2024年2月24日发(作者：校从蓉)
计算机图形学论文
计科<1>班 鞠智明 2
1计算机图形学的发展简史
1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院 (MAT)旋风I号(Whirlwind 1)计算机的附件诞生了。该显 示器用1个类似于示波器的阴极射线管(CRT)来显示一 些简单的图形。1958年美国Caleomp公司由联机的数字记 录仪发展成滚筒式绘图仪，GerBer公司把数控机床发展成 为平板式绘图仪。在整个50年代，只有电子管计算机，用 机器语言编程，主要应用于科学计算，为这些计算机配置 的图形设备仅具有输出功能。计算机图形学处于准备和酝 酿时期，并称之为：“被动式”图形学。到50年代末期， MIT的林肯实验室在“旋风”计算机上开发SAGE空中防御 体系，第一次使用了具有指挥和控制功能的CRT显示器， 操作者可以用笔在屏幕上指出被确定的目标。与此同时， 类似的技术在设计和生产过程中也陆续得到了应用，它预 示着交互式计算机图形学的诞生。 1962年，MIT林肯实验室的Ivan E．Sutherland发表了1 ．篇题为“Sketchpad：一个人机交互通信的图形系统”的博 士论文，他在论文中首次使用了计算机图形学“Computel" Gmphics”这个术语，证明了交互计算机图形学是一个可行
的、有用的研究领域，从而确定了计算机图形学作为一个 崭新的科学分支的独立地位。他在论文中所提出的一些基 本概念和技术，如交互技术、分层存储符号的数据结构等 至今还在广为应用。1964年M1T的教授Steven
Coons提出了 被后人称为超限插值的新思想，通过插值4条任意的边界 曲线来构造曲面。同在60年代早期，法国雷诺汽车公司的 工程师Pierre lezier发展了1套被后人称为ezieBr曲线、曲 面的理论，成功地用于几何外形设计，并开发了用于汽车 外形设计的UNISURF系统。Coons方法和Bezier方法是 CAGD最早的开创性工作。值得一提的是，计算机图形学 的最高奖是以Coons的名字命名的，而获得第一届(1983) 和第二届(1985)Steven
A．Coom奖的，恰好是Ivan E．i． erland和Pierre Bezier，这也算是计算机图形学的一段佳话。 20世纪70年代是计算机图形学发展过程中的一个重要 的历史时期。由于光栅显示器的产生，在60年代就已萌芽 的光栅图形学算法，迅速发展起来，区域填充、裁剪、消 隐等基本图形概念及其相应算法纷纷诞生，图形学进入了 第一个兴盛的时期，并开始出现实用的CAD图形系统。又 因为通用与设备无关的图形软件的发展，图形软件功能的 标准化问题被提了出来。1974年，美国国家标准化局 (ANSI)在ACM
SIC,GRAPH的一个“与机器无关的图形技 术”的工作会议上，提出了制定有关标准的基本规则。此 后ACM专门成立了一个图形标准化委员会，开始制定有关 标准。该委员会于1977、1979年先后制定和修改了“核心
图形系统”(Core Gmphics System)。ISO随后又发布了计算 机图形接口CGI(Computer Graphics Interface)、计算机图形 元文件标准CGM(Computer Graphics Metafile)、计算机图形 核心系统GKS(Graphics
Kemel system)、面向程序员的层次交互图形标准PHIGS(Pr唧糊r’s
Hierarchical Interactive Graphics Standard)等。这些标准的制定，为计算
