計算機(jī)圖形學(xué)關(guān)鍵技術(shù)精選(九篇)
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第1篇：計算機(jī)圖形學(xué)關(guān)鍵技術(shù)范文
【關(guān)鍵詞】圖形繪制；圖形學(xué)；紋理映射
Analyses of the Texture Mapping in Graphics
XU Wen
（Xi’an Aeronautical University，Xi’an Shaanxi 710077，China）
【Abstract】Texture mapping is an important part of realistic rendering.In this paper，we introduced the principle of texture mapping and the classification of texture and discussed the key technology of texture mapping.
【Key words】Graphics rendering；Graphics；Texture mapping
0 引言
紋理映射技術(shù)是計算機(jī)圖形學(xué)的重要組成部分，它能真實地反映圖形的真實感。在現(xiàn)代生產(chǎn)中，紋理映射技術(shù)的使用范圍越來越廣，特別是在計算機(jī)制作、動畫設(shè)計、三維游戲和廣告設(shè)計領(lǐng)域上。紋理映射[1]是通過將已經(jīng)存在的紋理圖像映射到物體表面，從而實現(xiàn)為物體表面則增加表面細(xì)節(jié)的過程。
1 紋理映射
1.1 紋理映射原理
紋理映射可以分為一維、二維和三維紋理映射，其中一維紋理映射是最簡單的紋理映射，即線的映射，二維紋理映射就是對一副二維圖形的映射，三維紋理映射是將定義在二維空間的紋理映射到三維物體表面上。其中應(yīng)用最為廣泛的是二維紋理映射，下面我們將重點介紹二維紋理映射。
紋理映射的過程中涉及到各個頂點的對應(yīng)關(guān)系[2]，我們相應(yīng)的建立物體坐標(biāo)系、紋理坐標(biāo)系和紋理圖像坐標(biāo)系，其中紋理坐標(biāo)的取值范圍在0.0～1.0之間。
1.2 紋理濾波技術(shù)
不同的過濾方式，它的計算復(fù)雜度和計算方式都有所不同，圖形出來的效果也有所不同。常用的簡單濾波技術(shù)有兩種，一種是Nearest Point Sampling（最近點采樣法），另外一種是Bilinear（雙線性濾波）。
最近點采樣法是速度快但是濾波效果比較差的采樣方式，它的做法是選中一個點P，這個點P不一定剛好對應(yīng)紋理的一個采樣點texel，所以它就會選擇對應(yīng)區(qū)域中最接近的texel進(jìn)行采樣，也就是說它會選取橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)都比較靠近P點的texel作為采樣點。
雙線性過濾以pixel對應(yīng)的紋理坐標(biāo)為中心，取該紋理坐標(biāo)周圍4個texel的像素來計算該坐標(biāo)點的顏色，最簡單的方法是取其周圍4 個坐標(biāo)顏色的平均值作為采樣值，也就是會對靠近像素中心的一塊2×2的紋理單元取加權(quán)平均值。通常的方法是根據(jù)面積作為4個坐標(biāo)顏色的權(quán)重來計算該點的像素值（即紋理顏色值）。
2 紋理映射處理
2.1 對紋理坐標(biāo)的處理
對于一個二維紋理圖像來說，它的紋理坐標(biāo)值一般被限制在區(qū)間0.0～1.0之間，每個圖像的尺寸都有一個界限，對于圖像查找來說，就必須將它們的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到區(qū)間0.0～1.0之間。也就是說，紋理坐標(biāo)可以不用僅僅設(shè)置在區(qū)間0.0～1.0，r如果坐標(biāo)值超過這個范圍，則要對紋理坐標(biāo)超出這個范圍的值進(jìn)行處理，在紋理映射中，有不同的處理方式，對S和T坐標(biāo)的處理方式如下：
1）如果選擇的處理方式為GL_REPEAT，對超過1.0的值則只取小數(shù)部分的值，整數(shù)部分的值將被忽略掉。
2）如果選擇的處理方式為GL_CLAMP，對超過1.0的值讓其等于1.0，小于0.0的值讓其等于0.0，其余的不作處理。
3）如果選擇的處理方式為GL_CLAMP_TO_BORDER，則紋理坐標(biāo)值的范圍限制在[，1-]之間，大于1-的值讓其等于1-，小于的讓其等于，其余的不作處理。
4）如果選擇的處理方式CLAMP_TO_EDGE，則不同的濾波方式其處理方式不同，如果濾波方式為GL_LINEAR，則其處理方式和CLAMP的處理方式相同，如果濾波方式為GL_NEAREST，則紋理坐標(biāo)值的范圍限制在[，1-]之間，大于1-的值讓其等于1-，小于的讓其等于，其余的不作處理。
其中，N是這樣定義的，如果處理的是S坐標(biāo)，則N就是圖像的寬度值，如果處理的是T坐標(biāo)，則N就是圖像的高度值。
2.2 紋理貼圖方式的選擇
紋理貼圖方式（也就是紋理與要貼圖的物體的原頂點顏色的混合方式）有多種，分別為GL_REPLACE、GL_MODULATE、GL_BLEND、GL_DECAL、GL_ADD和GL_COMBINE（替換、調(diào)整、混合、貼花、添加和組合）。
3 結(jié)束語
本文對紋理映射算法及紋理濾波技術(shù)進(jìn)行了簡要的介紹，通過對紋理坐標(biāo)的處理及貼圖方式的選擇，實現(xiàn)了紋理映射的處理。在研究圖形真實感的處理時，紋理映射處理是相當(dāng)重要的。
【參考文獻(xiàn)】
[1]E.A.Bier，K.R.Sloan. Two-Part TexTure Mapping[J].IEEE Computer Graphics Application，1986（6）：40-5.
[2]董梁，劉海，韓俊剛.圖形處理器中光照和紋理映射的設(shè)計與仿真實現(xiàn)[J].計算機(jī)科學(xué)，2011.
[3]和克智，等著.OpenGL編程技術(shù)詳解[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2010.
第2篇：計算機(jī)圖形學(xué)關(guān)鍵技術(shù)范文
關(guān)鍵詞：圖形處理 實時性 關(guān)鍵技術(shù)
中圖分類號：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）04（b）-0018-02
自19世紀(jì)60年代，美國麻省理工學(xué)院的Iven Sutheralnd教授首先提出了交互式計算機(jī)圖形學(xué)（Computer Graphics）概念。計算機(jī)圖形學(xué)的特點之一是廣泛地使用二維和三維幾何數(shù)據(jù)來描述幾何模型。在實際應(yīng)用中，隨著計算機(jī)圖形學(xué)及其相關(guān)理論與技術(shù)的發(fā)展，模型的復(fù)雜程度不斷提高，所使用的幾何數(shù)據(jù)的規(guī)模急劇增長，迫切需要一些高效的算法來進(jìn)行圖形處理。
1 實時圖形處理關(guān)鍵技術(shù)的基本概況
1.1 幾何壓縮理論
幾何壓縮主要是運用在圖形處理器沒有足夠大的內(nèi)存裝載巨大的模型時，或者運用在因存在數(shù)據(jù)傳輸瓶頸而不能進(jìn)行圖形處理時。圖形處理模型變得愈加復(fù)雜，這使得存儲、處理模型所需的內(nèi)存和輔助外存代價極大地增加了。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)游戲、VR虛擬現(xiàn)實等互連網(wǎng)應(yīng)用都需要傳輸幾何模型，但是現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)帶寬使圖形處理模型的效率受到了嚴(yán)重限制。在進(jìn)行幾何壓縮時會經(jīng)過三個必要步驟即量化、幾何編碼以及數(shù)據(jù)壓縮。量化是首要步驟，三個浮點數(shù)描述的是三維幾何模型的頂點坐標(biāo)，但數(shù)據(jù)壓縮過程中確定浮點數(shù)頗為不易。幾何壓縮的量化就是將浮點數(shù)作為整數(shù)進(jìn)行形式表達(dá)，形成一個整數(shù)坐標(biāo)表達(dá)式。為滿足人類視覺的精度要求，以10或12比特單位來量化一個坐標(biāo)。運用這種表達(dá)式，30或36個單位就可以表達(dá)一個頂點位置。上述的這種量化方法，雖然將坐標(biāo)的浮點數(shù)或?qū)?yīng)的頻域參數(shù)量化到了整數(shù)網(wǎng)格中，但這種方式?jīng)]有將數(shù)值表達(dá)精度和誤差劃入考慮范圍，這導(dǎo)致了浮點數(shù)在量化過程中會出現(xiàn)不可避免的數(shù)值損耗。針對這一難題，學(xué)者M(jìn)artin Isenburg等人提出了完全無損的浮點數(shù)壓縮方法。這種方法首先對浮點坐標(biāo)進(jìn)行初步量化，運用預(yù)測機(jī)制求出坐標(biāo)的預(yù)測值，將預(yù)測值和實際的浮點數(shù)在符號、指數(shù)、尾數(shù)方面進(jìn)行對比，最后運用上下文算術(shù)編碼壓縮差值，這可以有效的避免浮點數(shù)壓縮過程中產(chǎn)生的損耗而提高幾何壓縮的精確性。幾何編碼則是幾何壓縮中最重要的環(huán)節(jié)，浮點數(shù)坐標(biāo)被量化后，就進(jìn)入了幾何編碼操作環(huán)節(jié)。具體做法是按照一定形式組織模型的頂點，盡可能減少頂點幾何表達(dá)的冗余，為后續(xù)的數(shù)據(jù)壓縮處理提供便利。幾何壓縮的最后環(huán)節(jié)是進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，為了達(dá)到幾何編碼稻菸匏鷙牡哪康模進(jìn)一步提高幾何壓縮算法是必經(jīng)之路。無損編碼和嫡編碼是幾何壓縮的典型算法。算術(shù)編碼則是效率最高的嫡編碼方式，這種方式可以最大程度的減少信息冗余。
1.2 GPU（圖形處理單元）三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
在提出幾何壓縮的概念前，圖形標(biāo)準(zhǔn)GL（圖形庫）和OpenGL（開放圖形庫）中就開始運用三角形帶壓縮方法。Hamiltonian三角剖分可以描述為廣義三角形帶，順序三角剖分可以描述為順序三角形帶，三角形帶的三角網(wǎng)格可以用三角剖分來描述。在圖形處理單元三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論中有諸多學(xué)者對其進(jìn)行討論。學(xué)者Euler提出“三角網(wǎng)格中頂點數(shù)量是三角形的數(shù)量的1/2，在這種情況下一條廣義三角形帶上的每個頂點都將被重復(fù)傳輸，這大幅度的增加了傳輸?shù)娜哂嗔俊V義三角形帶中SWAP命令編碼得到支持，是基于一端設(shè)置三個頂點緩沖區(qū)，其中任意兩個緩沖區(qū)的內(nèi)容都可以隨意交換。如果一個廣義三角形帶上有n個頂點則可以形成n-2個三角形。學(xué)者Evans等人在SGI（硅圖）算法的基礎(chǔ)上成功運用動態(tài)三角化將頂點傳輸降低至2.5次。硅圖方法是目前最好的幾何壓縮算法之一，它是根據(jù)開放圖形庫標(biāo)準(zhǔn)，將圖新處理單元一端的頂點緩沖區(qū)大小設(shè)置為2，頂點在出現(xiàn)順序三角形帶會被重復(fù)傳輸。如果出現(xiàn)一個廣義三角形帶，同時滿足包含一個函數(shù)命令的條件，那么頂點被傳輸兩次的數(shù)量為1。還有學(xué)者基于廣義三角形網(wǎng)格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步降低頂點的重復(fù)傳輸。以這種方法在貪婪算法的基礎(chǔ)上又進(jìn)一步縮小了三角形帶的數(shù)量，這種方法將圖形處理單元一端設(shè)置為具有16個頂點的緩沖區(qū)，這大幅度降低了定點傳輸?shù)臄?shù)量，但如何根據(jù)頂點緩沖區(qū)的大小來劃分廣義三角形網(wǎng)的相應(yīng)算法還沒有被公布，也未被證明。
2 實時圖形處理的關(guān)鍵技術(shù)分析
2.1 基于扇形帶的三角網(wǎng)格拓?fù)潢P(guān)系表示方法
舊有的圖形處理是使簡單網(wǎng)格包含一個頂點的扇形與圓拓?fù)湎嗟?，三角網(wǎng)格分解出數(shù)個連續(xù)的扇形帶，相鄰扇形通過連接三角形的方式相連。這種形態(tài)的扇形描述出的中心頂點和邊界頂點關(guān)系，不可避免的會使每個三角形都被重復(fù)描述三次，由此產(chǎn)生的冗余量可想而知?；谏刃螏У娜蔷W(wǎng)格拓?fù)潢P(guān)系表示方法運用區(qū)域增長原理構(gòu)建扇形帶，扇形帶的首個扇形不連接三角形，每個扇形帶中至少包含一個三角形，扇形帶中僅有未被處理的三角形。三角形的個數(shù)被定義為扇形的價。將不含三角形的扇形價設(shè)置為零。基于扇形帶的三角網(wǎng)格拓?fù)潢P(guān)系表示方法的算法如下所述，小數(shù)點后七位的浮點數(shù)決定空間三維坐標(biāo)，空間三維坐標(biāo)決定點位置，三個點位置決定一個三角形面，這種方法存儲量大。在實踐過程中會先將點存儲于vertex數(shù)組下，點用索引值來替換。這種算法通過理清三角形面和點的拓?fù)潢P(guān)系，對最大潛在扇形進(jìn)行價的計算并確定中心頂點，再運用區(qū)域增長原理，從中心頂點和包含它的三角形出發(fā)，逐步計算出所有新點和由它們連接成的扇形直到價變成零。這種方法下計算出的扇形頂點避免了后續(xù)扇形帶的計算，從而降低了冗余量。計算得出的扇形點以opengl（開放圖形庫）支持的格式存在于mystack文件中。需要特別說明的是，扇形帶總會遺漏一部分三角形，這部分三角形在最后會顯示為價“2”，最終計算出的由網(wǎng)格組成的扇形存儲數(shù)據(jù)會包含一部分內(nèi)容顯示為價“2”，這說明該網(wǎng)格扇形帶中包含單個三角形，所有均支持開放圖形庫格式。這種基于扇形帶的三角網(wǎng)格拓?fù)潢P(guān)系表示方法考慮到基于三角網(wǎng)格拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行圖形處理壓縮，并充分運用了區(qū)域增長算法理論。以扇形帶中三角形的相鄰關(guān)系為切入點，對網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的三角形幾何信息進(jìn)行預(yù)測編碼。扇形帶的結(jié)構(gòu)與目前圖形處理單元的結(jié)構(gòu)相宜，所以可以提高圖形處理的實時性。
