时间：2022-03-04 19:37:26
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇计算机图形学论文，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
1. 计算机图形学
1.1 计算机图形学概述
我们现代人生活在各种各样的信息之中，如何应用计算机处理信息，处理图形成为了一个越来越重要的课题。本论文所要介绍的计算机图形技术，是计算机领域的热门领域之一，它是同电子硬件和计算机的周边设备一同发展而来。随着人类在航空航天、军事和通信等领域的突破，计算机图形学也得到了很快的发展。
计算机图形学是一门实用计算机产生、显示以及处理图形界面的知识体系。计算机图形学已经变得越来越重要，主要原因是：人们接收和发出信息，图形是很好的一种传递信息的方式。一个图形本身，就具有很丰富的信息，人们根据图形能够很自然快速地与外界进行交流。
1.2 计算机图形学研究热点
计算机图形学主要研究以下三个方面的内容。第一：隐藏线（面）的消除；第二：基本曲线的裁剪以及绘制；第三：现代图形学热点研究的内容，主要是虚拟现实技术、可视化、三维立体的重建等等。
由于在一个图形应用或图形软件中要大量重复调用这些基础算法，因此在这方面的任何进步都会对整个图形系统产生很大的影响。计算机图形学的基础算法经过人们几十年的研究，己比较成熟。但每一个进步对解决图形技术所面临的存储、传输、显示等问题都有很大的帮助。
2. 基础算法的研究
2.1 多边形裁剪算法
裁剪是处理图形一种很基础的方法，常见的裁剪操作主要有将不同的图形裁剪拼接形成新的图形。我们可以看出，裁剪算法在计算机图形学中是一种十分基础但是却又十分重要的操作[1]。
本论文所提到的裁剪方法，主要是针对凸多边形的。裁剪方法主要可以分为四个方法：中点算法、CS算法、CB算法、梁B算法。
（1）CS算法是Cohen-Sutherland的一种分区编码算法[2]。CS算法以前是计算机图形学中很重要的一种算法。CS算法对线段可以分为以下三种情况：窗内、窗外以及其它情况。我们在使用CS算法的时候，需要判断线段两端端点的编码，进而判断窗口和线段之间的位置关系，这种算法的缺点是对于判断所做的工作比其他算法多。端点编码检查算法的核心代码如下：
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）中点算法是基于硬件实现的。重点算法同样把窗口和线段的关系分成三种情况：窗内、窗外以及其它情况。对于窗内和窗外这两种情况，中点算法和CS算法的处理方法相同；对于第三种情况，中点算法简单地将线段分成两段。中点算法是基于硬件的，所以算法比较简单，相对于用软件来实现，更偏重于用硬件来实现。
（3）CB算法能够裁剪任意一种凸多边形的窗口。CB算法会将交点简化成上下两组，主要判断的方法是：直线段的方向矢量和窗口边法矢量的点积是否大于零。CB算法会取上组部分最小的交点以及下组最大的交点，作为可见部分的端点。由于CB算法更适用于一般情况，所以CB算法的运算更加复杂。
（4）梁B算法在四种方法中，运算速度最快。但是在某些特殊情况下，梁B算法也需要进行大量的运算。
四种基础算法的适用情况，如表2-1所示。
2.2 逐点生成算法
上一小节主要介绍了图像的裁剪，本小节的逐点生成算法主要着重于研究图形曲线的绘制。由于任何图像都是根据图形而来，而任何图形都需要绘制，所以图形曲线的绘制也是一项非常基础性的研究课题。
科学家最开始采用几何算法作为绘图算法，这是因为以前的图形显示器都是扫描类型的显示器。目前这种算法已经很少采用，但是在工程制图的绘制过程中，受到各方面的限制，我们往往不得不采取这种方法。这种算法的基本思想就是：步长之间的两个点，采取直线的方法连接。但是由于步长很小，我们实际看起来就是一条曲线。由于绘制条件以及算法本身的限制，这类算法有着自身的缺点：运算量非常大而且绘制不够精细。
不同于曲线的几何算法，像素级生成算法是一种全新的基于计算机的算法，这种算法主要分成两种。第一种是对参数方程进行求导，进而计算出小于或等于一个像素迭代步长的距离的点。这类算法的优点是能够适用于大多数曲线的绘制；这类算法的缺点是计算量很大，而且会造成多余的计算。第二种是根据曲线的隐式方程，找出曲线走向中下一个像素中最近的点。正是由于采用了这种原理进行曲线绘制，所以曲线的误差在一个像素范围内。这类算法的优点是速度快，因为每一次的步长都是一个像素点的距离；这类算法的缺点是适用范围狭窄[3]。
3. 结论
我们现代人生活在各种各样的信息之中，如何应用计算机处理信息，处理图形成为了一个越来越重要的课题。本论文主要介绍了计算机图形学，以及两种基础算法：多边形裁剪算法和逐点生成算法。对于这些基础算法的研究，对提高计算机图形系统系能具有重要的意义。
参考文献
[1]高云 计算机图形学若干基础算法的研究[J] 沈阳工业大学，2002.
[2]沈颖，宋文强 计算机图形学的基本算法实现研究[J] 电脑知识与技术，2009，17（5）：4518-4519.
