淺談計算機圖形學的發展歷程及其應用領域

摘要：計算機圖形學是研究怎樣用數字計算機生產、處理和顯示圖形的一門新興學科。其側重點在于根據物體描述模型、光照及想象中的攝像機的成像幾何，生成一幅圖像的過程。它的重要性體現在人們越來越強烈地需要和諧的人機交互環境：圖形用戶界面已經成為一個軟件的重要組成部分，以圖形的方式來表示抽象的概念或數據（可視化）已經成為信息領域的一個重要發展趨勢。

關鍵詞：CAD/CAM 計算機藝術 輔助教學 動畫藝術 醫療診斷 科學計算可視化

一、計算機圖形學的發展歷程

1950年，美國麻省理工學院研制出了第一臺圖形顯示器，作為旋風1號（Whirlwind 1）計算機的輸出設備。

1962年，美國麻省理工學院林肯實驗室的Ivan. E .Sutherland發表了一篇題為“Sketchpad：一個人機交互通信的圖形系統”的博士論文，其中首次使用了“計算機圖形學”（Computer Graphics）這個術語。

1964年，孔斯（S.Coons）提出了用小塊曲面片組合表示自由曲面，使曲面片邊界上達到任意高階連續的理論方法，稱孔斯曲面，此方法受到了工業界和學術界的極大重視。法國雷諾汽車公司的工程師貝塞爾也提出了Bezier曲線和曲面。

從20世紀80年代中期以來，計算機圖形處理速度的加快，已廣泛應用于動畫、CAD/CAM、影視娛樂、科學計算可視化等各個領域。

二、計算機圖形學的應用領域

隨著計算機圖形學的不斷發展，它的應用范圍也日趨廣泛。目前計算機圖形學的主要應用領域如下：

1.計算機輔助設計與制造

計算機輔助設計（CAD）與計算機輔助制造（CAM）是計算機圖形學應用的一個最活躍的領域。計算機圖形學的主要應用是在設計方面，尤其是工程和建筑系統，現在幾乎所有的產品設計都由計算機來完成。將計算機圖形處理技術運用于大樓、汽車、飛機、輪船、宇宙飛船、計算機、紡織品以及機械結構和部件、電子線路及器件的設計和制造過程中，已成為目前計算機輔助設計與制造的發展趨勢。

２.計算機藝術

計算機圖形學在藝術領域中的應用成效也越來越顯著。除了廣泛用于藝術品的制作，如各種圖案、花紋、工藝外形設計及傳統的油畫、中國國畫和書法等，還成功地用來制作廣告、動畫片和電視電影。借助于計算機圖形技術，藝術家可以利用圖形輸入板作圖繪畫。計算機不僅可以繪制動畫片中的景象，還可以用來生成各種藝術模型和景物，如山水風景、花草樹木等。

3.計算機動畫

用計算機圖形學的方法產生動畫形象逼真、生動。在制作動畫片時，往往相鄰圖片之間區別較小，或背景相同，用人工來完成就不得不做大量重復性的工作，而用計算機來完成，這些重復性的資料可存儲在計算機內，需要時直接調出來，再在其基礎上進行改動，或利用圖形學中窗口、旋轉等功能，對圖像的比例和角度進行調整。這樣就可以即準確又輕松地解決人工繪圖時的重復性問題，從而大大提高了工作效率。

4.計算機輔助教學

在這個領域中，圖形是一個重要的表達手段，它可以使教學過程形象、直觀、生動，極大地提高學生的學習興趣和教學效果。如計算機生成的物理模型、財政模型和經濟系統模型常用作教學的輔助工具。物理系統模型、哲學系統或者人口趨勢等模型都可以幫助學員理解系統操作，有助于學員直觀的理解所學知識。計算機輔助教學系統現已深入到家庭和幼兒教育中。

5.管理和辦公自動化

計算機圖形學在管理和辦公自動化領域中應用最多的是繪制各種圖形，如統計數據的二維和三維圖形、餅圖、折線圖、直分圖等，還可繪制工作進程圖、生產調度圖、庫存圖等，所有這些圖形均以簡明形式呈現出數據的模型和趨勢，加快了決策的制定和執行。

6.醫療診斷

隨著計算機技術的發展，計算機醫學圖像在臨床診斷和治療中起著越來越重要的作用。醫學圖像主要包括X線圖像、CT圖像、超生圖像等。為了得到表現人體生理變化過程（如器官新陳代謝，腦神經活動）的圖像，又出現了單光子輻射斷層攝像（SPECT）以及正電子放射層析成像（PET）等。醫學上還往往結合計算機圖形學和圖形處理技術來進行人體組織器官的建模，并研究其物理功能。如現在的計算機輔助手術系統，就是通過圖形圖像方法模擬實際手術過程，試驗手術位置。

7.科學計算可視化

科學計算可視化廣泛應用于氣象、地震、天體物理、分子生物學、醫學等諸多領域。

8.過程控制及系統環境模擬

在過程控制中，常常將計算機與現實世界中的其他設備連成一個系統，用戶可以利用計算機圖形學實現與其控制或管理對象間的相互作用。例如在石油化工、金屬冶煉或電網控制等領域中，有關人員可以根據設備關鍵部位的傳感器送來的圖像和數據，對設備的運行過程進行有效地監視和控制。另外在各種交通管理中，如機場的飛行控制人員或鐵路的調度人員也可以通過計算機顯示的運行狀態，來調整空中運輸和鐵路交通，以達到安全、有效的調度。

參考文獻：

[1] 計算機圖形學，成思源，張群瞻編著.冶金工業出版社，2003.8

[2] 計算機圖形學（第二版），孫家廣等編著.清華大學出版社，2000.1

[3] 計算機圖形學基礎（第二版），陸楓，何云峰編著.電子工業出版社，2008.10

[4] 計算機圖形學的算法基礎，David F. Rogers著，（中文版）石教英，彭群生譯.機械工業出版社，2002.1