時間：2023-03-22 17:47:42
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引言
計算機圖形學是一門比較復雜也比較實用的學科，它給人們帶來了一個全新的認識世界的方式?，F(xiàn)如今，以圖形為主要認知方式的“世界圖形時代”已經(jīng)成為數(shù)字化時代的一個重要標志。因為它不需要言語文字或者一些文學的東西來表達思想，只需要借助于視覺感官加上一些自身的體會和想象就能獲得信息，因此它改變了傳統(tǒng)的文化方式，進而成為一種在全球都適用的聯(lián)絡(luò)方式。為了將圖形這種最簡單直接的充滿了信息量的物質(zhì)進研究和描述就產(chǎn)生了計算機圖形學，它屬于計算機學科這的其中一部分，但它自身所具有的魅力并非其他有關(guān)學科都能擁有的。文章嘗試性的將圖形的本質(zhì)進行了概括，對有關(guān)計算機圖形學所涉及到的相關(guān)重要科學問題都有一定的分析，使它具有重要的科學價值，對相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)生一定影響。
1 計算機圖形
計算機圖形學是通過利用圖形這種充滿信息的東西來最直觀的表達了解世界，它所研究的是客觀世界并不存在的帶有形狀和顏色信息的圖形，它一般分為圖形和圖像兩類：圖形類一般展示出來的是方式是矢量圖，通常由景觀的物理性質(zhì)和環(huán)境的幾何模型來表示在計算機中，它對環(huán)境的幾何特征和圖形的各個幾何參數(shù)和屬性參數(shù)都更為看重，因為最基本的圖形單元及其包含的各類信息都會在工程圖紙上有所提到；而圖像類一般展示出來的方式是點陣圖，通常由那些有顏色特征的點組成圖形并在計算機中表示出來。那些最基礎(chǔ)的圖像單元都是通過點的屬性來體現(xiàn)，并由計算機來產(chǎn)生具有不同感覺的圖形等。對一幅圖形進行總體的表述就是圖元的幾何特征和屬性將，其決定一幅圖的本質(zhì)，如果用打印設(shè)備打印出來，就可以對客觀世界進行描述。所以說抽象圖形簡單概括就是屬性加圖元。
2 計算機模型
計算機圖形的第一工作就是需要建模，如果沒有模型，那么圖形就像無源之水一樣，而模型就是由一些基本的集合元素（點、線、線、面等基本幾何）按不同組合方式而成。一般來講，模型主要是針對外部描述，而幾何則注重內(nèi)部特性。因而在計算機圖形學中幾何一詞更能準確的把圖形的各方面本質(zhì)講清楚。
3 計算機圖形繪制
把計算機中不夠具體的模型用一些人們能夠理解、比較直觀的圖形來表達清楚就是計算機圖形學里的一門重要學問，也是一項重要工作。這個工程是要求把機內(nèi)的幾何三維環(huán)境變換成人們能夠直觀了解分析的圖形表達，屬于幾何模型的視覺呈現(xiàn)過程。它把多個學科的知識綜合利用起來，把建立起來的模型的物理特性，幾何形狀，還有各個物體的相對位置及遮擋關(guān)系都在計算機上把它們模擬出來，好比拍攝電視劇一樣，屬于幾何到畫面的再次創(chuàng)造。對這個過程有著很多的修飾詞，比方說圖形合成、圖像可視化、模型繪制等，渲染和顯示有時也會用到。但根據(jù)我國的使用習慣，對這個過程一般習慣把它說成是繪制，一些可見面和光照等的效果，加上某些認為痕跡的消失都可以說是有走樣所導致的。繪制將計算機圖形學真正的魅力向世人展示，它綜合的運用了美學、幾何學、物理學等知識，屬于計算機圖形學科中的專業(yè)部分。
4 計算機圖形學的定義
計算機圖形學大概能夠歸納為以下幾個內(nèi)容：軟件和硬件，視圖變換，圖形變換和三維觀測等基本知識；界面管理、窗口管理，界面設(shè)計等用戶界面；視覺系統(tǒng)，顏色運用，幾何描述等模型定義；矢量技術(shù)，光照模型，圖像操作，圖像儲存等圖像合成；高端軟件，動畫技術(shù)，高級建模等高級技術(shù)。目前，我國對計算機圖形學的認識是，它就是利用計算機來對圖形的原理、計算方法和怎樣生成處理圖形來進行探索研究的。簡單來講計算機圖形學就等于幾何加繪制。物體在計算機中的幾何數(shù)據(jù)屬于一個靜態(tài)的概念，而用人眼的角度來繪制這些數(shù)據(jù)就屬于動態(tài)流程。
5 計算機圖形學的大體框架
計算機圖形學的大體框架有以向量和幾何變換為主的數(shù)學基礎(chǔ)知識；不被計算機圖形學方法構(gòu)造所限制的各種二維、三維空間的幾何模型；幾何的視覺實現(xiàn)過程繪制；還有就是用于圖形通訊的交互式圖形學交互技術(shù)。
6 計算機圖形學中的幾何
（1）有關(guān)模型的建立和計算處理都會用到幾何?，F(xiàn)在計算機圖形學的發(fā)展趨勢是不僅要求能把物體的外觀生成出來，還得有更好的物體建模技術(shù)。因為要把物體的三維幾何特征隨著時間的變化都能描述出來也并非那么輕而易舉，要想把物體最為真實的一面展示出來，所用到的圖形工具也將會變得更為復雜，現(xiàn)在繪制工作已不是那么困難，工作重心已經(jīng)轉(zhuǎn)移到計算機圖形學的幾何建模上去了。（2）導致幾何造型系統(tǒng)不夠穩(wěn)定的主要原因就是幾何奇異，要想解決因為幾何奇異造成的影響，就得將幾何計算的主要點給把握好，重新探索出一套能夠解決問題的、簡單、方便、有效和體系化的理論體系。從計算機圖形學的本質(zhì)著手，解決幾何奇異的一個有效方法就是對幾何引入方向性概念。以此建立一個在方向性概念上的幾何算法和復雜性分析的理論體系，它的主要觀點有：a.把計算機的表現(xiàn)形式進行統(tǒng)一幾何；b.建立輔助幾何屬性來解釋幾何設(shè)置屬性；c.仔細探究復雜性的理論；d.引入“交點特征”的新概念。（3）精確表示的邊界模型中的邊界元素和某些幾何元素是互相對相應的，在目前的一些幾何造型系統(tǒng)中。它們可以形成直線、曲線等各種幾何圖形，使得它們有著非常復雜的求交情況。當一般用到20多種元素時，它的求交函數(shù)將是這些元素的十幾倍。如果在三維領(lǐng)域中，將會有更為復雜的幾何問題。而有些像隱藏面、線的消除和一些用來提升圖形效果的看似繪制的內(nèi)容，其實從根本上來說，依然是幾何計算的問題。幾何計算主要是在時間和光線跟蹤上有一些消耗，加上景色和光線的交點等各個光入射、折射線之間的計算。
7 結(jié)束語
計算機圖形學主要是針對把客觀事物在計算機當中通過建模的方式進行描述和處理，和將在計算機當中建立好的抽象模型用具體的動態(tài)或者靜態(tài)的方式表達出來（俗稱視覺再現(xiàn)）這兩個問題進行探索和研究。圖形在本質(zhì)上屬于線形、結(jié)構(gòu)、顏色等圖形基本元素所組合而成的，因此，圖形的本質(zhì)等于圖元加屬性。而計算機圖形學就等于幾何加繪制。因此在計算機圖形學中，處理幾何奇異問題是幾何計算的重點，而幾何計算又是這個學科的根本，所以需要引入幾何方向性概念才能建立合理的理論體系?？傮w來講，計算機圖形學是由幾何、繪制、交互和數(shù)學基礎(chǔ)等構(gòu)成的。
參考文獻
[1]孫家廣，胡事民.計算機圖形學基礎(chǔ)教程[M].北京：清華大學出版社，2005.