关键词：计算机图形学；实验；教学研讨
中图分类号：G642 文献标识码：B
计算机图形学是一门理论与实验并重的学科。从理论方面看，该学科主要涉及与图形相关的概念和算法，和数
学、物理等相关学科的关系紧密，学起来有一定的难度。而实验是理论教学的深化与补充，是抽象转化为具体的方式，是晦涩难懂的公式变为活生生画面的过程。通过实验，不仅可以培养学生综合运用所学知识解决实际问题的能力，而且对于建立学生自信心、培养学生兴趣也起至关重要的作用。学生对该课程是既喜欢又担心学起来难度太大，如何上好第一次课，改变学生的态度，如何安排教学内容和实验环节，使学生既易于接受又能反映计算机图形学的基础知识和最新知识。本文针对这些问题，结合教学中的实际情况浅谈一下自己的看法和体会。
1课程内容介绍
在多数人的印象中，计算机图形学和其它专业课相比较，数学公式太多，难以学习和理解。但是由于它的诸多应用非常具有吸引力，尤其它是大家所感兴趣的游戏和动画的基础，很多学生又想接触它。如何加强学生的这个念
头，第一次课非常关键，它在很大程度上决定了学生是否选学这门课。图形学的理论虽然抽象，但是所表示的内容却形象，可以以此作为突破口。我们知道被称为“图形学之父”的Sutherland博士论文答辩时，将所研究的内容制作一部电影，边放映边讲解，大获成功。所以我觉得可以从一个动画短片或游戏片段出发，将所涉及的图形学知识融会贯通起来。因为在没学习图形学之前，学生很难建立图形学知识和游戏动画之间的联系。他们只知道图形学理论很抽象，游戏动画很容易吸引学生眼球，而且也知道它们之间的关系很紧密，但具体有什么联系却不是很清楚。我们可以从此出发，引出图形学的相关知识，让学生在不知不觉中了解图形学，接受图形学。这样轻松建立了相关知识点与实际应用的联系，也解答了学生学有何用的疑问。
现以动画短片《棋逢敌手》(Geri's Game)为例来说明如何引出图形学内容。该短片讲述的是Geri老头在公园跟自己下棋的事，故事情节生动，动画效果惟妙惟肖，很具吸引力。学生非常感兴趣，这是怎么做的，采用什么技术，Geri老头是怎么得到的等等一系列问题。我们便可以问题为导向一一解释给学生。Geri老头采用的是一种称为Catmull－Clark的细分曲面造型技术，在造型之前需要准备数据，所谓巧妇难为无米之炊，一般这样的数据是先建立一个实物的模型，然后通过三维激光扫描仪获取的。三维扫描仪扫描实物的表面数据，其数据量大，而且带有噪音，所以需要做去噪，简化等处理。简化后得到Geri老头的表面骨架，然后再采用细分曲面造型技术获取光滑逼真的模型。细分造型是一种逐层加细技术，如图1所示，图1(a)-(c)是不同层次的效果。从中可以看出图(c)图形的光滑效果最好，而图(a)最差。但是图(c)的数据量最大，这就需要根据不同情况选择不同的图形，如图2所示，当图形距离我们较远时可以选择精度不高的(a)图形，而较近时选择(c)图形。在游戏动画方面，对速度要求高，而对图形逼真性的要求相对低，这时可以选择数据量小的图形。这样通过图形展示给学生以感性的认识，一方面易于接受，易于理解，另一方面也能增加学习的兴趣。另外，形象逼真的图形采用真实感绘制技术，场景远近变化利用了图形变换的知识等等。一个短篇，基本上把图形学的相关内容都包括了，我们还可以再结合其它一些具体生动的图形动画介绍给学生。实际上，在图形学授课的各个环节，为了调节枯燥的数学公式，都可以演示一些相关内容的图形，也所谓的多媒体教学，在这方面，图形学应该更有优势。
2理论与实践并重
对计算机图形学这样的专业课而言，理论的学习离不开实践，实验是非常重要的一个环节。抽象的理论，乏味的数学公式，如果不和实验结合，学生是体会不到学习乐趣的。通过实验，所学的知识得以巩固，枯燥的算法与生动的图形之间建立联系。学生的兴趣也是通过实验建立起来的。每次实验报告，我都会要求学生写下心得体会，从报告可以看出，多数学生能够在实验中找到快乐，能够通过实验建立自信心，成就感。他们说做实验很受锻炼，知识掌握的也更牢固。当然有的学生也提到，做实验是一件非常辛苦的事情，特别是没有思路或者找不到错误时，真的很痛苦。但是成功后的满足，特别是做出来的那一瞬间，那种心境别人无法体会。
由于计算机图形学是专业限选课，学时不多。我们一般安排32个上课学时和16个实验学时。为了增加学生的知识面，我们的实验是在Sun工作站Solaris操作系统下采用gcc编译器进行，编程时调用OpenGL库中的图形函数。通常安排4个学时熟悉这些内容。这样根据剩余学时安排五个小实验：直线生成、裁剪、几何变换、曲线生成以及真实感图形绘制，还有一个综合性实验：做一个简单的图形系统。题目的要求随着难易程度变化。直线生成算法比较简单，学生编写的程序应具有通用性，适用于任何直线。裁剪算法是为了确定显示区域内的图形，实验一般要求实现线段裁剪算法，算法易于实现，考虑到易操作性，采用交互式的画线方式，即以鼠标点击绘图区的位置确定线段的起点和终点，其中涉及消息映射和屏幕坐标到世界坐标转化等相关知识。几何变换几乎在每个图形系统或图形应用软件都有使用，其主要包括旋转、平移、缩放以及复合变换等内容。学生对三维图形更感兴趣，尤其是较复杂的图形。在做该实验时，通常先介绍一些三维图形的相关知识，包括几何图形表示、存储形式以及读文件操作等，一般以简单的OBJ数据文件为例。然后让学生实现三维图形的几何变换。另外，考虑到该实验包括几个操作，增加了菜单选择功能。曲线曲面也是图形学的核心内容，生成方法有两种：一种是逐层递推的方法，另一种是根据参数曲线定义。学生根据自己的理解选择不同的方法实现。在曲线生成的基础上，增加鼠标拖动控制点改变曲线曲面形状的功能。真实感实验是为了增加学生学习的兴趣，通过调用OpenGL的库函数做出一些漂亮的效果，让学生感觉到图形学功能很强大，一些看似复杂的效果实现起来也简单，只需调用OpenGL中现成的库函数。综合性实验报告我也鼓励学生做一些自己感兴趣的东西，比如有的学生对游戏很感兴趣，基础也较好，想做一个小游戏，我是完全许可的。应该来说，安排的实验任务重，覆盖内容多，在有限学时内完成这些实验是不可能的，需要学生在课外做许多准备工作。而且，有些知识点较难，学生难以消化。针对这种情况，实验部分也分了解和掌握两种情况，这样做的一个目的就是想增加学生的知识面。
3教学内容安排
计算机图形学知识更新快，内容深而广，如何在有限的学时内安排教学内容，使讲解的知识难度适中，既兼顾基础知识又可以反映计算机图形学的最新成果和技术，同时，既兼顾理论又兼顾实验。另外，在学生可以接受的情况下尽可能介绍三维知识。
我们的教学内容主要分这几部分内容：光栅图形学，图形变换，几何造型，真实感图形绘制。而且，各部分内容贯穿OpenGL的相关知识。前两部分比较基础，内容相对简单，课时尽可能安排紧凑，理论讲的相对深入。但是对于几何造型，尤其是曲线曲面造型部分，内容的深浅需要根据学生情况来把握。曲面难度较大，一般只介绍大致的思路及做一些演示。对于曲线，如果讲得比较深入，对于基础不好的学生来说也难以接受。我曾尝试采用分段多项式的形式推导B样条基函数，不少同学听得很费力，甚至影响后面知识的学习。现在讲这部分内容时，我只是介绍基函数的由来，告诉学生基函数是根据曲线的性质和定义推导出来的，不是随随便便指定的，这样学生比较容易接受。实际上，无论Bezier曲线或B样条曲线，都是曲线造型技术中的经典算法，但也存在缺点。目前比较流行的曲线造型技术是细分算法，它有很多很好的性质，如多分辨率，应用简单等。由于其比较新，很多教科书中尚未介绍。一般我从应用层的角度将三次B样条细分和四点插值细分等典型算法介绍给学生，介绍他们的特点以及实现技术。真实感图形绘制部分，涉及数学、物理、心理学等方面的知识，理论较深，不太适合本科生学习。但由于其做出来的图形太漂亮，很具吸引力。而且，用OpenGL的库函数实现并不难，所以这部分内容我一般是介绍一些基本概念，然后做一些程序演示。一方面增加学习的兴趣，另一方面让他们意识到，有些知识尽管理论比较深，但由于有现成的类似OpenGL库函数这样的技术支撑，也容易实现。很多东西并不是想象的那么神秘，那么可怕。
4结语
计算机图形学是一门理论内容深，应用范围广的课程。本文就如何组织教学内容谈了自己的见解和体会，目的在于提高学生学习兴趣，让学生在易于接受的情况下学到更多有用的知识。实践表明方法具有一定的可行性，普遍学生反映，通过课程的学习体会到了图形学的博大精深，增加了图形学的学习兴趣。但也有部分同学感觉有些内容讲解不够深入，难以理解。所以，如何在有限的学时内更好地组织教学，还有待进一步探讨。相信通过学习、思考和实践可以做得更好。
参考文献：
[1] 唐荣锡,汪嘉业,彭群生. 计算机图形学教程(修订版)[M]. 北京:科学出版社,2000.
