计算机图形学的进展与展望
浙江大学计算机辅助设计与图形学国家重点实验室主任 石教英
一、前言
计算机图形学作为计算机科学与技术学科的一个独立分支已经历了近40年的发展历程。一方面,作为一个学科,计算机图形学在图形基础算法、图形软件与图形硬件三方面取得了长足的进步,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。另一方面,计算机图形学的硬件和软件本身已发展成为一个巨大的产业,1996年总产值达500 亿美元,预计到2000年将达到1000亿美元。因此,当前全世界从事计算机图形学研究、应用和产业的队伍十分庞大,这也是为什么每年参加SIG-GRAPH年会的人数多达3～4万人的理由。
计算机图形学在我国虽然起步较晚,然而它的发展却十分迅速。我国的主要高校都开设了多门计算机图形学的课程,并有一批从事图形学基础和应用研究的研究所。在浙江大学建立的计算机辅助与图形学国家重点实验室,已成为我国从事计算机图形学研究的重要基地之一。我国学者的论文从80年代后期开始进入国际一流的SIGGRAPH和Eurographics等学术会议和重要的学术刊物,标志着我国在这一领域的研究水平已接近或部分达到国际先进水平。去年8月,作者应美国SIGGRAPH教育委员会主席J.Brown教授的邀请,作为中国代表出席了SIG-GRAPH’96大会,并得到了部分资助。
二、计算机图形学基础研究的发展趋向
计算机图形学主要是研究图形(图像)的计算机生成,其研究方向众多。在图形基础研究方面可归纳为两个主要方向，即建模(modeling)技术(又称"造型技术")和绘制(rendering)技术。
建模技术又可分为两大分支：计算机辅助几何设计和自然景物建模。计算机辅助几何设计追求建模的精确度、可靠性和建模的速度；自然景物建模追求建模的逼真度和速度。
计算机图形学中的绘制技术是指基于光栅图形显示技术的"真实感图形"绘制技术,包括各种光照模型、明暗(shading)处理和纹理生成等内容。绘制技术追求的是真实感(逼真度) 和绘制速度。
综合上述两大研究方向的追求目标可以看出，计算机图形学研究水平的高低就是反映在"真实感"和"速度"的高低以及两者的结合上，也就是既要逼真地反映客观世界的对象，又能高速地、通常又称"实时"地绘制它们。众所周知,"真实感"与"实时性"是一对尖锐的矛盾，如何解决这一矛盾是当代计算机图形学工作者奋斗的目标。综观SIGGRAPH ’96的大会论文报告、专题讨论会内容及产品展览会，明显感到计算机图形学的主攻方向不再是孤立地追求图形的真实感和绘制的实时性，而是把重点转移到如何把两者结合在一起,即向更高的目标迈进。
体现这一重点转移的研究方向有以下三方面：
1、基于图像的建模与绘制技术成为研究热点
"基于图像的建模与绘制技术"是SIGGRAPH’96大会首场论文报告会的标题。应用图像处理方法来加速图形学的建模和绘制的研究工作可追溯到早期的纹理映射工作。进入90年代后,这一方向发展迅速，然而在SIGGRAPH会议上，如此明确地以基于图像的建模和绘制作为报告会主题还是第一次。首场报告会上的四篇论文均成为与会者讨论的热点。
由加州大学伯克利分校Pabul E.Dalevec等撰写的论文"Modeling and Rendering Arch itecture from Photographs:A hybrid Geometry-based and image-based approach"中，介绍了利用几张已有建筑的照片，对该建筑进行建模和绘制的方法。正如该文副标题所指出的那样，该方法是基于几何和基于图像两种建模方法的混合方法，包括利用摄影测量学原理提取照片建筑的基本几何模型，利用基于模型的立体视图方法提取建筑立面的细节，利用视点无关的纹理映射方法绘制建筑的多种视图。该方法较其它基于几何或基于图像的建模和绘制方法更方便、更精确、更像真实的照片。该方法与基于图像的实时绘制系统相结合，实现实时边走边看(Walkthrough),这是一个诱人的应用方向。
计算机图形学长期研究的几何造型和物体表面属性仿真技术,能够绘制出逼真的图形(图像)。然而，计算机生成的图形与真实世界所创造的复杂的几何形体和细微的光照效果相比仍有巨大的差距。如果能从真实世界中直接获取几何信息和物质属性(如照片)，并以此为基础进行绘制，就可以避开造型问题而获得逼真度更高的图形，这就是所谓基于图像的绘制问题。SIGGRAPH’96论文集中有两篇论文从不同的角度研究了基于图像绘制技术的热点——应用全视函数(plenoptic
function)的绘制技术。