1.1 計算機圖形學概述
我們現(xiàn)代人生活在各種各樣的信息之中，如何應用計算機處理信息，處理圖形成為了一個越來越重要的課題。本論文所要介紹的計算機圖形技術(shù)，是計算機領(lǐng)域的熱門領(lǐng)域之一，它是同電子硬件和計算機的周邊設(shè)備一同發(fā)展而來。隨著人類在航空航天、軍事和通信等領(lǐng)域的突破，計算機圖形學也得到了很快的發(fā)展。
計算機圖形學是一門實用計算機產(chǎn)生、顯示以及處理圖形界面的知識體系。計算機圖形學已經(jīng)變得越來越重要，主要原因是：人們接收和發(fā)出信息，圖形是很好的一種傳遞信息的方式。一個圖形本身，就具有很豐富的信息，人們根據(jù)圖形能夠很自然快速地與外界進行交流。
1.2 計算機圖形學研究熱點
計算機圖形學主要研究以下三個方面的內(nèi)容。第一：隱藏線（面）的消除；第二：基本曲線的裁剪以及繪制；第三：現(xiàn)代圖形學熱點研究的內(nèi)容，主要是虛擬現(xiàn)實技術(shù)、可視化、三維立體的重建等等。
由于在一個圖形應用或圖形軟件中要大量重復調(diào)用這些基礎(chǔ)算法，因此在這方面的任何進步都會對整個圖形系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響。計算機圖形學的基礎(chǔ)算法經(jīng)過人們幾十年的研究，己比較成熟。但每一個進步對解決圖形技術(shù)所面臨的存儲、傳輸、顯示等問題都有很大的幫助。
2. 基礎(chǔ)算法的研究
2.1 多邊形裁剪算法
裁剪是處理圖形一種很基礎(chǔ)的方法，常見的裁剪操作主要有將不同的圖形裁剪拼接形成新的圖形。我們可以看出，裁剪算法在計算機圖形學中是一種十分基礎(chǔ)但是卻又十分重要的操作[1]。
本論文所提到的裁剪方法，主要是針對凸多邊形的。裁剪方法主要可以分為四個方法：中點算法、CS算法、CB算法、梁B算法。
（1）CS算法是Cohen-Sutherland的一種分區(qū)編碼算法[2]。CS算法以前是計算機圖形學中很重要的一種算法。CS算法對線段可以分為以下三種情況：窗內(nèi)、窗外以及其它情況。我們在使用CS算法的時候，需要判斷線段兩端端點的編碼，進而判斷窗口和線段之間的位置關(guān)系，這種算法的缺點是對于判斷所做的工作比其他算法多。端點編碼檢查算法的核心代碼如下：
end point code algorithm
P1 and P2 are the end points of the line
xL，xn，yT，yB are the left， right， top and bottom window coordinates calculate the end point codes
put the codes for each end into 1*4 arrays called P1code and P2code
first end point： P1
if x1 < xL then P1code（4） = 1 else P1code（4） = 0
if x1 > xR then P1code（3） = 1 else P1code（3） = 0
if y1 < yB then P1code（2） = 1 else P1code（2） = 0
if y1 < yT then P1code（1） = 1 else P1code（1） = 0
second end point： P2
if x2 < xL then P1code（4） = 1 else P1code（4） = 0
if x2 > xR then P1code（3） = 1 else P1code（3） = 0
if y2 < yB then P1code（2） = 1 else P1code（2） = 0
if y2 < yT then P1code（1） = 1 else P1code（1） = 0
finish
（2）中點算法是基于硬件實現(xiàn)的。重點算法同樣把窗口和線段的關(guān)系分成三種情況：窗內(nèi)、窗外以及其它情況。對于窗內(nèi)和窗外這兩種情況，中點算法和CS算法的處理方法相同；對于第三種情況，中點算法簡單地將線段分成兩段。中點算法是基于硬件的，所以算法比較簡單，相對于用軟件來實現(xiàn)，更偏重于用硬件來實現(xiàn)。
（3）CB算法能夠裁剪任意一種凸多邊形的窗口。CB算法會將交點簡化成上下兩組，主要判斷的方法是：直線段的方向矢量和窗口邊法矢量的點積是否大于零。CB算法會取上組部分最小的交點以及下組最大的交點，作為可見部分的端點。由于CB算法更適用于一般情況，所以CB算法的運算更加復雜。
（4）梁B算法在四種方法中，運算速度最快。但是在某些特殊情況下，梁B算法也需要進行大量的運算。
四種基礎(chǔ)算法的適用情況，如表2-1所示。
2.2 逐點生成算法
上一小節(jié)主要介紹了圖像的裁剪，本小節(jié)的逐點生成算法主要著重于研究圖形曲線的繪制。由于任何圖像都是根據(jù)圖形而來，而任何圖形都需要繪制，所以圖形曲線的繪制也是一項非?；A(chǔ)性的研究課題。
科學家最開始采用幾何算法作為繪圖算法，這是因為以前的圖形顯示器都是掃描類型的顯示器。目前這種算法已經(jīng)很少采用，但是在工程制圖的繪制過程中，受到各方面的限制，我們往往不得不采取這種方法。這種算法的基本思想就是：步長之間的兩個點，采取直線的方法連接。但是由于步長很小，我們實際看起來就是一條曲線。由于繪制條件以及算法本身的限制，這類算法有著自身的缺點：運算量非常大而且繪制不夠精細。
不同于曲線的幾何算法，像素級生成算法是一種全新的基于計算機的算法，這種算法主要分成兩種。第一種是對參數(shù)方程進行求導，進而計算出小于或等于一個像素迭代步長的距離的點。這類算法的優(yōu)點是能夠適用于大多數(shù)曲線的繪制；這類算法的缺點是計算量很大，而且會造成多余的計算。第二種是根據(jù)曲線的隱式方程，找出曲線走向中下一個像素中最近的點。正是由于采用了這種原理進行曲線繪制，所以曲線的誤差在一個像素范圍內(nèi)。這類算法的優(yōu)點是速度快，因為每一次的步長都是一個像素點的距離；這類算法的缺點是適用范圍狹窄[3]。
3. 結(jié)論
我們現(xiàn)代人生活在各種各樣的信息之中，如何應用計算機處理信息，處理圖形成為了一個越來越重要的課題。本論文主要介紹了計算機圖形學，以及兩種基礎(chǔ)算法：多邊形裁剪算法和逐點生成算法。對于這些基礎(chǔ)算法的研究，對提高計算機圖形系統(tǒng)系能具有重要的意義。
參考文獻
[1]高云 計算機圖形學若干基礎(chǔ)算法的研究[J] 沈陽工業(yè)大學，2002.
