《计算机图形学》结课作业.doc

学校代码：10128学号：计算机图形学结课作业（题目：计算机艺术学生姓名：学院：理学院系别：数学系专业：信息与计算科学班级：信计11-1任课教师： 二一四年十一月 摘 要 科技在社会发展中扮演着不可或缺的角色，计算机已经深深地影响着我们生活的方方面面，改变着我们的生活方式，改变着我们的文化，也包括在国内并不大众的艺术领域，计算机艺术学科是数字化时代新兴的艺术形式，新的热点随计算机软硬件的发展不断涌现，技术的发展为艺术家认识和表现世界提供更多更新的方式，同时，艺术的创新也促进社会的发展。我们都已经习惯了信息时代高速效率带来的便利，而人与计算机之间的交互也是决定计算机领域发展的一个重要因素，将现实生活直观的展示在计算机中，使人类更具体的了解我们的生活。所以计算机图形艺术的研究更更是尤为重要。关键词：计算机 艺术 学科 美学引 言1第一章 计算机图形学原理21.1计算机图形学概述21.2计算机图形学的内容21.3计算机图形学的前景4第二章 计算机艺术82.1计算机与艺术82.2计算机艺术学科的特点82.2计算机艺术学科的发展趋势9参考文献12引 言 人们用计算机进行图形设计和制作，应用于摄影、装潢、广告各个领域，将科技与美术设计完美的结合起来，而日益更新的设计软件正逐步取代设计师手中的笔、颜料、及喷枪。给我们展示出区别于传统设计的全新形象。且具有传统设计所无法比拟的强大优越性。计算机艺术设计是融科学、艺术、实践为一体的新型应用技术。它是以计算机科技为基础，设计艺术与计算机技术相结合的一种艺术创作手段。它是一门融科学性、艺术性、技术性，创造现代艺术产品的综合性学科，通过计算机来表达艺术语言和设计思想。计算机艺术设计得益于计算机图形学和计算机硬件系统的发展。计算机艺术设计开阔了设计师的视野，提高了设计的表现质量。第一章 计算机图形学原理1.1计算机图形学概述 简单地说，计算机图形学的主要研究内容就是研究如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。图形通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、线宽等非几何属性组成。从处理技术上来看，图形主要分为两类，一类是基于线条信息表示的，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等，另一类是明暗图，也就是通常所说的真实感图形。计算机图形学一个主要的目的就是要利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形。为此，必须创建图形所描述的场景的几何表示，再用某种光照模型，计算在假想的光源、纹理、材质属性下的光照明效果。所以计算机图形学与另一门学科计算机辅助几何设计有着密切的关系。事实上，图形学也把可以表示几何场景的曲线曲面造型技术和实体造型技术作为其主要的研究内容。同时，真实感图形计算的结果是以数字图象的方式提供的，计算机图形学也就和图像处理有着密切的关系。图形与图像两个概念间的区别越来越模糊，但还是有区别的：图像纯指计算机内以位图形式存在的灰度信息，而图形含有几何属性，或者说更强调场景的几何表示，是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成的。计算机图形学的研究内容非常广泛，如图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法、非真实感绘制，以及计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。1.2计算机图形学的内容 如何在计算机中表示图形,以及如何利用计算机进行图形的生成、处理和显示的相关原理与算法，构成了计算机图形学的主要研究内容。从处理技术上来看，图形主要分为两类，一类是由线条组成的图形，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等，另一类是类似于照片的明暗图(Shading)，也就是通常所说的真实感图形。可以说，计算机图形学的一个重要研究内容就是要利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形。