全视函数P是针对某一对象或场景,从空间任意一点(Vx,Vy,Vz)、任意视角(θ,φ)、任一时刻(t)，针对某一波长范围(λ)的可见光线的描述。因此，我们通常所拍的照片可以看作是全视函数的一个样本。对于静止对象，在固定照明条件下，可忽略参数t和λ，则全视函数P本质上是一个5维(5D)函数。如果我们已知某一对象的全视函数P，则只要给出某一视点(Vx, Vy,Vz)和某一视角(θ,φ),将它们代入P，就可以得到一个视图。应用全视函数基于图像绘制的问题可定义为：已知某全视函数的一组离散样本,求该全视函数的连续表示，换句话说，即根据某全视函数的一组样本重构该全视函数。论文集中的两篇论文首次将全视函数由5D降到4D。
2、PC机图形硬件的三维化及高档图形硬件结构与图像处理硬件相结合的趋向
图形硬件、图形软件及图形基础算法三者的有机结合和相互影响形成了计算机图形学辉煌的今天。历史上，由于图形显示技术的进步，由早期矢量式图形显示器向光栅图形显示器的发展，曾促进了真实感图形的形成；图形实时绘制的需求，推动了图形专用加速部件及图形专用芯片技术的蓬勃发展。计算机图形硬件历来是国际上重大计算机图形学会议的重要议题之一。美国的SIGGRAPH和欧洲的Eurographics通常均包括图形硬件论文的报告，后者还同时举行系列的"计算机图形硬件研讨会"，并成为计算机图形硬件工作者最重要的交流场合。我国在这方面的工作与国际差距较大。
SIGGRAPH ’96大会专门有一场关于图形硬件体系结构的论文报告，共四篇。同时还有两场专题讨论会，专门研讨图形硬件的发展方向。一场的主题为"Graphics PCs Will Put Wor kstation Graphics in the Smithsonian"，另一场的主题为"Imaging Features in Advanced Graphics Architectures"。展览会上，高档图形硬件仍以SGI公司独领风骚，PC机上各种3D图形加速卡纷纷涌现，整个展览会五彩缤纷，热闹非凡,计算机图形软硬件产业呈现出一片蓬勃生机。由此可见，图形硬件，特别是PC机上图形硬件的进展已成为人们关心的重点。
在四篇图形硬件体系结构学术论文中最引人注目的是由微软公司Jay Torborg和JamesT .Kajiye报告的"Talisman:Commodity Real Time 3D Graphics for the PC"。微软公司聚集了计算机图形学界的一批优秀人才，该论文的发表表明了微软公司将不仅积极介入微机图形软件，而且也将介入微机图形硬件，特别是在微机3D图形专用芯片领域，将与众多的从事微机图形硬件多年的小公司进行竞争。同时,这篇论文也表明:微机图形硬件的确已进入3D时代。
3D图形要成为PC机不可缺少的一种媒体。首先，成本要低，并满足实时动态性能以及与其它媒体(如声音、视频信号)的同步性能，而不是追求高精度几何造型性能。Talisman 3D图形处理硬件的设计思想抛弃了传统图形处理流水线的概念，充分利用3D图形处理过程的时间连贯性和空间连贯性，同时采用图像处理技术来代替图像综合方法，以达到降低存储器带宽和容量的目的。
参加专题讨论会"图形PC机将把图形工作站送进博物馆"的四位专家中，来自微机软硬件厂家的两位专家对此持赞成意见，另两位来自工作站厂家的专家持反对意见。从目前来看,PC的图形性能仍然无法满足航空、航天、汽车等大工业CAD的需求。专题讨论会"高档图形体系结构中的图像特征"的命题得到了与会专家的一致肯定。从原理上讲,当图形的绘制速度足够高，使所绘制的多边形中仅含几个像素(如3个)的时候，基于多边形的3D图形系统就失去了意义(因为插值运算已没有意义)。这时，基于图像的建模和绘制就成为当然的选择。
从上述介绍中已可明显感到图形学与图像处理相结合的发展趋向。
3、细节的分层表示、层次化绘制以及小波理论在图形学中的应用继续成为热点
90年代初提出的图形学的限时计算概念，有力地促进了建模精确度与绘制实时性的辨证结合，开辟了基于几何建模的复杂性、细节的分层表示以及层次化绘制技术等新的研究方向。小波理论在计算机图形学中的应用已成为上述研究方向的有效工具。在SIGGRAPH ’96大会上，第二、第三两场论文报告会的标题分别为"Hierarchical Rendering Techniques"和" Level of Detail"，反映了在上述方向上的最新进展。课程"Wavelets
in Computer Graphi cs"中既介绍了小波理论的基础，又介绍了小波理论在图形学中的应用算法，如多分辨率曲线与曲面造型、图像压缩与处理等，受到与会者欢迎。感兴趣的读者可进一步参考会议论文集和课程讲义。我国学者在上述研究方向上已有一定的工作积累。
三、计算机图形学应用的发展方向
纵观SIGGRAPH ’96大会的各项活动,感受到计算机图形学的应用范围和深度又有了新的发展。
1、计算机动画和虚拟现实是当前计算机图形学的应用热点
关于计算机动画的论文报告有两场，即第四场"Animation"和第六场"Storytelling"，共有八篇论文,占全部论文总数的。会议提供的讲座中有五门课程与计算机动画技术有关。包括以计算机动画"Toy Story"为例介绍动画制作全过程、动画技术中的过程建模、动画的视频录制技术以及Open Inventor工具在场景建模和动画程序设计中的应用。大会专题讨论会"Live Computer Animation"，讨论了在电视广播这一通常大量应用专用视频处理硬件的领域里，如何应用通用图形工作站，来生成高质量的实时动画以及特技图形效果的优点、难点和今后的发展方向。
