.@;計算機圖形學計算機圖形學百科名片計算機圖形學〔ComputerGraphics，簡稱CG〕是一種使用數學算法將二維或三維圖形轉化為計算機顯示器的柵格形式的科學。簡單地說，計算機圖形學的主要研究內容就是研究如何在計算機中表示圖形、以及利用計算機進展圖形的計算、處理和顯示的相關原理與算法。目錄研究內容主要組成主要目的概念區分研究內容學科歷史1、智能CAD2計算機美術與設計計算機設計學3計算機動畫藝術計算機動畫在電影特技中的應用國內情況4科學計算可視化國外科學計算可視化現狀5虛擬現實虛擬現實技術的應用多通道用戶界面主要強調學科趨勢學科教材領域專家圖書信息：內容簡介：研究內容主要組成主要目的概念區分研究內容學科歷史1、智能CAD2計算機美術與設計計算機設計學3計算機動畫藝術計算機動畫在電影特技中的應用國內情況4科學計算可視化國外科學計算可視化現狀5虛擬現實虛擬現實技術的應用多通道用戶界面主要強調學科趨勢學科教材領域專家圖書信息：內容簡介：展開編輯本段研究內容主要組成圖形通常由點、線、面、體等幾何元素和灰度、色彩、線型、線寬等非幾何屬性組成。從處理技術上來看，圖形主要分為兩類，一類是基于線條信息表示的，如工程圖、等高線地圖、曲面的線框圖等，另一類是明暗圖，也就是通常所說的真實感圖形。主要目的計算機圖形學一個主要的目的就是要利用計算機產生令人賞心悅目的真實感圖形。為此，必須建立圖形所描繪的場景的幾何表示，再用某種光照模型，計算在假想的光源、紋理、材質屬性下的光照明效果。所以計算機圖形學與另一門學科計算機輔助幾何設計有著親密的關系。事實上，圖形學也把可以表示幾何場景的曲線曲面造型技術和實體造型技術作為其主要的研究內容。同時，真實感圖形計算的結果是以數字圖像的方式提供的，計算機圖形學也就和圖像處理有著親密的關系。概念區分圖形與圖像兩個概念間的區別越來越模糊，但還是有區別的：圖像純指計算機內以位圖形式存在的灰度信息，而圖形含有幾何屬性，或者說更強調場景的幾何表示，是由場景的幾何模型和景物的物理屬性共同組成的。研究內容計算機圖形學的研究內容非常廣泛，如圖形硬件、圖形標準、圖形交互技術、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實體造型、真實感圖形計算與顯示算法、非真實感繪制，以及科學計算可視化、計算機動畫、自然景物仿真、虛擬現實等。編輯本段學科歷史1963年，伊凡·蘇澤蘭〔IvanSutherland〕在麻省理工學院發表了名為?畫板?的博士論文，它標志著計算機圖形學的正式誕生。至今已有三十多年的歷史。此前的計算機主要是符號處理系統，自從有了計算機圖形學，計算機可以部分地表現人的右腦功能了，所以計算機圖形學的建立具有重要的意義。近年來，計算機圖形學在如下幾方面有了長足的進展：1、智能CADCAD的開展也顯現出智能化的趨勢，就目前流行的大多數CAD軟件來看，主要功能是支持產品的后續階段一一工程圖的繪制和輸出，產品設計功能相對薄弱，利用AutoCAD最常用的功能還是交互式繪圖，假設要想進展產品設計，最根本的是要其中的AutoLisp語言編寫程序，有時還要用其他高級語言協助編寫，很不方便。而新一代的智能CAD系統可以實現從概念設計到構造設計的全過程。