時(shí)間：2022-03-04 19:37:26
開(kāi)篇：寫(xiě)作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇計(jì)算機(jī)圖形學(xué)論文，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過(guò)程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述
我們現(xiàn)代人生活在各種各樣的信息之中，如何應(yīng)用計(jì)算機(jī)處理信息，處理圖形成為了一個(gè)越來(lái)越重要的課題。本論文所要介紹的計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的熱門(mén)領(lǐng)域之一，它是同電子硬件和計(jì)算機(jī)的周邊設(shè)備一同發(fā)展而來(lái)。隨著人類(lèi)在航空航天、軍事和通信等領(lǐng)域的突破，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)也得到了很快的發(fā)展。
計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一門(mén)實(shí)用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生、顯示以及處理圖形界面的知識(shí)體系。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)已經(jīng)變得越來(lái)越重要，主要原因是：人們接收和發(fā)出信息，圖形是很好的一種傳遞信息的方式。一個(gè)圖形本身，就具有很豐富的信息，人們根據(jù)圖形能夠很自然快速地與外界進(jìn)行交流。
1.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究熱點(diǎn)
計(jì)算機(jī)圖形學(xué)主要研究以下三個(gè)方面的內(nèi)容。第一：隱藏線(xiàn)（面）的消除；第二：基本曲線(xiàn)的裁剪以及繪制；第三：現(xiàn)代圖形學(xué)熱點(diǎn)研究的內(nèi)容，主要是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、可視化、三維立體的重建等等。
由于在一個(gè)圖形應(yīng)用或圖形軟件中要大量重復(fù)調(diào)用這些基礎(chǔ)算法，因此在這方面的任何進(jìn)步都會(huì)對(duì)整個(gè)圖形系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基礎(chǔ)算法經(jīng)過(guò)人們幾十年的研究，己比較成熟。但每一個(gè)進(jìn)步對(duì)解決圖形技術(shù)所面臨的存儲(chǔ)、傳輸、顯示等問(wèn)題都有很大的幫助。
2. 基礎(chǔ)算法的研究
2.1 多邊形裁剪算法
裁剪是處理圖形一種很基礎(chǔ)的方法，常見(jiàn)的裁剪操作主要有將不同的圖形裁剪拼接形成新的圖形。我們可以看出，裁剪算法在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中是一種十分基礎(chǔ)但是卻又十分重要的操作[1]。
本論文所提到的裁剪方法，主要是針對(duì)凸多邊形的。裁剪方法主要可以分為四個(gè)方法：中點(diǎn)算法、CS算法、CB算法、梁B算法。
（1）CS算法是Cohen-Sutherland的一種分區(qū)編碼算法[2]。CS算法以前是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中很重要的一種算法。CS算法對(duì)線(xiàn)段可以分為以下三種情況：窗內(nèi)、窗外以及其它情況。我們?cè)谑褂肅S算法的時(shí)候，需要判斷線(xiàn)段兩端端點(diǎn)的編碼，進(jìn)而判斷窗口和線(xiàn)段之間的位置關(guān)系，這種算法的缺點(diǎn)是對(duì)于判斷所做的工作比其他算法多。端點(diǎn)編碼檢查算法的核心代碼如下：
end point code algorithm
P1 and P2 are the end points of the line
xL，xn，yT，yB are the left， right， top and bottom window coordinates calculate the end point codes
put the codes for each end into 1*4 arrays called P1code and P2code
first end point： P1
if x1 < xL then P1code（4） = 1 else P1code（4） = 0
if x1 > xR then P1code（3） = 1 else P1code（3） = 0
if y1 < yB then P1code（2） = 1 else P1code（2） = 0
if y1 < yT then P1code（1） = 1 else P1code（1） = 0
second end point： P2
if x2 < xL then P1code（4） = 1 else P1code（4） = 0
if x2 > xR then P1code（3） = 1 else P1code（3） = 0
if y2 < yB then P1code（2） = 1 else P1code（2） = 0
if y2 < yT then P1code（1） = 1 else P1code（1） = 0
finish
（2）中點(diǎn)算法是基于硬件實(shí)現(xiàn)的。重點(diǎn)算法同樣把窗口和線(xiàn)段的關(guān)系分成三種情況：窗內(nèi)、窗外以及其它情況。對(duì)于窗內(nèi)和窗外這兩種情況，中點(diǎn)算法和CS算法的處理方法相同；對(duì)于第三種情況，中點(diǎn)算法簡(jiǎn)單地將線(xiàn)段分成兩段。中點(diǎn)算法是基于硬件的，所以算法比較簡(jiǎn)單，相對(duì)于用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，更偏重于用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
（3）CB算法能夠裁剪任意一種凸多邊形的窗口。CB算法會(huì)將交點(diǎn)簡(jiǎn)化成上下兩組，主要判斷的方法是：直線(xiàn)段的方向矢量和窗口邊法矢量的點(diǎn)積是否大于零。CB算法會(huì)取上組部分最小的交點(diǎn)以及下組最大的交點(diǎn)，作為可見(jiàn)部分的端點(diǎn)。由于CB算法更適用于一般情況，所以CB算法的運(yùn)算更加復(fù)雜。
（4）梁B算法在四種方法中，運(yùn)算速度最快。但是在某些特殊情況下，梁B算法也需要進(jìn)行大量的運(yùn)算。
四種基礎(chǔ)算法的適用情況，如表2-1所示。
2.2 逐點(diǎn)生成算法
上一小節(jié)主要介紹了圖像的裁剪，本小節(jié)的逐點(diǎn)生成算法主要著重于研究圖形曲線(xiàn)的繪制。由于任何圖像都是根據(jù)圖形而來(lái)，而任何圖形都需要繪制，所以圖形曲線(xiàn)的繪制也是一項(xiàng)非常基礎(chǔ)性的研究課題。
科學(xué)家最開(kāi)始采用幾何算法作為繪圖算法，這是因?yàn)橐郧暗膱D形顯示器都是掃描類(lèi)型的顯示器。目前這種算法已經(jīng)很少采用，但是在工程制圖的繪制過(guò)程中，受到各方面的限制，我們往往不得不采取這種方法。這種算法的基本思想就是：步長(zhǎng)之間的兩個(gè)點(diǎn)，采取直線(xiàn)的方法連接。但是由于步長(zhǎng)很小，我們實(shí)際看起來(lái)就是一條曲線(xiàn)。由于繪制條件以及算法本身的限制，這類(lèi)算法有著自身的缺點(diǎn)：運(yùn)算量非常大而且繪制不夠精細(xì)。
不同于曲線(xiàn)的幾何算法，像素級(jí)生成算法是一種全新的基于計(jì)算機(jī)的算法，這種算法主要分成兩種。第一種是對(duì)參數(shù)方程進(jìn)行求導(dǎo)，進(jìn)而計(jì)算出小于或等于一個(gè)像素迭代步長(zhǎng)的距離的點(diǎn)。這類(lèi)算法的優(yōu)點(diǎn)是能夠適用于大多數(shù)曲線(xiàn)的繪制；這類(lèi)算法的缺點(diǎn)是計(jì)算量很大，而且會(huì)造成多余的計(jì)算。第二種是根據(jù)曲線(xiàn)的隱式方程，找出曲線(xiàn)走向中下一個(gè)像素中最近的點(diǎn)。正是由于采用了這種原理進(jìn)行曲線(xiàn)繪制，所以曲線(xiàn)的誤差在一個(gè)像素范圍內(nèi)。這類(lèi)算法的優(yōu)點(diǎn)是速度快，因?yàn)槊恳淮蔚牟介L(zhǎng)都是一個(gè)像素點(diǎn)的距離；這類(lèi)算法的缺點(diǎn)是適用范圍狹窄[3]。
3. 結(jié)論
我們現(xiàn)代人生活在各種各樣的信息之中，如何應(yīng)用計(jì)算機(jī)處理信息，處理圖形成為了一個(gè)越來(lái)越重要的課題。本論文主要介紹了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，以及兩種基礎(chǔ)算法：多邊形裁剪算法和逐點(diǎn)生成算法。對(duì)于這些基礎(chǔ)算法的研究，對(duì)提高計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)系能具有重要的意義。
參考文獻(xiàn)
[1]高云 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)若干基礎(chǔ)算法的研究[J] 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2002.
[2]沈穎，宋文強(qiáng) 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本算法實(shí)現(xiàn)研究[J] 電腦知識(shí)與技術(shù)，2009，17（5）：4518-4519.
關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)；實(shí)驗(yàn)；教學(xué)研討
中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一門(mén)理論與實(shí)驗(yàn)并重的學(xué)科。從理論方面看，該學(xué)科主要涉及與圖形相關(guān)的概念和算法，和數(shù)
學(xué)、物理等相關(guān)學(xué)科的關(guān)系緊密，學(xué)起來(lái)有一定的難度。而實(shí)驗(yàn)是理論教學(xué)的深化與補(bǔ)充，是抽象轉(zhuǎn)化為具體的方式，是晦澀難懂的公式變?yōu)榛钌?huà)面的過(guò)程。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，而且對(duì)于建立學(xué)生自信心、培養(yǎng)學(xué)生興趣也起至關(guān)重要的作用。學(xué)生對(duì)該課程是既喜歡又擔(dān)心學(xué)起來(lái)難度太大，如何上好第一次課，改變學(xué)生的態(tài)度，如何安排教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，使學(xué)生既易于接受又能反映計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)和最新知識(shí)。本文針對(duì)這些問(wèn)題，結(jié)合教學(xué)中的實(shí)際情況淺談一下自己的看法和體會(huì)。
1課程內(nèi)容介紹
在多數(shù)人的印象中，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和其它專(zhuān)業(yè)課相比較，數(shù)學(xué)公式太多，難以學(xué)習(xí)和理解。但是由于它的諸多應(yīng)用非常具有吸引力，尤其它是大家所感興趣的游戲和動(dòng)畫(huà)的基礎(chǔ)，很多學(xué)生又想接觸它。如何加強(qiáng)學(xué)生的這個(gè)念
頭，第一次課非常關(guān)鍵，它在很大程度上決定了學(xué)生是否選學(xué)這門(mén)課。圖形學(xué)的理論雖然抽象，但是所表示的內(nèi)容卻形象，可以以此作為突破口。我們知道被稱(chēng)為“圖形學(xué)之父”的Sutherland博士論文答辯時(shí)，將所研究的內(nèi)容制作一部電影，邊放映邊講解，大獲成功。所以我覺(jué)得可以從一個(gè)動(dòng)畫(huà)短片或游戲片段出發(fā)，將所涉及的圖形學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通起來(lái)。因?yàn)樵跊](méi)學(xué)習(xí)圖形學(xué)之前，學(xué)生很難建立圖形學(xué)知識(shí)和游戲動(dòng)畫(huà)之間的聯(lián)系。他們只知道圖形學(xué)理論很抽象，游戲動(dòng)畫(huà)很容易吸引學(xué)生眼球，而且也知道它們之間的關(guān)系很緊密，但具體有什么聯(lián)系卻不是很清楚。我們可以從此出發(fā)，引出圖形學(xué)的相關(guān)知識(shí)，讓學(xué)生在不知不覺(jué)中了解圖形學(xué)，接受圖形學(xué)。這樣輕松建立了相關(guān)知識(shí)點(diǎn)與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系，也解答了學(xué)生學(xué)有何用的疑問(wèn)。
現(xiàn)以動(dòng)畫(huà)短片《棋逢敵手》(Geri's Game)為例來(lái)說(shuō)明如何引出圖形學(xué)內(nèi)容。該短片講述的是Geri老頭在公園跟自己下棋的事，故事情節(jié)生動(dòng)，動(dòng)畫(huà)效果惟妙惟肖，很具吸引力。學(xué)生非常感興趣，這是怎么做的，采用什么技術(shù)，Geri老頭是怎么得到的等等一系列問(wèn)題。我們便可以問(wèn)題為導(dǎo)向一一解釋給學(xué)生。Geri老頭采用的是一種稱(chēng)為Catmull－Clark的細(xì)分曲面造型技術(shù)，在造型之前需要準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，所謂巧婦難為無(wú)米之炊，一般這樣的數(shù)據(jù)是先建立一個(gè)實(shí)物的模型，然后通過(guò)三維激光掃描儀獲取的。三維掃描儀掃描實(shí)物的表面數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)量大，而且?guī)в性胍簦孕枰鋈ピ耄?jiǎn)化等處理。簡(jiǎn)化后得到Geri老頭的表面骨架，然后再采用細(xì)分曲面造型技術(shù)獲取光滑逼真的模型。細(xì)分造型是一種逐層加細(xì)技術(shù)，如圖1所示，圖1(a)-(c)是不同層次的效果。從中可以看出圖(c)圖形的光滑效果最好，而圖(a)最差。但是圖(c)的數(shù)據(jù)量最大，這就需要根據(jù)不同情況選擇不同的圖形，如圖2所示，當(dāng)圖形距離我們較遠(yuǎn)時(shí)可以選擇精度不高的(a)圖形，而較近時(shí)選擇(c)圖形。在游戲動(dòng)畫(huà)方面，對(duì)速度要求高，而對(duì)圖形逼真性的要求相對(duì)低，這時(shí)可以選擇數(shù)據(jù)量小的圖形。這樣通過(guò)圖形展示給學(xué)生以感性的認(rèn)識(shí)，一方面易于接受，易于理解，另一方面也能增加學(xué)習(xí)的興趣。另外，形象逼真的圖形采用真實(shí)感繪制技術(shù)，場(chǎng)景遠(yuǎn)近變化利用了圖形變換的知識(shí)等等。一個(gè)短篇，基本上把圖形學(xué)的相關(guān)內(nèi)容都包括了，我們還可以再結(jié)合其它一些具體生動(dòng)的圖形動(dòng)畫(huà)介紹給學(xué)生。實(shí)際上，在圖形學(xué)授課的各個(gè)環(huán)節(jié)，為了調(diào)節(jié)枯燥的數(shù)學(xué)公式，都可以演示一些相關(guān)內(nèi)容的圖形，也所謂的多媒體教學(xué)，在這方面，圖形學(xué)應(yīng)該更有優(yōu)勢(shì)。
2理論與實(shí)踐并重
對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)這樣的專(zhuān)業(yè)課而言，理論的學(xué)習(xí)離不開(kāi)實(shí)踐，實(shí)驗(yàn)是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。抽象的理論，乏味的數(shù)學(xué)公式，如果不和實(shí)驗(yàn)結(jié)合，學(xué)生是體會(huì)不到學(xué)習(xí)樂(lè)趣的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，所學(xué)的知識(shí)得以鞏固，枯燥的算法與生動(dòng)的圖形之間建立聯(lián)系。學(xué)生的興趣也是通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立起來(lái)的。每次實(shí)驗(yàn)報(bào)告，我都會(huì)要求學(xué)生寫(xiě)下心得體會(huì)，從報(bào)告可以看出，多數(shù)學(xué)生能夠在實(shí)驗(yàn)中找到快樂(lè)，能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立自信心，成就感。他們說(shuō)做實(shí)驗(yàn)很受鍛煉，知識(shí)掌握的也更牢固。當(dāng)然有的學(xué)生也提到，做實(shí)驗(yàn)是一件非常辛苦的事情，特別是沒(méi)有思路或者找不到錯(cuò)誤時(shí)，真的很痛苦。但是成功后的滿(mǎn)足，特別是做出來(lái)的那一瞬間，那種心境別人無(wú)法體會(huì)。
