時間：2022-03-04 19:37:26
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，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篇計算機圖形學論文，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
1. 計算機圖形學
1.1 計算機圖形學概述
我們現代人生活在各種各樣的信息之中，如何應用計算機處理信息，處理圖形成為了一個越來越重要的課題。本論文所要介紹的計算機圖形技術，是計算機領域的熱門領域之一，它是同電子硬件和計算機的周邊設備一同發展而來。隨著人類在航空航天、軍事和通信等領域的突破，計算機圖形學也得到了很快的發展。
計算機圖形學是一門實用計算機產生、顯示以及處理圖形界面的知識體系。計算機圖形學已經變得越來越重要，主要原因是：人們接收和發出信息，圖形是很好的一種傳遞信息的方式。一個圖形本身，就具有很豐富的信息，人們根據圖形能夠很自然快速地與外界進行交流。
1.2 計算機圖形學研究熱點
計算機圖形學主要研究以下三個方面的內容。第一：隱藏線（面）的消除；第二：基本曲線的裁剪以及繪制；第三：現代圖形學熱點研究的內容，主要是虛擬現實技術、可視化、三維立體的重建等等。
由于在一個圖形應用或圖形軟件中要大量重復調用這些基礎算法，因此在這方面的任何進步都會對整個圖形系統產生很大的影響。計算機圖形學的基礎算法經過人們幾十年的研究，己比較成熟。但每一個進步對解決圖形技術所面臨的存儲、傳輸、顯示等問題都有很大的幫助。
2. 基礎算法的研究
2.1 多邊形裁剪算法
裁剪是處理圖形一種很基礎的方法，常見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，裁剪算法在計算機圖形學中是一種十分基礎但是卻又十分重要的操作[1]。
本論文所提到的裁剪方法，主要是針對凸多邊形的。裁剪方法主要可以分為四個方法：中點算法、CS算法、CB算法、梁B算法。
（1）CS算法是Cohen-Sutherland的一種分區編碼算法[2]。CS算法以前是計算機圖形學中很重要的一種算法。CS算法對線段可以分為以下三種情況：窗內、窗外以及其它情況。我們在使用CS算法的時候，需要判斷線段兩端端點的編碼，進而判斷窗口和線段之間的位置關系，這種算法的缺點是對于判斷所做的工作比其他算法多。端點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）中點算法是基于硬件實現的。重點算法同樣把窗口和線段的關系分成三種情況：窗內、窗外以及其它情況。對于窗內和窗外這兩種情況，中點算法和CS算法的處理方法相同；對于第三種情況，中點算法簡單地將線段分成兩段。中點算法是基于硬件的，所以算法比較簡單，相對于用軟件來實現，更偏重于用硬件來實現。
（3）CB算法能夠裁剪任意一種凸多邊形的窗口。CB算法會將交點簡化成上下兩組，主要判斷的方法是：直線段的方向矢量和窗口邊法矢量的點積是否大于零。CB算法會取上組部分最小的交點以及下組最大的交點，作為可見部分的端點。由于CB算法更適用于一般情況，所以CB算法的運算更加復雜。
（4）梁B算法在四種方法中，運算速度最快。但是在某些特殊情況下，梁B算法也需要進行大量的運算。
四種基礎算法的適用情況，如表2-1所示。
2.2 逐點生成算法
上一小節主要介紹了圖像的裁剪，本小節的逐點生成算法主要著重于研究圖形曲線的繪制。由于任何圖像都是根據圖形而來，而任何圖形都需要繪制，所以圖形曲線的繪制也是一項非常基礎性的研究課題。
科學家最開始采用幾何算法作為繪圖算法，這是因為以前的圖形顯示器都是掃描類型的顯示器。目前這種算法已經很少采用，但是在工程制圖的繪制過程中，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：步長之間的兩個點，采取直線的方法連接。但是由于步長很小，我們實際看起來就是一條曲線。由于繪制條件以及算法本身的限制，這類算法有著自身的缺點：運算量非常大而且繪制不夠精細。
不同于曲線的幾何算法，像素級生成算法是一種全新的基于計算機的算法，這種算法主要分成兩種。第一種是對參數方程進行求導，進而計算出小于或等于一個像素迭代步長的距離的點。這類算法的優點是能夠適用于大多數曲線的繪制；這類算法的缺點是計算量很大，而且會造成多余的計算。第二種是根據曲線的隱式方程，找出曲線走向中下一個像素中最近的點。正是由于采用了這種原理進行曲線繪制，所以曲線的誤差在一個像素范圍內。這類算法的優點是速度快，因為每一次的步長都是一個像素點的距離；這類算法的缺點是適用范圍狹窄[3]。
3. 結論
我們現代人生活在各種各樣的信息之中，如何應用計算機處理信息，處理圖形成為了一個越來越重要的課題。本論文主要介紹了計算機圖形學，以及兩種基礎算法：多邊形裁剪算法和逐點生成算法。對于這些基礎算法的研究，對提高計算機圖形系統系能具有重要的意義。
參考文獻
[1]高云 計算機圖形學若干基礎算法的研究[J] 沈陽工業大學，2002.
[2]沈穎，宋文強 計算機圖形學的基本算法實現研究[J] 電腦知識與技術，2009，17（5）：4518-4519.
關鍵詞：計算機圖形學；實驗；教學研討
中圖分類號：G642 文獻標識碼：B
計算機圖形學是一門理論與實驗并重的學科。從理論方面看，該學科主要涉及與圖形相關的概念和算法，和數
學、物理等相關學科的關系緊密，學起來有一定的難度。而實驗是理論教學的深化與補充，是抽象轉化為具體的方式，是晦澀難懂的公式變為活生生畫面的過程。通過實驗，不僅可以培養學生綜合運用所學知識解決實際問題的能力，而且對于建立學生自信心、培養學生興趣也起至關重要的作用。學生對該課程是既喜歡又擔心學起來難度太大，如何上好第一次課，改變學生的態度，如何安排教學內容和實驗環節，使學生既易于接受又能反映計算機圖形學的基礎知識和最新知識。本文針對這些問題，結合教學中的實際情況淺談一下自己的看法和體會。
1課程內容介紹
在多數人的印象中，計算機圖形學和其它專業課相比較，數學公式太多，難以學習和理解。但是由于它的諸多應用非常具有吸引力，尤其它是大家所感興趣的游戲和動畫的基礎，很多學生又想接觸它。如何加強學生的這個念
頭，第一次課非常關鍵，它在很大程度上決定了學生是否選學這門課。圖形學的理論雖然抽象，但是所表示的內容卻形象，可以以此作為突破口。我們知道被稱為“圖形學之父”的Sutherland博士論文答辯時，將所研究的內容制作一部電影，邊放映邊講解，大獲成功。所以我覺得可以從一個動畫短片或游戲片段出發，將所涉及的圖形學知識融會貫通起來。因為在沒學習圖形學之前，學生很難建立圖形學知識和游戲動畫之間的聯系。他們只知道圖形學理論很抽象，游戲動畫很容易吸引學生眼球，而且也知道它們之間的關系很緊密，但具體有什么聯系卻不是很清楚。我們可以從此出發，引出圖形學的相關知識，讓學生在不知不覺中了解圖形學，接受圖形學。這樣輕松建立了相關知識點與實際應用的聯系，也解答了學生學有何用的疑問。
現以動畫短片《棋逢敵手》(Geri's Game)為例來說明如何引出圖形學內容。該短片講述的是Geri老頭在公園跟自己下棋的事，故事情節生動，動畫效果惟妙惟肖，很具吸引力。學生非常感興趣，這是怎么做的，采用什么技術，Geri老頭是怎么得到的等等一系列問題。我們便可以問題為導向一一解釋給學生。Geri老頭采用的是一種稱為Catmull－Clark的細分曲面造型技術，在造型之前需要準備數據，所謂巧婦難為無米之炊，一般這樣的數據是先建立一個實物的模型，然后通過三維激光掃描儀獲取的。三維掃描儀掃描實物的表面數據，其數據量大，而且帶有噪音，所以需要做去噪，簡化等處理。簡化后得到Geri老頭的表面骨架，然后再采用細分曲面造型技術獲取光滑逼真的模型。細分造型是一種逐層加細技術，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)的數據量最大，這就需要根據不同情況選擇不同的圖形，如圖2所示，當圖形距離我們較遠時可以選擇精度不高的(a)圖形，而較近時選擇(c)圖形。在游戲動畫方面，對速度要求高，而對圖形逼真性的要求相對低，這時可以選擇數據量小的圖形。這樣通過圖形展示給學生以感性的認識，一方面易于接受，易于理解，另一方面也能增加學習的興趣。另外，形象逼真的圖形采用真實感繪制技術，場景遠近變化利用了圖形變換的知識等等。一個短篇，基本上把圖形學的相關內容都包括了，我們還可以再結合其它一些具體生動的圖形動畫介紹給學生。實際上，在圖形學授課的各個環節，為了調節枯燥的數學公式，都可以演示一些相關內容的圖形，也所謂的多媒體教學，在這方面，圖形學應該更有優勢。
2理論與實踐并重
對計算機圖形學這樣的專業課而言，理論的學習離不開實踐，實驗是非常重要的一個環節。抽象的理論，乏味的數學公式，如果不和實驗結合，學生是體會不到學習樂趣的。通過實驗，所學的知識得以鞏固，枯燥的算法與生動的圖形之間建立聯系。學生的興趣也是通過實驗建立起來的。每次實驗報告，我都會要求學生寫下心得體會，從報告可以看出，多數學生能夠在實驗中找到快樂，能夠通過實驗建立自信心，成就感。他們說做實驗很受鍛煉，知識掌握的也更牢固。當然有的學生也提到，做實驗是一件非常辛苦的事情，特別是沒有思路或者找不到錯誤時，真的很痛苦。但是成功后的滿足，特別是做出來的那一瞬間，那種心境別人無法體會。
