第一篇：計算機圖形學論文.馬云峰

計算機圖形學發(fā)展與前景論文

姓

名：專業(yè)班級：學

號：教

師：

馬云峰

軟件12K1

121909020116

姜麗梅

計算機圖形學應用與發(fā)展

計算機圖形學是一種使用數(shù)學算法將二維或三維圖形轉化為計算機顯示器的柵格形式的科學。簡單地說，計算機圖形學的主要研究內(nèi)容就是研究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、處理和顯示的相關原理與算法。

計算機圖形學一個主要的目的就是要利用計算機產(chǎn)生令人賞心悅目的真實感圖形。為此，必須建立圖形所描述的場景的幾何表示，再用某種光照模型，計算在假想的光源、紋理、材質(zhì)屬性下的光照明效果。所以計算機圖形學與另一門學科計算機輔助幾何設計有著密切的關系。事實上，圖形學也把可以表示幾何場景的曲線曲面造型技術和實體造型技術作為其主要的研究內(nèi)容。同時，真實感圖形計算的結果是以數(shù)字圖像的方式提供的，計算機圖形學也就和圖像處理有著密切的關系

計算機圖形學的研究內(nèi)容非常廣泛，如圖形硬件、圖形標準、圖形交互技術、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、非真實感繪制，以及科學計算可視化、計算機動畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實等。

計算機圖形學發(fā)展簡史

第一臺圖形顯示器在1950 年 作為美國麻省理工學院(MIT)旋風號—(Whirlwind)計算機的附件誕生了。該顯示器用一個類似示波的陰極射線管(CRT)來顯示一些簡單的圖形。在整個50 年代，只有子管計算機，用機器語言編程，主要應用于科學計算，為這些計算機置的圖形設備僅具有輸出功能。計算機圖形學處于準備和醞釀時期并稱之為 ：“被動式”圖形學。1963 年，伊凡·蘇澤蘭在麻省理工學院發(fā)表了名為 《畫板》的博士論文，它標志著計算機圖形學的正式誕生。此前的計算機主要是符號處理系統(tǒng)，自從有了計算機圖形學，計算機可以部分地表現(xiàn) 人的右腦功能了，計算機圖形學的建立意義重大。從1973年開始,相繼出現(xiàn)了英國劍橋大學CAD小組的Build系統(tǒng)、美國羅徹斯特大學的PADLI系統(tǒng)等實體造型系統(tǒng)。1980年Whitted提出了一個光透視模型——— Whitted 模型,并第一次給出光線跟蹤算法的范例,實現(xiàn)Whitted模型;1984年,美國Cornell大學和日本廣島大學的學者分別將熱輻射工程中的輻射度的方法引入到計算機圖形學中,用輻射度方法成功地模擬了理想漫反射表面間的多重漫反射效果;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。從20世紀80年代中期以來,超大規(guī)模集成電路的發(fā)展,為圖形學的飛速發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎。計算機的運算能力的提高,圖形處理速度的加快,使得圖形學的各個研究方向得到充分發(fā)展,圖形學已廣泛應用于動畫、科學計算可視化、CAD/CAM、影視娛樂等各個領域。

ACM SIGGRAPH會議是計算機圖形學最權威的國際會議,每年在美國召開,參加會議。的人在50000人左右。SIGGRAPH會議很大程度上促進了圖形學的發(fā)展,世界上不會有第二個領域會每年召開如此規(guī)模巨大的專業(yè)會議。SIGGRAPH是大約60年代中期,由Brown大學的教授AndriesvanDam和IBM公司的Sam Matsa發(fā)起的。1974年,在Corlorado大學召開了第一屆SIGGRAPH年會,并取得了巨大的成功,當時有大約600位來自世界各地的專家參加了會議。到了1997年,參加會議的人數(shù)已經(jīng)增加到48700。因為每年只錄取大約50篇論文,在Computer Graphics雜志上發(fā)表,因此論文的學術水平較高,基本上代表了圖形學已經(jīng)的主流方向。

計算機圖形學的應用、在制造業(yè)中，CAD技術已在制造業(yè)中廣泛應用，其中以機床、汽車、飛機、船舶、航天器等制造業(yè)應用最為廣泛、深入。眾所周知，一個產(chǎn)品的設計過程要經(jīng)過概念設計、詳細設計、結構分析和優(yōu)化、仿真模擬等幾個主要階段。同時，現(xiàn)代設計技術將并行工程的概念引入到整個設計過程中，在設計階段就對產(chǎn)品整個生命周期進行綜合考慮。當前先進的CAD應用系統(tǒng)已經(jīng)將設計、繪圖、分析、仿真、加工等一系列功能集成于一個系統(tǒng)內(nèi)。現(xiàn)在較常用的軟件有UG II、I-DEAS、CATIA、PRO/E、Euclid等CAD應用系統(tǒng)，這些系統(tǒng)主要運行在圖形工作站平臺上。在PC平臺上運行的CAD應用軟件主要有Cimatron、Solidwork、MDT、SolidEdge等。由于各種因素，目前在二維CAD系統(tǒng)中Autodesk公司的AutoCAD占據(jù)了相當?shù)氖袌觥?/p>

在工程設計中 CAD技術在工程領域中的應用有以下幾個方面：

（1）建筑設計，包括方案設計、三維造型、建筑渲染圖設計、平面布景、建筑構造設計、小區(qū)規(guī)劃、日照分析、室內(nèi)裝潢等各類CAD應用軟件。

（2）結構設計，包括有限元分析、結構平面設計、框/排架結構計算和分析、高層結構分析、地基及基礎設計、鋼結構設計與加工等。

（3）設備設計，包括水、電、暖各種設備及管道設計。

（4）城市規(guī)劃、城市交通設計，如城市道路、高架、輕軌、地鐵等市政工程設計。（5）市政管線設計，如自來水、污水排放、煤氣、電力、暖氣、通信（包括電話、有線電視、數(shù)據(jù)通信等）各類市政管道線路設計。（6）交通工程設計，如公路、橋梁、鐵路、航空、機場、港口、碼頭等。（7）水利工程設計，如大壩、水渠、河海工程等。