由于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是專(zhuān)業(yè)限選課，學(xué)時(shí)不多。我們一般安排32個(gè)上課學(xué)時(shí)和16個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)。為了增加學(xué)生的知識(shí)面，我們的實(shí)驗(yàn)是在Sun工作站Solaris操作系統(tǒng)下采用gcc編譯器進(jìn)行，編程時(shí)調(diào)用OpenGL庫(kù)中的圖形函數(shù)。通常安排4個(gè)學(xué)時(shí)熟悉這些內(nèi)容。這樣根據(jù)剩余學(xué)時(shí)安排五個(gè)小實(shí)驗(yàn)：直線(xiàn)生成、裁剪、幾何變換、曲線(xiàn)生成以及真實(shí)感圖形繪制，還有一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)：做一個(gè)簡(jiǎn)單的圖形系統(tǒng)。題目的要求隨著難易程度變化。直線(xiàn)生成算法比較簡(jiǎn)單，學(xué)生編寫(xiě)的程序應(yīng)具有通用性，適用于任何直線(xiàn)。裁剪算法是為了確定顯示區(qū)域內(nèi)的圖形，實(shí)驗(yàn)一般要求實(shí)現(xiàn)線(xiàn)段裁剪算法，算法易于實(shí)現(xiàn)，考慮到易操作性，采用交互式的畫(huà)線(xiàn)方式，即以鼠標(biāo)點(diǎn)擊繪圖區(qū)的位置確定線(xiàn)段的起點(diǎn)和終點(diǎn)，其中涉及消息映射和屏幕坐標(biāo)到世界坐標(biāo)轉(zhuǎn)化等相關(guān)知識(shí)。幾何變換幾乎在每個(gè)圖形系統(tǒng)或圖形應(yīng)用軟件都有使用，其主要包括旋轉(zhuǎn)、平移、縮放以及復(fù)合變換等內(nèi)容。學(xué)生對(duì)三維圖形更感興趣，尤其是較復(fù)雜的圖形。在做該實(shí)驗(yàn)時(shí)，通常先介紹一些三維圖形的相關(guān)知識(shí)，包括幾何圖形表示、存儲(chǔ)形式以及讀文件操作等，一般以簡(jiǎn)單的OBJ數(shù)據(jù)文件為例。然后讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)三維圖形的幾何變換。另外，考慮到該實(shí)驗(yàn)包括幾個(gè)操作，增加了菜單選擇功能。曲線(xiàn)曲面也是圖形學(xué)的核心內(nèi)容，生成方法有兩種：一種是逐層遞推的方法，另一種是根據(jù)參數(shù)曲線(xiàn)定義。學(xué)生根據(jù)自己的理解選擇不同的方法實(shí)現(xiàn)。在曲線(xiàn)生成的基礎(chǔ)上，增加鼠標(biāo)拖動(dòng)控制點(diǎn)改變曲線(xiàn)曲面形狀的功能。真實(shí)感實(shí)驗(yàn)是為了增加學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，通過(guò)調(diào)用OpenGL的庫(kù)函數(shù)做出一些漂亮的效果，讓學(xué)生感覺(jué)到圖形學(xué)功能很強(qiáng)大，一些看似復(fù)雜的效果實(shí)現(xiàn)起來(lái)也簡(jiǎn)單，只需調(diào)用OpenGL中現(xiàn)成的庫(kù)函數(shù)。綜合性實(shí)驗(yàn)報(bào)告我也鼓勵(lì)學(xué)生做一些自己感興趣的東西，比如有的學(xué)生對(duì)游戲很感興趣，基礎(chǔ)也較好，想做一個(gè)小游戲，我是完全許可的。應(yīng)該來(lái)說(shuō)，安排的實(shí)驗(yàn)任務(wù)重，覆蓋內(nèi)容多，在有限學(xué)時(shí)內(nèi)完成這些實(shí)驗(yàn)是不可能的，需要學(xué)生在課外做許多準(zhǔn)備工作。而且，有些知識(shí)點(diǎn)較難，學(xué)生難以消化。針對(duì)這種情況，實(shí)驗(yàn)部分也分了解和掌握兩種情況，這樣做的一個(gè)目的就是想增加學(xué)生的知識(shí)面。
3教學(xué)內(nèi)容安排
計(jì)算機(jī)圖形學(xué)知識(shí)更新快，內(nèi)容深而廣，如何在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)安排教學(xué)內(nèi)容，使講解的知識(shí)難度適中，既兼顧基礎(chǔ)知識(shí)又可以反映計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的最新成果和技術(shù)，同時(shí)，既兼顧理論又兼顧實(shí)驗(yàn)。另外，在學(xué)生可以接受的情況下盡可能介紹三維知識(shí)。
我們的教學(xué)內(nèi)容主要分這幾部分內(nèi)容：光柵圖形學(xué)，圖形變換，幾何造型，真實(shí)感圖形繪制。而且，各部分內(nèi)容貫穿OpenGL的相關(guān)知識(shí)。前兩部分比較基礎(chǔ)，內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單，課時(shí)盡可能安排緊湊，理論講的相對(duì)深入。但是對(duì)于幾何造型，尤其是曲線(xiàn)曲面造型部分，內(nèi)容的深淺需要根據(jù)學(xué)生情況來(lái)把握。曲面難度較大，一般只介紹大致的思路及做一些演示。對(duì)于曲線(xiàn)，如果講得比較深入，對(duì)于基礎(chǔ)不好的學(xué)生來(lái)說(shuō)也難以接受。我曾嘗試采用分段多項(xiàng)式的形式推導(dǎo)B樣條基函數(shù)，不少同學(xué)聽(tīng)得很費(fèi)力，甚至影響后面知識(shí)的學(xué)習(xí)。現(xiàn)在講這部分內(nèi)容時(shí)，我只是介紹基函數(shù)的由來(lái)，告訴學(xué)生基函數(shù)是根據(jù)曲線(xiàn)的性質(zhì)和定義推導(dǎo)出來(lái)的，不是隨隨便便指定的，這樣學(xué)生比較容易接受。實(shí)際上，無(wú)論Bezier曲線(xiàn)或B樣條曲線(xiàn)，都是曲線(xiàn)造型技術(shù)中的經(jīng)典算法，但也存在缺點(diǎn)。目前比較流行的曲線(xiàn)造型技術(shù)是細(xì)分算法，它有很多很好的性質(zhì)，如多分辨率，應(yīng)用簡(jiǎn)單等。由于其比較新，很多教科書(shū)中尚未介紹。一般我從應(yīng)用層的角度將三次B樣條細(xì)分和四點(diǎn)插值細(xì)分等典型算法介紹給學(xué)生，介紹他們的特點(diǎn)以及實(shí)現(xiàn)技術(shù)。真實(shí)感圖形繪制部分，涉及數(shù)學(xué)、物理、心理學(xué)等方面的知識(shí)，理論較深，不太適合本科生學(xué)習(xí)。但由于其做出來(lái)的圖形太漂亮，很具吸引力。而且，用OpenGL的庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)并不難，所以這部分內(nèi)容我一般是介紹一些基本概念，然后做一些程序演示。一方面增加學(xué)習(xí)的興趣，另一方面讓他們意識(shí)到，有些知識(shí)盡管理論比較深，但由于有現(xiàn)成的類(lèi)似OpenGL庫(kù)函數(shù)這樣的技術(shù)支撐，也容易實(shí)現(xiàn)。很多東西并不是想象的那么神秘，那么可怕。
4結(jié)語(yǔ)
計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一門(mén)理論內(nèi)容深，應(yīng)用范圍廣的課程。本文就如何組織教學(xué)內(nèi)容談了自己的見(jiàn)解和體會(huì)，目的在于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生在易于接受的情況下學(xué)到更多有用的知識(shí)。實(shí)踐表明方法具有一定的可行性，普遍學(xué)生反映，通過(guò)課程的學(xué)習(xí)體會(huì)到了圖形學(xué)的博大精深，增加了圖形學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。但也有部分同學(xué)感覺(jué)有些內(nèi)容講解不夠深入，難以理解。所以，如何在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)更好地組織教學(xué)，還有待進(jìn)一步探討。相信通過(guò)學(xué)習(xí)、思考和實(shí)踐可以做得更好。
參考文獻(xiàn)：
[1] 唐榮錫,汪嘉業(yè),彭群生. 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教程(修訂版)[M]. 北京:科學(xué)出版社,2000.
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【關(guān)鍵詞】 三維模型 視圖 特征提取
一、引言
隨著三維掃描技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)廣泛應(yīng)用于工業(yè)，機(jī)械，醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，三維模型成為一種新多媒體數(shù)據(jù)類(lèi)型，面對(duì)龐大的三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)， 幫助用戶(hù)快速準(zhǔn)確地獲取所需三維模型，實(shí)現(xiàn)資源重用成為了計(jì)算機(jī)視覺(jué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)界的一個(gè)研究熱點(diǎn)。如何合理地描述三維模型即特征提取成為三維模型檢索首先要解決的難點(diǎn)問(wèn)題。同時(shí)絕大多數(shù)三維模型檢索的研究都是針對(duì)通用模型進(jìn)行的. 這也使得對(duì)三維模型特征提取的研究更加復(fù)雜。現(xiàn)有的三維模型檢索技術(shù)可以分為基于統(tǒng)計(jì)特征、基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、基于幾何結(jié)構(gòu)分析和基于視圖四大類(lèi)。
基于統(tǒng)計(jì)特征的方法通過(guò)對(duì)三維模型的某一特征信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得統(tǒng)計(jì)直方圖后將其量化而得到三維模型特征向量，但是大多數(shù)統(tǒng)計(jì)特征帶有隨機(jī)性， 檢索性能不穩(wěn)定。基于拓?fù)浜徒Y(jié)構(gòu)分析得到的特征在檢索系統(tǒng)中檢索響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。基于視圖將三維模型投影成多個(gè)不同視角的二維圖像，再對(duì)二維投影進(jìn)行特征的提取用以描述三維模型。這種方法將復(fù)雜的三維問(wèn)題轉(zhuǎn)化為較為成熟的二維圖像處理問(wèn)題，降低了計(jì)算的復(fù)雜度，符合人的視覺(jué)特征，檢索性能較好。基于視圖的三維模型特征提取一般為三個(gè)步驟模型預(yù)處理，視圖獲取，描述符提取。
二、模型預(yù)處理
對(duì)于任意三維模型，其初始空間位置、尺寸及方向具有很大的隨機(jī)性，為了對(duì)三維模型在相同尺度、相同規(guī)則下進(jìn)行比較檢索，首先對(duì)其進(jìn)行位置和尺寸標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理。一般分為三個(gè)部分平移歸一化，旋轉(zhuǎn)歸一化，尺度歸一化。 完整的模型歸一化過(guò)程表述為如下的幾何變換。
S*R*（I-C） （2-1）
式中： s 為縮放系數(shù)；R 為對(duì)應(yīng)于PCA變換的旋轉(zhuǎn)矩陣；I 為原始模型坐標(biāo)；C為坐標(biāo)原點(diǎn)。
2.1平移歸一化
平移歸一化的目的是為了在模型上找到一個(gè)點(diǎn)作為新坐標(biāo)系的原點(diǎn)，重新計(jì)算模型在新坐標(biāo)系中的頂點(diǎn)坐標(biāo)實(shí)際應(yīng)用中的三維模型往往不是密度均勻分布的模型，文獻(xiàn)[1]采用面積加權(quán)法來(lái)提高重心平移的魯棒性，也就是將每個(gè)點(diǎn)的表面積作為該頂點(diǎn)的權(quán)重。
2.2旋轉(zhuǎn)歸一化
旋轉(zhuǎn)歸一化的目的是為了保證模型具有一個(gè)統(tǒng)一的姿態(tài)方向，使得提取的特征具有旋轉(zhuǎn)不變性，文獻(xiàn)[2]對(duì)旋轉(zhuǎn)歸一化改進(jìn)利用蒙特卡羅法在三維模型表面均勻采點(diǎn)，以此代替原來(lái)頂點(diǎn)。該方法的特點(diǎn)是能快速地按照等面積原則，在三維模型表面采樣大量的三維點(diǎn)數(shù)據(jù)。
2.3 尺度歸一化
為了統(tǒng)一三維模型的尺度，保證拉伸不變性，需要計(jì)算縮放因子。文獻(xiàn)[1]采用的方法是找到模型中距離質(zhì)心最遠(yuǎn)的頂點(diǎn)，取值為這個(gè)最大距離的倒數(shù)，然后按照這個(gè)系數(shù)進(jìn)行縮放。
三、視圖獲取
模型預(yù)處理完成后需要進(jìn)行視圖提取，按照提取的視圖是否進(jìn)行二次選擇可分為：最優(yōu)視圖提取和多視圖提取.
3.1多視圖提取
多視圖提取一般將模型放在球體或正方體盒內(nèi)，在不同角度攝取二維深度圖像，Min[3]等人提出使用三維模型的二維輪廓圖描述比較模型之間的相似性。該方法從模型的正視、側(cè)視及俯視三個(gè)固定方向獲得二維投影視圖，然后對(duì)每副視圖進(jìn)行輪廓特征提取。該方法由于只選擇了三個(gè)固定方向上獲取視圖。不能夠完全表達(dá)模型Chen[4]等提出一種基于光場(chǎng)（LightFiel Descriptor， LFD）的特征算法。首先，在正十二面體的10個(gè)頂點(diǎn)處捕獲二維圖像，由于正十二面體是對(duì)稱(chēng)的所以只取20個(gè)頂點(diǎn)中的10個(gè)。每個(gè)頂點(diǎn)處設(shè)定10中不同的光場(chǎng)，這樣對(duì)于各個(gè)三維模型可以采100張圖像。對(duì)于每張圖像提取Zemike矩特征（取35個(gè)系數(shù)）和傅里葉變換特征（取10個(gè)系數(shù)），最后用4500維的特征向量來(lái)表示一個(gè)三維模型，龐大的特征向量帶來(lái)計(jì)算的困難。Shih[5]等提出了一種基于正視圖的特征提取算法，提取六個(gè)正視圖來(lái)表示三維模型，所有正視圖都是二維灰度圖形，用最小正方體盒包圍三維模型分別從前部，上部，右部，后部，下部和左部6個(gè)角度投影獲得正視圖，將每個(gè)圖形分解為L(zhǎng)個(gè)同心正方形提取出圖形描述符。
3.2最優(yōu)視圖提取
由于產(chǎn)生的多視圖來(lái)描述模型在檢索模型時(shí)計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，且有些視圖是冗余的。有些研究者會(huì)將多視圖進(jìn)行最優(yōu)選擇出一組或一個(gè)最優(yōu)視圖。Cyr[6]等人提出基于形狀相似性的代表性視圖（Aspect Graph）方法。該方法首先對(duì)三維模型從不同視點(diǎn)得到大量視圖，然后用一組代表性視圖描述三維模型。代表性視圖通過(guò)對(duì)視圖集聚類(lèi)分析，選擇那些彼此之間存在明顯差異的視圖而得到。
劉志等采用AdaBoost算法對(duì)輸入三維模型形狀特征進(jìn)行相似性學(xué)習(xí)得到該模型的最優(yōu)視圖樣例，然后將輸入模型從不同視點(diǎn)得到的渲染視圖和最優(yōu)視圖樣例進(jìn)行形狀相似性分析，以相似度最高者作為輸入模型的最優(yōu)視圖.得到的最優(yōu)視圖不僅可以有效地逼近用戶(hù)選擇結(jié)果而且具有較好的穩(wěn)定性。
四、總結(jié)
由于三維模型及其組成的三維場(chǎng)景能提供比二維圖像更多、更豐富的視覺(jué)感知細(xì)節(jié)。所以三維模型的檢索與復(fù)用近年來(lái)成為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)重要研究課題。但三維模型比二維圖像特征提取更為復(fù)雜，現(xiàn)在二維圖像處理技術(shù)非常成熟所以將三維模型表達(dá)成視圖在進(jìn)行處理，得到很好的模型描述符在檢索三維模型時(shí)節(jié)省時(shí)間。
參 考 文 獻(xiàn)
[1]基于視圖的三維模型檢索技術(shù)研究 馮毅攀 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 2011.10.20
[2]三維模型特征提取與檢索 柳 偉 申請(qǐng)上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文 2008.1
[3] P. Min， J. Chen， T. Funkhouser. A 2D sketch interface for a 3D model search engine[A]. Proc of 2002 annual conference on Computer Graphics Proceedings[C]. San Autonio： ACM， 2002， 138.
