容易发表的电子期刊之计算机图形学的应用

　　【摘 要】本文对计算机图形在实践中的应用进行了论述。

　　【关键词】图形学;发展;应用

　　1 计算机图形学的发展

　　计算机图形学是利用计算机研究图形的表示、生成、处理，显示的科学。经过30多年的发展，计算机图形学已成为计算机科学中最为活跃的分支之一，并得到广泛的应用。1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院(MIT)旋风一号——(Whirlwind)计算机的附件诞生.该显示器用一个类似示波器的阴极射线管(CRT)来显示一些简单的图形。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。

　　2 计算机图形学在曲面造型技术中的应用

　　曲面造型技术是计算机图形学和计算机辅助几何设计的一项重要内容，主要研究在计算机图象系统的环境下对曲面的表示、设计、显示和分析。它肇源于飞机、船舶的外形放样工艺，经三十多年发展，现在它已经形成了以Bezier和B样条方法为代表的参数化特征设计和隐式代数曲面表示这两类方法为主体，以插值(Intmpolation)、拟合(Fitting)、逼近(Ap-proximation)这三种手段为骨架的几何理论体系。随着计算机图形显示对于真实性、实时性和交互性要求的日益增强，随着几何设计对象向着多样性、特殊性和拓扑结构复杂性靠拢的趋势的日益明显，随着图形工业和制造工业迈向一体化、集成化和网络化步伐的日益加快，随着激光测距扫描等三维数据采样技术和硬件设备的日益完善，曲面造型在近几年来得到了长足的发展。

　　2.1 从研究领域来看，曲面造型技术已从传统的研究曲面表示、曲面求交和曲面拼接，扩充到曲面变形、曲面重建、曲面简化、曲面转换和曲面位差。

　　曲面变形(Deformation or Shape Blending)：传统的非均匀有理B样条(NURBS)曲面模型，仅允许调整控制顶点或权因子来局部改变曲面形状，至多利用层次细化模型在曲面特定点进行直接操作;一些简单的基于参数曲线的曲面设计方法，如扫掠法(Sweeping)，蒙皮法(skinning)，旋转法和拉伸法，也仅允许调整生成曲线来改变曲面形状。计算机动画业和实体造型业迫切需要发展与曲面表示方式无关的变形方法或形状调配方法，于是产生了自由变形(fFD)法，基于弹性变形或热弹性力学等物理模型(原理)的变形法，基于求解约束的变形法，基于几何约束的变形法等曲面变形技术和基于多面体对应关系或基于图象形态学中Minkowski和操作的曲面形状调配技术。

　　2.2 从表示方法来看，以网格细分(Sub-division)为特征的离散造型与传统的连续造型相比，大有后来居上的创新之势。而且，这种曲面造型方法在生动逼真的特征动画和雕塑曲面的设计加工中如鱼得水，得到了高度的运用。

　　3 在计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)的应用

　　这是一个最广泛，最活跃的应用领域。计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)是利用计算机强有力的计算功能和高效率的图形处理能力，辅助知识劳动者进行工程和产品的设计与分析，以达到理想的目的或取得创新成果的一种技术。它是综合了计算机科学与工程设计方法的最新发展而形成的一门新兴学科。计算机辅助设计技术的发展是与计算机软件、硬件技术的发展和完善，与工程设计方法的革新紧密相关的。采用计算机辅助设计已是现代工程设计的迫切需要。CAD技术目前已广泛应用于国民经济的各个方面，其主要的应用领域有以下几个方面。

　　3.1 制造业中的应用。CAD技术已在制造业中广泛应用，其中以机床、汽车、飞机、船舶、航天器等制造业应用最为广泛、深入。众所周知，一个产品的设计过程要经过概念设计、详细设计、结构分析和优化、仿真模拟等几个主要阶段。同时，现代设计技术将并行工程的概念引入到整个设计过程中，在设计阶段就对产品整个生命周期进行综合考虑。当前先进的CAD应用系统已经将设计、绘图、分析、仿真、加工等一系列功能集成于一个系统内。现在较常用的软件有UGII、I-DEAS、CATIA、PRO/E、Euclid等CAD应用系统，这些系统主要运行在图形工作站平台上。在PC平台上运行的CAD应用软件主要有Cimatron、Solidwork、MDT、SolidEdge等。由于各种因素，目前在二维CAD系统中Autodesk公司的AutoCAD占据了相当的市场。

　　3.2工程设计中的应用。CAD技术在工程领域巾的应用有以下几个方面：①建筑设计，包括方案设计、三维造型、建筑渲染图设计等。②结构设计，包括有限元分析、结构平面设计、框/排架结构计算和分析等。③设备设计，包括水、电、暖各种设备及管道设计。④城市规划、城市交通设计，如城市道路、高架、轻轨等。⑤市政管线设计，如自来水、污水排放、煤气等。⑥交通工程设计，如公路、桥梁、铁路等。⑦水利工程设计，如大坝、水渠等。⑧其他工程设计和管理，如房地产开发及物业管理、工程概预算等。

　　3.3 电气和电子电路方面的应用。CAD技术最早曾用于电路原理图和布线图的设计工作。目前，CAD技术已扩展到印刷电路板的设计(布线及元器件布局)，并在集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路的设计制造中大显身手，并由此大大推动了微电子技术和计算及技术的发展。

　　3.4 仿真模拟和动画制作。应用CAD技术可以真实地模拟机械零件的加工处理过程、飞机起降、船舶进出港口、物体受力破坏分析、飞行训练环境、作战方针系统、事故现场重现等现象。在文化娱乐界已大量利用计算机造型仿真出逼真的现实世界中没有的原始动物、外星人以及各种场景等，并将动画和实际背景以及演员的表演天衣无缝地合在一起，在电影制作技术上大放异彩，拍制出一个个激动人心的巨片。

　　3.5 其他应用。CAD技术除了在上述领域中的应用外，在轻工、纺织、家电、服装、制鞋、医疗和医药乃至体育方面都会用到CAD技术。CAD标准化体系进一步完善;系统智能化成为又一个技术热点;集成化成为CAD技术发展的一大趋势;科学计算可视化、虚拟设计、虚拟制造技术是CAD技术发展的新趋向。

　　4 结语

　　计算机图形学成为当代几乎所有科学和工程技术领域用来加强信息理解和传递的技术和工具。与此同时，计算机图形学的硬件和软件应用本身已发展成为一个巨大的产业，有着广泛的发展前景，必将在人们的生活中起着越来越重要的作用。

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