微机图形学的拓以及展望—1996

浙江大学计算机辅助设计与图片学国家主要实验室主任 石教英

  一、前言
   
计算机图形学作为计算机对和技能学科的一个单身分就历了临40年之上进过程。一方面,作为一个课,计算机图形学在图片基础算法、图形软件及图片硬件三者获取了迅速的前进,成为现代几所有科学及工程技术领域用来增进信息了解与传递的艺以及工具。另一方面,计算机图形学的硬件和软件本身就发展变成一个巨大的产业,1996年总产值达到500
亿美元,预计到2000年用达1000亿美元。因此,当前全世界从事计算机图形学研究、应用以及产业之枪杆子很庞大,这为是胡每年参加SIG-GRAPH年会的食指多上3~4万人口之理。
   
计算机图形学在本国则起步于晚,然而她的提高可十分迅速。我国之重点大学都设了大半门户计算机图形学的课程,并发生一样批判从事图形学基础和用研究之研究所。在浙江大学成立的电脑帮忙与图片学国家关键实验室,已改成我国从事电脑图形学研究之重中之重军事基地某。我国专家的舆论从80年代末期起进入国际顶级的SIGGRAPH和Eurographics等学术会议和第一的学术刊物,标志在我国于当时同样天地的研究水平已接近或者有及国际先进程度。去年8月,作者应美国SIGGRAPH教育委员会主席J.Brown教授的特邀,作为中华表示与了SIG-G RAPH’96大会,并获取了有捐助。

   二、计算机图形学基础研究之发展趋向
   
计算机图形学重点是钻图形(图像)的微处理器生成,其研究方向多。在图基础研究方面可概括为简单个主要趋势,即建模(modeling)技术(又如”造型技术”)和制图(rendering)技术。
   
建模技术以可分为两异常分支,即计算机辅助几哪规划以及本风光建模。计算机辅助几何规划追求建模的精确度、可靠性和建模的快;自然山水建模追求建模的逼真度和进度。
   
计算机图形学中的绘图技术是靠因光栅图形显示技术的”真实感图形”绘制技术,包括各种光照模型、明暗(shading)处理和纹理生成等内容。绘制技术追求的是真实感(逼真度)
和制图速度。
   
综合上述两怪研方向的追目标可以望,计算机图形学研究水平的高低就是体现在”真实感”和”速度”的音量与双边的重组上,也就算是既使逼真地体现客观世界的对象,又能快速地、通常以如”实时”地绘制它们。众所周知,”真实感”与”实时性”是如出一辙针对深入的龃龉,如何缓解当时无异于矛盾是现代计算机图形学工作者艰苦奋斗之目标。综观SIGGRAPH
’96底大会论文报告、专题谈论会内容及产品展览会,明显感觉计算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,而是把第一易至什么拿二者结合在一起,即为更胜之靶子阔步前进。
体现当下同重中之重转移的研讨方向来以下三方面:
   1.基被图像的建模与绘图技术成为研究热点
   
“基于图像的建模与绘图技术”是SIGGRAPH’96大会首庙会论文报告会的标题。应用图像处理方式来加速图形学的建模和制图的钻研工作可追溯至首的纹路映射工作。进入90年份后,这同趋势进步高速,然而当SIG-GRAPH会议达成,如此明确地因基于图像的建模和制图作为报告会主题还是率先次。首庙报告会上之季首论文都成为与会者讨论的香。
    由加州大学伯克利分校Pabul E.Dalevec等撰写的论文”Modelingand
Rendering Arch itecture from Photographs:A hybrid Geometry-based and
image-based approach”中,介绍了使用几摆设已来修
的相片,对拖欠盖展开建模和制图的方式。正使该文副标题所指出的那样,该办法是基于几何和因图像两种植建模方法的良莠不齐方法,包括采取拍摄测量法原理提取照片打之基本几哪模型,利用基于模型的立体视图方法提取建筑立面的细节,利用视点无关之纹理映射方法绘制建筑的余视图。该法较其它基于几哪或因图像的建模和制图方法重复有益于、更标准、更如真的相片。该办法与基于图像的实时绘制系统相互结合,实现实时边走边看(Walkthrough),这是一个诱人的应用方向。
   
计算机图形学长期研究的几乎哪里样子与体表面属性仿真技术,能够绘制有逼真的图纸(图像)。然而,计算机生成的图形和实际世界所创办的复杂性的几哪里形体和薄的光照效果比仍有光辉的差别。如果会由实际世界被一直获得几哪信息及物质属性(如像),并盖之吧根基进行绘图,就可以避开造型问题如获得逼真度更强的图形。这就是所谓基于图像的绘图问题。SIG-GRAPH’96论文汇集发零星篇论文从不同的角度研究了依据图像绘制技术之红—————应用全视函数(plenoptic
function)的绘图技术。
   