（8）其他工程設計和管理，如房地產(chǎn)開發(fā)及物業(yè)管理、工程概預算、施工過程控制與管理、旅游景點設計與布置、智能大廈設計等。

電器和電子電路方面 CAD技術最早曾用于電路原理圖和布線圖的設計工作。目前，CAD技術已擴展到印刷電路板的設計（布線及元器件布局），并在集成電路、大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路的設計制造中大顯身手，并由此大大推動了微電子技術和計算及技術的發(fā)展。

CAD技術除了在上述領域中的應用外，在輕工、紡織、家電、服裝、制鞋、醫(yī)療和醫(yī)藥乃至體育方面都會用到CAD技術。

計算機圖形學的前沿科技應用

3D技術3D計算機圖形研究如何運用計算機和特殊的3D軟件生成3D圖形。3D之于2D就像雕塑之于繪畫，其獨特之處在于采用三維的方式來表示和保存虛擬物體。在CAD 領域中，目前一個重要的 研究領域是基于工程圖紙的三維形體重建。三維形體重建是從二維信息中提取三維信息，通過對這些信息進行分類，綜合等一系列處理，在三維空間中重新構造出二維信息所對應的三維形體，恢復形體的點、線、面及其拓撲關素，從而實現(xiàn)形體的重建。

計算機圖形學的可視化研究

目前科學計算可視化廣泛應用于醫(yī)學、流體力學、有限元分析、氣象分析當中。尤其在醫(yī)學領域，可視化有著廣闊的發(fā)展前途。依靠精密機械做腦部手術已經(jīng)由機械人和醫(yī)學專家配合做遠程手術是目前醫(yī)學上很熱門的課題，而這些技術的實現(xiàn)的基礎則是可視化?？梢暬夹g將醫(yī)用CT掃描的數(shù)據(jù)轉化為三維圖象，并通過一定的技術生成在人體內(nèi)漫游的圖象，使得醫(yī)生能夠看到并準確地判別病人的體內(nèi)的患處，然后通過碰撞檢測一類的技術實現(xiàn)手術效果的反饋，幫助醫(yī)生成功完成手術。從目前的研究狀況來看，這項技術還遠未成熟，離實用還有一定的距離。主要難點在于生成人體內(nèi)漫游圖象的三維體繪制技術還沒有達到實時的程度，而且現(xiàn)在大多的體繪制技術是基于平行投影的，而漫游則需要真實感更強的透視投影技術，然而體繪制的透視投影技術到還沒有很好地解決。另外在漫游當中還要根據(jù)CT圖象區(qū)分出不同的體內(nèi)組織，這項技術叫Segmentation。目前的Segmentation主要是靠人機交互來完成，遠未達到自動實時的地步。

圖像實時繪制與自然景物仿真

在計算機中重現(xiàn)真實世界的場景叫做真實感繪制。真實感繪制的主要任務是模擬真實物體的物理屬性，簡單的說就是物體的形狀、光學性質(zhì)、表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對位置、遮擋關系等等。這其中光照和表面屬性是最難模擬的。為了模擬光照，已有各種各樣的光照模型。從簡單到復雜排列分別是：簡單光照模型、局部光照模型和整體光照模型。從繪制方法上看有模擬光的實際傳播過程的光線跟蹤法，也有模擬能量交換的輻 射度方法。除了建造計算機可實現(xiàn)的逼真物理模型外，真實感繪制還有一個研究重點是研究加速算法，力求能在最短時間內(nèi)繪制出最真實的場景。例如求交算法的加速、光線跟蹤的加速等等，象包圍體樹、自適應八叉樹都是著名的加速算法。實時的真實感繪制已經(jīng)成為當前真實感繪制的研究熱點，而當前真實感圖形實時繪制的兩個熱點問題則是物體網(wǎng)格模型的面片簡化和基于圖象的繪制（IBR Image Based Rendering）。網(wǎng)格模型的面片簡化，就是指對網(wǎng)格面片表示的模型，在一定誤差的精度范圍內(nèi)，刪除點、邊、面，從而簡化所繪制場景的復雜層度，加快圖形繪制速度。IBR完全摒棄傳統(tǒng)的先建模，然后確定光源的繪制的方法。它直接從一系列已知的圖象中生成未知視角的圖象。這種方法省去了建立場景的幾何模型和光照模型的過程，也不用進行如光線跟蹤等極費時的計算。該方法尤其適用于野外極其復雜場景的生成和漫游。另外，真實感繪制已經(jīng)從最初繪制簡單的室內(nèi)場景發(fā)展到現(xiàn)在大量模擬野外自然景物，比如繪制山、水、云、樹、火等等。人們提出了多種方法來繪制這些自然景物，比如繪制火和草的粒子系統(tǒng)（Particle System），基于生理模型的繪制植物的方法，繪制云的細胞自動機方法等。也出現(xiàn)了一些自然景物仿真繪制的綜合平臺，如德國Lintermann 和 Deussen的繪制植物的平臺Xforg，以及清華大學自主開發(fā)的自然景物設計平臺。

計算機動畫

隨著計算機圖形和計算機硬件的不斷發(fā)展，計算機動畫應運而生。事實上動畫也只是生成一幅幅靜態(tài)的圖象，但是每一幅都是對前一幅小部分修改，如何修改便是計算機 動畫的研究內(nèi)容，這樣，當這些連續(xù)播放時，整個場景就動起來。早期的計算機動畫靈感來源于傳統(tǒng)的卡通片，在生成幾幅被稱作“關健幀”，連續(xù)播放時2 個關健幀就被有機的結合起來了。計算機動畫內(nèi)容豐富多彩，生成動畫的方法也 多種多樣，比如基于特征的圖象變形，二維形狀混合，軸變形方法，三維自由形體變形等。近年來人們普遍將注意力轉向基于 物理模型的計算機動畫生成方法。這是一種嶄新的方法，該方法大量運用彈性力學和流體力學的方程進行計算，力求使動畫過程體現(xiàn)出最適合真實世界的運動規(guī)律。然而要真正到達真實運動是很難的，比如人的行走或跑步，要實現(xiàn)很自然的人走路的畫面，計算機方程非常復雜和計算量極大，基于物理模型的計算機 動畫還有許多內(nèi)容需要進一步研究。

