作者：張建中

來源：http://zhangjianzhong.blog./20150318111259.html

1、計算機圖形學(xué)概述

計算機圖形學(xué)（Computer Graphics，CG），也常簡稱為圖形學(xué)或計算機圖形，是研究圖形輸入和輸出、圖形模型構(gòu)造和表示、圖形數(shù)據(jù)庫管理、圖形數(shù)據(jù)通信、圖形操作、圖形數(shù)據(jù)分析，以及如何以圖形信息為媒介實現(xiàn)人機交互作用的方法、技術(shù)和應(yīng)用的一門學(xué)科，是一種使用數(shù)學(xué)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(xué)。計算機圖形學(xué)主要研究如何在計算機上表示圖形、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。它包括圖形硬件、圖形算法、圖形軟件和圖形應(yīng)用等多方面的內(nèi)容。

圖形通常由點、線、面、體等幾何屬性和灰度、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圖形，如工程圖、等高線圖、曲面線框圖等；另一類是明暗圖，也就是通常所說的真實感圖形。計算機圖形學(xué)主要目的是利用計算機產(chǎn)生令人賞心悅目的真實感圖形。為此，必須建立圖形所描述場景的幾何表示，再用某種光照模型，計算在假想的光源、紋理、材質(zhì)屬性下的光照明效果。同時，真實感圖形計算的結(jié)果是以數(shù)字圖像的方式提供的，計算機圖形學(xué)也就和圖像處理有著密切的關(guān)系。

目前，計算機圖形學(xué)的應(yīng)用已深入到真實感圖形、科學(xué)計算可視化、虛擬環(huán)境、多媒體技術(shù)、計算機動畫、計算機輔助工程制圖等多個領(lǐng)域。計算機圖形學(xué)發(fā)展迅速，現(xiàn)仍處在快速向前發(fā)展的趨勢中，并且已經(jīng)成為一門獨立的學(xué)科，傲立在計算機科學(xué)的前端，有著廣泛的發(fā)展前景。

2、計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容

計算機圖形學(xué)，是一種研究基于物理定律、經(jīng)驗方法以及認知原理，使用各種數(shù)學(xué)算法處理二維或三維圖形數(shù)據(jù)，生成可視數(shù)據(jù)表現(xiàn)的科學(xué)。它是計算機科學(xué)的一個分支領(lǐng)域與應(yīng)用方向，主要關(guān)注數(shù)字合成與操作視覺的圖形內(nèi)容。

計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容非常廣泛，如圖形硬件、圖形標(biāo)準(zhǔn)、圖形交互技術(shù)、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實體造型、真實感圖形計算與顯示算法、非真實感繪制，以及科學(xué)計算可視化、計算機動畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實、圖形軟件等。

計算機圖形學(xué)是研究計算機表示、生成、處理和顯示圖形的原理、算法、方法和技術(shù)的一門學(xué)科。它的研究分為兩個方向，一方面是研究幾何作圖，如平面線條作圖和三維立體建模等；另一方向是研究圖形表面渲染效果，主要包括表面色調(diào)、光照、陰影和紋理等表面屬性的研究。

3、二維計算機圖形學(xué)

二維計算機圖形（2D Computer Graphics），也簡稱為二維 CG，是基于計算機的數(shù)字圖像的產(chǎn)生——主要是從二維模型產(chǎn)生（例如二維幾何模型，文本，和數(shù)字圖像），并且使用只適用這些模型的技術(shù)，采用該技術(shù)的計算機科學(xué)的分支稱為二維計算機圖形學(xué)。

二維計算機圖形主要用于本來采用傳統(tǒng)印刷和繪制技術(shù)的那些應(yīng)用場合，如字體、地圖、工程制圖、廣告等。在這些應(yīng)用中，二維圖像不僅僅是現(xiàn)實世界物體的一個表示，它本身是有附加含義的獨立個體；因而二維模型在這些應(yīng)用中更為實用，因為它們給出了比三維計算機圖形更為直接的控制。