全视函数P是指向有一样对象或现象,从空中随意一点(Vx,Vy,Vz)、任意视角(θ,φ)、任一时刻(t),针对某平等波长范围(λ)的可见光线的叙述。因此,我们便所拍的相片得以作为是全视函数的一个样书。对于静止对象,在一贯照明条件下,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。如果我们都清楚某同靶的全视函数P,则使吃来某平等视点(Vx,
Vy,Vz)和某个同见识(θ,φ),将她代入P,就足以获得一个视图。应用全视函数基于图像绘制的题材只是定义为:已解某全视函数的一律组离散样本,求该全视函数的总是表示,换句话说,即因某全视函数的平等组样本重构该全视函数。论文汇集之有数篇论文
首不行以全视函数由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、图形软件与图片基础算法三者的有机整合以及相互影响形成了计算机图形学辉煌的今日。历史及,由于图片显示技术的开拓进取,由最初矢量式图形显示器向光栅图形显示器的上进,曾促进了真实感图形的形成;图形实时绘制的需,推动了图专用加速部件与图片专用芯片技术的蓬勃发展。计算机图形硬件历来是国际直达根本计算机图形学会议的重要议题之一。美国之SIGGRAPH和欧洲之Eurographics通常都包括图片硬件论文的告诉,后者还以做系列之”计算机图形硬件研讨会”,并成计算机图形硬件工作者最要的交流场合。我国以就点的工作以及国际差距较生。
    SIGGRAPH
’96大会专门发出同一摆关于图形硬件系统布局的舆论报告,共四篇。同时还有一定量集专题讨论会,专门研究图形硬件的提高势头。一庙的主题也”Graphics
PCs Will Put Wor kstation Graphics in the
Smithsonian”,另一样摆的主题吧”Imaging Features in Advanced Graphics
Architectures”。展览会及,高档图形硬件仍因SGI公司巧,PC机上各种3D图形加速卡纷纷涌现,整个展览会五彩缤纷,热闹非凡,计算机图形软硬件产业显现出同样片蓬勃生机。由此可见,图形硬件,特别是PC机上图片硬件的进行已变为人们关注的最主要。
    在四首图形硬件系统布局学术论文中不过明确之是由于微软公司Jay
Torborg和JamesT .Kajiye报告的”Talisman:Commodity Real Time 3D Graphics
for the PC”。
   
微软公司聚集了微机图形学界的相同批判优秀人才,该论文的发表表明了微软公司拿不仅积极与微机图形软件,而且也将与微机图形硬件,特别是在微机3D图形专用芯片领域,将与成千上万之事电脑图形硬件多年底略商店进行竞争。同时,这篇论文也标志:微机图形硬件的确都进3D时代。
   
3D图形要成为PC机不可缺失的同一栽媒体,首先,成本而没有,并满足实时动态性及和其他媒体(如声音、视频信号)的共性能,而未是追求大精度几哪样子性能。Talisman
3D图形处理硬件的宏图思想抛弃了传统图形处理流水线的定义,充分利用3D图形处理过程的流年连贯性和空间连贯性,同时采用图像处理技术来代表图像综合艺术,以达到降低存储器带富和容量的目的。
到场专题讨论会”图形PC机将把图片工作站送上博物馆”的季员专家中,来自微机软硬件厂家的星星号专家针对这个持支持意见,另两各项来工作站厂家的家拿出反对意见。从眼前来拘禁,P
C的图性能还是鞭长莫及满足航空、航天、汽车等很工业CAD的急需。专题讨论会”高档图形体系布局被之图像特点”的命题得到了在场专家的相同肯定。从常理及说道,当图形的绘图速度足够大,使所绘制的多方面形中仅包含几单像素(如3只)的时光,基于多方面形的3D图形系统就去了意思(因为插值运算已没有意思)。这时,基于图像的建模和制图就成为自然的选项。

    从上述介绍着早就可明白感觉图形学与图像处理相互结合的发展趋向。
   
3.细节的支行表示、层次化绘制和小波理论在图纸学中之运用持续成为热门
   
90年份初提出的图样学的限时算概念,有力地推进了建造模精确度与绘图实时性的验证结合,开辟了依据几哪里建模的扑朔迷离、细节的道岔表示与层次化绘制技术相当新的钻方向。小波理论以处理器图形学着的用已变成上述研究方向的中工具。在SIGGRAPH
’96大会上,第二、第三少于街论文报告会的标题分别吗”Hierarchical Rendering
Techniques”和” Level of
Detail”,反映了当上述趋势及之摩登进展。课”Wavelets in Computer Graphi
cs”中既介绍了略微波理论的功底,又介绍了有点波理论在图学着之运用算法,如多分辨率曲线以及曲面造型、图像压缩与处理等,受到与会者欢迎。感兴趣的读者可更参考会议论文集和学科教材。我国专家在上述研究方向上已发出肯定的行事累。
    三、计算机图形学应用的迈入趋向
    综观SIGGRAPH ’96大会的各项活动,感受及计算机图形学的施用
限与深又起了新的提高。
    1.计算机动画与编造现实是时下电脑图形学的使热点
   
