计算机图形学关键技术

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计算机图形学关键技术范文第1篇

1.1计算机图形学

计算机图形学英文名字ComputerGraphics，简称CG，是数字媒体技术理论中最重要的代表之一，它是一种能够使用数学算法进行图形转化的科学，主要目的是利用计算机产生真是图形感受。计算机图形学在企业中的作用表现在它是掌握二维和三维图形在计算机中的表现和运算，是一种能够将图像显示和处理的相关算法。CG的内容研究是十分广泛的，包括光栅图形生成算法，真实、非真实感绘制，以及科学计算可视化、虚拟现实等操作，这需要在软件开发中不断的研究和琢磨。在国外，计算机图形学已经是一个重要的科技领域，通过对图形的研究创造了巨大的经济效益。我国的数字媒体也起步虽晚，但发展前景是十分广阔的，大多数高校软件工程专业已将CG作为入门级课程进行教学，从企业的人才需求出发，大力发扬了数字传媒在企业中的作用，使得企业的各项信息以更加贴切，更加逼真的方式表现出来。

1.2动画设计与动画技术

计算机动画技术也是数字媒体发展的一个重要方向，是动画企业在软件开发中的重要表现。随着动画技术应用的领域越来越广，其带来的经济效益也是随着增长。尤其是在近几年，我国计算机动画已经在游戏、动漫等领域有了突出表现，MAYA、3DSMAX等知名软件公司更是在动画技术制作上有着不小造诣。根据对市场的观察，我们发现掌握2D与3D动画技术是当下最为重要的，懂得此技能的人才可以说非常抢手。

2数字传媒在企业中的应用目标

数字传媒在企业中的应用目标主要表现在对数字传媒设计、网页设计和维护等方面，开展高校教学计划和设计实施的前提，同样也是确定组织学习形式和选择知识发展的方向，更关系着高校学习内容、管理、方法、评价等多个方面体系的设定，是一切学习活动开展的基础保障。软件工程专业数字媒体方具备软件工程与数字媒体的共性和个性，要求相关人才拥有软件开发、应用能力、实践能力三方面要求。因此在软件工程专业数字媒体方向人才培养上，应该以学习理论基础、培养创新能力培养为主，以独立从事新媒体应用为目标，适应数字传媒在企业中的应用目标。

“面向数字媒体领域的软件设计与开发”不仅要进行理论知识的学习，也要掌握传统软件设计与开发的技能。具体可以将企业需求概括为以下几点内容：良好的职业道德，良好的职业道德是职业生涯开展的基础；知识范围，人才是需要不断学习和进步的，需要多掌握一些实践案例进行知识补充；掌握软件工程与数字媒体知识的基本理论与方法；熟练掌握相关主流工具；数系程序设计，包括数据结构、数据库原理、汇编语言程序设计等。创新意识和团队协作能力，团队合作是数字媒体技术得以发展和创新的有效保障。

研究数字传媒在企业中的应用目标是为了明确和掌握有关软件开发的关键技术，让今后的软件系统设计、开发工作更加的心应手。学校方面可以以此为依据，开展实践环节，增加对学生的科学技术和实践训练，培养学生的就业竞争力和创新能力。

3结语

计算机图形学关键技术范文第2篇

论文关键字：计算科学计算学科计算机语言计算机软件网络和病毒

论文摘要：计算科学主要讲述了一种科学的思想方法，计算科学的基本概念、基本知识它的发展主线、学科分支、还有计算科学的特点、发展规律和趋势。

引言：随着存储程序式通用电子计算机在上世纪40年代的诞生，和计算科学的快速发展以及取得的大量成果。计算科学这一学科也也应运而生。《计算科学导论》正如此书的名字，此书很好的诠释了计算科学这一学科，并且指导了我们应如何去学好这一学科。使得我们收获颇多。并且让我深深的反思了我的大学生活。正如赵老师书中所讲的：“计算科学是年轻人的科学，一旦你选择了计算科学作为你为之奋斗的专业类领域，就等于你选择了一条布满荆棘的道路。一个有志于从事计算科学研究与开发的学生，必须在大学几年的学习中，打下坚实的基础，才有可能在将来学科的高速发展中，或在计算机产品的开发和快速更新换代中有所作为。

<一>什么是计算科学和它的来历

计算科学主要是对描述和变换信息的算法过程，包括其理论、分析、设计、效率分析、实现和应用的系统研究。全部计算科学的基本问题是，什么能（有效的）自动运行，什么不能（有效的）自动运行。本科学来源于对数理逻辑、计算模型、算法理论、自动计算机器的研究，形成于20世纪30年代的后期。

随着存储程序式通用电子计算机在上世纪40年代的诞生，人类使用自动计算装置代替人的人工计算和手工劳动的梦想成为现实。计算科学的快速发展以也取得大量成果，计算科学这一学科也也应运而生。