在諸如桌面發(fā)布、工程、商務(wù)很多應(yīng)用領(lǐng)域里，基于二維計算機圖形的文檔的表述比相應(yīng)的數(shù)字圖像可能會小得多，經(jīng)常只有1/1000 或者更小。這種表示法也更靈活，因為它可以在不同的圖像分辨率進行繪制以適應(yīng)不同的輸出設(shè)備。因而，文檔和插圖經(jīng)常采用二維圖形文件存儲和傳輸。

二維計算機圖形學(xué)含如下幾方面的內(nèi)容：

二維圖形技術(shù)   二維圖形模型可以是如下這些的組合：幾何模型（也稱為矢量圖形），數(shù)字圖像（也稱為光柵圖形），需要排版的文本（由內(nèi)容、字體和大小、顏色和方向定義），數(shù)學(xué)函數(shù)和方程，等等。這些組件可以通過象平移、旋轉(zhuǎn)、縮放這樣的二維幾何變換來修改和操作。

直接繪制    創(chuàng)建一個復(fù)雜圖像的一個簡易辦法是從一塊空白畫布開始背景色的光柵圖，然后通過正確的次序“畫”，“漆”或者“貼”上簡單的色塊。特別，畫布可以是計算機顯示器的幀緩存。

有些程序會直接設(shè)置像素色彩值，但多數(shù)會依賴一些二維圖形庫以及（或者）機器的圖形卡，它們通常會實現(xiàn)下列操作：將一個給定的數(shù)字圖像以一個給定的偏移貼到畫布上；在給定的位置和角度將一個字符串以給定的字體寫成幀緩存；繪制一個簡單的幾何形體，例如用三個定點定義三角形，或者給定圓心和半徑的圓；繪制一條線段、圓弧、或者用給定粗細的虛擬筆繪制簡單曲線。

擴充色彩模型    文本、形狀和線條使用用戶指定的色彩繪制。很多庫和卡提供色彩梯度，它對于產(chǎn)生平滑變化的背景、陰影效果等等都很實用。用給定色彩繪制一個像素通常會取代其原先的色彩。但是，很多系統(tǒng)支持用透明和透過色彩繪制，它只會修改原先的像素值。

兩個色彩也可以用更花哨的方法組合，被稱為反色或者色彩翻轉(zhuǎn)，并經(jīng)常在圖形用戶界面中采用，用于高亮顯示、釘釘板以及其它臨時繪制——因為再次以同樣的色彩繪制相同的圖形會恢復(fù)原始的像素值。

分層模型    在分層模型中，目標(biāo)圖像通過“繪制”或者“粘貼”每個層次到虛擬畫布上產(chǎn)生，次序是按深度遞減。概念上，每一層首先獨自繪制，產(chǎn)生所需分辨率的數(shù)字圖像，然后在畫布上一個像素一個像素地描繪。當(dāng)然，層次全透明的部分無須繪制。繪制和描繪可以并行進行，也就是說，每個層次的像素在繪制進程中一產(chǎn)生就可以描繪到畫布上。

包含復(fù)雜幾何體的層次（如文本或者多邊形）可以分解為更簡單的元素（分別是字符或者線段），然后作為分離的層次以某種次序繪制。但是，這個辦法可能在兩個元素重疊在同一個像素時產(chǎn)生不良的走樣這樣的人工因素。

二維圖形硬件    現(xiàn)代計算機圖形卡幾乎全部采用光柵技術(shù)顯示，把整個屏幕分成像素的矩形點陣，這是因為基于光柵的圖形硬件和矢量圖形硬件相比要低價。多數(shù)圖形硬件對于位圖傳送操作和精靈繪制有內(nèi)部支持。專門用于位圖傳送的協(xié)處理器稱為傳送器芯片。

二維圖形軟件    很多圖形用戶界面（GUI），包括微軟視窗，或者X視窗系統(tǒng)，主要基于二維圖形概念。這些軟件提供了和計算機交互的視覺環(huán)境，并且常常包括某種形式的視窗管理器來幫助用戶從概念上區(qū)分不同的應(yīng)用程序。單個軟件應(yīng)用程序的典型用戶界面也是本質(zhì)上二維的，部分因為最普通的輸入設(shè)備（例如鼠標(biāo)）被限制于做二維的運動。