由于計算機圖形學是專業限選課，學時不多。我們一般安排32個上課學時和16個實驗學時。為了增加學生的知識面，我們的實驗是在Sun工作站Solaris操作系統下采用gcc編譯器進行，編程時調用OpenGL庫中的圖形函數。通常安排4個學時熟悉這些內容。這樣根據剩余學時安排五個小實驗：直線生成、裁剪、幾何變換、曲線生成以及真實感圖形繪制，還有一個綜合性實驗：做一個簡單的圖形系統。題目的要求隨著難易程度變化。直線生成算法比較簡單，學生編寫的程序應具有通用性，適用于任何直線。裁剪算法是為了確定顯示區域內的圖形，實驗一般要求實現線段裁剪算法，算法易于實現，考慮到易操作性，采用交互式的畫線方式，即以鼠標點擊繪圖區的位置確定線段的起點和終點，其中涉及消息映射和屏幕坐標到世界坐標轉化等相關知識。幾何變換幾乎在每個圖形系統或圖形應用軟件都有使用，其主要包括旋轉、平移、縮放以及復合變換等內容。學生對三維圖形更感興趣，尤其是較復雜的圖形。在做該實驗時，通常先介紹一些三維圖形的相關知識，包括幾何圖形表示、存儲形式以及讀文件操作等，一般以簡單的OBJ數據文件為例。然后讓學生實現三維圖形的幾何變換。另外，考慮到該實驗包括幾個操作，增加了菜單選擇功能。曲線曲面也是圖形學的核心內容，生成方法有兩種：一種是逐層遞推的方法，另一種是根據參數曲線定義。學生根據自己的理解選擇不同的方法實現。在曲線生成的基礎上，增加鼠標拖動控制點改變曲線曲面形狀的功能。真實感實驗是為了增加學生學習的興趣，通過調用OpenGL的庫函數做出一些漂亮的效果，讓學生感覺到圖形學功能很強大，一些看似復雜的效果實現起來也簡單，只需調用OpenGL中現成的庫函數。綜合性實驗報告我也鼓勵學生做一些自己感興趣的東西，比如有的學生對游戲很感興趣，基礎也較好，想做一個小游戲，我是完全許可的。應該來說，安排的實驗任務重，覆蓋內容多，在有限學時內完成這些實驗是不可能的，需要學生在課外做許多準備工作。而且，有些知識點較難，學生難以消化。針對這種情況，實驗部分也分了解和掌握兩種情況，這樣做的一個目的就是想增加學生的知識面。
3教學內容安排
計算機圖形學知識更新快，內容深而廣，如何在有限的學時內安排教學內容，使講解的知識難度適中，既兼顧基礎知識又可以反映計算機圖形學的最新成果和技術，同時，既兼顧理論又兼顧實驗。另外，在學生可以接受的情況下盡可能介紹三維知識。
我們的教學內容主要分這幾部分內容：光柵圖形學，圖形變換，幾何造型，真實感圖形繪制。而且，各部分內容貫穿OpenGL的相關知識。前兩部分比較基礎，內容相對簡單，課時盡可能安排緊湊，理論講的相對深入。但是對于幾何造型，尤其是曲線曲面造型部分，內容的深淺需要根據學生情況來把握。曲面難度較大，一般只介紹大致的思路及做一些演示。對于曲線，如果講得比較深入，對于基礎不好的學生來說也難以接受。我曾嘗試采用分段多項式的形式推導B樣條基函數，不少同學聽得很費力，甚至影響后面知識的學習。現在講這部分內容時，我只是介紹基函數的由來，告訴學生基函數是根據曲線的性質和定義推導出來的，不是隨隨便便指定的，這樣學生比較容易接受。實際上，無論Bezier曲線或B樣條曲線，都是曲線造型技術中的經典算法，但也存在缺點。目前比較流行的曲線造型技術是細分算法，它有很多很好的性質，如多分辨率，應用簡單等。由于其比較新，很多教科書中尚未介紹。一般我從應用層的角度將三次B樣條細分和四點插值細分等典型算法介紹給學生，介紹他們的特點以及實現技術。真實感圖形繪制部分，涉及數學、物理、心理學等方面的知識，理論較深，不太適合本科生學習。但由于其做出來的圖形太漂亮，很具吸引力。而且，用OpenGL的庫函數實現并不難，所以這部分內容我一般是介紹一些基本概念，然后做一些程序演示。一方面增加學習的興趣，另一方面讓他們意識到，有些知識盡管理論比較深，但由于有現成的類似OpenGL庫函數這樣的技術支撐，也容易實現。很多東西并不是想象的那么神秘，那么可怕。
4結語
計算機圖形學是一門理論內容深，應用范圍廣的課程。本文就如何組織教學內容談了自己的見解和體會，目的在于提高學生學習興趣，讓學生在易于接受的情況下學到更多有用的知識。實踐表明方法具有一定的可行性，普遍學生反映，通過課程的學習體會到了圖形學的博大精深，增加了圖形學的學習興趣。但也有部分同學感覺有些內容講解不夠深入，難以理解。所以，如何在有限的學時內更好地組織教學，還有待進一步探討。相信通過學習、思考和實踐可以做得更好。
參考文獻：
[1] 唐榮錫,汪嘉業,彭群生. 計算機圖形學教程(修訂版)[M]. 北京:科學出版社,2000.
[2] 周開進,王志剛. 計算機學科與數學的強相關性及其對專業教育的影響[J]. 中山大學學報論叢,2002,(6).
【關鍵詞】 三維模型 視圖 特征提取
一、引言
隨著三維掃描技術和計算機圖形學廣泛應用于工業，機械，醫學等領域，三維模型成為一種新多媒體數據類型，面對龐大的三維模型數據庫， 幫助用戶快速準確地獲取所需三維模型，實現資源重用成為了計算機視覺、計算機圖形學界的一個研究熱點。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問題。同時絕大多數三維模型檢索的研究都是針對通用模型進行的. 這也使得對三維模型特征提取的研究更加復雜。現有的三維模型檢索技術可以分為基于統計特征、基于拓撲結構、基于幾何結構分析和基于視圖四大類。
基于統計特征的方法通過對三維模型的某一特征信息進行統計，獲得統計直方圖后將其量化而得到三維模型特征向量，但是大多數統計特征帶有隨機性， 檢索性能不穩定。基于拓撲和結構分析得到的特征在檢索系統中檢索響應時間較長。基于視圖將三維模型投影成多個不同視角的二維圖像，再對二維投影進行特征的提取用以描述三維模型。這種方法將復雜的三維問題轉化為較為成熟的二維圖像處理問題，降低了計算的復雜度，符合人的視覺特征，檢索性能較好。基于視圖的三維模型特征提取一般為三個步驟模型預處理，視圖獲取，描述符提取。
二、模型預處理
對于任意三維模型，其初始空間位置、尺寸及方向具有很大的隨機性，為了對三維模型在相同尺度、相同規則下進行比較檢索，首先對其進行位置和尺寸標準化預處理。一般分為三個部分平移歸一化，旋轉歸一化，尺度歸一化。 完整的模型歸一化過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；R 為對應于PCA變換的旋轉矩陣；I 為原始模型坐標；C為坐標原點。
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點作為新坐標系的原點，重新計算模型在新坐標系中的頂點坐標實際應用中的三維模型往往不是密度均勻分布的模型，文獻[1]采用面積加權法來提高重心平移的魯棒性，也就是將每個點的表面積作為該頂點的權重。
2.2旋轉歸一化
旋轉歸一化的目的是為了保證模型具有一個統一的姿態方向，使得提取的特征具有旋轉不變性，文獻[2]對旋轉歸一化改進利用蒙特卡羅法在三維模型表面均勻采點，以此代替原來頂點。該方法的特點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數據。
2.3 尺度歸一化
為了統一三維模型的尺度，保證拉伸不變性，需要計算縮放因子。文獻[1]采用的方法是找到模型中距離質心最遠的頂點，取值為這個最大距離的倒數，然后按照這個系數進行縮放。
三、視圖獲取
模型預處理完成后需要進行視圖提取，按照提取的視圖是否進行二次選擇可分為：最優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，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、側視及俯視三個固定方向獲得二維投影視圖，然后對每副視圖進行輪廓特征提取。該方法由于只選擇了三個固定方向上獲取視圖。不能夠完全表達模型Chen[4]等提出一種基于光場（LightFiel Descriptor， LFD）的特征算法。首先，在正十二面體的10個頂點處捕獲二維圖像，由于正十二面體是對稱的所以只取20個頂點中的10個。每個頂點處設定10中不同的光場，這樣對于各個三維模型可以采100張圖像。對于每張圖像提取Zemike矩特征（取35個系數）和傅里葉變換特征（取10個系數），最后用4500維的特征向量來表示一個三維模型，龐大的特征向量帶來計算的困難。Shih[5]等提出了一種基于正視圖的特征提取算法，提取六個正視圖來表示三維模型，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個角度投影獲得正視圖，將每個圖形分解為L個同心正方形提取出圖形描述符。
3.2最優視圖提取
由于產生的多視圖來描述模型在檢索模型時計算時間長，且有些視圖是冗余的。有些研究者會將多視圖進行最優選擇出一組或一個最優視圖。Cyr[6]等人提出基于形狀相似性的代表性視圖（Aspect Graph）方法。該方法首先對三維模型從不同視點得到大量視圖，然后用一組代表性視圖描述三維模型。代表性視圖通過對視圖集聚類分析，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算法對輸入三維模型形狀特征進行相似性學習得到該模型的最優視圖樣例，然后將輸入模型從不同視點得到的渲染視圖和最優視圖樣例進行形狀相似性分析，以相似度最高者作為輸入模型的最優視圖.得到的最優視圖不僅可以有效地逼近用戶選擇結果而且具有較好的穩定性。
四、總結
由于三維模型及其組成的三維場景能提供比二維圖像更多、更豐富的視覺感知細節。所以三維模型的檢索與復用近年來成為計算機圖形學領域內的一個重要研究課題。但三維模型比二維圖像特征提取更為復雜，現在二維圖像處理技術非常成熟所以將三維模型表達成視圖在進行處理，得到很好的模型描述符在檢索三維模型時節省時間。
參 考 文 獻
[1]基于視圖的三維模型檢索技術研究 馮毅攀 浙江工業大學碩士學位論文 2011.10.20
[2]三維模型特征提取與檢索 柳 偉 申請上海交通大學博士學位論文 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
[5] C.M. Cyr， B.B. Kimia. 3D object recognition using shape similarity-based aspect graph[A]. Proc of the 8th International Conference of Computer Vision[C]. Vancouver： ICCV， 2001， 254-261.
