电脑图形学的拓展与展望

广东大学电脑援助设计与图形学国家关键实验室总经理 石教英

  一、前言
   
总结机图形学作为总结机科学与技术学科的三个单独分支已经历了近40年的升高进度。一方面,作为贰个科目,总计机图形学在图纸基础算法、图形软件与图片硬件三方面拿到了高速的进化,成为当代大概拥有科学和工程技术领域用来拉长音讯通晓和传递的技能和工具。另一方面,总结机图形学的硬件和软件自身已迈入变成贰个光辉的家产,一九九八年总产值达500
亿日元,揣测到三千年将完结1000亿欧元。因而,当前举世从事统计机图形学切磋、应用和产业的武装部队极度巨大,这也是为何每年参与SIG-GRAPH年会的人头多达3~4万人的理由。
   
计算机图形学在作者国尽管起步较晚,然则它的发展却十二分火速。小编国的严重性大学都设置了多门总计机图形学的科目,并有一批从事图形学基础和利用切磋的研究所。在江苏大学确立的处理器扶助与图形学国家关键实验室,已成为小编国从事电脑图形学商量的主要军事集散地之一。作者国专家的舆论从80时代前期开头进入国际顶尖的SIGGRAPH和Eurographics等学术会议和重大的学术刊物,标志着作者国在这一领域的讨论水平已接近或局地达到国际进步水平。2018年七月,作者应美利坚联邦合众国SIGGRAPH教育委员会主持人J.Brown教师的特邀,作为中华象征在座了SIG-G RAPH’96大会,并拿走了有个别捐助。

   二 、计算机图形学基础商讨的发展趋向
   
总结机图形学紧即使商量图形(图像)的微机生成,其研讨方向众多。在图片基础商讨方面可归咎为八个根本倾向,即建模(modeling)技术(又称”造型技术”)和制图(rendering)技术。
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建模技术又可分为两大分支,即计算机接济几何规划和自然山水建模。计算机扶助几何安排追求建模的精确度、可信赖性和建模的进度;自然风景建模追求建模的逼真度和过程。
   
总结机图形学中的绘制技术是指依据光栅图形突显技术的”真实感图形”绘制技术,包蕴种种光照模型、明暗(shading)处理和纹理生成等情节。绘制技术追求的是真实感(逼真度)
和制图速度。
   
综合上述两大商量方向的追求目的可以看来,总括机图形学讨论水平的轻重就是突显在”真实感”和”速度”的高低以及双边的组合上,也等于既要逼真地浮现客观世界的对象,又能高效地、平时又称”实时”地绘制它们。举世闻名,”真实感”与”实时性”是一对长远的顶牛,如何缓解这一龃龉是当代电脑图形学工笔者劳苦奋斗的目标。综观SIGGRAPH
’96的大会诗歌报告、专题谈论会内容及产品展览会,分明感觉总结机图形学的主攻方向不再是孤立地追求图形的真实感和制图的实时性,而是把重点转移到哪些把两者结合在同步,即向更高的对象奋进。
展示这一主要转移的钻研方向有以下三地方:
   1.基于图像的建模与绘图技术变为商讨热点
   
“基于图像的建模与绘图技术”是SIGGRAPH’96大会首场杂谈报告会的标题。应用图像处理办法来加快图形学的建模和制图的讨论工作可追溯到早期的纹理映射工作。进入90年间后,这一样子提升高效,可是在SIG-GRAPH会议上,如此强烈地以基于图像的建模和制图作为报告会宗旨仍旧第陆遍。首场报告会上的四篇随想均成为与会者探讨的热门。
    由加州高校Berkeley分校Pabul E.Dalevec等撰写的杂文”Modelingand
Rendering Arch itecture from Photographs:A hybrid Geometry-based and
image-based approach”中,介绍了应用几张已有建筑
的照片,对该建筑举办建模和制图的方法。正如该文副标题所指出的这样,该措施是依据几何和依照图像两种建模方法的混杂方法,包蕴拔取拍录测量学原理提取照片建筑的主题几何模型,利用基于模型的立体视图方法提取建筑立面的底细,利用视点无关的纹路映射方法绘制建筑的各样视图。该办法较其余基于几何或依据图像的建模和制图方法更利于、更准确、更像真正的照片。该办法与基于图像的实时绘制系统相结合,落成实时边走边看(Walkthrough),那是1个诱人的接纳方向。
   