二維圖形在打印機、繪圖儀、線切割機等等外圍設(shè)備的控制中都很重要。它們也用于早期的視頻游戲和計算機游戲中，并依然在棋牌類游戲中使用，例如接龍、象棋、麻將等等。

二維圖形器或者說繪圖程序是應(yīng)用程序級的軟件，用于圖像、流程圖、插圖等的創(chuàng)建，它采用二維圖形體素的直接操縱實現(xiàn)（通過鼠標(biāo)，繪圖版，或者類似的設(shè)備）。這些軟件一般提供二維幾何體素以及數(shù)字圖像，有些甚至支持過程化模型。插圖通常內(nèi)部表示為分層模型，經(jīng)常會有一個等級結(jié)構(gòu)以方便這些軟件通常輸出圖形文件，其中層和體素分別以其原始形式保存。

圖像器是專用于數(shù)字圖像的操作的，主要通過自由手繪和信號處理操作。他們主要采用直接繪制的范型，其中用戶控制虛擬筆、刷、以及其他自由手動藝術(shù)設(shè)備來將色彩繪于虛擬畫布上。有些圖像器支持多層模型；但是，為了支持圖像模糊這樣的信號處理操作，每個層通常表示為一個數(shù)字圖像。所以，任何軟件提供的幾何體素直接被轉(zhuǎn)換成像素并描到畫布上。這類軟件也包括很多專門化的圖像器——如用于醫(yī)藥、遙感、數(shù)字攝影等。

4、三維計算機圖形

簡單三維圖形繪制

三維計算機圖形（3D Computer Graphics）是計算機和特殊三維軟件幫助下創(chuàng)造的作品，也可指創(chuàng)造這些圖形的過程，或者三維計算機圖形技術(shù)的研究領(lǐng)域及其相關(guān)技術(shù)。

三維計算機圖形和二維計算機圖形的不同之處在于計算機內(nèi)存儲了幾何數(shù)據(jù)的三維表示，用于計算和繪制最終的三維圖像。一般來講，為三維計算機圖形準(zhǔn)備的幾何數(shù)據(jù)與三維建模的藝術(shù)和雕塑及照相類似，而二維計算機圖形的藝術(shù)和繪畫相似。但是，三維計算機圖形依賴于很多二維計算機圖形的相同算法。

計算機圖形軟件中，該區(qū)別有時很模糊；有些二維應(yīng)用程序使用三維技術(shù)來達到特定效果，譬如燈光，而有些主要用于三維的應(yīng)用程序采用二維的視覺技術(shù)。二維圖形可以看作三維圖形的子集。

創(chuàng)建三維計算機圖形的過程可以順序分為三個基本階段：建模，場景布局和繪制。

建模：建模階段可以描述為“確定后面場景所要使用對象的形狀”的過程。有很多建模技術(shù)，包括：構(gòu)造實體幾何，NURBS建模，多邊形建模，細分曲面，隱函數(shù)曲面等建模過程，可能也包括物體表面或材料性質(zhì)（如顏色，熒光度，漫射和鏡面反射分量——經(jīng)常被叫做粗糙度和光潔度，反射特性，透明度或不透明度，或者折射指數(shù)），增加紋理，凹凸映射和其它特征。

建?？赡芤舶ǜ鞣N準(zhǔn)備動畫的三維模型相關(guān)的各種活動。對象可能用一個骨架撐起來，一個物體的中央框架，它可以影響一個對象的形狀或運動。這個對動畫構(gòu)造過程很有幫助，骨架的運動自動決定模型相關(guān)部分。在模具階段，模型也可以給定特定的控制，使得運動的控制更為簡便和直觀，例如用于聲音嘴唇同步的面部表情控制嘴形（音素）。

