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    CG[计算机图形学]

    计算机图形学(Computer Graphics),简称CG,是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说,计算机图形学的主要研究内容就是研究如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。计算机图形学是计算机科学的一个分支领域,主要关注数字合成与操作视觉的图形内容。

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    基本信息 编辑信息模块

    中文名: 计算机图形学 英文名: Computer Graphics
    其他外文名: CG

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    简介/CG[计算机图形学] 编辑

    计算机图形学(Computer Graphics,简称CG)的英文缩写。CG是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。随着以计算机为主要工具进行视觉设计和生产的一系列相关产业的形成,国际上习惯将利用计算机技术进行视觉设计和生产的领域通称为CG。它既包括技术也包括艺术,几乎囊括了当今电脑时代中所有的视觉艺术创作活动,如平面印刷品的设计、网页设计、影视特效、多媒体技术、以计算机辅助设计为主的建筑设计及工业造型设计等。

    研究/CG[计算机图形学] 编辑

    (图)清华大学自然景物平台生成的野外场景清华大学自然景物平台生成的野外场景
    计算机图形学的一个重要研究内容就是要利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形。为此,必须建立图形所描述的场景的几何表示,再用某种光照模型,计算在假想的光源、纹理、材质属性下的光照明效果。所以计算机图形学与另一门学科-计算机辅助几何设计有着密切的关系。事实上,图形学也把可以表示几何场景的曲线曲面造型技术和实体造型技术作为其重要的研究内容。同时,真实感图形计算的结果是以数字图象的方式提供的,计算机图形学也就和图象处理有着密切的关系。图形与图象两个概念间的区别越来越模糊,但我们认为还是有区别的:图象纯指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息,而图形含有几何属性,或者说更强调场景的几何表示,是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成的。

    计算机图形学的研究内容非常广泛,如图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法,以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。作为一本面向计算机专业本科生和非计算机专业研究生的图形学教材,本书着重讨论与光栅图形生成、曲线曲面造型和真实感图形生成相关的原理与算法。

    发展历史/CG[计算机图形学] 编辑

    1950年,第一台图形显示器作为美国麻省理工学院(MIT)旋风I号(Whirlwind I)计算机的附件诞生了。该显示器用一个类似于示波器的阴极射线管(CRT)来显示一些简单的图形。1958年美国Calcomp公司由联机的数字记录仪发展成滚筒式绘图仪,GerBer公司把数控机床发展成为平板式绘图仪。在整个50年代,只有电子管计算机,用机器语言编程,主要应用于科学计算,为这些计算机配置的图形设备仅具有输出功能。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。

    1962年,MIT林肯实验室的Ivan E.Sutherland 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,他在论文中首次使用了计算机图形学“Computer Graphics”这个术语,证明了交互计算机图形学是一个可行的、有用的研究领域,从而确定了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的独立地位。

    70年代是计算机图形学发展过程中一个重要的历史时期。由于光栅显示器的产生,在60年代就已萌芽的光栅图形学算法,迅速发展起来,区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其相应算法纷纷诞生,图形学进入了第一个兴盛的时期,并开始出现实用的CAD图形系统。又因为通用、与设备无关的图形软件的发展,图形软件功能的标准化问题被提了出来。

    1980年Whitted提出了一个光透视模型-Whitted模型,并第一次给出光线跟踪算法的范例,实现Whitted模型;1984年,美国Cornell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方法引入到计算机图形学中,用辐射度方法成功地模拟了理想漫反射表面间的多重漫反射效果;光线跟踪算法和辐射度算法的提出,标志着真实感图形的显示算法已逐渐成熟。从80年代中期以来,超大规模集成电路的发展,为图形学的飞速发展奠定了物质基础。计算机的运算能力的提高,图形处理速度的加快,使得图形学的各个研究方向得到充分发展,图形学已广泛应用于动画、科学计算可视化、CAD/CAM、影视娱乐等各个领域。

    ACM SIGGRAPH会议是计算机图形学最权威的国际会议,每年在美国召开,参加会议的人在50,000人左右。世界上没有第二个领域每年召开如此规模巨大的专业会议,SIGGRAPH会议很大程度上促进了图形学的发展。SIGGRAPH会议是由Brown大学教授Andries van Dam (Andy) 和IBM公司Sam matsa在60年代中期发起的,全称是“the Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques”。

    分支学科/CG[计算机图形学] 编辑

    几何:研究面的表示和处理的方法

    动画:研究移动的表示和操作方法

    图像拟真/渲染:研究模拟光线传递效果的算法

    图像:研究图像的获取或是编辑

    拓扑结构: 研究的空间和表面的结构。

    学科概述/CG[计算机图形学] 编辑

    计算机图形学计算机图形学
    在学科开创之初,计算机图形学要解决的是如何在计算机中表示三维几何图形,以及如何利用计算机进行图形的生成、处理和显示的相关原理与算法,产生令人赏心悦目的真实感图像。这是狭义的计算机图形学的范畴。随着近40年的发展,计算机图形学的内容已经远远不止这些了。广义的计算机图形学的研究内容非常广泛,如图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法,以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。