机图形学 的推广、应用、资源信息共享，起了重要作用。 20世纪70年代，计算机图形学另外两个重要进展是真 实感图形学和实体造型技术的产生。1970年Bouknight提出 了第一个光反射模型，1971年Geurand提出“漫反射模型 +插值”的思想，被称为Geurand明暗处理。1975年Phong
提出了著名的简单光照模型——Phong模型。这些可以算是 真实感图形学最早的开创性工作。另外，从1973年开始， 相继出现了英国剑桥大学CAD小组的Build系统、美国罗 彻斯特大学的PADL-1系统等实体造型系统。
1980年Whltted提出了一个光透视模型——whit划模 型，并第一次给出光线跟踪算法的范例，实现WEtted模 型：1984年，美国Comell大学和日本广岛大学的学者分别 将热辐射工程中的辐射度的方法引入到计算机图形学中， 用辐射度方法成功地模拟了理想漫反射表面间的多重漫反 射效果；光线跟踪算法和辐射度算法的提出，标志着真实 感图形的显示算法已逐渐成熟。从20世纪80年代中期以 来，超大规模集成电路的发展，为图形学的飞速发展奠定 了物质基础。计算机的运算能力的提高，图形处理速度的 加快，使得图形学的各个研究方向得到充分发展，图形学 已广泛应用于动画、科学计算可视化、CAD／CAN、影视娱 乐等各个领域。 ACM
SIGGRAPH会议是计算机图形学最权威的国际会 议，每年在美国召开，参加会议的人在50 000人左右。SIGGRAPH 会议很大程度上促进了图形学的发展，世界上不会 有第二个领域会每年召开如此规模巨大的专业会议。SIGGRAPH 是大约60年代中期，由Brown大学的教授Andries van
Dam(Andy)和IBM公司的SamMatsa发起的。全称是 “the Special Interest
Group On Computer Graphics and Interactive Techniques”。1974年，在Colorado大学召开了第一届SIG． GRAPH年会，并取得了巨大的成功，当时有大约600位来 自世界各地的专家参加了会议。到了1997年，参加会议的 人数已经增加到48 700。因为每年只录取大约50篇论文， 在Computer CraphiCS杂志上发表，因此论文的学术水平较 高，基本上代表了图形学已经的主流方向。
二计算机图形学的应用
计算机图形学是一门研究如何利用计算机表示、生成、显示和处理图形的学科。计算机图形学的应用领域十分的广泛，例如有信息的显示（统计图表、数据可视化）、设计（各种CAD）、仿真和动画（计算机艺术，计算机电影，计算机游戏，飞行、驾驶模拟，虚拟现实环境）、用户接口等。 信息的显示，包括各种统计图表，以直观的显示方式展示数据想要表示的内容。 设计，CAD技术在现代工业生产中起着重要的作用，在各个生产行业基本都会用到计算机绘制工具来绘制产品的外形或者产品结构。 计算机电影，实际上就是电影中的特技效果，无论是创造外星人模样的水底怪兽，还是16吨硕大的恐龙，计算机图动画在电影中的应用已经有30来个年头了。经过在20世纪后不断的改进和发展，现在的计算机动画技术终于在好莱坞占据了举足轻重的地位——几乎可以喝电影大明星们平起平坐。 在计算机游戏中，计算机图形学的首要任务就是实现计算机游戏中的虚拟场景，这主要通过在计算机中重现真是世界场景来实现。游戏编程的主要任务就是模拟真实物体的物理属性，即物体的形状、光学性质、表面的纹理和粗糙程度。以及物体间的相对位置、遮挡关系等等。期中，关照和表面属性是最难模拟的。为了模拟光照，已有各种各样的关照模型。从简单到复杂排列分别是：简单光照模型、局部光照模型和整体光照模型。从绘制方法上看有