建?？梢杂靡源藶槟康脑O(shè)計的程序，應(yīng)用的模塊或者某些場景描述語言。在有些情況中，這些階段之間沒有嚴格的區(qū)別；在這些情況下，建模只是場景創(chuàng)建過程的一部分。

場景布局設(shè)置

場景設(shè)置涉及安排一個場景內(nèi)的虛擬物體，燈光，攝像機和其他實體，它將被用于制作一幅靜態(tài)畫面或一段動畫。如果用于動畫，該階段通常采用叫做“關(guān)鍵幀”的技術(shù)，它使得場景內(nèi)復(fù)雜的運動的創(chuàng)建變得簡單。使用關(guān)鍵幀的幫助，而不是必須對于動畫中的每一幀設(shè)定對象的位置、方向或比例，只需設(shè)立一些關(guān)鍵的幀，它們之間的狀態(tài)可以用插值得到。

照明是場景布置中一個重要的方面。就像在實際場景布置的時候一樣，光照是最終作品的審美和視覺質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，因而，也是一項很難掌握的藝術(shù)。光照因素可以對一個場景的氛圍和情緒反映作出重大貢獻，這是為攝影師和舞臺照明師所熟悉的事實。

三角剖分和網(wǎng)格   把物體的表示轉(zhuǎn)換到一個多邊形表示的過程，稱為剖分。該步驟用于基于多邊形的繪制，其中對象從象球面、圓錐面等等這樣的抽象的表示（“體素”），分解成為所謂“網(wǎng)格”，它是互相連接的三角形的網(wǎng)絡(luò)，比較流行，因為它們易于采用掃描線繪制進行繪制。

多邊形表示不是所有繪制技術(shù)都必須的，而在這些情況下，從抽象表示到繪制出的場景的轉(zhuǎn)換不包括剖分步驟。

繪制

繪制是從準(zhǔn)備的場景創(chuàng)建實際的二維景象或動畫的最后階段。這可以和現(xiàn)實世界中在布景完成后的照相或攝制場景的過程相比。

用于諸如游戲或模擬程序這樣的交互式媒體的繪制需要實時計算和顯示，速度約為20到120幀每秒。非交互式媒體（如錄像或電影），繪制的慢得多。非實時繪制使得有限的計算能力得以放大以獲得高質(zhì)量的畫面。復(fù)雜場景的單幀的繪制速度可能從幾秒到一個小時或者更多。繪制完成的幀存貯在硬盤，然后可能轉(zhuǎn)錄到其它媒介，例如電影膠卷或者光盤。然后這些幀以高幀率播放，通常為24，25，或30幀每秒，以達成運動的假象。

最后的作品經(jīng)常會需要達到真實感圖形質(zhì)量，要達到這個目的，很多不同和專門的繪制技術(shù)被發(fā)展出來。這些技術(shù)的范圍包括相當(dāng)非真實感的線框模型繪制技術(shù)，到基于多邊形的繪制，到更高級的技術(shù)，例如：掃描線渲染、光線跟蹤或者輻射著色。

繪制軟件可以模擬例如鏡頭光暈、景深或者運動模糊這樣的視覺效果。這些技術(shù)試圖模擬鏡頭和人眼的光學(xué)特性所造成的視覺現(xiàn)象。這些技術(shù)可以增加場景的真實程度，雖然該效果可能只是鏡頭的人造模擬現(xiàn)象。

為模擬其他自然發(fā)生的效應(yīng)的各種技術(shù)被發(fā)展出來，例如光和不同形式的物質(zhì)的相互作用。這些技術(shù)的例子包括粒子系統(tǒng)（它可以模擬雨，煙，或者火），氣體采樣（用于模擬霧，塵或者其它空間大氣效果），焦散效果（用于模擬光被不均勻折射性質(zhì)的表面所聚焦的現(xiàn)象，例如游泳池底部的光的漣漪）， 還有次表面散射等。