计算机图形学与另一门学科计算机辅助几何设计有着密切的关系。事实上，图形学也把可以表示几何场景的曲线曲面造型技术和实体造型技术作为其重要的研究内容。同时，真实感图形计算的结果是以数字图象的方式提供的，计算机图形学也就和图象处理有着密切的关系。图形与图象两个概念间的区别越来越模糊，但我们认为还是有区别的：图象纯指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息。计算机图形学的研究内容非常广泛，如图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。作为一本面向计算机专业本科生和非计算机专业研究生的图形学教材，本书着重讨论与光栅图形生成、曲线曲面造型和真实感图形生成相关的原理与算法。主要组成图形通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、线宽等非几何属性组成。从构成要素上看，图形主要分为两类，一类是几何要素在构图中具有突出作用的图形，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等，另一类非几何要素在构图中具有突出作用的图形，如明暗图、晕渲图、真实感图形等。主要目的计算机图形学一个主要的目的就是要利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形。为此，必须建立图形所描述的场景的几何表示，再用某种光照模型，计算在假想的光源、纹理、材质属性下的光照明效果。所以计算机图形学与另一门学科计算机辅助几何设计有着密切的关系。事实上，图形学也把可以表示几何场景的曲线曲面造型技术和实体造型技术作为其主要的研究内容。同时，真实感图形计算的结果是以数字图像的方式提供的，计算机图形学也就和图像处理有着密切的关系。概念区分图形与图像两个概念间的区别越来越模糊，但还是有区别的：图像纯指计算机内以位图形式存在的灰度信息，而图形含有几何属性，或者说更强调场景的几何表示，是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成的。研究范围计算机图形学的研究内容非常广泛，如图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法、非真实感绘制，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。学科趋势计算机图形学狭义上是一种研究基于物理定律、经验方法以及认知原理，使用各种数学算法处理二维或三维图形数据，生成可视数据表现的科学。它是计算机科学的一个分支领域与应用方向，主要关注数字合成与操作视觉的图形内容。广义上来看，计算机图形学不仅包含了从三维图形建模、绘制到动画的过程，同时也包括了对二维矢量图形以及图像视频融合处理的研究。 计算机图形学经过将近40年的发展，已进入了较为成熟的发展期。其主要应用领域包括计算机辅助设计与加工，影视动漫，军事仿真，医学图像处理，气象、地质、财经和电磁等的科学可视化等。由于计算机图形学在这些领域的成功运用，特别是在迅猛发展的动漫产业中，带来了可观的经济效益。动漫产业是各国优先发展的绿色产业，具有高科技、高投入与高产出等特点。据统计，截至2009年3月，美国动画梦工厂所拍摄的三维动画片怪物史莱克II在预算为1.5亿美元的情况下，获得了超过9.2亿的全球累计票房。而我国在2008年度共制作完成的国产电视动画片249部，计131042分钟，与2007年度相比增加了近28%。另一方面，由于这些领域应用的推动，也给计算机图形学的发展提供了新的发展机遇与挑战。1.3计算机图形学的前景从计算机图形学学科发展来看，有以下几个发展趋势：（1） 与图形硬件的发展紧密结合，突破实时高真实感、高分辨率渲染的技术难点图形渲染是整个图形学发展的核心。在计算机辅助设计，影视动漫以及各类可视化应用中都对图形渲染结果的高真实感提出了很高的要求。同时，由于显示设备的快速发展，人们要求能提供高清分辨率（1920x1080），进一步要能达到数字电影所能播放的4K分辨率(4096x2060)；色彩的动态范围也希望从原来每个通道的8Bit提高到10bit及以上。