2.2 基于廣義三角形帶的三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)壓縮和多分辨率表示方法
廣義三角形帶指的是滿足Hamiltonian（哈密爾頓）剖分條件的三角形集合。如果一個三角剖分對偶圖是哈密爾頓通路或者回路，那么我們稱這樣的三角剖分為哈密爾頓三角剖分。廣義三角形帶可以利用圖形處理單元結(jié)構(gòu)特點提高處理效率，但不是所有三角網(wǎng)格都可以被描述成廣義三角形帶。舉例說明，三角網(wǎng)格通常被表現(xiàn)為k個廣義三角形帶集合，三角形數(shù)量為m時定點數(shù)量為m+2k，每個頂點傳輸次數(shù)為2+4klm。在圖形處理單元一端設(shè)置適當(dāng)?shù)木彌_區(qū)可以降低頂點被重復(fù)傳輸?shù)拇螖?shù)，但固定大小的緩沖區(qū)在實際操作中受制于網(wǎng)格多樣性特征而不能發(fā)揮效用，除此之外，過大的緩沖區(qū)也會導(dǎo)致頂點檢索效率的下降。隨著圖形處理單元技術(shù)不斷革新，顯存與圖形處理單元之間的傳輸帶寬達(dá)到35 GB/s，傳統(tǒng)緩沖區(qū)衍生出讀寫功能并伴隨著顯存容量的顯著增加。除此之外，運用FIFO（先進(jìn)先出隊列）這樣的順序讀寫結(jié)構(gòu)可以顯著提高緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的讀寫速率?；趶V義三角形帶的三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)壓縮和多分辨率表示方法利圖形理單元一端的顯示緩沖區(qū)作為緩存，使得頂點數(shù)據(jù)的重復(fù)傳輸和存儲問題得到解決，同時運用先進(jìn)先出隊列提高緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的讀寫效率，創(chuàng)新性地構(gòu)造廣義三角形帶的區(qū)域增長算法，保證緩沖區(qū)只需要對公共頂點進(jìn)行存儲。
2.3 基于KD-樹的點模型各向異性量化方法
如前文所述，量化是幾何信息壓縮的前提，以點模型為常用項的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，以空間分割的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，例如八叉樹和KD-樹，其中就包含了量化信息，幾何信息壓縮率通過充分利用這些信息得以提高。學(xué)者Botsch等人利用空間分割八叉樹描述點模型，點的位置信息隱含在節(jié)點的層次中，每個節(jié)點代表一個8比特的編碼，應(yīng)用在二維流形體的表面上，這一方法使每個點的幾何位置平均只需要8/3比特。節(jié)點的半徑信息可以通過編碼間接計算，因此不需要額外儲存。學(xué)者Botsch等人在工作中使用的是各向同性的量化。各向同性的量化指的是采樣點的坐標(biāo)值x，y和z分量的精度相同。與之相對應(yīng)的各向異性的量化則是采樣點的坐標(biāo)值x，y和z分量的精度不相同。各向異性的量化沿著坐標(biāo)軸方向?qū)臻g進(jìn)行的分割是均勻而不同步的。這意味著進(jìn)行不同精度的量化，采樣點的三個坐標(biāo)分量的比特數(shù)可以依照采樣點的分布而變化，使得冗余量大幅度下降?；贙D-樹的點模型各向異性量化方法就是通過對采樣點坐標(biāo)分量的異性量化來降低集中點的數(shù)量，以達(dá)到點和多邊形交疊顯示的目的。利用節(jié)點易于將KD-樹序列化，可以通過GPU進(jìn)行解碼從而使解碼負(fù)荷下降。利用空間分割KD-樹量化采樣點的位置坐標(biāo)這一各向異性的量化，在保持顯示精度不變的前提下，降低采樣點數(shù)量，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。通過引入節(jié)點邊界盒的可見編碼，運用十一位二進(jìn)制數(shù)字對節(jié)點對應(yīng)的幾何坐標(biāo)、法向量和節(jié)點尺寸等數(shù)據(jù)進(jìn)行表達(dá)，使得模型數(shù)據(jù)量得到顯著降低，同時也提高了圖形處理的實時性。
3 結(jié)語
實時圖形處理關(guān)鍵技術(shù)的研究在互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的今天具有重要意義，作為圖形處理的理論基礎(chǔ)――幾何壓縮理論和圖形處理單元三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)毫無疑問地從誕生發(fā)展到現(xiàn)今，都在科學(xué)探索、工程設(shè)計、機(jī)械制造、模擬仿真、醫(yī)藥衛(wèi)生等眾多領(lǐng)域占據(jù)者重要地位，被廣泛應(yīng)用于處理計算機(jī)圖形學(xué)以及相關(guān)領(lǐng)域中的三維幾何數(shù)據(jù)，以達(dá)到完成和實現(xiàn)諸多成果的目的。本文在梳理幾何壓縮理論和圖形處理單元三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)概念后，探討了圖形處理中的關(guān)鍵技術(shù)：基于扇形帶的三角網(wǎng)格拓?fù)潢P(guān)系表示方法，基于廣義三角形帶的三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)壓縮和多分辨率表示方法以及基于KD-樹的點模型各向異性量化方法，通過對關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用探索以求實現(xiàn)圖形處理實時性的提高。
參考文獻(xiàn)
第3篇：計算機(jī)圖形學(xué)關(guān)鍵技術(shù)范文
論文摘要：計算科學(xué)主要講述了一種科學(xué)的思想方法，計算科學(xué)的基本概念、基本知識它的發(fā)展主線、學(xué)科分支、還有計算科學(xué)的特點、發(fā)展規(guī)律和趨勢。
引言：隨著存儲程序式通用電子計算機(jī)在上世紀(jì)40年代的誕生，和計算科學(xué)的快速發(fā)展以及取得的大量成果。計算科學(xué)這一學(xué)科也也應(yīng)運而生?！队嬎憧茖W(xué)導(dǎo)論》 正如此書的名字，此書很好的詮釋了計算科學(xué)這一學(xué)科，并且指導(dǎo)了我們應(yīng)如何去學(xué)好這一學(xué)科。使得我們收獲頗多。并且讓我深深的反思了我的大學(xué)生活。正如趙老師書中所講的：“計算科學(xué)是年輕人的科學(xué)，一旦你選擇了計算科學(xué)作為你為之奮斗的專業(yè)類領(lǐng)域，就等于你選擇了一條布滿荊棘的道路。一個有志于從事計算科學(xué)研究與開發(fā)的學(xué)生，必須在大學(xué)幾年的學(xué)習(xí)中，打下堅實的基礎(chǔ)，才有可能在將來學(xué)科的高速發(fā)展中，或在計算機(jī)產(chǎn)品的開發(fā)和快速更新?lián)Q代中有所作為。
什么是計算科學(xué)和它的來歷
計算科學(xué)主要是對描述和變換信息的算法過程，包括其理論、分析、設(shè)計、效率分析、實現(xiàn)和應(yīng)用的系統(tǒng)研究。全部計算科學(xué)的基本問題是，什么能（有效的）自動運行，什么不能（有效的）自動運行。本科學(xué)來源于對數(shù)理邏輯、計算模型、算法理論、自動計算機(jī)器的研究，形成于20世紀(jì)30年代的后期。
隨著存儲程序式通用電子計算機(jī)在上世紀(jì)40年代的誕生，人類使用自動計算裝置代替人的人工計算和手工勞動的夢想成為現(xiàn)實。計算科學(xué)的快速發(fā)展以也取得大量成果，計算科學(xué)這一學(xué)科也也應(yīng)運而生。
計算科學(xué)的發(fā)展
a、首先先介紹圖靈機(jī)
圖靈機(jī)的發(fā)明打開了現(xiàn)代計算機(jī)的大門和發(fā)展之路。圖靈機(jī)通過一條兩端可無限延長的袋子，一個讀寫頭和一組控制讀寫頭的（控制器）組成它有一個狀態(tài)集和符號集，而此符號集一般只使用0和1兩個符號。而就是這個簡潔的結(jié)構(gòu)和運行原理隱含了存儲程序的原始思想，深刻的揭示了現(xiàn)代通用電子數(shù)字計算機(jī)的核心內(nèi)容?，F(xiàn)在通用的計算機(jī)是電子數(shù)字計算機(jī)，而電子數(shù)字計算機(jī)的發(fā)展是建立在圖靈機(jī)的基礎(chǔ)之上。他的二進(jìn)制思想使計算機(jī)的制作的簡化成只需兩個穩(wěn)定態(tài)的元器件。這在今后的計算機(jī)制作上無論是二極管或集成電路上都顯示了明顯的優(yōu)越性。
b、計算機(jī)帶動的計算學(xué)科
1946年隨著現(xiàn)代意義上的電子數(shù)字計算機(jī)ENIAC的誕生。掀起了社會快速發(fā)展的嶄新一頁。計算機(jī)工作和運行就擺在了人們的面前。
1、計算機(jī)語言
我們要用計算機(jī)求解一個問題，必須事先編好程序。因此就出現(xiàn)了最早的機(jī)器指令和匯編語言。20世紀(jì)50年代后，計算機(jī)的發(fā)展步入了實用化的階段。然而，在最初的應(yīng)用中，人們普遍感到使用機(jī)器指令編制程序不僅效率低下，而且十分別扭，也不利于交流和軟件維護(hù)，復(fù)雜程序查找錯誤尤其困難，因此，軟件開發(fā)急需一種高級的類似于自然語言那樣的程序設(shè)計語言。1952年，第一個程序設(shè)計語言Short Code出現(xiàn)。兩年后，F(xiàn)ortran問世。作為一種面向科學(xué)計算的高級程序設(shè)計語言，F(xiàn)ortran的最大功績在于牢固地樹立了高級語言的地位，并使之成為世界通用的程序設(shè)計語言。Algol60的誕生是計算機(jī)語言的研究成為一門科學(xué)的標(biāo)志。該語言的文本中提出了一整套的新概念，如變量的類型說明和作用域規(guī)則、過程的遞歸性及參數(shù)傳遞機(jī)制等。而且，它是第一個用嚴(yán)格的語法規(guī)則——巴科斯范式（BNF）定義語言文法的高級語言。還有用于支持結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的PASCAL語言，適合于軍隊各方面應(yīng)用的大型通用程序設(shè)計語言ADA，支持并發(fā)程序設(shè)計的MODULA-2，支持邏輯程序設(shè)計的PROLOG語言，支持人工智能程序設(shè)計的LISP語言，支持面積對象程序變換的SMALLTALK、C等。
2、計算機(jī)系統(tǒng)和軟件開發(fā)方法
現(xiàn)代意義上的計算機(jī)絕不是一個簡單的計算機(jī)了而也包括了軟件（系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件）。各種各樣的軟件使得計算機(jī)的用途大大增強(qiáng)。而軟件開發(fā)也成為了一個重要課題和發(fā)展方向。軟件開發(fā)的理論基礎(chǔ)即是計算模型。隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、分布式處理和多媒體的發(fā)展。在各種高級程序設(shè)計語言中增加并發(fā)機(jī)構(gòu)以支持分布式程序設(shè)計，在語言中通過擴(kuò)展繪圖子程序以支持計算機(jī)圖形學(xué)程序設(shè)計在程序設(shè)計語言中已非常的流行。之后，在模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換等接口技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的支持下，通過擴(kuò)展高級語言的程序庫又實現(xiàn)了多媒體程序設(shè)計的構(gòu)想。進(jìn)入20世紀(jì)90年代之后，并行計算機(jī)和分布式大規(guī)模異質(zhì)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展又將并行程序設(shè)計語言、并行編譯程序、并行操作系統(tǒng)、并行與分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等試行軟件的開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)依然與高級語言和計算模型密切相關(guān)，如各種并行、并發(fā)程序設(shè)計語言，進(jìn)程代數(shù)，PETRI網(wǎng)等，它們正是軟件開發(fā)方法和技術(shù)的研究中支持不同階段軟件開發(fā)的程序設(shè)計語言和支持這些軟件開發(fā)方法和技術(shù)的理論基礎(chǔ)----計算模型