[4]D.Y. Chen， X.P. Tian， Y.T. Shen. et al. On visual similarity based on 3D model retrieval[J]. Computer Graphics Forum. 2003， 22（3）： 223-232
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英文名稱(chēng)：Journal of Software
主管單位：中國(guó)科學(xué)院
主辦單位：中國(guó)科學(xué)院軟件研究所
出版周期：月刊
出版地址：北京市
語(yǔ)
種：中文
開(kāi)
本：16開(kāi)
國(guó)際刊號(hào)：1000-9825
國(guó)內(nèi)刊號(hào)：11-2560/TP
郵發(fā)代號(hào)：82-367
發(fā)行范圍：國(guó)內(nèi)外統(tǒng)一發(fā)行
創(chuàng)刊時(shí)間：1990
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SA 科學(xué)文摘(英)(2009)
CBST 科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)速報(bào)(日)(2009)
Pж(AJ) 文摘雜志(俄)(2009)
EI 工程索引(美)(2009)
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論文摘要：計(jì)算科學(xué)主要講述了一種科學(xué)的思想方法，計(jì)算科學(xué)的基本概念、基本知識(shí)它的發(fā)展主線(xiàn)、學(xué)科分支、還有計(jì)算科學(xué)的特點(diǎn)、發(fā)展規(guī)律和趨勢(shì)。
引言：隨著存儲(chǔ)程序式通用電子計(jì)算機(jī)在上世紀(jì)40年代的誕生，和計(jì)算科學(xué)的快速發(fā)展以及取得的大量成果。計(jì)算科學(xué)這一學(xué)科也也應(yīng)運(yùn)而生。《計(jì)算科學(xué)導(dǎo)論》正如此書(shū)的名字，此書(shū)很好的詮釋了計(jì)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(shū)中所講的：“計(jì)算科學(xué)是年輕人的科學(xué)，一旦你選擇了計(jì)算科學(xué)作為你為之奮斗的專(zhuān)業(yè)類(lèi)領(lǐng)域，就等于你選擇了一條布滿(mǎn)荊棘的道路。一個(gè)有志于從事計(jì)算科學(xué)研究與開(kāi)發(fā)的學(xué)生，必須在大學(xué)幾年的學(xué)習(xí)中，打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，才有可能在將來(lái)學(xué)科的高速發(fā)展中，或在計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和快速更新?lián)Q代中有所作為。
一什么是計(jì)算科學(xué)和它的來(lái)歷
計(jì)算科學(xué)主要是對(duì)描述和變換信息的算法過(guò)程，包括其理論、分析、設(shè)計(jì)、效率分析、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用的系統(tǒng)研究。全部計(jì)算科學(xué)的基本問(wèn)題是，什么能（有效的）自動(dòng)運(yùn)行，什么不能（有效的）自動(dòng)運(yùn)行。本科學(xué)來(lái)源于對(duì)數(shù)理邏輯、計(jì)算模型、算法理論、自動(dòng)計(jì)算機(jī)器的研究，形成于20世紀(jì)30年代的后期。
隨著存儲(chǔ)程序式通用電子計(jì)算機(jī)在上世紀(jì)40年代的誕生，人類(lèi)使用自動(dòng)計(jì)算裝置代替人的人工計(jì)算和手工勞動(dòng)的夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)。計(jì)算科學(xué)的快速發(fā)展以也取得大量成果，計(jì)算科學(xué)這一學(xué)科也也應(yīng)運(yùn)而生。
二計(jì)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(kāi)了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的大門(mén)和發(fā)展之路。圖靈機(jī)通過(guò)一條兩端可無(wú)限延長(zhǎng)的袋子，一個(gè)讀寫(xiě)頭和一組控制讀寫(xiě)頭的（控制器）組成它有一個(gè)狀態(tài)集和符號(hào)集，而此符號(hào)集一般只使用0和1兩個(gè)符號(hào)。而就是這個(gè)簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理隱含了存儲(chǔ)程序的原始思想，深刻的揭示了現(xiàn)代通用電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的核心內(nèi)容。現(xiàn)在通用的計(jì)算機(jī)是電子數(shù)字計(jì)算機(jī)，而電子數(shù)字計(jì)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(jì)算機(jī)的制作的簡(jiǎn)化成只需兩個(gè)穩(wěn)定態(tài)的元器件。這在今后的計(jì)算機(jī)制作上無(wú)論是二極管或集成電路上都顯示了明顯的優(yōu)越性。
b、計(jì)算機(jī)帶動(dòng)的計(jì)算學(xué)科
1946年隨著現(xiàn)代意義上的電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC的誕生。掀起了社會(huì)快速發(fā)展的嶄新一頁(yè)。計(jì)算機(jī)工作和運(yùn)行就擺在了人們的面前。
1、計(jì)算機(jī)語(yǔ)言
我們要用計(jì)算機(jī)求解一個(gè)問(wèn)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(yǔ)言。20世紀(jì)50年代后，計(jì)算機(jī)的發(fā)展步入了實(shí)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(cuò)誤尤其困難，因此，軟件開(kāi)發(fā)急需一種高級(jí)的類(lèi)似于自然語(yǔ)言那樣的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。1952年，第一個(gè)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言ShortCode出現(xiàn)。兩年后，F(xiàn)ortran問(wèn)世。作為一種面向科學(xué)計(jì)算的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，F(xiàn)ortran的最大功績(jī)?cè)谟诶喂痰貥?shù)立了高級(jí)語(yǔ)言的地位，并使之成為世界通用的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。Algol60的誕生是計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的研究成為一門(mén)科學(xué)的標(biāo)志。該語(yǔ)言的文本中提出了一整套的新概念，如變量的類(lèi)型說(shuō)明和作用域規(guī)則、過(guò)程的遞歸性及參數(shù)傳遞機(jī)制等。而且，它是第一個(gè)用嚴(yán)格的語(yǔ)法規(guī)則——巴科斯范式（BNF）定義語(yǔ)言文法的高級(jí)語(yǔ)言。還有用于支持結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的PASCAL語(yǔ)言，適合于軍隊(duì)各方面應(yīng)用的大型通用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言ADA，支持并發(fā)程序設(shè)計(jì)的MODULA-2，支持邏輯程序設(shè)計(jì)的PROLOG語(yǔ)言，支持人工智能程序設(shè)計(jì)的LISP語(yǔ)言，支持面積對(duì)象程序變換的SMALLTALK、C等。
2、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和軟件開(kāi)發(fā)方法
現(xiàn)代意義上的計(jì)算機(jī)絕不是一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)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(jì)算機(jī)的用途大大增強(qiáng)。而軟件開(kāi)發(fā)也成為了一個(gè)重要課題和發(fā)展方向。軟件開(kāi)發(fā)的理論基礎(chǔ)即是計(jì)算模型。隨著計(jì)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(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言中增加并發(fā)機(jī)構(gòu)以支持分布式程序設(shè)計(jì)，在語(yǔ)言中通過(guò)擴(kuò)展繪圖子程序以支持計(jì)算機(jī)圖形學(xué)程序設(shè)計(jì)在程序設(shè)計(jì)語(yǔ)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(kù)技術(shù)的支持下，通過(guò)擴(kuò)展高級(jí)語(yǔ)言的程序庫(kù)又實(shí)現(xiàn)了多媒體程序設(shè)計(jì)的構(gòu)想。進(jìn)入20世紀(jì)90年代之后，并行計(jì)算機(jī)和分布式大規(guī)模異質(zhì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展又將并行程序設(shè)計(jì)語(yǔ)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(kù)系統(tǒng)等試行軟件的開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)依然與高級(jí)語(yǔ)言和計(jì)算模型密切相關(guān)，如各種并行、并發(fā)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，進(jìn)程代數(shù)，PETRI網(wǎng)等，它們正是軟件開(kāi)發(fā)方法和技術(shù)的研究中支持不同階段軟件開(kāi)發(fā)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和支持這些軟件開(kāi)發(fā)方法和技術(shù)的理論基礎(chǔ)----計(jì)算模型
3、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)
在計(jì)算機(jī)的硬件的迅速發(fā)展中。隨著它的存儲(chǔ)容量的增大，也掀起了計(jì)算機(jī)的巨大改革。計(jì)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)是使用計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)生圖形并對(duì)圖形進(jìn)行處理的科學(xué)。并由此推動(dòng)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（CAI）、計(jì)算機(jī)輔助信息處理、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)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(gè)黑色的DOS窗口前敲代碼輸入控制命令的時(shí)代。同時(shí)也成就了一個(gè)偉大的公司Microsoft。
4、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)
隨著用戶(hù)迫切需要實(shí)現(xiàn)不同計(jì)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(tái)計(jì)算都變成了網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)。這也促進(jìn)計(jì)算機(jī)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用。
三計(jì)算機(jī)學(xué)科的主線(xiàn)及發(fā)展方向
圍繞著學(xué)科基本問(wèn)題而展開(kāi)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(xiàn)和學(xué)科自身的知識(shí)組織結(jié)構(gòu)。計(jì)算學(xué)科內(nèi)容按照基礎(chǔ)理論、基本開(kāi)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(gè)層面：
1、計(jì)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(dòng)計(jì)算，計(jì)劃可視化，科學(xué)計(jì)算機(jī)等計(jì)算機(jī)應(yīng)用的各個(gè)方向。
2、計(jì)算科學(xué)的專(zhuān)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(gè)層面，包括軟件開(kāi)發(fā)方法學(xué)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)，程序設(shè)計(jì)科學(xué)，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)。
3、計(jì)算科學(xué)的基礎(chǔ)層
它包括計(jì)算科學(xué)的數(shù)學(xué)理論，高等邏輯等內(nèi)容。其中計(jì)算的數(shù)學(xué)理論涵蓋可計(jì)算性與計(jì)算復(fù)雜性理論形式語(yǔ)言與計(jì)算機(jī)理論等。
四計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及網(wǎng)絡(luò)安全
(1)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與病毒
一個(gè)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)被定義為包含存儲(chǔ)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(guò)上面定義，我們發(fā)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)也被加入到計(jì)算機(jī)當(dāng)中。說(shuō)明了網(wǎng)絡(luò)的重要以及普及性。21世紀(jì)是信息時(shí)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(yíng)管理、信息服務(wù)等各個(gè)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?yàn)榛ヂ?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(jì)算機(jī)。信息安全也顯得格外重要。而隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全受到嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，來(lái)自計(jì)算機(jī)病毒和黑客的攻擊及其他方面的威脅也越來(lái)越大。其中計(jì)算機(jī)病毒更是很難根治的主要威脅之一。計(jì)算機(jī)病毒給我們帶來(lái)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(chóng)王病毒等都給廣大用戶(hù)帶來(lái)巨大的損失。
我們想更好的讓計(jì)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(shí)我們也應(yīng)該建立起自己的防護(hù)措施，以抵抗外來(lái)信息的侵入，保護(hù)我們的信息不受攻擊和破壞。
(2)計(jì)算機(jī)病毒及它的防范措施：
計(jì)算機(jī)病毒是一組通過(guò)復(fù)制自身來(lái)感染其它軟件的程序。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，嵌入的病毒也隨之運(yùn)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。
<一>、病毒的入侵方式
1．無(wú)線(xiàn)電方式。主要是通過(guò)無(wú)線(xiàn)電把病毒碼發(fā)射到對(duì)方電子系統(tǒng)中。此方式是計(jì)算機(jī)病毒注入的最佳方式，同時(shí)技術(shù)難度也最大。可能的途徑有：①直接向?qū)Ψ诫娮酉到y(tǒng)的無(wú)線(xiàn)電接收器或設(shè)備發(fā)射，使接收器對(duì)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(wú)線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)。根據(jù)得到的或使用標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線(xiàn)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(hào)中，進(jìn)入接收器，進(jìn)而進(jìn)人信息網(wǎng)絡(luò)。③尋找對(duì)方信息系統(tǒng)保護(hù)最差的地方進(jìn)行病毒注放。通過(guò)對(duì)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(duì)方，使病毒直接傳染給對(duì)方電子系統(tǒng)，在需要時(shí)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(méi)有其他特殊功能。目前，我國(guó)很多計(jì)算機(jī)組件依賴(lài)進(jìn)口，困此，很容易受到芯片的攻擊。
3．后門(mén)攻擊方式。后門(mén)，是計(jì)算機(jī)安全系統(tǒng)中的一個(gè)小洞，由軟件設(shè)計(jì)師或維護(hù)人發(fā)明，允許知道其存在的人繞過(guò)正常安全防護(hù)措施進(jìn)入系統(tǒng)。攻擊后門(mén)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(jì)算機(jī)入侵者就常通過(guò)后門(mén)進(jìn)行攻擊，如目前普遍使用的WINDOWS98，就存在這樣的后門(mén)。
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(jì)算機(jī)病毒通過(guò)計(jì)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。
<二>病毒攻擊的防范的對(duì)策
1．建立有效的計(jì)算機(jī)病毒防護(hù)體系。有效的計(jì)算機(jī)病毒防護(hù)體系應(yīng)包括多個(gè)防護(hù)層。一是訪(fǎng)問(wèn)控制層；二是病毒檢測(cè)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(jì)劃層。上述六層計(jì)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(jì)及規(guī)范操作。超級(jí)秘書(shū)網(wǎng)
2．嚴(yán)把收硬件安全關(guān)。國(guó)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(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的國(guó)產(chǎn)化、系列化；對(duì)引進(jìn)的計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)應(yīng)急反應(yīng)分隊(duì)建設(shè)。應(yīng)成立自動(dòng)化系統(tǒng)安全支援分隊(duì)，以解決計(jì)算機(jī)防御性的有關(guān)問(wèn)題。
很多公司都有因?yàn)殡娔X被入侵而遭受?chē)?yán)重經(jīng)濟(jì)損失的慘痛經(jīng)歷，不少普通用戶(hù)也未能避免電腦被破壞的厄運(yùn)，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(kù)程序開(kāi)發(fā)人員、如果你是系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員、如果你是高級(jí)計(jì)算機(jī)用戶(hù)、如果你是論壇管理人員......請(qǐng)密切注意有關(guān)字符漏洞以及其他各類(lèi)漏洞的最新消息及其補(bǔ)丁，及時(shí)在你的程序中寫(xiě)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(huì)讓你遠(yuǎn)離字符帶來(lái)的危險(xiǎn)。經(jīng)常殺毒，注意外來(lái)設(shè)備在計(jì)算機(jī)上的使用和計(jì)算機(jī)對(duì)外網(wǎng)的鏈接。也可以大大有效的避免計(jì)算機(jī)被攻擊。
五總結(jié)
在學(xué)了計(jì)算科學(xué)導(dǎo)論之后，讓我更深入的了解了我將來(lái)要從事的學(xué)科。計(jì)算科學(xué)導(dǎo)論指導(dǎo)著我們?cè)撛趺磳W(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)。讓我更清楚的知道我們信息安全專(zhuān)業(yè)的方向。正如計(jì)算科學(xué)這座大樓一樣，在不斷的成長(zhǎng)。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(mén)課之后讓我受益匪淺，也知道自己應(yīng)該好好努力，爭(zhēng)取在自己的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域上有所成就。
參考文獻(xiàn)：
1、《計(jì)算科學(xué)導(dǎo)論》（第三版），趙志琢著，科學(xué)出版社2004版
2、《計(jì)算機(jī)病毒分析與對(duì)抗》傅建明彭國(guó)軍張煥國(guó)編著武漢大學(xué)出版社2004版
關(guān)鍵詞： 虛擬植物；生長(zhǎng)模擬；植物建模
中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.41
文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號(hào)：2095-2163（2017）02-0075-04
Abstract：The research meaning of virtual plants are introduced. Then typical modelling methods of virtual plant are also expounded. Meanwhile， different modelling methods are concretely and systematically compared and analyzed. After that， the advantages and disadvantages of different modelling methods are summarized. Finally， the existing problems in the virtual plant research are further put forward.