計算機藝術

用計算機從事藝術創(chuàng)作，計算機圖形學除了 廣泛用于藝術品的制造，如各種圖案、花紋及傳統(tǒng)的油畫、中國國畫等。還成功的用來制造廣告、動畫片甚至電影，其中有的影片還獲得了奧斯卡獎。這是電影界最高的殊榮。目前國內(nèi)外不少人士正在研制人體模擬系統(tǒng)，這使得在不久的將來把歷史上早已 去世的著名影視明星重新搬上新的影視片成為可能。這是一個傳統(tǒng)的藝術家無法實現(xiàn)也不可想象的。

計算機圖形學的未來

綜觀計算機圖形學的發(fā)展，我們發(fā)現(xiàn)圖形學的 發(fā)展迅速，并且已經(jīng)成為一門獨立的學科，傲站在科學的前端。計算機圖形學的已經(jīng)應用到各個領域。比如計算機輔助設計與制造，自然景物仿真和計算機動畫。在我們的生活到處可見，使我們的生活變的絢麗多彩。還有將可視化用于天氣預報，用于醫(yī)學做一些精密的手術提高了人們的壽命等?？傊嬎銠C圖形學的應用給人類帶來了很多益處，在促進人們物質(zhì)水平提高 的同時，也給我們帶來的精神上的享受。

第二篇：計算機圖形學論文

工欲善其事，必先利其器

——淺析計算機圖形學及其作用 本學期學校開設了計算機圖形學，一開始不知計算機圖形學為何物的我不是很理解為什么要有這門課，但是經(jīng)過一學期的洗禮過后，我對計算機圖形學有了一定的理解。我知道了計算機圖形學(Computer Graphics，簡稱CG)是一種使用數(shù)學算法將二維或三維圖形轉化為計算機顯示器的柵格形式的科學。簡單地說，計算機圖形學的主要研究內(nèi)容就是研究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、處理和顯示的相關原理與算法。圖形通常由點、線、面、體等幾何元素和灰度、色彩、線型、線寬等非幾何屬性組成。從處理技術上來看，圖形主要分為兩類，一類是基于線條信息表示的，如工程圖、等高線地圖、曲面的線框圖等，另一類是明暗圖，也就是通常所說的真實感圖形。計算機圖形學一個主要的目的就是要利用計算機產(chǎn)生令人賞心悅目的真實感圖形。對于我們將來從事景觀設計的人來說，為了使自己的方案獲得更多人的欣賞，必須創(chuàng)建圖形所描述的場景的幾何表示，再用某種光照模型，計算在假想的光源、紋理、材質(zhì)屬性下的光照明效果。所以計算機圖形學與另一門學科計算機輔助幾何設計有著密切的關系。事實上，圖形學也把可以表示幾何場景的曲線曲面造型技術和實體造型技術作為其主要的研究內(nèi)容。同時，真實感圖形計算的結果是以數(shù)字圖象的方式提供的，計算機圖形學也就和圖像處理有著密切的關系。

談到圖形和圖像時，現(xiàn)如今圖形與圖像兩個概念間的區(qū)別越來越模糊，但還是有區(qū)別的：圖像純指計算機內(nèi)以位圖形式存在的灰度信息，而圖形含有幾何屬性，或者說更強調(diào)場景的幾何表示，是由場景的幾何模型和景物的物理屬性共同組成的。

計算機圖形學的研究內(nèi)容非常廣泛，如圖形硬件、圖形標準、圖形交互技術、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、非真實感繪制，以及科學計算可視化、計算機動畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實等。

自1963年，伊凡·蘇澤蘭(Ivan Sutherland)在麻省理工學院發(fā)表了名為《畫板》的博士論文，標志著計算機圖形學的正式誕生起，至今已有四十多年的歷史。此前的計算機主要是符號處理系統(tǒng)，自從有了計算機圖形學，計算機可以部分地表現(xiàn)人的右腦功能了，所以計算機圖形學的建立具有重要的意義。通過課堂上的學習以及網(wǎng)上的介紹，我發(fā)現(xiàn)近年來，計算機圖形學在如下幾方面有了長足的進展：

在智能CAD方面，就目前流行的大多數(shù)CAD軟件來看，主要功能是支持產(chǎn)品的后續(xù)階段一一工程圖的繪制和輸出，產(chǎn)品設計功能相對薄弱，利用AutoCAD 最常用的功能還是交互式繪圖，如果要想進行產(chǎn)品設計，最基本的是要其中的AutoLisp語言編寫程序，有時還要用其他高級語言協(xié)助編寫，很不方便。而新一代的智能CAD 系統(tǒng)可以實現(xiàn)從概念設計到結構設計的全過程。

在計算機美術與設計方面，自1952年．美國的Ben·Larose用模擬計算機做了預示著電腦美術的開始得具有歷史性意義的波型圖《電子抽象畫》開始，以微機和工作站為平臺的個人計算機圖形系統(tǒng)逐漸走向成熟，大批商業(yè)性美術設計軟件如雨后春筍般紛紛面市； 以蘋果公司的MAC 機和圖形化系統(tǒng)軟件為代表的桌面創(chuàng)意系統(tǒng)被廣泛接受，CAD成為美術設計領域的重要組成部分。而計算機設計學包括三個方面：即環(huán)境設計(建筑、汽車)、視覺傳達設計(包裝)、產(chǎn)品設計。CAD對藝術的介入，分三個應用層次：(1)計算機圖形作為系統(tǒng)設計手段的一種強化和替代； 效果是這個層次的核心(高精度、高速度、高存儲)。(2)計算機圖形作為新的表現(xiàn)形式和新的形象資源。