主管單位：中國科學技術(shù)協(xié)會
主辦單位：中國計算機學會
出版周期：月刊
出版地址：北京市
語
種：中文
開
本：大16開
國際刊號：1003-9775
國內(nèi)刊號：11-2925/TP
郵發(fā)代號：82-456
發(fā)行范圍：國內(nèi)外統(tǒng)一發(fā)行
創(chuàng)刊時間：1989
期刊收錄：
SA 科學文摘(英)(2009)
CBST 科學技術(shù)文獻速報(日)(2009)
Pж(AJ) 文摘雜志(俄)(2009)
EI 工程索引(美)(2009)
中國科學引文數(shù)據(jù)庫(CSCD―2008)
核心期刊：
中文核心期刊(2008)
中文核心期刊(2004)
中文核心期刊(2000)
中文核心期刊(1996)
期刊榮譽：
第三屆(2005)國家期刊提名獎期刊
聯(lián)系方式
期刊簡介
計算機圖形學(ComputerGraphics，簡稱CG)是一種使用數(shù)學算法將二維或三維圖形轉(zhuǎn)化為計算機顯示器的柵格形式的科學。簡單地說，計算機圖形學的主要研究內(nèi)容就是研究如何在計算機中表示圖形、以及利用計算機進行圖形的計算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法。圖形通常由點、線、面、體等幾何元素和灰度、色彩、線型、線寬等非幾何屬性組成。從處理技術(shù)上來看，圖形主要分為兩類，一類是基于線條信息表示的，如工程圖、等高線地圖、曲面的線框圖等，另一類是明暗圖，也就是通常所說的真實感圖形。經(jīng)過30多年的發(fā)展，計算機圖形學已成為計算機科學中最為活躍的分支之一，并得到廣泛的應用。本文將介紹計算機圖形學的研究內(nèi)容、發(fā)展歷史，應用和圖形學前沿的方向。
1 計算機圖形學的發(fā)展簡史
1950年，第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學院(MIT)旋風號—(Whirlwind)計算機的附件誕生了。該顯示器用一個類似示波的陰極射線管(CRT)來顯示一些簡單的圖形。在整個50年代，只有子管計算機，用機器語言編程，主要應用于科學計算，為這些計算機置的圖形設(shè)備僅具有輸出功能。計算機圖形學處于準備和醞釀時期并稱之為：“被動式”圖形學。1963年，伊凡•蘇澤蘭在麻省理工學院發(fā)表了名為《畫板》的博士論文，它標志著計算機圖形學的正式誕生。此前的計算機主要是符號處理系統(tǒng)，自從有了計算機圖形學，計算機可以部分地表現(xiàn)人的右腦功能了，計算機圖形學的建立意義重大。
2 計算機圖形學的應用
2.1計算機輔助設(shè)計與制造
CAN/CAN是計算機圖形學在工業(yè)界最廣泛，最活躍的應用領(lǐng)域。計算機圖形學被用來進行土建工程，機械結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的設(shè)計，包括設(shè)計飛機、汽車、船舶的外形和發(fā)電廠、化工廠等的布局以及電子線路、電子器件等。有時，著眼于產(chǎn)生工程和產(chǎn)品相應結(jié)構(gòu)的精確圖形，然而更常用的是對所設(shè)計的系統(tǒng)，產(chǎn)品和工程的相關(guān)圖形進行人—機交互設(shè)計和修改，經(jīng)過反復的選代設(shè)計，便可利用結(jié)果數(shù)據(jù)輸出零件表、材料單、加工流程和工藝卡，或者數(shù)據(jù)加工代碼的指令。在電子工業(yè)中，計算機圖形學應用到集成電路、印刷電路板，電子線路和網(wǎng)絡(luò)分析等方面的優(yōu)勢十分明顯。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進行異地異構(gòu)系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計，已成為CAD領(lǐng)域最熱門的課題之一。現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計已不再是一個設(shè)計領(lǐng)域內(nèi)孤立的技術(shù)問題，而是綜合了產(chǎn)品各個相關(guān)領(lǐng)域，相關(guān)過程，相關(guān)技術(shù)資源和相關(guān)組織形式的系統(tǒng)化工程。
CAD領(lǐng)域另一個非常重要的研究領(lǐng)域是基于工程圖紙的三維形體重建。三維形體重建是從二維信息中提取三維信息，通過對這些信息進行分類，綜合等一系列處理，在三維空間中重新構(gòu)造出二維信息所對應的三維形體，恢復形體的點、線、面及其拓撲關(guān)素，從而實現(xiàn)形體的重建。
2.2科學計算可視化
目前科學計算可視化廣泛應用于醫(yī)學，流體力學，有限元分析，氣象分析當中。尤其在醫(yī)學領(lǐng)域，可視化有著廣闊的發(fā)展前途。依靠精密機械做腦部手術(shù)是目前醫(yī)學上很熱門的課題，而這些技術(shù)的實現(xiàn)的基礎(chǔ)則是可視化。當我們做腦部手術(shù)時，可視化技術(shù)技術(shù)將醫(yī)用CT掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成圖象，使得醫(yī)生能夠看到并準確的判別病人的體內(nèi)患處，然后通過碰撞檢測一類的技術(shù)實現(xiàn)手術(shù)效果的反饋，幫助醫(yī)生成功完成手術(shù)。我們利用了可視化技術(shù)。天氣氣象站將大量數(shù)據(jù)，通過可視化技術(shù)轉(zhuǎn)化成形象逼真的圖形后，經(jīng)過仔細的分析就可以清晰的預見幾天后的天氣情況。
2.3圖形實時繪制與自然景物仿真
重現(xiàn)真實世界的場景叫做真實感繪制。真實感繪制主要是模擬真實物體的物理屬性，簡單的說就是物體的形狀，光學性質(zhì)，表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對位置，遮擋關(guān)系等等。在自然景物仿真這項技術(shù)中我們需要過行消除隱藏線及面、明暗效應、顏色模型、紋理、光線跟蹤，輻射度等工作。這其中光照和表面屬性是最難摸擬的。而且還必須處理物體表面的明暗效應，以便用不同的色彩灰度來增加圖形的真實感。自然景物仿真在幾何圖形、廣告影視、指揮控制，科學計算等方面應用范圍很廣。除了建造計算機可實現(xiàn)的逼真物理模型外，真實感繪制還有一個研究重點是研究加速算法，力求能在最短的時間內(nèi)繪制出最真實的場景。
2.4計算機動畫
隨著計算機圖形和計算機硬件的不斷發(fā)展，計算機動畫應運而生。事實上動畫也只是生成一幅幅靜態(tài)的圖象，但是每一幅都是對前一幅小部分修改，如何修改便是計算機動畫的研究內(nèi)容，這樣，當這些連續(xù)播放時，整個場景就動起來。
早期的計算機動畫靈感來源于傳統(tǒng)的卡通片，在生成幾幅被稱作“關(guān)健幀”，連續(xù)播放時2個關(guān)健幀就被有機的結(jié)合起來了。計算機動畫內(nèi)容豐富多彩，生成動畫的方法也多種多樣，比如基于特征的圖象變形，二維形狀混合，軸變形方法，三維自由形體變形等。近年來人們普遍將注意力轉(zhuǎn)向基于物理模型的計算機動畫生成方法。這是一種嶄新的方法，該方法大量運用彈性力學和流體力學的方程進行計算，力求使動畫過程體現(xiàn)出最適合真實世界的運動規(guī)律。然而要真正到達真實運動是很難的，比如人的行走或跑步，要實現(xiàn)很自然的人走路的畫面，計算機方程非常復雜和計算量極大，基于物理模型的計算機動畫還有許多內(nèi)容需要進一步研究。
2.5計算機藝術(shù)
中圖分類號：G642 文獻標識碼：B
計算機圖形學是一門理論與實驗并重的學科。從理論方面看，該學科主要涉及與圖形相關(guān)的概念和算法，和數(shù)
學、物理等相關(guān)學科的關(guān)系緊密，學起來有一定的難度。而實驗是理論教學的深化與補充，是抽象轉(zhuǎn)化為具體的方式，是晦澀難懂的公式變?yōu)榛钌嬅娴倪^程。通過實驗，不僅可以培養(yǎng)學生綜合運用所學知識解決實際問題的能力，而且對于建立學生自信心、培養(yǎng)學生興趣也起至關(guān)重要的作用。學生對該課程是既喜歡又擔心學起來難度太大，如何上好第一次課，改變學生的態(tài)度，如何安排教學內(nèi)容和實驗環(huán)節(jié)，使學生既易于接受又能反映計算機圖形學的基礎(chǔ)知識和最新知識。本文針對這些問題，結(jié)合教學中的實際情況淺談一下自己的看法和體會。
1課程內(nèi)容介紹
在多數(shù)人的印象中，計算機圖形學和其它專業(yè)課相比較，數(shù)學公式太多，難以學習和理解。但是由于它的諸多應用非常具有吸引力，尤其它是大家所感興趣的游戲和動畫的基礎(chǔ)，很多學生又想接觸它。如何加強學生的這個念