Keywords：virtual plant； growth simulation； plant modeling
0 引 言
植物在自然界中，千姿百態(tài)，種類(lèi)繁多，是自然景物的重要組成部分。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，人們即已著手研究利用計(jì)算機(jī)模擬植物動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)過(guò)程。由于技術(shù)的限制，研發(fā)建立的模型主要偏向于植物功能的模擬。近幾十年來(lái)，隨著科技的飛速發(fā)展和計(jì)算機(jī)處理能力的大幅提升，植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模擬也發(fā)展到了一個(gè)新時(shí)期，虛擬植物的概念隨即應(yīng)運(yùn)而生。虛擬植物[1]涉及領(lǐng)域眾多，包括計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、植物學(xué)、地理、農(nóng)業(yè)、虛擬現(xiàn)實(shí)、遙感、土壤學(xué)等，是集眾多領(lǐng)域門(mén)類(lèi)科研成果之大成的新式交叉學(xué)科。此類(lèi)研究是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)的知識(shí)對(duì)植物生長(zhǎng)進(jìn)行建模，模擬植物的動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)過(guò)程，并通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[2]（Virtual Reality）顯示植物在二維或三維空間中的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程和形態(tài)，從而在農(nóng)林業(yè)、娛樂(lè)、科研教育等方面呈現(xiàn)出高效廣泛的應(yīng)用價(jià)值。本文將首先解讀虛擬植物的研究意義，而后探討論述了各種典型的虛擬植物建模方法，對(duì)不同的建模方法進(jìn)行比較分析，總結(jié)闡釋了不同的建模方法的優(yōu)點(diǎn)和不足之處，最終指出了虛擬植物研究中存在的問(wèn)題。
1 虛擬植物的研究意義
虛擬植物的研究主要集中在2個(gè)方向：一個(gè)是植物的外形，另一個(gè)是植物的生長(zhǎng)過(guò)程。前者注重是否有逼真的形態(tài)，后者注重于是否依循植物學(xué)理論。目前，虛擬植物應(yīng)用開(kāi)始轉(zhuǎn)向于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和持續(xù)農(nóng)業(yè)上，將虛擬植物技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)研究中具有至關(guān)重要意義，現(xiàn)將其概述如下。
1）應(yīng)用虛擬植物技術(shù)進(jìn)行虛擬農(nóng)田試驗(yàn)，可以部分代替物質(zhì)世界中難以實(shí)現(xiàn)或者費(fèi)時(shí)、昂貴的試驗(yàn)，縮短某些課題的試驗(yàn)周期，加快功能研發(fā)進(jìn)程。
2）通過(guò)觀察虛擬害蟲(chóng)的生活習(xí)性，確定最適合的噴藥方法和時(shí)間，減少成本，降低環(huán)境污染。
3）虛擬植物技g與遙感技術(shù)相結(jié)合，將遙感獲取的數(shù)據(jù)應(yīng)用到植物建模上，模擬選擇區(qū)域的植物生長(zhǎng)狀況，從而合理灌溉和施肥，提高資源利用率。
2 虛擬植物的研究
2.1 虛擬植物的研究現(xiàn)狀
二十世紀(jì)七十年代，針對(duì)虛擬植物研究，有關(guān)人員即已選擇利用細(xì)胞自動(dòng)生長(zhǎng)來(lái)模擬植物的分枝過(guò)程。1968年，美國(guó)生物學(xué)家 Lindenmayer在論文中首次提出了一種基于“字符串重寫(xiě)”的文法系統(tǒng)，稱(chēng)為 L 系統(tǒng)（L-System）。澳大利亞研究機(jī)構(gòu)基于L系統(tǒng)方法設(shè)計(jì)了虛擬植物軟件Vitual Plants，可以用來(lái)模擬花生、小麥、玉米等農(nóng)作物的生長(zhǎng)，以及外界因素對(duì)植物生長(zhǎng)的影響。加拿大Calgary大學(xué)在L系統(tǒng)建模方法基礎(chǔ)之上又支持研發(fā)了L-studio，Virtual Laboratory等系列軟件。20世紀(jì)80年代，法國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展國(guó)際會(huì)議中心以參考軸技術(shù)為基礎(chǔ)，又獨(dú)家研創(chuàng)了虛擬植物系統(tǒng)AMAP[3]。該系統(tǒng)將植物數(shù)據(jù)輸入到植物數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)分析數(shù)據(jù)提取生長(zhǎng)規(guī)則，從而建立植物生長(zhǎng)模型。此外，國(guó)內(nèi)還有趙星等分析目前主流的各類(lèi)植物生長(zhǎng)模型之后，認(rèn)為僅有參考軸技術(shù)和L系統(tǒng)適合模擬植物的生長(zhǎng)過(guò)程。具體來(lái)說(shuō)，就是在自動(dòng)機(jī)模型的基礎(chǔ)上建立了雙尺度自動(dòng)機(jī)模型，該模型能夠全面真實(shí)模擬虛擬植物生長(zhǎng)，包含有微狀態(tài)和宏?duì)顟B(tài)兩種尺度狀態(tài)。雙尺度自動(dòng)機(jī)模型與其它模型相比，不僅能夠精練地表達(dá)植物的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而且模型更加形象直觀，易于理解和實(shí)現(xiàn)。
2.2 虛擬植物的建模方法
虛擬植物建模方法有很多，目前居于主流的建模方法主要有迭代函數(shù)系統(tǒng)（Iterated Function System，IFS）、L系統(tǒng)、隨機(jī)過(guò)程、粒子系統(tǒng)（Partial System）、基于圖像的造型等。現(xiàn)給出研究綜述如下。
2.2.1 迭代函數(shù)系統(tǒng)
迭代函數(shù)系統(tǒng)（Iterated Function System，IFS）理論是一種研究分形幾何的數(shù)學(xué)方法[4] ，由Hutchinson 和 Barnsley相繼發(fā)表提出。IFS的設(shè)計(jì)思想是在仿射變換的基礎(chǔ)上，幾何對(duì)象的整體和局部具有自相似結(jié)構(gòu)。迭代函數(shù)系統(tǒng)理論包括以下幾個(gè)方面：壓縮仿射變換、不動(dòng)點(diǎn)定理和拼貼定理等[5]。IFS系統(tǒng)在自然景物的計(jì)算機(jī)建模方面比規(guī)則形狀構(gòu)圖的傳統(tǒng)方法更具有優(yōu)勢(shì)[6]，只需要給出仿射變換系數(shù)，經(jīng)過(guò)一系列反復(fù)迭代，就能快速生成需求期望的分形體圖形。
2.2.2 L-系統(tǒng)
L-系統(tǒng)是美國(guó)植物學(xué)家Lindenmayer 在 1968 年從生物形態(tài)學(xué)的角度出發(fā)而重點(diǎn)設(shè)計(jì)推出的一種關(guān)于植物形態(tài)與生長(zhǎng)的系統(tǒng)[7]。L-系統(tǒng)又稱(chēng)為字符串替換法[8]，其本質(zhì)是一個(gè)重寫(xiě)系統(tǒng)（不斷地替換初始對(duì)象），通過(guò)對(duì)植物對(duì)象生長(zhǎng)過(guò)程規(guī)則的提取和概括，構(gòu)造重寫(xiě)規(guī)則和初始字符串，利用重寫(xiě)規(guī)則不斷地將初始字符串替換為新的字符串，進(jìn)行有限次反復(fù)迭代，并對(duì)產(chǎn)生的字符串加入幾何解釋?zhuān)罱K生成分形圖形。王美麗等即在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了小麥根系在外界因素中的動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)模擬；康利等則以大豆為例，提取了葉脈的L系統(tǒng)規(guī)則，由此得到了較為真實(shí)的葉脈模擬。由于L-系統(tǒng)本身的特性，L-系統(tǒng)獲得了不斷的改進(jìn)和擴(kuò)展，其中主要包括隨機(jī)L-系統(tǒng)[9]、參數(shù)L-系統(tǒng)[10-11]、微分L-系統(tǒng)和上下文相關(guān)L-系統(tǒng)[12]、開(kāi)放 L-系統(tǒng)（Open L-System）[13]、時(shí)變 L 系統(tǒng)（Timed L-System）[14] 等。
2.2.3 粒子系統(tǒng)
粒子系統(tǒng)是 Reeves 在 1983年成功研發(fā)的一種模擬一些特定不規(guī)則模糊現(xiàn)象的方法[15]，早期經(jīng)常用來(lái)模擬雪花、火焰、云、水流、流星、火花等，后來(lái)則逐步被用于研究模擬真實(shí)感的自然景象。當(dāng)下，已有羅維佳等基于粒子系統(tǒng)建立了實(shí)時(shí)降雨模型，該模型使用粒子組保證降雨的連續(xù)性；而王瑞杰等又在此基礎(chǔ)上提出了模擬實(shí)時(shí)雨雪算法，每一個(gè)粒子代表一個(gè)雨滴或者雪粒，把所有的粒子集中到眼點(diǎn)前的區(qū)域內(nèi)，充分利用每個(gè)粒子渲染當(dāng)前場(chǎng)景。在粒子系統(tǒng)中，每個(gè)粒子圖元在任意的時(shí)間均有自己的屬性，如顏色、形狀、大小、生存期、速度等，而一個(gè)粒子具有哪些屬性，主要取決于粒子系統(tǒng)所模擬的對(duì)象。同時(shí)，再由粒子系統(tǒng)本身的特性探討可知，粒子系統(tǒng)是一個(gè)有生命的系統(tǒng)，粒子在這個(gè)過(guò)程中會(huì)不斷地變化，不嗟匾貧，不斷地出現(xiàn)舊粒子的死亡和新粒子的產(chǎn)生。因此這些粒子在虛擬系統(tǒng)中都要經(jīng)歷“產(chǎn)生”、“運(yùn)動(dòng)和生長(zhǎng)”、“死亡”三個(gè)階段[16]，這3個(gè)階段最終就使得模擬動(dòng)態(tài)自然景象變成了可能。
2.2.4 隨機(jī)過(guò)程
隨機(jī)過(guò)程方法是由De Reffye等研究人員研發(fā)提供的一種虛擬植物建模方法[17]。該方法基于有限自動(dòng)機(jī)（finite automation）來(lái)模擬植物形態(tài)，也稱(chēng)為參考軸技術(shù)（reference axis technique）。植物的發(fā)育、生長(zhǎng)、衰老、死亡等狀態(tài)都是通過(guò)該模型中馬爾可夫鏈理論以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖（state transition graph）的方式來(lái)展示推演并生成獲得的。參考軸技術(shù)能夠真實(shí)地模擬植物生長(zhǎng)過(guò)程，著名的植物模擬軟件AMAP就是使用該技術(shù)開(kāi)發(fā)植物結(jié)構(gòu)模型。另有中科院趙星等[18-21]在自動(dòng)機(jī)模型的基礎(chǔ)上，建立了虛擬植物生長(zhǎng)原理的雙尺度自動(dòng)機(jī)模型[JP3]（dual-scale automaton），該方法重點(diǎn)包含了由植物的生長(zhǎng)特性決定的微狀態(tài)和宏?duì)顟B(tài)兩種尺度的狀態(tài)，并通過(guò)這2種狀態(tài)的組合和循環(huán)模擬植物的生長(zhǎng)過(guò)程，最終發(fā)展構(gòu)建出植物的模型。
2.2.5 基于圖像的造型
基于圖像的造型通常是指對(duì)一幅或多幅圖像的分析和處理[22-23]，獲得圖像中物體三維幾何表征的實(shí)用技術(shù)。其核心原理就是在計(jì)算機(jī)中輸入2個(gè)及2個(gè)以上物體的二維投影圖信息，根據(jù)算法獲取物體對(duì)象的二維幾何信息，建立相應(yīng)的三維模型。胡少軍等提出了基于稀疏圖像構(gòu)建三維樹(shù)模型；李云峰等以葉子為例，對(duì)圖像進(jìn)行一系列處理，并優(yōu)化改進(jìn)算法，實(shí)現(xiàn)了植物器官重現(xiàn)。目前，計(jì)算機(jī)還難于達(dá)到完全自動(dòng)地從圖像中分離自然景物的各種信息，為此即需要加入人為的干預(yù)，充分利用人與計(jì)算機(jī)各自特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)來(lái)共同解決復(fù)雜問(wèn)題。
目前該領(lǐng)域的研究主要包括：基于輪廓的體重建（Volumes from Silhouettes）、基于剖面的曲面重建（Surface Curves from Profiles）、基于立體視覺(jué)的三維點(diǎn)重建（3D Points from Stereo）及圖形、圖像的混合造型方法。由于該建模方法是對(duì)圖像展開(kāi)直接的分析與處理，從而能夠呈現(xiàn)更加真實(shí)的場(chǎng)景效果。
2.3 幾種植物建模方法的比較
計(jì)算機(jī)模擬植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)有著廣泛的前景。如：在教育領(lǐng)域，師生們可以通過(guò)虛擬植物獲得高效率的學(xué)習(xí)、研究；在娛樂(lè)領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)給人們帶來(lái)了極具感官立體的真實(shí)沉浸感。隨著科技的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，虛擬植物將會(huì)在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用。不同時(shí)期提出的建模方法在解決科學(xué)問(wèn)題方面都存在著差異，表1即對(duì)比解析了5種不同的建模方法的研究成果和不足之處。
3 存在的主要問(wèn)題
綜合前述對(duì)植物建模主流方法的研討分析可以看出，不同植物建模方法都有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)。自然界中，植物的種類(lèi)各異，生長(zhǎng)過(guò)程和環(huán)境也紛繁復(fù)雜，然而任何一種建模方法都有其獨(dú)特適用范圍和局限性，例如L-系統(tǒng)，雖然能夠較為真實(shí)地模擬植物的動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)過(guò)程，但生成規(guī)則難以提取、且具一定理解難度；粒子系統(tǒng)，對(duì)模糊類(lèi)的物體有較好的模擬效果，但對(duì)植物景觀的模擬效果卻呈現(xiàn)明顯劣勢(shì)。因此植物生長(zhǎng)模型迄今尚未獲得一個(gè)完善的體系，仍需進(jìn)一步發(fā)展改進(jìn)。
虛擬植物的最初研究主要集中在地上部分（花、果實(shí)、枝葉、莖等），因此植物地下部分（根系）的研究還處于成果單調(diào)且薄弱階段。地下部分在植物的生長(zhǎng)過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，是植物與外界進(jìn)行物質(zhì)交換的重要通道，因此若要切實(shí)模擬環(huán)境因素（水分、肥料等）對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響，就要加強(qiáng)植物地下部分的研究，使得地上部分與地下部分充分結(jié)合，開(kāi)發(fā)構(gòu)建完整的植物生長(zhǎng)模型體系。
現(xiàn)在虛擬植物的可視化技術(shù)的起步時(shí)日也尚且較短，尤其對(duì)于那些有著復(fù)雜形體結(jié)構(gòu)的植物很難生成逼真的視效圖形，例如卷心菜的葉子交錯(cuò)纏繞，以及碟形、輪狀花冠等比較復(fù)雜的花形。此外，在外力作用下植物的動(dòng)態(tài)變化（如枝條的隨風(fēng)搖擺等）給虛擬植物的可視化技術(shù)帶來(lái)了更大挑戰(zhàn)。
4 結(jié)束語(yǔ)
隨著計(jì)算機(jī)處理能力的提高和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用逐漸拓展至普通用戶(hù)， 自然景物建模即是虛擬現(xiàn)實(shí)中的建模難點(diǎn)。本文較為全面地縱覽解析了近幾年來(lái)植物建模的一些主流方法，可以作為參考借鑒，并在此基礎(chǔ)之上展開(kāi)更為深入系統(tǒng)的研究。為達(dá)到對(duì)植物的真實(shí)感建模，在場(chǎng)景中構(gòu)建植物模型時(shí)，應(yīng)根據(jù)模型的具體要求以及整體效果，研究選用合適的建模方法和建模工具。
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關(guān)鍵詞：虛擬場(chǎng)景 三維可視化 ArcGIS
中圖分類(lèi)號(hào)：P208 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）05（a）-0029-02
在三維圖形世界中，可視化技術(shù)可以直接操作具有形體的信息，直接和計(jì)算機(jī)交流。該技術(shù)以一種直覺(jué)且自然的途徑統(tǒng)一了人和機(jī)器的力量，這無(wú)疑促進(jìn)了人們工作效率的極大提高。利用具有仿真、三維的且具有實(shí)時(shí)交互功能的可視化技術(shù)，人們可以用以前無(wú)法想象的手段在三維圖形世界中充分展示自己的創(chuàng)造性或信息獲取。三維可視化軟件大都依賴(lài)于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和可視化技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)Skyline軟件，美國(guó)ERDAS公司的IMAGINE Virtual GIS，國(guó)內(nèi)靈圖的VRMap等，是比較專(zhuān)業(yè)的三維可視化系統(tǒng)軟件或平臺(tái)。由于建筑物三維景觀模型能夠?qū)^(qū)域建筑環(huán)境進(jìn)行再現(xiàn)，在計(jì)算機(jī)屏幕上，不僅可以看到生動(dòng)、逼真的建筑模型，而且還可以實(shí)現(xiàn)漫游、量測(cè)、查詢(xún)等一系列操作，在建筑領(lǐng)域的GIS中有重要意義[1]。它給我們的體驗(yàn)更逼真，為人們因種種原因不能或不方便直接觀察宏觀世界以及微觀世界的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，提供了很大的便利和觀察的可能。該論文旨在建立某區(qū)域的建筑群的三維虛擬景觀模型，實(shí)現(xiàn)全方位展示該區(qū)域的整體形態(tài)和主要功能區(qū)細(xì)部特征，使公眾僅僅通過(guò)飛行瀏覽和鼠標(biāo)點(diǎn)擊即可“身臨其境”地了解該區(qū)域的概貌和其中感興趣的各方面相關(guān)介紹信息，同時(shí)提供有價(jià)值的咨詢(xún)信息和全數(shù)字實(shí)體模型。