(3)計算機圖形作為一種設計方法和觀念。

同時，計算機圖形學、計算機繪畫、計算機音樂、計算機輔助設計、電影技術、電視技術、計算機軟件和硬件技術等眾多學科的最新成果都對計算機動畫技術的研究和發(fā)展起著十分重要的推動作用。計算機動畫的一個重要應用就是制作電影特技 可以說電影特技的發(fā)展和計算機動畫的發(fā)展是相互促進的。比如廣受歡迎的終結者系列中便大量運用了電腦特技，而在影片《阿凡達 》中幾乎成為了電影特效的天下，電影特技的運用豐富了人們的視覺效果，是電影賣座的重要保證。我國的計算機動畫技術起步較晚。1990年的第11屆亞洲運動會上，首次采用了計算機三維動畫技術來制作有關的電視節(jié)目片頭。從那時起，計算機動畫技術在國內(nèi)影視制作方面得到了訊速的發(fā)展，繼而以3D Studio 為代表的三維動畫微機軟什和以Photoshop等為代表的微機二維平面設計軟件的普及，對我國計算機動畫技術的應用起到了推波助讕的作用。計算機動畫的應用領域十分寬廣 除了用來制作影視作品外，在科學研究、視覺模擬、電子游戲、工業(yè)設計、教學訓練、寫真仿真、過程控制、平面繪畫、建筑設計等許多方面都有重要應用。

科學計算的可視化是發(fā)達國家八十年代后期提出并發(fā)展起來的一門新興技術，它將科學計算過程中及計算結果的數(shù)據(jù)轉換為幾何圖形及圖象信息在屏幕上顯示出來并進行交互處理，成為發(fā)現(xiàn)和理解科學計算過程中各種現(xiàn)象的有力工具。它涉及到下列相互獨立的幾個領域：計算機圖形學、圖象處理、計算機視覺、計算機輔助設計及交互技術等?？茖W計算可視按其實現(xiàn)的功能來分，可以分為三個檔次：(1)結果數(shù)據(jù)的后處理；(2)結果數(shù)據(jù)的實時跟蹤處理及顯示；(3)結果數(shù)據(jù)的實時顯示及交互處理。

“虛擬現(xiàn)實”(Virtual Reality)一詞是由美國噴氣推動實驗室(VPL)的創(chuàng)始人拉尼爾(Baron Lanier)首先提出的 在克魯格(Algren Krueger)70年

代中早期實驗里．被稱為 人工現(xiàn)實”(Artificial reality)；而在吉布森(William Gibson)l984 年出版的科幻小說Necromancer里，又被稱為“可控空間”(Cyberspace)。虛擬現(xiàn)實是美國國家航空和航天局及軍事部門為模擬而開發(fā)的一門高新技術 它利用計算機圖形產(chǎn)生器，位置跟蹤器，多功能傳感器和控制器等有效地模擬實際場景和情形，從而能夠使觀察者產(chǎn)生一種真實的身臨其境的感覺。虛擬環(huán)境由硬件和軟件組成，硬件部分主要包括：傳感器(Sensors)、印象器(Effecter)和連接侍感器與印象器產(chǎn)生模擬物理環(huán)境的特殊硬件。利用虛擬現(xiàn)實技術產(chǎn)生虛擬現(xiàn)實環(huán)境的軟件需完成以下三個功能：建立作用器(Actors)以及物體的外形和動力學模型：建立物體之間以及周圍環(huán)境之間接照牛頓運動定律所決定的相互作用；描述周圍環(huán)境的內(nèi)容特性。

在工程設計方面，計算機圖形學的作用主要表現(xiàn)在（1）建筑設計，包括方案設計、三維造型、建筑渲染圖設計、平面布景、建筑

構造設計、小區(qū)規(guī)劃、日照分析、室內(nèi)裝潢等各類CAD應用軟件。

（2）結構設計，包括有限元分析、結構平面設計、框/排架結構計算和分析、高層結構分析、地基及基礎設計、鋼結構設計與加工等。

（3）設備設計，包括水、電、暖各種設備及管道設計。

（4）城市規(guī)劃、城市交通設計，如城市道路、高架、輕軌、地鐵等市政工程設

計。

（5）市政管線設計，如自來水、污水排放、煤氣、電力、暖氣、通信（包括電

話、有線電視、數(shù)據(jù)通信等）各類市政管道線路設計。

（6）交通工程設計，如公路、橋梁、鐵路、航空、機場、港口、碼頭等。

（7）水利工程設計，如大壩、水渠、河海工程等。

（8）其他工程設計和管理，如房地產(chǎn)開發(fā)及物業(yè)管理、工程概預算、施工過程

控制與管理、旅游景點設計與布置、智能大廈設計等。

那么如何學好計算機圖形學呢？ 除了計算機圖形學的基礎知識以外，我們還需要相關知識，懂得越多，才能學的越好。

英語，如果要學好計算機圖形學的話，我認為需要閱讀大量的英文書籍和資料，畢竟國外相關研究更加深入，好的英文功底有助于緊跟國際潮流。

數(shù)學，計算機圖形學里面經(jīng)常會遇到數(shù)學方面的知識，比如高等數(shù)學中的數(shù)值分析，微分幾何，拓撲，差值概論以及微分方程等。

物理，如果要進行基于物理的建模，一些物理理論是要學習的。如力學，光學，有限元??

編程語言，C語言或C++是計算機圖形學中通用的語言。

數(shù)據(jù)結構，當需要用數(shù)據(jù)結構來描述圖形形象時，除了通用的鏈表、樹等數(shù)據(jù)結構外，圖形學還有自己特殊的數(shù)據(jù)結構。

所以說，一門學科可能會和許多學科發(fā)生穿插，不能希望只通過一本教科書就能學好一門學科，一定要在掌握教科書內(nèi)容的基礎上與其他學科融會貫通才能獲得更大的收獲。這就是我學習計算機圖形學的心得，可能不夠成熟，希望在以后的進一步學習中獲得更多的經(jīng)驗，為自己未來的職業(yè)生涯打下堅實的基礎。

第三篇：計算機圖形學結課論文

計算機圖形學結課論文

——計算機圖形學在虛擬現(xiàn)實領域的應用

姓 名：班 級：學 號：系 部：環(huán)境與市政工程系

xxxx

xx給水排水工程x班 xxxxx 前言摘要：隨著計算機圖形學的不斷發(fā)展和進步，他的應用領域也越來越廣泛和深入，本文先介紹什么是虛擬世界，再將其在虛擬世界領域的應用作全面的介紹和舉例。時代在進步，科學在發(fā)展，若你還不知道計算機圖形學在虛擬世界的應用價值，那么請認真閱讀此文，本文將讓你走進科學的暴風。

