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探討計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在實(shí)踐中的應(yīng)用
摘要：本文對計(jì)算機(jī)圖形在實(shí)踐中的應(yīng)用進(jìn)行了論述。
關(guān)鍵詞：圖形學(xué)；發(fā)展；應(yīng)用
1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展
計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是利用計(jì)算機(jī)研究圖形的表示、生成、處理，顯示的科學(xué)。經(jīng)過30多年的發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)已成為計(jì)算機(jī)科學(xué)中最為活躍的分支之一，并得到廣泛的應(yīng)用。1950年，第一臺(tái)圖形顯示器作為美國麻省理工學(xué)院（MIT）旋風(fēng)一號(hào)——（Whirlwind）計(jì)算機(jī)的附件誕生．該顯示器用一個(gè)類似示波器的陰極射線管（CRT）來顯示一些簡單的圖形。在整個(gè)50年代，只有電子管計(jì)算機(jī)，用機(jī)器語言編程，主要應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算，為這些計(jì)算機(jī)配置的圖形設(shè)備僅具有輸出功能。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)處于準(zhǔn)備和醞釀時(shí)期，并稱之為：“被動(dòng)式”圖形學(xué)。
2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在曲面造型技術(shù)中的應(yīng)用
曲面造型技術(shù)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，主要研究在計(jì)算機(jī)圖象系統(tǒng)的環(huán)境下對曲面的表示、設(shè)計(jì)、顯示和分析。它肇源于飛機(jī)、船舶的外形放樣工藝，經(jīng)三十多年發(fā)展，現(xiàn)在它已經(jīng)形成了以Bezier和B樣條方法為代表的參數(shù)化特征設(shè)計(jì)和隱式代數(shù)曲面表示這兩類方法為主體，以插值（Intmpolation）、擬合（Fitting）、逼近（Ap-proximation）這三種手段為骨架的幾何理論體系。隨著計(jì)算機(jī)圖形顯示對于真實(shí)性、實(shí)時(shí)性和交互性要求的日益增強(qiáng)，隨著幾何設(shè)計(jì)對象向著多樣性、特殊性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜性靠攏的趨勢的日益明顯，隨著圖形工業(yè)和制造工業(yè)邁向一體化、集成化和網(wǎng)絡(luò)化步伐的日益加快，隨著激光測距掃描等三維數(shù)據(jù)采樣技術(shù)和硬件設(shè)備的日益完善，曲面造型在近幾年來得到了長足的發(fā)展。
2．1 從研究領(lǐng)域來看，曲面造型技術(shù)已從傳統(tǒng)的研究曲面表示、曲面求交和曲面拼接，擴(kuò)充到曲面變形、曲面重建、曲面簡化、曲面轉(zhuǎn)換和曲面位差。
曲面變形（Deformation or Shape Blending）：傳統(tǒng)的非均勻有理B樣條（NURBS）曲面模型，僅允許調(diào)整控制頂點(diǎn)或權(quán)因子來局部改變曲面形狀，至多利用層次細(xì)化模型在曲面特定點(diǎn)進(jìn)行直接操作；一些簡單的基于參數(shù)曲線的曲面設(shè)計(jì)方法，如掃掠法（Sweeping），蒙皮法（skinning），旋轉(zhuǎn)法和拉伸法，也僅允許調(diào)整生成曲線來改變曲面形狀。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫業(yè)和實(shí)體造型業(yè)迫切需要發(fā)展與曲面表示方式無關(guān)的變形方法或形狀調(diào)配方法，于是產(chǎn)生了自由變形（fFD）法，基于彈性變形或熱彈性力學(xué)等物理模型（原理）的變形法，基于求解約束的變形法，基于幾何約束的變形法等曲面變形技術(shù)和基于多面體對應(yīng)關(guān)系或基于圖象形態(tài)學(xué)中Minkowski和操作的曲面形狀調(diào)配技術(shù)。
2．2 從表示方法來看，以網(wǎng)格細(xì)分（Sub-division）為特征的離散造型與傳統(tǒng)的連續(xù)造型相比，大有后來居上的創(chuàng)新之勢。而且，這種曲面造型方法在生動(dòng)逼真的特征動(dòng)畫和雕塑曲面的設(shè)計(jì)加工中如魚得水，得到了高度的運(yùn)用。
3 在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM）的應(yīng)用