[2] 周开进,王志刚. 计算机学科与数学的强相关性及其对专业教育的影响[J]. 中山大学学报论丛,2002,(6).
【关键词】 三维模型 视图 特征提取
一、引言
随着三维扫描技术和计算机图形学广泛应用于工业，机械，医学等领域，三维模型成为一种新多媒体数据类型，面对庞大的三维模型数据库， 帮助用户快速准确地获取所需三维模型，实现资源重用成为了计算机视觉、计算机图形学界的一个研究热点。如何合理地描述三维模型即特征提取成为三维模型检索首先要解决的难点问题。同时绝大多数三维模型检索的研究都是针对通用模型进行的. 这也使得对三维模型特征提取的研究更加复杂。现有的三维模型检索技术可以分为基于统计特征、基于拓扑结构、基于几何结构分析和基于视图四大类。
基于统计特征的方法通过对三维模型的某一特征信息进行统计，获得统计直方图后将其量化而得到三维模型特征向量，但是大多数统计特征带有随机性， 检索性能不稳定。基于拓扑和结构分析得到的特征在检索系统中检索响应时间较长。基于视图将三维模型投影成多个不同视角的二维图像，再对二维投影进行特征的提取用以描述三维模型。这种方法将复杂的三维问题转化为较为成熟的二维图像处理问题，降低了计算的复杂度，符合人的视觉特征，检索性能较好。基于视图的三维模型特征提取一般为三个步骤模型预处理，视图获取，描述符提取。
二、模型预处理
对于任意三维模型，其初始空间位置、尺寸及方向具有很大的随机性，为了对三维模型在相同尺度、相同规则下进行比较检索，首先对其进行位置和尺寸标准化预处理。一般分为三个部分平移归一化，旋转归一化，尺度归一化。 完整的模型归一化过程表述为如下的几何变换。
S*R*（I-C） （2-1）
式中： s 为缩放系数；R 为对应于PCA变换的旋转矩阵；I 为原始模型坐标；C为坐标原点。
2.1平移归一化
平移归一化的目的是为了在模型上找到一个点作为新坐标系的原点，重新计算模型在新坐标系中的顶点坐标实际应用中的三维模型往往不是密度均匀分布的模型，文献[1]采用面积加权法来提高重心平移的鲁棒性，也就是将每个点的表面积作为该顶点的权重。
2.2旋转归一化
旋转归一化的目的是为了保证模型具有一个统一的姿态方向，使得提取的特征具有旋转不变性，文献[2]对旋转归一化改进利用蒙特卡罗法在三维模型表面均匀采点，以此代替原来顶点。该方法的特点是能快速地按照等面积原则，在三维模型表面采样大量的三维点数据。
2.3 尺度归一化
为了统一三维模型的尺度，保证拉伸不变性，需要计算缩放因子。文献[1]采用的方法是找到模型中距离质心最远的顶点，取值为这个最大距离的倒数，然后按照这个系数进行缩放。
三、视图获取
模型预处理完成后需要进行视图提取，按照提取的视图是否进行二次选择可分为：最优视图提取和多视图提取.
3.1多视图提取
多视图提取一般将模型放在球体或正方体盒内，在不同角度摄取二维深度图像，Min[3]等人提出使用三维模型的二维轮廓图描述比较模型之间的相似性。该方法从模型的正视、侧视及俯视三个固定方向获得二维投影视图，然后对每副视图进行轮廓特征提取。该方法由于只选择了三个固定方向上获取视图。不能够完全表达模型Chen[4]等提出一种基于光场（LightFiel Descriptor， LFD）的特征算法。首先，在正十二面体的10个顶点处捕获二维图像，由于正十二面体是对称的所以只取20个顶点中的10个。每个顶点处设定10中不同的光场，这样对于各个三维模型可以采100张图像。对于每张图像提取Zemike矩特征（取35个系数）和傅里叶变换特征（取10个系数），最后用4500维的特征向量来表示一个三维模型，庞大的特征向量带来计算的困难。Shih[5]等提出了一种基于正视图的特征提取算法，提取六个正视图来表示三维模型，所有正视图都是二维灰度图形，用最小正方体盒包围三维模型分别从前部，上部，右部，后部，下部和左部6个角度投影获得正视图，将每个图形分解为L个同心正方形提取出图形描述符。
3.2最优视图提取
由于产生的多视图来描述模型在检索模型时计算时间长，且有些视图是冗余的。有些研究者会将多视图进行最优选择出一组或一个最优视图。Cyr[6]等人提出基于形状相似性的代表性视图（Aspect Graph）方法。该方法首先对三维模型从不同视点得到大量视图，然后用一组代表性视图描述三维模型。代表性视图通过对视图集聚类分析，选择那些彼此之间存在明显差异的视图而得到。
刘志等采用AdaBoost算法对输入三维模型形状特征进行相似性学习得到该模型的最优视图样例，然后将输入模型从不同视点得到的渲染视图和最优视图样例进行形状相似性分析，以相似度最高者作为输入模型的最优视图.得到的最优视图不仅可以有效地逼近用户选择结果而且具有较好的稳定性。
四、总结
由于三维模型及其组成的三维场景能提供比二维图像更多、更丰富的视觉感知细节。所以三维模型的检索与复用近年来成为计算机图形学领域内的一个重要研究课题。但三维模型比二维图像特征提取更为复杂，现在二维图像处理技术非常成熟所以将三维模型表达成视图在进行处理，得到很好的模型描述符在检索三维模型时节省时间。
参 考 文 献
[1]基于视图的三维模型检索技术研究 冯毅攀 浙江工业大学硕士学位论文 2011.10.20
[2]三维模型特征提取与检索 柳 伟 申请上海交通大学博士学位论文 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.