繪制過程計算上很昂貴，特別是所模擬的物理過程復(fù)雜且多樣時。計算機的處理能力逐年上升，使得真實感繪制的質(zhì)量得到提高。生產(chǎn)計算機動畫的電影工作室可能用渲染農(nóng)場來進行及時的繪制。但是，硬件費用的下降使得在家庭計算機系統(tǒng)上產(chǎn)生少量的三維動畫完全成為可能。

繪制器經(jīng)常包含在三維軟件包中，但是有一些繪制系統(tǒng)作為流行三維應(yīng)用程序的插件使用。這些繪制程序的輸出經(jīng)常用于最終電影場景的一小部分。很多材料的層次可以分別繪制，然后采用合成軟件集成到最終的畫面中。

三維計算機圖形中流行的反射繪制技術(shù)包括： 平直著色使用多邊形的法矢量和位置以及光源的位置和強度對于物體的每一個多邊形給出一個明暗值的技術(shù)。Gouraud著色，一個快速的基于頂點和光源的關(guān)系的著色技術(shù)，用于模擬光滑著色的曲面。紋理映射：通過把圖像（紋理）映射到多邊形上來模擬曲面的大量細節(jié)的技術(shù)。Phong著色，用于模擬光滑著色曲面的鏡面反射高光效果，凸凹紋理映射，用法向擾動技術(shù)模擬帶褶皺的曲面。Cel著色，用于模擬手繪動畫的觀感的一種技術(shù)。

平直著色一例：三維繪成的敦刻爾克級戰(zhàn)列艦

5、計算機圖形學(xué)應(yīng)用

計算機圖形學(xué)有著廣泛的應(yīng)用，可簡單概括為如下幾個方面：

計算機輔助設(shè)計與制造。計算機圖形學(xué)被用來進行土建工程，機械結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品設(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。在電子工業(yè)中，計算機圖形學(xué)應(yīng)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。另一個研究領(lǐng)域是基于工程圖紙的三維形體重建，就是從二維信息中提取三維信息，通過對信息進行分類、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(yīng)的三維形體，恢復(fù)形體的點、線、面以及拓撲元素，從而實現(xiàn)形體的重建。

模具CAD/CAM是計算機圖形學(xué)在模具生產(chǎn)方面應(yīng)用的最廣泛、最活躍的領(lǐng)域。由計算機產(chǎn)生成型物體隨時間、壓力、溫度等外部條件變化而產(chǎn)生的圖形，以研究塑流、縮脹、溫度和壓力的分布及結(jié)構(gòu)在負載下的變形，可以在制模前研究確定模具設(shè)計的優(yōu)劣。利用計算機不但提供了逼真場景畫面和可靠數(shù)據(jù)，而且為這些數(shù)據(jù)提供了真正安全、迅速而廉價的條件。

模具制造中各種CNC或DNC自適應(yīng)機床的加工過程的監(jiān)視與控制等，現(xiàn)采用圖形實時顯示與控制，利用計算機輸出各種圖表、餅圖、工作進程圖、倉庫及生產(chǎn)管理的各類統(tǒng)計圖、變化趨勢圖等?？梢栽鰪妼?fù)雜現(xiàn)象的直觀理解，使人一目了然，以便迅速做出決策。

科學(xué)計算可視化。廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，流體力學(xué)，有限元分析，氣象分析等，尤其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可視化有著廣闊的發(fā)展空間，依靠精密機械做腦部手術(shù)是目前醫(yī)學(xué)熱門的課題，而這些技術(shù)實現(xiàn)的基礎(chǔ)則是可視化。當(dāng)我們做腦部手術(shù)時，可視化技術(shù)將醫(yī)用掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成圖像，使得醫(yī)生能夠看到并準(zhǔn)確的判別病人的病患處，然后通過碰撞檢測等技術(shù)實現(xiàn)手術(shù)效果的反饋，幫助醫(yī)生完成手術(shù)。

圖形實時繪制與自然景物仿真。真實感繪制是模擬真實物體的物理量，簡單的說就是物體的形狀、光學(xué)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。自然景物仿真技術(shù)是消除隱藏線及面、體的明暗效應(yīng)、顏色模型、紋理、光線跟蹤、輻射度等方法，自然景物仿真在幾何圖形、廣告影視、指揮控制、科學(xué)計算等方面用范圍很廣。