英文名稱：Journal of Software
主管單位：中國科學院
主辦單位：中國科學院軟件研究所
出版周期：月刊
出版地址：北京市
語
種：中文
開
本：16開
國際刊號：1000-9825
國內刊號：11-2560/TP
郵發代號：82-367
發行范圍：國內外統一發行
創刊時間：1990
期刊收錄：
SA 科學文摘(英)(2009)
CBST 科學技術文獻速報(日)(2009)
Pж(AJ) 文摘雜志(俄)(2009)
EI 工程索引(美)(2009)
中國科學引文數據庫(CSCD―2008)
核心期刊：
中文核心期刊(2008)
中文核心期刊(2004)
中文核心期刊(2000)
中文核心期刊(1996)
中文核心期刊(1992)
期刊榮譽：
中科雙百期刊
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論文摘要：計算科學主要講述了一種科學的思想方法，計算科學的基本概念、基本知識它的發展主線、學科分支、還有計算科學的特點、發展規律和趨勢。
引言：隨著存儲程序式通用電子計算機在上世紀40年代的誕生，和計算科學的快速發展以及取得的大量成果。計算科學這一學科也也應運而生。《計算科學導論》正如此書的名字，此書很好的詮釋了計算科學這一學科，并且指導了我們應如何去學好這一學科。使得我們收獲頗多。并且讓我深深的反思了我的大學生活。正如趙老師書中所講的：“計算科學是年輕人的科學，一旦你選擇了計算科學作為你為之奮斗的專業類領域，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研究與開發的學生，必須在大學幾年的學習中，打下堅實的基礎，才有可能在將來學科的高速發展中，或在計算機產品的開發和快速更新換代中有所作為。
一什么是計算科學和它的來歷
計算科學主要是對描述和變換信息的算法過程，包括其理論、分析、設計、效率分析、實現和應用的系統研究。全部計算科學的基本問題是，什么能（有效的）自動運行，什么不能（有效的）自動運行。本科學來源于對數理邏輯、計算模型、算法理論、自動計算機器的研究，形成于20世紀30年代的后期。
隨著存儲程序式通用電子計算機在上世紀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實。計算科學的快速發展以也取得大量成果，計算科學這一學科也也應運而生。
二計算科學的發展
a、首先先介紹圖靈機
圖靈機的發明打開了現代計算機的大門和發展之路。圖靈機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構和運行原理隱含了存儲程序的原始思想，深刻的揭示了現代通用電子數字計算機的核心內容。現在通用的計算機是電子數字計算機，而電子數字計算機的發展是建立在圖靈機的基礎之上。他的二進制思想使計算機的制作的簡化成只需兩個穩定態的元器件。這在今后的計算機制作上無論是二極管或集成電路上都顯示了明顯的優越性。
b、計算機帶動的計算學科
1946年隨著現代意義上的電子數字計算機ENIAC的誕生。掀起了社會快速發展的嶄新一頁。計算機工作和運行就擺在了人們的面前。
1、計算機語言
我們要用計算機求解一個問題，必須事先編好程序。因此就出現了最早的機器指令和匯編語言。20世紀50年代后，計算機的發展步入了實用化的階段。然而，在最初的應用中，人們普遍感到使用機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，復雜程序查找錯誤尤其困難，因此，軟件開發急需一種高級的類似于自然語言那樣的程序設計語言。1952年，第一個程序設計語言ShortCode出現。兩年后，Fortran問世。作為一種面向科學計算的高級程序設計語言，Fortran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計語言。Algol60的誕生是計算機語言的研究成為一門科學的標志。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則、過程的遞歸性及參數傳遞機制等。而且，它是第一個用嚴格的語法規則——巴科斯范式（BNF）定義語言文法的高級語言。還有用于支持結構化程序設計的PASCAL語言，適合于軍隊各方面應用的大型通用程序設計語言ADA，支持并發程序設計的MODULA-2，支持邏輯程序設計的PROLOG語言，支持人工智能程序設計的LISP語言，支持面積對象程序變換的SMALLTALK、C等。
2、計算機系統和軟件開發方法
現代意義上的計算機絕不是一個簡單的計算機了而也包括了軟件（系統軟件、應用軟件）。各種各樣的軟件使得計算機的用途大大增強。而軟件開發也成為了一個重要課題和發展方向。軟件開發的理論基礎即是計算模型。隨著計算機網絡、分布式處理和多媒體的發展。在各種高級程序設計語言中增加并發機構以支持分布式程序設計，在語言中通過擴展繪圖子程序以支持計算機圖形學程序設計在程序設計語言中已非常的流行。之后，在模數/數模轉換等接口技術和數據庫技術的支持下，通過擴展高級語言的程序庫又實現了多媒體程序設計的構想。進入20世紀90年代之后，并行計算機和分布式大規模異質計算機網絡的發展又將并行程序設計語言、并行編譯程序、并行操作系統、并行與分布式數據庫系統等試行軟件的開發的關鍵技術依然與高級語言和計算模型密切相關，如各種并行、并發程序設計語言，進程代數，PETRI網等，它們正是軟件開發方法和技術的研究中支持不同階段軟件開發的程序設計語言和支持這些軟件開發方法和技術的理論基礎----計算模型
3、計算機圖形學
在計算機的硬件的迅速發展中。隨著它的存儲容量的增大，也掀起了計算機的巨大改革。計算機圖形學、圖像處理技術的發展，促使圖形化界面的出現。計算機圖形學是使用計算機輔助產生圖形并對圖形進行處理的科學。并由此推動了計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助教學（CAI）、計算機輔助信息處理、計算機輔助測試（CAT）等方向的發展。圖形化界面的出現，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、計算機網絡
隨著用戶迫切需要實現不同計算機上的軟硬件和信息資源共享。網絡就在我們的需求中誕生了。網絡的發展和信息資源的交換使每臺計算都變成了網絡計算機。這也促進計算機的發展和廣泛應用。
三計算機學科的主線及發展方向
圍繞著學科基本問題而展開的大量具體研究，形成學科發展的主流方向與學科發展主線和學科自身的知識組織結構。計算學科內容按照基礎理論、基本開發技術、應用以及他們與硬件設備聯系的緊密程度分成三個層面：
1、計算科學應用層
它包括人工智能應用與系統，信息、管理與決策系統，移動計算，計劃可視化，科學計算機等計算機應用的各個方向。
2、計算科學的專業基礎層
它是為應用層提供技術和環境的一個層面，包括軟件開發方法學，計算機網絡與通信技術，程序設計科學，計算機體系結構、電子計算機系統基礎。
3、計算科學的基礎層
它包括計算科學的數學理論，高等邏輯等內容。其中計算的數學理論涵蓋可計算性與計算復雜性理論形式語言與計算機理論等。
四計算機的網絡的發展及網絡安全
(1)計算機網絡與病毒
一個現代計算機被定義為包含存儲器、處理器、功能部件、互聯網絡、匯編程序、編譯程序、操作系統、外部設備、通信通道等內容的系統。
通過上面定義，我們發現互聯網絡也被加入到計算機當中。說明了網絡的重要以及普及性。21世紀是信息時代。信息已成為一種重要的戰略資。信息科學成為最活躍的領域之一，信息技術改變著人們的生活方式。現在互聯網絡已經廣泛應用于科研、教育、企業生產、與經營管理、信息服務等各個方面。全世界的互聯網Internet正在爆炸性的擴大，已經成為覆蓋全球的信息基礎設施之一。
因為互聯網的快速發展與應用，我們各行各業都在使用計算機。信息安全也顯得格外重要。而隨著計算機網絡的發展，計算機網絡系統的安全受到嚴重的挑戰，來自計算機病毒和黑客的攻擊及其他方面的威脅也越來越大。其中計算機病毒更是很難根治的主要威脅之一。計算機病毒給我們帶來的負面影響和損失是刻骨銘心的，譬如1999年爆發的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為我們服務，我們就必須很好的利用它，利用網絡。同時我們也應該建立起自己的防護措施，以抵抗外來信息的侵入，保護我們的信息不受攻擊和破壞。
(2)計算機病毒及它的防范措施：
計算機病毒是一組通過復制自身來感染其它軟件的程序。當程序運行時，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，一旦被事先設定好的環境激發，即可感染和破壞。
<一>、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射到對方電子系統中。此方式是計算機病毒注入的最佳方式，同時技術難度也最大。可能的途徑有：①直接向對方電子系統的無線電接收器或設備發射，使接收器對其進行處理并把病毒傳染到目標機上。②冒充合法無線傳輸數據。根據得到的或使用標準的無線電傳輸協議和數據格式，發射病毒碼，使之能夠混在合法傳輸信號中，進入接收器，進而進人信息網絡。③尋找對方信息系統保護最差的地方進行病毒注放。通過對方未保護的數據鏈路，將病毒傳染到被保護的鏈路或目標中。
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，在需要時將其激活，達到攻擊目的。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，我國很多計算機組件依賴進口，困此，很容易受到芯片的攻擊。
3．后門攻擊方式。后門，是計算機安全系統中的一個小洞，由軟件設計師或維護人發明，允許知道其存在的人繞過正常安全防護措施進入系統。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系統。計算機入侵者就常通過后門進行攻擊，如目前普遍使用的WINDOWS98，就存在這樣的后門。
4．數據控制鏈侵入方式。隨著因特網技術的廣泛應用，使計算機病毒通過計算機系統的數據控制鏈侵入成為可能。使用遠程修改技術，可以很容易地改變數據控制鏈的正常路徑。
<二>病毒攻擊的防范的對策
1．建立有效的計算機病毒防護體系。有效的計算機病毒防護體系應包括多個防護層。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；五是系統恢復層；六是應急計劃層。上述六層計算機防護體系，須有有效的硬件和軟件技術的支持，如安全設計及規范操作。超級秘書網
2．嚴把收硬件安全關。國家的機密信息系統所用設備和系列產品，應建立自己的生產企業，實現計算機的國產化、系列化；對引進的計算機系統要在進行安全性檢查后才能啟用，以預防和限制計算機病毒伺機入侵。
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，不僅可以達到防止計算機信息泄露的目的，而且可以防止“電磁輻射式”病毒的攻擊。