3、計算機(jī)圖形學(xué)
在計算機(jī)的硬件的迅速發(fā)展中。隨著它的存儲容量的增大，也掀起了計算機(jī)的巨大改革。計算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理技術(shù)的發(fā)展，促使圖形化界面的出現(xiàn)。計算機(jī)圖形學(xué)是使用計算機(jī)輔助產(chǎn)生圖形并對圖形進(jìn)行處理的科學(xué)。并由此推動了計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）、計算機(jī)輔助教學(xué)（CAI）、計算機(jī)輔助信息處理、計算機(jī)輔助測試（CAT）等方向的發(fā)展。圖形化界面的出現(xiàn)，徹底改變了在一個黑色的DOS窗口前敲代碼輸入控制命令的時代。同時也成就了一個偉大的公司Microsoft 。
4、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)
隨著用戶迫切需要實現(xiàn)不同計算機(jī)上的軟硬件和信息資源共享。網(wǎng)絡(luò)就在我們的需求中誕生了。網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和信息資源的交換使每臺計算都變成了網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)。這也促進(jìn)計算機(jī)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用。
計算機(jī)學(xué)科的主線及發(fā)展方向
圍繞著學(xué)科基本問題而展開的大量具體研究，形成學(xué)科發(fā)展的主流方向與學(xué)科發(fā)展主線和學(xué)科自身的知識組織結(jié)構(gòu)。計算學(xué)科內(nèi)容按照基礎(chǔ)理論、基本開發(fā)技術(shù)、應(yīng)用以及他們與硬件設(shè)備聯(lián)系的緊密程度分成三個層面：
1、計算科學(xué)應(yīng)用層
它包括人工智能應(yīng)用與系統(tǒng)，信息、管理與決策系統(tǒng)，移動計算，計劃可視化，科學(xué)計算機(jī)等計算機(jī)應(yīng)用的各個方向。
2、計算科學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)層
它是為應(yīng)用層提供技術(shù)和環(huán)境的一個層面，包括軟件開發(fā)方法學(xué)，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)，程序設(shè)計科學(xué)，計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、電子計算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)。
3、計算科學(xué)的基礎(chǔ)層
它包括計算科學(xué)的數(shù)學(xué)理論，高等邏輯等內(nèi)容。其中計算的數(shù)學(xué)理論涵蓋可計算性與計算復(fù)雜性理論形式語言與計算機(jī)理論等。
計算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及網(wǎng)絡(luò)安全
(1)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與病毒
一個現(xiàn)代計算機(jī)被定義為包含存儲器、處理器、功能部件、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、匯編程序、 編譯程序、操作系統(tǒng)、外部設(shè)備、通信通道等內(nèi)容的系統(tǒng)。
通過上面定義，我們發(fā)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)也被加入到計算機(jī)當(dāng)中。說明了網(wǎng)絡(luò)的重要以及普及性。21世紀(jì)是信息時代。信息已成為一種重要的戰(zhàn)略資。信息科學(xué)成為最活躍的領(lǐng)域之一，信息技術(shù)改變著人們的生活方式。現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于科研、教育、企業(yè)生產(chǎn)、與經(jīng)營管理、信息服務(wù)等各個方面。全世界的互聯(lián)網(wǎng)Internet 正在爆炸性的擴(kuò)大，已經(jīng)成為覆蓋全球的信息基礎(chǔ)設(shè)施之一。
因為互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展與應(yīng)用，我們各行各業(yè)都在使用計算機(jī)。信息安全也顯得格外重要。而隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全受到嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，來自計算機(jī)病毒和黑客的攻擊及其他方面的威脅也越來越大。其中計算機(jī)病毒更是很難根治的主要威脅之一。計算機(jī)病毒給我們帶來的負(fù)面影響和損失是刻骨銘心的，譬如1999年爆發(fā)的CIH病毒以及2003年元月的蠕蟲王病毒等都給廣大用戶帶來巨大的損失。
我們想更好的讓計算機(jī)為我們服務(wù)，我們就必須很好的利用它，利用網(wǎng)絡(luò)。同時我們也應(yīng)該建立起自己的防護(hù)措施，以抵抗外來信息的侵入，保護(hù)我們的信息不受攻擊和破壞。
( 2 )計算機(jī)病毒及它的防范措施：
計算機(jī)病毒是一組通過復(fù)制自身來感染其它軟件的程序。當(dāng)程序運行時，嵌入的病毒也隨之運行并感染其它程序。一些病毒不帶有惡意攻擊性編碼，但更多的病毒攜帶毒碼，一旦被事先設(shè)定好的環(huán)境激發(fā)，即可感染和破壞。
、病毒的入侵方式
1．無線電方式。主要是通過無線電把病毒碼發(fā)射到對方電子系統(tǒng)中。此方式是計算機(jī)病毒注入的最佳方式，同時技術(shù)難度也最大?？赡艿耐緩接校孩僦苯酉?qū)Ψ诫娮酉到y(tǒng)的無線電接收器或設(shè)備發(fā)射，使接收器對其進(jìn)行處理并把病毒傳染到目標(biāo)機(jī)上。②冒充合法無線傳輸數(shù)據(jù)。根據(jù)得到的或使用標(biāo)準(zhǔn)的無線電傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)格式，發(fā)射病毒碼，使之能夠混在合法傳輸信號中，進(jìn)入接收器，進(jìn)而進(jìn)人信息網(wǎng)絡(luò)。③尋找對方信息系統(tǒng)保護(hù)最差的地方進(jìn)行病毒注放。通過對方未保護(hù)的數(shù)據(jù)鏈路，將病毒傳染到被保護(hù)的鏈路或目標(biāo)中。
2．“固化”式方法。即把病毒事先存放在硬件（如芯片）和軟件中，然后把此硬件和軟件直接或間接交付給對方，使病毒直接傳染給對方電子系統(tǒng)，在需要時將其激活，達(dá)到攻擊目的。這種攻擊方法十分隱蔽，即使芯片或組件被徹底檢查，也很難保證其沒有其他特殊功能。目前，我國很多計算機(jī)組件依賴進(jìn)口，困此，很容易受到芯片的攻擊。
3．后門攻擊方式。后門，是計算機(jī)安全系統(tǒng)中的一個小洞，由軟件設(shè)計師或維護(hù)人發(fā)明，允許知道其存在的人繞過正常安全防護(hù)措施進(jìn)入系統(tǒng)。攻擊后門的形式有許多種，如控制電磁脈沖可將病毒注入目標(biāo)系統(tǒng)。計算機(jī)入侵者就常通過后門進(jìn)行攻擊，如目前普遍使用的WINDOWS98，就存在這樣的后門。
4．?dāng)?shù)據(jù)控制鏈侵入方式。隨著因特網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使計算機(jī)病毒通過計算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)控制鏈侵入成為可能。使用遠(yuǎn)程修改技術(shù)，可以很容易地改變數(shù)據(jù)控制鏈的正常路徑。
病毒攻擊的防范的對策
1．建立有效的計算機(jī)病毒防護(hù)體系。有效的計算機(jī)病毒防護(hù)體系應(yīng)包括多個防護(hù)層。一是訪問控制層；二是病毒檢測層；三是病毒遏制層；四是病毒清除層；五是系統(tǒng)恢復(fù)層；六是應(yīng)急計劃層。上述六層計算機(jī)防護(hù)體系，須有有效的硬件和軟件技術(shù)的支持，如安全設(shè)計及規(guī)范操作。
2．嚴(yán)把收硬件安全關(guān)。國家的機(jī)密信息系統(tǒng)所用設(shè)備和系列產(chǎn)品，應(yīng)建立自己的生產(chǎn)企業(yè)，實現(xiàn)計算機(jī)的國產(chǎn)化、系列化；對引進(jìn)的計算機(jī)系統(tǒng)要在進(jìn)行安全性檢查后才能啟用，以預(yù)防和限制計算機(jī)病毒伺機(jī)入侵。
3．防止電磁輻射和電磁泄露。采取電磁屏蔽的方法，阻斷電磁波輻射，這樣，不僅可以達(dá)到防止計算機(jī)信息泄露的目的，而且可以防止“電磁輻射式”病毒的攻擊。
4．加強(qiáng)計算機(jī)應(yīng)急反應(yīng)分隊建設(shè)。應(yīng)成立自動化系統(tǒng)安全支援分隊，以解決計算機(jī)防御性的有關(guān)問題。
很多公司都有因為電腦被入侵而遭受嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失的慘痛經(jīng)歷，不少普通用戶也未能避免電腦被破壞的厄運，造成如此大損失的并不一定都是技術(shù)高超的入侵者所為，小小的字符串帶給我們的損失已經(jīng)太多。因此，如果你是數(shù)據(jù)庫程序開發(fā)人員、如果你是系統(tǒng)級應(yīng)用程序開發(fā)人員、如果你是高級計算機(jī)用戶、如果你是論壇管理人員......請密切注意有關(guān)字符漏洞以及其他各類漏洞的最新消息及其補(bǔ)丁，及時在你的程序中寫入防范最新字符漏洞攻擊的安全檢查代碼并為你的系統(tǒng)安裝最新的補(bǔ)丁會讓你遠(yuǎn)離字符帶來的危險。經(jīng)常殺毒，注意外來設(shè)備在計算機(jī)上的使用和計算機(jī)對外網(wǎng)的鏈接。也可以大大有效的避免計算機(jī)被攻擊。
總結(jié)
在學(xué)了計算科學(xué)導(dǎo)論之后，讓我更深入的了解了我將來要從事的學(xué)科。計算科學(xué)導(dǎo)論指導(dǎo)著我們該怎么學(xué)習(xí)計算機(jī)。讓我更清楚的知道我們信息安全專業(yè)的方向。正如計算科學(xué)這座大樓一樣，在不斷的成長。信息安全也必將隨著網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展而更多的被人們重視。總之學(xué)習(xí)了這門課之后讓我受益匪淺，也知道自己應(yīng)該好好努力，爭取在自己的專業(yè)領(lǐng)域上有所成就。
參考文獻(xiàn)
1、《計算科學(xué)導(dǎo)論》（第三版），趙志琢著 ，科學(xué)出版社2004版
2、《計算機(jī)病毒分析與對抗》 傅建明 彭國軍 張煥國編著武漢大學(xué)出版社2004版
3、《計算機(jī)應(yīng)用于基礎(chǔ)》（第三版） 丁愛萍 著 西安電子科技大學(xué)出版社 2006版
4、《軟件工程》 薩莫維爾 著 機(jī)械工業(yè)出版社
第4篇：計算機(jī)圖形學(xué)關(guān)鍵技術(shù)范文
關(guān)鍵詞:橋梁;軟件;建模;OpenGL
中圖分類號:TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1009-3044(2010)18-5104-02
Some Key Techniques for 3DBridge Modeling System
YANG Jun
(China Zhongtie Major Bridge Reconnaissance & Design Institute Co., Ltd,Wuhan 430056, China)
Abstract: This paper introduces the design and some key techniques of the 3DBridge Three Dimensional Visual Modeling System and describes in detail the bridge structural model data change to the objects that are showed on the screen. In addition, this paper introduces the design of human-computer interaction of the system. Based on Windows, , VC#.net IDE and OpenGL, a three dimensional visualization system for modeling bridge was developed. It realizes the graphic modeling, 3-D graphic display and graphic mutual operation of bridge structural model.