<二>计算科学的发展

a、首先先介绍图灵机

图灵机的发明打开了现代计算机的大门和发展之路。图灵机通过一条两端可无限延长的袋子，一个读写头和一组控制读写头的（控制器）组成它有一个状态集和符号集，而此符号集一般只使用0和1两个符号。而就是这个简洁的结构和运行原理隐含了存储程序的原始思想，深刻的揭示了现代通用电子数字计算机的核心内容。现在通用的计算机是电子数字计算机，而电子数字计算机的发展是建立在图灵机的基础之上。他的二进制思想使计算机的制作的简化成只需两个稳定态的元器件。这在今后的计算机制作上无论是二极管或集成电路上都显示了明显的优越性。

b、计算机带动的计算学科

1946年随着现代意义上的电子数字计算机ENIAC的诞生。掀起了社会快速发展的崭新一页。计算机工作和运行就摆在了人们的面前。

1、计算机语言

我们要用计算机求解一个问题，必须事先编好程序。因此就出现了最早的机器指令和汇编语言。20世纪50年代后，计算机的发展步入了实用化的阶段。然而，在最初的应用中，人们普遍感到使用机器指令编制程序不仅效率低下，而且十分别扭，也不利于交流和软件维护，复杂程序查找错误尤其困难，因此，软件开发急需一种高级的类似于自然语言那样的程序设计语言。1952年，第一个程序设计语言ShortCode出现。两年后，Fortran问世。作为一种面向科学计算的高级程序设计语言，Fortran的最大功绩在于牢固地树立了高级语言的地位，并使之成为世界通用的程序设计语言。Algol60的诞生是计算机语言的研究成为一门科学的标志。该语言的文本中提出了一整套的新概念，如变量的类型说明和作用域规则、过程的递归性及参数传递机制等。而且，它是第一个用严格的语法规则——巴科斯范式（BNF）定义语言文法的高级语言。还有用于支持结构化程序设计的PASCAL语言，适合于军队各方面应用的大型通用程序设计语言ADA，支持并发程序设计的MODULA-2，支持逻辑程序设计的PROLOG语言，支持人工智能程序设计的LISP语言，支持面积对象程序变换的SMALLTALK、C等。

2、计算机系统和软件开发方法

现代意义上的计算机绝不是一个简单的计算机了而也包括了软件（系统软件、应用软件）。各种各样的软件使得计算机的用途大大增强。而软件开发也成为了一个重要课题和发展方向。软件开发的理论基础即是计算模型。随着计算机网络、分布式处理和多媒体的发展。在各种高级程序设计语言中增加并发机构以支持分布式程序设计，在语言中通过扩展绘图子程序以支持计算机图形学程序设计在程序设计语言中已非常的流行。之后，在模数/数模转换等接口技术和数据库技术的支持下，通过扩展高级语言的程序库又实现了多媒体程序设计的构想。进入20世纪90年代之后，并行计算机和分布式大规模异质计算机网络的发展又将并行程序设计语言、并行编译程序、并行操作系统、并行与分布式数据库系统等试行软件的开发的关键技术依然与高级语言和计算模型密切相关，如各种并行、并发程序设计语言，进程代数，PETRI网等，它们正是软件开发方法和技术的研究中支持不同阶段软件开发的程序设计语言和支持这些软件开发方法和技术的理论基础----计算模型

3、计算机图形学

在计算机的硬件的迅速发展中。随着它的存储容量的增大，也掀起了计算机的巨大改革。计算机图形学、图像处理技术的发展，促使图形化界面的出现。计算机图形学是使用计算机辅助产生图形并对图形进行处理的科学。并由此推动了计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助教学（CAI）、计算机辅助信息处理、计算机辅助测试（CAT）等方向的发展。图形化界面的出现，彻底改变了在一个黑色的DOS窗口前敲代码输入控制命令的时代。同时也成就了一个伟大的公司Microsoft。

4、计算机网络

随着用户迫切需要实现不同计算机上的软硬件和信息资源共享。网络就在我们的需求中诞生了。网络的发展和信息资源的交换使每台计算都变成了网络计算机。这也促进计算机的发展和广泛应用。

<三>计算机学科的主线及发展方向

围绕着学科基本问题而展开的大量具体研究，形成学科发展的主流方向与学科发展主线和学科自身的知识组织结构。计算学科内容按照基础理论、基本开发技术、应用以及他们与硬件设备联系的紧密程度分成三个层面：

1、计算科学应用层

它包括人工智能应用与系统，信息、管理与决策系统，移动计算，计划可视化，科学计算机等计算机应用的各个方向。

2、计算科学的专业基础层

它是为应用层提供技术和环境的一个层面，包括软件开发方法学，计算机网络与通信技术，程序设计科学，计算机体系结构、电子计算机系统基础。

3、计算科学的基础层

它包括计算科学的数学理论，高等逻辑等内容。其中计算的数学理论涵盖可计算性与计算复杂性理论形式语言与计算机理论等。

<四>计算机的网络的发展及网络安全

(1)计算机网络与病毒

一个现代计算机被定义为包含存储器、处理器、功能部件、互联网络、汇编程序、编译程序、操作系统、外部设备、通信通道等内容的系统。

通过上面定义，我们发现互联网络也被加入到计算机当中。说明了网络的重要以及普及性。21世纪是信息时代。信息已成为一种重要的战略资。信息科学成为最活跃的领域之一，信息技术改变着人们的生活方式。现在互联网络已经广泛应用于科研、教育、企业生产、与经营管理、信息服务等各个方面。全世界的互联网Internet正在爆炸性的扩大，已经成为覆盖全球的信息基础设施之一。