4．加強計算機應急反應分隊建設。應成立自動化系統安全支援分隊，以解決計算機防御性的有關問題。
很多公司都有因為電腦被入侵而遭受嚴重經濟損失的慘痛經歷，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高超的入侵者所為，小小的字符串帶給我們的損失已經太多。因此，如果你是數據庫程序開發人員、如果你是系統級應用程序開發人員、如果你是高級計算機用戶、如果你是論壇管理人員......請密切注意有關字符漏洞以及其他各類漏洞的最新消息及其補丁，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安裝最新的補丁會讓你遠離字符帶來的危險。經常殺毒，注意外來設備在計算機上的使用和計算機對外網的鏈接。也可以大大有效的避免計算機被攻擊。
五總結
在學了計算科學導論之后，讓我更深入的了解了我將來要從事的學科。計算科學導論指導著我們該怎么學習計算機。讓我更清楚的知道我們信息安全專業的方向。正如計算科學這座大樓一樣，在不斷的成長。信息安全也必將隨著網絡的進一步發展而更多的被人們重視。總之學習了這門課之后讓我受益匪淺，也知道自己應該好好努力，爭取在自己的專業領域上有所成就。
參考文獻：
1、《計算科學導論》（第三版），趙志琢著，科學出版社2004版
2、《計算機病毒分析與對抗》傅建明彭國軍張煥國編著武漢大學出版社2004版
關鍵詞： 虛擬植物；生長模擬；植物建模
中圖分類號：TP391.41
文獻標志碼：A
文章編號：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，種類繁多，是自然景物的重要組成部分。從20世紀60年代開始，人們即已著手研究利用計算機模擬植物動態生長過程。由于技術的限制，研發建立的模型主要偏向于植物功能的模擬。近幾十年來，隨著科技的飛速發展和計算機處理能力的大幅提升，植物形態結構的計算機模擬也發展到了一個新時期，虛擬植物的概念隨即應運而生。虛擬植物[1]涉及領域眾多，包括計算機圖形學、植物學、地理、農業、虛擬現實、遙感、土壤學等，是集眾多領域門類科研成果之大成的新式交叉學科。此類研究是利用計算機圖形學相關的知識對植物生長進行建模，模擬植物的動態生長過程，并通過虛擬現實技術[2]（Virtual Reality）顯示植物在二維或三維空間中的生長發育過程和形態，從而在農林業、娛樂、科研教育等方面呈現出高效廣泛的應用價值。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，對不同的建模方法進行比較分析，總結闡釋了不同的建模方法的優點和不足之處，最終指出了虛擬植物研究中存在的問題。
1 虛擬植物的研究意義
虛擬植物的研究主要集中在2個方向：一個是植物的外形，另一個是植物的生長過程。前者注重是否有逼真的形態，后者注重于是否依循植物學理論。目前，虛擬植物應用開始轉向于精準農業和持續農業上，將虛擬植物技術應用在農業研究中具有至關重要意義，現將其概述如下。
1）應用虛擬植物技術進行虛擬農田試驗，可以部分代替物質世界中難以實現或者費時、昂貴的試驗，縮短某些課題的試驗周期，加快功能研發進程。
2）通過觀察虛擬害蟲的生活習性，確定最適合的噴藥方法和時間，減少成本，降低環境污染。
3）虛擬植物技g與遙感技術相結合，將遙感獲取的數據應用到植物建模上，模擬選擇區域的植物生長狀況，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 虛擬植物的研究現狀
二十世紀七十年代，針對虛擬植物研究，有關人員即已選擇利用細胞自動生長來模擬植物的分枝過程。1968年，美國生物學家 Lindenmayer在論文中首次提出了一種基于“字符串重寫”的文法系統，稱為 L 系統（L-System）。澳大利亞研究機構基于L系統方法設計了虛擬植物軟件Vitual Plants，可以用來模擬花生、小麥、玉米等農作物的生長，以及外界因素對植物生長的影響。加拿大Calgary大學在L系統建模方法基礎之上又支持研發了L-studio，Virtual Laboratory等系列軟件。20世紀80年代，法國農業發展國際會議中心以參考軸技術為基礎，又獨家研創了虛擬植物系統AMAP[3]。該系統將植物數據輸入到植物數據庫中，通過分析數據提取生長規則，從而建立植物生長模型。此外，國內還有趙星等分析目前主流的各類植物生長模型之后，認為僅有參考軸技術和L系統適合模擬植物的生長過程。具體來說，就是在自動機模型的基礎上建立了雙尺度自動機模型，該模型能夠全面真實模擬虛擬植物生長，包含有微狀態和宏狀態兩種尺度狀態。雙尺度自動機模型與其它模型相比，不僅能夠精練地表達植物的拓撲結構，而且模型更加形象直觀，易于理解和實現。
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系統（Iterated Function System，IFS）、L系統、隨機過程、粒子系統（Partial System）、基于圖像的造型等。現給出研究綜述如下。
2.2.1 迭代函數系統
迭代函數系統（Iterated Function System，IFS）理論是一種研究分形幾何的數學方法[4] ，由Hutchinson 和 Barnsley相繼發表提出。IFS的設計思想是在仿射變換的基礎上，幾何對象的整體和局部具有自相似結構。迭代函數系統理論包括以下幾個方面：壓縮仿射變換、不動點定理和拼貼定理等[5]。IFS系統在自然景物的計算機建模方面比規則形狀構圖的傳統方法更具有優勢[6]，只需要給出仿射變換系數，經過一系列反復迭代，就能快速生成需求期望的分形體圖形。
2.2.2 L-系統
L-系統是美國植物學家Lindenmayer 在 1968 年從生物形態學的角度出發而重點設計推出的一種關于植物形態與生長的系統[7]。L-系統又稱為字符串替換法[8]，其本質是一個重寫系統（不斷地替換初始對象），通過對植物對象生長過程規則的提取和概括，構造重寫規則和初始字符串，利用重寫規則不斷地將初始字符串替換為新的字符串，進行有限次反復迭代，并對產生的字符串加入幾何解釋，最終生成分形圖形。王美麗等即在此基礎上實現了小麥根系在外界因素中的動態生長模擬；康利等則以大豆為例，提取了葉脈的L系統規則，由此得到了較為真實的葉脈模擬。由于L-系統本身的特性，L-系統獲得了不斷的改進和擴展，其中主要包括隨機L-系統[9]、參數L-系統[10-11]、微分L-系統和上下文相關L-系統[12]、開放 L-系統（Open L-System）[13]、時變 L 系統（Timed L-System）[14] 等。
2.2.3 粒子系統
粒子系統是 Reeves 在 1983年成功研發的一種模擬一些特定不規則模糊現象的方法[15]，早期經常用來模擬雪花、火焰、云、水流、流星、火花等，后來則逐步被用于研究模擬真實感的自然景象。當下，已有羅維佳等基于粒子系統建立了實時降雨模型，該模型使用粒子組保證降雨的連續性；而王瑞杰等又在此基礎上提出了模擬實時雨雪算法，每一個粒子代表一個雨滴或者雪粒，把所有的粒子集中到眼點前的區域內，充分利用每個粒子渲染當前場景。在粒子系統中，每個粒子圖元在任意的時間均有自己的屬性，如顏色、形狀、大小、生存期、速度等，而一個粒子具有哪些屬性，主要取決于粒子系統所模擬的對象。同時，再由粒子系統本身的特性探討可知，粒子系統是一個有生命的系統，粒子在這個過程中會不斷地變化，不嗟匾貧，不斷地出現舊粒子的死亡和新粒子的產生。因此這些粒子在虛擬系統中都要經歷“產生”、“運動和生長”、“死亡”三個階段[16]，這3個階段最終就使得模擬動態自然景象變成了可能。
2.2.4 隨機過程
隨機過程方法是由De Reffye等研究人員研發提供的一種虛擬植物建模方法[17]。該方法基于有限自動機（finite automation）來模擬植物形態，也稱為參考軸技術（reference axis technique）。植物的發育、生長、衰老、死亡等狀態都是通過該模型中馬爾可夫鏈理論以及狀態轉換圖（state transition graph）的方式來展示推演并生成獲得的。參考軸技術能夠真實地模擬植物生長過程，著名的植物模擬軟件AMAP就是使用該技術開發植物結構模型。另有中科院趙星等[18-21]在自動機模型的基礎上，建立了虛擬植物生長原理的雙尺度自動機模型[JP3]（dual-scale automaton），該方法重點包含了由植物的生長特性決定的微狀態和宏狀態兩種尺度的狀態，并通過這2種狀態的組合和循環模擬植物的生長過程，最終發展構建出植物的模型。
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用技術。其核心原理就是在計算機中輸入2個及2個以上物體的二維投影圖信息，根據算法獲取物體對象的二維幾何信息，建立相應的三維模型。胡少軍等提出了基于稀疏圖像構建三維樹模型；李云峰等以葉子為例，對圖像進行一系列處理，并優化改進算法，實現了植物器官重現。目前，計算機還難于達到完全自動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，充分利用人與計算機各自特點優勢來共同解決復雜問題。
目前該領域的研究主要包括：基于輪廓的體重建（Volumes from Silhouettes）、基于剖面的曲面重建（Surface Curves from Profiles）、基于立體視覺的三維點重建（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圖像展開直接的分析與處理，從而能夠呈現更加真實的場景效果。
2.3 幾種植物建模方法的比較
計算機模擬植物的形態結構有著廣泛的前景。如：在教育領域，師生們可以通過虛擬植物獲得高效率的學習、研究；在娛樂領域，計算機可視化技術給人們帶來了極具感官立體的真實沉浸感。隨著科技的進步和計算機圖形學的發展，虛擬植物將會在更多領域得到應用。不同時期提出的建模方法在解決科學問題方面都存在著差異，表1即對比解析了5種不同的建模方法的研究成果和不足之處。
3 存在的主要問題
綜合前述對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缺點。自然界中，植物的種類各異，生長過程和環境也紛繁復雜，然而任何一種建模方法都有其獨特適用范圍和局限性，例如L-系統，雖然能夠較為真實地模擬植物的動態生長過程，但生成規則難以提取、且具一定理解難度；粒子系統，對模糊類的物體有較好的模擬效果，但對植物景觀的模擬效果卻呈現明顯劣勢。因此植物生長模型迄今尚未獲得一個完善的體系，仍需進一步發展改進。
虛擬植物的最初研究主要集中在地上部分（花、果實、枝葉、莖等），因此植物地下部分（根系）的研究還處于成果單調且薄弱階段。地下部分在植物的生長過程中起著至關重要的作用，是植物與外界進行物質交換的重要通道，因此若要切實模擬環境因素（水分、肥料等）對植物生長發育的影響，就要加強植物地下部分的研究，使得地上部分與地下部分充分結合，開發構建完整的植物生長模型體系。