頭，第一次課非常關(guān)鍵，它在很大程度上決定了學生是否選學這門課。圖形學的理論雖然抽象，但是所表示的內(nèi)容卻形象，可以以此作為突破口。我們知道被稱為“圖形學之父”的Sutherland博士論文答辯時，將所研究的內(nèi)容制作一部電影，邊放映邊講解，大獲成功。所以我覺得可以從一個動畫短片或游戲片段出發(fā)，將所涉及的圖形學知識融會貫通起來。因為在沒學習圖形學之前，學生很難建立圖形學知識和游戲動畫之間的聯(lián)系。他們只知道圖形學理論很抽象，游戲動畫很容易吸引學生眼球，而且也知道它們之間的關(guān)系很緊密，但具體有什么聯(lián)系卻不是很清楚。我們可以從此出發(fā)，引出圖形學的相關(guān)知識，讓學生在不知不覺中了解圖形學，接受圖形學。這樣輕松建立了相關(guān)知識點與實際應用的聯(lián)系，也解答了學生學有何用的疑問。
現(xiàn)以動畫短片《棋逢敵手》(Geri's Game)為例來說明如何引出圖形學內(nèi)容。該短片講述的是Geri老頭在公園跟自己下棋的事，故事情節(jié)生動，動畫效果惟妙惟肖，很具吸引力。學生非常感興趣，這是怎么做的，采用什么技術(shù)，Geri老頭是怎么得到的等等一系列問題。我們便可以問題為導向一一解釋給學生。Geri老頭采用的是一種稱為Catmull－Clark的細分曲面造型技術(shù)，在造型之前需要準備數(shù)據(jù)，所謂巧婦難為無米之炊，一般這樣的數(shù)據(jù)是先建立一個實物的模型，然后通過三維激光掃描儀獲取的。三維掃描儀掃描實物的表面數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)量大，而且?guī)в性胍?，所以需要做去噪，簡化等處理。簡化后得到Geri老頭的表面骨架，然后再采用細分曲面造型技術(shù)獲取光滑逼真的模型。細分造型是一種逐層加細技術(shù)，如圖1所示，圖1(a)-(c)是不同層次的效果。從中可以看出圖(c)圖形的光滑效果最好，而圖(a)最差。但是圖(c)的數(shù)據(jù)量最大，這就需要根據(jù)不同情況選擇不同的圖形，如圖2所示，當圖形距離我們較遠時可以選擇精度不高的(a)圖形，而較近時選擇(c)圖形。在游戲動畫方面，對速度要求高，而對圖形逼真性的要求相對低，這時可以選擇數(shù)據(jù)量小的圖形。這樣通過圖形展示給學生以感性的認識，一方面易于接受，易于理解，另一方面也能增加學習的興趣。另外，形象逼真的圖形采用真實感繪制技術(shù)，場景遠近變化利用了圖形變換的知識等等。一個短篇，基本上把圖形學的相關(guān)內(nèi)容都包括了，我們還可以再結(jié)合其它一些具體生動的圖形動畫介紹給學生。實際上，在圖形學授課的各個環(huán)節(jié)，為了調(diào)節(jié)枯燥的數(shù)學公式，都可以演示一些相關(guān)內(nèi)容的圖形，也所謂的多媒體教學，在這方面，圖形學應該更有優(yōu)勢。
2理論與實踐并重
對計算機圖形學這樣的專業(yè)課而言，理論的學習離不開實踐，實驗是非常重要的一個環(huán)節(jié)。抽象的理論，乏味的數(shù)學公式，如果不和實驗結(jié)合，學生是體會不到學習樂趣的。通過實驗，所學的知識得以鞏固，枯燥的算法與生動的圖形之間建立聯(lián)系。學生的興趣也是通過實驗建立起來的。每次實驗報告，我都會要求學生寫下心得體會，從報告可以看出，多數(shù)學生能夠在實驗中找到快樂，能夠通過實驗建立自信心，成就感。他們說做實驗很受鍛煉，知識掌握的也更牢固。當然有的學生也提到，做實驗是一件非常辛苦的事情，特別是沒有思路或者找不到錯誤時，真的很痛苦。但是成功后的滿足，特別是做出來的那一瞬間，那種心境別人無法體會。
由于計算機圖形學是專業(yè)限選課，學時不多。我們一般安排32個上課學時和16個實驗學時。為了增加學生的知識面，我們的實驗是在Sun工作站Solaris操作系統(tǒng)下采用gcc編譯器進行，編程時調(diào)用OpenGL庫中的圖形函數(shù)。通常安排4個學時熟悉這些內(nèi)容。這樣根據(jù)剩余學時安排五個小實驗：直線生成、裁剪、幾何變換、曲線生成以及真實感圖形繪制，還有一個綜合性實驗：做一個簡單的圖形系統(tǒng)。題目的要求隨著難易程度變化。直線生成算法比較簡單，學生編寫的程序應具有通用性，適用于任何直線。裁剪算法是為了確定顯示區(qū)域內(nèi)的圖形，實驗一般要求實現(xiàn)線段裁剪算法，算法易于實現(xiàn)，考慮到易操作性，采用交互式的畫線方式，即以鼠標點擊繪圖區(qū)的位置確定線段的起點和終點，其中涉及消息映射和屏幕坐標到世界坐標轉(zhuǎn)化等相關(guān)知識。幾何變換幾乎在每個圖形系統(tǒng)或圖形應用軟件都有使用，其主要包括旋轉(zhuǎn)、平移、縮放以及復合變換等內(nèi)容。學生對三維圖形更感興趣，尤其是較復雜的圖形。在做該實驗時，通常先介紹一些三維圖形的相關(guān)知識，包括幾何圖形表示、存儲形式以及讀文件操作等，一般以簡單的OBJ數(shù)據(jù)文件為例。然后讓學生實現(xiàn)三維圖形的幾何變換。另外，考慮到該實驗包括幾個操作，增加了菜單選擇功能。曲線曲面也是圖形學的核心內(nèi)容，生成方法有兩種：一種是逐層遞推的方法，另一種是根據(jù)參數(shù)曲線定義。學生根據(jù)自己的理解選擇不同的方法實現(xiàn)。在曲線生成的基礎(chǔ)上，增加鼠標拖動控制點改變曲線曲面形狀的功能。真實感實驗是為了增加學生學習的興趣，通過調(diào)用OpenGL的庫函數(shù)做出一些漂亮的效果，讓學生感覺到圖形學功能很強大，一些看似復雜的效果實現(xiàn)起來也簡單，只需調(diào)用OpenGL中現(xiàn)成的庫函數(shù)。綜合性實驗報告我也鼓勵學生做一些自己感興趣的東西，比如有的學生對游戲很感興趣，基礎(chǔ)也較好，想做一個小游戲，我是完全許可的。應該來說，安排的實驗任務(wù)重，覆蓋內(nèi)容多，在有限學時內(nèi)完成這些實驗是不可能的，需要學生在課外做許多準備工作。而且，有些知識點較難，學生難以消化。針對這種情況，實驗部分也分了解和掌握兩種情況，這樣做的一個目的就是想增加學生的知識面。
3教學內(nèi)容安排
計算機圖形學知識更新快，內(nèi)容深而廣，如何在有限的學時內(nèi)安排教學內(nèi)容，使講解的知識難度適中，既兼顧基礎(chǔ)知識又可以反映計算機圖形學的最新成果和技術(shù)，同時，既兼顧理論又兼顧實驗。另外，在學生可以接受的情況下盡可能介紹三維知識。
我們的教學內(nèi)容主要分這幾部分內(nèi)容：光柵圖形學，圖形變換，幾何造型，真實感圖形繪制。而且，各部分內(nèi)容貫穿OpenGL的相關(guān)知識。前兩部分比較基礎(chǔ)，內(nèi)容相對簡單，課時盡可能安排緊湊，理論講的相對深入。但是對于幾何造型，尤其是曲線曲面造型部分，內(nèi)容的深淺需要根據(jù)學生情況來把握。曲面難度較大，一般只介紹大致的思路及做一些演示。對于曲線，如果講得比較深入，對于基礎(chǔ)不好的學生來說也難以接受。我曾嘗試采用分段多項式的形式推導B樣條基函數(shù)，不少同學聽得很費力，甚至影響后面知識的學習?，F(xiàn)在講這部分內(nèi)容時，我只是介紹基函數(shù)的由來，告訴學生基函數(shù)是根據(jù)曲線的性質(zhì)和定義推導出來的，不是隨隨便便指定的，這樣學生比較容易接受。實際上，無論Bezier曲線或B樣條曲線，都是曲線造型技術(shù)中的經(jīng)典算法，但也存在缺點。目前比較流行的曲線造型技術(shù)是細分算法，它有很多很好的性質(zhì)，如多分辨率，應用簡單等。由于其比較新，很多教科書中尚未介紹。一般我從應用層的角度將三次B樣條細分和四點插值細分等典型算法介紹給學生，介紹他們的特點以及實現(xiàn)技術(shù)。真實感圖形繪制部分，涉及數(shù)學、物理、心理學等方面的知識，理論較深，不太適合本科生學習。但由于其做出來的圖形太漂亮，很具吸引力。而且，用OpenGL的庫函數(shù)實現(xiàn)并不難，所以這部分內(nèi)容我一般是介紹一些基本概念，然后做一些程序演示。一方面增加學習的興趣，另一方面讓他們意識到，有些知識盡管理論比較深，但由于有現(xiàn)成的類似OpenGL庫函數(shù)這樣的技術(shù)支撐，也容易實現(xiàn)。很多東西并不是想象的那么神秘，那么可怕。
4結(jié)語
計算機圖形學是一門理論內(nèi)容深，應用范圍廣的課程。本文就如何組織教學內(nèi)容談了自己的見解和體會，目的在于提高學生學習興趣，讓學生在易于接受的情況下學到更多有用的知識。實踐表明方法具有一定的可行性，普遍學生反映，通過課程的學習體會到了圖形學的博大精深，增加了圖形學的學習興趣。但也有部分同學感覺有些內(nèi)容講解不夠深入，難以理解。所以，如何在有限的學時內(nèi)更好地組織教學，還有待進一步探討。相信通過學習、思考和實踐可以做得更好。
參考文獻：
[1] 唐榮錫,汪嘉業(yè),彭群生. 計算機圖形學教程(修訂版)[M]. 北京:科學出版社,2000.