正文：

虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）是一項崛起于二十世紀八十年代末九十年代初的高新技術、實用技術。它是利用計算機軟硬件以及各種傳感器構成三維信息的人工環(huán)境——虛擬環(huán)境，從而真實地模擬現(xiàn)實世界中可以實現(xiàn)的（甚至是不可實現(xiàn)的）物理上的、功能上的事物和環(huán)境。

作為一項綜合技術，虛擬現(xiàn)實技術主要涉及到計算機技術、傳感器技術和人工智能等領域。如前所述，虛擬現(xiàn)實的主要目的在于提供虛擬環(huán)境，并在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)用戶和環(huán)境的互動，從這個角度上說，虛擬現(xiàn)實主要有三個方面的含義：首先借助虛擬現(xiàn)實技術生成虛擬實體，虛擬實體主要是針對用戶的生理感覺（視、聽、觸、嗅等）而言；其次，用戶可以通過人的生理的自然技能同這個環(huán)境交互，人的生理的自然技能主要是頭部、眼球的轉動，身體四肢、軀干的運動等人體力學運動；最后虛擬現(xiàn)實技術主要利用傳感器完成人和虛擬環(huán)境的交 互。

我們可以說，虛擬現(xiàn)實的基礎是對環(huán)境的虛擬，而對環(huán)境的虛擬又主要基于計算機圖形學運用。近年來計算機圖形學的發(fā)展對虛擬現(xiàn)實技術極大的推動作用，也說明了計算機圖形學在虛擬現(xiàn)實技術領域中的主要領導地位。

它主要具備四個重要特征：

一、多感知性：即虛擬現(xiàn)實能多維感知，不僅包括視覺，還包括聽覺，觸覺和嗅覺等；

二、存在感：即臨場感，指用戶感到存在于虛擬環(huán)境中的真實度；

三、四、交互性：指用戶和環(huán)境的雙向交流；

自主性：指虛擬環(huán)境中物體根據(jù)物理定律運動的程度。

虛擬現(xiàn)實的技術因素主要包括圖形圖像的處理、語音處理與音響、模式識別、人工智能、智能借口、傳感器、實時分布系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫技術等。典型的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本組成主要包括：

一、效果產(chǎn)生器：完成人與虛擬環(huán)境交互的硬件接口裝置；

二、實景仿真器：系統(tǒng)的核心部分，由計算機軟件系統(tǒng)、軟件開發(fā)工具等組成；

三、應用系統(tǒng)：面向具體問題的軟件部分，描述仿真的具體內(nèi)容；

四、集合構造系統(tǒng)：提供描述仿真對象的物理特性的信息。

在這幾個基本組成中，計算機圖形學理論作為基礎理論無疑都發(fā)揮著巨大的作用。

在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，為了使人和計算機能夠融洽的交互，讓人 沉浸到虛擬環(huán)境中去，必須配備相應的硬件設備。

首先是跟蹤系統(tǒng)，它的主要任務是實時檢測出虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的人體各部位的空間坐標和指向，并將這些數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)，生產(chǎn)隨視線變化的圖像。跟蹤系統(tǒng)主要包括：電磁跟蹤系統(tǒng)、聲學跟學跟蹤系統(tǒng)和光蹤系統(tǒng)。

其次是觸覺系統(tǒng)，在用戶與虛擬環(huán)境產(chǎn)生接觸的環(huán)節(jié)，觸覺系統(tǒng)產(chǎn)生沉浸效果，使用戶可以感覺到虛擬物體的反作用力。

第三是音頻系統(tǒng)，由語音與音響合成設備、識別設備和聲源定位設備構成，通過聽覺通道提供的輔助信息可以加強擁護對環(huán)境的感知。

再有就是圖像生成和顯示系統(tǒng)，它的主要作用是：計算生成真實感的圖形；計算生成或取得有真實感的背景圖像；將圖形和背景統(tǒng)一安排在同一坐標系中。圖像生成和顯示系統(tǒng)是虛擬環(huán)境系統(tǒng)的重要組成部分，也凸顯出計算機圖形學在虛擬現(xiàn)實技術中的重要地位。

最后就是可視化顯示設備，它集上述四種技術于一體，并結合了人類感知的生理特點。

從虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成可以看出，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在本質(zhì)上也是一類仿真系統(tǒng)，是一種與計算機圖形學的理論與技術密切相關的仿真系統(tǒng)。一般意義上的仿真是指通過對給定模型進行計算，最后給出一系列的數(shù)據(jù)，這就是數(shù)字仿真；通過計算機圖形學的理論和技術，為數(shù)字仿真過程及結果增加圖形、圖像和動畫表現(xiàn)，使得仿真過程更加直觀，結果更容易理解，并能驗證仿真過程是否正確，這便是可視化仿真。虛擬現(xiàn)實是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)，虛擬世界是全體虛擬環(huán)境或給定仿真對象的全體，而對對象的仿真主要是視覺上的刻畫，這就給計算機圖形學提供了廣闊的應用平臺。建立在計算機圖形學理論和技術之上并通過其他途徑完善的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，與一般交互式仿真系統(tǒng)相比，具有更高的真實性和多維性。

由于計算機圖形學理論的發(fā)展和進步，使得虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)對對象的刻畫更為深刻，從而推動了虛擬現(xiàn)實技術在教育、醫(yī)療、娛樂、科技、工業(yè)制造、建筑和商業(yè)等領域中的廣泛應用。

近年來在城市規(guī)劃，室內(nèi)設計,文物保護，交通模擬，虛擬現(xiàn)實游戲，工業(yè)設計，遠程教育等方面都取得了巨大的發(fā)展，虛擬無限相信，這是不可逆轉的趨勢，并且會運用更加廣泛。1:城市規(guī)劃

在城市規(guī)劃中經(jīng)常會用到VR技術，用VR技術不僅能十分直觀的表現(xiàn)虛擬的城市環(huán)境，而且能很好的模擬各種天氣情況下的城市，而且可以一目了然的了解排水系統(tǒng)，供電系統(tǒng)，道路交通，溝渠湖泊等等。而且能模擬颶風、火災、水災、地震等自然災害的突發(fā)情況。對于政府在城市規(guī)劃的工作中起到了舉足輕重的作用。2:室內(nèi)設計