因为互联网的快速发展与应用，我们各行各业都在使用计算机。信息安全也显得格外重要。而随着计算机网络的发展，计算机网络系统的安全受到严重的挑战，来自计算机病毒和黑客的攻击及其他方面的威胁也越来越大。其中计算机病毒更是很难根治的主要威胁之一。计算机病毒给我们带来的负面影响和损失是刻骨铭心的，譬如1999年爆发的CIH病毒以及2003年元月的蠕虫王病毒等都给广大用户带来巨大的损失。

我们想更好的让计算机为我们服务，我们就必须很好的利用它，利用网络。同时我们也应该建立起自己的防护措施，以抵抗外来信息的侵入，保护我们的信息不受攻击和破坏。

(2)计算机病毒及它的防范措施：

计算机病毒是一组通过复制自身来感染其它软件的程序。当程序运行时，嵌入的病毒也随之运行并感染其它程序。一些病毒不带有恶意攻击性编码，但更多的病毒携带毒码，一旦被事先设定好的环境激发，即可感染和破坏。

<一>、病毒的入侵方式

1．无线电方式。主要是通过无线电把病毒码发射到对方电子系统中。此方式是计算机病毒注入的最佳方式，同时技术难度也最大。可能的途径有：①直接向对方电子系统的无线电接收器或设备发射，使接收器对其进行处理并把病毒传染到目标机上。②冒充合法无线传输数据。根据得到的或使用标准的无线电传输协议和数据格式，发射病毒码，使之能够混在合法传输信号中，进入接收器，进而进人信息网络。③寻找对方信息系统保护最差的地方进行病毒注放。通过对方未保护的数据链路，将病毒传染到被保护的链路或目标中。

2．“固化”式方法。即把病毒事先存放在硬件（如芯片）和软件中，然后把此硬件和软件直接或间接交付给对方，使病毒直接传染给对方电子系统，在需要时将其激活，达到攻击目的。这种攻击方法十分隐蔽，即使芯片或组件被彻底检查，也很难保证其没有其他特殊功能。目前，我国很多计算机组件依赖进口，困此，很容易受到芯片的攻击。

3．后门攻击方式。后门，是计算机安全系统中的一个小洞，由软件设计师或维护人发明，允许知道其存在的人绕过正常安全防护措施进入系统。攻击后门的形式有许多种，如控制电磁脉冲可将病毒注入目标系统。计算机入侵者就常通过后门进行攻击，如目前普遍使用的WINDOWS98，就存在这样的后门。

4．数据控制链侵入方式。随着因特网技术的广泛应用，使计算机病毒通过计算机系统的数据控制链侵入成为可能。使用远程修改技术，可以很容易地改变数据控制链的正常路径。

<二>病毒攻击的防范的对策

1．建立有效的计算机病毒防护体系。有效的计算机病毒防护体系应包括多个防护层。一是访问控制层；二是病毒检测层；三是病毒遏制层；四是病毒清除层；五是系统恢复层；六是应急计划层。上述六层计算机防护体系，须有有效的硬件和软件技术的支持，如安全设计及规范操作。

2．严把收硬件安全关。国家的机密信息系统所用设备和系列产品，应建立自己的生产企业，实现计算机的国产化、系列化；对引进的计算机系统要在进行安全性检查后才能启用，以预防和限制计算机病毒伺机入侵。

3．防止电磁辐射和电磁泄露。采取电磁屏蔽的方法，阻断电磁波辐射，这样，不仅可以达到防止计算机信息泄露的目的，而且可以防止“电磁辐射式”病毒的攻击。

4．加强计算机应急反应分队建设。应成立自动化系统安全支援分队，以解决计算机防御性的有关问题。

很多公司都有因为电脑被入侵而遭受严重经济损失的惨痛经历，不少普通用户也未能避免电脑被破坏的厄运，造成如此大损失的并不一定都是技术高超的入侵者所为，小小的字符串带给我们的损失已经太多。因此，如果你是数据库程序开发人员、如果你是系统级应用程序开发人员、如果你是高级计算机用户、如果你是论坛管理人员......请密切注意有关字符漏洞以及其他各类漏洞的最新消息及其补丁，及时在你的程序中写入防范最新字符漏洞攻击的安全检查代码并为你的系统安装最新的补丁会让你远离字符带来的危险。经常杀毒，注意外来设备在计算机上的使用和计算机对外网的链接。也可以大大有效的避免计算机被攻击。