英國高校的三維動畫教育一般采取三位一體的教學模式。其中包括計算圖形學技術(shù)的學習，藝術(shù)知識的學習和計算機應用軟件的學習。這三方面互為補充，構(gòu)成了一個比較完善的教學體系。相比于英國計算機動畫教育，我們存在以下幾個問題：
1．1計算機圖形學技術(shù)教育的缺乏計算機圖形學（ComputerGraphics，簡稱CG）是一種使用數(shù)學算法將二維或三維圖形轉(zhuǎn)化為計算機顯示器的柵格形式的科學。簡單地說，計算機圖形學的主要研究內(nèi)容就是研究如何在計算機中表示圖形、以及利用計算機進行圖形的計算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法。在計算機三維動畫中，要依靠計算機圖形學技術(shù)實現(xiàn)各種效果，如毛發(fā)、火焰及模擬各種真實的動作，如地震。可以說，計算機技術(shù)的開發(fā)大大推動了計算機三維動畫領(lǐng)域的前進，可見其重要性。英國三維動畫教育很重視這方面技術(shù)的教學和實踐，也針對這些技術(shù)也開設(shè)了一系列課程。伯恩茅斯大學傳媒學院就開設(shè)了MotionCapture（動作捕捉）課程，而在國內(nèi)高職院校的三維動畫教育中，計算機圖形學技術(shù)的學習是是非常欠缺的一部分。當然也存在一些客觀因素，例如MotionCapture（動作捕捉）這門課，需要相關(guān)硬件設(shè)備和軟件支持，并且設(shè)備價格不菲，由于資金的不足或?qū)W院的忽視都導致這些必備課程的無法開設(shè)，并直接導致學生嚴重缺乏必要的計算機技術(shù)，這也大大桎梏了三維動畫在中國的發(fā)展。
1.2計算機動畫教育缺乏人性化和個性化英國動畫教育不但注重培養(yǎng)的學生的團隊精神，更注重學生個性和專長的發(fā)展，相比較而言，國內(nèi)高等職業(yè)教育存在一種通病，就是通才教育。過分注重學生什么都要會，缺乏人性化和個性化發(fā)展，使得學生本身的特點和優(yōu)勢受到遏制，反而學到最后什么都會，缺什么都不精，反倒不利于專業(yè)素質(zhì)的提高。
2考試評價體系
2.1評分的公開性對于伯恩茅斯大學傳媒學院，每門課程內(nèi)容及進度安排，任課老師都會公布在學習網(wǎng)站上，提前讓學生明確學習目標。課程的評分標準和考試分數(shù)，任課老師也會公布在學院網(wǎng)站上，供學生查閱。
2.2評分公平性英國的考生，為了公平起見，一般都安排兩個考試或以上評分，包括卷面考試、論文和操作考試等，而且大部分的考試就是老師評分完了以后，也要等學院的考試委員會專門開會通過才能夠正式公布。而且英國考生可以對考試分數(shù)提出質(zhì)疑，甚至進行投訴，針對院校的投訴如果不能通過校內(nèi)協(xié)商解決的話，有關(guān)學生可以把投訴提交給獨立仲裁員辦公室。這種評價體系可以督促老師嚴格公正的作出評分，有效的減少不嚴謹不認真的評分現(xiàn)象。對于伯恩茅斯大學傳媒學院，如果學生在評分標準中的某一方面特別突出，還可以要求老師改變評分標準在這方面多占比重。最后的考試作品，會有多個教師同時參與考評并寫出分數(shù)及評價語言，指出學生作品的優(yōu)缺點，提出改進意見。而這也是我們高職專業(yè)課考試評分體系所欠缺的，往往只有簡單的阿拉伯數(shù)字，缺乏針對性的評語，也不利于學生后續(xù)專業(yè)提高和發(fā)展。
3設(shè)備支持
中圖分類號：F49文獻標識碼：A
由于計算機圖形系統(tǒng)的廣闊應用領(lǐng)域和前景，使得我們不得不花更多精力和時間來研究這門技術(shù)。本文簡單介紹了計算機圖形系統(tǒng)的概念和發(fā)展概況，重點論述了計算機圖形系統(tǒng)的功能與應用問題。希望與相關(guān)學科的學者、專家共同探討。
一、計算機圖形系統(tǒng)概述
1、概念。計算機圖形系統(tǒng)是基于計算機技術(shù)的應用系統(tǒng)，由軟件系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)和人員組成。其中，軟件是計算機圖形系統(tǒng)的核心，硬件系統(tǒng)為軟件正常運行提供了基礎(chǔ)保障和運行平臺；計算機圖形系統(tǒng)是一個輔助工具，系統(tǒng)的運行離不開系統(tǒng)使用人員及其智力活動。
2、歷史發(fā)展。上世紀五十年代，第一臺具有指揮和控制功能的CRT（陰極射線管）顯示器誕生，利用該顯示器，使用者可以用光筆進行簡單的圖形交互操作，這標志著交互式計算機圖形處理技術(shù)的誕生。六十年代是交互式計算機圖形學發(fā)展的重要時期。1962年MIT林肯實驗室的Ivan E.Sutherland在其博士論文中，首次提出了“計算機圖形學”這個術(shù)語，他開發(fā)的Sketchpad圖形軟件包可以實現(xiàn)在計算機屏幕上進行圖形顯示與修改的交互操作。在此基礎(chǔ)上，美國的一些大公司和實驗室開展了對計算機圖形學的大規(guī)模研究。七十年代，交互式計算機圖形處理技術(shù)日趨成熟，計算機繪圖技術(shù)也得到了廣泛的應用，基于電視技術(shù)的光柵掃描顯示器的出現(xiàn)，這些都極大地推動了計算機圖形學的發(fā)展。再之后，有關(guān)的圖形標準被相繼推出，如計算機圖形接口、圖形核心系統(tǒng)、程序員層次交互式圖形系統(tǒng)，以及初始圖形交換規(guī)范、產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標準等。
二、計算機圖形系統(tǒng)的功能
隨著計算機硬件功能的不斷提高、系統(tǒng)軟件的不斷完善，計算機繪圖已廣泛應用于各個相關(guān)領(lǐng)域，并發(fā)揮愈來愈大的作用。計算機圖形系統(tǒng)功能強大，主要有計算功能、存儲功能、輸入功能、輸出功能和交互功能等。