在室內(nèi)設計應用方面，用VR技術不僅能十分完美的表現(xiàn)室內(nèi)的環(huán)境，而且能在三維的室內(nèi)空間中自由行走。目前業(yè)內(nèi)常用VR技術做室內(nèi)360度全景展示和室內(nèi)漫游，受到一致好評，而且不僅能在室內(nèi)漫游，還能用VR技術做預裝修系統(tǒng)，可以實現(xiàn)即時動態(tài)的對墻壁的顏色進 行更換或貼上不同材質(zhì)的墻紙，還可以更換地面的顏色或貼上不同的木地板、瓷磚等，更能移動家具的擺放位置、更換不同的裝飾物。這一切都在VR虛擬現(xiàn)實技術下將被完美的表現(xiàn)。3:文物保護

VR技術在文物保護方面也是應用相當廣泛的，埃及的金字塔就做過網(wǎng)上的體驗中心，運用了全景虛擬技術和三維虛擬技術，而且IBM目前正在運用VR虛擬現(xiàn)實技術對北京故宮進行整個故宮的數(shù)字虛擬。屆時大家也許可以在網(wǎng)上直接看到數(shù)字三維化的故宮。4:交通

無論是在空中、陸地還是海洋河流的交通規(guī)劃模擬方面，VR虛擬技術都有其得天獨厚的優(yōu)勢，不僅僅能用三維GIS技術將各種交通路線表現(xiàn)得十分到位，更能動態(tài)模擬各種自然災害情況。5:房地產(chǎn)

近幾年在房地產(chǎn)的表現(xiàn)和推廣應用方面，VR虛擬現(xiàn)實技術被得到越來越多的應用，更有逐步取代效果圖和三維動畫之勢。用VR虛擬技術不僅可以十分完美的表現(xiàn)整個小區(qū)的環(huán)境，設施。還能表現(xiàn)不存在但即將建成的綠化帶，噴泉，休息區(qū)，運動場等等。不僅如此，用戶還能在整個小區(qū)中任意漫游、仔細欣賞小區(qū)的每一處風景。大大刺激了瀏覽者的感受。6:游戲

對于游戲的開發(fā)，目前VR技術比較適合開發(fā)：角色扮演類、動作類、冒險解迷類、競速賽車類的游戲，其先進的圖像引擎絲毫不亞于目前 的主流游戲引擎的圖像表現(xiàn)效果，而且整合配套的動力學和AI系統(tǒng)更給游戲的開發(fā)提供了便利。7:軍事

VR技術就是誕生于軍事應用，在軍事應用方面很多，包括：模擬戰(zhàn)場，模擬操作，模擬駕駛，模擬裝配等等。都需要通過VR技術來實現(xiàn)。而且在相關軍事工作匯報中也會有VR技術的支持。8:家電

家電產(chǎn)品的展示、展覽、發(fā)布上。運用VR技術不僅可以完美表現(xiàn)產(chǎn)品的外觀，更能將其功能表現(xiàn)的淋漓盡致。而且家電行業(yè)產(chǎn)品種類繁多、數(shù)量龐大。市場需求量十分大，無論是使用全景虛擬還是視頻虛擬還是三維虛擬技術都能在家電行業(yè)大有作為。9:地理

VR技術在地里應用上，主要是運用三維GIS地理信息系統(tǒng)來表現(xiàn)直觀的三維地形地貌，對于地理工作者提供便利，對于相關工程建設提供可靠的參考數(shù)據(jù)。10:教育

VR技術在教育領域，主要是發(fā)揮其互動性和生動的表現(xiàn)效果，用于立體幾何、物理化學等相關課件的模擬制作。而且在相關專業(yè)的培訓機構，VR虛擬現(xiàn)實技術能夠提供學員更多的輔助，比如虛擬駕駛、各種交通規(guī)則的模擬。特種器械模擬操作、模擬裝備等等。11:工業(yè)

VR技術在工業(yè)應用上，主要運用于工業(yè)園模擬、機床模擬操作、設 備管理、虛擬裝配、工控仿真。由于VR技術本身的特性所以從事以上的相關工作模擬十分方便、快捷而真實準確。12:視頻

VR技術在工視頻應用上，已經(jīng)相當廣泛了，在各大電視臺中均有虛擬演播室，而且有的電視臺還運用了虛擬主持人。這種虛擬技術的運用無論是CCTV還是各個地方衛(wèi)視都有應用。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實環(huán)境

多感知性

三維GIS地理信息系統(tǒng)

虛擬裝配

第四篇：計算機圖形學學習心得

《計算機圖形學》學習報告

? 東西方建筑中的理性

盡管東方“木構”的暫時性文化和西方“石砌”的永久性文化氛圍造成了建筑形式風格的差異，但是它們都兼有理性和感性美。從柱式的英文“order”一詞，到中國古建筑等級制的基數(shù)開間，無不透露著匠人的理性思考；從古埃及繪畫中為了將人的特征最大限度表現(xiàn)而作的頭部側面身體正面的繪畫，到文藝復興達芬奇創(chuàng)造的透視畫法，一步步將人們引向更為理性的世界。

西方古典主義者強調(diào)構圖中的主從關系，突出軸線、講求配稱；倡導理性，主張建筑的真實，反對表現(xiàn)感情和情緒。隨之而來的比例、節(jié)奏、韻律、秩序美，是建筑區(qū)別于雕塑和繪畫兩大藝術的特點。

維特魯威提出的建筑三原則：堅固、適用、美觀，時時刻刻提醒著我們建筑是要被建造起來的，它是我們的“避難所”，需要理性的結構、縝密的分析和思考。時代在進步，建筑理論從勒杜克的結構理性主義發(fā)展到現(xiàn)在的解構主義，再也不是建筑形式適應結構的時代了，而是兩者互為促進。

我們對建筑的理解不再是像路易斯康那樣再去問磚想做什么，等待它做拱卷的回答。我們向大自然學習，卡拉特拉瓦創(chuàng)造了許多帶有理性美的仿生建筑。當我們想進一步拓寬我們的思維時，我們還能向誰求助？計算機圖形學為我們打開了理性思考的一扇窗。