关于电脑动画的舆论报告发生个别集,即第四街”Animation”和第六街”Storytelling”,共有八首论文,占尽舆论总数的
弱。会议提供的讲座中发出五派课程和计算机动画技术有关。包括为电脑动画”Toy
Story”为条例介绍动画制作都经过、动画技术中之历程建模、动画的视频录制技术和Open
Inventor工具在情景建模和动画程序设计中的采用。大会专题讨论会”Live
Computer
Animation”,讨论了在电视广播这同样惯常大量施用专用视频拍卖硬件的园地里,如何使用通用图形工作站,来充分成高质量的实时动画以及特技图形效果的优点、难点和后来之迈入势头。
   
关于电脑动画的软硬件产品是此次大会产品展览会的支柱。世界知名的微机动画软硬件商都占据了展览会的交通要道,声像并茂地吸引着观众。三维动作跟踪器(3D-Trackers
)可提供32独点子传感器,同时,实时记录两个人口的一身动作,并反映于屏幕卡通人物的躯壳动作上。这无异实时多沾跟踪设备的出版必将大大减轻动画技术中动作设计之工作量和增长动作之仿真率。
    虚拟现实可行性的舆论共四首,分别介绍面部手术仿真、增强现实(Augment
Reality)技术与引入力反馈装置技术。这无异于主旋律的教程共有四门,内容覆盖虚拟现实导论、VRML(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与图形学、动画、多媒体和虚构现实中的人为生命体的建模和卡通技术。
   
虚拟现实化本次会议的重要性议题还反映在同步发出7场专题讨论会(Panels)涉及到虚拟现实基础,其中包是用头盔式显示器(HMD)还是空中沉浸式显示器(SID,如洞穴式和园顶式)显示硬件、建模软件VRML、VR中体会和动感方向问题、应用VR技术治疗精神病患者,还有介绍美国暨德国联网虚拟环境技术,并实现世界多用户虚拟环境下共享、合作之均等项航天行动。从上述专题研讨会议写简介中可以看出,虚拟现实技术是同样宗相对年轻、尚未成熟的钻及应用领域,因此,其基础显示技术怎么适应不同VR应用之急需问题、新出现的VR建模语言的法及其未来发展问题,以及VR所涉的认知是及精神性方面的问题,尚需要进行深刻的研讨。关于VR的采取,除上述专题座谈会蒙之有关以他,在此次SIGGRAPH的同样桩称作”Digi
tal
Bayou”展览上,展示了大量的VR在建筑边走边看、医学图像教学与诊断、航空航天领域的行使实例以及反映VR技术特色之一对试验原型系统,包括打等。
    2.计算机图形学应用的网络化和网络接口的图形化
   
Internet与多媒体技术的神速提高,使众人可以经电子邮件(E-mail)来交换信息,通过环球网(WWW)来询问各种信息,通过CSCW来实现各种远程共享与协作活动,显示出个应用的网络化趋势。前面提到的有关美、德两国宇航员的专题谈论就是均等件非常榜首的先进的基于网络的VR应用工作。会上介绍了美、德两皇家宇航员分别于美国休斯顿航天中心和德国达姆斯塔计算机图形研究所,通过远距离网络,在共享虚拟环境(空间飞船和哈勃望远镜)下,共同工作了30分钟,完成了哈勃望远镜太阳能电池电子线路板的更换工作。
    本次大会的旁一样场专题讨论会”Issues in Networking for
Entertainment,Graphics, and Data”更以同样栽虚拟讨论会的形式出现。
议论会主会场设于初奥良会议中心(即SIGGRAP H
’96大会所在地),而到讨论会的主讲人分别于麻省理工学院(麻省波士顿市)和派拉蒙电影企业(加州洛杉矶市),通过全国ATM网双向实时传送高质量图形、视频信号、数据及语音信号。
    另外还有少数集市专题座谈会分别钻”Art on the Web,the Web
asArt”和”Webbed Spac es:Between Exhibition and
Network”。前同集讨论会研讨通过Web(WWW)把艺术家以及观众联系在同步后,对审美观、叙事、旁白跟相等方式应作的更动,还讨论了点子766游戏网官网与办法空间的接口、面向Web的艺术品的成色评价等题材。后一样街也是座谈方式创作对Internet的关于要求。
   
随着各项应用的网络化,自然要求网络接口的图形化,应运而生的是平等多级运行为Inter
net上的各种语言专业,如HTML、VRML和Java等的出现,使网络与图片(多媒体)的沟通进一步细致,研究和以越来越活跃

  3.处理器图形学与方法紧密关系
   
SIGGRAPH是美国计算机学会(ACM)的一个二级学会,但是她的走同电脑美术、动画等艺术分支的涉颇紧紧。SIGGRAPH大会特别可怜有移动是同电脑美术紧密有关的,如同时开设的”艺术作品展”(
Art Shows)、”动画节”(Animation Festival)和”电子剧场”(Elect ronic
Theater)等。大会以出版论文集的又,还出版了面向艺术与交叉学科的”Visual
Pr oceedings”画册、录像盒带、CD-ROM和幻灯片
。因此,SIG-GRAPH不仅是从事电脑对和技术的钻人口、工程师和学习者的盛会,同时为是美术家、电影艺术家与设计师们的盛会。人们相互相互交流,促进在电脑图形学学科、应用、产业和方法的一道发展.

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