1、計算功能。計算機圖形系統(tǒng)的計算功能包括形的描述、分析和設(shè)計；圖形的平移、旋轉(zhuǎn)、投影、透視等幾何變換；曲線、曲面的生成；圖形之間相互關(guān)系的檢測等。
2、存儲功能。在計算機圖形系統(tǒng)中圖形數(shù)據(jù)庫可以存放各種圖形的幾何數(shù)據(jù)及圖形之間的相互關(guān)系，并可以快捷便利地實現(xiàn)對圖形的編輯、刪除、增加、修改等操作。
3、輸出功能和輸入功能。在計算機圖形系統(tǒng)中圖形數(shù)據(jù)經(jīng)過計算后可在顯示器上顯示當前的狀態(tài)，經(jīng)過圖形編輯后的結(jié)果，同時還能通過繪圖儀、打印機、一體機等設(shè)備實現(xiàn)輸出，以便長期保存。
4、交互功能。設(shè)計人員可通過顯示器或其他人機交互設(shè)備直接進行人機通信，對計算結(jié)果和圖形利用定位，拾取等手段進行修改，同時對設(shè)計者或操作員輸入的錯誤給以必要的提示和幫助。
5、算法生成。計算機圖形系統(tǒng)所涉及的算法是非常豐富的，圍繞著生成、表示物體的圖形、圖像的準確性、真實性和實時性，其算法大致可分為以下幾類：基于圖形設(shè)備的基本圖形元素的生成算法；基本圖形元素的幾何變換、投影變換、窗口裁剪等算法；山、水、花、草、煙云等模糊景物的生成算法；三維或高維數(shù)據(jù)場的可視化算法；虛擬現(xiàn)實環(huán)境的生成及其控制算法。
三、計算機圖形系統(tǒng)的應用
隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展以及計算機圖形系統(tǒng)的不斷更新和圖形軟件功能的不斷擴充，使得計算機圖形系統(tǒng)中計算機硬件功能的不斷增強和系統(tǒng)軟件不斷完善，計算機圖形系統(tǒng)在近年得到了愈來愈廣泛的應用。目前，主要的應用領(lǐng)域有：用戶接口；計算機輔助設(shè)計與制造；科學、技術(shù)及事務(wù)管理中的交互繪圖；繪制勘探，測量圖形；過程控制及系統(tǒng)環(huán)境模擬；電子印刷及辦公室自動化；藝術(shù)模擬；科學計算的可視化；工業(yè)模擬，一個十分大的應用領(lǐng)域，包含對各種機構(gòu)的運動模擬和靜，動態(tài)裝配模擬，在產(chǎn)品和工程的設(shè)計、數(shù)控加工等領(lǐng)域迫切需要；計算機輔助教學，計算機圖形系統(tǒng)已廣泛應用于計算機輔助教學系統(tǒng)中，通過它可以使教學過程更加形象、直觀、生動，可以極大地提高學生的學習興趣和教學效果。
一、引言
隨著三維掃描技術(shù)和計算機圖形學廣泛應用于工業(yè)，機械，醫(yī)學等領(lǐng)域，三維模型成為一種新多媒體數(shù)據(jù)類型，面對龐大的三維模型數(shù)據(jù)庫， 幫助用戶快速準確地獲取所需三維模型，實現(xiàn)資源重用成為了計算機視覺、計算機圖形學界的一個研究熱點。如何合理地描述三維模型即特征提取成為三維模型檢索首先要解決的難點問題。同時絕大多數(shù)三維模型檢索的研究都是針對通用模型進行的. 這也使得對三維模型特征提取的研究更加復雜。現(xiàn)有的三維模型檢索技術(shù)可以分為基于統(tǒng)計特征、基于拓撲結(jié)構(gòu)、基于幾何結(jié)構(gòu)分析和基于視圖四大類。
基于統(tǒng)計特征的方法通過對三維模型的某一特征信息進行統(tǒng)計，獲得統(tǒng)計直方圖后將其量化而得到三維模型特征向量，但是大多數(shù)統(tǒng)計特征帶有隨機性， 檢索性能不穩(wěn)定?；谕負浜徒Y(jié)構(gòu)分析得到的特征在檢索系統(tǒng)中檢索響應時間較長?；谝晥D將三維模型投影成多個不同視角的二維圖像，再對二維投影進行特征的提取用以描述三維模型。這種方法將復雜的三維問題轉(zhuǎn)化為較為成熟的二維圖像處理問題，降低了計算的復雜度，符合人的視覺特征，檢索性能較好?；谝晥D的三維模型特征提取一般為三個步驟模型預處理，視圖獲取，描述符提取。
二、模型預處理
對于任意三維模型，其初始空間位置、尺寸及方向具有很大的隨機性，為了對三維模型在相同尺度、相同規(guī)則下進行比較檢索，首先對其進行位置和尺寸標準化預處理。一般分為三個部分平移歸一化，旋轉(zhuǎn)歸一化，尺度歸一化。 完整的模型歸一化過程表述為如下的幾何變換。
S*R*（I-C） （2-1）
式中： s 為縮放系數(shù)；R 為對應于PCA變換的旋轉(zhuǎn)矩陣；I 為原始模型坐標；C為坐標原點。
2.1平移歸一化
平移歸一化的目的是為了在模型上找到一個點作為新坐標系的原點，重新計算模型在新坐標系中的頂點坐標實際應用中的三維模型往往不是密度均勻分布的模型，文獻[1]采用面積加權(quán)法來提高重心平移的魯棒性，也就是將每個點的表面積作為該頂點的權(quán)重。
2.2旋轉(zhuǎn)歸一化
旋轉(zhuǎn)歸一化的目的是為了保證模型具有一個統(tǒng)一的姿態(tài)方向，使得提取的特征具有旋轉(zhuǎn)不變性，文獻[2]對旋轉(zhuǎn)歸一化改進利用蒙特卡羅法在三維模型表面均勻采點，以此代替原來頂點。該方法的特點是能快速地按照等面積原則，在三維模型表面采樣大量的三維點數(shù)據(jù)。
2.3 尺度歸一化
為了統(tǒng)一三維模型的尺度，保證拉伸不變性，需要計算縮放因子。文獻[1]采用的方法是找到模型中距離質(zhì)心最遠的頂點，取值為這個最大距離的倒數(shù)，然后按照這個系數(shù)進行縮放。
三、視圖獲取
模型預處理完成后需要進行視圖提取，按照提取的視圖是否進行二次選擇可分為：最優(yōu)視圖提取和多視圖提取.