虽然已有的图形学方法已经能较为真实地再现各类视觉效果，然而为了能提供高分辨率高动态的渲染效果，必须消耗非常可观的计算能力。一帧精美的高清分辨率图像，单机渲染往往需要耗费数小时至数十小时。为此，传统方法主要采用分布式系统，将渲染任务分配到集群渲染节点中。即使这样，也需要使用上千台计算机，耗费数月时间才能完成一部标准90分钟长度的影片渲染。基于GPU的图形硬件技术得以发展迅速，已经能在一个GPU芯片上采用64nm工艺集成上千个采用SIMD（单指令多数据流）架构的通用计算核心。而2009年底，主流图形硬件商nVidia和AMD以及Intel还会推出基于MIMD（多指令多数据流）计算核心的GPU芯片用于图形加速绘制，以支持DirectX 11以及OpenGL 3.0图形标准。最新的图形学研究，采用GPU技术可以充分利用计算指令和数据的并行性，已可在单个工作站上实现百倍于基于CPU方法的渲染速度。然而已知的实现方法，其实现效果还较为初步，无法实现复杂的视觉特效，离实时的高真实感渲染还有很大差距。其主要原因是：（i）缺乏良好的数据组织方法，基于GPU方法由于硬件的架构原因，数据组织无法如同CPU方法一样的组织，因此对复杂的数据结构仍无法得到很好地支持。（ii）缺乏标准高效的GPU高层编程语言、编译器以及相应调试工具,（iii）由于以上两个问题，无法完整地实现适于电影渲染制作的RenderMan标准，以及其他各类基于物理真实感的渲染算法。因此，如何充分利用GPU的计算特性，结合分布式的集群技术，解决以上这些难题，从而来构造低功耗的渲染服务是图形学的未来发展趋势之一（2） 研究和谐自然的三维模型建模方法三维模型建模方法是计算机图形学的重要基础，是生成精美的三维场景和逼真动态效果的前提。然而，传统的三维模型方法，由于其主要思想方法来源于CAD中基于参数式调整的形状构造方法，建模效率低而学习门槛高，不易于普及和让非专业用户使用。而随着计算机图形技术的普及和发展，各类用户都提出了高效的三维建模需求，因此研究和谐自然的三维建模方法是发展的一个重要趋势。采用合适的交互手段，来进行三维模型的快速构造，特别是应用于概念设计和建筑设计领域已引起了国际同行的广泛关注。由于笔式或草图交互方式，非常符合人类原有日常生活中的思考习惯，是研究的重点问题。其难点是根据具体的应用领域，与视觉方法相融合，如何设计合理的交互语汇以及对应的过程式“识别-构造”方法。与此相关的一个问题是基于规则的过程式建模方法。由于Google Earth等数字地图信息系统的广泛应用，对于地图之上的建筑物信息等存在迫切需求。为此，研究者希望通过激光扫描或者视频等获取方式获得相关信息后能迅速地重建出相关三维模型信息。然而单纯的重建方式存在精度低、稳定性差和运算量大等不足，远未能满足实际的需求。因此，最近的研究中，倾向于采用基于规则的过程式建模方法相结合来尝试高效地构造出三维建筑模型，以及相关的树木等结构化场景。三维建模方法中的另一主要问题是研究合适的曲面表达方法，以适于各类图形学的应用。在CAD的主流方法是采用NURBS（非均匀有理B-样条）方法，然而此类方法无法很好解决非正规情况下的曲面拼合，不甚适合于图形学。为此，细分曲面方法，作为一种离散迭代的曲面构造方法，由于其构造过程朴素简单以及实现容易，是一个方兴未艾的研究热点，而且极有可能逐步取代NURBS方法。主要需要解决的问题有：（i）奇异点处的C连续性的有效构造方法；(ii)与GPU图形硬件相结合的曲面处理方法。（3） 利用日益增长的计算性能，实现具有高度物理真实的动态仿真高度物理真实感的动态模拟，包括对各种形变、水、气、云、烟雾、燃烧、爆炸、撕裂、老化等物理现象的真实模拟，是计算机图形学一直试图达到的目标。这一技术是各类动态仿真应用的核心技术，可以极大地提高虚拟现实系统的沉浸感。然而高度物理真实性模拟，主要受限于计算机的处理能力和存储容量限制，不能处理很高精度的模拟，也无法做到很高的响应速度。所幸的是，GPU技术带来了革新这一技术的可能。充分利用GPU硬件内部的并行性，研究者开始普遍关注基于GPU的各类数学物理方程求解极其相关的有限元加速计算方法。主要研究关注焦点还是单个物理方法的GPU实现。