計算機動畫。動畫也只是由一幅幅靜態(tài)的圖像動態(tài)疊加生成，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，當(dāng)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)鍵幀”，連續(xù)播放時兩個關(guān)鍵幀就被有機的結(jié)合起來。計算機動畫內(nèi)容豐富多彩，生成動畫的方法也多種多樣，比如基于特征的圖像變形、二維形狀混合、軸變形方法、多維自由形體變形等。

計算機藝術(shù)。用計算機從事藝術(shù)創(chuàng)作，計算機圖形學(xué)除廣泛用于藝術(shù)品的制造外，還成功的用來制造廣告、動畫片甚至電影。目前國內(nèi)外不少人士正在研制人體模擬系統(tǒng)，這將會使得在不久的將來把歷史上早已逝去的著名影視明星重新搬上新的影視片成為可能。

經(jīng)過多年眾多學(xué)者的研究與發(fā)展、計算機圖形技術(shù)現(xiàn)已形成相對獨立和完整的學(xué)科領(lǐng)域。目前，圖形技術(shù)已廣泛應(yīng)用于人類生活的許多領(lǐng)域，如：電影電視、文化教育、機械制造、建筑設(shè)計、醫(yī)學(xué)等，一切都是圍繞著圖形的產(chǎn)生、顯示、變換、輸出等幾個基本環(huán)節(jié)。這些改變著人們傳統(tǒng)的生產(chǎn)生活方式、思維方式，隨著微機、工作站、各種分布式系統(tǒng)的發(fā)展、各種圖形軟件的推陳出新，計算機圖形技術(shù)將在機械領(lǐng)域和其他新領(lǐng)域有著更廣闊的發(fā)展前景。

6、計算機圖形學(xué)的發(fā)展趨勢

從計算機圖形學(xué)學(xué)科來看，有以下幾個發(fā)展趨勢：

(1)   與圖形硬件發(fā)展緊密結(jié)合，突破實時高真實感、高分辨率渲染的技術(shù)難點

圖形渲染是整個圖形學(xué)發(fā)展的核心。在計算機輔助設(shè)計，影視動漫以及各類可視化應(yīng)用中都對圖形渲染結(jié)果的高真實感提出了很高的要求。同時，由于顯示設(shè)備的快速發(fā)展，人們要求能提供高清分辨率（1920×1080），進一步要能達到數(shù)字電影所能播放的4K分辨率(4096×2060)；色彩的動態(tài)范圍也希望從原來每個通道的8Bit提高到10bit及以上。雖然已有的圖形學(xué)方法已經(jīng)能較為真實地再現(xiàn)各類視覺效果，然而為了能提供高分辨率高動態(tài)的渲染效果，必須消耗非常可觀的計算能力。一幀精美的高清分辨率圖像，單機渲染往往需要耗費數(shù)小時至數(shù)十小時。為此，傳統(tǒng)方法主要采用分布式系統(tǒng)，將渲染任務(wù)分配到集群渲染節(jié)點中。即使這樣，也需要使用上千臺計算機，耗費數(shù)月時間才能完成一部標(biāo)準(zhǔn)90分鐘長度的影片渲染。 基于GPU的圖形硬件技術(shù)得以迅速發(fā)展，已經(jīng)能在一個GPU芯片上采用64nm工藝集成上千個采用SIMD（單指令多數(shù)據(jù)流）架構(gòu)的通用計算核心。而2009年底，主流圖形硬件商nVidia和AMD以及Intel還會推出基于MIMD（多指令多數(shù)據(jù)流）計算核心的GPU芯片用于圖形加速繪制，以支持DirectX 11以及OpenGL 3.0圖形標(biāo)準(zhǔn)。最新的圖形學(xué)研究，采用GPU技術(shù)可以充分利用計算指令和數(shù)據(jù)的并行性，已可在單個工作站上實現(xiàn)百倍于基于CPU方法的渲染速度。 然而已知的實現(xiàn)方法，其實現(xiàn)效果還較為初步，無法實現(xiàn)復(fù)雜的視覺特效，離實時的高真實感渲染還有很大差距。其主要原因是：（i）缺乏良好的數(shù)據(jù)組織方法，基于GPU方法由于硬件的架構(gòu)原因，數(shù)據(jù)組織無法如同CPU方法一樣的組織，因此對復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)仍無法得到很好地支持。（ii）缺乏標(biāo)準(zhǔn)高效的GPU高層編程語言、編譯器以及相應(yīng)調(diào)試工具,（iii）由于以上兩個問題，無法完整地實現(xiàn)適于電影渲染制作的Render Man標(biāo)準(zhǔn)，以及其他各類基于物理真實感的渲染算法。因此，如何充分利用GPU的計算特性，結(jié)合分布式的集群技術(shù)，解決以上這些難題，從而來構(gòu)造低功耗的渲染服務(wù)是圖形學(xué)的未來發(fā)展趨勢之一。