3.1多視圖提取
多視圖提取一般將模型放在球體或正方體盒內(nèi)，在不同角度攝取二維深度圖像，Min[3]等人提出使用三維模型的二維輪廓圖描述比較模型之間的相似性。該方法從模型的正視、側(cè)視及俯視三個固定方向獲得二維投影視圖，然后對每副視圖進行輪廓特征提取。該方法由于只選擇了三個固定方向上獲取視圖。不能夠完全表達模型Chen[4]等提出一種基于光場（LightFiel Descriptor， LFD）的特征算法。首先，在正十二面體的10個頂點處捕獲二維圖像，由于正十二面體是對稱的所以只取20個頂點中的10個。每個頂點處設(shè)定10中不同的光場，這樣對于各個三維模型可以采100張圖像。對于每張圖像提取Zemike矩特征（取35個系數(shù)）和傅里葉變換特征（取10個系數(shù)），最后用4500維的特征向量來表示一個三維模型，龐大的特征向量帶來計算的困難。Shih[5]等提出了一種基于正視圖的特征提取算法，提取六個正視圖來表示三維模型，所有正視圖都是二維灰度圖形，用最小正方體盒包圍三維模型分別從前部，上部，右部，后部，下部和左部6個角度投影獲得正視圖，將每個圖形分解為L個同心正方形提取出圖形描述符。
3.2最優(yōu)視圖提取
由于產(chǎn)生的多視圖來描述模型在檢索模型時計算時間長，且有些視圖是冗余的。有些研究者會將多視圖進行最優(yōu)選擇出一組或一個最優(yōu)視圖。Cyr[6]等人提出基于形狀相似性的代表性視圖（Aspect Graph）方法。該方法首先對三維模型從不同視點得到大量視圖，然后用一組代表性視圖描述三維模型。代表性視圖通過對視圖集聚類分析，選擇那些彼此之間存在明顯差異的視圖而得到。
劉志等采用AdaBoost算法對輸入三維模型形狀特征進行相似性學習得到該模型的最優(yōu)視圖樣例，然后將輸入模型從不同視點得到的渲染視圖和最優(yōu)視圖樣例進行形狀相似性分析，以相似度最高者作為輸入模型的最優(yōu)視圖.得到的最優(yōu)視圖不僅可以有效地逼近用戶選擇結(jié)果而且具有較好的穩(wěn)定性。
四、總結(jié)
由于三維模型及其組成的三維場景能提供比二維圖像更多、更豐富的視覺感知細節(jié)。所以三維模型的檢索與復用近年來成為計算機圖形學領(lǐng)域內(nèi)的一個重要研究課題。但三維模型比二維圖像特征提取更為復雜，現(xiàn)在二維圖像處理技術(shù)非常成熟所以將三維模型表達成視圖在進行處理，得到很好的模型描述符在檢索三維模型時節(jié)省時間。
參 考 文 獻
[1]基于視圖的三維模型檢索技術(shù)研究 馮毅攀 浙江工業(yè)大學碩士學位論文 2011.10.20
[2]三維模型特征提取與檢索 柳 偉 申請上海交通大學博士學位論文 2008.1
[3] P. Min， J. Chen， T. Funkhouser. A 2D sketch interface for a 3D model search engine[A]. Proc of 2002 annual conference on Computer Graphics Proceedings[C]. San Autonio： ACM， 2002， 138.
[4]D.Y. Chen， X.P. Tian， Y.T. Shen. et al. On visual similarity based on 3D model retrieval[J]. Computer Graphics Forum. 2003， 22（3）： 223-232
主管單位：黑龍江省科學院
主辦單位：黑龍江省科學院自動化所;黑龍江省自動化學會
出版周期：月刊
出版地址：黑龍江省哈爾濱市
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種：中文
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本：大16開
國際刊號：1003-7241
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創(chuàng)刊時間：1982
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就本體而言，任何一個畫種都包括技術(shù)和藝術(shù)兩個方面，所謂數(shù)碼畫藝術(shù)就是一門借助于數(shù)碼技術(shù)手段進行繪畫創(chuàng)作的藝術(shù)。然而與數(shù)碼畫相關(guān)的技術(shù)到底有哪些，傳統(tǒng)繪畫的技術(shù)、機械復制的動畫技術(shù)與數(shù)碼畫的技術(shù)關(guān)系如何?目前理論界尚沒有做出明確和系統(tǒng)的回答，對于這一問題的回答直接關(guān)系到什么是數(shù)碼畫以及數(shù)碼畫所涵蓋的藝術(shù)類型究竟有哪些。本文重點從后現(xiàn)代性技術(shù)視野下對數(shù)碼畫的技術(shù)展開闡述。
一、后現(xiàn)代性技術(shù)與數(shù)碼畫的技術(shù)限定
界定數(shù)碼畫首先要對數(shù)碼畫藝術(shù)中的技術(shù)因素進行界定，這一技術(shù)有別于傳統(tǒng)繪畫的前現(xiàn)代技術(shù)，機械復制的現(xiàn)代技術(shù)，我們把它定位在后現(xiàn)代性技術(shù)。在西方的藝術(shù)史長河中，技術(shù)因素是直到現(xiàn)代社會才充分重視起來的。
在現(xiàn)代之前，由于生產(chǎn)力落后，和藝術(shù)相關(guān)的技術(shù)發(fā)展水平也一直比較低，所以在思想家的眼中藝術(shù)的本質(zhì)更多地是和歷史、理念、精神、信仰等因素結(jié)合在一起。而人類進人現(xiàn)代社會以后，飛速發(fā)展的科學技術(shù)對藝術(shù)產(chǎn)生了重大影響，藝術(shù)品從制作、傳播到接受都發(fā)生了本質(zhì)變化。
技術(shù)，尤其是現(xiàn)代科學技術(shù)能從形式和內(nèi)容兩個方面對藝術(shù)產(chǎn)生巨大影響，關(guān)于此，德國思想家瓦爾特.本雅明的理論尤其值得重視，哈佛大學的學者林賽·沃特斯這樣概括本雅明的理論:“藝術(shù)作品中沒有一個突然出現(xiàn)并能夠解決一切難題的藝術(shù)創(chuàng)造者;相反，那兒卻有一個機器，它與人一起創(chuàng)造了如電影和搖滾樂等一些思想高超的人寧愿其流產(chǎn)的藝術(shù)形式。這其中，隱含的話語是有一種技術(shù)(那是代表機器的技術(shù))參與了藝術(shù)品的創(chuàng)作，由此可以看出，藝術(shù)中的技術(shù)自此分為兩個層次，一是以人的“肉體”為基礎(chǔ)的“技藝”，即藝術(shù)家制作藝術(shù)品的技能二是以機器為基礎(chǔ)的“技術(shù)系統(tǒng)”，前者是主體所具備的技能技巧，后者是指人類社會發(fā)明的機器所構(gòu)成的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)可以幫助人們擴張自己的技能技巧，它是獨立于藝術(shù)品和藝術(shù)家的技術(shù)體系。后者是在前者的基礎(chǔ)上被發(fā)展起來的(其發(fā)展的動力就是科技進步)。或者說被“科學化”的技藝構(gòu)成了數(shù)碼畫的技術(shù)系統(tǒng)。應該說，數(shù)碼畫技術(shù)的這兩種含義是統(tǒng)一的，因為技術(shù)系統(tǒng)的功能應該是人類自身技藝的延續(xù)和拓展，就像麥克盧漢所說的，技術(shù)是人的延伸，人是技術(shù)的主人。因此在技術(shù)現(xiàn)代性的背景下，數(shù)碼畫的技術(shù)已非傳統(tǒng)繪畫的“肉體技藝”，而是包含了“機器的技術(shù)系統(tǒng)”。該系統(tǒng)包含了現(xiàn)代的機械復制技術(shù)系統(tǒng)以及后現(xiàn)代的數(shù)字仿真技術(shù)系統(tǒng)，本文論述的重點不是前現(xiàn)代的“肉體技藝”，也不是現(xiàn)代的機械復制技術(shù)而是與數(shù)碼畫相關(guān)后現(xiàn)代的計算機的技術(shù)，它涉及到數(shù)碼畫的創(chuàng)作、傳播與接受環(huán)節(jié)。這些技術(shù)主要分為三大類，一是數(shù)碼畫的制作(生產(chǎn))技術(shù)，包括類傳統(tǒng)繪畫技術(shù)(非真實渲染靜態(tài)作品的技術(shù))、三維技術(shù)、動畫技術(shù)等二是數(shù)碼畫的傳播技術(shù)(網(wǎng)絡(luò)等技術(shù));三是數(shù)碼畫的接受技術(shù)(多媒體互動技術(shù)等)。