    建模

    三维模型建模方法是计算机图形学的重要基础,是生成精美的三维场景和逼真动态效果的前提。然而,传统的三维模型方法,由于其主要思想方法来源于CAD中基于参数式调整的形状构造方法,建模效率低而学习门槛高,不易于普及和让非专业用户使用。而随着计算机图形技术的普及和发展,各类用户都提出了高效的三维建模需求,因此研究和谐自然的三维建模方法是发展的一个重要趋势。

    采用合适的交互手段,来进行三维模型的快速构造,特别是应用于概念设计和建筑设计领域已引起了国际同行的广泛关注。由于笔式或草图交互方式,非常符合人类原有日常生活中的思考习惯,是研究的重点问题。其难点是根据具体的应用领域,与视觉方法相融合,如何设计合理的交互语汇以及对应的过程式“识别-构造”方法。

    与此相关的一个问题是基于规则的过程式建模方法。由于Google Earth等数字地图信息系统的广泛应用,对于地图之上的建筑物信息等存在迫切需求。为此,研究者希望通过激光扫描或者视频等获取方式获得相关信息后能迅速地重建出相关三维模型信息。然而单纯的重建方式存在精度低、稳定性差和运算量大等不足,远未能满足实际的需求。因此,最近的研究中,倾向于采用基于规则的过程式建模方法相结合来尝试高效地构造出三维建筑模型,以及相关的树木等结构化场景。

    三维建模方法中的另一主要问题是研究合适的曲面表达方法,以适于各类图形学的应用。在CAD的主流方法是采用NURBS(非均匀有理B-样条)方法,然而此类方法无法很好解决非正规情况下的曲面拼合,不甚适合于图形学。为此,细分曲面方法,作为一种离散迭代的曲面构造方法,由于其构造过程朴素简单以及实现容易,是一个方兴未艾的研究热点,而且极有可能逐步取代NURBS方法。主要需要解决的问题有:奇异点处的C连续性的有效构造方法;与GPU图形硬件相结合的曲面处理方法。

    图形渲染

    图形渲染是整个图形学发展的核心。在计算机辅助设计,影视动漫以及各类可视化应用中都对图形渲染结果的高真实感提出了很高的要求。同时,由于显示设备的快速发展,人们要求能提供高清分辨率(1920x1080),进一步要能达到数字电影所能播放的4K分辨率(4096x2060);色彩的动态范围也希望从原来每个通道的8Bit提高到10bit及以上。虽然已有的图形学方法已经能较为真实地再现各类视觉效果,然而为了能提供高分辨率高动态的渲染效果,必须消耗非常可观的计算能力。一帧精美的高清分辨率图像,单机渲染往往需要耗费数小时至数十小时。为此,传统方法主要采用分布式系统,将渲染任务分配到集群渲染节点中。即使这样,也需要使用上千台计算机,耗费数月时间才能完成一部标准90分钟长度的影片渲染。
    基于GPU的图形硬件技术得以发展迅速,已经能在一个GPU芯片上采用64nm工艺集成上千个采用SIMD(单指令多数据流)架构的通用计算核心。而2009年底,主流图形硬件商nVidia和AMD以及Intel还会推出基于MIMD(多指令多数据流)计算核心的GPU芯片用于图形加速绘制,以支持DirectX 11以及OpenGL 3.0图形标准。最新的图形学研究,采用GPU技术可以充分利用计算指令和数据的并行性,已可在单个工作站上实现百倍于基于CPU方法的渲染速度。

    动画

    计算机动画技术的发展是和许多其它学科的发展密切相关的。计算机图形学、计算机绘画、计算机音乐、计算机辅助设计、电影技术、电视技术、计算机软件和硬件技术等众多学科的最新成果都对计算机动画技术的研究和发展起着十分重要的推动作用50年代到60年代之间,大部分的计算机绘画艺术作品都是在打印机和绘图仪上产生的。一直到60年代后期,才出现利用计算机显示点阵的特性,通过精心地设计图案来进行计算机艺术创造的活动。

    70年代开始,计算机艺术走向繁荣和成熟。1973 年,在东京索尼公司举办了“首届国际计算机艺术展览会”80年代至今,计算机艺术的发展速度远远超出了人们的想象 在代表计算机图形研究最高水平的历届SIGGRAPH年会上,精彩的计算机艺术作品层出不穷。另外,在此期间的奥斯卡奖的获奖名单中,采用计算机特技制作电影频频上榜,大有舍我其谁的感觉。在中国,首届计算机艺术研讨会和作品展示活动于1995年在北京举行 它总结了计算机艺术在中国的发展,对未来的工作起到了重要的推动作用。

