計算機圖形學論文范文分享
隨著信息技術的不斷進步和完善，計算機在實際生活中的應用也越來越廣泛，下面是小編為大家整理的，希望對大家有幫助。
實現逼近細分模式的統(tǒng)一分解架構
【摘要】 多邊形是計算機圖形學的一個普遍的建模原語，為渲染多邊形而量身度制的圖形硬件也已經成為現實。然而，在實現高度分g-逼近光滑曲面時，使用多邊形建模存在很多問題。這是因為這樣的逼近往往含有數十萬的多邊形，使得設計者難以自由地控制形狀。細分則是解決這個難題的新技術，細分曲面的生成也正被廣泛地應用于計算機圖形研究和幾何建模應用，并將成為下一代幾何建模原語。本文研究了使用具有分解因子的統(tǒng)一架構生成以逼近模式為例的多邊形網格細分曲面建模，并且實現了基于四邊形/三角形混合網格的細分。
關鍵詞 細分曲面逼近分解 多邊形網格修正因子
1 引 言
幾何造型是計算機圖形學研究的核心內容之一。它在處理中需要進行復雜的計算，并且消耗大量的計算資源，而且由于對計算機圖形顯示的真實性、實時性以及交互性等方面要求的日益增長，尋求快速幾何造型方法一直是研究的熱點 。細分算法是用不斷細分的多邊形網格在允許的誤差范圍內來代替光滑曲線曲面的算法技術。細分算法于1978年由Cat•mull和Clark提出 J，以后出現了許多細分格式，如Loop格式⋯ 、四點格式等。通常有兩種典型的網格分裂方法：頂點分裂和面分裂。Catmul1.Clark細分采用基于四邊形網格的面分裂，而Loop曲面(1987年)，蝶形曲面(1990年)是基于三角形網格的。對采用面分裂的模式，如果其 頂點位置保持不變，則稱為插值細分模式，其它稱為逼近細分模式。以細分為特征的離散造型方法只存儲離散點列，適合計算機處理的特點，可以高效地提高處理速度，而且對復雜形體比較容易操縱和繪制，因此細分方法將成為下一代造型系統(tǒng)的主要方法。本文闡述在一個使用修正因子的統(tǒng)一架構下實現多種逼近細分模式和新型的混合多邊形網格細分模式，并且對其進行了改進，使之較好地適應混合多邊形網格的思想。本文把逼近細分模式分為利用拓撲規(guī)則的線性細分和利用幾何規(guī)則的光滑化這兩個步驟，并且為了光滑度，又增加了采用修正因子進行調整的步驟。本文的算法思想著重關注實現的簡便性和高效性，不需要復雜的數據結構或網格遍歷算法而使用由頂點列表和頂點索引序列構成的顯式形式表示曲面。這種索引的數據結構由于其便于多邊形渲染而在圖形學中應用廣泛。
2 四邊形網格的分解細分模式
為了對任意多邊形網格曲面都能進行線性細分，本文對四邊形網格的每個面采用了Catmul1.Clark分裂方法的線性細分。即對每個面先在其形心及各邊中點處插入頂點，再把其每條邊的中點和該面的形心相連。這樣，每個m邊多邊形面就被分解為m個四邊形了。由于多邊形網格的拓撲和幾何表示特性，本文把各新邊點的索引號儲存在一張哈希表中，該表的鍵值為該邊兩端點的索引號。線性細分結束之后便對新生成的四邊形網格進行光滑/平均處理。對每個頂點的新位置調整為與該頂點鄰接各面形心的平均位置。圖1為把各形心平均后的綜合規(guī)則。在處理完網格中所有的四邊形后，再根據頂點價數把哈希表中各項進行劃分使光滑化模板中的系數歸一，并能使細分模式滿足仿射不變性。最后，為了減少外形上的不光滑性，本文進一步調整網格中的頂點位置
3 三角形網格的分解細分模式