? 計算機圖形學對理性建筑的貢獻

半個多世紀以來，計算機技術得到了飛速的發(fā)展。它的進步不僅僅使世界變得更平，信息交流更便捷，在此平臺上開發(fā)的各種繪圖軟件更是將建筑師從傳統(tǒng)的手工渲染畫圖中解放出來，也解放了結構師的工作量。用了30年的時間，計算機的速度從K（103）到T（1012），而從T到Z（1021），我們只用了10年時間。發(fā)展的速度是越來越快，我們設計方法和速度都得到了革新。這是這樣一個數(shù)字化信息化的時代，才有弗蘭克蓋里建筑的夸張和扎哈哈迪德設計的新奇。

原來我們隨手繪出的自由曲線，現(xiàn)在計算機都能幫我們算出是否有建造的可能，以及建筑性能也能在建造前得到分析。在創(chuàng)意上，計算機也能將我們模糊的概念無限發(fā)展，給它一個規(guī)則，它可能還你一個超乎想象的造型，在理性規(guī)則中生成感性而自由的建筑。

知其然，還應知其所以然，看著電視機的變薄，圖像更加逼真，這變化的一切都建立在計算機圖形學的架構下，了解了基礎原理，才能更高效地做高質(zhì)量的建筑設計。

? 計算機圖形學的理論知識

1.相關概念

計算機圖形學是主要研究通過計算機處理用集合數(shù)據(jù)和數(shù)學模型所描述的圖形的原理、算法和系統(tǒng)。包括圖形的輸入、存儲、運算、轉換、傳送和輸出。數(shù)字化技術是泛指在某特定領域利用包括硬件、軟件在內(nèi)的計算機與電子技術以及數(shù)學或數(shù)字模型等描述的問題進行求解、模擬或分析活動的一切應用技術。

建筑數(shù)字化技術研究應用包括建筑的數(shù)字化設計和反映建筑的數(shù)字化特征在內(nèi)的數(shù)字技術。而建筑數(shù)字化技術的核心幾何學科就是計算機圖形學。2.反映建筑數(shù)字化特征的典型圖形技術

建筑的動態(tài)特征——圖形顯示：如奧地利格拉茨美術館的925盞燈形成的外墻面顯示屏 建筑的互動特征——圖形顯示：如杜瑟赫姆市的隨情感變化而色彩變化的建筑物

建筑的數(shù)字特征——幾何運算：如柏林Max Reinhardt大樓模型及“莫比烏斯環(huán)”變換 建筑的虛實特征——交互式圖形：如法國國立圖書館（實體與網(wǎng)絡圖書館）

設計手段和設計媒體的數(shù)字化特征——交互式圖形：如紐約韓國基督教長老會教堂 而建筑性能如聲環(huán)境、熱環(huán)境、光環(huán)境、風環(huán)境模擬的可視化分析中都用到了圖形學。3.虛擬現(xiàn)實技術（VR）

虛擬現(xiàn)實技術是計算機生成的給人多種感官刺激的虛擬世界（環(huán)境），是一種高級的人機交互系統(tǒng)。

虛擬現(xiàn)實技術的三個基本特征：沉浸感、交互性、想象力 它具有多學科的綜合性，正如建筑學是一門綜合的藝術，虛擬現(xiàn)實技術包括圖像處理、圖形學、計算幾何、多傳感器、網(wǎng)絡、多媒體和仿真技術等。

正如課堂上老師放映的《碟中諜4》，逼真的爆炸場景，以及從皮克斯動畫開始的動物毛發(fā)到最近火熱的《少年派》逼真的老虎與人共存畫面，虛擬現(xiàn)實技術的進步影響到了我們生活的方方面面，觸到了我們原來想都不敢想的世界。

而VR技術在建筑行業(yè)中，有以下作用：（1）指導設計：讓建筑師通過瀏覽觀察和了解空間關系，特別是對空間大小、方向、形狀和建筑元素行為的理解。（2）建筑表現(xiàn)與環(huán)境仿真（3）仿真施工：檢查和修改施工細節(jié)、合理性和有效性

4.虛擬現(xiàn)實的基礎與關鍵技術：建模與描繪

基于幾何和圖形學的建模和描繪技術

直接幾何建模

3D掃描建模

投影視圖建模

基于圖像的場景描繪技術（IBR）

圖像投影變形技術 光場重建技術

混合式IBR技術

IBR技術圖形的繪制獨立于場景的復雜性，僅僅與所要生成畫面的分辨率有關。

第五篇：計算機圖形學實驗

實驗三 MFC畫直線

最近自己在學習如何在VC 6.0 開發(fā)環(huán)境下的使用MFC AppWizard（exe）來繪畫一條直線，雖然比較簡單，通過這樣的練習可以幫助你熟悉MFC的開發(fā)環(huán)境以及其中的消息傳遞機制，希望對于像我一樣初入MFC圖形繪制學習的人有幫

助

第一步：構建MFC窗體

打開Visual C++ 6.0編譯器 新建→工程→MFC AppWizard（exe），工程名以DrawLine為例，然后確定。為了方便，在MFC應用程序向導—步驟1當中選擇“單文檔”，其余所有的步驟都為默認值，直接“完成”。這樣一個簡單的MFC窗體就構建好了，自己不妨Compile—Build—BuildExecute一下。

第二步：編輯菜單項

選擇ResourceView視窗展開Menu文件夾，左鍵雙擊IDR_DRAWLITYPE，右邊就會出現(xiàn)菜單圖形編輯界面，為了簡化，我們只在添加幫助→DrawLine功能選擇項。雙擊空白會彈出“菜單項目 屬性”對話框。ID：ID_DRAW_LINE；標明：

DrawLine(&D)，其它的為缺省。

第三步：建立消息命令

如果此時運行該程序，你會發(fā)現(xiàn)幫助—DrawLine的功能選項是灰色的，原因就在于我們還沒有添加該功能的消息命令相應函數(shù)。通過“查看—Message Maps—Project：DrawLine—Class name：CDrawLineView—Object IDs：ID_DRAW_LINE—選定COMMAND—Add Function?”，其它為默認，最后確定完成。現(xiàn)在如果再重新運行該程序的話，會發(fā)現(xiàn)原來的灰色已經(jīng)消除了。