    人机交互

    是指人与计算机之间以一定的交互方式或交互界面,来完成确定任务的人与计算机之间的信息交换过程。简单来讲,就是人如何通过一定的交互方式告诉计算机来完成他所希望完成的任务。

    计算机图形学的顶级会议ACM SIGGRAPH是“ACM Special Interest Group on GRAPHics and Interactive Techniques”的缩写,缩写中只包含了Graphics,而忽略了Interactive Techniques,在长时间没有得到计算机图形学研究的重视。最近,包括在SIGGRAPH会议上,以及人机交互的顶级会议SIGCHI上,陆续出现了许多新兴的人机交互技术及研究论文。大家逐渐重视起来。

    上个世纪60-70年代,只有以键盘输入的字符界面;到了80年代,以WIMP(窗口、图符、菜单、鼠标)为基础的图形用户界面(GUI)逐渐成为当今计算机用户界面的主流。

    近年来,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是用户界面的主要研究方向。陆续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。

    事实上,人体的表面本身就是人机界面。人体的任何部分(姿势,手势,语言,眼睛,肌肉电波,脑波等)都可以成为人机对话的通道。比如2010年微软出的Kinect就是一种无需任何操纵杆的基于体感的人机界面,用户本身就是控制器。Kinect在微软的Xbox游戏上取得了极大的成功,之后在其他方面也得到了很多的应用。

    虚拟现实

    《速度与激情7》还原保罗沃克《速度与激情7》还原保罗沃克
    虚拟现实(Virtual Reality)-是由美国喷气推动实验室(VPL)的创始人拉尼尔(Jaron Lanier)首先提出的 在克鲁格(Myren Kruege)70年代中早期实验里.被称为 人工现实”(Artificial reality);而在吉布森(William Gibson)l984年出版的科幻小说Neuremanccr里,又被称为“可控空间”(Cyberspaee)。虚拟现实, 也育人称之为虚拟环境(Virtual Environment)是美国国家航空和航天局及军事部门为模拟而开发的一门高新技术 它利用计算机图形产生器,位置跟踪器,多功能传感器和控制器等有效地模拟实际场景和情形,从而能够使观察者产生一种真实的身临其境的感觉虚拟环境由硬件和软件组成,硬件部分主要包括:传感器(Sensors)、印象器(Efeeter)和连接侍感器与印象器 产生模拟物理环境的特殊硬件。利用虚拟现实技术产生虚拟现实环境的软件需完成以下三个功能:建立作用器(Actors)以及物体的外形和动力学模型:建立物体之间以及周围环境之间接照牛顿运动定律所决定的相互作用;描述周围环境的内容特性

    虚拟现实,是指由计算机实时生成一个虚拟的三维空间。这个空间可以是小到分子、原子的微观世界,或是大到天体的宏观世界,也可以是类似于真实社会的生活空间。它可以乱真,所以又称之为虚拟现实。用户可以在这个三维空间中“自由”地走动,随意地观察,并可通过一些设备与其中的虚拟景物进行交互操作。交互是多通道的,自然的,用以传递信息的可以是一个手势、一个眼神,也可以是一个表情等。在此环境中,用户看到的是由计算机生成的逼真图像,听到的是虚拟环境中的声音,身体感受到的是虚拟环境所反馈的作用力,由此产生身临其境的感觉。
    虚拟现实技术主要研究用计算机模拟(构造)三维图形空间,并使用户能够自然地与该空间进行交互。它涉及很多科学的知识,对三维图形处理技术的要求特别高。简单的虚拟现实系统早在70年代便被应用于军事领域,训练驾驶员。80年代后随着计算机软硬件技术的提高,它也得到重视并迅速发展。它已在航空航天、医学、教育、艺术、建筑等领域得到初步的应用。例如,1997年7月,美国航天局的旅居者号火星车着陆距地球约1.9亿公里的火星。这辆在火星表面缓慢爬行的小车中并没有驾驶员,它是由地球上的工程师通过虚拟现实系统操纵的。

    学科发展史/CG[计算机图形学] 编辑

    1963年,伊凡·苏泽兰(Ivan Sutherland)在麻省理工学院发表了名为《画板》的博士论文, 它标志着计算机图形学的正式诞生。至今已有四十多年的历史。此前的计算机主要是符号处理系统,自从有了计算机图形学,计算机可以部分地表现人的右脑功能了,所以计算机图形学的建立具有重要的意义。

    智能CAD

    CAD 的发展也显现出智能化的趋势,就目前流行的大多数CAD 软件来看,主要功能是支持产品的后续阶段一一工程图的绘制和输出,产品设计功能相对薄弱,利用AutoCAD 最常用的功能还是交互式绘图,如果要想进行产品设计, 最基本的是要其中的AutoLisp语言编写程序,有时还要用其他高级语言协助编写,很不方便。而新一代的智能CAD 系统可以实现从概念设计到结构设计的全过程。