1 該研究的相關(guān)理論
1.1 可視化
利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、地圖學(xué)和圖像處理技術(shù)，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖像或圖形，通過(guò)屏幕顯示，并進(jìn)行交互處理的理論、技術(shù)和方法，就叫可視化（Visualization）[2]。其本意是使事物被視覺(jué)所感知。它把數(shù)據(jù)或符號(hào)變成幾何圖形，便于研究人員對(duì)其模擬和計(jì)算過(guò)程進(jìn)行觀察。該技術(shù)向用戶(hù)提供靈活、有效使用信息的手段和方法，從而以多形式、多視角、多層次、綜合地表現(xiàn)空間環(huán)境信息，具有信息表達(dá)形象化、直觀化，操作簡(jiǎn)單便利等，以便推廣應(yīng)用該系統(tǒng)。可視化在地理信息系統(tǒng)中主要有地理信息的可視化表示、地圖數(shù)據(jù)的可視化表示、空間分析結(jié)果的可視化表示。
1.2 TIN
利用不規(guī)則三角形面片構(gòu)造地質(zhì)模型的方法即T IN。廣義來(lái)講，T IN表面法是所有基于三角形面片構(gòu)造地質(zhì)模型方法的統(tǒng)稱(chēng)，可用Delaunay三角剖分。以某種相對(duì)合理的方法把某一區(qū)域中隨機(jī)分布點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，建立較為完美形態(tài)和完善功能的三角形網(wǎng)絡(luò)，這就是T IN表面法的特點(diǎn)。
2 數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)庫(kù)
2.1 輸入數(shù)據(jù)
該文使用的核心數(shù)據(jù)源是某區(qū)域的CAD平面圖，包括道路、操場(chǎng)、綠地、主體建筑物分布等信息。先把AutoCAD的平面圖導(dǎo)入ArcMap里，選擇合適的投影（這里以Beijing_1954_GK_Zone_19N為投影），按照原來(lái)的坐標(biāo)進(jìn)行配準(zhǔn)，然后在分析系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上，通過(guò)合理的取舍，運(yùn)用ArcGIS的AreCatalog模塊[3-4]新建相應(yīng)的點(diǎn)、線(xiàn)、面等圖層并設(shè)置好投影，再用ArcMap軟件將柵格圖的各個(gè)地理要素?cái)?shù)字化，得到新的該區(qū)域的二維矢量數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)綜合取舍建立了16個(gè)圖層，如圖1所示。數(shù)字化后的矢量結(jié)果圖如圖2所示。
實(shí)體屬性數(shù)據(jù)的輸入一般可根據(jù)實(shí)際情況，采集、整理地物相關(guān)屬性數(shù)據(jù)。錄入屬性數(shù)據(jù)時(shí)，特別要注意的是點(diǎn)高程的錄入，高程點(diǎn)的分布用地統(tǒng)計(jì)分析Geostatistical Analyst工具分析之后，必須要接近正態(tài)分布。由于數(shù)字高程模型（如TIN等）是依據(jù)點(diǎn)的高程建立的，所以點(diǎn)的高程直接影響到模型的變化。本文通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析，將該區(qū)域空間數(shù)據(jù)按其空間特征細(xì)分為點(diǎn)、線(xiàn)、面等實(shí)體類(lèi)型，把與地理空間有關(guān)的對(duì)象抽象為建筑物，道路、植被，水系等通用概念。Geodatabase的設(shè)計(jì)完成后，利用ArcCatalog開(kāi)始建立數(shù)據(jù)庫(kù)。
2.2 TIN模型的建立
通常從多種矢量數(shù)據(jù)源中進(jìn)行TIN模型[5-6]的創(chuàng)建，創(chuàng)建TIN的數(shù)據(jù)源可用點(diǎn)、線(xiàn)與多邊形作為要素。創(chuàng)建TIN的操作如下：（1）對(duì)創(chuàng)建TIN所要使用的要素圖層進(jìn)行選擇；（2）選擇、合成要素；（3）設(shè)置輸出路徑及名稱(chēng)。
2.3 紋理貼圖的貼圖采集和處理
在貼圖處理三維可視化中的地物時(shí)，主要用到的紋理數(shù)據(jù)包括建筑物的頂面、側(cè)面、草地、操場(chǎng)、圍墻、樹(shù)木、路燈及雕塑等紋理[7]。三維空間對(duì)象建模用真實(shí)影像數(shù)據(jù)，這樣三維可視化的逼真度可大大提高，用戶(hù)實(shí)時(shí)漫游時(shí)身臨其境的感覺(jué)也大大增強(qiáng)了。三維建模中所需的紋理貼圖數(shù)據(jù)獲取的方法主要有使用掃描儀掃描已有地物的圖片、搜集可用的紋理圖片、人工制作和地面攝影等。如圖2-1所示為紋理處理流程圖。
3 建筑群可視化模擬的實(shí)現(xiàn)與操作
3.1 數(shù)字建筑群的建立
關(guān)鍵詞：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 圖像處理 機(jī)器人 草莓
中圖分類(lèi)號(hào)：TP301.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416(2012)07-0091-02
國(guó)內(nèi)外對(duì)圖像處理技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論在果蔬商品化應(yīng)用中的部分成果已進(jìn)入了實(shí)用階段。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的飛速發(fā)展和在許多領(lǐng)域中的成功應(yīng)用，果蔬采收分級(jí)的實(shí)時(shí)自動(dòng)化已經(jīng)變得完全可能。但是，生物特征的多變性和隨機(jī)性與工業(yè)產(chǎn)品有著很大區(qū)別。在草莓采收、分級(jí)這一過(guò)程中，為了提高檢測(cè)的精度、速度和準(zhǔn)確性，需要解決多種技術(shù)問(wèn)題，如：光源的選擇和設(shè)置；圖像的采集方式和圖像的質(zhì)量；硬件處理速度；模式識(shí)別算法；要求有更多分級(jí)算法的訓(xùn)練樣本等。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，應(yīng)該對(duì)揀選對(duì)象的形狀、表面、光學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等各方面的特征和生理機(jī)能進(jìn)行更加深入的研究，這樣才有利于檢測(cè)技術(shù)改進(jìn)，促使新的信息采集技術(shù)和傳感技術(shù)的產(chǎn)生。
草莓是一種營(yíng)養(yǎng)豐富的高級(jí)水果，隨著人們生活水平的提高，草莓按其顏色、形狀及大小進(jìn)行揀選分類(lèi)、包裝將成為趨勢(shì)。因此，草莓形狀的判別的研究和草莓揀選設(shè)備的開(kāi)發(fā)具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1、草莓形狀的判別
收割后的草莓按其顏色、大小、形狀均可分為不同的等級(jí)。因此，草莓形狀的判斷是揀選者根據(jù)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)草莓規(guī)格的理解和經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷出結(jié)果。本設(shè)計(jì)中草莓形狀的識(shí)別部分采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別技術(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有學(xué)習(xí)功能和很強(qiáng)的模式識(shí)別能力，即使當(dāng)局部網(wǎng)絡(luò)受損時(shí)，仍然能夠恢復(fù)原來(lái)信息。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息分布式存儲(chǔ)于聯(lián)結(jié)權(quán)值系數(shù)中，使網(wǎng)絡(luò)具有很高的容錯(cuò)性，而圖像識(shí)別中往往存在噪聲干擾或輸入圖像的部分損失，因此，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以很好地解決圖像識(shí)別問(wèn)題。另外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自組織和自學(xué)習(xí)功能，使其對(duì)圖像問(wèn)題的識(shí)別和處理較傳統(tǒng)圖象識(shí)別方法顯示出極大的優(yōu)越性。因此，草莓揀選設(shè)備只要通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)形狀草莓的學(xué)習(xí)就可得到非常接近人的判別效果。
為此，本論文提出了一種新的算法來(lái)解決草莓揀選的問(wèn)題，該算法是基于圖像處理技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法而生成的一種草莓形狀判別算法。并利用該算法開(kāi)發(fā)了草莓揀選設(shè)備。
2、草莓揀選設(shè)備的構(gòu)成
草莓揀選設(shè)備硬件系統(tǒng)組成如圖1所示。CCD攝像機(jī)將所要識(shí)別、解釋的對(duì)象以圖像的形式記錄下來(lái)；插入計(jì)算機(jī)內(nèi)部的圖像采集卡可以將攝像機(jī)采集的電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，即圖像數(shù)字化，以便計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行各種必要的處理；照明裝置為圖像采集提供合適的光源，以便對(duì)圖像進(jìn)行處理和分析。
3、草莓形狀圖像分割及特征提取
人工揀選草莓時(shí)很容易根據(jù)草莓果實(shí)部分的形狀特征來(lái)判別其等級(jí)，但對(duì)草莓揀選設(shè)備來(lái)說(shuō)，草莓是任意放置在傳送帶上的，計(jì)算機(jī)采集到的草莓圖像其方位是不確定的。因此，本設(shè)計(jì)采用了彩色圖像處理技術(shù)。圖2中，（a)圖是圖像卡采集到的草莓圖像信號(hào)以RGB彩色模型顯示在監(jiān)視器上。它的R輝度圖像如圖(b)所示。想要得到草莓的形狀特征圖像，就要對(duì)采集到的草莓彩色圖像做以下處理：
第一步：把彩色圖像轉(zhuǎn)換成黑白的二值圖像，經(jīng)過(guò)濾波、填充、提取邊緣信號(hào)等處理后，最終得到整體輪廓線(xiàn)圖像（c）；
第二步：彩色圖像減去R輝度圖像產(chǎn)生目標(biāo)圖像(d)；
第三步：目標(biāo)圖像經(jīng)二值和邊緣提取處理后，得到了果實(shí)輪廓線(xiàn)圖像，如(e)所示；
第四步：最后把整體圖像輪廓線(xiàn)圖像和果實(shí)輪廓線(xiàn)圖像這兩種圖像進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后得到曲線(xiàn)型草莓形狀特征圖像，如(f)所示。
4、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的判別
得到的草莓形狀特征可以用一組八參數(shù)來(lái)表示，要?jiǎng)澐諥、B、C等級(jí)就需要控制兩個(gè)空氣驅(qū)動(dòng)器。我們建立的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于BP算法的前向三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。選用了兩個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的BP網(wǎng)絡(luò)，輸入為8，正好每個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)一個(gè)輸入端單元；輸出為2，每個(gè)輸出單元控制一個(gè)空氣驅(qū)動(dòng)器。在進(jìn)行前向多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)時(shí)，不斷調(diào)整隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，采用8-4-2結(jié)構(gòu)。
5、軟件程序的功能
判別草莓形狀的系統(tǒng)軟件程序是實(shí)現(xiàn)草莓的揀選功能的關(guān)鍵。系統(tǒng)軟件在功能上劃分為訓(xùn)練部分和判斷部分。訓(xùn)練部分包括圖像處理、特征提取和網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練；判斷部分包括圖像處理、特征的提取和判斷以及草莓的移動(dòng)控制。系統(tǒng)程序用MicrosoftC語(yǔ)言編寫(xiě)，程序流程圖如圖4所示。
6、結(jié)語(yǔ)
本文通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)、模式識(shí)別等理論的研究，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行了草莓形狀判別的設(shè)計(jì)，在草莓形狀的有效特征提取和分類(lèi)識(shí)別方面進(jìn)行了理論上的研究，提出了基于前向三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)圖像處理的一種能對(duì)草莓形狀進(jìn)行自動(dòng)判別的新方法，為草莓的揀選機(jī)器人的開(kāi)發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。草莓揀選設(shè)備乃至其他水果揀選設(shè)備的開(kāi)發(fā)對(duì)將要進(jìn)入老齡化社會(huì)的我國(guó)來(lái)說(shuō)是很有意義的。
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關(guān)鍵詞：電腦設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)藝術(shù)；藝術(shù)表現(xiàn)
1 電腦設(shè)計(jì)概述
電腦在藝術(shù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，源起于電腦圖形技術(shù)在藝術(shù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的發(fā)展，電腦交互式圖形技術(shù)的原理和機(jī)制，提出了Computer Graphics（電腦圖形）這一概念，確立了電腦圖形學(xué)作為獨(dú)立學(xué)科的重要地位，奠定了電腦圖形技術(shù)發(fā)展的理論基礎(chǔ)并使其廣泛應(yīng)用。現(xiàn)今的電腦設(shè)計(jì)仍是以交互式電腦圖形技術(shù)為基礎(chǔ)繼續(xù)發(fā)展。雖然今天軟、硬件的水平都已交互提升到一個(gè)新的高峰，但顯示系統(tǒng)的發(fā)展仍是人機(jī)交流的主要介面，而未來(lái)電腦智能程度的發(fā)展將促成人機(jī)介面發(fā)生巨大的變化：一方面，更加高級(jí)的電腦將學(xué)習(xí)理解人類(lèi)的動(dòng)作、聲音，甚至表情，另一方面，視覺(jué)顯示將不再是人機(jī)交流的唯一通道。不過(guò)當(dāng)下，仍需要人們先去學(xué)習(xí)、理解電腦，然后才能用它進(jìn)行設(shè)計(jì)表現(xiàn)工作。
2 電腦設(shè)計(jì)的特性
電腦設(shè)計(jì)無(wú)需尺、規(guī)，卻能更加規(guī)范和精確；無(wú)需筆、墨卻能表達(dá)同樣的內(nèi)容。電腦使設(shè)計(jì)的概念和機(jī)器都有了完全不同的意義，由構(gòu)思至著手，由打稿、制作至完成、輸出，它們的形式和內(nèi)容都有了全新的變化。因此，電腦在當(dāng)今的藝術(shù)設(shè)計(jì)中發(fā)揮著極大地作用。電腦設(shè)計(jì)的特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）快速、高效且精度高。電腦設(shè)計(jì)取代手工的重要原因之一是高效快速。在競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的設(shè)計(jì)行業(yè)，提高效率是保持競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵所在。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電腦設(shè)計(jì)使設(shè)計(jì)周期縮短了三分之二至六分之五，工藝的設(shè)計(jì)周期縮短了五分之四至十分之九，效率平均也提高二至二十倍。電腦設(shè)計(jì)的另一特長(zhǎng)是精度高。現(xiàn)行的高檔PC軟件的精度可達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后的十幾位，可以畫(huà)一張等比例的世界地圖。
（2）豐富的色彩表現(xiàn)。硬件價(jià)格的降低使二十四位色易于被人們接受，它意味著一千六百多萬(wàn)種顏色可供屏幕選擇，豐富性可想而知。