（2） 研究和諧自然的三維模型建模方法

三維模型建模方法是計算機圖形學(xué)的重要基礎(chǔ)，是生成精美的三維場景和逼真動態(tài)效果的前提。然而，傳統(tǒng)的三維模型方法，由于其主要思想方法來源于CAD中基于參數(shù)式調(diào)整的形狀構(gòu)造方法，建模效率低而學(xué)習(xí)門檻高，不易于普及和讓非專業(yè)用戶使用。而隨著計算機圖形技術(shù)的普及和發(fā)展，各類用戶都提出了高效的三維建模需求，因此研究和諧自然的三維建模方法是發(fā)展的一個重要趨勢。采用合適的交互手段，來進行三維模型的快速構(gòu)造，特別是應(yīng)用于概念設(shè)計和建筑設(shè)計領(lǐng)域已引起了國際同行的廣泛關(guān)注。由于筆式或草圖交互方式，非常符合人類原有日常生活中的思考習(xí)慣，是研究的重點問題。其難點是根據(jù)具體的應(yīng)用領(lǐng)域，與視覺方法相融合，如何設(shè)計合理的交互語匯以及對應(yīng)的過程式“識別-構(gòu)造”方法。 與此相關(guān)的一個問題是基于規(guī)則的過程式建模方法。由于Google Earth等數(shù)字地圖信息系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，對于地圖之上的建筑物信息等存在迫切需求。為此，研究者希望通過激光掃描或者視頻等獲取方式獲得相關(guān)信息后能迅速地重建出相關(guān)三維模型信息。然而單純的重建方式存在精度低、穩(wěn)定性差和運算量大等不足，遠未能滿足實際的需求。因此，最近的研究中，傾向于采用基于規(guī)則的過程式建模方法相結(jié)合來嘗試高效地構(gòu)造出三維建筑模型，以及相關(guān)的樹木等結(jié)構(gòu)化場景。 三維建模方法中的另一主要問題是研究合適的曲面表達方法，以適于各類圖形學(xué)的應(yīng)用。在CAD的主流方法是采用非均勻有理B-樣條方法，然而此類方法無法很好解決非正規(guī)情況下的曲面拼合，不甚適合于圖形學(xué)。為此，細分曲面方法，作為一種離散迭代的曲面構(gòu)造方法，由于其構(gòu)造過程樸素簡單以及實現(xiàn)容易，是一個方興未艾的研究熱點，而且極有可能逐步取代NURBS方法。主要需要解決的問題有：（i）奇異點處的C連續(xù)性的有效構(gòu)造方法；(ii) 與GPU圖形硬件相結(jié)合的曲面處理方法。