由于網格中的多邊形面都可以被三角形化，所以三角形網格的線性細分可以使用哈希表在每條邊上插入一個新頂點，把每個三角形分解為四個小三角形。三角形網格的光滑化規(guī)則和
四邊形網格相似，仍是對網格中的每個頂點，把其位置調整為與之鄰接各面形心之平均處。所不同的是，本文還使用了如圖2所示的帶權重的形心計算法，即對每個三角形，把需要調整位置
的頂點的權重設為1/4，而其他兩個頂點的權重為3/8。與之相對應的四邊形網格的形心計算則是均勻的，三角形形心的計算則是非均勻的，而且權重與三角形中哪個頂點需要調整有關系。
4 混合多邊形網格的分解細分模式
上文所述的四邊形細分曲面和三角形細分曲面有一個共同的缺陷：它們都只能對完全由四邊形或三角形的曲面進行細分。然而，把這兩種使用廣泛的細分原語如此割裂是完全不必要的。一些曲面，比如柱面和環(huán)面適合用四邊形參數化，而另一些曲面則更適合使用三角形。為了解決這個問題，本文改進了Stam和Loop的方法 ，并將分解的細分架構推廣到混合四邊形/三角
形細分模式上，對網格中的所有四邊形能夠生成Catmull—Clark細分曲面，且對網格中的三角形面生成修正的Loop細分曲面，并且能得到同時包含四邊形和三角形的光滑的曲面。本文的方法同樣包含線性細分和平均步驟。其線性細分無論對四邊形還是三角形都與上文的兩個方法相同。其光滑步驟也與上文基本相同，只是，對正則頂點而言，各形心的權重是和其所在的多邊形在所需調整位置頂點相鄰各多邊形中的角度有關。比如，對四邊形細分的正則情況是有四個多邊形包含一個頂點，權重則為~r/2。與此類似，三角形細分的正則情況是六個三角形包含一個頂點，則權重為仃/3。最后，還要把各頂點相聯的多邊形的權重進行歸一化處理。對于那些僅由四邊形或三角形包含的頂點，以上處理得到的效果和未經修正的四邊形細分或三角形細分相同。另外，在三角形和四邊形相遇的邊界處，經過線性細分之后會產生如圖所示的正則邊界。如圖的右部是平均規(guī)則。
作者分析了沿邊界曲面的光滑性為c 連續(xù)。由這個正則邊界，作者把基于混合網格細分推廣到包含任意數目四邊形和三角形的頂點。本文所提出的基于混合網格的細分在對奇異頂點的處理上與他們的不同，而在規(guī)則頂點的處理上與之相同，因此在該邊上的光滑性是一樣的。由于本文的四邊形/_--角形細分方法在所有的三角形面上生成三角形平均，因此對于如圖中僅和三個三角形相鄰的頂點產生的效果并不光滑。為了能生成處處光滑的曲面，本文采用分段函數形式的修正因子。其中Ⅳ。是頂點相鄰的四邊形數目， 是頂點相鄰的三角形數目，Ⅳ0/ 是頂點相鄰的四邊形和三角形的比值。這樣的修正不僅能實現光滑曲面而且對僅由四邊形構成的模型產生Cat.mull—Clark曲面，對僅由三角形構成的模型則產生Loop曲面的變形。最后，我們利用Visual C++開發(fā)環(huán)境以及OpenGL開放式圖形庫技術 ，設計了針對VRML文件格式 的三維細分曲面類庫，其中有三維網格類，向量類，材質類，場景類，顏色類以及VRML文件類并實現本文的混合四邊形/三角形細分模式
5 結束語
本文主要研究了由四邊形、三角形或它們的混合網格組成的曲面的一些細分方法。把細分方法分成兩個步驟，得到了一個不需要任何復雜數據結構的應用細分的簡單方法。需要指出的是，本文所討論的光滑步驟完成的僅是逼近式細分，而并沒有實現對原始曲面的插值。插值細分方法實現了對原始曲面上某些頂點的插值，能夠給使用者提供一種了解曲面最終形狀的直覺。但是，插值細分曲面僅能滿足c 連續(xù)而且也不擁有平均方法所提供的令人羨慕的特性。不僅如此，本文還嘗試著給光滑曲面細分添加能夠增加正則不連續(xù)特征的性能，比如：折痕邊和尖點。隨著研究的深入，利用VRML和OpenGL，這種新型細分方法會在細分建模中有更廣的應用。