计算机图形学关键技术范文第3篇

关键词计算机应用;虚拟技术;应用;机械工程

中图分类号TH122文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)042-0148-01

1虚拟技术的概念及其特点

1.1概念

虚拟现实技术汇集了计算机图形学、多媒体技术、图像处理与模式识别、智能接口接术、传感器技术、高度并行的实时计算技术、人工智能、人机工程学、语音处理与音响技术、网络技术、人的行为研究及心理学等多项关键技术,是这些技术更高层次的集成和渗透。虚拟技术通常是指以仿真的方式给用户创造一个反映实体对象变化及相互作用的三维世界,并通过头盔显示器、数据手套等辅助传感器设备,提供了一个观察并与该虚拟世界交互的三维界面,使用户可以直接参与和探索仿真对象在所处环境中的作用与变化,获得相应看似真实的体验。身临其境和交互作用是其主要特点。它的具体含义:1)虚拟现实是一种基于计算机图形学的多观点、实时动态的三维环境,这个环境可以是现实世界的真实再现,也可以是超越现实的虚构世界;2)操作者可以通过人的视、听、触等多种感官,直接以人的自然技能和思维方式与所投入的环境交互;3)在操作过程中,人是以一种实时数据源的形式沉浸在虚拟环境中的行为主体。而不仅仅是窗口外部的观察者。

1.2主要特点

1)动态环境建模技术。虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容,应用动态环境建模技术能获取实际环境的三维数据,并根据需要,利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。2)实时三维图形生成技术。目前,三维图形的生成技术已经比较成熟,关键是如何满足实时性的要求。为了达到实时的目的,至少要保证图形的刷新频率不低于15帧/s,最好高于30帧/s。在不降低图形质量和复杂程度的前提下提高刷新频率。图形生成的硬件体系结构以及在虚拟现实的真实感图形生成中,用于加速的各种有效技术是关键。3)立体显示和传感器技术。虚拟现实依赖于立体显示和传感器技术的发展。立体显示技术涉及人体感官的生理原理及在计算机上如何产生深度线索的技术。现有的硬件系统(如头盔显示器、单目镜及可移动视觉显示器)有待进一步研究,光学显示还存在许多局限性。传感器技术中需解决设备的可靠性、可重复性、精确性及安全性等问题,各种类型传感器的性能亟待提高。4)应用系统开发工具。技术最终要面向应用,通用平台的开发可缩短与应用结合的时间。为此,必须研究虚拟现实的开发工具。目前,常用的虚拟现实系统开发工具Super8cape公司VRT,它是一个可视化平台,允许较高程度的交互和网络处理;Sense 8公司的WTK是一个c函数库,提供了一个完整的合成虚拟环境的应用开发环境3MudtiGen公司的MuMGen系列软件是一个交互式的图形建模系统3MudtiGen-PoIadign公司的Vega可用于实时视觉和听觉仿真,使用简单;SGI公司的IRISPeformer是一种强有力的API,用于生成实时可视仿真和其它交互式三维图形应用;CG2公司的VTree是实时三维图形开发软件包,可以实现视觉仿真、实时场景生成等应用。5)多种系统集成技术。虚拟技术系统的最终集成是必然的,它包含了大量表达信息的模型,必须根据设计意图合理组合集成技术包括信息的同步、模型的标定、数据转换数据管理模型、模式识别与合成等技术。

2虚拟技术在机械工程中的应用

2.1虚拟技术在机械产品开发中的应用

虚拟产品的设计开发技术是建立在计算机完成产品开发过程基础上的。它在虚拟的条件下对产品进行构思、设计、制造、测试和分析。传统的机械产品设计方法需经过设计、样机试制、试验、修改设计、重新试制,经过较长时间才能投入生产,许多设计问题不能在产品设计阶段及时发现,导致了产品开发周期长。虚拟设计的研究和开发使缩短机械产品的开发周期成为现实。其显著特点之一是利用存储在计算机内部的数字化模型一虚拟产品来代替实物模型进行仿真分析,在制造过程中由计算机生成全部工件原形,然后对虚拟原形进行预装配,在预装配同时还能进行碰撞检测、阶段性的性能检测等。若对测试结果不满意,还可对工件设计图进行实时修改,提高了可靠性,节约了大量原材料,从而提高产品在时间、质量、成本、服务和环境等多且标的决策水平,达到全局优化和一次性开发成功的目的。复杂的大型收获机械非常需要这种虚拟仿真技术,它不但可以在机构运动学上加以仿真,还可以通过有限元分析、优化设计等方法对机构的动力学加以分析、仿真,对各构件参数进行优化。

2.2虚拟技术的建模

同仿真技术一样,虚拟世界的建模是开发虚拟技术应用的核心。首先从数学上定义基本过程,并配备已有的硬件资源。建立起设备零件的几何模型,再将之转换成能在计算机上实现和运行的仿真模型。其次,开发对象数据库和优化模型,即建立对象的形状、外表、行为、限制模型并将对应的I/O工具映射到仿真的世界。