第四步：添加鼠標消息響應

打開ClassView視窗，右鍵選定CDrawLineView，選擇Add Windows Messsage Handler會彈出對話框，完成CDrawLineView類的WM_LBUTTONDOWN、WM_MOUSEMOVE、WM_LBUTTONUP三個Windows消息事件的新建。

第五步：添加響應代碼

首先，在ClassView視窗中雙擊CDrawLineView會定位到“DrawLineView.h : interface of the CDrawLineView class”的文件，添加CDrawLineView類的成員：protected: int m_Drag;POINT m_pPrev;POINT m_pOrigin;三個成員變量。視窗中展開CDrawLineView類，雙擊定位OnLBUTTONDOWN()函數(shù)。在該函數(shù)消息響應

處添加如下代碼：

//建立好繪圖的設備環(huán)境

CClientDC dc(this);OnPrepareDC(&dc);

dc.DPtoLP(&point);

//獲取起始點坐標 m_pPrev=point;m_pOrigin=point;

m_Drag=1;

然后，定位于OnMouseMove()，添加如下代碼（其中關鍵用到了橡皮筋技術）：

//建立好繪圖的設備環(huán)境

CClientDC dc(this);

OnPrepareDC(&dc);dc.DPtoLP(&point);

dc.SetROP2(R2_NOT);//橡皮筋繪圖技術

//判斷是否BUTTONDOWN

if(m_Drag)

{

dc.MoveTo(m_pOrigin);dc.LineTo(m_pPrev);dc.MoveTo(m_pOrigin);dc.LineTo(point);

}

m_pPrev=point;

最后，在OnLBUTTONDOWN()添加代碼： m_Drag=0;

程序運行效果圖

實驗4 實現(xiàn)圓的生成算法

一、實驗目的

1.熟悉CDC圖形程序庫； 2.掌握中點畫圓生成算法； 3.掌握Bresenham畫圓算法。

二、實驗內(nèi)容

利用VisualC++6.0設計一個簡易畫圓繪圖板，驗證圓生成算法。

三、實驗指導

1.生成繪圖應用程序的框架，如下圖所示。具體實現(xiàn)見第二次實驗，過程不再詳細說明。

2.在應用程序中增加菜單

完成相關菜單的設計，具體的效果如下圖所示，并設置好相關菜單消息的映射，具體的實現(xiàn)在前面的實驗中介紹過，再此不在詳細說明。

3.在繪圖函數(shù)中添加代碼

通過以上步驟，得到了與菜單對應的消息映射，就可以在函數(shù)中添加代碼繪制圖形了。（1）利用中點畫圓算法實現(xiàn)圓的生成（算法原理見教材）。void CDraw_CirView::OnMid(){ // TODO: Add your command handler code here CDC*pDC=GetDC();//得到繪圖類指針

RedrawWindow();//重繪窗口

int x,y,x0=200,y0=200,r=100;//圓的圓心為(x0,y0),半徑為r float d;x=0;y=r;d=1.25-r;

pDC->SetPixel(x+x0,y+y0,RGB(255,0,0));pDC->SetPixel(y+x0,x+y0,RGB(255,0,0));pDC->SetPixel(y+x0,-x+y0,RGB(255,0,0));pDC->SetPixel(x+x0,-y+y0,RGB(255,0,0));pDC->SetPixel(-x+x0,-y+y0,RGB(255,0,0));pDC->SetPixel(-y+x0,-x+y0,RGB(255,0,0));pDC->SetPixel(-y+x0,x+y0,RGB(255,0,0));pDC->SetPixel(-x+x0,y+y0,RGB(255,0,0));while(x<=y){

if(d<0)

{

d=d+2*x+3;

x++;

}

else

{

d=d+2*(x-y)+5;

x++;

y--;}

pDC->SetPixel(x+x0,y+y0,RGB(255,0,0));

pDC->SetPixel(y+x0,x+y0,RGB(255,0,0));

pDC->SetPixel(y+x0,-x+y0,RGB(255,0,0));

pDC->SetPixel(x+x0,-y+y0,RGB(255,0,0));

pDC->SetPixel(-x+x0,-y+y0,RGB(255,0,0));

pDC->SetPixel(-y+x0,-x+y0,RGB(255,0,0));

pDC->SetPixel(-y+x0,x+y0,RGB(255,0,0));

pDC->SetPixel(-x+x0,y+y0,RGB(255,0,0));} } 由以上代碼繪出的圖形如下：

（2）利用Bresenham算法生成圓（算法原理見教材）。void CDraw_CirView::OnBre(){ // TODO: Add your command handler code here CDC*pDC=GetDC();//得到繪圖類指針

//RedrawWindow();//重繪窗口

int x,y,x0=200,y0=200,r=50;//圓的圓心為(x0,y0),半徑為r int delta,delta1,delta2,direction;x=0;y=r;delta=2*(1-r);while(y>=0){

pDC->SetPixel(x+x0,y+y0,RGB(0,0,255));

pDC->SetPixel(x+x0,-y+y0,RGB(0,0,255));

pDC->SetPixel(-x+x0,y+y0,RGB(0,0,255));

pDC->SetPixel(-x+x0,-y+y0,RGB(0,0,255));

if(delta<0)

{

delta1=2*(delta+y)-1;

if(delta<=0)direction=1;

else direction=2;

}

else if(delta>0)

{

delta2=2*(delta-x)-1;

if(delta2<=0)direction=2;

else direction=3;

}

else direction=2;

switch(direction)

{

case 1:x++;

delta+=2*x+1;

break;

case 2:x++;y--;

delta+=2*(x-y+1);

break;

case 3:y--;

delta+=(-2*y+1);

break;

} } }

由以上代碼繪出的圖形如下：

（3）以上是本次實驗的基本部分，利用中點畫圓和Bresenham畫圓算法實現(xiàn)的基本圖形的繪制。能不能利用該算法，完成一些復雜圖形的生成，比如利用基本的畫圓算法繪制一個奧運五環(huán)。甚至根據(jù)畫圓算法，實現(xiàn)二次曲線的生成，如橢圓的生成等等。請同學們認真考慮，完成這部分的內(nèi)容，上機調(diào)試。

四、思考

1.如何實現(xiàn)圓心為任意位置的圓的繪制； 2.兩種畫圓算法的比較。