    多年来,CAD 中普遍采用的图形输入方法是图形数字化仪交互输入和鼠标加键盘的交互输入方法.很难适应工程界大量图纸输入的迫切需要。因此, 基于光电扫描仪的图纸自动输入方法已成为国内外CAD工作者的努力探索的新课题。但由于工程图的智能识别涉及到计算机的硬件、计算机图形学、模式识别及人工智能等高新技术内容,使得研究工作的难点较大。工程图的自动输入与智能识别是两个密不可分的过程,用扫描仪将手绘图纸输入到计算机后,形成的是点阵图象。

    计算机美术

    1952年,美国的Ben .Laposke用模拟计算机做的波型图《电子抽象画》预示着电脑美术的开始(比计算机图形学的正式确立还要早)。计算机美术的发展可分为三个阶段:

    早期探索阶段(1952 1968年)主创人员大部分为科学家和工程师,作品以平面几何图形为主。1963年美国《计算机与自动化》杂志开始举办年度“计算机美术比赛”。

    代表作品:1960年Wiuiam Ferrter为波音公司制作的人体工程学实验动态模拟.模拟飞行员在飞机中各种情况;1963年Kenneth Know Iton的打印机作品《裸体》。1967年日本GTG小组的《回到方块》。

    中期应用阶段(1968年~1983年)以1968年伦敦第一次世界计算机美术大展一“控制论珍宝 (Cybernehic Serendipity1为标志,进入世界性研究与应用阶段;计算机与计算机图形技术逐步成熟,一些大学开始设置相关课题, 出现了一些CAD应用系统和成果, 三维造型系统产生并逐渐完善。

    代表作品:1983年美国IBM 研究所Richerd Voss设计出分形山。

    应用与普及阶段(1984年~现在)以微机和工作站为平台的个人计算机图形系统逐渐走向成熟, 大批商业性美术(设计)软件面市; 以苹果公司的MAC 机和图形化系统软件为代表的桌面创意系统被广泛接受,CAD成为美术设计领域的重要组成部分。

    代表作品:1990年Jefrey Shaw的交互图形作品“易读的城市”。

    计算机设计

    包括三个方面:环境设计(建筑、汽车)、视觉传达设计(包装)、产品设计。

    CAD对艺术的介入,分三个应用层次:

    (1)计算机图形作为系统设计手段的一种强化和替代; 效果是这个层次的核心(高精度、高速度、高存储)。
    (2)计算机图形作为新的表现形式和新的形象资源。
    (3)计算机图形作为一种设计方法和观念。

    动画艺术

    计算机动画技术的发展是和许多其它学科的发展密切相关的。计算机图形学、计算机绘画、计算机音乐、计算机辅助设计、电影技术、电视技术、计算机软件和硬件技术等众多学科的最新成果都对计算机动画技术的研究和发展起着十分重要的推动作用50年代到60年代之间,大部分的计算机绘画艺术作品都是在打印机和绘图仪上产生的。一直到60年代后期,才出现利用计算机显示点阵的特性,通过精心地设计图案来进行计算机艺术创造的活动。

    70年代开始.计算机艺术走向繁荣和成熟 1973 年,在东京索尼公司举办了“首届国际计算机艺术展览会”80年代至今,计算机艺术的发展速度远远超出了人们的想象 在代表计算机图形研究最高水平的历届SIGGRAPH年会上,精彩的计算机艺术作品层出不穷。另外,在此期间的奥斯卡奖的获奖名单中,采用计算机特技制作电影频频上榜,大有舍我其谁的感觉。在中国,首届计算机艺术研讨会和作品展示活动于1995年在北京举行 它总结了近年来计算机艺术在中国的发展,对未来的工作起到了重要的推动作用。

    计算机可视化

    科学计算的可视化是发达国家八十年代后期提出并发展起来的一门新兴技术,它将科学计算过程中及计算结果的数据转换为几何图形及图象信息在屏幕上显示出来并进行交互处理,成为发现和理解科学计算过程中各种现象的有力工具。

    1987年2月英国国家科学基金会在华盛顿召开了有关科学计算可视化的首次会议。会议一致认为“将图形和图象技术应用于科学计算是一个全新的领域” 科学家们不仅需要分析由计算机得出的计算数据,而且需要了解在计算机过程中数据的变化。会议将这一技术定名为“科学计算可视化(Visualization in Scientific Computing)”。科学计算可视化将图形生成技术图象理解技术结合在一起, 它即可理解送入计算机的图象数据.也可以从复杂的多维数据中产生图形。它涉及到下列相互独立的几个领域:计算机图形学、图象处理、计算机视觉、计算机辅助设计及交互技术等。科学计算可视按其实现的功能来分, 可以分为三个档次:(1)结果数据的后处理;(2)结果数据的实时跟踪处理及显示;(3)结果数据的实时显示及交互处理。