英文名称：Journal of Software
主管单位：中国科学院
主办单位：中国科学院软件研究所
出版周期：月刊
出版地址：北京市
语
种：中文
开
本：16开
国际刊号：1000-9825
国内刊号：11-2560/TP
邮发代号：82-367
发行范围：国内外统一发行
创刊时间：1990
期刊收录：
SA 科学文摘(英)(2009)
CBST 科学技术文献速报(日)(2009)
Pж(AJ) 文摘杂志(俄)(2009)
EI 工程索引(美)(2009)
中国科学引文数据库(CSCD―2008)
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中文核心期刊(2008)
中文核心期刊(2004)
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中文核心期刊(1992)
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论文摘要：计算科学主要讲述了一种科学的思想方法，计算科学的基本概念、基本知识它的发展主线、学科分支、还有计算科学的特点、发展规律和趋势。
引言：随着存储程序式通用电子计算机在上世纪40年代的诞生，和计算科学的快速发展以及取得的大量成果。计算科学这一学科也也应运而生。《计算科学导论》正如此书的名字，此书很好的诠释了计算科学这一学科，并且指导了我们应如何去学好这一学科。使得我们收获颇多。并且让我深深的反思了我的大学生活。正如赵老师书中所讲的：“计算科学是年轻人的科学，一旦你选择了计算科学作为你为之奋斗的专业类领域，就等于你选择了一条布满荆棘的道路。一个有志于从事计算科学研究与开发的学生，必须在大学几年的学习中，打下坚实的基础，才有可能在将来学科的高速发展中，或在计算机产品的开发和快速更新换代中有所作为。
<一>什么是计算科学和它的来历
计算科学主要是对描述和变换信息的算法过程，包括其理论、分析、设计、效率分析、实现和应用的系统研究。全部计算科学的基本问题是，什么能（有效的）自动运行，什么不能（有效的）自动运行。本科学来源于对数理逻辑、计算模型、算法理论、自动计算机器的研究，形成于20世纪30年代的后期。
随着存储程序式通用电子计算机在上世纪40年代的诞生，人类使用自动计算装置代替人的人工计算和手工劳动的梦想成为现实。计算科学的快速发展以也取得大量成果，计算科学这一学科也也应运而生。
<二>计算科学的发展
a、首先先介绍图灵机
图灵机的发明打开了现代计算机的大门和发展之路。图灵机通过一条两端可无限延长的袋子，一个读写头和一组控制读写头的（控制器）组成它有一个状态集和符号集，而此符号集一般只使用0和1两个符号。而就是这个简洁的结构和运行原理隐含了存储程序的原始思想，深刻的揭示了现代通用电子数字计算机的核心内容。现在通用的计算机是电子数字计算机，而电子数字计算机的发展是建立在图灵机的基础之上。他的二进制思想使计算机的制作的简化成只需两个稳定态的元器件。这在今后的计算机制作上无论是二极管或集成电路上都显示了明显的优越性。
b、计算机带动的计算学科
1946年随着现代意义上的电子数字计算机ENIAC的诞生。掀起了社会快速发展的崭新一页。计算机工作和运行就摆在了人们的面前。
1、计算机语言
我们要用计算机求解一个问题，必须事先编好程序。因此就出现了最早的机器指令和汇编语言。20世纪50年代后，计算机的发展步入了实用化的阶段。然而，在最初的应用中，人们普遍感到使用机器指令编制程序不仅效率低下，而且十分别扭，也不利于交流和软件维护，复杂程序查找错误尤其困难，因此，软件开发急需一种高级的类似于自然语言那样的程序设计语言。1952年，第一个程序设计语言ShortCode出现。两年后，Fortran问世。作为一种面向科学计算的高级程序设计语言，Fortran的最大功绩在于牢固地树立了高级语言的地位，并使之成为世界通用的程序设计语言。Algol60的诞生是计算机语言的研究成为一门科学的标志。该语言的文本中提出了一整套的新概念，如变量的类型说明和作用域规则、过程的递归性及参数传递机制等。而且，它是第一个用严格的语法规则——巴科斯范式（BNF）定义语言文法的高级语言。还有用于支持结构化程序设计的PASCAL语言，适合于军队各方面应用的大型通用程序设计语言ADA，支持并发程序设计的MODULA-2，支持逻辑程序设计的PROLOG语言，支持人工智能程序设计的LISP语言，支持面积对象程序变换的SMALLTALK、C等。
2、计算机系统和软件开发方法
现代意义上的计算机绝不是一个简单的计算机了而也包括了软件（系统软件、应用软件）。各种各样的软件使得计算机的用途大大增强。而软件开发也成为了一个重要课题和发展方向。软件开发的理论基础即是计算模型。随着计算机网络、分布式处理和多媒体的发展。在各种高级程序设计语言中增加并发机构以支持分布式程序设计，在语言中通过扩展绘图子程序以支持计算机图形学程序设计在程序设计语言中已非常的流行。之后，在模数/数模转换等接口技术和数据库技术的支持下，通过扩展高级语言的程序库又实现了多媒体程序设计的构想。进入20世纪90年代之后，并行计算机和分布式大规模异质计算机网络的发展又将并行程序设计语言、并行编译程序、并行操作系统、并行与分布式数据库系统等试行软件的开发的关键技术依然与高级语言和计算模型密切相关，如各种并行、并发程序设计语言，进程代数，PETRI网等，它们正是软件开发方法和技术的研究中支持不同阶段软件开发的程序设计语言和支持这些软件开发方法和技术的理论基础----计算模型
3、计算机图形学
在计算机的硬件的迅速发展中。随着它的存储容量的增大，也掀起了计算机的巨大改革。计算机图形学、图像处理技术的发展，促使图形化界面的出现。计算机图形学是使用计算机辅助产生图形并对图形进行处理的科学。并由此推动了计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助教学（CAI）、计算机辅助信息处理、计算机辅助测试（CAT）等方向的发展。图形化界面的出现，彻底改变了在一个黑色的DOS窗口前敲代码输入控制命令的时代。同时也成就了一个伟大的公司Microsoft。
4、计算机网络
随着用户迫切需要实现不同计算机上的软硬件和信息资源共享。网络就在我们的需求中诞生了。网络的发展和信息资源的交换使每台计算都变成了网络计算机。这也促进计算机的发展和广泛应用。
<三>计算机学科的主线及发展方向
围绕着学科基本问题而展开的大量具体研究，形成学科发展的主流方向与学科发展主线和学科自身的知识组织结构。计算学科内容按照基础理论、基本开发技术、应用以及他们与硬件设备联系的紧密程度分成三个层面：
1、计算科学应用层
它包括人工智能应用与系统，信息、管理与决策系统，移动计算，计划可视化，科学计算机等计算机应用的各个方向。
2、计算科学的专业基础层
它是为应用层提供技术和环境的一个层面，包括软件开发方法学，计算机网络与通信技术，程序设计科学，计算机体系结构、电子计算机系统基础。
3、计算科学的基础层