1)几何建模。描述虚拟对象的形状和外表,可通过照片扫描或图像绘图软件建立。2)运动建模。表示虚拟对象在虚拟世界中的动态特性,有关对象位置变化、碰撞、伸缩、手抓提和表面变形等方面的特性就属于运动建模问题。3)物理建模。反映对象的质量、惯性、表面粗糙度、硬度和形状变化模式。如果建立了实体的物理模型,就可以用虚拟手握住这个实体,就能够真实地感受到该物体的质量、表面光滑程度等。4)声音建模。根据听觉机理提供声音模拟。5)模型分割。在不失真的条件下,减少模型的复杂度,提高显示实时性。

3结束语

在机械工程中应用虚拟技术的优点是很明显的。实时建模可使得整个生产线的工作流程最佳化,缩短达到最佳计划生产的时间。在制造生产设备之前就可调试工具和软件程序。

综上所述,可以预料在2I世纪。随着科学技术的不断发展,虚拟技术必将会在机械领域逐步扩大应用。当然,亦应充分认识到,虚拟技术是一门新兴的高科技发展技术,具有很大的潜力,在我国尚处于开拓时期的初级阶段。但是只要重视并大力发展虚拟技术在机械工程中的应用,虚拟技术在机械中将会有广阔的发展前景。

参考文献

计算机图形学关键技术范文第4篇

[关键词]云存储；非结构化数据存储；数字地球；三维场景数据；可视化

1引言

随着计算机技术、网络技术、云计算和云存储技术突飞猛进的发展，各个行业和领域中，计算机图形学的应用也得到了迅速地普及，三维场景技术因其更加丰富、全面和生动的细节信息而倍受欢迎，正在逐步取代传统的基于二维图形的展现方式。传统的三维数据组织一般是采用单机存储、本机使用的方式实现，这种方式具有存取性能较低、存储容量有限、数据无法共享和统一维护困难等缺点[1]。同时云存储作为一种新形态的针对海量数据的存储系统，具有大容量、易管理、高可扩展和按需服务等方面的优势和特点，从而受到了学术界和产业界的重视，三维场景技术的实现对数据存储要求越来越高，云存储技术的快速发展大大推动了三维场景技术的推广和普及。

2虚拟现实技术与三维场景

虚拟现实技术是一种综合了计算机显示技术、建模技术、计算机图形学和仿真技术等各类技术的一种多学科的模拟技术，三维场景建模技术和显示技术则是虚拟现实技术的核心问题[1]。在通过计算机构建形成的三维场景中，系统的使用者可以从中感受到一种可视的、形象逼真的和直观的虚拟环境，通过对计算机的操作可以实现在三维场景中自由自在地漫游，就像在现实中一样[2]。随着虚拟现实技术与计算机技术、高效存储技术和网络技术日益紧密结合以及用户需求的不断提高，三维场景也逐步向精细化发展，同时，该过程需要大量三维场景数据和高性能计算的支撑，大数据量场景的实时仿真成为虚拟现实技术中一项重要的研究内容，而三维场景数据的组织管理在这个技术实现过程中起着很重要的作用，也成为地理信息系统向三维立体分析方面纵深发展所需解决的一个重要命题。三维场景以虚拟现实为技术依托，以计算机网络的发展为契机，在生产、生活和娱乐等各个方面得到了广泛地应用，虚拟现实技术的发展则对三维场景的逼真显示给予了强有力的推动作用，三维场景已经越来越受到了各行各业的重视，因而逐渐成为了虚拟现实中的重要研究课题[3]。

3关键技术

3.1云存储技术

云存储技术是在云计算的概念上延伸和发展出来的海量数据存储技术，一般的云存储系统由多个不同或相同的存储设备组成，通过集群应用、并行处理、分布式文件系统或类似网格技术等功能，实现对大量不同类型的存储设备集合起来一起协同工作[4]，云存储系统一般通过特定的应用软件或应用接口实现对外提供数据存储服务和数据访问服务的功能。随着计算机和网络等各种技术的快速发展，云计算系统运算和处理的核心已经由机器的处理变为数据的存储和管理，当云计算系统中配备了大量的、快速的存储设备及配套的计算设备，云计算系统就已经转变成为一个能够对外提供存取服务的云存储系统，因而，云存储是一个以数据存储和管理为核心的云计算系统。云存储系统和云计算系统从层次架构模型来看有一些差别，云存储系统比云计算的架构多一个存储层，并且在基础管理上云存储系统也包括很多与数据管理和数据安全有关的功能。云计算系统是一种以数据处理为中心的服务密集型系统，而云存储系统则可以看作是云计算的底层数据支持系统，云存储系统可以为云计算系统提供高可用、高可靠和运营成本低的数据存储服务。目前，云存储服务的形式有个人级应用和企业级应用2种情况。企业级的云存储系统可以对外部客户提供存储服务租赁、异地数据容灾备份和业务应用的存储支撑。云存储服务通过传统的集群技术、网络计算技术和分布式并行存储技术，将网络中大量的存储设备进行有机集成，这些存储设备要求不高，可以是很低廉的、配置不一的计算设备和存储设备，这样可以减少项目的再投资和盲目扩张滥建。云存储系统具有高可靠性、高通用性、高扩展性、高并发性及大容量存储等一系列特点，要进行云存储技术的研究，必须紧跟技术发展的趋势。各类应用系统运行过程中，所积累的数据不断增长，这样对存储容量的需求也不断增加，同时，存储设备容量的增长和成本的降低促进了海量存储技术的实现和发展。但是，当系统积累的数据量不断增加以后，系统所需要处理的数据量也就增大了，这使得系统对高性能处理的需求也不断提高，传统的存储方式则成为系统提高数据访问性能的“瓶颈”，此时对系统数据的高效存储和访问便成了一个急需解决的问题。相应地，云存储具有根据需求动态扩展存储容量和提高存取性能的特点，很好地迎合了系统的需求。