    国外科学计算可视化现状:

    (1)分布式虚拟风洞,这是美国国家宇航局(Ames)研究中心的研究项目,包括连接到一台超能计算机上的两个虚拟屏幕。这一共享的分布式虚拟环境用来实现三维不稳定流场。两个人协同工作, 可在一个环境中从不同视点和观察方向同一流场数据。

    (2)PHTHFINDER,这是美国国家超级计算机应用中心(NCSA)的研究项目. 是在交互分布环境下研究大气流体的软件。PHTHFINDER通过多个相联系的模型来研究暴风雨。

    (3)狗心脏CT数据的动态显示,这也是NCSA的研究项目,它利用远程的并行计算资源.用体绘制技术实现CT扫描三维数据场动态显示。其具体内容是显示一个狗的心脏跳动周期的动态图像。

    (4)燃烧过程动态模型的可视化,这是美国西北大学的研究项目.可以显示发生在非烧热的气体燃烧中复杂的空问瞬态图象。火焰位于两个同心圆柱之间.可燃混合气体从内圆柱注入,燃烧所生成的物质通过外圆柱送出。

    (5)胚胎的可视化,依利诺大学芝加哥分校研制了一个在工作站和超级计算机上实现的可视亿应用软件。其内容是对一个七周的人类胚胎实现交互的三维显示,是由卫生和医学国家博物馆所得到的数据重构而成的。这一项目表示了对人类形态数据实现远程访问和在网络资源中实现分布计算的可能性。最近美国还将做整个人体的可视化, 他们将两个自愿者(一男一女)做成了切片,男的被切了1780片, 厚度约1毫米,女的被切了5400片, 厚度约O.3毫米,数据量很大。

    多通道用户界面

    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。

    设备/CG[计算机图形学] 编辑

    (图)CGCRT显示器简易结构图

    高质量的计算机图形离不开高性能的计算机图形硬件设备。一个图形系统通常由图形处理器,图形输出设备和输入设备构成:

    图形输出设备

    包括图形的显示和图形的绘制,图形显示指的是在屏幕上输出图形,图形绘制通常指把图形画在纸上,也称硬拷贝,打印机和绘图仪是两种最常用的硬拷贝设备。

    图形处理器

    光栅显示系统离不开图形处理器,图形处理器是图形系统结构的重要元件,是连接计算机和显示终端的纽带。应该说有显示系统就有图形处理器(俗称显卡),但是早期的显卡只包含简单的存储器和帧缓冲区,他们实际上只起了一个图形的存储和传递作用,一切操作都必须有CPU来控制。这对于文本和一些简单的图形来说是足够的,但是当要处理复杂场景特别是一些真实感的三维场景,单靠这种系统是无法完成任务的。所以以后发展的图形处理器都有图形处理的功能。它不单单存储图形,而且能完成大部分图形函数,这样就大大减轻了CPU的负担,提高了显示能力和显示速度。随着电子技术的发展,显卡技术含量越来越高,功能越来越强,许多专业的图形卡已经具有很强的3D处理能力,而且这些3D图形卡也渐渐地走向个人计算机。一些专业显卡具有的晶体管数甚至比同时代的CPU的晶体管数还多。比如2000年加拿大ATI公司推出的RADEON显卡芯片含有3千万颗晶体管,达到每秒15亿个像素填写率。显卡的主要配件有显示主芯片、显示缓存(简称显存)、数字模拟转换器(RAMDAC)。

    图形输入设备

    最常用的图形输入设备就是基本的计算机输入设备——键盘和鼠标。此外还有跟踪球、空间球、数据手套、光笔、触摸屏等输入设备。

    应用/CG[计算机图形学] 编辑

    包括二维、三维的,静止画、动画(movie),从自由创作、服装设计工业设计、电视广告(CM)到网页设计,可谓包罗万象。 其中最常被提起的就是动画、游戏、漫画,三者经常被并列称为ACG。

    卡通动画

    很多技术不仅用在动画制作上,还用在电视、电影的制作上。这些技术包括卡通渲染动画(cel-Shading/Toon Shading Animation)动作捕捉(motion capture),蓝屏(blue screen),非真实渲染(non-photorealistic rendering),骨骼动画(skeletal animation),目标变形动画(morph target animation),模拟(simulation、模拟风,雨,雷,电等)使用位图或矢量平面图形。互联网上主流的格式是位图GIF与矢量Flash。 通常而言,将计算机动画或者图片作为宣传手段或者展示手段,一般称为CG。 随着以计算机为主要工具进行视觉设计和生产的一系列相关产业的形成,国际上习惯将利用计算机技术进行视觉设计和生产的领域通称为CG。它既包括技术也包括艺术,几乎囊括了当今电脑时代中所有的视觉艺术创作活动,如三维动画、影视特效、平面设计、网页设计、多媒体技术、印前设计、建筑设计、工业造型设计等。