Key words: bridge; software; three dimensional visual; modeling; OpenGL
現(xiàn)代的橋梁設(shè)計工作已經(jīng)離不開各種橋梁分析軟件,它們輔助橋梁設(shè)計人員對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計算。橋梁空間分析軟件3DBridge是我公司自行開發(fā)的橋梁設(shè)計計算有限元軟件,可以用一個計算模型對橋梁建造的全過程進(jìn)行數(shù)值仿真計算。單元類型包括直線梁單元、曲線梁單元、斜拉索單元、矩形薄板單元等。
橋梁空間分析軟件3DBridge以數(shù)據(jù)文件的方式,建立橋梁結(jié)構(gòu)分析模型,需要采集的數(shù)據(jù)種類多、數(shù)量大,并且該文本文件對輸入格式有很多的要求,容易混淆與填錯,填寫完畢后也不能快速檢查數(shù)據(jù)正確性,經(jīng)常有計算程序無法正確讀取文件,造成計算中斷的情況。所以如何快速和正確的得到橋梁結(jié)構(gòu)分析模型成了當(dāng)務(wù)之急。
橋梁空間分析軟件建模系統(tǒng)就是為了實現(xiàn)橋梁空間分析軟件的工程計算可視化而開發(fā)的。工程計算可視化是科學(xué)計算可視化的一個重要應(yīng)用方面。工程計算可視化從分析計算到圖樣繪制實現(xiàn)視算一體化,操作上強(qiáng)調(diào)接近設(shè)計過程,通過對圖形的操作來修改參數(shù)、改變和引導(dǎo)計算進(jìn)程,做出優(yōu)化選擇。橋梁空間分析軟件三維可視化建模系統(tǒng)主要通過圖形交互手段方便快捷的建立單元、節(jié)點邊界條件和預(yù)應(yīng)力鋼束等,并把這些對象用三維圖形來顯示。它使橋梁分析計算與三維圖形顯示融為一體,通過觀察橋梁結(jié)構(gòu)三維模型,可以改變參數(shù)對橋梁基本特性的影響,達(dá)到對橋梁結(jié)構(gòu)模型優(yōu)化設(shè)計的目的。
本系統(tǒng)采用 Visual C#.net和Visual 混合編程語言, 利用三維圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)接口OpenGL進(jìn)行開發(fā)。
1 三維可視化建模系統(tǒng)設(shè)計
本系統(tǒng)的主要功能的實現(xiàn)依賴于OpenGL。OpenGL(Open Graphics Library,開放性圖形庫)是目前開發(fā)可交互的2D和3D圖形應(yīng)用程序的首選環(huán)境之一。它被設(shè)計為獨立于硬件、獨立于窗口系統(tǒng),可以運行在當(dāng)前各種操作系統(tǒng)之上。作為圖形硬件的軟件接口,OpenGL包括了100多個圖形操作函數(shù),分屬于三個基本圖形庫,即基礎(chǔ)庫、使用庫、輔助庫。在基本圖形庫的基礎(chǔ)上開發(fā)了圖形基本單元,如長方體,空心圓柱體等。開發(fā)者可以利用這些函數(shù)或者基本圖形單元來構(gòu)造景物模型,進(jìn)行三維圖形交互軟件的開發(fā)。
1.1橋梁空間分析軟件中各種結(jié)構(gòu)模型對象的顯示
橋梁空間分析軟件中一個橋梁結(jié)構(gòu)計算模型包括各種結(jié)構(gòu)對象,例如節(jié)點、直線梁單元、曲線梁單元、板殼單元、支承單元和板殼單元等,以及組成這些梁單元、板殼單元的截面對象。對于一個橋梁結(jié)構(gòu)計算模型來講,描述該橋梁結(jié)構(gòu)的對象實際上是一些數(shù)據(jù),比如節(jié)點,用三維坐標(biāo)(X、Y、Z,三個浮點數(shù))來表示;直線梁單元則包括兩個節(jié)點、一個參考節(jié)點和它的截面信息;長方形板殼單元則是由四個節(jié)點、厚度和材料等數(shù)據(jù)來組成的;其他結(jié)構(gòu)對象也類似。這些結(jié)構(gòu)對象都是由一系列的數(shù)據(jù)和它們之間關(guān)系來描述,把這些數(shù)據(jù)所組成的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化成可以被顯示的幾何對象,再利用計算機(jī)圖形學(xué),把這些幾何對象顯示在屏幕上,從而輔助設(shè)計人員直觀的發(fā)現(xiàn)模型中各個對象之間的聯(lián)系,從而進(jìn)行判斷或操作。
1.2 豐富的人機(jī)交互設(shè)計功能
計算機(jī)技術(shù)最重要的進(jìn)展之一就是使用戶能同計算機(jī)顯示系統(tǒng)進(jìn)行交互。用戶從屏幕上觀看到一幅圖像,然后利用鼠標(biāo)或者是其他交互式設(shè)備對這幅圖像上的某部分進(jìn)行操作,圖像則根據(jù)操作進(jìn)行變化,用戶再根據(jù)變化進(jìn)行操作,兩者交替、反復(fù)進(jìn)行,直到圖像中的內(nèi)容符合用戶的要求。本系統(tǒng)豐富了人機(jī)交互設(shè)計的功能,利用圖形用戶界面操作,直接操縱,所見即所得。比如,本系統(tǒng)中建立橋梁模型時,對梁單元等對象的點選、刪除、復(fù)制和鏡像等操作,就是用戶根據(jù)圖像上顯示的梁單元所進(jìn)行操作,操作后根據(jù)梁單元圖像顯示的變化,再進(jìn)行下一步的操作,交替反復(fù)直到全部需要的梁單元建立好。這樣就使得建模過程快速直觀,建立得到模型可靠性大大加強(qiáng)。
1.3 輸入和輸出
為了使原來使用的計算建模文件能夠?qū)氲奖鞠到y(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)中,還開發(fā)了轉(zhuǎn)換計算建模文件的功能,這樣既可以把原來使用過的文件中的純數(shù)字內(nèi)容轉(zhuǎn)換成直觀的圖形顯示,又可以對新的計算模型有參考的作用。本系統(tǒng)在使用者建立完整的一個橋梁結(jié)構(gòu)計算模型后,通過轉(zhuǎn)換程序,生成3DBridge計算程序需要的一個接口文件,在對該文件的有效性進(jìn)行判斷后提交3DBridge計算程序進(jìn)行計算。
2 三維可視化建模系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
2.1 平衡顯示效果和顯示速度
對于橋梁計算結(jié)構(gòu)模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實際屏幕的顯示,每種對象在顯示質(zhì)量和顯示速度之間需要做一個平衡的選擇,在不降低用戶體驗的情況下,盡量加快顯示速度。 例如節(jié)點在計算數(shù)據(jù)中就是用一個三維坐標(biāo)(X、Y、Z)來表示的,而在本系統(tǒng)中,在顯示屏上顯示應(yīng)該是一個直徑在1毫米左右的近似圓球。在一個橋梁結(jié)構(gòu)模型中需要顯示的節(jié)點比較多,一個大型的橋梁結(jié)構(gòu)模型中有3-4萬個節(jié)點甚至更多。要把顯示效果和顯示速度結(jié)合起來,在實際需要和顯示之間就需要做一個折中。經(jīng)過查找資料,總結(jié)得出四種方法來顯示節(jié)點:1)直接使用OpenGL中的函數(shù)生成圓球;2)把圓球按照經(jīng)緯線分割,再把分割線包圍的小塊使用對角線分成兩個三角形的方法,用大量三角形模擬圓球;3)使用正四面體模擬圓球;4)使用正二十面體模擬圓球。經(jīng)過測試,在計算機(jī)的中央處理器和顯卡配置一樣的情況下,顯示速度從快到慢順序分別是3421;顯示效果由好到一般的順序分別是1243 。如果直接采用圓球,雖然顯示效果最理想,但是顯著的降低了顯示速度,比采用正二十面體要下降約70%的顯示速度。而正四面體在顯示屏上顯示的時候,顯示速度最快,但是尖銳的凸角缺少圓潤,在顯示屏上顯示,旋轉(zhuǎn)場景時,節(jié)點就會出現(xiàn)很多棱角,違背了節(jié)點應(yīng)該顯示為近似圓球的初衷。最后采用了正二十面體來代表節(jié)點,這種方法可以在顯示效果和顯示速度兩者間達(dá)到平衡。對于正二十面體模擬的圓球凸角比正四面體的凸角要少尖銳趨于平滑,而正二十面體所需要的三角形二十個,比一般用經(jīng)緯線分割的大量三角形模擬的圓球比較要少一到兩百多個(根據(jù)經(jīng)緯線劃分疏密不等),渲染的時候顯示速度就會更快。
節(jié)點的顯示是梁單元或者板殼單元顯示的基礎(chǔ)。梁單元和板殼單元在橋梁結(jié)構(gòu)模型中數(shù)量也是眾多的,在一個大型的橋梁結(jié)構(gòu)模型中梁單元多達(dá)上萬個,板殼單元的數(shù)量有時也多達(dá)上萬個。在本系統(tǒng)現(xiàn)階段中,梁單元和板殼單元的顯示做了一定程度的簡化。目前,梁單元的顯示省略了截面信息,板殼單元省略了厚度信息。用相對簡單的結(jié)構(gòu)來代替。梁單元利用連接兩個節(jié)點之間的線段來代表梁單元。板殼單元由連接四個節(jié)點(板殼單元的四個頂點)的線段所組成的長方形平面來顯示。圖 1顯示了一個規(guī)模較大的橋梁結(jié)構(gòu)模型。
2.2 選擇對象
在本系統(tǒng)人機(jī)交互的一個最重要的部分就是能夠選擇對象,例如,選擇節(jié)點、梁單元和板殼單元等。OpenGL實現(xiàn)拾取的困難之處在于:不能直接從鼠標(biāo)顯示在屏幕上的位置按相反的方向去確定屏幕上離該位置最近的那個已繪制的圖元。OpenGL使用一種稱為選擇模式(selection mode)的繪制模式來拾取。當(dāng)進(jìn)入這種模式并繪制場景的時候,指定的裁剪體中的每個圖元都產(chǎn)生一個命中的消息。通常情況下,每個識別對象由一組圖元組成的,然后要給組成這個對象的一組圖元賦予名字,如果這個對象被選擇,就需要把它的信息存儲在一個稱為命中列表的結(jié)構(gòu)中,并在繪制過后檢查該命中列表來獲取選擇操作所需的信息。[1]這樣對于本系統(tǒng)的大量的圖元和對象來講,第一要賦予大量的對象名字,這一點對于本系統(tǒng)中并無必要;第二判斷對象是否被選擇,每次都要去遍歷命中列表,當(dāng)命中列表項目很多的時候會導(dǎo)致渲染的代碼執(zhí)行速度減慢。在本系統(tǒng)中簡化了選擇的操作,選擇對象有兩種方式:一種是拾取對象,另一種是選擇對象。下面以選擇對象來講述本系統(tǒng)中實現(xiàn)選擇操作的方法:首先根據(jù)鼠標(biāo)繪制的長方形的平面選擇框,得到四個頂點的二維屏幕坐標(biāo),然后根據(jù)選擇的對象類型將所有該種類型的對象所包含的節(jié)點坐標(biāo)經(jīng)過變化和映射轉(zhuǎn)換成二維的屏幕坐標(biāo),最后將這些坐標(biāo)和選擇框的四個屏幕的二維坐標(biāo)進(jìn)行比對,如果所有節(jié)點變換后的坐標(biāo)在框內(nèi),就認(rèn)為包含該節(jié)點的對象被選擇,把對象的被選擇的屬性置為真,然后刷新屏幕,高亮顯示被選擇的對象。如圖2所示,塔左邊的斜拉索沒有被選擇以紅色顯示,而塔右邊的斜拉索被選擇,則以綠色高亮顯示。
2.3 頂點數(shù)組和顯示列表的結(jié)合使用
本系統(tǒng)的另外一個特點就是使用了頂點數(shù)組和顯示列表[2],加快了橋梁結(jié)構(gòu)模型的顯示的速度。這點在大型橋梁結(jié)構(gòu)模型的顯示中顯得格外的重要。大型的橋梁結(jié)構(gòu)包括大量的對象,如果采取常用的顯示方法一個一個對象來顯示的話常常會造成顯示速度低下,使用者的體驗差等,比如一個簡單的旋轉(zhuǎn)的操作都會耗費不短的顯示時間。而采用頂點數(shù)組和顯示列表聯(lián)合顯示,將有效的改變這個情況。把每個對象的集合,例如節(jié)點集合使用頂點數(shù)組顯示,然后把這個頂點數(shù)組放入到一個顯示列表中,當(dāng)重繪三維場景的時候,直接調(diào)用顯示列表。
3 結(jié)束語
橋梁空間分析軟件3DBridge三維可視化建模系統(tǒng)極大的增強(qiáng)了橋梁空間分析軟件3DBridge的易用性。在橋梁結(jié)構(gòu)模型的三維可視化過程中,使用了平移、旋轉(zhuǎn)及縮放等圖像處理技術(shù),為靈活、有效的進(jìn)行橋梁設(shè)計提供了新的手段。
參考文獻(xiàn):
第5篇：計算機(jī)圖形學(xué)關(guān)鍵技術(shù)范文
關(guān)鍵詞：WebGIS 房產(chǎn)測繪 三維 信息化
中圖分類號：P2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）02（a）-0040-02
1 概述
1.1 房產(chǎn)測繪信息及其特點
地理景觀對象從空間認(rèn)知上可以分為兩大類：一類是以場為基礎(chǔ)的對象，如地形、土壤種類分布等，這類對象在空間上連續(xù)分布。另一類是以離散實體為特性的對象，如房屋、樹等，這類對象以獨立的個體而存在。
房產(chǎn)測繪信息包括房屋及附屬建筑物、各類界線（房產(chǎn)界線、境界線）、各類房產(chǎn)要素相關(guān)點（控制點、界址點、境界點）、交通要素（公路、鐵路等）、水體要素、綠化用地、其它要素等。但其中主要和最重要的組成部分無疑是房產(chǎn)建筑物。
房產(chǎn)建筑物邊界清晰、功能完整屬于離散實體的范疇。故而，房產(chǎn)測繪信息的主體信息—— 房產(chǎn)建筑物應(yīng)該屬于離散實體的范疇。房屋的特性除了離散性外，還有一大特點就是大多比較規(guī)則且具有相似性，尤其是大多數(shù)小區(qū)中的房屋形狀、樣式、外觀基本相同。
1.2 基于WebGIS的房產(chǎn)測繪信息三維可視化的概念
可視化（Visualization）是指在人腦中形成對事物、現(xiàn)象的心像，是一個心理處理過程，促使對事物的觀察力及建立概念等。三維可視化，是指運用計算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)和運算結(jié)果轉(zhuǎn)換為三維圖形，并在屏幕上顯示出來等一系列進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。
