计算机图形学开题报告

计算机图形学开题报告
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一、计算机图形学的国际标准化组织（ISO）定义：
计算机图形学(Computer Graphics，简称CG)是研究通过计算机将数据转换为图形，并在专门显示设备上显示原理、方法和技术的学科。

它是建立在传统的图学理论、应用数学和计算机科学基础上的一门边缘学
科。

二、研究内容：
计算机图形学的核心技术是如何建立所处理对象的模型并生成该对象的图形。

计算机图形学的研究内容包括图形硬件、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、非真实感绘制，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实、几何模型构造技术、图形生成技术、动画技术、人机交互及用户的接口技术、图形输出设备与输出技术、图形与图形软件包的研究开发、图形操作与处理方法以及图形信息的存贮、检索与交换技术等等，其所涉及的范围非常广泛。

三、历史：
1950年，美国麻省理工学院（MIT）林肯实验室主持研制的SAGE空中警戒雷达系统，成功地把雷达波形转换成图形在显示器上显示出来。

这个系统可以说是交互式计算机图形系统的雏形，它预示着交互式图形生成技术的诞生。

1962年，美国麻省理工学院的Iven Sutherland发表了题目为“Sketchpad：一个人机通信的图形系统”的博士论文，在论文中他首次使用了“计算机图形学”（Computer Graphics）这个术语，它标志着计算机图形学的正式诞生，从而确立了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的地位。

与此同时，在计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）中，一些相关的科研项目、商品化产品纷纷出现。

但是，由于图形硬件设备非常昂贵，并且基于图形技术的应用相对较少，所以直到80年代初，图形学仍然是一个较小的专业化学科。

随后，由于大规模集成电路技术的快速发展，计算机硬件性能不断提高，体积缩小，价格降低，特别是廉价的图形输入输出设备和大容量存储介质的出现，使得以小型机、微机、图形工作站为基础的图形系统进入市场并成为主流，如IBM－PC、苹果机等微机和Apollo、Sun等工作站。

80年代，计算机图形软件功能开始部分地由硬件实现，尤其是微机的大面积推广，进一步拓宽了图形学的研究和应用，三维计算机图形学的国际标准PHIGS和GKS－3D的颁布，为研制通用的图形系统提供了良好的基础。

此时是计算机图形系统迅速推广应用的年代。

90年代，作为计算机图形系统的一个重要组成部分——图形显示器，随着计算机图形学的确立和发展也经历了从矢量显示器、存储管显示器到光栅显示器的发展过程。

图形输入设备也在发展，出现了：拇指轮、操作杆、跟踪球、光笔、鼠标、触摸屏、数据手套、数字化仪、扫描仪等输入设备。

和图形硬件一样，图形软件也得到很大的发展，各种图形算法、图形标准、图形数据结构等逐渐成熟并投入使用，使计算机图形学成为一门成熟的学科。

四、应用：
1、图形用户界面
2、计算机铺助设计与制造——工业领域
1)CAD/CAM是CG在工业界最广泛、最活跃的应用领域
2)飞机、汽车、船舶、机电、轻工、服装的外形设计
3)集成电路、印刷电路板的设计
4)建筑设计
5)基于工程图纸的三维形体重建
如，在飞机工业中，美国波音飞机公司已用有关的CAD系统实现波音777大型客机的整体设计和模拟，其中包括飞机外型、内部零部件的安装和检验。

使其设计制造成本下降30%以上。

3、计算机动画——商业领域
1)广告设计
2)电脑游戏
3)影视特技
4)卡通动画片
4、影视制作
注：计算机动画技术被广泛用于电影电视中的特技镜头的制作，产生以假乱真而又惊险的特技效果，如模拟大楼被炸、桥梁坍塌等。

如，影片《珍珠港》剧照中由电脑制作出的灾难景象。

5、计算机艺术——艺术领域
1)计算机平面绘画艺术
2)计算机绘画（Computer Painting）
3)计算机平面合成艺术
4)计算机数字图像合成艺术（Computer Image Editing and Montage Art）
5)近期广泛应用于手绘动画和漫画创作
6)广泛应用于影视后期和多媒体创作
注：“计算机艺术是科学与艺术相结合的一门新兴的交叉学科，是计算机应用的一个崭新、富有时代气息的领域。

6、非真实感绘制
7、过程控制
1)石油化工、金属冶炼、电网控制
2)机场、铁路的调度
8、系统环境模拟
1)飞行模拟舱
如，用光栅扫描器产生驾驶员在驾驶舱中预期所能看到的景象，对飞行员进行单飞前的地面训练和飞机格斗训练等。

9、事务和商务数据的图形显示
1)绘制表示经济信息的各类二、三维统计管理图表
2)信息可视化:信息流量，商业统计数据，股市行情
10、地形地貌和自然资源的图形显示
1)地理信息系统（GIS）
2)数字地球，地形数据作为载体，（70％）全球信息化.
3)军事，政府决策，旅游，资源调查
4)地理图、地形图、矿藏分布图、气象气流图、植物分布图
11、科学计算的可视化
如，可应用于气象预报、（CT）医学图象重建、流场、湍流、激波、石油地质勘探、环境保护、核爆炸模拟、计算流体力学、天体物理、分子生物学、有限元分析等许多领域。

12、元分析虚拟手术仿真
如，将医用CT扫描的数据转化为三维图象，并通过一定的技术生成在人体内漫游的图象，使得医生能够看到并准确地判别病人的体内的患处，然后通过碰撞检测一类的技术实现手术效果的反馈，帮助医生成功完成手术。

13、多媒体应用
1)CAI，教学娱乐
2)在计算机控制下，对多种媒体信息进行生成、操作、表现、存储、通信
3)计算机处理的常见媒体：文本、图形、图像、语音、音频、视频、动画
五、发展现状、当前热点：
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。

由于这些领域应用的推动，也给计算机图形学的发展提供了新的发展机遇与挑战。

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。

还有交互式计算机图形学有了引人瞩目的发展，它已经广泛应用于计算机铺助设计、电视广告、动画和仿真、科学计算、事务管理等许多领域并发挥重要作用。

六、发展趋势：
从计算机图形学目前学科发展来看，有以下几个发展趋：第一，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；第二，研究和谐自然的三维模型建模方法；第三，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；第四，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；第五，计算机图形学与图像视频处理技术的结合；第六，从追求绝对的真实感向追求与强调图形的表意性转变。

参考文献。