生產(chǎn)數(shù)碼畫的技術(shù)，數(shù)碼畫技術(shù)的核心是其創(chuàng)作(制作、生產(chǎn))技術(shù)，即數(shù)碼畫的創(chuàng)作者在創(chuàng)作數(shù)碼畫時使用的技術(shù)，它能夠直接造成數(shù)碼畫的獨特藝術(shù)形式及類型。它實際上包含了接受環(huán)節(jié)與大眾互動的技術(shù)以及在創(chuàng)作環(huán)節(jié)與其他畫家或大眾互動的技術(shù)，在創(chuàng)作數(shù)碼畫的時候同樣也要考慮到數(shù)碼畫的傳播環(huán)節(jié)與接受環(huán)節(jié)對數(shù)碼畫創(chuàng)作技術(shù)上的限制。
1.非真實渲染靜態(tài)作品的技術(shù)
計算機科學的迅速發(fā)展對人類的藝術(shù)活動產(chǎn)生了廣泛而深刻的影響，提出了許多新的命題和挑戰(zhàn)。在視覺藝術(shù)領(lǐng)域數(shù)字藝術(shù)迅速成長和壯大，漸漸成為主流的藝術(shù)形態(tài)。數(shù)字藝術(shù)以嶄新的理念和多樣的形式向我們展示了它的迷人魅力，但是我們也驚奇地發(fā)現(xiàn)，在數(shù)字圖形圖像的研究和表現(xiàn)領(lǐng)域還存在著一種以模擬傳統(tǒng)繪畫風格為目標的技術(shù)和藝術(shù)，它在滿足藝術(shù)應用領(lǐng)域需要的同時，也體現(xiàn)了人們對傳統(tǒng)藝術(shù)的留戀之情。對傳統(tǒng)繪畫的數(shù)字仿真，專業(yè)名稱叫“非真實渲染”，又叫“非照片真實感繪制”，顧名思義，是“指利用計算機生成不具有照片般真實感，而具有傳統(tǒng)手繪風格的圖形的技術(shù)。非真實渲染以模擬傳統(tǒng)繪畫效果作為自己的目標，很自然的我們就會想將它與傳統(tǒng)藝術(shù)進行比較，非真實渲染和傳統(tǒng)手繪都是在二維平面上以點、線、面等造型元素構(gòu)成的一種藝術(shù)形式，因而所呈現(xiàn)出來的視覺特征總體來說是一致的，而且，非真實渲染就是把模擬傳統(tǒng)手繪的效果作為自己的根本任務(wù)，傳統(tǒng)繪畫的藝術(shù)效果正是非真實渲染技術(shù)所孜孜以求的。
2.基于三維建模的模擬繪畫技術(shù)
傳統(tǒng)繪畫中由于透視規(guī)律的發(fā)現(xiàn)大師們創(chuàng)作出了在二維平面中描繪深度空間的杰出作品，數(shù)碼畫中的三維技術(shù)則虛擬性的統(tǒng)攝下創(chuàng)造了類似雕塑圓雕的全方位的空間效果，就是說我們可以從任何一個角度欣賞數(shù)碼畫，這進一步拓展了繪畫表現(xiàn)的空間，三維技術(shù)是數(shù)碼畫的一項主要專業(yè)技術(shù)，應用三維軟件建模后再導入繪畫軟件，可以在三維的空間中實現(xiàn)模擬繪畫的效果，或者在三維軟件建模后直接渲染出繪畫效果，目前在創(chuàng)建的三維模型上可以渲染出國畫等畫種的效果，至于渲染的其他更多更好的繪畫效果有待于軟件師和畫家們的共同努力。
3.計算機動畫技術(shù)
計算機動畫技術(shù)是指使畫面由單純的靜止狀態(tài)流動起來的的技術(shù)，包括二維、三維技術(shù)，一般來說，按電腦軟件在動畫制作中的分類，電腦動畫有電腦輔助動畫和造型動畫兩種。電腦輔助動畫屬于二維動畫，造型動畫屬于三維動畫。電腦動畫的產(chǎn)生大致有這樣幾個程序:(1)關(guān)鍵幀(原畫)的產(chǎn)生;(2)中間畫的生成;(3)分層制作合成;(4)著色;(5)預演。傳統(tǒng)的數(shù)字動畫就是靜圖的連續(xù)播放，而新的動畫技術(shù)允許通過各種特殊的插值技術(shù)產(chǎn)生動畫系列，F(xiàn)lash動畫甚至允許用戶互動，動畫給數(shù)碼畫帶來了新的有別于傳統(tǒng)繪畫的面貌，數(shù)碼畫不僅需要動，而且動的技術(shù)是數(shù)碼畫的核心技術(shù)之一。
4.計算機圖形圖像處理技術(shù)
數(shù)碼畫的素材可以包括數(shù)碼化的傳統(tǒng)繪畫，也可以包括利用計算機軟件直接繪制的圖畫。在創(chuàng)作的過程中這些素材都可以運用計算機圖形圖像處理技術(shù)進行處理和重新布局。一般意義上，照片和電視掃描片等現(xiàn)有圖片的修改或解釋稱為圖像處理(image processing )。盡管在計算機圖形學和圖像處理中所使用的技術(shù)有所重疊，但兩種領(lǐng)域著重于不同的操作。計算機圖形學中，計算機用來生成圖形;而圖形處理技術(shù)用來改善圖片質(zhì)量、分析圖像或為機器人應用識別可視圖案。然而，圖像處理技術(shù)經(jīng)常應用于計算機圖形學，計算機圖形學的方法也頻繁應用于圖像處理。數(shù)碼畫的生成和修改(包括構(gòu)圖)都經(jīng)常應用到這種技術(shù)。這也是數(shù)碼畫與傳統(tǒng)繪畫的區(qū)別，就是說數(shù)碼畫不一定是“畫的”或者說“繪的”，它可以是運用計算機圖形圖像處理技術(shù)生成處理出來的，目前這一技術(shù)廣泛應用于數(shù)碼畫制作之中。
5.基于創(chuàng)作的互動技術(shù)及基于創(chuàng)作在接受環(huán)節(jié)的互動技術(shù)
(1).媒介的發(fā)展導致了媒介的革命。藝術(shù)家的藝術(shù)作品就伴隨著媒介的發(fā)展而改變，采用新的表現(xiàn)載體，不斷地刺激人類的視覺感官，挖掘人類的主觀能動性。信息社會最大的科技革命就是人類對信息的接受從被動轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?，所以藝術(shù)創(chuàng)作主體、客體與創(chuàng)作對象之間的關(guān)系也發(fā)生了巨大的轉(zhuǎn)變。藝術(shù)對象既可以是欣賞者，又可以直接參與到藝術(shù)創(chuàng)作之中，成為藝術(shù)創(chuàng)作的主體。這就需要在創(chuàng)作環(huán)節(jié)互動技術(shù)的支撐，藝術(shù)家和觀眾可以通過網(wǎng)絡(luò)在創(chuàng)作上進行互動，藝術(shù)家必須預先考慮到藝術(shù)品在欣賞的時候與觀眾的互動而在創(chuàng)作時就把這種互動技術(shù)包含在數(shù)碼畫的作品之中。藝術(shù)對象與創(chuàng)作客體之間不再是被動的關(guān)系，而是互動的關(guān)系。互動比之前的藝術(shù)表現(xiàn)形式更加深化了藝術(shù)創(chuàng)作對象與客體之間的交流和溝通。從如今的發(fā)展趨勢來看，客體愈加智能化、人性化，它越來越渴望扮演人類的角色，從而與創(chuàng)作對象以及接收對象之間建構(gòu)了一種人際關(guān)系。
(2).傳播數(shù)碼畫的技術(shù)，任何數(shù)碼畫作品都還原成相應的藝術(shù)信息，最終是數(shù)碼性，二元性，是0和1的組合，那么數(shù)碼畫發(fā)揮作用的過程也就可以被還原成信息傳播過程。所以，傳媒技術(shù)對數(shù)碼畫這一藝術(shù)范式的形成具有革命的作用，正如麥克盧漢所說:“機械媒介將藝術(shù)的存在普及并強加在人們頭上，因此越來越有必要研究傳播對社會的功能和影響。
主管單位：中國科學院
主辦單位：中國科學院軟件研究所
出版周期：月刊
出版地址：北京市
語
種：中文
開
本：16開
國際刊號：1000-9825
國內(nèi)刊號：11-2560/TP
郵發(fā)代號：82-367
發(fā)行范圍：國內(nèi)外統(tǒng)一發(fā)行
創(chuàng)刊時間：1990
期刊收錄：
SA 科學文摘(英)(2009)
CBST 科學技術(shù)文獻速報(日)(2009)
Pж(AJ) 文摘雜志(俄)(2009)
EI 工程索引(美)(2009)
中國科學引文數(shù)據(jù)庫(CSCD―2008)
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