房產(chǎn)測繪信息三維可視化是三維可視化技術(shù)在房產(chǎn)測繪領(lǐng)域的具體應(yīng)用。房產(chǎn)測繪信息二維可視化是指利用計算機(jī)圖形學(xué)、可視化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等以三維可視的形式表達(dá)房產(chǎn)測繪信息。房產(chǎn)測繪信息三維可視化應(yīng)遵循著突出房產(chǎn)要素，淡化其他要素的原則進(jìn)行。
因此，房產(chǎn)測繪信息三維可視化研究的重點應(yīng)放在房產(chǎn)測繪信息的主體部分—— 房產(chǎn)建筑物的三維可視化上。
基于WebGIS的房產(chǎn)測繪信息三維可視化是指在WebGIS的環(huán)境下實現(xiàn)房產(chǎn)測繪信息的三維可視化。也就是說，用戶可以通過Internet實時查看自己關(guān)心區(qū)域的房產(chǎn)測繪三維場景。其核心問題是如何在WebGIS環(huán)境下實現(xiàn)房產(chǎn)測繪信息區(qū)域三維場景的實時構(gòu)建。
2 相關(guān)技術(shù)研究
房產(chǎn)測繪信息化技術(shù)如圖1所示。
2.1 GIS技術(shù)
地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System簡稱GIS）是管理和研究空間數(shù)據(jù)的技術(shù)系統(tǒng)，在計算機(jī)軟硬件支持下，它可以對空間數(shù)據(jù)按地理坐標(biāo)或空間位置進(jìn)行各種處理、對數(shù)據(jù)的有效管理、研究各種空間實體及相互關(guān)系。通過對多因素的綜合分析，它可以迅速地獲取滿足應(yīng)用需要的信息，并能以地圖、圖形或數(shù)據(jù)的形式表示處理的結(jié)果。
2.2 可視化技術(shù)
可視化（Visualization）是80年代后期由美國科學(xué)家提出并發(fā)展起來的一門新興邊緣技術(shù)。所謂可視化，就是對人腦印象構(gòu)造過程的一種仿真，以支持用戶的判斷和理解，具體的說，它將科學(xué)計算過程中及計算結(jié)果所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形或圖像信息。并可進(jìn)行交互式分析?？梢暬夹g(shù)成為信息爆炸時代人類分析和駕馭信息的有力工具。
2.3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)
虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）是當(dāng)前計算機(jī)圖形學(xué)的熱點，首先應(yīng)用在軍事和航空領(lǐng)域，在技術(shù)產(chǎn)業(yè)化后，才被廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展速度可以與電腦技術(shù)的發(fā)展速度相比擬。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是三維可視化的主要應(yīng)用技術(shù)，也將可能成為GIS三維可視化的核心。
2.4 WebGIS技術(shù)
WWW是目前Internet上發(fā)展最快的領(lǐng)域，也是Internet網(wǎng)上最重要的信息檢索手段。早期的WebGIS頁面（Home Page）主要用來傳遞靜態(tài)HTML文檔，后來由于CGI接口，特別是Java和JavaScript語言的引入，使得WebGIS頁面可以方便地傳播動態(tài)信息。近年來，動態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)有了飛速的發(fā)展，JSP，ASPNET等技術(shù)的出現(xiàn)大大便捷了WebGIS的開發(fā)。利用這些技術(shù)可以設(shè)計出具有動畫、聲音、圖形/圖像和各種特殊效果的WebGIS頁面。
3 現(xiàn)有房產(chǎn)測繪系統(tǒng)問題研究
3.1 房產(chǎn)測繪信息三維場景WebGIS上實時構(gòu)建難以實現(xiàn)
近年來，國內(nèi)外關(guān)于地理信息可視化的研究主要集中在數(shù)字地面模型（DTM）和城區(qū)景觀可視化的研究上。這方面的研究現(xiàn)在已取得了很多成果。諸如用數(shù)字形態(tài)學(xué)、分形學(xué)、小波理論等新興理論和方法對三維建模和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化。
在二維場景的動態(tài)構(gòu)建領(lǐng)域，有些研究僅實現(xiàn)了地形景觀的動態(tài)構(gòu)造，對于二維建筑物景觀的實時構(gòu)建則難以取得滿意的效果，在WebGIS上實時構(gòu)建則存在更多的問題，不光是要考慮二維景觀的視覺效果，還要考慮三維景觀的數(shù)據(jù)量及生成效率等。目前，二維建筑物景觀的實時構(gòu)建方面主要有以下技術(shù)。
（1）有學(xué)者引入了數(shù)字表面模型（DSM）進(jìn)行了二維建模。但DSM方法更適用于連續(xù)（場）的二維模型的構(gòu)建，在對離散實體的三維建模方面較欠缺。而且構(gòu)建方法復(fù)雜，二維視覺效果一般。（2）有學(xué)者提出有CSG（幾何構(gòu)造體）要素或其他組合來表達(dá)城市建筑物。但CSG要素只能表達(dá)外形相對規(guī)則的建筑物，難以表達(dá)外形復(fù)雜的建筑物。更為主要的是，此方法采用的柵格的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，構(gòu)造成的三維景觀數(shù)據(jù)最巨大，不適于WebGIS環(huán)境的要求。（3）有學(xué)者提出手工構(gòu)建單個小區(qū)域三維景觀，組成區(qū)域三維景觀庫，再將這些景觀進(jìn)行組合在WebGIS上生成用戶關(guān)心的任意區(qū)域的三維場景。此方法不失為WebGIS環(huán)境下三維建筑物景觀動態(tài)構(gòu)建的一種有效的方法。
綜上所述，房產(chǎn)測繪信息三維場景的WebGIS下自動構(gòu)建還存在很多急待解決的難點問題。
3.2 傳統(tǒng)枝術(shù)下房產(chǎn)測繪信息三維成果困難
目前廣為采用的可視化包括兩大類：一是利用現(xiàn)有的可視化軟件，如IBM Visualization Data Explorer或結(jié)合Open Inventor等可視化系統(tǒng)。在建模時就考慮到數(shù)據(jù)模型要適合可視化軟件的需要，必要時要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。另一類是從底層開發(fā)專業(yè)性較強(qiáng)的三維可視化系統(tǒng)。通常是由Visual C+ +結(jié)合OpenGL來開發(fā)。傳統(tǒng)技術(shù)的缺陷在于軟件的開發(fā)周期長、投資大、數(shù)據(jù)兼容性差，尤其突出的問題是開發(fā)成果的問題。傳統(tǒng)技術(shù)所開發(fā)形成的成果不能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，這大大地限制了軟件的范圍，同時也造成了信息傳遞的滯后，由于地理信息自身所具有的時間特性，這甚至?xí)斐尚畔⒌氖?。這在當(dāng)前這個信息快速發(fā)展的時代是格格不入的。
3.3 現(xiàn)有的網(wǎng)上房產(chǎn)測繪三維場景沒有和房產(chǎn)平面圖有機(jī)結(jié)合
目前有些房產(chǎn)網(wǎng)站已經(jīng)推出網(wǎng)上三維看房的業(yè)務(wù)。用戶可以在三維場景中欣賞三維可視化小區(qū)、樓盤顯示，還可以考察小區(qū)的外觀形狀、綠化程度、公共場所等，使得用戶通過WebGIS瀏覽就能獲得身臨其境的感受。
然而這些網(wǎng)站大都是通過文字鏈接的形式鏈接到某三維場景，而沒有提供通過房產(chǎn)平面圖鏈接到某房產(chǎn)三維場景的服務(wù)，導(dǎo)致用戶無法直接感受某小區(qū)或樓盤的地理位置。用戶購房最關(guān)心的地段問題沒有得到有效的解決，這正是此類網(wǎng)上三維景觀瀏覽的致命弱點。
3.4 現(xiàn)有的網(wǎng)上房產(chǎn)測繪三維成果只能提供瀏覽功能
現(xiàn)有網(wǎng)上房產(chǎn)三維場景中的功能非常有限，一般只是提供三維景觀的瀏覽功能的，無法使用戶直接在二維場景中查詢到所關(guān)心實體的屬性信息，更無法根據(jù)自己知道的信息查詢到相對應(yīng)的實體。
4 需要研究的方向
4.1 實現(xiàn)WebGIS上實時提供房產(chǎn)測繪區(qū)域三維景觀
三維可視化技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)漸漸展開，在房產(chǎn)測繪領(lǐng)域也有著普遍的應(yīng)用。三維可視化技術(shù)在房產(chǎn)信息管理的管理模式、信息應(yīng)用范圍和展示手段、成果輸出等方面都帶來的卓有成效的影響。目前房產(chǎn)測繪三維景觀在Internet上的構(gòu)建還停留在靜態(tài)水平，也就是說如果需要某FX域的二維景觀，則要預(yù)先構(gòu)建，不能做到實時生成。研究的核心問題就是WebGIS環(huán)境下用戶關(guān)心區(qū)域的三維場景實時構(gòu)建，在系統(tǒng)支持下，不僅可以做到三維場景的實時構(gòu)建，而且可以在WebGIS上實現(xiàn)。
4.2 實現(xiàn)房產(chǎn)測繪三維成果的快捷
已有的房產(chǎn)測繪三維景觀往往是通過OpenGL等傳統(tǒng)三維可視化技術(shù)構(gòu)造，而這樣生成的三維成果一般都不能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，這大大地限制了三維成果的范圍，同時也造成了信息傳遞的滯后，由于信息的時效性，甚至?xí)斐尚畔⒌氖А?/p>
房產(chǎn)三維場景網(wǎng)上的研究是利用WebGIS平臺解決傳統(tǒng)房產(chǎn)三維成果困難的窘境，使得房產(chǎn)三維場景可以廉價、快捷、有效、及時的通過Internet的呈現(xiàn)的廣大用戶面前。對房產(chǎn)信息管理的管理模式、信息應(yīng)用范圍和展示手段、成果輸出等方面將帶來革命性的變革，對于改變傳統(tǒng)的房產(chǎn)信息管理工作方式，使房產(chǎn)信息管理更加自動化、更加富有表現(xiàn)力方面，具有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用前景。
4.3 滿足用戶網(wǎng)上三維看房的要求
目前有些房產(chǎn)網(wǎng)站已經(jīng)推出網(wǎng)上看房的業(yè)務(wù)。但大多數(shù)觀看的都是二維的房產(chǎn)平面圖。此類看房網(wǎng)站雖然可以滿足用戶查看地段及周圍環(huán)境的要求，但終究無法提供形象、直觀的三維場景使用戶有身臨其境的感受。本系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的要求實時生成三維房產(chǎn)測繪場景，并通過Internet實時到用戶的瀏覽器。并且可以瀏覽、飛行、鳥瞰該三維場景，同時提供空間查詢功能?？梢詽M足大多數(shù)用戶不到現(xiàn)場就能看房的要求。
4.4 為數(shù)字城市的研究提供借鑒
數(shù)字城市的基礎(chǔ)之一是地理空間數(shù)據(jù)，包括二維數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)。二維數(shù)據(jù)的可視化問題已基本解決，剩余的問題屬于藝術(shù)的范疇，二維數(shù)據(jù)的可視化或者說虛擬現(xiàn)實技術(shù)目前仍是一個難點。如何高效逼真地顯示“數(shù)字城市”是急待解決的一個問題。
房產(chǎn)測繪的任務(wù)絕大多數(shù)是在城市中開展，房產(chǎn)測繪信息的主體是房產(chǎn)建筑物。而數(shù)字城市建設(shè)的核心任務(wù)之一就是建筑物的三維可視化，因此房產(chǎn)測繪信息二維可視化的研究對于數(shù)字城市的建設(shè)可以提供借鑒。
參考文獻(xiàn)
第6篇：計算機(jī)圖形學(xué)關(guān)鍵技術(shù)范文
【關(guān)鍵詞】3D；sound
虛擬現(xiàn)實技術(shù)是近年來十分活躍的研究領(lǐng)域之一，是一系列高新技術(shù)的匯集，這些技術(shù)包括計算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、人工智能、人機(jī)接口技術(shù)、傳感器技術(shù)以及高度并行的實時計算技術(shù)，還包括人的行為學(xué)研究等多項關(guān)鍵技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在軍事、航天、醫(yī)學(xué)、教育、娛樂等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。為了讓用戶產(chǎn)生更加強(qiáng)烈的沉浸感，在生成’-圖形的同時，還可以提供逼真的’-聲音效果。作為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中必須的部分，虛擬聲音系統(tǒng)的研究也受到了極大的重視。DirectSound 3D是微軟公司所推出的，它利用聲音大小的比例調(diào)整多卜勒效應(yīng)，來達(dá)到以軟件來模擬3D音效的效果，創(chuàng)立了在三維空間定位音效文件的標(biāo)準(zhǔn)方式。任何應(yīng)用程序透過它和支持DirectSound 3D的聲卡，便可以獲得所需的效果。由于這是許多聲卡廠商與微軟共同制定的，現(xiàn)在大部分的聲卡都支持這項技術(shù)。本文利用Directsound 3D技術(shù)實現(xiàn)虛擬環(huán)境實現(xiàn)聲音效果。