模拟光的实际传播过程的光线跟踪法，也有模拟能量交换的辐射度方法。除了在计算机中实现逼真物理模型外，计算机游戏中图形学应用的另个研究重点是加速算法，力求能在最短时间内绘制出最真实的场景，提高游戏的流畅度。例如求交算法的加速、光线跟踪的加速等等，像包围体树、自适应八叉树都是著名的加速算法。实时的游戏场景绘制已成为当前游戏开发的研究热点，当前计算机游戏实时绘制的两个热点问题这是物体网络模型的面片简化和基于图像的绘制（IBR）。网络模型的面片简化，就是指对网络面片表示的模型，在一定的误差范围内，删除部分点、边，面，从而简化所绘制场景的复杂程度，加快图形绘制速度。IBR完全摒弃传统的先建模，然后确定光源的绘制方法，它直接从一系列已知的图像中生成未知视角的图像。这种方法省去了建立场景的几何模型和光照模型的过程，也不用进行如光线跟踪等极费时的计算。该方法尤其适用于野外极其复杂场景的生成和漫游。另外，计算机游戏中的场景模拟已经从最初绘制简单的2D室内场景发展到现在3D模拟野外自然景物，比如绘制山、水、云、树、火等等。人们提出了多种方法来绘制自然景物，比如绘制火和草的粒子系统，基于生理模型的绘制植物的方法，绘制云的细胞自动机方法等。计算机游戏中图形显示的另一个重点是计算机动画的实现。事实上计算机动画也只是生成一幅静态的图像，但是每一幅都是对前一幅做一小部分的修改(如何修改便是计算机动画的研究内容)，这样，当这些画面连续播放时，整个场景就动起来了。 虚拟显示环境，用于脑外科规划的双手操作空间接口工具、虚拟环境用于恐高症治疗、虚拟风洞、封闭式战斗作战训练器、虚拟现实技术在建筑设计中应用等等。 用户界面是计算机系统中人与计算机之间相互通讯的重要组成部分。八十年代以WIMP(窗口、图符、菜单、鼠标)为基础的图形用户界面(GUD极大地改善了计算机的可用
三计算机图形学研究前景
1、真实感绘制。研究如何又快又好地绘制和真实世界一样的画面。在以前，现在和将来都是图形学的一个研究重点。
2、非真实感绘制。研究如何像人类艺术家那样绘制不真实的画面。比如水彩画、铅笔画、蜡笔画等等的绘制。
3、真实物理模拟。研究如何模拟物理现象，比如流水，火焰等等。
4、人体运动。研究如何捕捉、编辑和应用人体运动数据，如何模拟人体运动（比如当人被一个外物撞击时的动作反应，再比如一群人的群体运动模拟），如何绘制人体运动。
5、计算机照相术（ComputationalPhotography）。我不是很了解，建议用这个词搜索一下。
6、人机交互。主要研究如何更方便地用计算机来进行三维建模。
7、计算机声音模拟。研究如何用计算机来生成真实的声音，比如两个金属碰撞的声音，复杂环境中经过反射的声音。还有一个相关领域和音乐有关，研究如何根据一段音乐自动生成舞蹈什么的。
8、计算几何。这是一个非常理论而且经典的研究方向，和数学中的几何学非常相关，研究的算法是其它图形学研究方向的基础，比如曲线曲面的表达、绘制和编辑等。按照我的理解（可能有点不准确），数学的几何学用所表达的几何概念都是连续的，而计算几何都是离散的，要把数学的几何学理论应用到图形学算法中，必须要将这些算法离散化，这一步很重要，而且也不简单。最近这个方向的研究的一个热点是
几何图形的查询，比如研究如何google三维模型。
9、图形硬件。研究如何设计对图形学算法进行加速的硬件。
图形学所研究的一部分内容，采用了许多机器学习的方法，比如和人体运动，非真实感绘制相关的研究领域，这和数据挖掘还是有一定的相似性的，所以如果你选择图形学的话，还是能接触许多和数据挖掘类似的算法的。
参看文献：
《浅谈计算机图形学的发展及应用》
《计算机图形学_课程教学改革浅议》
《计算机形学基础教程_VisualC_版_图形学教学新思路》
《计算机图形学的应用及研究》
《计算机图形学的相关技术与发展》
《计算机图形学的发展现状与教学改革》
《计算机图形学的发展状况与应用前景》
《浅谈计算机图形学与图形图像处理技术》
《浅谈计算机图形学的发展历程及应用前景》
《计算机图形学反走样技术及实现》