這是一個(gè)最廣泛，最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)有力的計(jì)算功能和高效率的圖形處理能力，輔助知識(shí)勞動(dòng)者進(jìn)行工程和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與分析，以達(dá)到理想的目的或取得創(chuàng)新成果的一種技術(shù)。它是綜合了計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程設(shè)計(jì)方法的最新發(fā)展而形成的一門新興學(xué)科。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展是與計(jì)算機(jī)軟件、硬件技術(shù)的發(fā)展和完善，與工程設(shè)計(jì)方法的革新緊密相關(guān)的。采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已是現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)的迫切需要。CAD技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面，其主要的應(yīng)用領(lǐng)域有以下幾個(gè)方面。
3.1 制造業(yè)中的應(yīng)用。CAD技術(shù)已在制造業(yè)中廣泛應(yīng)用，其中以機(jī)床、汽車、飛機(jī)、船舶、航天器等制造業(yè)應(yīng)用最為廣泛、深入。眾所周知，一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程要經(jīng)過概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化、仿真模擬等幾個(gè)主要階段。同時(shí)，現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)將并行工程的概念引入到整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，在設(shè)計(jì)階段就對產(chǎn)品整個(gè)生命周期進(jìn)行綜合考慮。當(dāng)前先進(jìn)的CAD應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)將設(shè)計(jì)、繪圖、分析、仿真、加工等一系列功能集成于一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)�，F(xiàn)在較常用的軟件有UGII、I-DEAS、CATIA、PRO/E、Euclid等CAD應(yīng)用系統(tǒng)，這些系統(tǒng)主要運(yùn)行在圖形工作站平臺(tái)上。在PC平臺(tái)上運(yùn)行的CAD應(yīng)用軟件主要有Cimatron、Solidwork、MDT、SolidEdge等。由于各種因素，目前在二維CAD系統(tǒng)中Autodesk公司的AutoCAD占據(jù)了相當(dāng)?shù)氖袌觥?
3．2工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。CAD技術(shù)在工程領(lǐng)域巾的應(yīng)用有以下幾個(gè)方面：①建筑設(shè)計(jì)，包括方案設(shè)計(jì)、三維造型、建筑渲染圖設(shè)計(jì)等。②結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括有限元分析、結(jié)構(gòu)平面設(shè)計(jì)、框/排架結(jié)構(gòu)計(jì)算和分析等。③設(shè)備設(shè)計(jì)，包括水、電、暖各種設(shè)備及管道設(shè)計(jì)。④城市規(guī)劃、城市交通設(shè)計(jì)，如城市道路、高架、輕軌等。⑤市政管線設(shè)計(jì)，如自來水、污水排放、煤氣等。⑥交通工程設(shè)計(jì)，如公路、橋梁、鐵路等。⑦水利工程設(shè)計(jì)，如大壩、水渠等。⑧其他工程設(shè)計(jì)和管理，如房地產(chǎn)開發(fā)及物業(yè)管理、工程概預(yù)算等。
3．3 電氣和電子電路方面的應(yīng)用。CAD技術(shù)最早曾用于電路原理圖和布線圖的設(shè)計(jì)工作。目前，CAD技術(shù)已擴(kuò)展到印刷電路板的設(shè)計(jì)（布線及元器件布局），并在集成電路、大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)制造中大顯身手，并由此大大推動(dòng)了微電子技術(shù)和計(jì)算及技術(shù)的發(fā)展。
3．4 仿真模擬和動(dòng)畫制作。應(yīng)用CAD技術(shù)可以真實(shí)地模擬機(jī)械零件的加工處理過程、飛機(jī)起降、船舶進(jìn)出港口、物體受力破壞分析、飛行訓(xùn)練環(huán)境、作戰(zhàn)方針系統(tǒng)、事故現(xiàn)場重現(xiàn)等現(xiàn)象。在文化娛樂界已大量利用計(jì)算機(jī)造型仿真出逼真的現(xiàn)實(shí)世界中沒有的原始動(dòng)物、外星人以及各種場景等，并將動(dòng)畫和實(shí)際背景以及演員的表演天衣無
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