例如，德國西門子公司開發的SigraphDesign軟件可以實現如下功能：①從一開場就可以用計算機設計草圖，不必耗時費力的輸入準確的坐標點，能隨心所欲的修改，一旦構造確定，給出正確的尺寸即得到滿意的圖紙；②這個軟件中具有關系數據構造，當你改變圖紙的部分，相關部分自動變化，在一個視圖上的修改，其他視圖自動修改，甚至改變一個零件圖，相關的其它零件圖以及裝配圖的相關部分自動修改：③在各個專業領域中，有一些常用件和標準件，因此，希望有一個參數化圖庫。而Sigraph不用編程只需畫一遍圖就能建成自己的圖庫；④Sigraph還可以實現產品設計的動態模擬用于觀察設計的裝置在實際運行中是否合理等等。智能CAD的另一個領域是工程圖紙的自動輸入與智能識別，隨著CAD技術的迅速推廣應用，各個工廠、設計院都需將成千上萬張長期積累下來的設計圖紙快速而準確輸入計算機，作為新產品開發的技術資料。多年來，CAD中普遍采用的圖形輸入方法是圖形數字化儀交互輸入和鼠標加鍵盤的交互輸入方法.很難適應工程界大量圖紙輸入的迫切需要。因此，基于光電掃描儀的圖紙自動輸入方法已成為國內外CAD工作者的努力探究的新課題。但由于工程圖的智能識別涉及到計算機的硬件、計算機圖形學、形式識別及人工智能等高新技術內容，使得研究工作的難點較大。工程圖的自動輸入與智能識別是兩個密不可分的過程，用掃描儀將手繪圖紙輸入到計算機后，形成的是點陣圖象。CAD中只能對矢量圖形進展編輯，這就要求將點陣圖象轉化成矢量圖形.而這些工作都讓計算機自動完成.這就帶來了許多的問題.如①圖象的智能識別；②字符的提取與識別；③圖形拓撲構造的建立與圖形的理解；④實用化的后處理方法等等。國家自然科學基金會和863方案基金都在支持這方面的研究，國內外已有一些這方面的軟件付諸實用，如美國的RVmaster，德國的VPmax，以及清華大學，東北大學的產品等。但效果都不很理想.還未能到達人們企盼的效果。2計算機美術與設計2.1計算機美術的開展1952年.美國的Ben.Laposke用模擬計算機做的波型圖?電子抽象畫?預示著電腦美術的開場〔比計算機圖形學的正式確立還要早〕。計算機美術的開展可分為三個階段：〔1〕早期探究階段〔19521968年〕主創人員大部分為科學家和工程師，作品以平面幾何圖形為主。1963年美國?計算機與自動化?雜志開場舉辦年度"計算機美術比賽"。代表作品：1960年WiuiamFerrter為波音公司制作的人體工程學實驗動態模擬.模擬飛行員在飛機中各種情況；1963年KennethKnowIton的打印機作品?裸體?。1967年日本GTG小組的?回到方塊??！?〕中期應用階段〔1968年~1983年〕以1968年倫敦第一次世界計算機美術大展一"控制論珍寶〔CybernehicSerendipity1為標志，進入世界性研究與應用階段；計算機與計算機圖形技術逐步成熟，一些大學開場設置相關課題，出現了一些CAD應用系統和成果，三維造型系統產生并逐漸完善。代表作品：1983年美國IBM研究所RicherdVoss設計出分形山〔可到網站"分形頻道hrtp：ttfracta1.126.tom中查找有關"分形"的知識〕〔3〕應用與普及階段〔1984年~如今〕以微機和工作站為平臺的個人計算機圖形系統逐漸走向成熟，大批商業性美術〔設計〕軟件面市；以蘋果公司的MAC機和圖形化系統軟件為代表的桌面創意系統被廣泛承受，CAD成為美術設計領域的重要組成部分。代表作品：1990年JefreyShaw的交互圖形作品"易讀的城市fThelegiblecity〕。