2024年2月24日发(作者：校从蓉)
计算机图形学论文
计科<1>班 鞠智明 2
1计算机图形学的发展简史
1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院 (MAT)旋风I号(Whirlwind 1)计算机的附件诞生了。该显 示器用1个类似于示波器的阴极射线管(CRT)来显示一 些简单的图形。1958年美国Caleomp公司由联机的数字记 录仪发展成滚筒式绘图仪，GerBer公司把数控机床发展成 为平板式绘图仪。在整个50年代，只有电子管计算机，用 机器语言编程，主要应用于科学计算，为这些计算机配置 的图形设备仅具有输出功能。计算机图形学处于准备和酝 酿时期，并称之为：“被动式”图形学。到50年代末期， MIT的林肯实验室在“旋风”计算机上开发SAGE空中防御 体系，第一次使用了具有指挥和控制功能的CRT显示器， 操作者可以用笔在屏幕上指出被确定的目标。与此同时， 类似的技术在设计和生产过程中也陆续得到了应用，它预 示着交互式计算机图形学的诞生。 1962年，MIT林肯实验室的Ivan E．Sutherland发表了1 ．篇题为“Sketchpad：一个人机交互通信的图形系统”的博 士论文，他在论文中首次使用了计算机图形学“Computel" Gmphics”这个术语，证明了交互计算机图形学是一个可行
的、有用的研究领域，从而确定了计算机图形学作为一个 崭新的科学分支的独立地位。他在论文中所提出的一些基 本概念和技术，如交互技术、分层存储符号的数据结构等 至今还在广为应用。1964年M1T的教授Steven
Coons提出了 被后人称为超限插值的新思想，通过插值4条任意的边界 曲线来构造曲面。同在60年代早期，法国雷诺汽车公司的 工程师Pierre lezier发展了1套被后人称为ezieBr曲线、曲 面的理论，成功地用于几何外形设计，并开发了用于汽车 外形设计的UNISURF系统。Coons方法和Bezier方法是 CAGD最早的开创性工作。值得一提的是，计算机图形学 的最高奖是以Coons的名字命名的，而获得第一届(1983) 和第二届(1985)Steven
A．Coom奖的，恰好是Ivan E．i． erland和Pierre Bezier，这也算是计算机图形学的一段佳话。 20世纪70年代是计算机图形学发展过程中的一个重要 的历史时期。由于光栅显示器的产生，在60年代就已萌芽 的光栅图形学算法，迅速发展起来，区域填充、裁剪、消 隐等基本图形概念及其相应算法纷纷诞生，图形学进入了 第一个兴盛的时期，并开始出现实用的CAD图形系统。又 因为通用与设备无关的图形软件的发展，图形软件功能的 标准化问题被提了出来。1974年，美国国家标准化局 (ANSI)在ACM
SIC,GRAPH的一个“与机器无关的图形技 术”的工作会议上，提出了制定有关标准的基本规则。此 后ACM专门成立了一个图形标准化委员会，开始制定有关 标准。该委员会于1977、1979年先后制定和修改了“核心
图形系统”(Core Gmphics System)。ISO随后又发布了计算 机图形接口CGI(Computer Graphics Interface)、计算机图形 元文件标准CGM(Computer Graphics Metafile)、计算机图形 核心系统GKS(Graphics
Kemel system)、面向程序员的层次交互图形标准PHIGS(Pr唧糊r’s
Hierarchical Interactive Graphics Standard)等。这些标准的制定，为计算