它包括计算科学的数学理论，高等逻辑等内容。其中计算的数学理论涵盖可计算性与计算复杂性理论形式语言与计算机理论等。
<四>计算机的网络的发展及网络安全
(1)计算机网络与病毒
一个现代计算机被定义为包含存储器、处理器、功能部件、互联网络、汇编程序、编译程序、操作系统、外部设备、通信通道等内容的系统。
通过上面定义，我们发现互联网络也被加入到计算机当中。说明了网络的重要以及普及性。21世纪是信息时代。信息已成为一种重要的战略资。信息科学成为最活跃的领域之一，信息技术改变着人们的生活方式。现在互联网络已经广泛应用于科研、教育、企业生产、与经营管理、信息服务等各个方面。全世界的互联网Internet正在爆炸性的扩大，已经成为覆盖全球的信息基础设施之一。
因为互联网的快速发展与应用，我们各行各业都在使用计算机。信息安全也显得格外重要。而随着计算机网络的发展，计算机网络系统的安全受到严重的挑战，来自计算机病毒和黑客的攻击及其他方面的威胁也越来越大。其中计算机病毒更是很难根治的主要威胁之一。计算机病毒给我们带来的负面影响和损失是刻骨铭心的，譬如1999年爆发的CIH病毒以及2003年元月的蠕虫王病毒等都给广大用户带来巨大的损失。
我们想更好的让计算机为我们服务，我们就必须很好的利用它，利用网络。同时我们也应该建立起自己的防护措施，以抵抗外来信息的侵入，保护我们的信息不受攻击和破坏。
(2)计算机病毒及它的防范措施：
计算机病毒是一组通过复制自身来感染其它软件的程序。当程序运行时，嵌入的病毒也随之运行并感染其它程序。一些病毒不带有恶意攻击性编码，但更多的病毒携带毒码，一旦被事先设定好的环境激发，即可感染和破坏。
<一>、病毒的入侵方式
1．无线电方式。主要是通过无线电把病毒码发射到对方电子系统中。此方式是计算机病毒注入的最佳方式，同时技术难度也最大。可能的途径有：①直接向对方电子系统的无线电接收器或设备发射，使接收器对其进行处理并把病毒传染到目标机上。②冒充合法无线传输数据。根据得到的或使用标准的无线电传输协议和数据格式，发射病毒码，使之能够混在合法传输信号中，进入接收器，进而进人信息网络。③寻找对方信息系统保护最差的地方进行病毒注放。通过对方未保护的数据链路，将病毒传染到被保护的链路或目标中。
2．“固化”式方法。即把病毒事先存放在硬件（如芯片）和软件中，然后把此硬件和软件直接或间接交付给对方，使病毒直接传染给对方电子系统，在需要时将其激活，达到攻击目的。这种攻击方法十分隐蔽，即使芯片或组件被彻底检查，也很难保证其没有其他特殊功能。目前，我国很多计算机组件依赖进口，困此，很容易受到芯片的攻击。
3．后门攻击方式。后门，是计算机安全系统中的一个小洞，由软件设计师或维护人发明，允许知道其存在的人绕过正常安全防护措施进入系统。攻击后门的形式有许多种，如控制电磁脉冲可将病毒注入目标系统。计算机入侵者就常通过后门进行攻击，如目前普遍使用的WINDOWS98，就存在这样的后门。
4．数据控制链侵入方式。随着因特网技术的广泛应用，使计算机病毒通过计算机系统的数据控制链侵入成为可能。使用远程修改技术，可以很容易地改变数据控制链的正常路径。
<二>病毒攻击的防范的对策
1．建立有效的计算机病毒防护体系。有效的计算机病毒防护体系应包括多个防护层。一是访问控制层；二是病毒检测层；三是病毒遏制层；四是病毒清除层；五是系统恢复层；六是应急计划层。上述六层计算机防护体系，须有有效的硬件和软件技术的支持，如安全设计及规范操作。
2．严把收硬件安全关。国家的机密信息系统所用设备和系列产品，应建立自己的生产企业，实现计算机的国产化、系列化；对引进的计算机系统要在进行安全性检查后才能启用，以预防和限制计算机病毒伺机入侵。
3．防止电磁辐射和电磁泄露。采取电磁屏蔽的方法，阻断电磁波辐射，这样，不仅可以达到防止计算机信息泄露的目的，而且可以防止“电磁辐射式”病毒的攻击。
4．加强计算机应急反应分队建设。应成立自动化系统安全支援分队，以解决计算机防御性的有关问题。
很多公司都有因为电脑被入侵而遭受严重经济损失的惨痛经历，不少普通用户也未能避免电脑被破坏的厄运，造成如此大损失的并不一定都是技术高超的入侵者所为，小小的字符串带给我们的损失已经太多。因此，如果你是数据库程序开发人员、如果你是系统级应用程序开发人员、如果你是高级计算机用户、如果你是论坛管理人员......请密切注意有关字符漏洞以及其他各类漏洞的最新消息及其补丁，及时在你的程序中写入防范最新字符漏洞攻击的安全检查代码并为你的系统安装最新的补丁会让你远离字符带来的危险。经常杀毒，注意外来设备在计算机上的使用和计算机对外网的链接。也可以大大有效的避免计算机被攻击。
<五>总结
在学了计算科学导论之后，让我更深入的了解了我将来要从事的学科。计算科学导论指导着我们该怎么学习计算机。让我更清楚的知道我们信息安全专业的方向。正如计算科学这座大楼一样，在不断的成长。信息安全也必将随着网络的进一步发展而更多的被人们重视。总之学习了这门课之后让我受益匪浅，也知道自己应该好好努力，争取在自己的专业领域上有所成就。
参考文献：
1、《计算科学导论》（第三版），赵志琢著，科学出版社2004版
2、《计算机病毒分析与对抗》傅建明彭国军张焕国编著武汉大学出版社2004版
关键词： 虚拟植物；生长模拟；植物建模
中图分类号：TP391.41
文献标志码：A
文章编号：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，千姿百态，种类繁多，是自然景物的重要组成部分。从20世纪60年代开始，人们即已着手研究利用计算机模拟植物动态生长过程。由于技术的限制，研发建立的模型主要偏向于植物功能的模拟。近几十年来，随着科技的飞速发展和计算机处理能力的大幅提升，植物形态结构的计算机模拟也发展到了一个新时期，虚拟植物的概念随即应运而生。虚拟植物[1]涉及领域众多，包括计算机图形学、植物学、地理、农业、虚拟现实、遥感、土壤学等，是集众多领域门类科研成果之大成的新式交叉学科。此类研究是利用计算机图形学相关的知识对植物生长进行建模，模拟植物的动态生长过程，并通过虚拟现实技术[2]（Virtual Reality）显示植物在二维或三维空间中的生长发育过程和形态，从而在农林业、娱乐、科研教育等方面呈现出高效广泛的应用价值。本文将首先解读虚拟植物的研究意义，而后探讨论述了各种典型的虚拟植物建模方法，对不同的建模方法进行比较分析，总结阐释了不同的建模方法的优点和不足之处，最终指出了虚拟植物研究中存在的问题。
1 虚拟植物的研究意义
虚拟植物的研究主要集中在2个方向：一个是植物的外形，另一个是植物的生长过程。前者注重是否有逼真的形态，后者注重于是否依循植物学理论。目前，虚拟植物应用开始转向于精准农业和持续农业上，将虚拟植物技术应用在农业研究中具有至关重要意义，现将其概述如下。
1）应用虚拟植物技术进行虚拟农田试验，可以部分代替物质世界中难以实现或者费时、昂贵的试验，缩短某些课题的试验周期，加快功能研发进程。
2）通过观察虚拟害虫的生活习性，确定最适合的喷药方法和时间，减少成本，降低环境污染。
3）虚拟植物技g与遥感技术相结合，将遥感获取的数据应用到植物建模上，模拟选择区域的植物生长状况，从而合理灌溉和施肥，提高资源利用率。