淺談計算機圖形學的相關技術與發(fā)展
作者： 羅濤
【摘要】隨著信息技術的不斷進步和完善，計算機在實際生活中的應用也越來越廣泛，其中代表的就是計算機圖形學的應用。計算機圖形學是集圖形原理、方法和技術于一體的一門學科，在實際的應用中解決了很多的問題。計算機圖形學中包含了計算機應用技術、可視化技術、造型技術等等，近幾年計算機圖形學有了進一步的發(fā)展。文中會介紹計算機圖形學的相關技術以及發(fā)展的相關內容。
【關鍵詞】計算機圖形學;相關技術;發(fā)展
一、計算機圖形學的相關技術介紹
(一)數學基礎技術
計算機圖形學與數學基礎知識有很緊密的聯系，一定程度上是數學基礎支撐著整個計算機圖形學的發(fā)展。數學基礎技術內容主要包括曲線曲面、幾何造型、集合等等，其中最關鍵的曲線曲面理論中包含很多的知識，曲線曲面理論利用自身的優(yōu)勢很好地解決了實際存在的一些數學問題，受到廣泛的認可和應用。但是有的理論知識還處在不斷完善的階段，還不能真正投入到實際的應用中。而分形幾何學的引進促進了計算機圖形學的創(chuàng)新和發(fā)展，原本的圖形學只能表現一些簡單的事物，由于分形幾何學的引進，可以體現各種形態(tài)的事物，擴寬了圖形學的發(fā)展領域。
(二)計算機科學技術
計算機圖形學與計算機科學技術肯定有密切的關聯，計算機圖形學是在計算機技術發(fā)展的環(huán)境下產生。因此，圖形學的發(fā)展一定要依靠先進的計算機技術才能實現。計算機的硬盤、顯示器、分辨率甚至于計算機本身的性能都會直接影響圖形學的發(fā)展。計算機圖形學現在發(fā)展的重點放在圖形的軟件設計、圖形數據結構以及數據庫技術上，計算機科學技術是圖形學發(fā)展的基礎和前提。
(三)動畫技術
計算機動畫技術是計算機圖形學應用得最為廣泛的一種技術，現在很多的動畫視頻以及造型都是通過動畫技術實現。計算機動畫技術簡單地說就是利用計算機本身的優(yōu)勢，將原本靜止的畫面生動化和真實化。它可以利用鼠標隨意移動圖形的位置，還可以改變畫面的大小和色彩，根據設計要求來調整原本的畫面，設計出不一樣的視覺效果，現在很多的平面廣告技術主要依靠動畫技術實現，帶給受眾非同尋常的視覺體驗，吸引大家的關注。
(四)可視化技術
可視化技術一般被稱為數據的可視性，普遍用于氣象數據的分析、海洋數據的分析以及地質勘探的數據分析等等，利用計算機將數據和圖形結合在一起，讓數據以更加直觀的方式呈現出來。圖形學的可視化技術只需要輸入相關的數據就可以形成相應的圖形以及數據分析，現在圖形學的可視化技術開始應用到醫(yī)學圖像的處理中，但是由于受到技術條件的限制還不能有效分析醫(yī)學數據。
(五)虛擬現實的技術
虛擬現實的技術是指將屏幕中的畫面以一種真實地形式呈現出來，讓觀眾感覺處在現實生活中一樣，現在我們觀看的3D電影大多利用的是這種技術。計算機根據人類肉眼觀看習慣和規(guī)律來設置相應的畫面，從不同的角度滿足觀眾的視覺需要，讓觀眾在不同場景的轉換中恍如在不同時空中穿梭。這種技術最大的優(yōu)勢就是將原本靜止的畫面以最生動真實的形式表現出來，給靜止的畫面注入了生命。