現在虛擬植物的可視化技術的起步時日也尚且較短，尤其對于那些有著復雜形體結構的植物很難生成逼真的視效圖形，例如卷心菜的葉子交錯纏繞，以及碟形、輪狀花冠等比較復雜的花形。此外，在外力作用下植物的動態變化（如枝條的隨風搖擺等）給虛擬植物的可視化技術帶來了更大挑戰。
4 結束語
隨著計算機處理能力的提高和計算機圖形學的進步，虛擬現實技術應用逐漸拓展至普通用戶， 自然景物建模即是虛擬現實中的建模難點。本文較為全面地縱覽解析了近幾年來植物建模的一些主流方法，可以作為參考借鑒，并在此基礎之上展開更為深入系統的研究。為達到對植物的真實感建模，在場景中構建植物模型時，應根據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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關鍵詞：虛擬場景 三維可視化 ArcGIS
中圖分類號：P208 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）05（a）-0029-02
在三維圖形世界中，可視化技術可以直接操作具有形體的信息，直接和計算機交流。該技術以一種直覺且自然的途徑統一了人和機器的力量，這無疑促進了人們工作效率的極大提高。利用具有仿真、三維的且具有實時交互功能的可視化技術，人們可以用以前無法想象的手段在三維圖形世界中充分展示自己的創造性或信息獲取。三維可視化軟件大都依賴于計算機圖形學和可視化技術的發展，美國Skyline軟件，美國ERDAS公司的IMAGINE Virtual GIS，國內靈圖的VRMap等，是比較專業的三維可視化系統軟件或平臺。由于建筑物三維景觀模型能夠對區域建筑環境進行再現，在計算機屏幕上，不僅可以看到生動、逼真的建筑模型，而且還可以實現漫游、量測、查詢等一系列操作，在建筑領域的GIS中有重要意義[1]。它給我們的體驗更逼真，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動變化規律，提供了很大的便利和觀察的可能。該論文旨在建立某區域的建筑群的三維虛擬景觀模型，實現全方位展示該區域的整體形態和主要功能區細部特征，使公眾僅僅通過飛行瀏覽和鼠標點擊即可“身臨其境”地了解該區域的概貌和其中感興趣的各方面相關介紹信息，同時提供有價值的咨詢信息和全數字實體模型。
1 該研究的相關理論
1.1 可視化
利用計算機圖形學、地圖學和圖像處理技術，把數據轉換成圖像或圖形，通過屏幕顯示，并進行交互處理的理論、技術和方法，就叫可視化（Visualization）[2]。其本意是使事物被視覺所感知。它把數據或符號變成幾何圖形，便于研究人員對其模擬和計算過程進行觀察。該技術向用戶提供靈活、有效使用信息的手段和方法，從而以多形式、多視角、多層次、綜合地表現空間環境信息，具有信息表達形象化、直觀化，操作簡單便利等，以便推廣應用該系統。可視化在地理信息系統中主要有地理信息的可視化表示、地圖數據的可視化表示、空間分析結果的可視化表示。
1.2 TIN
利用不規則三角形面片構造地質模型的方法即T IN。廣義來講，T IN表面法是所有基于三角形面片構造地質模型方法的統稱，可用Delaunay三角剖分。以某種相對合理的方法把某一區域中隨機分布點聯系起來，建立較為完美形態和完善功能的三角形網絡，這就是T IN表面法的特點。
2 數據源與數據庫
2.1 輸入數據
該文使用的核心數據源是某區域的CAD平面圖，包括道路、操場、綠地、主體建筑物分布等信息。先把AutoCAD的平面圖導入ArcMap里，選擇合適的投影（這里以Beijing_1954_GK_Zone_19N為投影），按照原來的坐標進行配準，然后在分析系統需求的基礎上，通過合理的取舍，運用ArcGIS的AreCatalog模塊[3-4]新建相應的點、線、面等圖層并設置好投影，再用ArcMap軟件將柵格圖的各個地理要素數字化，得到新的該區域的二維矢量數據。經過綜合取舍建立了16個圖層，如圖1所示。數字化后的矢量結果圖如圖2所示。
實體屬性數據的輸入一般可根據實際情況，采集、整理地物相關屬性數據。錄入屬性數據時，特別要注意的是點高程的錄入，高程點的分布用地統計分析Geostatistical Analyst工具分析之后，必須要接近正態分布。由于數字高程模型（如TIN等）是依據點的高程建立的，所以點的高程直接影響到模型的變化。本文通過對系統的需求進行分析，將該區域空間數據按其空間特征細分為點、線、面等實體類型，把與地理空間有關的對象抽象為建筑物，道路、植被，水系等通用概念。Geodatabase的設計完成后，利用ArcCatalog開始建立數據庫。
2.2 TIN模型的建立
通常從多種矢量數據源中進行TIN模型[5-6]的創建，創建TIN的數據源可用點、線與多邊形作為要素。創建TIN的操作如下：（1）對創建TIN所要使用的要素圖層進行選擇；（2）選擇、合成要素；（3）設置輸出路徑及名稱。
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，主要用到的紋理數據包括建筑物的頂面、側面、草地、操場、圍墻、樹木、路燈及雕塑等紋理[7]。三維空間對象建模用真實影像數據，這樣三維可視化的逼真度可大大提高，用戶實時漫游時身臨其境的感覺也大大增強了。三維建模中所需的紋理貼圖數據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現與操作
3.1 數字建筑群的建立
關鍵詞：神經網絡 圖像處理 機器人 草莓
中圖分類號：TP301.6 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416(2012)07-0091-02
國內外對圖像處理技術和神經網絡理論在果蔬商品化應用中的部分成果已進入了實用階段。隨著計算機科學的飛速發展和在許多領域中的成功應用，果蔬采收分級的實時自動化已經變得完全可能。但是，生物特征的多變性和隨機性與工業產品有著很大區別。在草莓采收、分級這一過程中，為了提高檢測的精度、速度和準確性，需要解決多種技術問題，如：光源的選擇和設置；圖像的采集方式和圖像的質量；硬件處理速度；模式識別算法；要求有更多分級算法的訓練樣本等。從長遠看，應該對揀選對象的形狀、表面、光學、熱學、化學、生物學等各方面的特征和生理機能進行更加深入的研究，這樣才有利于檢測技術改進，促使新的信息采集技術和傳感技術的產生。
草莓是一種營養豐富的高級水果，隨著人們生活水平的提高，草莓按其顏色、形狀及大小進行揀選分類、包裝將成為趨勢。因此，草莓形狀的判別的研究和草莓揀選設備的開發具有很重要的現實意義。
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。因此，草莓形狀的判斷是揀選者根據對標準草莓規格的理解和經驗來判斷出結果。本設計中草莓形狀的識別部分采用了神經網絡的識別技術，神經網絡具有學習功能和很強的模式識別能力，即使當局部網絡受損時，仍然能夠恢復原來信息。神經網絡的信息分布式存儲于聯結權值系數中，使網絡具有很高的容錯性，而圖像識別中往往存在噪聲干擾或輸入圖像的部分損失，因此，神經網絡可以很好地解決圖像識別問題。另外，神經網絡的自組織和自學習功能，使其對圖像問題的識別和處理較傳統圖象識別方法顯示出極大的優越性。因此，草莓揀選設備只要通過對標準形狀草莓的學習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解決草莓揀選的問題，該算法是基于圖像處理技術、神經網絡算法而生成的一種草莓形狀判別算法。并利用該算法開發了草莓揀選設備。
2、草莓揀選設備的構成
草莓揀選設備硬件系統組成如圖1所示。CCD攝像機將所要識別、解釋的對象以圖像的形式記錄下來；插入計算機內部的圖像采集卡可以將攝像機采集的電信號轉變為數字信號，即圖像數字化，以便計算機對其進行各種必要的處理；照明裝置為圖像采集提供合適的光源，以便對圖像進行處理和分析。
3、草莓形狀圖像分割及特征提取
人工揀選草莓時很容易根據草莓果實部分的形狀特征來判別其等級，但對草莓揀選設備來說，草莓是任意放置在傳送帶上的，計算機采集到的草莓圖像其方位是不確定的。因此，本設計采用了彩色圖像處理技術。圖2中，（a)圖是圖像卡采集到的草莓圖像信號以RGB彩色模型顯示在監視器上。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，就要對采集到的草莓彩色圖像做以下處理：
第一步：把彩色圖像轉換成黑白的二值圖像，經過濾波、填充、提取邊緣信號等處理后，最終得到整體輪廓線圖像（c）；
第二步：彩色圖像減去R輝度圖像產生目標圖像(d)；
第三步：目標圖像經二值和邊緣提取處理后，得到了果實輪廓線圖像，如(e)所示；
第四步：最后把整體圖像輪廓線圖像和果實輪廓線圖像這兩種圖像進行邏輯運算，然后得到曲線型草莓形狀特征圖像，如(f)所示。
4、基于神經網絡的判別
得到的草莓形狀特征可以用一組八參數來表示，要劃分A、B、C等級就需要控制兩個空氣驅動器。我們建立的人工神經網絡是基于BP算法的前向三層神經網絡，如圖3所示。選用了兩個結構簡單的BP網絡，輸入為8，正好每個參數對應一個輸入端單元；輸出為2，每個輸出單元控制一個空氣驅動器。在進行前向多層神經網絡的學習時，不斷調整隱層節點數，經過試驗，采用8-4-2結構。
5、軟件程序的功能
判別草莓形狀的系統軟件程序是實現草莓的揀選功能的關鍵。系統軟件在功能上劃分為訓練部分和判斷部分。訓練部分包括圖像處理、特征提取和網絡訓練；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控制。系統程序用MicrosoftC語言編寫，程序流程圖如圖4所示。
6、結語
本文通過計算機圖形處理技術、模式識別等理論的研究，結合神經網絡算法進行了草莓形狀判別的設計，在草莓形狀的有效特征提取和分類識別方面進行了理論上的研究，提出了基于前向三層神經網絡和計算機圖像處理的一種能對草莓形狀進行自動判別的新方法，為草莓的揀選機器人的開發提供了理論基礎。草莓揀選設備乃至其他水果揀選設備的開發對將要進入老齡化社會的我國來說是很有意義的。
參考文獻
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關鍵詞：電腦設計；設計藝術；藝術表現
1 電腦設計概述
電腦在藝術設計中的應用，源起于電腦圖形技術在藝術設計領域的發展，電腦交互式圖形技術的原理和機制，提出了Computer Graphics（電腦圖形）這一概念，確立了電腦圖形學作為獨立學科的重要地位，奠定了電腦圖形技術發展的理論基礎并使其廣泛應用。現今的電腦設計仍是以交互式電腦圖形技術為基礎繼續發展。雖然今天軟、硬件的水平都已交互提升到一個新的高峰，但顯示系統的發展仍是人機交流的主要介面，而未來電腦智能程度的發展將促成人機介面發生巨大的變化：一方面，更加高級的電腦將學習理解人類的動作、聲音，甚至表情，另一方面，視覺顯示將不再是人機交流的唯一通道。不過當下，仍需要人們先去學習、理解電腦，然后才能用它進行設計表現工作。