計算機設計學〔ComputerDesignics〕包括三個方面：環境設計〔建筑、汽車〕、視覺傳達設計〔包裝〕、產品設計。CAD對藝術的介入，分三個應用層次：〔1〕計算機圖形作為系統設計手段的一種強化和替代；效果是這個層次的核心〔高精度、高速度、高存儲〕。〔2〕計算機圖形作為新的表現形式和新的形象資源。〔3〕計算機圖形作為一種設計方法和觀念。3計算機動畫藝術3.1歷史的回憶計算機動畫技術的開展是和許多其它學科的開展親密相關的。計算機圖形學、計算機繪畫、計算機音樂、計算機輔助設計、電影技術、電視技術、計算機軟件和硬件技術等眾多學科的最新成果都對計算機動畫技術的研究和開展起著非常重要的推動作用50年代到60年代之間，大部分的計算機繪畫藝術作品都是在打印機和繪圖儀上產生的。一直到60年代后期，才出現利用計算機顯示點陣的特性，通過精心地設計圖案來進展計算機藝術創造的活動。70年代開場.計算機藝術走向繁榮和成熟1973年，在東京索尼公司舉辦了"首屆國際計算機藝術展覽會"80年代至今，計算機藝術的開展速度遠遠超出了人們的想象在代表計算機圖形研究最高程度的歷屆SIGGRAPH年會上，精彩的計算機藝術作品層出不窮。另外，在此期間的奧斯卡獎的獲獎名單中，采用計算機特技制作電影頻頻上榜，大有舍我其誰的感覺。在中國，首屆計算機藝術研討會和作品展示活動于1995年在北京舉行它總結了近年來計算機藝術在中國的開展，對將來的工作起到了重要的推動作用計算機動畫在電影特技中的應用計算機動畫的一個重要應用就是制作電影特技可以說電影特技的開展和計算機動畫的開展是互相促進的。1987年由著名的計算機動畫專家塔爾曼夫婦指導的MIRA實驗室制作了一部七分鐘的計算機動畫片?相會在蒙特利爾?再現了國際影星瑪麗蓮•；夢露的風采。1988年，美國電影?誰陷害了兔子羅杰?〔WhoFramedRogerRabbit?〕中二維動畫人物和真實演員的完美結合，令人膛目結舌、嘆為觀止其中用了不少計算機動畫處理。1991年美國電影?終結者II：世界末日?展現了奇妙的計算機技術。此外，還有?侏羅紀公園?〔JurassicPark〕、?獅子王?、?玩具總發動?〔ToyStory〕等。國內情況我國的計算機動畫技術起步較晚。1990年的第11屆亞洲運動會上，首次采用了計算機三維動畫技術來制作有關的電視節目片頭。從那時起，計算機動畫技術在國內影視制作方面得到了訊速的開展，繼而以3DStudio為代表的三維動畫微機軟什和以Photostyler、Photoshop等為代表的微機二維平面設計軟件的普及，對我國計算機動畫技術的應用起到了推波助讕的作用。計算機動畫的應用領域非常寬廣除了用來制作影視作品外，在科學研究、視覺模擬、電子游戲、工業設計、教學訓練、寫真仿真、過程控制、平面繪畫、建筑設計等許多方面都有重要應用，如軍事戰術模擬4科學計算可視化科學計算的可視化是興隆國家八十年代后期提出并開展起來的一門新興技術，它將科學計算過程中及計算結果的數據轉換為幾何圖形及圖象信息在屏幕上顯示出來并進展交互處理，成為發現和理解科學計算過程中各種現象的有力工具。1987年2月英國國家科學基金會在華盛頓召開了有關科學計算可視化的首次會議。會議一致認為"將圖形和圖象技術應用于科學計算是一個全新的領域"科學家們不僅需要分析由計算機得出的計算數據，而且需要理解在計算機過程中數據的變化。