然而，随着nVidia推出了基于GPU的PhysX通用物理加速技术，以及Havok公司与AMD合作开发了通用物理中间件技术，相信未来可为高度物理真实的动态模拟提供新的研究机遇。（4） 研究多种高精度数据获取与处理技术，增强图形技术的表现真实感的画面与逼真动态效果，一种有效的解决途径是采用各种高精度手段获取所需的几何、纹理以及动态信息。为此，研究者正在考虑对各个尺度上的信息进行获取。小到物体表面的微结构、纹理属性和反射属性通过研制特殊装置予以捕获与处理，或采用一组同摄像机来获取演员的几何形体与动态，大到采用激光扫描获取整幢建筑物的三维数据。这里主要研究的三个问题是：（a）图形获取设备的设计与实现，这是与计算机视觉、硬件、软件相关的系统工程研究问题；（b）由于一般获取的数据均极为庞大且附加了各种噪声与冗余信息，如何进行处理与压缩以适合于图形学应用是主要问题；（c）一旦获取相关的数据，如何进行重用是一个主要课题，因此使得基于数据驱动的方法，与机器学习相交叉的图形学方法是最近的研究热点。（5） 计算机图形学与图像视频处理技术的结合家用数字相机和摄像机的日益普及，对于数字图像与视频数据处理成为了计算机研究中的热点问题。而计算机图形学技术，恰可以与这些图像处理，视觉方法相交叉融合，来直接地生成风格化的画面，实现基于图像三维建模，以及直接基于视频和图像数据来生成动画序列。当计算机图形学正向地图像生成方法和计算机视觉中逆向地从图像中恢复各种信息方法相结合，可以带来无可限量的想象空间，构造出很多视觉特效来，最终用于增强现实、数字地图、虚拟博物馆展示等多种应用中去。（6） 从追求绝对的真实感向追求与强调图形的表意性转变计算机图形学在追求真实感方向的研究发展已进入一个发展的平台期，基本上各种真实感特效在不计较计算代价的前提下均能较好得以重现。然而，人们创造和生成图片的终极目的不仅仅是展现真实的世界，更重要的是表达所需要传达的信息。例如，在一个所需要描绘的场景中每个对象和元素都有其相关需要传达的信息，可根据重要度不同可采用不同的绘制策略来进行分层渲染再加以融合，最终合成具有一定表意性的图像。为此，研究者已经开始研究如何与图像处理、人工智能、心理认知等领域相结合，探索合适表意性图形生成方法。而这一技术趋势的兴起，实际上延续了已有的非真实感绘制研究中的若干进展，必将在未来有更多的发展。第二章 计算机艺术2.1计算机与艺术科技的革新，从计算机到网络虚拟现实，艺术创作的领域产生了极大的变化，具有实验精神的先驱艺术家们热衷于新媒体与材料与新艺术形式的探求，从十九世纪末到今天，其中发生了难以计数的艺术运动，一部艺术发展史，几乎就是一部近代科技史。1949年美国麻省理工学院科学家研制出计算机，计算机的强大运算能力令人乍舌，尤其是计算机可以储存&反复修改，容易重新绘制及无限复制等等功能，使得所有有关绘画的行为起了本质的改变。1952年美国学者Ben F.Laposky利用计算机绘制出一个抽象的图像，1956年计算机实现了创作彩色影像的功能，使得它的创作能力大大加强。1960年德国学者K .Alslben 及 W.Fetter发表了最早的计算机绘图作品.1994年因特网开始盛行，人们对于空间的思考模式随之改变，艺术的创作思维随着新型的创作手段出现，变得丰富多彩,我们不再需要为表现具体的现实的题材而感到困苦，计算机影像帮我们解决了这些问题,因此，艺术家已把兴趣放在如何避免复杂的建构，因为人们想象的空间已经改变，传统的绘画创作形式已被纯粹的、无限空间的数字艺术所取代。从那一刻起，敏锐的艺术家就试图使用计算机来进行艺术创作，例如贝尔实验室的科学家以字母、图形、叠印创作了最早的一幅数字艺术作品。东京大学艺术研究室创作了计算机艺术图和计算机动画作品。随后，计算机艺术家小组GTC成立，并且创作了许多数字艺术作品。但这些都是基于实验室的艺术探索，直至1980年苹果电脑公司推出Macintosh电脑桌面排版系统（DTP），计算机在艺术设计领域迅速发展，并衍生出专业的计算机数字艺术与设计。苹果电脑也因高科技创新而获得尊重。1990 年英国皇家艺术学院开设计算机艺术设计系，主要学习和研究互动设计，努力使艺术与技术协同发展。现在，数字艺术已涉及艺术的各个领域，艺术的形式和内涵都发生着变化。