2 電腦設計的特性
電腦設計無需尺、規，卻能更加規范和精確；無需筆、墨卻能表達同樣的內容。電腦使設計的概念和機器都有了完全不同的意義，由構思至著手，由打稿、制作至完成、輸出，它們的形式和內容都有了全新的變化。因此，電腦在當今的藝術設計中發揮著極大地作用。電腦設計的特點體現在以下幾個方面：
（1）快速、高效且精度高。電腦設計取代手工的重要原因之一是高效快速。在競爭日趨激烈的設計行業，提高效率是保持競爭力的關鍵所在。據統計，電腦設計使設計周期縮短了三分之二至六分之五，工藝的設計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。電腦設計的另一特長是精度高。現行的高檔PC軟件的精度可達到小數點后的十幾位，可以畫一張等比例的世界地圖。
（2）豐富的色彩表現。硬件價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感使使用者更多的參與其中，引導著使用者走進一個虛擬的空間來欣賞設計者的作品。而使用者的廣泛參與又使設計這種社會化的工作變得更加社會化，電腦將最終促成藝術設計民主化理想的實現。
（4）保存方便修改快速。電腦設計能迅速完成對任何局部的修改，無需像徒手方式那樣從頭來做，可隨意復制而且保存方便，可在計算機上通過復制、鏡像、旋轉等命令反復尋求變化和組合方式，從而達到眾中挑一的效果，極大地降低了成本。
3 電腦設計在設計藝術中的定位
電腦技術只是一種表現手法，比傳統的手繪表現方式快、精、準。所以，只有精通各類設計軟件的操作，才能更好更充分地表現藝術設計的需要。但有時部分人過于沉迷軟件的學習，忽視設計藝術的創意，這顯然有悖于專業人士所為。舉個例子，社會上有些人一味追求電腦美術設計技術的操作，甚至純粹就以操作美術設計軟件為生，認為會幾個設計軟件就是會了藝術設計，所做作品，體現不出藝術性，更缺乏新的創意。亦沒有表現出自己的獨特個性與想法，沒有想法，沒有創意，忽視設計的基本原則，未曾意識到創意是藝術設計的靈魂，以為電腦什么圖都能做出來。所以在現代藝術設計中，我們要強調電腦設計軟件只是工具，無論它有多少功能、有多么先進，但它沒有文化內涵、沒有思維，如果沒有藝術素養和創作激情，多么神奇的各種功能也代替不了作為審美主體的人腦，設計者的設計水平決定著設計的藝術效果。Photoshop也好，3DMax也好，一把錘子也好，一支筆也好，在不同的設計師手中起著不同的作用，它們僅是進行藝術創作的工具，是設計者駕馭電腦軟件，而不是設計軟件駕馭設計者。
4 電腦設計離不開手繪表現
在電腦設計中用軟件進行草圖創意時往往不如用手繪來得快且生動。因為草圖設計是表達創意構思的過程，所以在電腦設計的構思、構圖設計階段，應該多思考，多用手去勾畫，待草圖確定以后，再啟動電腦設計軟件對圖形、圖像進行處理。在軟件運行處理的過程中，有時又會出現草圖設計時意想不到的效果，也會啟發設計者的思維，有利于創造出更好的藝術設計作品。因此作為一個現代藝術設計師更要加深自己的藝術修養，提高自己的手繪表現能力。
5 結語
設計藝術無論在觀念上、功能上、還是在語意和形式表現上，都受到各類文化思潮和藝術風格的影響。現代電腦設計作為設計藝術中的主要組成部分，經歷了從工業化社會到信息化社會的轉變。從發展趨勢上來看，電腦設計將逐漸更深地融入到現代設計藝術的潮流當中，對藝術與設計的影響和參與越來越深入，藝術與科學一并作用于我們的生活，亦可說藝術與科學的界限越來越模糊，這或許是一種無法回避的現實。在現代設計多元化發展的大趨勢下，電腦設計的介入使設計新觀念、新思維不斷形成，以往貫穿于設計藝術中的法則正逐漸被打破，現代設計藝術的發展形成了新的需求。人們對于設計藝術的態度己經不再是基本功能、屬性上的滿足，而更多的是希望其能夠標新立異，并更加個性化，信息化，更加關注新的形式語言的構建，滿足個人心理層面上的需要，使電腦設計與設計藝術更好的融合統一于藝術創作始終。
參考文獻：
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關鍵詞：全景圖 虛擬現實 圖像拼接 導航
中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2012）09-0057-02
1、引言
近年來，隨著虛擬現實技術的發展，其應用內容也日趨復雜化。特別是網絡圖形技術的發展，對具有真實感強的實時虛擬場景繪制方法提出了更高的要求。因而急需在現有計算機平臺下研究一種有效的圖形繪制算法以進一步加速對復雜場景模型的繪制，然而算法的繪制速度、對象的生成質量及場景復雜度之間的矛盾，己成為計算機圖形學領域一個重要的課題。
虛擬場景的繪制是虛擬漫游系統的關鍵，依據不同的場景建模方法，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：（1）以圖片代替3D建模，虛擬場景生成速度快，開發周期短。（2）場景逼真，給人以身臨其境的視覺滿足感，可達到照片級的真實感。（3）數據量小，適合網絡傳輸，且視圖生成算法計算量小，能夠在一般PC機上實時繪制完成。
2、全景圖技術
全景（Panorama）技術是目前迅速發展的一門視覺新技術，它可以拓展圖片的分辨率和實現信息壓縮，目前已廣泛應用于宇宙空間探測、醫學圖像處理、海底勘探等社會領域。全景圖可通過多種途徑獲取，目前多采用圖像拼接的方法得到。虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）系統又可稱為靈境技術，它可提供一種模擬仿真的互動環境。對于任何一個虛擬現實系統，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（IBR技術）
它采用真實的場景圖片作為輸入，并通過圖像處理技術對全景圖像進行反投影、插值等運算來繪制虛擬場景。其與傳統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，直接由己知場景圖像合成新視圖。
基于IBR的方法較傳統的基于圖形繪制的方法，有著以下優勢：（1）場景真實，沉浸感強。（2）建模簡單快速。（3）數據量小，實時性好。
2.2 立方體全景圖技術
立方體全景圖可實現360度無視覺死角漫游。視平面與立方體全景圖的幾何關系如圖1所示。
通常可以由兩種方法來生成立方體全景圖：第一種是用拼接軟件的方法對采集的圖像進行無縫拼接，并采用立方體投影模型來生成具有6個面的立方體全景。第二種方法是用數碼相機嚴格標定相機的位置，使用90度的廣角鏡頭在上下，前后，左右6個方向依次各拍攝一張照片，并將獲取的照片無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）是通過寬視角圖像、360°全角度具有三維立體圖像對現實中的景象進行建模展示，根據多個靜態的圖像進行合理的組合來展現實際場地的一種連續查看。隨著計算機技術水平的快速發展，為圖像的計算機處理提供了更為先進的數字處理方法，我們利用多個現場圖像的拼接，通過數字技術實現對其各個拼接點和接觸點進行編輯；也可以對每個節點進行不用角度的和遠近距離的查看等操作。這種根據多個圖像拼接來實現整個場景的展示過程如2圖所示：
3、虛擬實景空間系統分析設計
虛擬實景即將現實中的場景通過現有虛擬技術進行表現，由于技術實現復雜度高等條件限制，提出了基于實時序列普通圖像采集數據，運用IBR全景技術，將圖像數據生成可靠性高，真實度高的虛擬環境的全景圖。
虛擬實景空間的數據采集來自于真實的場景照片、圍繞人機交互操作這個核心，比傳統的虛擬技術在真實性、人機交互等方面有很大的優勢，其主要特點體現在以下幾點：
（1）原始數據真實性。基于建模的虛擬空間是實景是通過3D幾何模型實現，而虛擬實景空間構造使用的是實景圖像。 （2）空間。虛擬空間是虛擬場景和視點之間的關系，虛擬實景空間系統是以圖片采集點W（X，Y，Z）為唯一視點，在該視點觀察者可以進行360°×180°查看空間場景的基本元素，在場景的所表達出的所有時空信息則是真實有效的。（3）虛擬。虛擬是指在圖片采集技術的基礎上，通過計算機技術，將原始數據轉換成直觀、易于操作和管理的真實、有效、完整的虛擬數據，可以真切模擬現實場景的信息。（4）交互。虛擬實景技術是基于易于交互和操作的基礎發展起來的，交互性是關鍵所在，由于現有全景技術的技術所限，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、全景圖自動拼接系統實現
全景圖的實現是經過對圖片一系列的處理，如拍攝、拼接、融合等一些關鍵步驟，從而形成一副從視覺上觀察是一副完整并且連續的一系列圖像的有機、有序的組合。
將拍攝得到的圖片分組拼接時，每組圖像都沒有一個固定合理的排列順序，這些圖片中包含了構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。而漫游系統中全景圖是自動生成的。
系統實現。下圖為對某景點全景圖的虛擬漫游的實現，圖3，圖4為對景點的拼接后的全景圖。
上圖中，左上角是系統的導航系統，用戶可以根據自己的需要選擇其他景點。根據選擇景點的不同，系統所呈現的景點信息也會隨之發生不同變化。用戶通過鼠標可以直接定位感興趣的范圍，然后通過鍵盤上的上、下、左、右鍵選擇去向，也可以選擇全屏觀看，對全景圖像進行旋轉等功能，大大提高了系統的靈活度。
5、結語
本論文運用圖像拼接、圖像融合理論，編程實現全景圖的拼接及融合過程，結合虛擬漫游技術實現了虛擬場景漫游及導航、半視點360×360度無視覺死角瀏覽、全方位地漫游整個景點區域場景的功能；也方便地實現全景圖的漫游、實景展示的功能，使用戶體驗更加真實有效。
實驗結果表明，該系統在全景圖的漫游及導航功能在效率和精確度方面都有良好的可用性。系統的實現，為旅游業的發展提供了有力支持。
參考文獻
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關鍵詞：
中圖分類號： TP391．9 文獻標識碼： A 文章編號：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
美國前副總統戈爾在1998年1月提出“數字地球即一種可以嵌入海量地理數據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的數據”，近年來隨之興起了“數字中國”、“數字城市”、“數字校園”等概念。“數字林業”是國家林業局在2001年提出的，這是“數字化”理念在林業方面的應用，其概念被明確為“系統地獲取、融合、分析和應用數字信息來支持可持續森林經營管理的科學、技術和藝術”[1]。
三維可視化技術是使用計算機圖形學圖像處理技術為基礎，將地球表面某一地域的數據信息轉換為三維圖形或圖像的形式在屏幕上顯示出來，并進行交互式處理的一種新技術。目前， “數字林業”的三維可視化是林學和計算機圖形學領域研究的一個熱點，從簡單的林木三維建模到輔助進行的林分空間結構合理化，三維可視化技術都提供了一種全新的森林生產經營理念和方式，這對未來的森林管理與決策起著至關重要的作用[2]。