    从手冢治虫的铁臂阿童木起,日本的动画就广为世界所熟悉,在电脑普及之前,靠手工绘制的动画已经成了日本的朝阳产业。但在人工费等成本不断上涨中,如果没有导入电脑就很难想象动画产业今天的规模。动画大师宫崎骏的新作品一再创造了票房的新记录。日本虽有东映那样的制作‘影院动画’的大公司,但大部分的作品还是出自小公司,小公司在很多制作方面又要委托零细的加工专业和个人制作者。整个产业的从业员约有 3.4千人,每星期在日本的电视上放映的动画连续剧有30多本,加上映象产品,定制作品等,他们的产量每个月差不多达到200本,尽管有部分在海外加工,但日本动画业在简陋的条件下(相对与其他制造业生产而言)达到的质量与产量是惊人的。没有CG,动画的大量生产是难以想象的。   

    游戏软件

    电子游戏开始于美国,日本的软件使之风靡世界。1993年任天堂公司推出了8比特的专用游戏机,到1996年达到了64比特。但硬件的性能再好,没有有趣的软件也是徒然。游戏公司凭借日本动画,漫画的文化积累,充分运用CG,一举形成了世界注目的游戏产业。在不到20年的时间里,发展到数十兆日圆的规模。任天堂(Nintendo),Sega索尼(Sony)等国际知名的企业成了电子游戏的代名词。

    漫画

    CG设计CG设计
    在导入CG前,漫画在日本已经是一个成熟的文化产业,是深受男女老少喜爱的大众文化。有幼儿漫画、少男漫画、小女漫画、青年漫画、女性漫画、成人漫画等等,有覆盖各个年龄层次的内容与风格。随着读者的年龄增大,老年漫画也开始出现。虽然漫画家们主要还是采用手绘,然后用扫描仪进行数码化,便贴纸等很多技法采用了photoshop之类的软件。年轻一代越来越习惯于用数码输入板和illustrator painer一类的软件直接创作,或者用数码相机的素材加工成漫画。

    计算机动画

    是借助计算机来制作动画的技术。计算机动画也有非常多的形式,但大致可以分为二维动画和三维动画两种。

    二维动画也称为2D动画。借助计算机2D位图或者是矢量图形来创建修改或者编辑动画。现在的2D动画在前期上往往仍然使用手绘然后扫描至计算机或者是用数写板直接绘制作在计算机上,然后在计算机上对作品进行上色的工作。而特效,音响音乐效果,渲染等后期制作则几乎完全使用计算机来完成。一些可以制作二维动画的软件有包括Flash,AfterEffects,Premiere等, 三维动画也称为3D动画。基于3D计算机图形来表现。有别于二维动画,三维动画提供三维数字空间利用数字模型来制作动画。给予动画者更大的创作空间。精度的模型,和照片质量的渲染使动画的各方面水平都有了新的提高,也使其被大量的用于现代电影之中。3D动画几乎完全依赖于计算机制作,在制作时,大量的图形计算机工作会因为计算机性能的不同而不同。3D动画可以通过计算机渲染来实现各种不同的最终影像效果。包括逼真的图片效果,以及2D动画的手绘效果。

    电影特技

    我国的计算机动画技术起步较晚。1990年的第11届亚洲运动会上,首次采用了计算机三维动画技术来制作有关的电视节目片头。从那时起,计算机动画技术在国内影视制作方面得到了讯速的发展, 继而以3D Studio 为代表的三维动画微机软什和以Photostyler、Photoshop等为代表的微机二维平面设计软件的普及,对我国计算机动画技术的应用起到了推波助谰的作用。

    计算机动画的应用领域十分宽广 除了用来制作影视作品外, 在科学研究、视觉模拟、电子游戏、工业设计、教学训练、写真仿真、过程控制、平面绘画、建筑设计等许多方面都有重要应用,如军事战术模拟。

    趋势/CG[计算机图形学] 编辑

    计算机图形学狭义上是一种研究基于物理定律、经验方法以及认知原理,使用各种数学算法处理二维或三维图形数据,生成可视数据表现的科学。它是计算机科学的一个分支领域与应用方向,主要关注数字合成与操作视觉的图形内容。广义上来看,计算机图形学不仅包含了从三维图形建模、绘制到动画的过程,同时也包括了对二维矢量图形以及图像视频融合处理的研究。 计算机图形学经过将近40年的发展,已进入了较为成熟的发展期。目前,其主要应用领域包括计算机辅助设计与加工,影视动漫,军事仿真,医学图像处理,气象、地质、财经和电磁等的科学可视化等。由于计算机图形学在这些领域的成功运用,特别是在迅猛发展的动漫产业中,带来了可观的经济效益。动漫产业是目前各国优先发展的绿色产业,具有高科技、高投入与高产出等特点。