目前，计算机对现代艺术造成的冲击及影响之巨，超乎想象。早期的绘画技术持续到现今的计算机绘图上，大部分的计算机使用者，是把新的事物以旧的方式来呈现。世界的内涵不会为观者凝结成一种不变的形式，而观看的方式也不会永远保持同一种模式，它是一股鲜活有力的理解形式，最初计算机被认为只是一个空间可视化的简单辅助工具，但现在它已经不只是一件工具，是一种创作的媒材，更重要的是一种新的美学方向，新的再现可能，甚至是一种新的创作主体。数字艺术家深信虽然计算机本来不是为艺术创作的理由而发明，但它会持续发展出特有的本质，继续为艺术家提供最好的工作伙伴。2.2计算机艺术学科的特点1. 无拘无束的艺术思维方式 计算机的最大特点就是可以进行海量数据运算，有了这个特点计算机可以将艺术作品的精度提高到前所未有的高度。它可以逼真模仿任何传统的艺术效果，而且快速高效。在艺术创作中，计算机可以随意缩放观察等优势，使设计更加微观，不依赖工具，可以十分精确、规范。改变了手工绘图需要纸笔、尺、圆规等工具，勾形、渲染等过程，更改设计，修改起来比较困难状况。计算机则有多样修改方式 ，例如PHOTOSHOP软件中的历史记录和快照面板，可随意双向一步步撤消或重做；3DsMax 软件的堆栈功能则可从已完成的设计中的任意一点介入，增加新命令或删除、更改旧命令，影响最终效果。传统绘图需要较强的绘画功底，是线性的艺术思维方式；而计算机辅助设计则是多头非线性的思维方式，更注重设计思想和修养，对绘画功夫要求不是很高计算机解放了手工时代对思想的束缚，为创作提供了宽裕的自由发挥空间，使作品最大程度地完美。2.独具一格的艺术传达形式计算机以及互联网的应用创造了全新的媒体平台和交流方式，交互是计算艺术独有的传达形式，它使得交互功能改变了传统艺术中受众的被动角色，艺术作品具有了真实的生命力。改变了艺术作品与受众的交流形式，受众不再是孤独的欣赏者，而是交互艺术作品的参与者。受众也可以参与到艺术的创作过程，让受众参与判断与选择，不同的选择将出现不同的过程和结局，加强受众参与感，提高兴趣。现在，计算机的交互性广泛应用在各种形式计算机艺术作品中，如Flash动画、网页设计、互动游戏等。3.丰富多彩的艺术表现效果 计算机艺术是一种全新的艺术形式。多媒体技术的成熟运用将图像、声音、文本、动画、音频甚至是气味等多种传达形式集合在一起，形成了丰富多彩的艺术语言和表现形式，提高了作品的感染力。虚拟现实是现今计算机艺术的精华领域，它是计算机软硬件技术和计算机艺术的综合领域，通过高级人机界面，模拟人的视觉、听觉、触觉等感官功能，使人沉浸在计算机生成的可看、可听、可触、可嗅等感受的虚拟世界里，能通过语言、手势、肢体动作、视线移动等方式与计算机实时交互，一切都与现实的感觉一样它不仅可以模拟现实，也可重建古迹，甚至是虚幻的世界，让人感受真实世界中无法亲身经历的体验。虚拟现实可充分满足艺术创作对感受的表现，给艺术家和设计师的创造提供更多的创作自由。2.2计算机艺术学科的发展趋势 科技正改变着人类的行为方式，也改着人们思考与创造的方式，计算机对艺术的影响不仅表现在它能更有效率地创作，也给艺术与设计带来了新的风格和形式，艺术表现形式越来越丰富。计算机艺术如此蓬勃的发展，是技术与艺术完美结合的体现。计算机技术的发展和多媒体的开发为艺术创作提供新的机遇、新的表达方式、新的艺术语言和风格，艺术的概念有了显著变化。同时，艺术的创新也对计算机有了更高的要求，反过来促进了计算机软硬件的开发。艺术家创造精神财富，应关注新技术的发展，以开放的姿态迎接新事物，自由地进行创作。数字媒体技术的发展，多种传达方式的综合应用，为视觉艺术的创新提供了新的条件和机遇，新的热点不断涌现。应用视频、动画、交互等综合手段创造的艺术作品，丰富了艺术门类，逐渐演变成为一个新的领域互联网促进了信息的传递，给人们提供了一种新的传达媒体，同时也创造了一种新的交流方式艺术家可以在互联网上跨地域协同创作，艺术的创作和欣赏不再受地域的制约。艺术是创新过程，融合了人工智能技术的计算机甚至有可能根据设定条件自行进行艺术创作。海纳百川才能适应新时期的需要。计算机毕竟是工具，艺术的价值应是设计师富有的艺术才华和设计思想。只有重视创造性思维的拓展与能力的提高，才能设计出富有艺术魅力的有意义的作品。纵观当今现代艺术的表现形式，千变万化、无奇不