计算机图形学长期切磋的几何样子和物体表面属性仿真技术,能够绘制出活灵活现的图形(图像)。然则,计算机生成的图样与真正世界所创立的复杂的几何形体和分寸的普照效果比较仍有光辉的差别。若是能从实际世界中直接拿到几何音讯和物质属性(如照片),并以此为基础举行绘图,就足以避开造型难题而赢得逼真度更高的图形。那就是所谓基于图像的绘图难题。SIG-GRAPH’96随想集聚有两篇杂谈从不一致的角度探究了依据图像绘制技术的热门—————应用全视函数(plenoptic
function)的绘图技术。
   
全视函数P是针对性某一目的或现象,从空中随意一点(Vx,Vy,Vz)、任意视角(θ,φ)、任一时刻(t),针对某一波长范围(λ)的可知光线的讲述。因而,大家不乏先例所拍的肖像得以视作是全视函数的3个样本。对于静止对象,在一定照明条件下,可忽略参数t和λ,则全视函数P 本质上是一个5维(5D)函数。假若我们已知某一对象的全视函数P,则只要提交某一视点(Vx,
Vy,Vz)和某一视角(θ,φ),将它们代入P,就可以取得2个视图。应用全视函数基于图像绘制的标题可定义为:已知某全视函数的一组离散样本,求该全视函数的连年表示,换句话说,即基于某全视函数的一组样本重构该全视函数。杂谈汇聚的两篇散文
第一回将全视函数由5D降到4 D。

.PC机图形硬件的三维化及高级图形硬件结构与图像处理硬件相结合的趋向
   
图形硬件、图形软件及图片基础算法三者的有机整合和相互影响形成了微机图形学辉煌的今天。历史上,由于图片显示技术的前进,由最初矢量式图形屏幕向光栅图形屏幕的腾飞,曾促进了真实感图形的演进;图形实时绘制的需求,推动了图片专用加速部件及图片专用芯片技术的蓬勃发展。总计机图形硬件历来是国际上重大统计机图形学会议的首要议题之一。U.S.A.的SIGGRAPH和欧洲的Eurographics经常均包罗图片硬件故事集的告诉,后者还同时进行一体系的”统计机图形硬件讨论会”,并变为统计机图形硬件工小编最首要的交流场所。我国在那下边的做事与国际差异较大。
    SIGGRAPH
’96大会专门有一场有关图形硬件系统布局的诗歌报告,共四篇。同时还有两场专题商量会,专门研商图形硬件的前进趋势。一场的核心为”Graphics
PCs 威尔 Put Wor kstation Graphics in the
Smithsonian”,另一场的核心为”Imaging Features in Advanced Graphics
Architectures”。展览会上,高档图形硬件仍以SGI集团独领风流,PC机上各类3D图形加快卡纷纭涌现,整个展览会五彩缤纷,热闹卓绝,总括机图形软硬件产业显示出一片蓬勃生机。同理可得,图形硬件,尤其是PC机上图片硬件的进行已改为芸芸众生关心的重中之重。
    在四篇图形硬件系统布局学术散文中最举世瞩目标是由微软公司JayTorborg和JamesT .Kajiye报告的”Talisman:Commodity Real Time 3D Graphics
for the PC”。
   
微软公司集合了总计机图形学界的一批优良人才,该杂谈的刊登注脚了微软公司将不仅积极加入微机图形软件,而且也将涉足微机图形硬件,尤其是在微机3D图形专用芯片领域,将与广大的转业电脑图形硬件多年的小商店展开竞争。同时,那篇诗歌也表明:微机图形硬件的确已进入3D时期。
   