    从计算机图形学目前学科发展来看,有以下几个发展趋势:

    1、与图形硬件的发展紧密结合,突破实时高真实感、高分辨率渲染的技术难点。

    图形渲染是整个图形学发展的核心。在计算机辅助设计,影视动漫以及各类可视化应用中都对图形渲染结果的高真实感提出了很高的要求。同时,由于显示设备的快速发展,人们要求能提供高清分辨率(1920x1080),进一步要能达到数字电影所能播放的4K分辨率(4096x2060);色彩的动态范围也希望从原来每个通道的8Bit提高到10bit及以上。虽然已有的图形学方法已经能较为真实地再现各类视觉效果,然而为了能提供高分辨率高动态的渲染效果,必须消耗非常可观的计算能力。一帧精美的高清分辨率图像,单机渲染往往需要耗费数小时至数十小时。为此,传统方法主要采用分布式系统,将渲染任务分配到集群渲染节点中。即使这样,也需要使用上千台计算机,耗费数月时间才能完成一部标准90分钟长度的影片渲染。

    近10年来,基于GPU的图形硬件技术得以发展迅速,已经能在一个GPU芯片上采用64nm工艺集成上千个采用SIMD(单指令多数据流)架构的通用计算核心。而2009年底,主流图形硬件商nVidia和AMD以及Intel还会推出基于MIMD(多指令多数据流)计算核心的GPU芯片用于图形加速绘制,以支持DirectX 11以及OpenGL 3.0图形标准。最新的图形学研究,采用GPU技术可以充分利用计算指令和数据的并行性,已可在单个工作站上实现百倍于基于CPU方法的渲染速度。

    然而已知的实现方法,其实现效果还较为初步,无法实现复杂的视觉特效,离实时的高真实感渲染还有很大差距。

    2、研究和谐自然的三维模型建模方法。三维建模方法中一主要问题是研究合适的曲面表达方法,以适于各类图形学的应用。在CAD的主流方法是采用NURBS(非均匀有理B-样条)方法,然而此类方法无法很好解决非正规情况下的曲面拼合,不甚适合于图形学。为此,细分曲面方法,作为一种离散迭代的曲面构造方法,由于其构造过程朴素简单以及实现容易,是一个方兴未艾的研究热点,而且极有可能逐步取代NURBS方法。目前主要需要解决的问题有:(i)奇异点处的C连续性的有效构造方法;(ii)与GPU图形硬件相结合的曲面处理方法。

    3、利用日益增长的计算性能,实现具有高度物理真实的动态仿真。

    高度物理真实感的动态模拟,包括对各种形变、水、气、云、烟雾、燃烧、爆炸、撕裂、老化等物理现象的真实模拟,是计算机图形学一直试图达到的目标。这一技术是各类动态仿真应用的核心技术,可以极大地提高虚拟现实系统的沉浸感。然而高度物理真实性模拟,主要受限于目前计算机的处理能力和存储容量限制,不能处理很高精度的模拟,也无法做到很高的响应速度。所幸的是,GPU技术带来了革新这一技术的可能。充分利用GPU硬件内部的并行性,研究者开始普遍关注基于GPU的各类数学物理方程求解极其相关的有限元加速计算方法。就目前而言,主要研究关注焦点还是单个物理方法的GPU实现。然而,最近随着nVidia推出了基于GPU的PhysX通用物理加速技术,以及Havok公司与AMD合作开发了通用物理中间件技术,相信未来可为高度物理真实的动态模拟提供新的研究机遇。

    4、研究多种高精度数据获取与处理技术,增强图形技术的表现。

    真实感的画面与逼真动态效果,一种有效的解决途径是采用各种高精度手段获取所需的几何、纹理以及动态信息。为此,研究者正在考虑对各个尺度上的信息进行获取。小到物体表面的微结构、纹理属性和反射属性通过研制特殊装置予以捕获与处理,或采用一组同摄像机来获取演员的几何形体与动态,大到采用激光扫描获取整幢建筑物的三维数据。这里主要研究的三个问题是:(a)图形获取设备的设计与实现,这是与计算机视觉、硬件、软件相关的系统工程研究问题;(b)由于一般获取的数据均极为庞大且附加了各种噪声与冗余信息,如何进行处理与压缩以适合于图形学应用是主要问题;(c)一旦获取相关的数据,如何进行重用是一个主要课题,因此使得基于数据驱动的方法,与机器学习相交叉的图形学方法是最近的研究热点。