會議將這一技術定名為"科學計算可視化〔VisualizationinScientificComputing〕"?？茖W計算可視化將圖形生成技術圖象理解技術結合在一起，它即可理解送入計算機的圖象數據.也可以從復雜的多維數據中產生圖形。它涉及到以下互相獨立的幾個領域：計算機圖形學、圖象處理、計算機視覺、計算機輔助設計及交互技術等?？茖W計算可視按其實現的功能來分，可以分為三個檔次：〔1〕結果數據的后處理；〔2〕結果數據的實時跟蹤處理及顯示；〔3〕結果數據的實時顯示及交互處理。國外科學計算可視化現狀〔1〕分布式虛擬風洞這是美國國家宇航局〔Ames〕研究中心的研究工程，包括連接到一臺超能計算機上的兩個虛擬屏幕。這一共享的分布式虛擬環境用來實現三維不穩定流場。兩個人協同工作，可在一個環境中從不同視點和觀察方向同一流場數據?！?〕PHTHFINDER這是美國國家超級計算機應用中心〔NCSA〕的研究工程.是在交互分布環境下研究大氣流體的軟件。PHTHFINDER通過多個相聯絡的模型來研究暴風雨。〔3〕狗心臟CT數據的動態顯示這也是NCSA的研究工程，它利用遠程的并行計算資源.用體繪制技術實現CT掃描三維數據場動態顯示。其詳細內容是顯示一個狗的心臟跳動周期的動態圖像?！?〕燃燒過程動態模型的可視化這是美國西北大學的研究工程.可以顯示發生在非燒熱的氣體燃燒中復雜的空問瞬態圖象。火焰位于兩個同心圓柱之間.可燃混合氣體從內圓柱注入，燃燒所生成的物質通過外圓柱送出?！?〕胚胎的可視化依利諾大學芝加哥分校研制了一個在工作站和超級計算機上實現的可視億應用軟件。其內容是對一個七周的人類胚胎實現交互的三維顯示，是由衛生和醫學國家博物館所得到的數據重構而成的。這一工程表示了對人類形態數據實現遠程訪問和在網絡資源中實現分布計算的可能性。最近美國還將做整個人體的可視化，他們將兩個自愿者〔一男一女〕做成了切片，男的被切了1780片，厚度約1毫米，女的被切了5400片，厚度約O.3毫米，數據量很大。概括起來有以下幾點：〔1〕科學計算可視化技l術在美國的著名國家實驗室及大學中已經從研究走向應用，應用范圍涉及天體物理、生物學、氣象學、空氣動力學、數學、醫學圖象等領域?？茖W計算可視化的技術程度正在從后處理向實時跟蹤和交互控制開展?！?〕美國在實現科學計算可視化時，已經將超級計算機、光纖高速網、高性能工作站及虛擬環境四者結合起來，顯示了這一領域技術開展的重要方向。就三維數據場的顯示算法而言，當數據場分布密集而規那么時〔如cT掃描數據〕多采用體繪制技術，這種算法效果好，但計算費時。對于數據場分布稀疏，或分布不規那么的應用領域，如天體物理、氣象學多采用構造中間幾何圖象的方法，這種方法生成圖象速度快，較易作到實時交互處理。5虛擬現實"虛擬現實"〔VirbualReMity〕-詞是由美國噴氣推動實驗室〔VPL〕的創始人拉尼爾〔JaronLanier〕首先提出的在克魯格〔MyrenKruege〕70年代中早期實驗里.被稱為人工現實"〔Artificialreality〕；而在吉布森〔WilliamGibson〕l984年出版的科幻小說Neuremanccr里，又被稱為"可控空間"〔Cyberspaee〕。