二、計算機圖形學的發(fā)展趨勢
(一)計算機動畫設計
早在20世紀60年代，計算機圖形學就有了一定的發(fā)展，給我們的生活帶來了很大的改變，但是由于受到計算機技術的限制，實際應用領域受到限制。計算機動畫追求的是畫面的生動性和連續(xù)性，將一些獨立靜止的畫面用不同的幀串聯在一起，形成一幅生動的動畫作品。計算機圖形利用動畫技術被廣泛地應用到游戲、影視以及廣告作品中，設計的動畫場面不僅很好地將動作與情節(jié)結合在一起，帶給觀眾巨大的視覺沖擊，還能利用動畫設計將整部作品的意義升華。例如大家十分熟悉的《阿凡達》這部作品就是利用計算機動畫技術帶給觀眾不一樣的感受，不僅是好萊塢大片，很多的動畫片也使用了動畫技術，讓小朋友在動畫片中感受樂趣。
(二)教學應用
近幾年計算機圖形學在教學中的應用也越來越廣泛，生動的圖形能夠幫助學生更好地消化知識點。計算機圖形學可以將教材上復雜的知識點以生動形象的圖像直觀地呈現出來，這樣的教學方式不僅能夠減輕老師和學生的壓力，還能很好地激發(fā)學生學習的興趣，加深對知識點的認識和理解。例如，利用計算機圖形學的相關技術形成數學模型或者是物理模型，學生通過對模型的學習掌握相關的知識點。
(三)圖形顯示
計算機圖形學依靠本身的可視化技術可以將數據和圖形有效地結合在一起，圖形顯示是計算機圖形學發(fā)展的一個主要方向。現在很多的氣象圖、地形圖以及資源分布圖中都使用了圖形學，相關部門利用這些圖形能夠在最短的時間內掌握想要了解的信息，有助于決策的科學性和合理性?，F在很多行業(yè)的發(fā)展都要借助這些精密的地圖，特別是工程建設以及旅游資源開發(fā)等等，通過這些圖形顯示制定最佳的工作方案。
(四)網絡生成技術
網絡生成技術是今后發(fā)展的主要方向，可以分為結構化網格和非結構化網格兩種形式。
1、結構化網格
結構化網格的方式又可以稱為映射法，這種方法是利用映射的原理和映射函數等將網格映射到一個獨立的空間中，再利用多種方式將網格與物體本身相脫離，最后形成一個全新的物體。
2、非結構化網格
生成非結構化網格的方式有很多種，相比較結構化網格而言更加方便，在實際的應用中也會更加實用。生成非結構化網格的方法主要有布點、分解、柵格，其中應用得最多的就是布點以及柵格，非結構化網格今后的發(fā)展方向是全自動網格劃分以及三維網格?，F在二維網格的發(fā)展已經相對成熟和穩(wěn)定，三維網格也開始投入研究和運用，這些都為全自動網格的劃分方式提供了有利的條件，全自動網格劃分方式的形成，可以大大提高工作效率。
三、總結
科學技術的發(fā)展很大程度上推動了計算機圖形學的發(fā)展，同時圖形學的研究和應用也帶動了相關學科的進步和完善，隨著圖形學在社會經濟發(fā)展中的作用越來越明顯，它已經成為當代社會進步和發(fā)展不可缺少的一部分。但是在實際應用中還是要正確對待圖形學，根據自身的具體情況有針對性地運用圖形學的相關技術，實現社會的健康發(fā)展。
參考文獻
[1]馬麗莉，羅坤，劉以成.計算機圖形學相關專利技術綜述[J].電視技術，2013(2).
[2]楊敏.計算機圖形學與圖形圖像處理技術淺析[J].電子制作，2013(8).
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