1.仿真原理
Directsound 3D是通過軟件模擬來實現(xiàn)3D音效的，所以要先講一下Dsound 的3D模擬空間。這個空間類似現(xiàn)實空間，可以用笛卡兒坐標(biāo)系來描述Dsound 的3D空間，有x，y，z三個坐標(biāo)軸坐標(biāo)軸。
在這個模擬空間中Dsound提供了模擬的聲源對象和傾聽者對象（listener），聲源和聽者的關(guān)系可以通過三個變量來描述：在三維空間的位置，以及運動的速度，以及運動方向。
位置即聲源和聽者在三維空間的所在位置，隨著兩者的相對位置不同，則聽者便會聽到不同的聲音效果。
速度為聲源和聽者在三維空間中的移動速度，此項特性同樣會改變兩者在空間的坐標(biāo)，以產(chǎn)生不同的聲音效果。
聲源和聽者相對運動的方向也會影響聽者聽到的聲音效果，因為聲音是具有方向性的。這個下面會談到。
知道了3D聲源以及3D環(huán)境中的聽者，那么怎么產(chǎn)生3D音效呢？一般來說，在產(chǎn)生3D音效的時候，主要有下面的幾種情況，一是聲源不動，而聽者在模擬的3D空間進(jìn)行運動，二是聽者不動，讓聲源在模擬的3D空間進(jìn)行運動，三是聽者和聲音同時在運動。如下圖1、2所示。
Directsound給我們提供了聽者和聲源對象的接口，我們可以通過上面提到的三種方式設(shè)置改變聲源或者聽者的位置，運動速度和方向就可以形成3D音效了在3D環(huán)境中，我們通IDirectSound3DBuffer8接口來表述聲源，這個接口只有創(chuàng)建時設(shè)置DSBCAPS_CTRL3D標(biāo)志的Directsound buffer才支持這個接口，這個接口提供的一些函數(shù)用來設(shè)置和獲取聲源的一些屬性。在一個虛擬的3D環(huán)境中，我們可以通過主緩沖區(qū)來獲取IDirectSound3DListener8接口，通過這個接口我們可以控制著聲學(xué)環(huán)境中的多數(shù)參數(shù)，比如多普勒變換的數(shù)量，音量衰減的比率。
2.設(shè)計方案
3.仿真結(jié)果
根據(jù)上述介紹的方法， 采用D irectSound維聲音程序初始界面具， 在V isual C+ + 6.0 中實現(xiàn)了程序的具體實現(xiàn)。通過下拉菜單可以測試三維聲音在不同角度的效果。這樣就可以利用D irectSound 技術(shù)， 通過VC6. 0 編程對三維聲音進(jìn)行了實時仿真， 程序較好地實現(xiàn)了聲音的三維效果。
參考文獻(xiàn)
[1]B radley Bargen，Peter Donnelly Inside D irectX[M].北京：北京希望電子出版社，1999.
[2]何正偉，楊宏軍，花傳杰.實時三維聲音仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)應(yīng)用研究，2002，19（1）：23225.
第7篇：計算機(jī)圖形學(xué)關(guān)鍵技術(shù)范文
【關(guān)鍵詞】 解剖學(xué)；教學(xué)；門腔靜脈分流；三維可視化
隨著數(shù)字化可視人體數(shù)據(jù)集的誕生，使得在計算機(jī)上實現(xiàn)對肝臟靜脈系統(tǒng)三維重構(gòu)成為可能，在此基礎(chǔ)上利用血管的三維重建圖像導(dǎo)航模型指導(dǎo)手術(shù)規(guī)劃和路徑設(shè)計，將提高手術(shù)準(zhǔn)確率、降低手術(shù)風(fēng)險，推動肝內(nèi)門腔靜脈分流介入手術(shù)向著微創(chuàng)化、精確化的方向深入發(fā)展。利用數(shù)字化可視人體三維模型，借助計算機(jī)輔助醫(yī)學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)在計算機(jī)上事先進(jìn)行手術(shù)模擬，在介入治療教學(xué)培訓(xùn)中針對具體患者制定詳細(xì)的手術(shù)計劃方案，實施有效的手術(shù)操作演練具有重要臨床意義［12］。
1 圖像數(shù)據(jù)計算機(jī)三維重建
肝內(nèi)靜脈血管介入手術(shù)規(guī)劃是利用醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行計算機(jī)三維重建，構(gòu)造三維模型可視化平臺進(jìn)行治療方案、手術(shù)入路、穿刺路徑的設(shè)計。為適應(yīng)介入放射治療手術(shù)學(xué)發(fā)展的需要，開發(fā)介入手術(shù)模擬和療效評價的計算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)以減少醫(yī)患輻射損傷、培訓(xùn)介入醫(yī)師及提高手術(shù)的成功率和安全性。應(yīng)用可視化和虛擬現(xiàn)實技術(shù)深入了解、描述肝內(nèi)管道，特別是肝內(nèi)門腔靜脈管道系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，開發(fā)肝內(nèi)靜脈管道虛擬解剖模型，研究基于計算機(jī)輔助的經(jīng)頸靜脈肝內(nèi)門腔靜脈分流術(shù)及改良術(shù)式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)可視化平臺，具有重要的理論意義和臨床應(yīng)用價值。本實驗擬通過經(jīng)頸靜脈至肝內(nèi)靜脈系統(tǒng)建模的三維重建及可視化顯示，觀測介入導(dǎo)管經(jīng)頸靜脈、頭臂靜脈、上腔靜脈、右心房、下腔靜脈至肝內(nèi)靜脈的管道內(nèi)走行，研究門靜脈與肝靜脈、肝后段下腔靜脈之間的空間關(guān)系；應(yīng)用Amira 4.1軟件，模擬介入導(dǎo)管在靜脈內(nèi)的虛擬內(nèi)窺鏡漫游路徑，觀察管道內(nèi)三維空間結(jié)構(gòu)及其毗鄰關(guān)系；將獲取的三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D Studio Max 8.0軟件，設(shè)計經(jīng)頸靜脈肝內(nèi)門腔靜脈分流術(shù)及改良術(shù)式介入導(dǎo)管的虛擬穿刺路徑的可視化模型，為構(gòu)建基于計算機(jī)輔助的肝內(nèi)門腔靜脈分流介入手術(shù)模擬導(dǎo)航訓(xùn)練系統(tǒng)和虛擬介入手術(shù)提供立體形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)。
2 虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)在教學(xué)培訓(xùn)中的應(yīng)用
2.1 虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)
三維可視化圖像后處理技術(shù)-虛擬內(nèi)窺鏡，是融合多學(xué)科技術(shù)，利用醫(yī)學(xué)圖像作為原始數(shù)據(jù)模擬傳統(tǒng)光學(xué)內(nèi)窺鏡，可任意的設(shè)置多方位、多角度進(jìn)行觀察，克服了傳統(tǒng)光學(xué)內(nèi)窺鏡需把內(nèi)窺鏡體置入人體內(nèi)的缺點，是一種完全無接觸式的檢查方法，另外，虛擬內(nèi)窺鏡不僅能觀察中空器官的內(nèi)表面，而且可以提供表面內(nèi)部或外部詳盡的解剖信息應(yīng)用于影像輔助診斷、介入手術(shù)規(guī)劃等，實現(xiàn)手術(shù)的精確定位和對醫(yī)務(wù)人員的培訓(xùn)等功能［34］。虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)由人體斷層圖像數(shù)據(jù)集通過虛擬成像和可視化技術(shù)構(gòu)造一個虛擬環(huán)境，通過對這些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像配準(zhǔn)、分割、插值變換等處理后，組合成三維實體，通過建立三維可視化模型顯示管道內(nèi)腔的立體結(jié)構(gòu)圖，再把視點置入人體器官內(nèi)甚至血管的虛擬環(huán)境中，通過調(diào)整視角、調(diào)節(jié)焦距進(jìn)行任意角度和視點的漫游，對視點前方管道內(nèi)的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)繪制和顯示，并實時生成高質(zhì)量的虛擬內(nèi)窺鏡影像，在計算機(jī)輔助醫(yī)學(xué)、介入手術(shù)規(guī)劃、外科手術(shù)導(dǎo)航等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
2.2 頸靜脈虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)
在經(jīng)頸靜脈肝內(nèi)門腔靜脈分流術(shù)三維可視化模型上，應(yīng)用虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)克服了傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡在靜脈管道內(nèi)操作空間及范圍限制的缺點，可以顯示靜脈管腔壁內(nèi)結(jié)構(gòu)的三維形態(tài)，應(yīng)用虛擬內(nèi)窺鏡放大功能較傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡還可以對漫游路徑感興趣的結(jié)構(gòu)或區(qū)域進(jìn)行細(xì)致的分析。漫游路徑是虛擬攝像機(jī)移動和獲取內(nèi)窺鏡圖像的重要基礎(chǔ)，目前，較為常用的方法是提取管腔器官中心線作為漫游路徑。早期的虛擬內(nèi)窺鏡漫游實際是連續(xù)禎的動畫效果，而非實時交互成像，在視覺上適合于教學(xué)需要，但不適應(yīng)臨床介入手術(shù)的需求，血管介入治療需要虛擬內(nèi)窺鏡能對局部感興趣的區(qū)域進(jìn)行仔細(xì)觀察和科學(xué)評估［56］。本實驗在圖像工作站上，通過三維可視化技術(shù)獲取經(jīng)頸靜脈至肝內(nèi)門靜脈管道的立體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，采用手動式漫游和規(guī)劃式漫游兩種方式進(jìn)行虛擬內(nèi)窺鏡觀察。后者首先進(jìn)行路徑的規(guī)劃，抽取對應(yīng)管腔結(jié)構(gòu)的中心路徑，按照這條路徑設(shè)置關(guān)鍵點進(jìn)行漫游，可提供實時、交互、多角度的靜脈管道內(nèi)觀察效果。針對個體特點按照不同的要求及相關(guān)介入手術(shù)穿刺入路的需要，應(yīng)用虛擬內(nèi)窺鏡從不同的顯示角度對靜脈管道內(nèi)及相關(guān)結(jié)構(gòu)的形態(tài)、空間位置及毗鄰結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測，將有利于介入治療前手術(shù)穿刺入路的設(shè)計和術(shù)中穿刺的適時指導(dǎo)，這方面的形態(tài)解剖資料對經(jīng)頸靜脈肝內(nèi)門腔靜脈分流術(shù)具有重要的臨床應(yīng)用價值。
2.3 三維可視化技術(shù)
應(yīng)用的虛擬內(nèi)窺鏡技術(shù)是基于患者的CT和MRI影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維可視化處理后由計算機(jī)顯示連續(xù)的三維器官內(nèi)腔結(jié)構(gòu)視圖，使用者可以沿這個虛擬的內(nèi)部空腔做飛行觀察，模擬傳統(tǒng)的內(nèi)窺檢查過程，所看到的景象就像用視頻內(nèi)窺鏡觀察到的一樣，甚至還可以顯示解剖結(jié)構(gòu)的三維外觀圖像以及各個方位的CT 和MRI 切片圖像，具有實時性和交互性的優(yōu)點，但是由于斷層數(shù)據(jù)來源于影像灰度圖像，清晰度較低，且層間距較厚，三維數(shù)據(jù)顯示也不完全。采用數(shù)字化可視人體技術(shù)采集的連續(xù)薄層尸體標(biāo)本斷面圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行經(jīng)頸靜脈至肝內(nèi)靜脈解剖模型的精細(xì)三維構(gòu)建和科學(xué)可視化，并在此基礎(chǔ)上完成虛擬內(nèi)窺鏡觀察和介入手術(shù)模擬。真彩色斷層圖像斷面解剖結(jié)構(gòu)清晰，斷層圖像間距可達(dá)0.1 mm，像素點間距離167 mm，三維可視化結(jié)果真實而準(zhǔn)確，確保了數(shù)據(jù)及三維結(jié)果的科學(xué)性和完整性［79］。應(yīng)用可視化人體數(shù)據(jù)集建立基于正常健康成年人體的標(biāo)準(zhǔn)虛擬內(nèi)窺鏡環(huán)境，可與臨床結(jié)果對照研究，提供正常形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)和技術(shù)支持，有助于學(xué)員對肝內(nèi)靜脈介入手術(shù)所涉及復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)的掌握。
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3 肝內(nèi)門腔靜脈分流虛擬穿刺
3.1 模擬手術(shù)訓(xùn)練