（3）演示便捷。電腦的通用性和真實(shí)感使使用者更多的參與其中，引導(dǎo)著使用者走進(jìn)一個(gè)虛擬的空間來(lái)欣賞設(shè)計(jì)者的作品。而使用者的廣泛參與又使設(shè)計(jì)這種社會(huì)化的工作變得更加社會(huì)化，電腦將最終促成藝術(shù)設(shè)計(jì)民主化理想的實(shí)現(xiàn)。
（4）保存方便修改快速。電腦設(shè)計(jì)能迅速完成對(duì)任何局部的修改，無(wú)需像徒手方式那樣從頭來(lái)做，可隨意復(fù)制而且保存方便，可在計(jì)算機(jī)上通過(guò)復(fù)制、鏡像、旋轉(zhuǎn)等命令反復(fù)尋求變化和組合方式，從而達(dá)到眾中挑一的效果，極大地降低了成本。
3 電腦設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)藝術(shù)中的定位
電腦技術(shù)只是一種表現(xiàn)手法，比傳統(tǒng)的手繪表現(xiàn)方式快、精、準(zhǔn)。所以，只有精通各類(lèi)設(shè)計(jì)軟件的操作，才能更好更充分地表現(xiàn)藝術(shù)設(shè)計(jì)的需要。但有時(shí)部分人過(guò)于沉迷軟件的學(xué)習(xí)，忽視設(shè)計(jì)藝術(shù)的創(chuàng)意，這顯然有悖于專(zhuān)業(yè)人士所為。舉個(gè)例子，社會(huì)上有些人一味追求電腦美術(shù)設(shè)計(jì)技術(shù)的操作，甚至純粹就以操作美術(shù)設(shè)計(jì)軟件為生，認(rèn)為會(huì)幾個(gè)設(shè)計(jì)軟件就是會(huì)了藝術(shù)設(shè)計(jì)，所做作品，體現(xiàn)不出藝術(shù)性，更缺乏新的創(chuàng)意。亦沒(méi)有表現(xiàn)出自己的獨(dú)特個(gè)性與想法，沒(méi)有想法，沒(méi)有創(chuàng)意，忽視設(shè)計(jì)的基本原則，未曾意識(shí)到創(chuàng)意是藝術(shù)設(shè)計(jì)的靈魂，以為電腦什么圖都能做出來(lái)。所以在現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計(jì)中，我們要強(qiáng)調(diào)電腦設(shè)計(jì)軟件只是工具，無(wú)論它有多少功能、有多么先進(jìn)，但它沒(méi)有文化內(nèi)涵、沒(méi)有思維，如果沒(méi)有藝術(shù)素養(yǎng)和創(chuàng)作激情，多么神奇的各種功能也代替不了作為審美主體的人腦，設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)水平?jīng)Q定著設(shè)計(jì)的藝術(shù)效果。Photoshop也好，3DMax也好，一把錘子也好，一支筆也好，在不同的設(shè)計(jì)師手中起著不同的作用，它們僅是進(jìn)行藝術(shù)創(chuàng)作的工具，是設(shè)計(jì)者駕馭電腦軟件，而不是設(shè)計(jì)軟件駕馭設(shè)計(jì)者。
4 電腦設(shè)計(jì)離不開(kāi)手繪表現(xiàn)
在電腦設(shè)計(jì)中用軟件進(jìn)行草圖創(chuàng)意時(shí)往往不如用手繪來(lái)得快且生動(dòng)。因?yàn)椴輬D設(shè)計(jì)是表達(dá)創(chuàng)意構(gòu)思的過(guò)程，所以在電腦設(shè)計(jì)的構(gòu)思、構(gòu)圖設(shè)計(jì)階段，應(yīng)該多思考，多用手去勾畫(huà)，待草圖確定以后，再啟動(dòng)電腦設(shè)計(jì)軟件對(duì)圖形、圖像進(jìn)行處理。在軟件運(yùn)行處理的過(guò)程中，有時(shí)又會(huì)出現(xiàn)草圖設(shè)計(jì)時(shí)意想不到的效果，也會(huì)啟發(fā)設(shè)計(jì)者的思維，有利于創(chuàng)造出更好的藝術(shù)設(shè)計(jì)作品。因此作為一個(gè)現(xiàn)代藝術(shù)設(shè)計(jì)師更要加深自己的藝術(shù)修養(yǎng)，提高自己的手繪表現(xiàn)能力。
5 結(jié)語(yǔ)
設(shè)計(jì)藝術(shù)無(wú)論在觀念上、功能上、還是在語(yǔ)意和形式表現(xiàn)上，都受到各類(lèi)文化思潮和藝術(shù)風(fēng)格的影響。現(xiàn)代電腦設(shè)計(jì)作為設(shè)計(jì)藝術(shù)中的主要組成部分，經(jīng)歷了從工業(yè)化社會(huì)到信息化社會(huì)的轉(zhuǎn)變。從發(fā)展趨勢(shì)上來(lái)看，電腦設(shè)計(jì)將逐漸更深地融入到現(xiàn)代設(shè)計(jì)藝術(shù)的潮流當(dāng)中，對(duì)藝術(shù)與設(shè)計(jì)的影響和參與越來(lái)越深入，藝術(shù)與科學(xué)一并作用于我們的生活，亦可說(shuō)藝術(shù)與科學(xué)的界限越來(lái)越模糊，這或許是一種無(wú)法回避的現(xiàn)實(shí)。在現(xiàn)代設(shè)計(jì)多元化發(fā)展的大趨勢(shì)下，電腦設(shè)計(jì)的介入使設(shè)計(jì)新觀念、新思維不斷形成，以往貫穿于設(shè)計(jì)藝術(shù)中的法則正逐漸被打破，現(xiàn)代設(shè)計(jì)藝術(shù)的發(fā)展形成了新的需求。人們對(duì)于設(shè)計(jì)藝術(shù)的態(tài)度己經(jīng)不再是基本功能、屬性上的滿(mǎn)足，而更多的是希望其能夠標(biāo)新立異，并更加個(gè)性化，信息化，更加關(guān)注新的形式語(yǔ)言的構(gòu)建，滿(mǎn)足個(gè)人心理層面上的需要，使電腦設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)藝術(shù)更好的融合統(tǒng)一于藝術(shù)創(chuàng)作始終。
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關(guān)鍵詞：全景圖 虛擬現(xiàn)實(shí) 圖像拼接 導(dǎo)航
中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2012）09-0057-02
1、引言
近年來(lái)，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用內(nèi)容也日趨復(fù)雜化。特別是網(wǎng)絡(luò)圖形技術(shù)的發(fā)展，對(duì)具有真實(shí)感強(qiáng)的實(shí)時(shí)虛擬場(chǎng)景繪制方法提出了更高的要求。因而急需在現(xiàn)有計(jì)算機(jī)平臺(tái)下研究一種有效的圖形繪制算法以進(jìn)一步加速對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景模型的繪制，然而算法的繪制速度、對(duì)象的生成質(zhì)量及場(chǎng)景復(fù)雜度之間的矛盾，己成為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域一個(gè)重要的課題。
虛擬場(chǎng)景的繪制是虛擬漫游系統(tǒng)的關(guān)鍵，依據(jù)不同的場(chǎng)景建模方法，目前主要分為基于圖形繪制（GBR）和基于圖像繪制（IBR）兩種方法。IBR方法與GBR相比具有以下特點(diǎn)：（1）以圖片代替3D建模，虛擬場(chǎng)景生成速度快，開(kāi)發(fā)周期短。（2）場(chǎng)景逼真，給人以身臨其境的視覺(jué)滿(mǎn)足感，可達(dá)到照片級(jí)的真實(shí)感。（3）數(shù)據(jù)量小，適合網(wǎng)絡(luò)傳輸，且視圖生成算法計(jì)算量小，能夠在一般PC機(jī)上實(shí)時(shí)繪制完成。
2、全景圖技術(shù)
全景（Panorama）技術(shù)是目前迅速發(fā)展的一門(mén)視覺(jué)新技術(shù)，它可以拓展圖片的分辨率和實(shí)現(xiàn)信息壓縮，目前已廣泛應(yīng)用于宇宙空間探測(cè)、醫(yī)學(xué)圖像處理、海底勘探等社會(huì)領(lǐng)域。全景圖可通過(guò)多種途徑獲取，目前多采用圖像拼接的方法得到。虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱(chēng)VR）系統(tǒng)又可稱(chēng)為靈境技術(shù)，它可提供一種模擬仿真的互動(dòng)環(huán)境。對(duì)于任何一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，主要有以下三大特性。（1）沉浸性。（2）交互性。（3）多感知性。
2.1 基于圖像的圖形繪制技術(shù)（IBR技術(shù)）
它采用真實(shí)的場(chǎng)景圖片作為輸入，并通過(guò)圖像處理技術(shù)對(duì)全景圖像進(jìn)行反投影、插值等運(yùn)算來(lái)繪制虛擬場(chǎng)景。其與傳統(tǒng)的基于圖形繪制的方法思路完全不同，不再需要繁瑣的幾何建模，直接由己知場(chǎng)景圖像合成新視圖。
基于IBR的方法較傳統(tǒng)的基于圖形繪制的方法，有著以下優(yōu)勢(shì)：（1）場(chǎng)景真實(shí)，沉浸感強(qiáng)。（2）建模簡(jiǎn)單快速。（3）數(shù)據(jù)量小，實(shí)時(shí)性好。
2.2 立方體全景圖技術(shù)
立方體全景圖可實(shí)現(xiàn)360度無(wú)視覺(jué)死角漫游。視平面與立方體全景圖的幾何關(guān)系如圖1所示。
通常可以由兩種方法來(lái)生成立方體全景圖：第一種是用拼接軟件的方法對(duì)采集的圖像進(jìn)行無(wú)縫拼接，并采用立方體投影模型來(lái)生成具有6個(gè)面的立方體全景。第二種方法是用數(shù)碼相機(jī)嚴(yán)格標(biāo)定相機(jī)的位置，使用90度的廣角鏡頭在上下，前后，左右6個(gè)方向依次各拍攝一張照片，并將獲取的照片無(wú)縫拼接成立方體全景圖。
2.3 全景圖的生成
基于圖像的繪制（IBR）是通過(guò)寬視角圖像、360°全角度具有三維立體圖像對(duì)現(xiàn)實(shí)中的景象進(jìn)行建模展示，根據(jù)多個(gè)靜態(tài)的圖像進(jìn)行合理的組合來(lái)展現(xiàn)實(shí)際場(chǎng)地的一種連續(xù)查看。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)水平的快速發(fā)展，為圖像的計(jì)算機(jī)處理提供了更為先進(jìn)的數(shù)字處理方法，我們利用多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)圖像的拼接，通過(guò)數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)其各個(gè)拼接點(diǎn)和接觸點(diǎn)進(jìn)行編輯；也可以對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行不用角度的和遠(yuǎn)近距離的查看等操作。這種根據(jù)多個(gè)圖像拼接來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)場(chǎng)景的展示過(guò)程如2圖所示：
3、虛擬實(shí)景空間系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)
虛擬實(shí)景即將現(xiàn)實(shí)中的場(chǎng)景通過(guò)現(xiàn)有虛擬技術(shù)進(jìn)行表現(xiàn)，由于技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高等條件限制，提出了基于實(shí)時(shí)序列普通圖像采集數(shù)據(jù)，運(yùn)用IBR全景技術(shù)，將圖像數(shù)據(jù)生成可靠性高，真實(shí)度高的虛擬環(huán)境的全景圖。
虛擬實(shí)景空間的數(shù)據(jù)采集來(lái)自于真實(shí)的場(chǎng)景照片、圍繞人機(jī)交互操作這個(gè)核心，比傳統(tǒng)的虛擬技術(shù)在真實(shí)性、人機(jī)交互等方面有很大的優(yōu)勢(shì)，其主要特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：
（1）原始數(shù)據(jù)真實(shí)性。基于建模的虛擬空間是實(shí)景是通過(guò)3D幾何模型實(shí)現(xiàn)，而虛擬實(shí)景空間構(gòu)造使用的是實(shí)景圖像。 （2）空間。虛擬空間是虛擬場(chǎng)景和視點(diǎn)之間的關(guān)系，虛擬實(shí)景空間系統(tǒng)是以圖片采集點(diǎn)W（X，Y，Z）為唯一視點(diǎn)，在該視點(diǎn)觀察者可以進(jìn)行360°×180°查看空間場(chǎng)景的基本元素，在場(chǎng)景的所表達(dá)出的所有時(shí)空信息則是真實(shí)有效的。（3）虛擬。虛擬是指在圖片采集技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成直觀、易于操作和管理的真實(shí)、有效、完整的虛擬數(shù)據(jù)，可以真切模擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的信息。（4）交互。虛擬實(shí)景技術(shù)是基于易于交互和操作的基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的，交互性是關(guān)鍵所在，由于現(xiàn)有全景技術(shù)的技術(shù)所限，交互的可控自由度十分有限，但理論上空間操縱的自由度仍有很大的空間可以提升。
4、全景圖自動(dòng)拼接系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
全景圖的實(shí)現(xiàn)是經(jīng)過(guò)對(duì)圖片一系列的處理，如拍攝、拼接、融合等一些關(guān)鍵步驟，從而形成一副從視覺(jué)上觀察是一副完整并且連續(xù)的一系列圖像的有機(jī)、有序的組合。
將拍攝得到的圖片分組拼接時(shí)，每組圖像都沒(méi)有一個(gè)固定合理的排列順序，這些圖片中包含了構(gòu)成全景圖的部分子集圖像和不屬于全景圖像子集的噪聲圖像。而漫游系統(tǒng)中全景圖是自動(dòng)生成的。
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。下圖為對(duì)某景點(diǎn)全景圖的虛擬漫游的實(shí)現(xiàn)，圖3，圖4為對(duì)景點(diǎn)的拼接后的全景圖。
上圖中，左上角是系統(tǒng)的導(dǎo)航系統(tǒng)，用戶(hù)可以根據(jù)自己的需要選擇其他景點(diǎn)。根據(jù)選擇景點(diǎn)的不同，系統(tǒng)所呈現(xiàn)的景點(diǎn)信息也會(huì)隨之發(fā)生不同變化。用戶(hù)通過(guò)鼠標(biāo)可以直接定位感興趣的范圍，然后通過(guò)鍵盤(pán)上的上、下、左、右鍵選擇去向，也可以選擇全屏觀看，對(duì)全景圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)等功能，大大提高了系統(tǒng)的靈活度。
5、結(jié)語(yǔ)
本論文運(yùn)用圖像拼接、圖像融合理論，編程實(shí)現(xiàn)全景圖的拼接及融合過(guò)程，結(jié)合虛擬漫游技術(shù)實(shí)現(xiàn)了虛擬場(chǎng)景漫游及導(dǎo)航、半視點(diǎn)360×360度無(wú)視覺(jué)死角瀏覽、全方位地漫游整個(gè)景點(diǎn)區(qū)域場(chǎng)景的功能；也方便地實(shí)現(xiàn)全景圖的漫游、實(shí)景展示的功能，使用戶(hù)體驗(yàn)更加真實(shí)有效。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在全景圖的漫游及導(dǎo)航功能在效率和精確度方面都有良好的可用性。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，為旅游業(yè)的發(fā)展提供了有力支持。
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關(guān)鍵詞：
中圖分類(lèi)號(hào)： TP391．9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：2095－2163（2011）03－0031－05
A Study on Application of 3D Visualization Technology in Digital Forestry
WU Wenjin， WANG Nihong
Abstract： Three-dimensional (3D) visualization of Digital Forestry is a hot topic in the field of forestry and computer graphics. From simple 3D modeling of trees to aid rationalization of forest spatial structure, refreshingly different forest trade conception and production management mode are provided by 3D visualization technology. The six kinds of application situation of 3D visualization technology in the digital forestry, namely tree model, virtual forest type map, growth model, forestry fire simulation, pest and disease monitoring, forest spatial structure are summarized, and the important role of 3D visualization technology in forestry production, operation, management, decision-making and so on are analyzed in this article. There are large amount of information, wide range and complex relationship in forest resource, so furthering research on 3D visualization of forest resource are also needed.
