[计算机图形学] 计算机图形学研究动态

萧闫子

计算机动画

计算机动画是指用计算机自动或半自动生成一系列的景物（帧）画面，其中当前帧画面是对前一帧画面的部分修改，通过以足够快的速度显示这些帧以产生动态的效果。一般来说，动画的播放速度要求在15帧/秒以上，电影界的标准是24帧/秒。
    计算机动画始于20世纪70年代，最初只是作为动画设计师的辅助工具。在传统动画的制作过程中，需要动画设计师根据动画剧本设计出关键画面（关键帧），再由其助手根据关键帧逐帧画出中间画面（中间帧），工作量非常巨大。引入计算机技术后，动画设计师可以利用计算机设计角色造型和景物造型，确定关键帧，然后由计算机根据一定的规则逐帧生成各中间帧，这就大大地简化了动画的制作过程。这种由动画设计师绘制出关键帧，由计算机通过插值方式生成中间帧的方式通常称为关键帧动画。相应的另一种动画形式为逐帧动画。逐帧动画将动画中的每一帧都绘制出来。一般来说，计算机动画大多采用关键帧动画，而中间帧在计算机自动计算生成后，可以进行细微的调整以获得最佳的动画效果。
    传统的动画是一种胶片动画，一直被固定在二维空间，对于三维情况，如明暗处理和阴影只是偶尔考虑。而计算机动画所生成的是一个虚拟的三维世界，所有的角色和景物都可以以三维的方式被创建，色、光、影、纹理和质感十分逼真，并且采用各种运动学模型，使得物体运动的计算更加准确。依据三维造型方式的不同，可以有刚体动画、变形动画、基于物理的动画、粒子动画、关节动画与行为动画等等。

地理信息系统

地理信息系统（GIS，Geographic Information System）是一种用于采集、模拟、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机信息系统，是社会经济与环境保护协同持续发展中，信息集成和分析的先进工具。目前广泛应用于环境污染治理、灾害评估监测、森林综合考察、地质矿产勘探、自然资源开发、城市科学管理、产业布局规划和持续发展研究等领域。
人机交互

人机交互学（Human-Computer Interface）是一门关于设计、评估和执行交互式计算机系统以及研究由此而发生的相关现象的学科。它是伴随着计算机的出现而出现，伴随着计算机技术发展而发展的。有了计算机，就有了如何进行人机交互的问题，产生了人机交互技术。
    依计算机科学的观点，人机交互技术的关键是交互，尤其是一人或多人与一台计算机或多台计算机之间的交互。传统上关注的主要是个人在工作站上的交互式作图过程，然而，从现代意义上说，“人”不单指个人，而应是人群或是组织。人群和机群之间必然涉及分布式系统并依靠计算机通信网络进行协同工作。

真实感图形显示

真实感图形显示指的是能逼真地表示真实世界的图形。
    图形的真实感显示来自于空间中物体的相对位置、相互遮挡关系以及由于光线的传播产生的明暗过渡的色彩等等。真实感图形的生成包括场景造型、取景变换、视域裁剪、消除隐藏面和可见面光亮度计算等步骤。

虚拟现实

虚拟现实(Virtual-reality)系统是由计算机生成的一个实时三维空间。用户在其间可以“自由”地运动，随意观察周围的景物，并可以通过一些特殊的设备与虚拟物体进行交互操作，使用户产生一种身临其境的感觉。
1. 虚拟现实系统
    （1）沉浸 （Immersion）：全方位投入，使用户产生身临其景的感觉。
    （2）交互（Interaction）：响应用户的各种输入手势、语言命令以及身体动作。
    （3）构想（Imagination）：生动形象地反映设计者的思想。
2. 虚拟现实的关键技术
    （1）能以实时的速度生成有逼真感的景物图形。
    （2）能高精度地跟踪用户的头和手。
    （3）头戴显示器能产生高分辨率图像和较大的视角。
    （4）能对用户的动作产生力反馈。
3.虚拟现实系统的硬件要求
    （1）跟踪系统：高精度地跟踪用户的头和手；
    （2）触觉系统：对用户的动作产生力反馈；
    （3）音频系统：模拟环境的环境音效；
    （4）图像生成与显示系统：以实时的速度生成有逼真感的景物图形；
    （5）高性能计算机处理系统：提供高性能的实时图形处理技术。

科学计算可视化

科学计算可视化（Visualization in Scientific Computing）是发达国家20世纪80年代后期提出并发展起来的一个新的研究领域。1987年2月，美国国家科学基金会在华盛顿召开了有关科学计算机可视化的首次会议，与会者有来自计算机图形学、图像处理以及从事各不同领域科学计算的专家。会议认为“将图形和图像技术应用于科学计算是一个全新的领域”，并指出“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过程中数据的变化，而这些都需要借助于计算机图形学及图像处理技术”。会议将这一涉及到多个学科的领域定名为“Visualization in Scientific Computing”，简称“Scientific Visualization”。经过十余年的发展，科学计算可视化理论和方法的研究已经在国际上蓬勃开展起来并开始走向应用。

并行图形处理

    随着各应用领域中数据量在规模上急剧扩大，计算速度也相应成为计算机图形算法中日益突出的一个矛盾。仅仅依靠计算机本身存储空间的扩大、计算能力的提高，尚不足以满足实时地显示复杂真实图形的要求。为了解决影响图形处理性能的速度问题，将并行处理技术引入计算机图形学领域，利用并行体系结构加速计算过程，成为目前计算机图形学领域的一个非常活跃的研究方向。
    图形处理技术的并行计算大致可以分为几个层次。首先是多计算机的并行图形处理，即利用工作站网络（NOW，Network of Workstation）或工作站集群（Workstation Cluster）的计算机机群进行并行图形计算。第二个层次是在单个工作站或个人计算机上，用两个以上的图形显示子系统（显卡）实现并行计算，采用相应的技术，如nVidia公司的SLI（Scalable Link Interface，可升级连接界面）和ATI公司的CrossFire（交叉火力），实现图形渲染上的并行处理。第三个层次是多GPU/VPU（Graphics/Visual Process unit，图形/视觉处理单元）的并行处理，即在一个显示子系统中有多个图形/视觉处理单元，通过调度算法，实现并行图形处理，这也是目前研究的热点之一。