3D图形要改成PC机不可缺失的一种媒体,首先,成本要低,并满足实时动态质量以及与其他媒体(如声音、录制信号)的二头质量,而不是追求高精度几何样子质量。Talisman
3D图形处理硬件的筹划思想扬弃了古板图形处理流水线的概念,丰裕利用3D图形处理过程的时日连贯性和空中连贯性,同时利用图像处理技术来取代图像综合措施,以高达下落存储器带宽和体积的目标。
列席专题琢磨会”图形PC机将把图形工作站送进博物馆”的三个人学者中,来自微机软硬件厂家的两位专家对此持赞同意见,另两位出自工作站厂家的学者持反对意见。从方今来看,P
C的图纸质量照旧鞭长莫及知足航空、航天、小车等大工业CAD的须要。专题切磋会”高档图形种类布局中的图像特点”的命题拿到了在座学者的均等肯定。从常理上讲,当图形的绘图速度充分高,使所绘制的多边形中仅含多少个像素(如三个)的时候,基于多方面形的3D图形系统就错过了意思(因为插值运算已没有意义)。那时,基于图像的建模和制图就变成自然的挑三拣四。

    从上述介绍中已可眼看感到图形学与图像处理相结合的发展趋向。
   
3.细节的分段表示、层次化绘制以及小波理论在图形学中的应用持续成为热点
   
90年份初提出的图形学的限时计量概念,有力地力促了建模精确度与绘图实时性的注明结合,开辟了根据几何建模的复杂性、细节的道岔表示以及层次化绘制技术等新的研商方向。小波理论在处理器图形学中的应用已变为上述探讨方向的可行工具。在SIGGRAPH
’96大会上,第① 、第③两场杂文报告会的标题分别为”Hierarchical Rendering
Techniques”和” Level of
Detail”,反映了在上述趋势上的最新进展。课”Wavelets in Computer Graphi
cs”中既介绍了小波理论的根基,又介绍了小波理论在图形学中的应用算法,如多分辨率曲线与曲面造型、图像压缩与拍卖等,受到与会者欢迎。感兴趣的读者可进一步参考会议诗歌集和学科教材。我国学者在上述讨论方向上已有自然的行事积累。
    叁 、计算机图形学应用的腾飞趋势
    综观SIGGRAPH ’96大会的种种活动,感受到电脑图形学的利用
界定和深度又有了新的提高。
    1.处理器动画和虚拟现实是日前总括机图形学的使用热点
   
关于电脑动画的舆论报告有两场,即第6场”Animation”和第四场”Storytelling”,共有八篇诗歌,占总体舆论总数的
弱。会议提供的讲座中有五门课程与电脑动画技术有关。包罗以总计机动画”Toy
Story”为例介绍动画制作全经过、动画技术中的进程建模、动画的摄像视频技术以及Open
Inventor工具在情景建模和卡通片程序设计中的应用。大会专题商讨会”Live
Computer
Animation”,探究了在TV广播这一平常多量使用专用录制拍卖硬件的世界里,怎么着使用通用图形工作站,来生成高质量的实时动画以及特技图形效果的独到之处、难题和今后的进步趋向。
   
关于电脑动画的软硬件产品是这次大会产品展览会的中坚。世界名牌的微机动画软硬件商都占有了展览会的交通要道,声像并茂地吸引着观者。三维动作跟踪器(3D-Trackers
)可提供36个点子传感器,同时,实时记录多人的全身动作,并显示在屏幕卡通人物的躯壳动作上。这一实时多点跟踪设备的出版必将大大减轻动画技术中动作设计的工作量和抓实动作的仿真率。
    虚拟现实可行性的舆论共四篇,分别介绍面部手术仿真、增强现实(Augment
Reality)技术及引入力反馈装置技术。这一倾向的课程共有四门,内容覆盖虚拟现实导论、V瑞虎ML(虚拟现实建模语言)导论、大规模几何数据库的交互式边走边看技术以及图形学、动画、多媒体和虚构现实中的人工生命体的建模和动画技术。
   