3.2云存储的多层结构模型

从构成上看，云存储与传统的存储设备相比，不仅仅是一个或一系列的硬件设备，而是一个集合了网络设备、存储设备、服务器、应用软件、公用访问接口、接入网和客户端程序等多个部分的复杂系统[4]。云存储的各个组成部分以系统的存储设备为核心，通过云存储所提供的应用软件对外提供数据存储服务和业务访问服务。云存储系统的结构模型是一个多层次的模型，从下到上依次由存储层、基础管理层、应用接口层和访问层组成。①存储层：存储层是云存储最基础的部分，主要由一系列的存储设备组成，存储层的存储设备可以是光纤存储设备或网络存储设备。云存储层中的存储设备数量往往比较庞大且可以分布在不同地域，这就提高了云存储系统的可靠性和可扩展性，不同的存储设备之间通过各种网络连接在一起。在存储设备之上是存储设备管理系统，实现存储设备的虚拟化和链路冗余管理，具有对各个存储设备的状态监控维护的功能；②基础管理层：基础管理层是云存储系统中最重要的部分，也是云存储系统中最难实现的部分。基础管理层通过联合运用集群、分布式文件系统和网格计算等技术，协调调度云存储系统内部多个存储设备，使不同的存储设备实现协同工作，并统一对外提供服务，通过并行处理技术的应用，对外提供更好的数据访问性能。在数据访问安全方面，基础管理层还通过数据防控技术和数据加密技术来防止未授权用户对数据的访问。此外，在数据存储安全方面，基础管理层通过各种数据备份和容灾措施确保云存储系统中的数据不会丢失或破坏，即使数据发生丢失或破坏，内部也可以将其恢复，从而保证云存储自身的安全和稳定；③应用接口层：应用接口层是云存储最灵活多变的部分，不同的云存储系统根据实际的业务类型和应用模式实现不同的访问服务接口，对上层应用提供各自的应用服务；④访问层：在云存储的访问层，合法用户可以通过应用接口层提供的应用接口登录云存储系统，通过云存储系统提供的服务实现业务数据的存储访问。

3.3三维场景可视化技术

三维场景的构建就是在三维地理信息平台的基础上，逐步加载地图数据、矢量信息数据以及若干静止或移动的三维模型的过程，构建示意图如图1所示。三维场景的可视化技术是指用计算机图形学与图像处理技术将三维场景中的复杂对象转换为图形或图像在屏幕上显示并与操作者进行交互处理的技术和方法。为了实现由三维空间向二维平面映射时图像显示的立体感，三维数据显示前需要进行一系列计算机图形学的技术处理[5]，基于三维地理信息平台的三维场景展示处理流程如图2所示。在三维地理信息平台的基础上，首先加载所显示区域范围内的三维模型，然后从模型库中读取相应的三维模型数据，计算三维坐标系的三维剪裁信息，同时读取三维模型的尺寸信息、光照模型和纹理映射，进行坐标转换实现三维坐标到屏幕二维坐标的投影计算，最终生成屏幕坐标系中的图形图像并显示。

4云存储环境下三维场景存储架构的设计和实现

4.1总体存储架构

随着对三维场景的精细化越来越高和场景区域的越来越广，三维场景构建所涉及的数据量也越来越大，采用传统的关系数据库或普通存储已经无法满足系统的访问要求，因而设计了基于云存储的三维数据组织管理方式，以适应系统对三维数据的更高的访问需求，基于云存储的三维场景存储架构如图3所示。在三维场景存储架构中，由底向上各层的功能如下：①基础设施层：主要由计算设备、存储设备和网络设备组成，为上层提供网络通信环境、计算服务运行环境和存储环境，实现最基础的硬件服务平台；②混合型存储层：在底层硬件环境的支撑下，通过事务型数据库、分析型数据库、NoSQL数据库以及Hadoop的生态环境实现对不同类型数据的存储管理；③统一访问层：实现对混合型存储层各种形式的数据进行统一访问的功能，在统一访问层中，通过对不同数据库和文件系统的适配处理，对上层形成一个屏蔽数据库差异的虚拟层，使得上层数据在存储管理过程中不需考虑存储的位置；④数据资源层：包括构建三维场景所需的各类数据，如结构化数据、非结构化数据和半结构化数据。在以上的分层存储架构中，每一层都是为上层提供服务和支撑，并建立在下一层的基础之上，形成三维场景数据的整体存储架构。