2 虚拟植物的研究
2.1 虚拟植物的研究现状
二十世纪七十年代，针对虚拟植物研究，有关人员即已选择利用细胞自动生长来模拟植物的分枝过程。1968年，美国生物学家 Lindenmayer在论文中首次提出了一种基于“字符串重写”的文法系统，称为 L 系统（L-System）。澳大利亚研究机构基于L系统方法设计了虚拟植物软件Vitual Plants，可以用来模拟花生、小麦、玉米等农作物的生长，以及外界因素对植物生长的影响。加拿大Calgary大学在L系统建模方法基础之上又支持研发了L-studio，Virtual Laboratory等系列软件。20世纪80年代，法国农业发展国际会议中心以参考轴技术为基础，又独家研创了虚拟植物系统AMAP[3]。该系统将植物数据输入到植物数据库中，通过分析数据提取生长规则，从而建立植物生长模型。此外，国内还有赵星等分析目前主流的各类植物生长模型之后，认为仅有参考轴技术和L系统适合模拟植物的生长过程。具体来说，就是在自动机模型的基础上建立了双尺度自动机模型，该模型能够全面真实模拟虚拟植物生长，包含有微状态和宏状态两种尺度状态。双尺度自动机模型与其它模型相比，不仅能够精练地表达植物的拓扑结构，而且模型更加形象直观，易于理解和实现。
2.2 虚拟植物的建模方法
虚拟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数系统（Iterated Function System，IFS）、L系统、随机过程、粒子系统（Partial System）、基于图像的造型等。现给出研究综述如下。
2.2.1 迭代函数系统
迭代函数系统（Iterated Function System，IFS）理论是一种研究分形几何的数学方法[4] ，由Hutchinson 和 Barnsley相继发表提出。IFS的设计思想是在仿射变换的基础上，几何对象的整体和局部具有自相似结构。迭代函数系统理论包括以下几个方面：压缩仿射变换、不动点定理和拼贴定理等[5]。IFS系统在自然景物的计算机建模方面比规则形状构图的传统方法更具有优势[6]，只需要给出仿射变换系数，经过一系列反复迭代，就能快速生成需求期望的分形体图形。
2.2.2 L-系统
L-系统是美国植物学家Lindenmayer 在 1968 年从生物形态学的角度出发而重点设计推出的一种关于植物形态与生长的系统[7]。L-系统又称为字符串替换法[8]，其本质是一个重写系统（不断地替换初始对象），通过对植物对象生长过程规则的提取和概括，构造重写规则和初始字符串，利用重写规则不断地将初始字符串替换为新的字符串，进行有限次反复迭代，并对产生的字符串加入几何解释，最终生成分形图形。王美丽等即在此基础上实现了小麦根系在外界因素中的动态生长模拟；康利等则以大豆为例，提取了叶脉的L系统规则，由此得到了较为真实的叶脉模拟。由于L-系统本身的特性，L-系统获得了不断的改进和扩展，其中主要包括随机L-系统[9]、参数L-系统[10-11]、微分L-系统和上下文相关L-系统[12]、开放 L-系统（Open L-System）[13]、时变 L 系统（Timed L-System）[14] 等。
2.2.3 粒子系统
粒子系统是 Reeves 在 1983年成功研发的一种模拟一些特定不规则模糊现象的方法[15]，早期经常用来模拟雪花、火焰、云、水流、流星、火花等，后来则逐步被用于研究模拟真实感的自然景象。当下，已有罗维佳等基于粒子系统建立了实时降雨模型，该模型使用粒子组保证降雨的连续性；而王瑞杰等又在此基础上提出了模拟实时雨雪算法，每一个粒子代表一个雨滴或者雪粒，把所有的粒子集中到眼点前的区域内，充分利用每个粒子渲染当前场景。在粒子系统中，每个粒子图元在任意的时间均有自己的属性，如颜色、形状、大小、生存期、速度等，而一个粒子具有哪些属性，主要取决于粒子系统所模拟的对象。同时，再由粒子系统本身的特性探讨可知，粒子系统是一个有生命的系统，粒子在这个过程中会不断地变化，不嗟匾贫，不断地出现旧粒子的死亡和新粒子的产生。因此这些粒子在虚拟系统中都要经历“产生”、“运动和生长”、“死亡”三个阶段[16]，这3个阶段最终就使得模拟动态自然景象变成了可能。
2.2.4 随机过程
随机过程方法是由De Reffye等研究人员研发提供的一种虚拟植物建模方法[17]。该方法基于有限自动机（finite automation）来模拟植物形态，也称为参考轴技术（reference axis technique）。植物的发育、生长、衰老、死亡等状态都是通过该模型中马尔可夫链理论以及状态转换图（state transition graph）的方式来展示推演并生成获得的。参考轴技术能够真实地模拟植物生长过程，著名的植物模拟软件AMAP就是使用该技术开发植物结构模型。另有中科院赵星等[18-21]在自动机模型的基础上，建立了虚拟植物生长原理的双尺度自动机模型[JP3]（dual-scale automaton），该方法重点包含了由植物的生长特性决定的微状态和宏状态两种尺度的状态，并通过这2种状态的组合和循环模拟植物的生长过程，最终发展构建出植物的模型。
2.2.5 基于图像的造型
基于图像的造型通常是指对一幅或多幅图像的分析和处理[22-23]，获得图像中物体三维几何表征的实用技术。其核心原理就是在计算机中输入2个及2个以上物体的二维投影图信息，根据算法获取物体对象的二维几何信息，建立相应的三维模型。胡少军等提出了基于稀疏图像构建三维树模型；李云峰等以叶子为例，对图像进行一系列处理，并优化改进算法，实现了植物器官重现。目前，计算机还难于达到完全自动地从图像中分离自然景物的各种信息，为此即需要加入人为的干预，充分利用人与计算机各自特点优势来共同解决复杂问题。
目前该领域的研究主要包括：基于轮廓的体重建（Volumes from Silhouettes）、基于剖面的曲面重建（Surface Curves from Profiles）、基于立体视觉的三维点重建（3D Points from Stereo）及图形、图像的混合造型方法。由于该建模方法是对图像展开直接的分析与处理，从而能够呈现更加真实的场景效果。
2.3 几种植物建模方法的比较
计算机模拟植物的形态结构有着广泛的前景。如：在教育领域，师生们可以通过虚拟植物获得高效率的学习、研究；在娱乐领域，计算机可视化技术给人们带来了极具感官立体的真实沉浸感。随着科技的进步和计算机图形学的发展，虚拟植物将会在更多领域得到应用。不同时期提出的建模方法在解决科学问题方面都存在着差异，表1即对比解析了5种不同的建模方法的研究成果和不足之处。
3 存在的主要问题
综合前述对植物建模主流方法的研讨分析可以看出，不同植物建模方法都有着各自的优缺点。自然界中，植物的种类各异，生长过程和环境也纷繁复杂，然而任何一种建模方法都有其独特适用范围和局限性，例如L-系统，虽然能够较为真实地模拟植物的动态生长过程，但生成规则难以提取、且具一定理解难度；粒子系统，对模糊类的物体有较好的模拟效果，但对植物景观的模拟效果却呈现明显劣势。因此植物生长模型迄今尚未获得一个完善的体系，仍需进一步发展改进。