Key words：
0 引言
美國(guó)前副總統(tǒng)戈?duì)栐?998年1月提出“數(shù)字地球即一種可以嵌入海量地理數(shù)據(jù)的多分辨率和三維的地球的表示，可以在其上添加許多與所處的星球有關(guān)的數(shù)據(jù)”，近年來(lái)隨之興起了“數(shù)字中國(guó)”、“數(shù)字城市”、“數(shù)字校園”等概念。“數(shù)字林業(yè)”是國(guó)家林業(yè)局在2001年提出的，這是“數(shù)字化”理念在林業(yè)方面的應(yīng)用，其概念被明確為“系統(tǒng)地獲取、融合、分析和應(yīng)用數(shù)字信息來(lái)支持可持續(xù)森林經(jīng)營(yíng)管理的科學(xué)、技術(shù)和藝術(shù)”[1]。
三維可視化技術(shù)是使用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)，將地球表面某一地域的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為三維圖形或圖像的形式在屏幕上顯示出來(lái)，并進(jìn)行交互式處理的一種新技術(shù)。目前， “數(shù)字林業(yè)”的三維可視化是林學(xué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)，從簡(jiǎn)單的林木三維建模到輔助進(jìn)行的林分空間結(jié)構(gòu)合理化，三維可視化技術(shù)都提供了一種全新的森林生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)理念和方式，這對(duì)未來(lái)的森林管理與決策起著至關(guān)重要的作用[2]。
下面介紹三維可視化技術(shù)在數(shù)字林業(yè)中的應(yīng)用領(lǐng)域。
1 樹(shù)木模型三維可視化
樹(shù)木的三維可視化是指利用科學(xué)的計(jì)算方法，將自然界中千變?nèi)f化的樹(shù)木形態(tài)轉(zhuǎn)換為直觀的幾何圖形，并將描述其生理結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)過(guò)程的復(fù)雜數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行直接的計(jì)算和模擬，即將樹(shù)木結(jié)構(gòu)的描述方法與幾何參數(shù)反演成具體的林木空間形態(tài)，在此過(guò)程中可以采用光照、紋理、渲染等手段對(duì)林木圖像進(jìn)行繪制。準(zhǔn)確而逼真地實(shí)現(xiàn)樹(shù)木形態(tài)的三維虛擬顯示是三維可視化技術(shù)在數(shù)字林業(yè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)。結(jié)合森林空間結(jié)構(gòu)特征信息，可為研究樹(shù)木生長(zhǎng)趨勢(shì)和木材的收獲評(píng)價(jià)等森林經(jīng)營(yíng)決策提供可視化的、精準(zhǔn)的決策標(biāo)準(zhǔn)。
由于樹(shù)木形態(tài)復(fù)雜，所以對(duì)模擬技術(shù)和系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)有較高的要求， 而且樹(shù)木生長(zhǎng)具有生理確定性和長(zhǎng)勢(shì)不確定性的雙重特性，至今，樹(shù)木三維可視化還沒(méi)有得到一個(gè)完善的具有林業(yè)研究意義的三維模型。為此，眾多大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)的學(xué)者們對(duì)這個(gè)問(wèn)題提出了自己的見(jiàn)解并進(jìn)行了嘗試[3]。
李慶忠等提出了一種L系統(tǒng)與IFS相互融合的植物形態(tài)模擬新方法，既能通過(guò) L系統(tǒng)模擬出植物的隨機(jī)生長(zhǎng)的規(guī)律和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，又可以利用IFS 來(lái)模擬植物各基本組成部分的自相似性和豐富的紋理、質(zhì)地特性，得到比較自然和具有真實(shí)感的植物模擬效果[4]。郝衛(wèi)亮等運(yùn)用遞歸調(diào)用分形自相似結(jié)構(gòu)的方法構(gòu)造了樹(shù)木的三維模型，采用分枝結(jié)構(gòu)的隨機(jī)抖動(dòng)與雙緩沖技術(shù)，既解決了模型的真實(shí)感，又解決了實(shí)現(xiàn)速度問(wèn)題，簡(jiǎn)潔高效，具有普遍應(yīng)用性，而且能生成形象逼真的樹(shù)木圖形[5]。張佳佳等基于樹(shù)木的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，使用分形迭代系統(tǒng)構(gòu)建樹(shù)木的整體結(jié)構(gòu)形態(tài)，并用參數(shù)化曲線(xiàn)模擬樹(shù)木枝條的自然彎曲狀態(tài)以及在彎曲過(guò)程中枝條半徑的變化，實(shí)現(xiàn)了樹(shù)木形態(tài)結(jié)構(gòu)的三維可視化[6]。呂夢(mèng)雅等將閾值分析法與改進(jìn)的種子點(diǎn)區(qū)域增長(zhǎng)算法相結(jié)合，引入起飛著陸算法，實(shí)現(xiàn)了枝干結(jié)點(diǎn)的自動(dòng)匹配，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了基于手持相機(jī)雙視點(diǎn)圖像的樹(shù)干三維重建系統(tǒng)[7]。向南平等利用GIS的組件ArcObjects提供的Scene viewer Control控件，在單株樹(shù)木的三維可視化模型基礎(chǔ)上應(yīng)用 GIS數(shù)據(jù)，得到實(shí)時(shí)森林景觀三維模擬系統(tǒng)[8]。Pradal等在Python程序語(yǔ)言基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè)用來(lái)創(chuàng)建、模擬和分析3D虛擬植物的開(kāi)源圖形工具包――PlantGL，提供了一套表示不同規(guī)模植物結(jié)構(gòu)的幾何模型[9]。
林分的可視化是基于林木三維可視化的，目前主要有3種模式：基于規(guī)則幾何體的模型、基于樹(shù)的三維造型、使用樹(shù)木模型和軟件集成的方法實(shí)現(xiàn)林分三維可視化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， 逐漸出現(xiàn)了各種林分可視化系統(tǒng)。可視化系統(tǒng)不僅可以反映林木的基本空間結(jié)構(gòu)，也可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)漫游， 讓參與者有身臨其境的真實(shí)感受。
2 虛擬林相圖三維可視化
隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)及三維仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，林相圖的制作經(jīng)歷了二維林相圖、數(shù)字林相圖、虛擬三維林相圖三個(gè)發(fā)展階段。
傳統(tǒng)的林相圖制圖、成圖周期長(zhǎng)、精度低、投入高、比例尺固定、成果單一、資料難以保存；小班數(shù)據(jù)庫(kù)資料和圖面材料分離，無(wú)論今后森林資源數(shù)據(jù)如何變化，圖面資料都不會(huì)隨之變動(dòng)；信息量不足，真實(shí)感差，實(shí)用性不強(qiáng)[10]。而虛擬林相圖能夠直觀、準(zhǔn)確、交互地在計(jì)算機(jī)上模擬大面積森林所在的地形、樹(shù)種組成、樹(shù)高、起源、分布等信息。因其有機(jī)地結(jié)合了二維林相圖的宏觀性、整體性、簡(jiǎn)潔性和三維虛擬場(chǎng)景的局部性、真實(shí)性的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了二維林相圖的三維信息缺乏和三維虛擬林相場(chǎng)景漫游的方向迷失感，所以真正做到了兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)[11]。
虛擬林相的最大特點(diǎn)是直觀性，以活立木的形式來(lái)表現(xiàn)林相信息，可以為數(shù)字林業(yè)提供信息，又能為森林旅游提供宣傳工具。Lim等使用虛擬現(xiàn)實(shí)模擬語(yǔ)言（VRML）開(kāi)發(fā)了一個(gè)森林景觀可視化系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)漫游仿真和三維圖像渲染，從而輔助森林管理經(jīng)營(yíng)進(jìn)行正確地決策[12]。2003年，羅傳文以上甘嶺林業(yè)局為研究對(duì)象，制作了包括三維圖像顯示、屬性數(shù)據(jù)處理和導(dǎo)航三部分組成的虛擬林相圖[13]。2006年，曲林以一個(gè)三維虛擬林相程序TERRAIN的制作過(guò)程為例，介紹Visual C＋＋開(kāi)發(fā)平臺(tái)上基于OpenGL圖形庫(kù)的三維虛擬林相圖制作方法。董斌等以北京市妙峰山林場(chǎng)為例介紹了數(shù)字三維林相圖的構(gòu)件技術(shù)。通過(guò)不同顏色表達(dá)不同樹(shù)種的分布，克服了紙質(zhì)林相圖樹(shù)種分布不直觀、界限不明顯的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了森林的規(guī)劃設(shè)計(jì)、撫育、更新和管理的可視化[10]。盧雙珍等利用數(shù)字高程模型以及ArcView、ArcMap、ERDAS等軟件，進(jìn)行三維林相圖的制作研究，實(shí)現(xiàn)了從二維林相圖向三維林相圖的跨越[14]。孫海洪等實(shí)現(xiàn)了三維虛擬林相的顯示、放大縮小和漫游等功能，為林業(yè)規(guī)劃顯示系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供模塊和技術(shù)支持[15]。
基于地理信息系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)建數(shù)字三維林相圖是未來(lái)林業(yè)制圖的重要發(fā)展方向之一。利用數(shù)字三維林相圖可以直觀地查詢(xún)小班的林種分布、樹(shù)種結(jié)構(gòu)、面積、土壤、坡度、坡向、土壤厚度、土壤質(zhì)地等，可以非常容易地實(shí)現(xiàn)森林的規(guī)劃設(shè)計(jì)、撫育、間伐、更新和管理。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字三維虛擬林相圖的構(gòu)建過(guò)程會(huì)越來(lái)越簡(jiǎn)單，從而使這項(xiàng)技術(shù)從理論走向?qū)嵺`，真正實(shí)現(xiàn)林業(yè)的數(shù)字化、定量化、可視化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化。
3 生長(zhǎng)模型三維可視化
三維可視化生長(zhǎng)模型是通過(guò)對(duì)樹(shù)木構(gòu)筑型和林分生長(zhǎng)模型的研究，基于木本植物的生理特征與計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算功能，模擬真實(shí)樹(shù)木在自然環(huán)境中的生長(zhǎng)過(guò)程，并在以往研究數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)當(dāng)前林業(yè)實(shí)踐進(jìn)行準(zhǔn)確指導(dǎo)、評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)的計(jì)算機(jī)三維模型[16]。
研究森林生長(zhǎng)規(guī)律，指導(dǎo)森林經(jīng)營(yíng)活動(dòng)，是林業(yè)研究的一個(gè)重要方面。隨著數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，使樹(shù)木生長(zhǎng)得到更好的模擬。學(xué)者們對(duì)樹(shù)木枝條的生理特性和空間分布狀態(tài)的研究更加細(xì)化，使樹(shù)木模擬研究逐漸向定量化和動(dòng)態(tài)化發(fā)展[17]。
實(shí)現(xiàn)林木生長(zhǎng)的三維重現(xiàn)，便于對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)進(jìn)行科學(xué)有效的表達(dá)。許煒敏等以VS2005為平臺(tái)，采用VB．NET語(yǔ)言，利用ArcEngine的一系列應(yīng)用接口和控件，結(jié)合林場(chǎng)小班圖層、立地因子、數(shù)字高程模型（DEM）、不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）、遙感影像等數(shù)據(jù)，根據(jù)不同立地條件貢獻(xiàn)值以及林齡進(jìn)行蓄積量計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了基于ArcScene的杉木林蓄積量可視化表達(dá)，動(dòng)態(tài)演示了杉木林依據(jù)立地因子和生長(zhǎng)模型的蓄積量生長(zhǎng)分布過(guò)程[18]。蘆海濤等以水曲柳為例，采用逐步回歸的技術(shù)建立水曲柳單木生長(zhǎng)模型，為水曲柳的生長(zhǎng)和經(jīng)營(yíng)提供參考和依據(jù)[19]。李忠國(guó)等在分析我國(guó)暖溫帶中山區(qū)和北亞熱帶高山區(qū)日本落葉松生長(zhǎng)情況的同時(shí)，在模型中加入了代表區(qū)域特征的啞變量來(lái)建立日本落葉松人工林生長(zhǎng)模型，為科學(xué)經(jīng)營(yíng)奠定了基礎(chǔ)[20]。
林分生長(zhǎng)模型是根據(jù)已知的林分初始信息及環(huán)境因素計(jì)算出林分生長(zhǎng)過(guò)程中的各種參數(shù)或數(shù)據(jù)。根據(jù)林分生長(zhǎng)模型來(lái)指導(dǎo)營(yíng)林生產(chǎn)已成為林業(yè)集約經(jīng)營(yíng)的一項(xiàng)重要技術(shù)。景向欣通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合樹(shù)木生長(zhǎng)的生物學(xué)特性、枝條生長(zhǎng)模型、節(jié)子（死枝）預(yù)測(cè)模型、葉量預(yù)測(cè)模型建立了樹(shù)木動(dòng)態(tài)三維可視化模型系統(tǒng)，有助于經(jīng)營(yíng)者選擇有效的經(jīng)營(yíng)措施[21]。向瑋等以落葉松云冷杉林為對(duì)象，建立分樹(shù)種的矩陣模型，并模擬不同采伐方案對(duì)木材生產(chǎn)、樹(shù)種和林分結(jié)構(gòu)多樣性及碳貯量的綜合影響，為多目標(biāo)森林經(jīng)營(yíng)決策提供方法和依據(jù)[22]。
4 林火模擬三維可視化
森林火災(zāi)是森林經(jīng)營(yíng)中最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，與普通的火災(zāi)相比，具有突發(fā)性強(qiáng)、難以控制、恢復(fù)期長(zhǎng)等特點(diǎn)，同時(shí)林火的燃燒與地形、風(fēng)向等環(huán)境因素關(guān)系密切。一旦發(fā)生，極易形成高強(qiáng)度的樹(shù)冠火和地表火，嚴(yán)重危害森林資源、環(huán)境和撲火人員生命安全，不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和氣候造成不可忽視的影響。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)圖形和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，使得三維表達(dá)真實(shí)感事物成為可能。利用三維真實(shí)感圖形表達(dá)不僅能實(shí)時(shí)顯示受災(zāi)面積、火勢(shì)蔓延的方向、火勢(shì)大小，而且能給人以真實(shí)的感覺(jué)和可視化的畫(huà)面[23]。
林火蔓延是一個(gè)多相、多組分可燃物在各種氣象條件（溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)力等）和地形影響下燃燒和運(yùn)動(dòng)的極其復(fù)雜的現(xiàn)象。林火蔓延模型是指在各種條件簡(jiǎn)化的條件下，對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)上的處理，從而導(dǎo)出林火行為與可燃物的性質(zhì)、氣象因素、地形因素等參數(shù)間的定量關(guān)系式。利用這個(gè)模型來(lái)預(yù)測(cè)將要發(fā)生或正在發(fā)生的林火行為，指導(dǎo)日常的林火管理和突發(fā)的森林火災(zāi)等工作，從而使林火能以最少的人力、物力及在最短的時(shí)間內(nèi)撲滅[24]。如何建立恰當(dāng)?shù)幕鹧婺Ｐ停删哂姓鎸?shí)感的火焰效果，一直是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。自從1946年Fons首先提出林火蔓延的數(shù)學(xué)模型以來(lái)，世界上出現(xiàn)了許多防火模型，其中，以Rothermel模型最成熟，運(yùn)用最廣泛。
虛擬的林火蔓延模型包括對(duì)林火造型的三維模擬、對(duì)林火的蔓延過(guò)程進(jìn)行模擬以及林火與其它環(huán)境因素進(jìn)行交互的三維模擬等方面內(nèi)容。具有代表性的林火造型模擬技術(shù)有粒子系統(tǒng)、紋理合成及基于物理的模擬等 3種技術(shù)。黃華國(guó)等在分析林火蔓延的現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上，整合數(shù)字高程模型、氣象因子、樹(shù)種因子的三維曲面元胞自動(dòng)機(jī)模型，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)提取、加工、應(yīng)用框架，開(kāi)發(fā)出能夠進(jìn)行林火蔓延三維模擬的軟件系統(tǒng)[25]。李建微等在構(gòu)建大場(chǎng)景虛擬森林景觀的基礎(chǔ)上，以福建漳浦林區(qū)為實(shí)驗(yàn)區(qū)，采用Rothermel模型和Huygen原理，以改進(jìn)的粒子系統(tǒng)方法，對(duì)在不同的風(fēng)速和坡度下的林火進(jìn)行三維模擬。該模型能夠仿真在火場(chǎng)不同位置的林火擴(kuò)散行為，既能實(shí)時(shí)地顯示受災(zāi)的面積、火勢(shì)蔓延的方向、火勢(shì)大小，且能給人以真實(shí)感[23]。姚林強(qiáng)在分析近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)火焰模擬技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，充分考慮林火自身的燃燒機(jī)理和造型特征，提出一種基于變形的粒子系統(tǒng)模型，以滿(mǎn)足林火仿真在實(shí)時(shí)快速、真實(shí)感等方而的需要[26]。張超基于Rothermel林火蔓延模型，利用Huygen原理模擬火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，結(jié)合三維GIS平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)林火行為的三維可視化。該模型能夠準(zhǔn)確反映不同位置的風(fēng)速、坡度及其他因素的影響，使臨場(chǎng)決策人員能夠更加快速、形象地獲取火場(chǎng)參數(shù)，從而提高滅火的效率[24]。Hoang等提出了一個(gè)沉浸式火災(zāi)模擬和可視化系統(tǒng)VFire，將用戶(hù)置身于虛擬環(huán)境中，使其在各種條件下模擬實(shí)時(shí)火災(zāi)，并通過(guò)采取措施進(jìn)行火災(zāi)撲救工作[27]。Parsons等提出一個(gè)新的模型FUEL3D，合并管道模型理論（PMT）和簡(jiǎn)單的三維遞歸分支方法來(lái)模擬樹(shù)冠火，連接詳細(xì)的可燃物模型和詳細(xì)的火災(zāi)模型，并與傳統(tǒng)的可燃物和火災(zāi)模型進(jìn)行對(duì)比，從而提出火災(zāi)行為建模和生態(tài)意義[28]。Castrillón等提出基于3D虛擬環(huán)境的火災(zāi)預(yù)測(cè)應(yīng)用程序和火災(zāi)模擬引擎，允許幾個(gè)用戶(hù)同時(shí)連接的遠(yuǎn)程模塊，根據(jù)天氣和風(fēng)力數(shù)據(jù)同時(shí)整合地形空間信息和植被類(lèi)型來(lái)模擬和可視化地面火災(zāi)的蔓延過(guò)程，來(lái)監(jiān)測(cè)真實(shí)火災(zāi)事件[29]。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用，結(jié)合三維可視化模擬技術(shù)可以建立不同的林火蔓延預(yù)測(cè)模擬和分析管理信息系統(tǒng)，使用可視化的方式可呈現(xiàn)林火燃燒和蔓延過(guò)程、危害范圍和火警預(yù)測(cè)，為防災(zāi)、減災(zāi)提供決策工具。
5 病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)三維可視化