虛擬現實，也育人稱之為虛擬環境〔VirtualEnvironment〕是美國國家航空和航天局及軍事部門為模擬而開發的一門高新技術它利用計算機圖形產生器，位置跟蹤器，多功能傳感器和控制器等有效地模擬實際場景和情形，從而可以使觀察者產生一種真實的身臨其境的感覺虛擬環境由硬件和軟件組成，硬件部分主要包括：傳感器〔Sensors〕、印象器〔Efeeter〕和連接侍感器與印象器產生模擬物理環境的特殊硬件。利用虛擬現實技術產生虛擬現實環境的軟件需完成以下三個功能：建立作用器〔Actors〕以及物體的外形和動力學模型：建立物體之間以及周圍環境之間接照牛頓運動定律所決定的互相作用；描繪周圍環境的內容特性虛擬現實技術的應用5.1.1用于腦外科規劃的雙手操作空間接口工具最近，美國弗尼亞大學推出了一種能用于腦外科規劃的被稱為Netra的雙手操作空間接口工具根據腦外科醫生的工作環境和習慣，該系統采用一種外形象人頭的控制器。腦外科醫生可以根據他們的職業習慣，通過轉動外形象人頭的控制器，來方便地觀察人腦的不部位，同時通過右手控制面板的平面來控制人腦的剝面的掃描井能根據CT或強磁共振圖像所產生的主體腦模型顯示所需得到觀察視點著色后的真實圖像5.1.2虛擬環境用于恐高癥治療英國研制的一個虛擬現實系統可以產生以下虛擬環境：①透明的玻璃電梯，②高層建筑陽臺.@位于蛺咎之上的索橋。為了增加真實的感覺，患者除了佩戴可以產生三維立體景象的頭盔式顯示器外，還必須站在一個特制的框架內。調節電梯、.陽臺和索橋的高度就可以產生不同程度的刺激。5.1.3虛擬風洞德國信息技術國家研究中心的克魯格等人建立了一個所謂的"虛擬風嗣，用以代替風洞實驗〔因風洞實驗本錢高，且實驗難以控制〕。在虛擬風洞中，其模擬的數據來自超級計算機或高性能工作站上運行的有限元程序。利用虎擬風洞，觀測者通過佩戴液晶開關眼鏡可以方便地對于給定的點和線進展觀察，而且還可以通過放大的方式進展更細致的研究，大大方便了人們對于物體動力中特性的研究。5.1.4封閉式戰斗作戰訓練器封閉式戰斗作戰訓練器〔CCTT〕是馬斯塔格利等人為美軍研制的用于坦克和機械化步兵在實際地形上進展演習的模擬裝置。它與通常的虛擬環境和模擬器不同，它需要建立的是適用于軍隊訓練的大規模復雜的虛擬環境。5.1.5虛擬現實技術在建筑設計中應用虛擬現實技術還被廣泛用于建筑設計?？唆敻竦葘⑺麄冊O計的將來建筑顯如今他們創造的虛擬工作平臺上，建筑學家們聚集在一起透過所佩戴的液晶眼鏡，可以看到設計的立體建筑，井方便地增添或移去建筑的一部分或其它物體。同時也可以通過數據手套來設置不同的光源.模擬不同時間的日光和月光.觀察在不同光線下所設計建筑的美感以及與整個環境的協調性?？傊?虛擬現實技術是一門多學科穿插和綜合集成的新技術。因此，它的開展將取決于相關科學技術的開展和進步虛擬現實技術最根本的要求就是反映的實時性和場景的真實性。但一般來說，實時性與真實性往往是互相矛盾的。多通道用戶界面用戶界面是計算機系統中人與計算機之間互相通訊的重要組成部分。八十年代以WIMP〔窗口、圖符、菜單、鼠標〕為根底的圖形用戶界面〔GUD極大地改善了計算機的可用性、可學性和有效性，迅速代替了命令行為代表的字符界面，成為當今計算機用戶界面的主流。以用戶為中心的系統設計思想.增進人機交互的自然性，進步人機交互的效率和帶寬是用戶界面的研究方向。于是提出了多通道用戶界面的思想，它包括語言、姿勢輸入、頭部跟蹤、視覺跟蹤、立體顯示、三維交互技術、感覺反響及自然語言界面等。可以這樣說人體的外表就是人機界面。人體的任何部分都應成為人機對話的通道。