虚拟植物的最初研究主要集中在地上部分（花、果实、枝叶、茎等），因此植物地下部分（根系）的研究还处于成果单调且薄弱阶段。地下部分在植物的生长过程中起着至关重要的作用，是植物与外界进行物质交换的重要通道，因此若要切实模拟环境因素（水分、肥料等）对植物生长发育的影响，就要加强植物地下部分的研究，使得地上部分与地下部分充分结合，开发构建完整的植物生长模型体系。
现在虚拟植物的可视化技术的起步时日也尚且较短，尤其对于那些有着复杂形体结构的植物很难生成逼真的视效图形，例如卷心菜的叶子交错缠绕，以及碟形、轮状花冠等比较复杂的花形。此外，在外力作用下植物的动态变化（如枝条的随风摇摆等）给虚拟植物的可视化技术带来了更大挑战。
4 结束语
随着计算机处理能力的提高和计算机图形学的进步，虚拟现实技术应用逐渐拓展至普通用户， 自然景物建模即是虚拟现实中的建模难点。本文较为全面地纵览解析了近几年来植物建模的一些主流方法，可以作为参考借鉴，并在此基础之上展开更为深入系统的研究。为达到对植物的真实感建模，在场景中构建植物模型时，应根据模型的具体要求以及整体效果，研究选用合适的建模方法和建模工具。
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关键词：虚拟场景 三维可视化 ArcGIS
中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）05（a）-0029-02
在三维图形世界中，可视化技术可以直接操作具有形体的信息，直接和计算机交流。该技术以一种直觉且自然的途径统一了人和机器的力量，这无疑促进了人们工作效率的极大提高。利用具有仿真、三维的且具有实时交互功能的可视化技术，人们可以用以前无法想象的手段在三维图形世界中充分展示自己的创造性或信息获取。三维可视化软件大都依赖于计算机图形学和可视化技术的发展，美国Skyline软件，美国ERDAS公司的IMAGINE Virtual GIS，国内灵图的VRMap等，是比较专业的三维可视化系统软件或平台。由于建筑物三维景观模型能够对区域建筑环境进行再现，在计算机屏幕上，不仅可以看到生动、逼真的建筑模型，而且还可以实现漫游、量测、查询等一系列操作，在建筑领域的GIS中有重要意义[1]。它给我们的体验更逼真，为人们因种种原因不能或不方便直接观察宏观世界以及微观世界的运动变化规律，提供了很大的便利和观察的可能。该论文旨在建立某区域的建筑群的三维虚拟景观模型，实现全方位展示该区域的整体形态和主要功能区细部特征，使公众仅仅通过飞行浏览和鼠标点击即可“身临其境”地了解该区域的概貌和其中感兴趣的各方面相关介绍信息，同时提供有价值的咨询信息和全数字实体模型。
1 该研究的相关理论
1.1 可视化
利用计算机图形学、地图学和图像处理技术，把数据转换成图像或图形，通过屏幕显示，并进行交互处理的理论、技术和方法，就叫可视化（Visualization）[2]。其本意是使事物被视觉所感知。它把数据或符号变成几何图形，便于研究人员对其模拟和计算过程进行观察。该技术向用户提供灵活、有效使用信息的手段和方法，从而以多形式、多视角、多层次、综合地表现空间环境信息，具有信息表达形象化、直观化，操作简单便利等，以便推广应用该系统。可视化在地理信息系统中主要有地理信息的可视化表示、地图数据的可视化表示、空间分析结果的可视化表示。
1.2 TIN
利用不规则三角形面片构造地质模型的方法即T IN。广义来讲，T IN表面法是所有基于三角形面片构造地质模型方法的统称，可用Delaunay三角剖分。以某种相对合理的方法把某一区域中随机分布点联系起来，建立较为完美形态和完善功能的三角形网络，这就是T IN表面法的特点。
2 数据源与数据库
2.1 输入数据
该文使用的核心数据源是某区域的CAD平面图，包括道路、操场、绿地、主体建筑物分布等信息。先把AutoCAD的平面图导入ArcMap里，选择合适的投影（这里以Beijing_1954_GK_Zone_19N为投影），按照原来的坐标进行配准，然后在分析系统需求的基础上，通过合理的取舍，运用ArcGIS的AreCatalog模块[3-4]新建相应的点、线、面等图层并设置好投影，再用ArcMap软件将栅格图的各个地理要素数字化，得到新的该区域的二维矢量数据。经过综合取舍建立了16个图层，如图1所示。数字化后的矢量结果图如图2所示。
实体属性数据的输入一般可根据实际情况，采集、整理地物相关属性数据。录入属性数据时，特别要注意的是点高程的录入，高程点的分布用地统计分析Geostatistical Analyst工具分析之后，必须要接近正态分布。由于数字高程模型（如TIN等）是依据点的高程建立的，所以点的高程直接影响到模型的变化。本文通过对系统的需求进行分析，将该区域空间数据按其空间特征细分为点、线、面等实体类型，把与地理空间有关的对象抽象为建筑物，道路、植被，水系等通用概念。Geodatabase的设计完成后，利用ArcCatalog开始建立数据库。
2.2 TIN模型的建立
通常从多种矢量数据源中进行TIN模型[5-6]的创建，创建TIN的数据源可用点、线与多边形作为要素。创建TIN的操作如下：（1）对创建TIN所要使用的要素图层进行选择；（2）选择、合成要素；（3）设置输出路径及名称。
2.3 纹理贴图的贴图采集和处理
在贴图处理三维可视化中的地物时，主要用到的纹理数据包括建筑物的顶面、侧面、草地、操场、围墙、树木、路灯及雕塑等纹理[7]。三维空间对象建模用真实影像数据，这样三维可视化的逼真度可大大提高，用户实时漫游时身临其境的感觉也大大增强了。三维建模中所需的纹理贴图数据获取的方法主要有使用扫描仪扫描已有地物的图片、搜集可用的纹理图片、人工制作和地面摄影等。如图2-1所示为纹理处理流程图。
3 建筑群可视化模拟的实现与操作
3.1 数字建筑群的建立
关键词：神经网络 图像处理 机器人 草莓
中图分类号：TP301.6 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)07-0091-02
国内外对图像处理技术和神经网络理论在果蔬商品化应用中的部分成果已进入了实用阶段。随着计算机科学的飞速发展和在许多领域中的成功应用，果蔬采收分级的实时自动化已经变得完全可能。但是，生物特征的多变性和随机性与工业产品有着很大区别。在草莓采收、分级这一过程中，为了提高检测的精度、速度和准确性，需要解决多种技术问题，如：光源的选择和设置；图像的采集方式和图像的质量；硬件处理速度；模式识别算法；要求有更多分级算法的训练样本等。从长远看，应该对拣选对象的形状、表面、光学、热学、化学、生物学等各方面的特征和生理机能进行更加深入的研究，这样才有利于检测技术改进，促使新的信息采集技术和传感技术的产生。
草莓是一种营养丰富的高级水果，随着人们生活水平的提高，草莓按其颜色、形状及大小进行拣选分类、包装将成为趋势。因此，草莓形状的判别的研究和草莓拣选设备的开发具有很重要的现实意义。
1、草莓形状的判别