    5、计算机图形学与图像视频处理技术的结合。

    数字相机和摄像机的日益普及,对于数字图像与视频数据处理成为了计算机研究中的热点问题。而计算机图形学技术,恰可以与这些图像处理,视觉方法相交叉融合,来直接地生成风格化的画面,实现基于图像三维建模,以及直接基于视频和图像数据来生成动画序列。当计算机图形学正向地图像生成方法和计算机视觉中逆向地从图像中恢复各种信息方法相结合,可以带来无可限量的想象空间,构造出很多视觉特效来,最终用于增强现实、数字地图、虚拟博物馆展示等多种应用中去。

    6、从追求绝对的真实感向追求与强调图形的表意性转变。

    计算机图形学在追求真实感方向的研究发展已进入一个发展的平台期,基本上各种真实感特效在不计较计算代价的前提下均能较好得以重现。然而,人们创造和生成图片的终极目的不仅仅是展现真实的世界,更重要的是表达所需要传达的信息。例如,在一个所需要描绘的场景中每个对象和元素都有其相关需要传达的信息,可根据重要度不同可采用不同的绘制策略来进行分层渲染再加以融合,最终合成具有一定表意性的图像。为此,研究者已经开始研究如何与图像处理、人工智能、心理认知等领域相结合,探索合适表意性图形生成方法。而这一技术趋势的兴起,实际上延续了已有的非真实感绘制研究中的若干进展,必将在未来有更多的发展。

    领域专家/CG[计算机图形学] 编辑

    Jacques Bertin
    Stuart Card
    Thomas A. DeFanti
    迈克尔·弗兰德利
    Nigel Holmes
    Alan MacEachren
    Jock D. Mackinlay
    Michael Maltz
    Bruce H. McCormick
    Charles Joseph Minard
    Otto Neurath
    William Playfair
    Clifford A. Pickover
    Arthur H. Robinson
    Lawrence J. Rosenblum
    Adolphe Quetelet
    George G. Robertson
    Ben Shneiderman
    Edward Tufte

    相关教材/CG[计算机图形学] 编辑

    《计算机图形学》

    本书是国外高校采用率很高的计算机图形学教材,共分为26章,全面系统地讲解了计算机图形学的基本概念和相关技术。书中先介绍图形学相关的数学知识,然后依次讲解图形学的光栅算法、三维观察、隐藏面消除、光照、纹理、绘制等算法和理论,并介绍可视感知、计算机动画、基于图像的绘制、可视化以及构建交互式图形应用等。本书可作为信息技术等相关专业本科生、研究生计算机图形学课程的教材,也可以作为计算机图形学工作者的参考用书。

    计算机图形学(第三版)

    SBN号:978-7-5609-5498-1
    作者:常明
    单价:32.80元
    出版日期:2009-9-1
    出版社:华中科技大学出版社

    本书为普通高等教育“十一五”国家级规划教材,主要介绍了计算机图形学的基本概念、原理和算法,是作者根据长期从事计算机图形学教学、科研取得的成果,并参考国内外出版的相关教材编写而成的。 全书分为两个部分:第一部分为二维图形学,分为7章,包括计算机图形学概述、VC++图形程序设计、基本图形生成算法、图形变换的矩阵方法、图形处理算法、图形交互技术初步及图形数据结构等内容;第二部分是三维图形学的基本内容,分为4章,包括OpenGL简介、三维几何造型初步、三维图形显示与消隐算法及真实感图形与可视化技术基础等内容。本书基本涵盖了计算机图形学的主要内容,每章还附有习题,便于教学和自学。

    人民邮电出版社图书

    书名:计算机图形学(21世纪高等院校规划教材)
    ISBN:750842898
    作者:银红霞//杜四春//蔡立军
    出版社:中国水利水电出版社
    定价:26
    页数:260
    出版日期:2005-5-1

    本书详细雨介绍了计算机图形学的基本原理、理论、数学方法、算法及计算机图形系统。内容包括计算机图形系统、计算机图形学的基本算法、裁剪与变换、自由曲线和曲面、几何造型、隐藏线和面的消除、真实感图形显示等。书后有3个附录,内容包括图形变换的数学基础、三套模拟试题及参考答案、课程实验指导和课程实验参考解决方案。

    水利水电出版社图书

    书名:计算机图形学(21世纪高等院校规划教材)
    ISBN:750842898
    作者:银红霞//杜四春//蔡立军
    出版社:中国水利水电出版社
    定价:26
    页数:260
    出版日期:2005-5-1

    本书详细雨介绍了计算机图形学的基本原理、理论、数学方法、算法及计算机图形系统。内容包括计算机图形系统、计算机图形学的基本算法、裁剪与变换、自由曲线和曲面、几何造型、隐藏线和面的消除、真实感图形显示等。书后有3个附录,内容包括图形变换的数学基础、三套模拟试题及参考答案、课程实验指导和课程实验参考解决方案。

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