下面介紹三維可視化技術在數字林業中的應用領域。
1 樹木模型三維可視化
樹木的三維可視化是指利用科學的計算方法，將自然界中千變萬化的樹木形態轉換為直觀的幾何圖形，并將描述其生理結構、生長過程的復雜數據在計算機中進行直接的計算和模擬，即將樹木結構的描述方法與幾何參數反演成具體的林木空間形態，在此過程中可以采用光照、紋理、渲染等手段對林木圖像進行繪制。準確而逼真地實現樹木形態的三維虛擬顯示是三維可視化技術在數字林業應用中的基礎。結合森林空間結構特征信息，可為研究樹木生長趨勢和木材的收獲評價等森林經營決策提供可視化的、精準的決策標準。
由于樹木形態復雜，所以對模擬技術和系統開銷有較高的要求， 而且樹木生長具有生理確定性和長勢不確定性的雙重特性，至今，樹木三維可視化還沒有得到一個完善的具有林業研究意義的三維模型。為此，眾多大學、研究機構的學者們對這個問題提出了自己的見解并進行了嘗試[3]。
李慶忠等提出了一種L系統與IFS相互融合的植物形態模擬新方法，既能通過 L系統模擬出植物的隨機生長的規律和拓撲結構，又可以利用IFS 來模擬植物各基本組成部分的自相似性和豐富的紋理、質地特性，得到比較自然和具有真實感的植物模擬效果[4]。郝衛亮等運用遞歸調用分形自相似結構的方法構造了樹木的三維模型，采用分枝結構的隨機抖動與雙緩沖技術，既解決了模型的真實感，又解決了實現速度問題，簡潔高效，具有普遍應用性，而且能生成形象逼真的樹木圖形[5]。張佳佳等基于樹木的形態結構特征，使用分形迭代系統構建樹木的整體結構形態，并用參數化曲線模擬樹木枝條的自然彎曲狀態以及在彎曲過程中枝條半徑的變化，實現了樹木形態結構的三維可視化[6]。呂夢雅等將閾值分析法與改進的種子點區域增長算法相結合，引入起飛著陸算法，實現了枝干結點的自動匹配，并在此基礎上實現了基于手持相機雙視點圖像的樹干三維重建系統[7]。向南平等利用GIS的組件ArcObjects提供的Scene viewer Control控件，在單株樹木的三維可視化模型基礎上應用 GIS數據，得到實時森林景觀三維模擬系統[8]。Pradal等在Python程序語言基礎上設計了一個用來創建、模擬和分析3D虛擬植物的開源圖形工具包――PlantGL，提供了一套表示不同規模植物結構的幾何模型[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：基于規則幾何體的模型、基于樹的三維造型、使用樹木模型和軟件集成的方法實現林分三維可視化。隨著計算機技術的發展， 逐漸出現了各種林分可視化系統。可視化系統不僅可以反映林木的基本空間結構，也可實現動態漫游， 讓參與者有身臨其境的真實感受。
2 虛擬林相圖三維可視化
隨著計算機圖形學、虛擬現實及三維仿真技術的飛速發展，林相圖的制作經歷了二維林相圖、數字林相圖、虛擬三維林相圖三個發展階段。
傳統的林相圖制圖、成圖周期長、精度低、投入高、比例尺固定、成果單一、資料難以保存；小班數據庫資料和圖面材料分離，無論今后森林資源數據如何變化，圖面資料都不會隨之變動；信息量不足，真實感差，實用性不強[10]。而虛擬林相圖能夠直觀、準確、交互地在計算機上模擬大面積森林所在的地形、樹種組成、樹高、起源、分布等信息。因其有機地結合了二維林相圖的宏觀性、整體性、簡潔性和三維虛擬場景的局部性、真實性的優點，同時又克服了二維林相圖的三維信息缺乏和三維虛擬林相場景漫游的方向迷失感，所以真正做到了兩者的優勢互補[11]。
虛擬林相的最大特點是直觀性，以活立木的形式來表現林相信息，可以為數字林業提供信息，又能為森林旅游提供宣傳工具。Lim等使用虛擬現實模擬語言（VRML）開發了一個森林景觀可視化系統，能夠實現漫游仿真和三維圖像渲染，從而輔助森林管理經營進行正確地決策[12]。2003年，羅傳文以上甘嶺林業局為研究對象，制作了包括三維圖像顯示、屬性數據處理和導航三部分組成的虛擬林相圖[13]。2006年，曲林以一個三維虛擬林相程序TERRAIN的制作過程為例，介紹Visual C＋＋開發平臺上基于OpenGL圖形庫的三維虛擬林相圖制作方法。董斌等以北京市妙峰山林場為例介紹了數字三維林相圖的構件技術。通過不同顏色表達不同樹種的分布，克服了紙質林相圖樹種分布不直觀、界限不明顯的缺點，實現了森林的規劃設計、撫育、更新和管理的可視化[10]。盧雙珍等利用數字高程模型以及ArcView、ArcMap、ERDAS等軟件，進行三維林相圖的制作研究，實現了從二維林相圖向三維林相圖的跨越[14]。孫海洪等實現了三維虛擬林相的顯示、放大縮小和漫游等功能，為林業規劃顯示系統的開發提供模塊和技術支持[15]。
基于地理信息系統技術構建數字三維林相圖是未來林業制圖的重要發展方向之一。利用數字三維林相圖可以直觀地查詢小班的林種分布、樹種結構、面積、土壤、坡度、坡向、土壤厚度、土壤質地等，可以非常容易地實現森林的規劃設計、撫育、間伐、更新和管理。隨著計算機軟硬件技術的不斷發展，數字三維虛擬林相圖的構建過程會越來越簡單，從而使這項技術從理論走向實踐，真正實現林業的數字化、定量化、可視化、網絡化和信息化。
3 生長模型三維可視化
三維可視化生長模型是通過對樹木構筑型和林分生長模型的研究，基于木本植物的生理特征與計算機的高速運算功能，模擬真實樹木在自然環境中的生長過程，并在以往研究數據與經驗基礎上，對當前林業實踐進行準確指導、評價、預測的計算機三維模型[16]。
研究森林生長規律，指導森林經營活動，是林業研究的一個重要方面。隨著數學模型和計算機模擬技術的發展，使樹木生長得到更好的模擬。學者們對樹木枝條的生理特性和空間分布狀態的研究更加細化，使樹木模擬研究逐漸向定量化和動態化發展[17]。
實現林木生長的三維重現，便于對樹木生長進行科學有效的表達。許煒敏等以VS2005為平臺，采用VB．NET語言，利用ArcEngine的一系列應用接口和控件，結合林場小班圖層、立地因子、數字高程模型（DEM）、不規則三角網（TIN）、遙感影像等數據，根據不同立地條件貢獻值以及林齡進行蓄積量計算，實現了基于ArcScene的杉木林蓄積量可視化表達，動態演示了杉木林依據立地因子和生長模型的蓄積量生長分布過程[18]。蘆海濤等以水曲柳為例，采用逐步回歸的技術建立水曲柳單木生長模型，為水曲柳的生長和經營提供參考和依據[19]。李忠國等在分析我國暖溫帶中山區和北亞熱帶高山區日本落葉松生長情況的同時，在模型中加入了代表區域特征的啞變量來建立日本落葉松人工林生長模型，為科學經營奠定了基礎[20]。
林分生長模型是根據已知的林分初始信息及環境因素計算出林分生長過程中的各種參數或數據。根據林分生長模型來指導營林生產已成為林業集約經營的一項重要技術。景向欣通過實測數據結合樹木生長的生物學特性、枝條生長模型、節子（死枝）預測模型、葉量預測模型建立了樹木動態三維可視化模型系統，有助于經營者選擇有效的經營措施[21]。向瑋等以落葉松云冷杉林為對象，建立分樹種的矩陣模型，并模擬不同采伐方案對木材生產、樹種和林分結構多樣性及碳貯量的綜合影響，為多目標森林經營決策提供方法和依據[22]。
4 林火模擬三維可視化
森林火災是森林經營中最嚴重的自然災害之一，與普通的火災相比，具有突發性強、難以控制、恢復期長等特點，同時林火的燃燒與地形、風向等環境因素關系密切。一旦發生，極易形成高強度的樹冠火和地表火，嚴重危害森林資源、環境和撲火人員生命安全，不僅會造成巨大的經濟損失，而且會對生態系統和氣候造成不可忽視的影響。隨著計算機技術的飛速發展，尤其是計算機圖形和虛擬現實技術的發展，使得三維表達真實感事物成為可能。利用三維真實感圖形表達不僅能實時顯示受災面積、火勢蔓延的方向、火勢大小，而且能給人以真實的感覺和可視化的畫面[23]。
林火蔓延是一個多相、多組分可燃物在各種氣象條件（溫度、濕度、風向、風力等）和地形影響下燃燒和運動的極其復雜的現象。林火蔓延模型是指在各種條件簡化的條件下，對其進行數學上的處理，從而導出林火行為與可燃物的性質、氣象因素、地形因素等參數間的定量關系式。利用這個模型來預測將要發生或正在發生的林火行為，指導日常的林火管理和突發的森林火災等工作，從而使林火能以最少的人力、物力及在最短的時間內撲滅[24]。如何建立恰當的火焰模型，生成具有真實感的火焰效果，一直是計算機圖形學領域的研究熱點。自從1946年Fons首先提出林火蔓延的數學模型以來，世界上出現了許多防火模型，其中，以Rothermel模型最成熟，運用最廣泛。
虛擬的林火蔓延模型包括對林火造型的三維模擬、對林火的蔓延過程進行模擬以及林火與其它環境因素進行交互的三維模擬等方面內容。具有代表性的林火造型模擬技術有粒子系統、紋理合成及基于物理的模擬等 3種技術。黃華國等在分析林火蔓延的現有模型的基礎上，整合數字高程模型、氣象因子、樹種因子的三維曲面元胞自動機模型，設計數據提取、加工、應用框架，開發出能夠進行林火蔓延三維模擬的軟件系統[25]。李建微等在構建大場景虛擬森林景觀的基礎上，以福建漳浦林區為實驗區，采用Rothermel模型和Huygen原理，以改進的粒子系統方法，對在不同的風速和坡度下的林火進行三維模擬。該模型能夠仿真在火場不同位置的林火擴散行為，既能實時地顯示受災的面積、火勢蔓延的方向、火勢大小，且能給人以真實感[23]。姚林強在分析近幾年來國內外對火焰模擬技術發展的基礎上，充分考慮林火自身的燃燒機理和造型特征，提出一種基于變形的粒子系統模型，以滿足林火仿真在實時快速、真實感等方而的需要[26]。張超基于Rothermel林火蔓延模型，利用Huygen原理模擬火災現場，結合三維GIS平臺，實現林火行為的三維可視化。該模型能夠準確反映不同位置的風速、坡度及其他因素的影響，使臨場決策人員能夠更加快速、形象地獲取火場參數，從而提高滅火的效率[24]。Hoang等提出了一個沉浸式火災模擬和可視化系統VFire，將用戶置身于虛擬環境中，使其在各種條件下模擬實時火災，并通過采取措施進行火災撲救工作[27]。Parsons等提出一個新的模型FUEL3D，合并管道模型理論（PMT）和簡單的三維遞歸分支方法來模擬樹冠火，連接詳細的可燃物模型和詳細的火災模型，并與傳統的可燃物和火災模型進行對比，從而提出火災行為建模和生態意義[28]。Castrillón等提出基于3D虛擬環境的火災預測應用程序和火災模擬引擎，允許幾個用戶同時連接的遠程模塊，根據天氣和風力數據同時整合地形空間信息和植被類型來模擬和可視化地面火災的蔓延過程，來監測真實火災事件[29]。
隨著計算機技術和地理信息系統技術在林業中的應用，結合三維可視化模擬技術可以建立不同的林火蔓延預測模擬和分析管理信息系統，使用可視化的方式可呈現林火燃燒和蔓延過程、危害范圍和火警預測，為防災、減災提供決策工具。
5 病蟲害監測三維可視化
森林病蟲害是指造成森林植物生長發育不良或死亡的病害和蟲害，其傳播途徑廣、蔓延速度快、防治難度大、治理成本高， 至今尚未找到經濟有效的根治方法，對森林、生態、社會等方面造成了巨大的損失。中國是受森林病蟲害嚴重危害的國家之一，年均受災面積是年均火災面積的214倍，于是又稱為“不冒煙的森林火災”。根據不完全統計，森林病蟲害的種類約有8 000多種，其中經常對森林產生嚴重危害的就有200多種。因此，為了實現林業資源經營和發展的可持續化，人類需要對森林病蟲害進行真實有效的預測。