4.2数据库设计

以上对三维数据的总体存储架构进行了设计，其中的数据资源层，对于结构化数据，对应的存储管理方式主要是传统的关系型数据库，半结构化数据则保存在NoSQL数据库中，而非结构化数据则保存到云存储系统中[6]，针对结构化数据的数据库设计如图4所示。整个数据库以三维场景数据为中心，通过关联关系实现了在一个三维场景中对三维模型数据的调用，通过外键引用的方式展现了三维场景数据对正射影像模型、数字高程数据、电子海图和遥感影像等底图的依赖关系。此外，对于以文件形式存在的各类非结构化数据均保存到云存储系统中，通过调用服务的方式实现存取。

4.3数据仿真结果

在传统存储环境下，通过模拟数据进行三维场景数据读取显示的仿真实验，系统运行的结果如表1所示，在云存储环境下，系统运行的结果如表2所示。实验结果表明，在视点高度、地理数据的分辨率和三维模型实体的复杂度不同的情况下，采用基于云存储的数据组织方式，显示性能和对本机资源的占用情况都比传统存储环境更为优越，在云存储环境下显示帧率最低为27.3帧/s，依然能够满足人眼的适应帧率。三维场景技术的应用非常广泛，例如在作战仿真领域，可以采用三维场景技术和虚拟现实技术在计算机中对一种模拟战争过程进行重现，通过可视化的军事演示来分析军事环境、战地场景、过程模拟及武器爆炸等，实现军队与虚拟军事环境直接进行自然的交互，有助于军事单位对灾难方案的分析与研究，可大大节省军费开支，降低军事成本，缩短军事演习时间，解决在军事实战中可能出现的问题。5结束语在具有大容量、易管理及高可扩展等特点的云存储环境下，三维数据组织管理的存取变得更为方便，针对海量数据的三维场景信息实现平滑展示更为可行，并且能够适应数据量和读取性能不断增长的需求，本文提出的基于云存储的三维数据组织管理和实现很好地应用在某重点课题项目中，解决了传统环境下无法实现高效组织和快速访问的问题，在数据量不断增长的将来，具有十分广阔的应用前景。

参考文献

[1]饶伟,明德烈,田金文.目标三维场景建模与实时红外仿真技术研究[J].计算机与数字工程,2012,40(1):114-116.

[2]陈永华,王德成,陈燕.基于Creator的三维场景优化技术的应用[J]软件天地,2007,23(1):297-299.

[3]翟巍,迟忠先,方芳,等.大规模三维场景可视化的数据组织方法研究[J].计算机工程,2003,29(20):26-28.

[4]李琳琳,王庆超,姚超,等.云存储中的数据冗余策略研究[J].无线电工程,2013,43(9):1-3,32.

[5]于文洋,杨崇俊,乐小虬,等.三维复杂场景管理研究[J].计算机工程与应用,2006(13):38-40.

计算机图形学关键技术范文第5篇

关键词关键词：自然环境；粒子系统；特效仿真

中图分类号：TP317.4 文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2013）008015302

作者简介作者简介：汪永刚（1989-），男，武警工程大学硕士研究生，研究方向为计算机仿真；葛卫丽（1962-），女，武警工程大学副教授，研究方向为指挥信息系统、计算机仿真。

0 引言

虚拟自然环境是场景仿真的重要基础。在计算机仿真中，虚拟自然景物能否更好地可视化直接影响用户的使用反馈。仿真不规则物体，是可视化计算机仿真的难点，因其外观特征极不规则，表面不光滑，而且具有复杂与随意变化过程，这使得用经典的欧几里德几何学对其描述显得无能为力。

尽管如此，国内外学者先后提出了粒子系统模型、细胞自动机模型、分形模型等表示不规则模糊物体的理论，其中W.T.Reeves 提出的粒子系统理论较为成功。粒子系统就是由大量粒子集合在一起表现不规则物体的计算机模拟系统[1]。如今，粒子系统已经应用在可视化虚拟环境仿真的各个方面，虚拟的雨雪、烟雾等特效是实现逼真的虚拟自然环境中不可或缺的一部分，也是粒子系统运用的主要领域。