虛擬現實顯示是關鍵所在，這不僅要求軟件來實現，更主要的是硬件上的實現。概括起來虛擬現實的人機交互通道可分為兩個方面：主要的感覺通道和主要作用通道。多通道用戶界面強調：主要強調〔1〕多個交互通道，如眼一語言一手勢等?！?〕交互的雙向性.假設每個通道兼有輸入/輸出〔3〕交互不一定是在同一通道中完成.例如，眼和耳都可以承受信息.但有明顯的區別。眼永遠是主動的，即主動地去獲取信息，耳永遠是被動的，有些信息不管你愿不愿聽，總要輸到耳朵中，這就要求在詳細的交互中詳細選擇交互通道。計算機圖形學中各個領域的開展各有各自的特點，但總起來說是以虛擬現實為導向和目的的。虛擬現實的開展要求必將帶動計算機圖形學各學科的開展.同樣虛擬現實的開展也將依賴于其他學科的開展，計算機圖形前景誘人。形勢逼人〔我國還比較落后〕，但通過努力還是可以縮短差距的。編輯本段學科趨勢計算機圖形學狹義上是一種研究基于物理定律、經歷方法以及認知原理，使用各種數學算法處理二維或三維圖形數據，生成可視數據表現的科學。它是計算機科學的一個分支領域與應用方向，主要關注數字合成與操作視覺的圖形內容。廣義上來看，計算機圖形學不僅包含了從三維圖形建模、繪制到動畫的過程，同時也包括了對二維矢量圖形以及圖像視頻交融處理的研究。計算機圖形學經過將近40年的開展，已進入了較為成熟的開展期。目前，其主要應用領域包括計算機輔助設計與加工，影視動漫，軍事仿真，醫學圖像處理，氣象、地質、財經和電磁等的科學可視化等。由于計算機圖形學在這些領域的成功運用，特別是在迅猛開展的動漫產業中，帶來了可觀的經濟效益。動漫產業是目前各國優先開展的綠色產業，具有高科技、高投入與高產出等特點。據統計，截至2020年3月，美國Pixar所拍攝的三維動畫片?怪物史萊克II?在預算為1.5億美元的情況下，獲得了超過9.2億的全球累計票房。而我國在2020年度共制作完成的國產電視動畫片249部，計131042分鐘，與2007年度相比增加了近28%。另一方面，由于這些領域應用的推動，也給計算機圖形學的開展提供了新的開展機遇與挑戰。從計算機圖形學目前學科開展來看，有以下幾個開展趨勢：〔1〕與圖形硬件的開展嚴密結合，打破實時高真實感、高分辨率渲染的技術難點圖形渲染是整個圖形學開展的核心。在計算機輔助設計，影視動漫以及各類可視化應用中都對圖形渲染結果的高真實感提出了很高的要求。同時，由于顯示設備的快速開展，人們要求能提供高清分辨率〔1920x1080〕，進一步要能到達數字電影所能播放的4K分辨率〔4096x2060〕；色彩的動態范圍也希望從原來每個通道的8Bit進步到10bit及以上。雖然已有的圖形學方法已經能較為真實地再現各類視覺效果，然而為了能提供高分辨率高動態的渲染效果，必須消耗非?？捎^的計算才能。一幀精巧的高清分辨率圖像，單機渲染往往需要消耗數小時至數十小時。為此，傳統方法主要采用分布式系統，將渲染任務分配到集群渲染節點中。即使這樣，也需要使用上千臺計算機，消耗數月時間才能完成一部標準90分鐘長度的影片渲染。近10年來，基于GPU的圖形硬件技術得以開展迅速，已經能在一個GPU芯片上采用64nm工藝集成上千個采用SIMD〔單指令多數據流〕架構的通用計算核心。而2020年底，主流圖形硬件商nVidia和AMD以及Intel還會推出基于MIMD〔多指令多數據流〕計算核心的GPU芯片用于圖形加速繪制，以支持DirectX11以及OpenGL3.0圖形標準。