傳統的病蟲害監測常采用隨機模型、過程模型以及鄰域規則模型，其時效性差，不能進行大范圍的動態監測，更無法進行災害擴散的空間預測。隨著3S技術、三維可視化技術的發展，傳統的監測手段得到了擴充，使得測報由傳統的時間尺度上升到空間尺度[30]。例如，某地區受到病蟲的侵害，在數字地形模型（DTM）或數字高程模型（DEM）上疊加遙感影像圖和道路、河流、居民點等輔助信息，就可以模擬該區域的真實地形和場景，使相關研究人員能夠更詳細地掌握受災區的實際情況。此外，某些軟件中有模擬飛行的功能，使相關研究人員可以進行非實地的地理勘察和動態觀測，從而使其有一種身臨其境的直觀感覺[31]。
唐瑋嘉等設計出適合云南省松材線蟲病管理和預警的應用軟件，探索出一條能夠比較容易被廣大林業技術人員接受和使用的松材線蟲病調查、管理和預測預警的新思路， 從而提高云南省松材線蟲病管理的科技含量和決策水平，對于線蟲病的有效監測及預警具有重大意義，并且有助于決策部門及時制定預防措施和防治措施[32]。未來的森林病蟲害監測應該朝著多元化的方向發展，即在自身預防、治理等傳統理論作為基礎的前提下，運用空間信息技術，建立生物學、生態學、病理學、昆蟲學等各相關領域的專家系統，最終形成一個完善、科學的監測系統，進而對生產實踐進行指導。
6 森林空間結構三維可視化
目前的森林可視化與空間結構研究是相對獨立進行的，表現在：一方面，森林可視化研究側重于如何逼真地實現森林的三維虛擬顯示，但很少引入基于樹木坐標的空間結構指數進行空間結構分析，因此只可見森林，不知其空間結構特征，對森林經營輔助決策意義不大；另一方面，空間結構研究側重于描述森林的空間結構狀況或進行不同指數的比較，缺乏給森林經營者提供直觀的信息。森林可視化固然可以直觀再現森林，但森林經營者往往還需要掌握森林空間結構信息，因為這兩方面信息對森林經營決策至關重要[33]。
森林的空間結構反映了森林內物種的空間關系，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動，對林木生長和經營的可能性等都有著重要的影響。因此，森林空間結構是森林經營的基礎，在森林恢復與重建、結構與功能調控中具有重要意義。
森林空間結構主要包括：空間分布格局、競爭、混交三個方面。其中，三維可視化技術的應用主要就在空間分布格局方面，即在計算機上實現林分生長的視覺化、圖形化和立體化，實現數字林木和數字森林。三維可視化這個強大的工具不但作為恢復和管理的視覺參考點，而且作為一個了解過去、現在和未來森林景觀狀態變化的輔助措施。Stoltman等使用3DNature軟件將威斯康星洲的預結算森林進行可視化，將其與目前的森林狀況進行對比，進而發現存在的一些變化[34]。Tyrv?]inen等考察了兩種潛在的改進協作城市森林規劃與設計的方法，包括基于計算機的可視化方法和示范森林與景觀實驗室，通過研究發現這兩種方法的應用會實現森林規劃和設計的重大改進[35]。森林資源管理規劃必須解決生態、經濟和社會可持續所關注的問題。Falc?bo等將決策支持工具與計算機可視化技術相結合，提出了森林景觀動態模擬的可視化工具，能提供有效的實時導航能力，從而評估景觀水平的森林管理的影響[36]。通過分析多種經營行為對林分空間結構、種群密度、競爭態勢、林木更新所產生的影響，能促進工作人員調節經營方案，選擇合理的經營措施，從而實現科學合理的經營管理[37]。
對基于空間結構的經營方案進行優化設計，是數字林業研究的一個重要方向。張成程通過構筑樹冠三維模擬模型，結合可視化軟件3DTree來探討林分空間結構優化可視化經營和模擬不同間伐強度的采伐可視化經營。以空間優化指標來選擇采伐木，模擬林木動態生長對采伐空間的填充過程，并探討采伐所形成林窗動態變化曲線，以此為落葉松人工林的空間優化的可視化經營提供參考[37]。章雪蓮提出基于GIS把森林可視化和空間結構分析結合起來進行研究的一套技術方法[33]。以浙江省天目山國家級自然保護區內的常綠闊葉林為例，建立了基于樹木紋理貼圖的樹木三維模型；將Voronoi圖引入森林空間結構研究，改進了傳統的森林空間結構指數計算方法；開發建立了森林可視化與空間結構分析系統，在計算機上實現森林可視化與空間結構分析，為森林經營決策提供可視化的、精準的信息，為常綠闊葉林的保護、恢復與重建提供技術支持與理論依據，對實現森林可持續經營有著重要意義。
7 結束語
樹木模型三維可視化技術準確而逼真地實現了樹木形態虛擬顯示，林分三維可視化是在單木可視化的基礎上發展起來的，為森林景觀三維虛擬仿真提供了條件；直觀、準確、交互的虛擬林相圖可以使森林的規劃設計、撫育、間伐、更新和管理更加便利；利用生長模型可以快速地模擬林分生長狀況，為選擇合理的競爭指標和應用不同的方法來建構競爭指標提供了依據；林火模擬能夠及時避免和有效減少火災帶來的災害，同時結合通視域分析等信息可以建立合理的防火設施；三維可視化技術擴充了傳統的病蟲害監測手段，使得預測和治理由傳統的時間尺度上升到空間尺度；空間格局的研究是和森林經營管理結合最緊密的應用方式，在森林恢復與重建、結構與功能調控中起重要的指導作用。
森林資源信息量大、涉及面廣，而且相互關聯，各類信息復雜，對于那些沒有經過培訓或者在森林管理方面沒有經驗的人員很難理解，在林業中應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機和意圖，而且對相關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，對各類復雜自然景物的建模、算法的優化、空間分析及制定有效的經營管理策略等方面的研究還需要不斷深入。
三維可視化技術應用在數字林業中，不僅可使人們身臨其境地漫游在森林中， 也可通過模擬選擇最優的經營方式， 減少林業工作者傳統作業的工作量，避免經營失誤帶來的經濟和環境的損失，有助于林業管理人員在虛擬的環境下及時了解和掌握森林資源現狀和動態變化過程，如森林火災的蔓延過程和病蟲害的侵害趨勢等。同時，還能提供不斷更新的相關森林資源信息， 如地類、樹高、蓄積量和相關的統計結果，為相關森林資源規劃管理方案的制定提供高效、準確的輔助決策；而且對影響森林資源分布、演替的其他相關因素可進行綜合宏觀分析研究，從而推進森林資源培育、保護、利用的合理化，協調生態系統的和諧與共存發展。
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【論文關鍵詞】電子技術；理論與應用；近似計算；靜態分析
【論文摘要】本文首先探討了近似計算在靜態分析中的應用問題，其次分析了納米電子技術急需解決的若干關鍵問題和交互式電子技術應用手冊，最后電子技術在時間與頻率標準中的應用進行了相關的研究。因此，本文具有深刻的理論意義和廣泛的實際應用價值。
一、近似計算在靜態分析中的應用
在電子技術中應運中，近似計算貫穿其始終。然而，沒有近似計算是不可想象的。而精確計算在電子技術中往往行不通，也沒有其必要。盡管近似計算會引入一定的誤差，但這個誤差控制得好，不會對分析其它電路產生大的影響。所以關鍵在于我們如何掌握，特別是如何應用近似計算。
在工作點穩定電路中的應用要進行靜態分析，就必須求出三極管的基電壓，必須忽略三極管靜態基極電流。這樣，我們得到三極管的基射電子的相關過程及結論。
二、納米電子技術急需解決的若干關鍵問題
由于納米器件的特征尺寸處于納米量級，因此，其機理和現有的電子元件截然不同，理論方面有許多量子現象和相關問題需要解決，如電子在勢阱中的隧穿過程、非彈性散射效應機理等。盡管如此，納米電子學中急需解決的關鍵問題主要還在于納米電子器件與納米電子電路相關的納米電子技術方面，其主要表現在以下幾個方面。
（1）納米Si基量子異質結加工
要繼續把現有的硅基電子器件縮小到納米尺度，最直截了當的方法是采用外延、光刻等技術制造新一代的類似層狀蛋糕的納米半導體結構。其中，不同層通常是由不同勢能的半導體材料制成的，構建成納米尺度的量子勢阱，這種結構稱作“半導體異質結”。
（2）分子晶體管和導線組裝納米器件即使知道如何制造分子晶體管和分子導線，但把這些元件組裝成一個可以運轉的邏輯結構仍是一個非常棘手的難題。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平面上；另一種組裝較大電子器件的可能途徑是通過陣列的自組裝。盡管，PurdueUniversity等研究機構在這個方向上取得了可喜的進展，但該技術何時能夠走出實驗室進入實用，仍無法斷言。
（3）超高密度量子效應存儲器
超高密度存儲量子效應的電子“芯片”是未來納米計算機的主要部件，它可以為具備快速存取能力但沒有可動機械部件的計算機信息系統提供海量存儲手段。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的量子效應存儲器陣列或芯片同樣給納米電子學研究者提出了新的挑戰。
（4）納米計算機的“互連問題”
一臺由數萬億的納米電子元件以前所未有的密集度組裝成納米計算機注定需要巧妙的結構及合理整體布局，而整體結構問題中首當其沖需要解決的就是所謂的“互連問題”。換句話說，就是計算結構中信息的輸入、輸出問題。納米計算機要把海量信息存儲在一個很小的空間內，并極快地使用和產生信息，需要有特殊的結構來控制和協調計算機的諸多元件，而納米計算元件之間、計算元件與外部環境之間需要有大量的連接。就現有傳統計算機設計的微型化而言，由于電線之間要相互隔開以避免過熱或“串線”，這樣就有一些幾何學上的考慮和限制，連接的數量不可能無限制地增加。因此，納米計算機導線間的量子隧穿效應和導線與納米電子器件之間的“連接”問題急需解決。
（5）納米/分子電子器件制備、操縱、設計、性能分析模擬環境
當前，分子力學、量子力學、多尺度計算、計算機并行技術、計算機圖形學已取得快速發展，利用這些技術建立一個能夠完成納米電子器件制備、操縱、設計與性能分析的模擬虛擬環境，并使納米技術研究人員獲得虛擬的體驗已成為可能。但由于現有計算機的速度、分子力學與量子力學算法的效率等問題，目前建立這種迅速、敏感、精細的量子模擬虛擬環境還存在巨大困難。
三、交互式電子技術手冊
交互式電子技術手冊經歷了5個發展階段，根據美國國防部的定義：加注索引的掃描頁圖、滾動文檔式電子技術手冊、線性結構電子技術手冊、基于數據庫的電子技術手冊和集成電子技術手冊。目前真正意義上的集成了人工智能、故障診斷的第5類集成電子技術手冊并不存在，大多數電子技術手冊基本上位于第4類及其以下的水平。需要聲明的是，各類電子技術手冊雖然代表不同的發展階段，但是各有優點，較低級別的電子技術手冊目前仍然有著各自的應用價值。由于類以上的電子技術手冊在信息的組織、管理、傳遞、獲取方面具有明顯的優點。簡單的說，電子技術手冊就是技術手冊的數字化。為了獲取信息的方便，數字化后的數據需要一個良好的組織管理和提供給用戶的形式，電子技術手冊的發展就是圍繞這一過程來進行的。
四、電子技術在時間與頻率標準中的應用
時間和頻率是描述同一周期現象的兩個參數，可由時間標準導出頻率標準，兩者可共用的一個基準。