1 粒子系统原理

粒子系统对景物的绘制不同于以往造型、绘制系统的方法，它不是一个静态模型，而是一种过程模型。如果可以找到有效的物理或生理过程，不规则物体的行为分析和建模将变得很简单，只要实现实时的物理几何模型即可。一个粒子系统可由多个称为粒子的元素组成，每个粒子均具有形状、大小、运动方向、生存周期等属性，而一个粒子具有的属性取决于粒子系统所模拟的物体。粒子系统是一个动态变化的系统，每时每刻都有新粒子产生以及旧粒子死亡。系统中的粒子的各类信息都随时间而改变，粒子的初始状态、运动规律影响粒子的正确运行。我们可以通过控制粒子的属性和变化过程来模拟一些动态自然物体。粒子系统的实现需要以下5个步骤：①新粒子产生并具有新属性后进入系统；②结合粒子的动态特征对粒子进行诸如移动和变换之类的操作，同时改变粒子属性；③判断活动粒子的实时生命值；④删除超过其生命周期的粒子；⑤绘制并显示由系统中粒子所组成的图形。

2 不规则物体粒子系统模型

在可视化仿真自然环境中，爆炸、火焰、雨雪等许多特效都可以用粒子系统来实现，本文选择烟雾和雨雪进行介绍。

2.1 烟雾粒子模型

2.1.1 烟的行为过程描述

模拟烟的行为，基础在于研究与烟行为有关的因素。对烟的运动产生决定性影响的因素有烟粒子的运动速度和温度。第一是烟粒子的速度，当烟进入空气后，它会与空气摩擦，空气对烟有一个力的作用从而产生一种湍流效果；第二则是烟粒子的温度，烟雾中温度高的上升速度快，温度较低的上升速度慢，不同温度会造成烟内部的扩散[2]。

2.1.2 烟雾运动物理方程描述

采用物理学方法，对烟雾粒子进行物理描述。可以认为烟是不可压缩的气体，用N-S方程可描述为：= v·（u）﹣（u·）u（1）

以上方程中，T（t）为烟粒子温度，M为粒子浮力参数，Tc 为外界温度。方程组（1）～（3）在理论上可以求解，但计算很复杂。

分析烟粒子的运动可知，烟粒子浮力fe起主要作用，故可以在整个过程只考虑烟粒子浮力的作用。同时，可以通过动态烟粒子纹理映射技术来体现烟雾的变化。

2.1.3 烟雾粒子运动简化

简化后的烟粒子运动方程满足等式：Ma（t）=f（t）， a（t）=dv（t）/dt， v （t）=ds（t）/dt。其中，M表示烟粒子的质量，a（t）为粒子加速度，s（t）为粒子的位置，f（t）表示粒子所受到的浮力。此时可求出粒子在任意时刻的速度、位置。

2.2 雨雪粒子模型

2.2.1 静态属性

雨雪粒子的静态属性主要包括：粒子形状和大小、粒子颜色和透明度等[3]。其中，粒子的形状简化为三维球体，球体的大小即为粒子的大小。

2.2.2 动态属性

雨雪粒子的动态属性主要有：粒子群密度的变化、雨雪粒子的动力学特征等。可通过一个随机过程来控制雨雪粒子的出现，首先是对每个时刻进入系统的粒子数目进行控制，目的在于表现雨雪在不同时刻的分布变化。对于雨雪粒子的动力学分析，雨雪粒子的运动规律满足经典物理的相关运动规律，即粒子的加速度a、速度v 和位移s 有如下关系：

3 关键技术

3.1 动态链表

可用动态链表实现本文算法。链表存储的对象代表系统中存在的粒子，粒子的属性也存储在内。链表中新生的粒子排在表头，快要死亡的粒子则在表尾，链表包括活动粒子链表和死亡粒子链表。活动粒子链表保存的是活动粒子，该链表中的某个粒子在即将死亡时就被转存至死亡粒子链表，当要生成一个新粒子时，先遍历死亡粒子链表，如果该链表中有死粒子存在，则更改该死亡粒子的属性，将其转存至活动粒子链表，这种处理减少了分配和释放内存的时间，提高了系统的实时性。

3.2 实时性

（1） 在列出烟粒子的运动方程后，在保证整体效果不失真的前提下可简化算法，减少运算量，达到实时性要求。

（2） 选用LOD技术，减少离视点较远处的粒子数目，从而缩短图形生成时间，更好地满足实时性要求[4]。

3.3 三角函数列表

在研究雨雪旋转时，需要进行三角函数的相关运算，这会降低虚拟场景生成的实时性。在此，可以事先用线性表预存三角函数值的方式来避免耗时的函数运算[5]。

4 结语

本文提出的烟雾和雨雪的粒子系统模型均已应用在分布交互式虚拟仿真系统中，提高了虚拟自然环境的逼真程度，取得了良好的渲染效果。

参考文献参考文献：

[1] EDWARD ANGEL.交互式计算机图形学——基于OpenGL的自顶向下方法[M]. 北京：电子工业出版社，2009.

[2] 尹勇.自然现象的实时仿真[J]. 系统仿真学报，2002，14（9）.

[3] 张芹，谢隽毅， 吴慧中. 火焰、烟、云等不规则物体的建模方法研究综述[J]. 中国图像图形学报，2000， 5（3）.