最新的圖形學研究，采用GPU技術可以充分利用計算指令和數據的并行性，已可在單個工作站上實現百倍于基于CPU方法的渲染速度。然而的實現方法，其實現效果還較為初步，無法實現復雜的視覺特效，離實時的高真實感渲染還有很大差距。其主要原因是：〔i〕缺乏良好的數據組織方法，基于GPU方法由于硬件的架構原因，數據組織無法如同CPU方法一樣的組織，因此對復雜的數據構造仍無法得到很好地支持。〔ii〕缺乏標準高效的GPU高層編程語言、編譯器以及相應調試工具,〔iii〕由于以上兩個問題，無法完好地實現適于電影渲染制作的RenderMan標準，以及其他各類基于物理真實感的渲染算法。因此，如何充分利用GPU的計算特性，結合分布式的集群技術，解決以上這些難題，從而來構造低功耗的渲染效勞是圖形學的將來開展趨勢之一?！脖径沃饕鶕芾ゲ┦克靼l言總結〕〔2〕研究和諧自然的三維模型建模方法三維模型建模方法是計算機圖形學的重要根底，是生成精巧的三維場景和逼真動態效果的前提。然而，傳統的三維模型方法，由于其主要思想方法來源于CAD中基于參數式調整的形狀構造方法，建模效率低而學習門檻高，不易于普及和讓非專業用戶使用。而隨著計算機圖形技術的普及和開展，各類用戶都提出了高效的三維建模需求，因此研究和諧自然的三維建模方法是目前開展的一個重要趨勢。采用適宜的交互手段，來進展三維模型的快速構造，特別是應用于概念設計和建筑設計領域目前已引起了國際同行的廣泛關注。由于筆式或草圖交互方式，非常符合人類原有日常生活中的考慮習慣，是目前研究的重點問題。其難點是根據詳細的應用領域，與視覺方法相交融，如何設計合理的交互語匯以及對應的過程式"識別-構造"方法。與此相關的一個問題是基于規那么的過程式建模方法。目前由于GoogleEarth等數字地圖信息系統的廣泛應用，對于地圖之上的建筑物信息等存在迫切需求。為此，研究者希望通過激光掃描或者視頻等獲取方式獲得相關信息后能迅速地重建出相關三維模型信息。然而單純的重建方式存在精度低、穩定性差和運算量大等缺乏，遠未能滿足實際的需求。因此，最近的研究中，傾向于采用基于規那么的過程式建模方法相結合來嘗試高效地構造出三維建筑模型，以及相關的樹木等構造化場景。三維建模方法中的另一主要問題是研究適宜的曲面表達方法，以適于各類圖形學的應用。在CAD的主流方法是采用NURBS〔非均勻有理B-樣條〕方法，然而此類方法無法很好解決非正規情況下的曲面拼合，不甚適宜于圖形學。為此，細分曲面方法，作為一種離散迭代的曲面構造方法，由于其構造過程樸素簡單以及實現容易，是一個方興未艾的研究熱點，而且極有可能逐步取代NURBS方法。目前主要需要解決的問題有：〔i〕奇異點處的C連續性的有效構造方法；〔ii〕與GPU圖形硬件相結合的曲面處理方法?！?〕利用日益增長的計算性能，實現具有高度物理真實的動態仿真高度物理真實感的動態模擬，包括對各種形變、水、氣、云、煙霧、燃燒、爆炸、撕裂、老化等物理現象的真實模擬，是計算機圖形學一直試圖到達的目的。這一技術是各類動態仿真應用的核心技術，可以極大地進步虛擬現實系統的沉浸感。然而高度物理真實性模擬，主要受限于目前計算機的處理才能和存儲容量限制，不能處理很高精度的模擬，也無法做到很高的響應速度。所幸的是，GPU技術帶來了革新這一技術的可能。充分利用GPU硬件內部的并行性，研究者開場普遍關注基于GPU的各類數學物