森林病蟲(chóng)害是指造成森林植物生長(zhǎng)發(fā)育不良或死亡的病害和蟲(chóng)害，其傳播途徑廣、蔓延速度快、防治難度大、治理成本高， 至今尚未找到經(jīng)濟(jì)有效的根治方法，對(duì)森林、生態(tài)、社會(huì)等方面造成了巨大的損失。中國(guó)是受森林病蟲(chóng)害嚴(yán)重危害的國(guó)家之一，年均受災(zāi)面積是年均火災(zāi)面積的214倍，于是又稱(chēng)為“不冒煙的森林火災(zāi)”。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，森林病蟲(chóng)害的種類(lèi)約有8 000多種，其中經(jīng)常對(duì)森林產(chǎn)生嚴(yán)重危害的就有200多種。因此，為了實(shí)現(xiàn)林業(yè)資源經(jīng)營(yíng)和發(fā)展的可持續(xù)化，人類(lèi)需要對(duì)森林病蟲(chóng)害進(jìn)行真實(shí)有效的預(yù)測(cè)。
傳統(tǒng)的病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)常采用隨機(jī)模型、過(guò)程模型以及鄰域規(guī)則模型，其時(shí)效性差，不能進(jìn)行大范圍的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，更無(wú)法進(jìn)行災(zāi)害擴(kuò)散的空間預(yù)測(cè)。隨著3S技術(shù)、三維可視化技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段得到了擴(kuò)充，使得測(cè)報(bào)由傳統(tǒng)的時(shí)間尺度上升到空間尺度[30]。例如，某地區(qū)受到病蟲(chóng)的侵害，在數(shù)字地形模型（DTM）或數(shù)字高程模型（DEM）上疊加遙感影像圖和道路、河流、居民點(diǎn)等輔助信息，就可以模擬該區(qū)域的真實(shí)地形和場(chǎng)景，使相關(guān)研究人員能夠更詳細(xì)地掌握受災(zāi)區(qū)的實(shí)際情況。此外，某些軟件中有模擬飛行的功能，使相關(guān)研究人員可以進(jìn)行非實(shí)地的地理勘察和動(dòng)態(tài)觀測(cè)，從而使其有一種身臨其境的直觀感覺(jué)[31]。
唐瑋嘉等設(shè)計(jì)出適合云南省松材線(xiàn)蟲(chóng)病管理和預(yù)警的應(yīng)用軟件，探索出一條能夠比較容易被廣大林業(yè)技術(shù)人員接受和使用的松材線(xiàn)蟲(chóng)病調(diào)查、管理和預(yù)測(cè)預(yù)警的新思路， 從而提高云南省松材線(xiàn)蟲(chóng)病管理的科技含量和決策水平，對(duì)于線(xiàn)蟲(chóng)病的有效監(jiān)測(cè)及預(yù)警具有重大意義，并且有助于決策部門(mén)及時(shí)制定預(yù)防措施和防治措施[32]。未來(lái)的森林病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)應(yīng)該朝著多元化的方向發(fā)展，即在自身預(yù)防、治理等傳統(tǒng)理論作為基礎(chǔ)的前提下，運(yùn)用空間信息技術(shù)，建立生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、病理學(xué)、昆蟲(chóng)學(xué)等各相關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)家系統(tǒng)，最終形成一個(gè)完善、科學(xué)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)而對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐進(jìn)行指導(dǎo)。
6 森林空間結(jié)構(gòu)三維可視化
目前的森林可視化與空間結(jié)構(gòu)研究是相對(duì)獨(dú)立進(jìn)行的，表現(xiàn)在：一方面，森林可視化研究側(cè)重于如何逼真地實(shí)現(xiàn)森林的三維虛擬顯示，但很少引入基于樹(shù)木坐標(biāo)的空間結(jié)構(gòu)指數(shù)進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)分析，因此只可見(jiàn)森林，不知其空間結(jié)構(gòu)特征，對(duì)森林經(jīng)營(yíng)輔助決策意義不大；另一方面，空間結(jié)構(gòu)研究側(cè)重于描述森林的空間結(jié)構(gòu)狀況或進(jìn)行不同指數(shù)的比較，缺乏給森林經(jīng)營(yíng)者提供直觀的信息。森林可視化固然可以直觀再現(xiàn)森林，但森林經(jīng)營(yíng)者往往還需要掌握森林空間結(jié)構(gòu)信息，因?yàn)檫@兩方面信息對(duì)森林經(jīng)營(yíng)決策至關(guān)重要[33]。
森林的空間結(jié)構(gòu)反映了森林內(nèi)物種的空間關(guān)系，即林木在水平地面上的分布格局及其屬性在空間上的排列方式；決定著林分中光、溫的分布以及氣體運(yùn)動(dòng)，對(duì)林木生長(zhǎng)和經(jīng)營(yíng)的可能性等都有著重要的影響。因此，森林空間結(jié)構(gòu)是森林經(jīng)營(yíng)的基礎(chǔ)，在森林恢復(fù)與重建、結(jié)構(gòu)與功能調(diào)控中具有重要意義。
森林空間結(jié)構(gòu)主要包括：空間分布格局、競(jìng)爭(zhēng)、混交三個(gè)方面。其中，三維可視化技術(shù)的應(yīng)用主要就在空間分布格局方面，即在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)林分生長(zhǎng)的視覺(jué)化、圖形化和立體化，實(shí)現(xiàn)數(shù)字林木和數(shù)字森林。三維可視化這個(gè)強(qiáng)大的工具不但作為恢復(fù)和管理的視覺(jué)參考點(diǎn)，而且作為一個(gè)了解過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)森林景觀狀態(tài)變化的輔助措施。Stoltman等使用3DNature軟件將威斯康星洲的預(yù)結(jié)算森林進(jìn)行可視化，將其與目前的森林狀況進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)存在的一些變化[34]。Tyrv?]inen等考察了兩種潛在的改進(jìn)協(xié)作城市森林規(guī)劃與設(shè)計(jì)的方法，包括基于計(jì)算機(jī)的可視化方法和示范森林與景觀實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)這兩種方法的應(yīng)用會(huì)實(shí)現(xiàn)森林規(guī)劃和設(shè)計(jì)的重大改進(jìn)[35]。森林資源管理規(guī)劃必須解決生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)所關(guān)注的問(wèn)題。Falc?bo等將決策支持工具與計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)相結(jié)合，提出了森林景觀動(dòng)態(tài)模擬的可視化工具，能提供有效的實(shí)時(shí)導(dǎo)航能力，從而評(píng)估景觀水平的森林管理的影響[36]。通過(guò)分析多種經(jīng)營(yíng)行為對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)、種群密度、競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)、林木更新所產(chǎn)生的影響，能促進(jìn)工作人員調(diào)節(jié)經(jīng)營(yíng)方案，選擇合理的經(jīng)營(yíng)措施，從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理的經(jīng)營(yíng)管理[37]。
對(duì)基于空間結(jié)構(gòu)的經(jīng)營(yíng)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，是數(shù)字林業(yè)研究的一個(gè)重要方向。張成程通過(guò)構(gòu)筑樹(shù)冠三維模擬模型，結(jié)合可視化軟件3DTree來(lái)探討林分空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化可視化經(jīng)營(yíng)和模擬不同間伐強(qiáng)度的采伐可視化經(jīng)營(yíng)。以空間優(yōu)化指標(biāo)來(lái)選擇采伐木，模擬林木動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)對(duì)采伐空間的填充過(guò)程，并探討采伐所形成林窗動(dòng)態(tài)變化曲線(xiàn)，以此為落葉松人工林的空間優(yōu)化的可視化經(jīng)營(yíng)提供參考[37]。章雪蓮提出基于GIS把森林可視化和空間結(jié)構(gòu)分析結(jié)合起來(lái)進(jìn)行研究的一套技術(shù)方法[33]。以浙江省天目山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的常綠闊葉林為例，建立了基于樹(shù)木紋理貼圖的樹(shù)木三維模型；將Voronoi圖引入森林空間結(jié)構(gòu)研究，改進(jìn)了傳統(tǒng)的森林空間結(jié)構(gòu)指數(shù)計(jì)算方法；開(kāi)發(fā)建立了森林可視化與空間結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)森林可視化與空間結(jié)構(gòu)分析，為森林經(jīng)營(yíng)決策提供可視化的、精準(zhǔn)的信息，為常綠闊葉林的保護(hù)、恢復(fù)與重建提供技術(shù)支持與理論依據(jù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)有著重要意義。
7 結(jié)束語(yǔ)
樹(shù)木模型三維可視化技術(shù)準(zhǔn)確而逼真地實(shí)現(xiàn)了樹(shù)木形態(tài)虛擬顯示，林分三維可視化是在單木可視化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，為森林景觀三維虛擬仿真提供了條件；直觀、準(zhǔn)確、交互的虛擬林相圖可以使森林的規(guī)劃設(shè)計(jì)、撫育、間伐、更新和管理更加便利；利用生長(zhǎng)模型可以快速地模擬林分生長(zhǎng)狀況，為選擇合理的競(jìng)爭(zhēng)指標(biāo)和應(yīng)用不同的方法來(lái)建構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)指標(biāo)提供了依據(jù)；林火模擬能夠及時(shí)避免和有效減少火災(zāi)帶來(lái)的災(zāi)害，同時(shí)結(jié)合通視域分析等信息可以建立合理的防火設(shè)施；三維可視化技術(shù)擴(kuò)充了傳統(tǒng)的病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)手段，使得預(yù)測(cè)和治理由傳統(tǒng)的時(shí)間尺度上升到空間尺度；空間格局的研究是和森林經(jīng)營(yíng)管理結(jié)合最緊密的應(yīng)用方式，在森林恢復(fù)與重建、結(jié)構(gòu)與功能調(diào)控中起重要的指導(dǎo)作用。
森林資源信息量大、涉及面廣，而且相互關(guān)聯(lián)，各類(lèi)信息復(fù)雜，對(duì)于那些沒(méi)有經(jīng)過(guò)培訓(xùn)或者在森林管理方面沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的人員很難理解，在林業(yè)中應(yīng)用三維可視化不僅可使公眾更好地理解和接受森林管理行為的動(dòng)機(jī)和意圖，而且對(duì)相關(guān)工作人員制定森林管理策略也是必不可少的[38]。但森林資源三維可視化的工作量很大，對(duì)各類(lèi)復(fù)雜自然景物的建模、算法的優(yōu)化、空間分析及制定有效的經(jīng)營(yíng)管理策略等方面的研究還需要不斷深入。
三維可視化技術(shù)應(yīng)用在數(shù)字林業(yè)中，不僅可使人們身臨其境地漫游在森林中， 也可通過(guò)模擬選擇最優(yōu)的經(jīng)營(yíng)方式， 減少林業(yè)工作者傳統(tǒng)作業(yè)的工作量，避免經(jīng)營(yíng)失誤帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的損失，有助于林業(yè)管理人員在虛擬的環(huán)境下及時(shí)了解和掌握森林資源現(xiàn)狀和動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，如森林火災(zāi)的蔓延過(guò)程和病蟲(chóng)害的侵害趨勢(shì)等。同時(shí)，還能提供不斷更新的相關(guān)森林資源信息， 如地類(lèi)、樹(shù)高、蓄積量和相關(guān)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，為相關(guān)森林資源規(guī)劃管理方案的制定提供高效、準(zhǔn)確的輔助決策；而且對(duì)影響森林資源分布、演替的其他相關(guān)因素可進(jìn)行綜合宏觀分析研究，從而推進(jìn)森林資源培育、保護(hù)、利用的合理化，協(xié)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)的和諧與共存發(fā)展。
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【論文關(guān)鍵詞】電子技術(shù)；理論與應(yīng)用；近似計(jì)算；靜態(tài)分析
【論文摘要】本文首先探討了近似計(jì)算在靜態(tài)分析中的應(yīng)用問(wèn)題，其次分析了納米電子技術(shù)急需解決的若干關(guān)鍵問(wèn)題和交互式電子技術(shù)應(yīng)用手冊(cè)，最后電子技術(shù)在時(shí)間與頻率標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)的研究。因此，本文具有深刻的理論意義和廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
一、近似計(jì)算在靜態(tài)分析中的應(yīng)用
在電子技術(shù)中應(yīng)運(yùn)中，近似計(jì)算貫穿其始終。然而，沒(méi)有近似計(jì)算是不可想象的。而精確計(jì)算在電子技術(shù)中往往行不通，也沒(méi)有其必要。盡管近似計(jì)算會(huì)引入一定的誤差，但這個(gè)誤差控制得好，不會(huì)對(duì)分析其它電路產(chǎn)生大的影響。所以關(guān)鍵在于我們?nèi)绾握莆眨貏e是如何應(yīng)用近似計(jì)算。
在工作點(diǎn)穩(wěn)定電路中的應(yīng)用要進(jìn)行靜態(tài)分析，就必須求出三極管的基電壓，必須忽略三極管靜態(tài)基極電流。這樣，我們得到三極管的基射電子的相關(guān)過(guò)程及結(jié)論。
二、納米電子技術(shù)急需解決的若干關(guān)鍵問(wèn)題
由于納米器件的特征尺寸處于納米量級(jí)，因此，其機(jī)理和現(xiàn)有的電子元件截然不同，理論方面有許多量子現(xiàn)象和相關(guān)問(wèn)題需要解決，如電子在勢(shì)阱中的隧穿過(guò)程、非彈性散射效應(yīng)機(jī)理等。盡管如此，納米電子學(xué)中急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題主要還在于納米電子器件與納米電子電路相關(guān)的納米電子技術(shù)方面，其主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
（1）納米Si基量子異質(zhì)結(jié)加工
要繼續(xù)把現(xiàn)有的硅基電子器件縮小到納米尺度，最直截了當(dāng)?shù)姆椒ㄊ遣捎猛庋印⒐饪痰燃夹g(shù)制造新一代的類(lèi)似層狀蛋糕的納米半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。其中，不同層通常是由不同勢(shì)能的半導(dǎo)體材料制成的，構(gòu)建成納米尺度的量子勢(shì)阱，這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)作“半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)”。
（2）分子晶體管和導(dǎo)線(xiàn)組裝納米器件即使知道如何制造分子晶體管和分子導(dǎo)線(xiàn)，但把這些元件組裝成一個(gè)可以運(yùn)轉(zhuǎn)的邏輯結(jié)構(gòu)仍是一個(gè)非常棘手的難題。一種可能的途徑是利用掃描隧道顯微鏡把分子元件排列在一個(gè)平面上；另一種組裝較大電子器件的可能途徑是通過(guò)陣列的自組裝。盡管，PurdueUniversity等研究機(jī)構(gòu)在這個(gè)方向上取得了可喜的進(jìn)展，但該技術(shù)何時(shí)能夠走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用，仍無(wú)法斷言。
（3）超高密度量子效應(yīng)存儲(chǔ)器
超高密度存儲(chǔ)量子效應(yīng)的電子“芯片”是未來(lái)納米計(jì)算機(jī)的主要部件，它可以為具備快速存取能力但沒(méi)有可動(dòng)機(jī)械部件的計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)提供海量存儲(chǔ)手段。但是，有了制造納米電子邏輯器件的能力后，如何用這種器件組裝成超高密度存儲(chǔ)的量子效應(yīng)存儲(chǔ)器陣列或芯片同樣給納米電子學(xué)研究者提出了新的挑戰(zhàn)。
（4）納米計(jì)算機(jī)的“互連問(wèn)題”
一臺(tái)由數(shù)萬(wàn)億的納米電子元件以前所未有的密集度組裝成納米計(jì)算機(jī)注定需要巧妙的結(jié)構(gòu)及合理整體布局，而整體結(jié)構(gòu)問(wèn)題中首當(dāng)其沖需要解決的就是所謂的“互連問(wèn)題”。換句話(huà)說(shuō)，就是計(jì)算結(jié)構(gòu)中信息的輸入、輸出問(wèn)題。納米計(jì)算機(jī)要把海量信息存儲(chǔ)在一個(gè)很小的空間內(nèi)，并極快地使用和產(chǎn)生信息，需要有特殊的結(jié)構(gòu)來(lái)控制和協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)的諸多元件，而納米計(jì)算元件之間、計(jì)算元件與外部環(huán)境之間需要有大量的連接。就現(xiàn)有傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的微型化而言，由于電線(xiàn)之間要相互隔開(kāi)以避免過(guò)熱或“串線(xiàn)”，這樣就有一些幾何學(xué)上的考慮和限制，連接的數(shù)量不可能無(wú)限制地增加。因此，納米計(jì)算機(jī)導(dǎo)線(xiàn)間的量子隧穿效應(yīng)和導(dǎo)線(xiàn)與納米電子器件之間的“連接”問(wèn)題急需解決。
（5）納米/分子電子器件制備、操縱、設(shè)計(jì)、性能分析模擬環(huán)境
當(dāng)前，分子力學(xué)、量子力學(xué)、多尺度計(jì)算、計(jì)算機(jī)并行技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)已取得快速發(fā)展，利用這些技術(shù)建立一個(gè)能夠完成納米電子器件制備、操縱、設(shè)計(jì)與性能分析的模擬虛擬環(huán)境，并使納米技術(shù)研究人員獲得虛擬的體驗(yàn)已成為可能。但由于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的速度、分子力學(xué)與量子力學(xué)算法的效率等問(wèn)題，目前建立這種迅速、敏感、精細(xì)的量子模擬虛擬環(huán)境還存在巨大困難。
三、交互式電子技術(shù)手冊(cè)
交互式電子技術(shù)手冊(cè)經(jīng)歷了5個(gè)發(fā)展階段，根據(jù)美國(guó)國(guó)防部的定義：加注索引的掃描頁(yè)圖、滾動(dòng)文檔式電子技術(shù)手冊(cè)、線(xiàn)性結(jié)構(gòu)電子技術(shù)手冊(cè)、基于數(shù)據(jù)庫(kù)的電子技術(shù)手冊(cè)和集成電子技術(shù)手冊(cè)。目前真正意義上的集成了人工智能、故障診斷的第5類(lèi)集成電子技術(shù)手冊(cè)并不存在，大多數(shù)電子技術(shù)手冊(cè)基本上位于第4類(lèi)及其以下的水平。需要聲明的是，各類(lèi)電子技術(shù)手冊(cè)雖然代表不同的發(fā)展階段，但是各有優(yōu)點(diǎn)，較低級(jí)別的電子技術(shù)手冊(cè)目前仍然有著各自的應(yīng)用價(jià)值。由于類(lèi)以上的電子技術(shù)手冊(cè)在信息的組織、管理、傳遞、獲取方面具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，電子技術(shù)手冊(cè)就是技術(shù)手冊(cè)的數(shù)字化。為了獲取信息的方便，數(shù)字化后的數(shù)據(jù)需要一個(gè)良好的組織管理和提供給用戶(hù)的形式，電子技術(shù)手冊(cè)的發(fā)展就是圍繞這一過(guò)程來(lái)進(jìn)行的。
四、電子技術(shù)在時(shí)間與頻率標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用
時(shí)間和頻率是描述同一周期現(xiàn)象的兩個(gè)參數(shù)，可由時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)出頻率標(biāo)準(zhǔn)，兩者可共用的一個(gè)基準(zhǔn)。