机图形学 的推广、应用、资源信息共享，起了重要作用。 20世纪70年代，计算机图形学另外两个重要进展是真 实感图形学和实体造型技术的产生。1970年Bouknight提出 了第一个光反射模型，1971年Geurand提出“漫反射模型 +插值”的思想，被称为Geurand明暗处理。1975年Phong
提出了著名的简单光照模型——Phong模型。这些可以算是 真实感图形学最早的开创性工作。另外，从1973年开始， 相继出现了英国剑桥大学CAD小组的Build系统、美国罗 彻斯特大学的PADL-1系统等实体造型系统。
1980年Whltted提出了一个光透视模型——whit划模 型，并第一次给出光线跟踪算法的范例，实现WEtted模 型：1984年，美国Comell大学和日本广岛大学的学者分别 将热辐射工程中的辐射度的方法引入到计算机图形学中， 用辐射度方法成功地模拟了理想漫反射表面间的多重漫反 射效果；光线跟踪算法和辐射度算法的提出，标志着真实 感图形的显示算法已逐渐成熟。从20世纪80年代中期以 来，超大规模集成电路的发展，为图形学的飞速发展奠定 了物质基础。计算机的运算能力的提高，图形处理速度的 加快，使得图形学的各个研究方向得到充分发展，图形学 已广泛应用于动画、科学计算可视化、CAD／CAN、影视娱 乐等各个领域。 ACM
SIGGRAPH会议是计算机图形学最权威的国际会 议，每年在美国召开，参加会议的人在50 000人左右。SIGGRAPH 会议很大程度上促进了图形学的发展，世界上不会 有第二个领域会每年召开如此规模巨大的专业会议。SIGGRAPH 是大约60年代中期，由Brown大学的教授Andries van
Dam(Andy)和IBM公司的SamMatsa发起的。全称是 “the Special Interest
Group On Computer Graphics and Interactive Techniques”。1974年，在Colorado大学召开了第一届SIG． GRAPH年会，并取得了巨大的成功，当时有大约600位来 自世界各地的专家参加了会议。到了1997年，参加会议的 人数已经增加到48 700。因为每年只录取大约50篇论文， 在Computer CraphiCS杂志上发表，因此论文的学术水平较 高，基本上代表了图形学已经的主流方向。
二计算机图形学的应用
计算机图形学是一门研究如何利用计算机表示、生成、显示和处理图形的学科。计算机图形学的应用领域十分的广泛，例如有信息的显示（统计图表、数据可视化）、设计（各种CAD）、仿真和动画（计算机艺术，计算机电影，计算机游戏，飞行、驾驶模拟，虚拟现实环境）、用户接口等。 信息的显示，包括各种统计图表，以直观的显示方式展示数据想要表示的内容。 设计，CAD技术在现代工业生产中起着重要的作用，在各个生产行业基本都会用到计算机绘制工具来绘制产品的外形或者产品结构。 计算机电影，实际上就是电影中的特技效果，无论是创造外星人模样的水底怪兽，还是16吨硕大的恐龙，计算机图动画在电影中的应用已经有30来个年头了。经过在20世纪后不断的改进和发展，现在的计算机动画技术终于在好莱坞占据了举足轻重的地位——几乎可以喝电影大明星们平起平坐。 在计算机游戏中，计算机图形学的首要任务就是实现计算机游戏中的虚拟场景，这主要通过在计算机中重现真是世界场景来实现。游戏编程的主要任务就是模拟真实物体的物理属性，即物体的形状、光学性质、表面的纹理和粗糙程度。以及物体间的相对位置、遮挡关系等等。期中，关照和表面属性是最难模拟的。为了模拟光照，已有各种各样的关照模型。从简单到复杂排列分别是：简单光照模型、局部光照模型和整体光照模型。从绘制方法上看有
