场景在图形学中叫做真实感绘制，真实感绘制主要是模拟真实物体的物理属性，简单地说就是物体的形状、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。运用这一技术可以实现物理仿真，物理仿真在几何图形、广告影视、指挥控制和科学计算等方面应用很广，可以带来巨大的社会经济效益。例如仿真技术应用于航空工业领域，利用飞机仿真器在地面训练飞行员，不仅节省大量燃料和经费，而且不受气象条件和场地的限制;仿真技术运用于交通控制、城市规划、资源利用等领域，也有着重要的意义。

科学计算可视化

目前科学计算可视化广泛应用于医学、流体力学、有限元分析和气象分析当中。尤其在医学领域，可视化有着广阔的发展前途。依靠精密机械做脑部手术是目前医学上很热门的课题，而这些技术的实现基础则是可视化。当医生做脑部手术时，可视化技术将医用CT扫描的数据转化成图像，使得医生能够看到并准确地判别病人的体内患处，然后通过碰撞检测异类的技术实现手术效果的反馈，帮助医生成功完成手术。

计算机辅助设计与制造

CAD/CAM是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用。计算机图形学被用来进行土建工程、机械结构和产品的设计，包括设计飞机、汽车、船舶的外形和发电厂、化工厂等的布局以及电子线路、电子器件等。CAD是基于工程图纸的三维形体建模。三维形体建模就是从二维信息中提取三维信息，通过对这些信息进行分类、综合等一系列处理，在三维空间中重新构造出二维信息所对应的三维形体，恢复形体的点、线、面及其拓扑关系，从而实现形体的重建。

在电子工业中，计算机图形学应用到集成电路、印刷电路板、电子线路以及网络分析中有很大的优势。复杂大规模的集成电路版图依靠手工设计和绘制是不可能的，但运用计算机图形系统既可以进行设计和画图，又可以在较短的时间内完成并把其结果直接送至后续工艺进行加工处理。

在飞机工业中，美国波音公司已经运用CAD系统实现波音7飞机的整体设计和模拟，包括飞机外型、内部零部件的安装和检验等，使其设计制造成本下降百分比大于30%。

趋势篇

随着AI时代的来临，计算机图形学与 Al结合取得了许多突破性发展，并且有了全新的发展趋势，下文对计算机图形学未来的发展趋势进行简单预测与介绍。

采集趋势

目前，图像视频等二维数据的采集很方便，使用照相机、摄像机即可以进行采集，但是采集三维数据却没有一个便携的采集设备，随着采集设备的不断进步，预测图形学在三维数据采集方面会有一个集中的爆发。

技术本身

就图形学的技术本身而言，有很多问题没有解决，例如图形学中很重要的一个内容——绘制，包括物理仿真，其本质是在计算机中再现三维世界，使得模拟更为逼真。但是逼真效果和速度之间有很大的鸿沟。举一个简单的例子，许多3D电影中观众看到的效果和真实照片很接近，但是这一效果的实现需要后台艺术家前期做大量的工作，越是逼真的效果渲染速度越慢，要达到同时做到实时速度和完全逼真的目标，还有很长的路要走。

VR（虚拟现实）/AR（增强现实）

虚拟现实/增强现实的技术和产品目前发展势头正强，但是大多数产品是雷声大雨点小。例如Google Glss和微软的HoloLens仍然有许多要改进的地方，更大程度上使用意义并不高。如何真正实现视觉技术和图形学技术的结合，真实世界和虚拟世界的结合是这类虚拟现实产品需要考虑的问题。

Al 结合

AI热潮席卷而来，计算机图形学与传统的AI技术相结合，如深度学习、神经网络、运用于图形学中建模绘制的技术，在图像的补全和仿真上有着举足轻重的作用。以往图形内容的生成需要艺术家和工程师大量的交互和手工劳动。近年来，随着机器学习和数据的增多，如何利用数据驱动的方法，快速方便地生成高质量的图形内容也将成为图形学研究的热点。

城市级别

大场景的获取和展现将会成为计算机图形学的一个发展趋势。例如Google地图、腾讯街景等目前只是利用上传或捕捉的图片进行展示，更多的是非动态的图片，是图像之间的过渡，并非是三维场景的完美再现，并不能使用户实现真正的身临其境，完全逼真。随着各种硬件及算法的不断发展，城市级别大场景的获取和展现有着更好实现的可能。