关于计算机动画的软硬件产品是本次大会产品展览会的主角。世界著名的计算机动画软硬件商都占据了展览会的交通要道，声像并茂地吸引着观众。三维动作跟踪器(3D-Trackers )可提供32个关节传感器，同时,实时纪录两个人的全身动作，并体现在屏幕卡通人物的形体动作上。这一实时多点跟踪设备的问世必将大大减轻动画技术中动作设计的工作量和提高动作的仿真率。
虚拟现实方向的论文共四篇，分别介绍面部手术仿真、增强现实(Augment Reality)技术及引入力反馈装置技术。这一方向的课程共有四门，内容覆盖虚拟现实导论、VRML(虚拟现实建模语言)导论、大规模几何数据库的交互式边走边看技术以及图形学、动画、多媒体和虚拟现实中的人工生命体的建模和动画技术。
虚拟现实成为本次会议的主要议题还反映在共有7场专题讨论会(Panels)涉及到虚拟现实基础，其中包括是采用头盔式显示器(HMD)还是空间沉浸式显示器(SID,如洞穴式和园顶式)显示硬件、建模软件VRML、VR中认知和精神方向问题、应用VR技术治疗精神病患者，还有介绍美国和德国联网虚拟环境技术，并实现全球多用户虚拟环境下共享、合作的一项航天行动。从上述专题研讨会议题简介中可以看出，虚拟现实技术是一项相对年轻、尚未成熟的研究和应用领域，因此，其基础显示技术如何适应不同VR应用的需要问题、新出现的VR建模语言的标准化及其未来发展问题，以及VR所涉及的认知科学和精神性方面的问题，尚需要进行深入的研讨。关于VR的应用，除上述专题讨论会中的有关应用外，在本次SIGGRAPH的一项称作"Digital
Bayou"展览上，展示了大量的VR在建筑边走边看、医学图像教学及诊断、航空航天领域的应用实例以及体现VR技术特点的一些实验原型系统，包括游戏等。
2、计算机图形学应用的网络化与网络接口的图形化
Internet与多媒体技术的迅速发展，使人们可以通过电子邮件(E-mail)来交换信息，通过环球网(WWW)来查询各种信息，通过CSCW来实现各种远程共享和合作活动，显示出各类应用的网络化趋势。前面提到的有关美、德两国宇航员的专题讨论就是一项十分典型的先进的基于网络的VR应用工作。会上介绍了美、德两国宇航员分别在美国休斯顿航天中心和德国达姆斯塔计算机图形研究所，通过远程网络，在共享虚拟环境(空间飞船和哈勃望远镜)下，共同工作了30分钟，完成了哈勃望远镜太阳能电池电子线路板的更换工作。
本次大会的另一场专题讨论会"Issues in Networking for Entertainment,Graphics, and Data"更以一种虚拟讨论会的形式出现。讨论会主会场设在新奥良会议中心(即SIGGRAP H ’96大会所在地)，而参加讨论会的主讲人分别在麻省理工学院(麻省波士顿市)和派拉蒙电影公司(加州洛杉矶市)，通过全国ATM网双向实时传送高质量图形、视频信号、数据以及语音信号。
另外还有两场专题讨论会分别研讨"Art on the Web,the Web asArt"和"Webbed Spac es:Between Exhibition and Network"。前一场讨论会研讨通过Web(WWW)把艺术家和观众联系在一起后,对审美观、叙事、旁白和交互等方式应作的改变,还讨论了艺术和艺术空间的接口、面向Web的艺术品的质量评价等问题。后一场也是讨论艺术创作对Internet的有关要求。
随着各类应用的网络化，自然要求网络接口的图形化，应运而生的是一系列运行于Internet上的各种语言标准，如HTML、VRML和Java等的出现，使网络与图形(多媒体)的联系更加密切,研究和应用更加活跃。
3、计算机图形学与艺术紧密关联
SIGGRAPH是美国计算机学会(ACM)的一个二级学会，但是它的活动与计算机美术、动画等艺术分支的关系十分紧密。SIGGRAPH大会很大一部分活动是与计算机美术紧密相关的，如同时举办的"艺术作品展"(Art Shows)、"动画节"(Animation Festival)和"电子剧场"(Elect ronic Theater)等。大会在出版论文集的同时，还出版了面向艺术和交叉学科的"Visual Pr oceedings"画册、录像盒带、CD-ROM和幻灯片。因此，SIGGRAPH不仅是从事计算机科学与技术的研究人员、工程师和学生的盛会，同时也是美术家、电影艺术家和设计师们的盛会。人们彼此互相交流，促进着计算机图形学学科、应用、产业和艺术的共同发展。
转载自：http://www.cnblogs.com/hanshap/archive/2006/01/23/CGProgress.html#1245264