模拟光的实际传播过程的光线跟踪法，也有模拟能量交换的辐射度方法。除了在计算机中实现逼真物理模型外，计算机游戏中图形学应用的另个研究重点是加速算法，力求能在最短时间内绘制出最真实的场景，提高游戏的流畅度。例如求交算法的加速、光线跟踪的加速等等，像包围体树、自适应八叉树都是著名的加速算法。实时的游戏场景绘制已成为当前游戏开发的研究热点，当前计算机游戏实时绘制的两个热点问题这是物体网络模型的面片简化和基于图像的绘制（IBR）。网络模型的面片简化，就是指对网络面片表示的模型，在一定的误差范围内，删除部分点、边，面，从而简化所绘制场景的复杂程度，加快图形绘制速度。IBR完全摒弃传统的先建模，然后确定光源的绘制方法，它直接从一系列已知的图像中生成未知视角的图像。这种方法省去了建立场景的几何模型和光照模型的过程，也不用进行如光线跟踪等极费时的计算。该方法尤其适用于野外极其复杂场景的生成和漫游。另外，计算机游戏中的场景模拟已经从最初绘制简单的2D室内场景发展到现在3D模拟野外自然景物，比如绘制山、水、云、树、火等等。人们提出了多种方法来绘制自然景物，比如绘制火和草的粒子系统，基于生理模型的绘制植物的方法，绘制云的细胞自动机方法等。计算机游戏中图形显示的另一个重点是计算机动画的实现。事实上计算机动画也只是生成一幅静态的图像，但是每一幅都是对前一幅做一小部分的修改(如何修改便是计算机动画的研究内容)，这样，当这些画面连续播放时，整个场景就动起来了。 虚拟显示环境，用于脑外科规划的双手操作空间接口工具、虚拟环境用于恐高症治疗、虚拟风洞、封闭式战斗作战训练器、虚拟现实技术在建筑设计中应用等等。 用户界面是计算机系统中人与计算机之间相互通讯的重要组成部分。八十年代以WIMP(窗口、图符、菜单、鼠标)为基础的图形用户界面(GUD极大地改善了计算机的可用
三计算机图形学研究前景
1、真实感绘制。研究如何又快又好地绘制和真实世界一样的画面。在以前，现在和将来都是图形学的一个研究重点。
2、非真实感绘制。研究如何像人类艺术家那样绘制不真实的画面。比如水彩画、铅笔画、蜡笔画等等的绘制。
3、真实物理模拟。研究如何模拟物理现象，比如流水，火焰等等。
4、人体运动。研究如何捕捉、编辑和应用人体运动数据，如何模拟人体运动（比如当人被一个外物撞击时的动作反应，再比如一群人的群体运动模拟），如何绘制人体运动。
5、计算机照相术（ComputationalPhotography）。我不是很了解，建议用这个词搜索一下。
6、人机交互。主要研究如何更方便地用计算机来进行三维建模。
7、计算机声音模拟。研究如何用计算机来生成真实的声音，比如两个金属碰撞的声音，复杂环境中经过反射的声音。还有一个相关领域和音乐有关，研究如何根据一段音乐自动生成舞蹈什么的。
8、计算几何。这是一个非常理论而且经典的研究方向，和数学中的几何学非常相关，研究的算法是其它图形学研究方向的基础，比如曲线曲面的表达、绘制和编辑等。按照我的理解（可能有点不准确），数学的几何学用所表达的几何概念都是连续的，而计算几何都是离散的，要把数学的几何学理论应用到图形学算法中，必须要将这些算法离散化，这一步很重要，而且也不简单。最近这个方向的研究的一个热点是
几何图形的查询，比如研究如何google三维模型。
9、图形硬件。研究如何设计对图形学算法进行加速的硬件。
图形学所研究的一部分内容，采用了许多机器学习的方法，比如和人体运动，非真实感绘制相关的研究领域，这和数据挖掘还是有一定的相似性的，所以如果你选择图形学的话，还是能接触许多和数据挖掘类似的算法的。
参看文献：
《浅谈计算机图形学的发展及应用》
《计算机图形学_课程教学改革浅议》
《计算机形学基础教程_VisualC_版_图形学教学新思路》
《计算机图形学的应用及研究》
《计算机图形学的相关技术与发展》
《计算机图形学的发展现状与教学改革》
《计算机图形学的发展状况与应用前景》
《浅谈计算机图形学与图形图像处理技术》
《浅谈计算机图形学的发展历程及应用前景》
《计算机图形学反走样技术及实现》