手術(shù)模擬器進(jìn)行人體內(nèi)的重要區(qū)域和結(jié)構(gòu)的手術(shù)模擬，為介入手術(shù)技能培訓(xùn)的實施提供了理想途徑，介入手術(shù)前的模擬訓(xùn)練還可以進(jìn)行預(yù)期手術(shù)前的規(guī)劃設(shè)計，以期獲得更高的療效和安全性。手術(shù)模擬是一個虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)，它將高分辨率、高對比度的圖像采集技術(shù)、新穎的計算機(jī)圖形學(xué)的算法，與圖像數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的物理建模技術(shù)和實時、高性能多處理器計算機(jī)圖形學(xué)系統(tǒng)融合在一起，借助計算機(jī)影像設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行交互作用，從而產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗。而可視化技術(shù)是利用人類的視覺特性，運用計算機(jī)圖像學(xué)技術(shù)，將科學(xué)計算過程中產(chǎn)生二維斷層圖像序列形成三維立體數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，重構(gòu)出具有直觀立體效果的空間三維形態(tài)結(jié)構(gòu)圖像，并在計算機(jī)上形象地顯示出來。這些三維可視化技術(shù)的具體應(yīng)用，為血管介入放射學(xué)的進(jìn)一步拓展奠定了堅實的基礎(chǔ)，與此同時也對進(jìn)行肝內(nèi)管道可視化的深入研究提供了更廣闊的應(yīng)用空間。
3.2 介入放射學(xué)模擬訓(xùn)練
介入放射學(xué)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)分為血管介入放射學(xué)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)和非血管介入放射學(xué)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)兩類，目前開發(fā)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)以前者為主。數(shù)字醫(yī)學(xué)圖像實驗室開發(fā)的一種神經(jīng)介入放射學(xué)訓(xùn)練和治療前系統(tǒng)―NeuroCath，它是一種以虛擬影像引導(dǎo)的神經(jīng)介入放射學(xué)治療過程的計算機(jī)輔助訓(xùn)練系統(tǒng)，提供了一套腦血管介入治療前的虛擬現(xiàn)實環(huán)境，該環(huán)境類似于血管造影裝置并允許介入醫(yī)生利用介入裝置在虛擬環(huán)境中進(jìn)行交互虛擬血管介入操作；冠狀動脈介入治療綜合訓(xùn)練系統(tǒng)ICTS(Interventional Cardiology Training System)，具有圖像融合、實時交互等功能特點，選擇真實導(dǎo)管在三維解剖結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行操作的選擇性左、右冠狀動脈導(dǎo)管插入術(shù)和血管成形術(shù)［811］。本文所使用的Amira 4.1軟件的這一版本在基本功能的基礎(chǔ)上增加了應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實的高級可視化功能－虛擬現(xiàn)實模塊，集成到虛擬三維交互沉浸式場景，讓你體驗置身于三維空間的真實感覺。
本文通過在三維重建的基礎(chǔ)上進(jìn)行肝內(nèi)管道的可視化研究探索，在模擬經(jīng)頸靜脈肝內(nèi)門腔靜脈分流手術(shù)過程中設(shè)計導(dǎo)管路徑、研究穿刺過程中精確測定各種數(shù)據(jù)的計算方法，利用這套工具能夠以類似于內(nèi)窺鏡在管道內(nèi)瀏覽的方式，對醫(yī)學(xué)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與研究提供技術(shù)支持，為下一步建立經(jīng)頸靜脈肝內(nèi)門腔靜脈分流術(shù)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)和虛擬手術(shù)系統(tǒng)奠定了立體形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)。
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第8篇：計算機(jī)圖形學(xué)關(guān)鍵技術(shù)范文
關(guān)鍵詞：機(jī)器人；人臉識別；人臉檢測與定位；人臉跟蹤；CamShift
1 引言
目前，機(jī)器人的高度智能化和自主化是機(jī)器人學(xué)中兩個重要的研究方向，隨之而來的應(yīng)用也越來越廣泛。2008年北京奧運會曾使用過三種機(jī)器人：福娃機(jī)器人、翻譯機(jī)器人和安保機(jī)器人。2011年3月，里氏9.0級地震引發(fā)日本福島第一核電站發(fā)生核泄漏事故，圖1為遙控機(jī)器人“Packbot”正在福島第一核電站3號反應(yīng)堆所在建筑內(nèi)進(jìn)行拍照、測量放射水平等工作。
1.1 救援機(jī)器人的基本功能模塊
作為救援機(jī)器人，一般有用戶控制，自主決策控制，傳感/基礎(chǔ)決策，運動/執(zhí)行等幾個子系統(tǒng)組成[1]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中視覺系統(tǒng)實現(xiàn)對環(huán)境的實時感知，是救援機(jī)器人系統(tǒng)組成的重要部分。救援機(jī)器人通過攝像機(jī)等視覺傳感器獲取現(xiàn)場環(huán)境的二維圖像，并利用視覺處理器進(jìn)行分析和解釋，讓救援機(jī)器人能夠識別物體并確定其位置。運動控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)遠(yuǎn)端PC和車載PC的控制命令完成執(zhí)行動作，車載PC則對各個系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制，并與遠(yuǎn)端PC共同實現(xiàn)智能化的推理和決策。
本文提出了一種將人臉檢測、定位和跟蹤功能加入到視覺系統(tǒng)中的可行的模型，即通過主動攝像機(jī)從各種不同的場景中檢測出人臉的存在并確定其位置，然后驅(qū)動攝像頭做出反應(yīng)。
1.2 研究的目的和意義
本研究基于救援機(jī)器人視覺系統(tǒng)中的人臉檢測、定位和跟蹤，但卻有著人臉識別的普遍意義[2]，主要以下兩個方面：
1.2.1 促進(jìn)相關(guān)學(xué)科發(fā)展
人臉檢測、定位和跟蹤問題的解決既涉及到模式識別，圖像處理、分析與理解、計算機(jī)視覺、計算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、人機(jī)交互等計算機(jī)相關(guān)領(lǐng)域，也采用了認(rèn)知科學(xué)、神經(jīng)計算、生理學(xué)、心理學(xué)等相關(guān)專業(yè)知識。它的解決對構(gòu)建這些學(xué)科領(lǐng)域的基礎(chǔ)實驗平臺，用于嘗試新方法，驗證新理論，解釋新現(xiàn)象非常有利。它還是一個非常好的教學(xué)平臺，通過它可以使學(xué)生將理論與實踐相結(jié)合，提高學(xué)生的動手能力、創(chuàng)造能力和綜合能力，符合目前國家提倡的課程改革與素質(zhì)教育的要求。
1.2.2 具有巨大的應(yīng)用前景
如今，需要進(jìn)行身份認(rèn)證的地方越來越多，如在銀行的ATM上進(jìn)行金融業(yè)務(wù)時需要輸入密碼，進(jìn)入自己的計算機(jī)系統(tǒng)則需要輸入用戶名和密碼，登錄電子郵箱時的用戶名和密碼等等。但是，目前采用的身份證、鑰匙、用戶名、密碼等方式，安全性、可靠性和方便性較差。人臉識別作為一種典型的生物特征識別技術(shù)，以其自然性、高可接受性等優(yōu)點受到了人們的青睞，可應(yīng)用于各行各業(yè)中，具體來說可分為如下幾類：
⑴訪問控制。在安全性要求較高的地方如政府、醫(yī)院，或某些公共場所，可以建立無門衛(wèi)的門禁系統(tǒng)。
⑵司法應(yīng)用。常見的是嫌犯（mug shot）識別，基本方法是對比目標(biāo)特征和數(shù)據(jù)庫存貯特征的相似性。
⑶電子商務(wù)。在在線金融、貿(mào)易活動中，人臉識別可以提供客戶的身份認(rèn)證，并保證商業(yè)活動無拒付地良性運轉(zhuǎn)。
⑷視頻監(jiān)控。利用人臉識別技術(shù)，監(jiān)控者可以從大街上或進(jìn)入大樓、機(jī)場的人群中找到自己要找的人。
2 圖像處理
2.1 人臉檢測與定位系統(tǒng)的構(gòu)成
人類感知外部世界是通過視覺、聽覺、觸覺和嗅覺等感覺器官，對于救援機(jī)器人，則是通過視覺系統(tǒng)來模擬人類視覺功能，其中大量運用了數(shù)字圖像處理、計算機(jī)圖形學(xué)等技術(shù)。救援機(jī)器人視覺系統(tǒng)主要包括數(shù)字圖像獲取、圖像預(yù)處理、特征提取和圖像識別等幾個功能模塊，如圖3所示。
在數(shù)字圖像獲取階段，通過光學(xué)成像和數(shù)字化將救援機(jī)器人周圍的場景轉(zhuǎn)化成數(shù)字圖像；在預(yù)處理部分，利用圖像濾波、幾何變換、像素插值等方法將數(shù)字圖像進(jìn)行初步調(diào)整，使之成為易于檢測和定位的圖像；在特征提取部分，對圖像進(jìn)行抽象化，從而將圖像的紋理特征、顏色特征、形狀特征[3]等提取出來；在識別部分，系統(tǒng)將上一步獲得的特征與數(shù)據(jù)庫中的特征進(jìn)行模式匹配，從而在圖像中找到感興趣的目標(biāo)并進(jìn)行定位。
2.2 圖像分割方法
利用救援機(jī)器人的攝像頭，經(jīng)過預(yù)處理便得到所需的圖像。怎樣從圖像中獲得我們感興趣的目標(biāo)區(qū)域，是人臉檢測和定位的關(guān)鍵步驟。本文利用圖像分割技術(shù)對目標(biāo)進(jìn)行特征提取和參數(shù)測量，進(jìn)而實現(xiàn)人臉檢測和定位。圖4列出來了常用的圖像分割方法。
3 人臉跟蹤和電機(jī)控制方法
3.1 人臉跟蹤算法
人臉檢測和定位完成后，得到人臉圖像區(qū)域。然后使用CamShift算法[4]（Continuous Adaptive Mean-Shift，即連續(xù)自適應(yīng)MeanShift算法）跟蹤人臉。CamShift算法利用目標(biāo)的顏色直方圖將圖像轉(zhuǎn)化為顏色概率分布圖，初始化搜索窗口的大小和位置，然后根據(jù)上一幀得到的結(jié)果自適應(yīng)調(diào)整搜索窗口的位置和大小，進(jìn)而定位出當(dāng)前圖像中目標(biāo)的中心位置。算法分為三個階段：
3.1.1 計算色彩投影圖（反向投影）
⑴將圖像從RGB空間轉(zhuǎn)換為HSV空間，以減少光照亮度的變化對跟蹤效果的影響。
⑵由于HSV中的H分量可以表示顏色信息，因此對其作直方圖統(tǒng)計，直方圖代表了不同H分量取值出現(xiàn)的概率或者像素的個數(shù)，就是說可以計算出H分量大小為x的概率或者像素的個數(shù)，即得到了顏色概率查找表。
⑶將圖像中每個像素值用其顏色出現(xiàn)的概率替換，由此得到了顏色概率分布圖。
這個過程叫做反向投影，需要注意的是顏色概率分布圖是一個灰度圖像。
3.1.2 meanshift算法
meanshift算法是一種密度函數(shù)梯度估計的非參數(shù)方法，通過不斷迭代尋優(yōu)找到概率分布的極值來定位目標(biāo)。其過程分為4步：
⑴在顏色概率分布圖中選取搜索窗W。
⑵計算零階矩：
計算一階矩：
計算搜索窗的質(zhì)心：
⑴調(diào)整搜索窗大?。簩挾葹?；長度為1.2s。
⑵移動搜索窗的中心到質(zhì)心，如果移動距離大于預(yù)設(shè)的固定閾值，則重復(fù)上述2，3，4步，直到搜索窗的中心和質(zhì)心間的移動距離小于預(yù)設(shè)的固定閾值，或者循環(huán)計算的次數(shù)達(dá)到某一最大值，則停止計算。
3.1.3 CamShift算法
CamShift算法就是在視頻序列的每一幀中都運用meanshift算法，并將上一幀的結(jié)果，即搜索窗的大小和中心，作為下一幀meanshift搜索窗的初始值。如此不斷迭代，就可以實現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤。算法過程分4步：⑴初始化搜索窗。⑵計算搜索窗的顏色概率分布（反向投影）。⑶運行meanshift算法，獲得搜索窗新的大小和位置。⑷在下一幀視頻圖像中用第3步中的值初始化搜索窗的大小和位置，再跳轉(zhuǎn)至第2步繼續(xù)進(jìn)行。
3.2 電機(jī)控制方法
本系統(tǒng)可以根據(jù)人臉區(qū)域的中心與圖像中心的距離，發(fā)送控制命令到伺服電機(jī)的驅(qū)動器，使攝像頭產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，從而使人臉始終位于攝像頭圖像的中央位置。通過多次試驗，得到人臉在攝像頭圖像的位置與電機(jī)轉(zhuǎn)動角度之間的對于關(guān)系，并將其作為驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動角度的映射函數(shù)。
4 結(jié)束語
本文提出了一種在救援機(jī)器人中實現(xiàn)人臉檢測、定位和跟蹤的可行方案。介紹了人臉檢測、定位的關(guān)鍵技術(shù)和人臉跟蹤算法。此思想可以加以推廣和移植，如應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境下障礙物的識別、采摘機(jī)器人的果實識別、家用機(jī)器人動態(tài)手勢的識別等等。
