计算机图形学的发展及应用探讨

摘 要 计算机图形学是信息技术领域的一项重要学科，至今已有三十余年的发展史。计算机图形学可以在一定程度上帮助计算机的创造和设计工作，通过图形渲染等各种手段，将电子动画和电子艺术很好的呈现给受众，在近些年，吸引了许多业内人士的注意。

【关键词】计算机图形学 渲染艺术 可视性强

让计算机逐步实现对图形的处理和设计工作是计算机图形学构成的基本。随着计算机图形学的发展，越来越多的人开始利用它来进行各个领域的产品设计和艺术创作。本文就以此为切入点，全面、系统的分析计算机图形学的原理内容和操作手法，并对计算机图形学的未来发展的态势进行预测并对其提出一系列的可行性方案。

1 什么是计算机图形学

要想深入的分析计算机图形学，必须要理解它的基本含义。

计算机图形学又称CG，是一种利用几何运算的计数方法将一些二维图像或三维图像用网格的形式在计算机中呈现给受众。计算机图形学主要针对计算机的制图方法、对图像的表现方法、如何对图像进行操作等几个方面进行研究。我们知道，一般意义上的图形指的是由点、线、面、颜色、线条宽度等元素搭配组成的几何形状。而以计算机图形学来看，一切的图像皆是由数据的计算而形成的。除此之外，计算机图形又分为信息图和明暗图两部分。信息图与我们通常认识的图形、图像没有区别，是能够感知的。应用面也很广泛，比如一些工程图或设计图都是信息图。明暗图比较有立体感，真实敢，辨识度也较高。计算机图形学就是通过数据间的计算而转化成逼真的图形呈现给受众，表达给受众，给受众最直接的视觉冲击力。所以说，计算机图形学的实践必须要根据实际的情况作出正确的分析，将模型材料的各种质感逼真的呈现给人们，这就要求我们在进行图形运算时必须要认真谨慎，避免在模型设计时出现错误。

计算机图形学的研究范围很宽泛，如计算机的硬件系统、图像制作指标、人机交换系统、曲线制作、曲面制作、图形逼真呈现的算法设计、非真实感图形的呈现都是其研究的重要内容，除此之外，还包括可视化图形的运算、电子动画、风景渲染等虚拟方面，可谓是种类繁多，涉及面广阔。

2 计算机图形学的实际应用

2.1 帮助计算机完成设计和制作的任务

计算机图形学可以高效的帮助计算机完成设计任务，尤其是在工业生产、土木建造、大型船舶制造、汽车的制造、电业厂的发电系统架构等方面发挥着巨大的作用。应用程序以CAN为主，它能够将设计产品的各个细节系统的、科学的呈现在图形当中。再通过人机交换系统对设计出的图形进行反复的修改，让各个运算数据、材料列表、生产流程和工艺环节与计算机发出的各项指令相匹配，确保设计出的图形万无一失。在电子制造方面，计算机图形学可以将电路板中的各个布局、元件结构、数据信息等方面系统、高效的进行整合，给人们一个直观的视觉理解。由此可见，计算机的图形学对现代生产起着科学、高效、便捷的作用。

另一方面，计算机图形学还可以对三维图形进行组织重建。它能够调整三维图形中的架构关系，还能对整个图形的综合信息进行分类处理，当图形设计发出错误的计算指令时，它还能立刻对图形继续恢复，无论是点、线、面还是拓扑等方面，都能够实现图形的组织重建。

2.2 计算机图形学具有仿真实性和渲染性

计算机图形学可以对现实生活中各种形态，各种材质的材料进行仿真性处理和重建。具有较高的模拟性，能够将设计对象的基本特征、存在的位置、光照效果、光照阴影等细致入微的表现出来。由于物体受不同光照的影响，其所呈现的表面特性也是具有随意性的，这就对计算机图形的模拟系统提出了非常高的要求。计算机图形对光的模拟种类有很多，比如初步的光照效果模拟、局部的光照效果模拟、全局的光照效果模拟等。所以其相应的模拟手段也是多种多样的。其中采用最广泛的就要数跟踪法和渲染法。跟踪法主要通过对光线的追踪来实现现实生活中光源照射的模拟。渲染法是光线模拟的关键，通过对物体外部环境的采集和整理，得出一个有效的渲染数据，具有时间段、速度快，效果逼真的优点。渲染数据得出之后，再利用交叉算法和光源追踪法实现图形的完整模拟。值得一提的是，近些年来，渲染的真实感成为了计算机图形研究的重要部分，逼真的物体渲染还逐渐形成计算机网格简易化的趋势，这不但打破了传统的构图模式，还能够快速确定光源方向，从而完成实体图形向虚拟逼真图形的转换。这种方法可以大大减少计算时间，适用于非常复杂的组织架构。

2.3 计算机动画

我国的动画片制作水平一直较国外有一定的差距。而计算机图形学的不断发展在一定程度上也推动着我国动画片设计的发展。一方面，动画片是静态的动态艺术，每一幅静态的图形之间都存在着一定的局部变化，单纯依靠人工的识别是一项非常大的工程，而计算机图形学恰恰能够对图形中不变动和需要变动的图形进行快速、合理的修改，在一定程度少减少了人力的操作。

计算机动画的制作环节很简单，它的设计灵感来源于传统的动画设计。那就是保持“关键帧”的不便，再将连续帧进行组合。计算机动画的设计方法具有多样性的特点。如图形的变形、二维变形、三维变形等等。而随着信息技术的发展，计算机动画片的制作又将弹性力学和流动力学有机的融合到一起。像动画中的人物在行走或跳跃，用单纯的手绘将很难实现这些形态，而计算机通过一系列复杂的精密的计算，就可以让这些情景在动画片中实现，呈现给观众一种与现实生活一致的逼真感，从而对我国动画片产业的发展起到了积极的促进作用。

2.4 计算机艺术

计算机图形学在艺术设计领域中也扮演着重要角色。一些美术设计相关人员可以通过图形学对图像进行熟练的处理，从而实现相应的艺术价值和商业要求。像现在在影视文化中应用非常普遍的电影3D效果渲染制作等，都离不开计算机图形学。通过对图形的模拟和渲染，构建成虚拟的艺术效果，美化了电视荧屏。

3 计算机图形学的未来趋势

计算机图形学的发展随着信息技术的推动而不断向前，现在已受到人们越来越多的关注。相信在不远的将来，无论是人民大众的生产生活，还是设计者们的研发创造，都能看见计算机图形学的踪影，总之，计算机图形学在各个领域的广泛运用对人类的物质文明和精神文明建设发挥着不可忽视的作用。

参考文献

[1]孙家广.计算机图形学[M].北京：清华大学出版社，2011.

[2]彭群生，鲍虎军，金小刚.计算机真实感图形的算法基础[M].北京：科学出版社，2009.

作者单位

海军模拟飞行训练中心 北京市 102488