（3） 利用日益增長的計算性能，實現(xiàn)具有高度物理真實的動態(tài)仿真

高度物理真實感的動態(tài)模擬，包括對各種形變、水、氣、云、煙霧、燃燒、爆炸、撕裂、老化等物理現(xiàn)象的真實模擬，是計算機圖形學(xué)一直試圖達到的目標(biāo)。這一技術(shù)是各類動態(tài)仿真應(yīng)用的核心技術(shù)，可以極大地提高虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的沉浸感。然而高度物理真實性模擬，主要受限于計算機的處理能力和存儲容量限制，不能處理很高精度的模擬，也無法做到很高的響應(yīng)速度。所幸的是，GPU技術(shù)帶來了革新這一技術(shù)的可能。充分利用GPU硬件內(nèi)部的并行性，研究者開始普遍關(guān)注基于GPU的各類數(shù)學(xué)物理方程求解極其相關(guān)的有限元加速計算方法。主要研究關(guān)注焦點還是單個物理方法的GPU實現(xiàn)，隨著計算機一些高新技術(shù)發(fā)展，相信會為未來高度物理真實的動態(tài)模擬提供新的研究機遇。

（4） 研究多種高精度數(shù)據(jù)獲取與處理技術(shù)，增強圖形技術(shù)的表現(xiàn)力度

計算機圖形的真實感畫面與逼真動態(tài)效果，有效的解決途徑是采用各種高精度手段獲取所需的幾何、紋理以及動態(tài)信息。為此，研究者正在考慮對各個尺度上的信息進行獲取。小到物體表面的微結(jié)構(gòu)、紋理屬性和反射屬性通過研制特殊裝置予以捕獲與處理，或采用一組同攝像機來獲取演員的幾何形體與動態(tài)，大到采用激光掃描獲取整幢建筑物的三維數(shù)據(jù)。這里主要研究的三個問題是：（a）圖形獲取設(shè)備的設(shè)計與實現(xiàn)，這是與計算機視覺、硬件、軟件相關(guān)的系統(tǒng)工程研究問題；（b）由于一般獲取的數(shù)據(jù)均極為龐大且附加了各種噪聲與冗余信息，如何進行處理與壓縮以適合于圖形學(xué)應(yīng)用是主要問題；（c）一旦獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)，如何進行重用是一個主要課題，因此使得基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，與機器學(xué)習(xí)相交叉的圖形學(xué)方法是最近的研究熱點。

（5） 計算機圖形學(xué)與圖像視頻處理技術(shù)的結(jié)合

家用數(shù)字相機和攝像機的日益普及，對于數(shù)字圖像與視頻數(shù)據(jù)處理成為了計算機研究中的熱點問題。而計算機圖形學(xué)技術(shù)，恰可以與這些圖像處理，視覺方法相交叉融合，來直接地生成風(fēng)格化的畫面，實現(xiàn)基于圖像三維建模，以及直接基于視頻和圖像數(shù)據(jù)來生成動畫序列。當(dāng)計算機圖形學(xué)正向地圖像生成方法和計算機視覺中逆向地從圖像中恢復(fù)各種信息方法相結(jié)合，可以帶來無可限量的想象空間，構(gòu)造出很多視覺特效來，最終用于增強現(xiàn)實、數(shù)字地圖、虛擬博物館展示等多種應(yīng)用中去。

（6） 從追求絕對的真實感向追求與強調(diào)圖形的表意性轉(zhuǎn)變

計算機圖形學(xué)在追求真實感方向的研究發(fā)展已進入一個發(fā)展的平臺期，基本上各種真實感特效在不計較計算代價的前提下均能較好得以重現(xiàn)。然而，人們創(chuàng)造和生成圖片的終極目的不僅僅是展現(xiàn)真實的世界，更重要的是表達所需要傳達的信息。例如，在一個所需要描繪的場景中每個對象和元素都有其相關(guān)需要傳達的信息，可根據(jù)重要度不同可采用不同的繪制策略來進行分層渲染再加以融合，最終合成具有一定表意性的圖像。為此，研究者已經(jīng)開始研究如何與圖像處理、人工智能、心理認知等領(lǐng)域相結(jié)合，探索合適表意性圖形生成方法。而這一技術(shù)趨勢的興起，實際上延續(xù)了已有的非真實感繪制研究中的若干進展，必將在未來有更多的發(fā)展。

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