[參考文獻(xiàn)]
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第9篇：計算機(jī)圖形學(xué)關(guān)鍵技術(shù)范文
關(guān)鍵詞 GIS技術(shù) 三維可視化 數(shù)字模型 虛擬戰(zhàn)場地形
0 引言
近年來，隨著GIS和虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)的發(fā)展，軍事演習(xí)和指揮決策在概念上有了新的飛躍，通過建立虛擬作戰(zhàn)實驗室來進(jìn)行軍事訓(xùn)練和研究。利用基于GIS三維動態(tài)可視化仿真技術(shù)，場景建模技術(shù)和圖形圖象處理技術(shù)，開發(fā)出關(guān)于某一特定的戰(zhàn)場地形區(qū)域的真實全面的虛擬戰(zhàn)場地形環(huán)境系統(tǒng)，使指揮人員有身臨其境的體驗。
1 GIS及其可視化原理
1．1 GIS簡介
地理信息系統(tǒng)（GIS）是一門地學(xué)空間數(shù)據(jù)與計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的新型空間信息技術(shù)。它以空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，在計算機(jī)軟硬件的支持下，對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，管理，操作，分析和顯示，并采用地理模型分析法，適時提供多種空間和動態(tài)地理信息的計算機(jī)系統(tǒng)。近幾年來把GIS技術(shù)用到軍事上的戰(zhàn)場地形的研究已經(jīng)取得了不少的進(jìn)步。
1．2 基于GIS的圖形表達(dá)
GIS中的圖形以矢量表示和存儲的。圖形的實質(zhì)就是空間點在三維平面的投影，可以分解為：點，線，面，體等幾種不同的圖形元素。因為矢量化圖形的各個部分可以用數(shù)學(xué)的方法加以描述，可以對其進(jìn)行任意的變換，放大，縮小，旋轉(zhuǎn)，變形，移位，疊加等，并保持圖形的空間拓?fù)潢P(guān)系不變。而且矢量圖形的基本組成是點，線，面，體，可以進(jìn)行單獨定義，控制，操作，分析，查詢圖形對象的空間信息及其相關(guān)的屬性信息。
1．3 基于GIS的戰(zhàn)場地形信息的組織
GIS將空間實體對象用空間數(shù)據(jù)和屬性來共同描述并分別存儲。前者描述實體的數(shù)據(jù)和拓?fù)潢P(guān)系等，后者描述實體的屬性和兩者的關(guān)聯(lián)標(biāo)識，空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)通過內(nèi)部代碼和用戶標(biāo)識碼作為公共數(shù)據(jù)項連接起來，使得空間對象的每個圖元與描述圖元的屬性一一對應(yīng)起來（如圖1）。利用GIS特有的混合空間數(shù)據(jù)組織形式為反映戰(zhàn)爭中復(fù)雜的地形環(huán)境提供了條件。戰(zhàn)場數(shù)字建模是把客觀存在的戰(zhàn)場地形環(huán)境實體在計算機(jī)中用真實的空間位置來表示，實現(xiàn)了地形空間實體與屬性數(shù)據(jù)一一對應(yīng)（如圖2）。
2 三維虛擬戰(zhàn)場地形的可視化數(shù)字建模
2．1 DEM地形數(shù)據(jù)的組織和表達(dá)
地表數(shù)字地形模型（Digital Terrain model，即DTM）是虛擬戰(zhàn)場地形模型的重要組成部分。三維地形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是構(gòu)造虛擬戰(zhàn)場地形環(huán)境的基礎(chǔ)，關(guān)鍵技術(shù)是DEM（數(shù)字高程模型）的表達(dá)。對DEM數(shù)據(jù)的組織較多的用不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangulated Irregular Network，即TIN）模型或規(guī)則網(wǎng)格（GRID）模型（如圖3）。TIN模型是由分散的地形點按照一定的規(guī)則構(gòu)成的一系列不相交的三角形網(wǎng)組成，所表示的地形表面的真實程度由地形點的密度決定，并能充分表現(xiàn)高程細(xì)節(jié)的變化，適合于地形復(fù)雜的地區(qū)。TIN可以利用原始高程點重建地形表面，地形平坦的地方多邊形較少；復(fù)雜的地區(qū)多邊形較多，對地形的描述具有很好的合理性。GRID模型具有較小的存貯量和簡單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
對復(fù)雜的戰(zhàn)場地形的建立一般用TIN。TIN的存貯采用文件集的形式，每個文件存貯網(wǎng)格的節(jié)點坐標(biāo)，高程坐標(biāo)，節(jié)點號，空間索引標(biāo)識，邊界，渲染和文件指針等信息。建立地形實體DTM一般由地形等高線原始數(shù)據(jù)按一定的算法生成TIN。算法包括Delaunay三角形的分治算法，點插入法和三角網(wǎng)生長法。這些算法都遵循以下原則：
a)TIN的唯一性。
b)使每個三角形盡最大可能接近等邊三角形。
c)三角形的邊長總和最小。
對初始的TIN，應(yīng)消除由于等高線數(shù)據(jù)過于密集或采集信息缺少而形成的細(xì)小的，狹長的三角形，來提高TIN的精度。
根據(jù)GIS地形信息組織的基本原理，對TIN的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的組織，采用了面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計思想，以Visual C++6.0 為開發(fā)語言，設(shè)計了CTinLine三個點的主要成員。
1． 測量點類：
Class CsurveyPoint: Public CObject
{.............
Float x， y， z; //點x ，y ，z的三維坐標(biāo)，由數(shù)字勘測系統(tǒng)外業(yè)獲取
Int SvyPtID //點的ID號隱含屬性信息
CsurvyPoint *Next; //單向鏈表，用于數(shù)據(jù)管理
..........操作函數(shù).......
}
2. 三角形邊類
Class CtinLine: Public CObject
{.............
CsurvyPoint *P1， *P2; //指向三角形的兩端點
int TinLineID; //三角形邊的ID號
int left ， right; //三角形的左右三角形號
CtinLine *Next; //指向下一個節(jié)點索引的指針，形成單向鏈表
................
}
3. 三角形CTIN類
Class CTin: Public CObject;
{.............
CsuryPoint *P1， *P2， *P3；
或CtinLine *TL1， *TL2， *TL3; //三角形三個點或三條邊的指針
int Tr1， Tr2， Tr3; //三角形三個相鄰的三角形的索引值
Ctin *Next //下一個三角形的索引，形成單向鏈表
..............
}
所開發(fā)三維地形仿真成圖系統(tǒng)建立的不同的TIN數(shù)目的地形平面模型圖（含高程值）如圖4 圖5所示。
2．2 地形實體的數(shù)字建模
用GIS的空間數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)實現(xiàn)地形環(huán)境實體的數(shù)字建模。按照地形對象的屬性，可以將地形對象分為點，線，面，體四類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表達(dá)。
下面給出某山體地形環(huán)境的存貯結(jié)構(gòu)：
Struct HillPart {
int Part_ID; //山體局部標(biāo)識
char Part_Code; //山體局部編號
Struct Body *BodyList; //山體局部數(shù)組
Attributes_List //山體局部屬性列表
}
Struct Body {
int Body_ID; //體標(biāo)識
int Part_ID; //包含該體的山體局部標(biāo)號
char Patt_Code; //山體局部編號
int Body_Type; //體構(gòu)造類型
Struct Mesh *MeshList; //構(gòu)成體的面數(shù)組
Attributes_List; } //體屬性列表
Sruct Mesh {
int Mesh_ID; //面標(biāo)識
int Body_ID; //包含該面的體標(biāo)識
char Part_Code; //山體局部編號
int Mesh_Type; //面構(gòu)造類型
Srucut Line *LineList; //構(gòu)成面的線數(shù)組
Attributes_List; //面屬性列表
}
Struct Line {
int Line_ID; //線標(biāo)識號
int Mesh_ID; //包含該線的面標(biāo)識
char Part_Code; //山體局部編號
char Line_Type; //線構(gòu)造類型
Struct Point *PointList; //構(gòu)成線的點的有向數(shù)組
AttributesList; //線屬性列表
}
Srtuct Point {
int Point_ID; //點標(biāo)識號
int Line_ID; //包含該點的線標(biāo)識
char Part_Code; //山體局部編號
double x; //x， y， z
double y; // 坐標(biāo)
double z;
AttributesList //點屬性列表
}
3 三維數(shù)字地形模型的可視化操作與分析
3．1 三維數(shù)字地形的動態(tài)顯示
為了達(dá)到逼真的顯示效果，在三維幾何模型上疊加實物影象數(shù)據(jù)。地形的紋理的構(gòu)造可由TIN模型中的三角形與山體的正射影象圖的掃描坐標(biāo)匹配，從而取得三角形內(nèi)影象的恢度值或RGB值，然后把數(shù)據(jù)疊加到TIN模型上，由此得到真實光照和表面紋理的顯示效果。為了提高三維地形模型的顯示速度和效果，以及為了降低紋理貼圖時，影響數(shù)據(jù)的量，使用視點相關(guān)的動態(tài)多分辨率紋理模型（View-dependent and Multi-resolution Texture Model）。距離觀察者遠(yuǎn)近不同的區(qū)域其紋理分辨率不同，即影射的距離觀察者較遠(yuǎn)的區(qū)域，其紋理具有較低的分辨率，相反具有較高的分辨率，這也符合視覺原理。（具體算法可參照文獻(xiàn)[4]）
觀察者遠(yuǎn)距離（在高空中）觀察看到的是粗略的地形；近距離觀察的是細(xì)微的地形。在虛擬的戰(zhàn)場地形環(huán)境中要表現(xiàn)這一特點，實現(xiàn)地形的動態(tài)地近乎人性化的顯示用了一種叫做視相關(guān)的實時Lod地形模型的多分辨率顯示技術(shù)（View-dependent and real-time LoD model of Multi-resolution terrain Rendering）。
在距離視點較近時用較多的多邊形描述；較遠(yuǎn)時用較少的多邊形描述?？梢云胶鈭D形負(fù)載，符合場景的真實地表現(xiàn)的特點。（該技術(shù)的詳細(xì)介紹可參閱參考文獻(xiàn)[5]）
3．2 可視化的三維數(shù)字地形查詢
實現(xiàn)查詢的前提是數(shù)字模型的空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的一一對應(yīng)。問題是二維屏幕顯示的點和三維模型的實際點不是一一對應(yīng)的。這就必須用計算機(jī)圖形學(xué)的知識進(jìn)行二維到三維的轉(zhuǎn)化。若屏幕捕獲到的點對應(yīng)著地形點的坐標(biāo)，到對應(yīng)的真實三維坐標(biāo)。 即
（其中為三維到二維投影的變換矩陣）。若鼠標(biāo)捕捉到對應(yīng)的屬性信息為山體的ID號。則由以下語句可實現(xiàn)山體屬性的查詢。
Select ( *， * ， from datebase ， where ID="***")
這樣就實現(xiàn)了數(shù)字地形的空間圖到屬性的查詢。
3．3 三維空間地形數(shù)據(jù)的分析
主要給出地形剖面繪制及空間距離量測的方法。由鼠標(biāo)在顯示的三維數(shù)字地形DTM上任取兩點由可視點判別法得到對應(yīng)的實際的地形的三維坐標(biāo)，。 根據(jù)它們的平面位置和TIN模型存貯的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和所在的TIN模型的三角形編號，由起點和終點的三角形位置和連線，可以得到與該連線相交的三角形的編號，從而求得剖線與一系列三角形相交的點的三維坐標(biāo)把這些點兩兩相連構(gòu)成一條三維曲線。選取合適的比例尺可以繪制出 兩點的地形剖面圖。并由公式：
計算出兩點的空間距離（沿地形面的兩點直線距離）。
4 結(jié)束語
把GIS的三維動態(tài)可視化技術(shù)引進(jìn)到虛擬戰(zhàn)場地形環(huán)境中去，以數(shù)據(jù)的直觀可視 化為出發(fā)點來形象地描述戰(zhàn)場地形的特征，并能實現(xiàn)查詢 分析 功能，為全面準(zhǔn)確快速掌握戰(zhàn)場的實時地形信息，提供了有力的工具。 6參考文獻(xiàn)
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