虚拟现实成为本次会议的主要议题还显示在共有7场专题商量会(Panels)涉及到虚拟现实基础,其中包涵是应用头盔式屏幕(HMD)依然空中沉浸式显示屏(SID,如洞穴式和园顶式)突显硬件、建模软件VXC90ML、V奥迪Q7中体味和振奋方向难点、应用VKuga技术治疗精神病患者,还有介绍美利坚合作国和德意志联邦共和国联网虚拟环境技术,并贯彻全球多用户虚拟环境下共享、合营的一项航天行动。从上述专题讨论会议题简介中得以看出,虚拟现实技术是一项相对年轻、尚未成熟的钻研和应用领域,由此,其基础突显技术什么适应分化VHaval应用的须要难点、新出现的V瑞虎建模语言的准绳及其现在上扬难点,以及VLacrosse所波及的回味科学和精神性方面的标题,尚须要展开深入的商讨。关于VRubicon的运用,除上述专题谈论会中的有关应用外,在这一次SIGGRAPH的一项称作”Digi
tal
Bayou”展览上,体现了多量的V奥德赛在修筑边走边看、历史学图像教学及诊断、航空航天领域的利用实例以及反映V酷威技术特点的局地试行原型系统,包蕴游戏等。
    2.电脑图形学应用的网络化与网络接口的图形化
   
Internet与多媒体技术的很快提升,使人人得以由此电子邮件(E-mail)来交流消息,通过整个世界网(WWW)来询问各个音信,通过CSCW来落成种种远程共享和同盟活动,显示出各项利用的互连网化趋势。后面提到的有关美、德两国宇航员的专题座谈就是一项格外金榜题名的升高的依照网络的V瑞鹰应用工作。会上牵线了美、德两国宇航员分别在美利坚合作国休斯顿航天宗旨和德意志达姆斯塔总结机图形啄磨所,通过远程互联网,在共享虚拟环境(空间飞船和哈勃望远镜)下,共同工作了二十六分钟,完毕了哈勃望远镜太阳能电池电子线路板的转换工作。
    本次大会的另一场专题商讨会”Issues in Networking for
Entertainment,Graphics, and Data”更以一种虚拟探讨会的款型出现。
商讨会主会场设在新奥良会议着力(即SIGGRAP H
’96大会所在地),而参预切磋会的主讲人分别在爱荷华交通学院(麻省布达佩斯市)和派拉蒙电影公司(加州多伦多市),通过全国ATM网双向实时传送高质量图形、录制信号、数据以及语新闻号。
    别的还有两场专题谈论会分别研究”Art on the Web,the Web
asArt”和”韦布ed Spac es:Between Exhibition and
Network”。前一场研讨会商量通过Web(WWW)把歌唱家和观者联系在协同后,对审美观、叙事、旁白和交互等措施应作的改变,还切磋了主意和方法空间的接口、面向Web的艺术品的质量评价等题材。后一场也是商讨艺术创作对Internet的有关须求。
   
随着各项利用的互连网化,自然需求网络接口的图形化,应运而生的是一文山会海运维于Inter
net上的种种语言专业,如HTML、V凯雷德ML和Java等的现身,使网络与图片(多媒体)的关系越来越周到,商讨和使用特别活泼

  3.处理器图形学与办法紧凑关联
   
SIGGRAPH是美利坚合作国计算机学会(ACM)的壹个二级学会,但是它的运动与电脑美术、动画等措施分支的关联越发紧密。SIGGRAPH大会很大片段平移是与电脑美术紧凑有关的,就像是时设立的”艺术文章展”(
Art Shows)、”动画节”(Animation Festival)和”电子剧场”(Elect ronic
Theater)等。大会在出版诗歌集的同时,还出版了面向艺术和交叉学科的”Visual
Pr oceedings”画册、视频盒带、CD-ROM和幻灯片
。因而,SIG-GRAPH不仅是从业电脑科学与技术的钻研人士、工程师和学习者的盛会,同时也是美术家、电影美学家和设计师们的盛会。人们互相相互互换,促进着统计机图形学学科、应用、产业和措施的一起发展.

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