收割后的草莓按其颜色、大小、形状均可分为不同的等级。因此，草莓形状的判断是拣选者根据对标准草莓规格的理解和经验来判断出结果。本设计中草莓形状的识别部分采用了神经网络的识别技术，神经网络具有学习功能和很强的模式识别能力，即使当局部网络受损时，仍然能够恢复原来信息。神经网络的信息分布式存储于联结权值系数中，使网络具有很高的容错性，而图像识别中往往存在噪声干扰或输入图像的部分损失，因此，神经网络可以很好地解决图像识别问题。另外，神经网络的自组织和自学习功能，使其对图像问题的识别和处理较传统图象识别方法显示出极大的优越性。因此，草莓拣选设备只要通过对标准形状草莓的学习就可得到非常接近人的判别效果。
为此，本论文提出了一种新的算法来解决草莓拣选的问题，该算法是基于图像处理技术、神经网络算法而生成的一种草莓形状判别算法。并利用该算法开发了草莓拣选设备。
2、草莓拣选设备的构成
草莓拣选设备硬件系统组成如图1所示。CCD摄像机将所要识别、解释的对象以图像的形式记录下来；插入计算机内部的图像采集卡可以将摄像机采集的电信号转变为数字信号，即图像数字化，以便计算机对其进行各种必要的处理；照明装置为图像采集提供合适的光源，以便对图像进行处理和分析。
3、草莓形状图像分割及特征提取
人工拣选草莓时很容易根据草莓果实部分的形状特征来判别其等级，但对草莓拣选设备来说，草莓是任意放置在传送带上的，计算机采集到的草莓图像其方位是不确定的。因此，本设计采用了彩色图像处理技术。图2中，（a)图是图像卡采集到的草莓图像信号以RGB彩色模型显示在监视器上。它的R辉度图像如图(b)所示。想要得到草莓的形状特征图像，就要对采集到的草莓彩色图像做以下处理：
第一步：把彩色图像转换成黑白的二值图像，经过滤波、填充、提取边缘信号等处理后，最终得到整体轮廓线图像（c）；
第二步：彩色图像减去R辉度图像产生目标图像(d)；
第三步：目标图像经二值和边缘提取处理后，得到了果实轮廓线图像，如(e)所示；
第四步：最后把整体图像轮廓线图像和果实轮廓线图像这两种图像进行逻辑运算，然后得到曲线型草莓形状特征图像，如(f)所示。
4、基于神经网络的判别
得到的草莓形状特征可以用一组八参数来表示，要划分A、B、C等级就需要控制两个空气驱动器。我们建立的人工神经网络是基于BP算法的前向三层神经网络，如图3所示。选用了两个结构简单的BP网络，输入为8，正好每个参数对应一个输入端单元；输出为2，每个输出单元控制一个空气驱动器。在进行前向多层神经网络的学习时，不断调整隐层节点数，经过试验，采用8-4-2结构。
5、软件程序的功能
判别草莓形状的系统软件程序是实现草莓的拣选功能的关键。系统软件在功能上划分为训练部分和判断部分。训练部分包括图像处理、特征提取和网络训练；判断部分包括图像处理、特征的提取和判断以及草莓的移动控制。系统程序用MicrosoftC语言编写，程序流程图如图4所示。
6、结语
本文通过计算机图形处理技术、模式识别等理论的研究，结合神经网络算法进行了草莓形状判别的设计，在草莓形状的有效特征提取和分类识别方面进行了理论上的研究，提出了基于前向三层神经网络和计算机图像处理的一种能对草莓形状进行自动判别的新方法，为草莓的拣选机器人的开发提供了理论基础。草莓拣选设备乃至其他水果拣选设备的开发对将要进入老龄化社会的我国来说是很有意义的。
参考文献
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关键词：电脑设计；设计艺术；艺术表现
1 电脑设计概述
电脑在艺术设计中的应用，源起于电脑图形技术在艺术设计领域的发展，电脑交互式图形技术的原理和机制，提出了Computer Graphics（电脑图形）这一概念，确立了电脑图形学作为独立学科的重要地位，奠定了电脑图形技术发展的理论基础并使其广泛应用。现今的电脑设计仍是以交互式电脑图形技术为基础继续发展。虽然今天软、硬件的水平都已交互提升到一个新的高峰，但显示系统的发展仍是人机交流的主要介面，而未来电脑智能程度的发展将促成人机介面发生巨大的变化：一方面，更加高级的电脑将学习理解人类的动作、声音，甚至表情，另一方面，视觉显示将不再是人机交流的唯一通道。不过当下，仍需要人们先去学习、理解电脑，然后才能用它进行设计表现工作。
2 电脑设计的特性
电脑设计无需尺、规，却能更加规范和精确；无需笔、墨却能表达同样的内容。电脑使设计的概念和机器都有了完全不同的意义，由构思至着手，由打稿、制作至完成、输出，它们的形式和内容都有了全新的变化。因此，电脑在当今的艺术设计中发挥着极大地作用。电脑设计的特点体现在以下几个方面：
（1）快速、高效且精度高。电脑设计取代手工的重要原因之一是高效快速。在竞争日趋激烈的设计行业，提高效率是保持竞争力的关键所在。据统计，电脑设计使设计周期缩短了三分之二至六分之五，工艺的设计周期缩短了五分之四至十分之九，效率平均也提高二至二十倍。电脑设计的另一特长是精度高。现行的高档PC软件的精度可达到小数点后的十几位，可以画一张等比例的世界地图。
（2）丰富的色彩表现。硬件价格的降低使二十四位色易于被人们接受，它意味着一千六百多万种颜色可供屏幕选择，丰富性可想而知。
（3）演示便捷。电脑的通用性和真实感使使用者更多的参与其中，引导着使用者走进一个虚拟的空间来欣赏设计者的作品。而使用者的广泛参与又使设计这种社会化的工作变得更加社会化，电脑将最终促成艺术设计民主化理想的实现。
（4）保存方便修改快速。电脑设计能迅速完成对任何局部的修改，无需像徒手方式那样从头来做，可随意复制而且保存方便，可在计算机上通过复制、镜像、旋转等命令反复寻求变化和组合方式，从而达到众中挑一的效果，极大地降低了成本。
3 电脑设计在设计艺术中的定位
电脑技术只是一种表现手法，比传统的手绘表现方式快、精、准。所以，只有精通各类设计软件的操作，才能更好更充分地表现艺术设计的需要。但有时部分人过于沉迷软件的学习，忽视设计艺术的创意，这显然有悖于专业人士所为。举个例子，社会上有些人一味追求电脑美术设计技术的操作，甚至纯粹就以操作美术设计软件为生，认为会几个设计软件就是会了艺术设计，所做作品，体现不出艺术性，更缺乏新的创意。亦没有表现出自己的独特个性与想法，没有想法，没有创意，忽视设计的基本原则，未曾意识到创意是艺术设计的灵魂，以为电脑什么图都能做出来。所以在现代艺术设计中，我们要强调电脑设计软件只是工具，无论它有多少功能、有多么先进，但它没有文化内涵、没有思维，如果没有艺术素养和创作激情，多么神奇的各种功能也代替不了作为审美主体的人脑，设计者的设计水平决定着设计的艺术效果。Photoshop也好，3DMax也好，一把锤子也好，一支笔也好，在不同的设计师手中起着不同的作用，它们仅是进行艺术创作的工具，是设计者驾驭电脑软件，而不是设计软件驾驭设计者。
4 电脑设计离不开手绘表现
在电脑设计中用软件进行草图创意时往往不如用手绘来得快且生动。因为草图设计是表达创意构思的过程，所以在电脑设计的构思、构图设计阶段，应该多思考，多用手去勾画，待草图确定以后，再启动电脑设计软件对图形、图像进行处理。在软件运行处理的过程中，有时又会出现草图设计时意想不到的效果，也会启发设计者的思维，有利于创造出更好的艺术设计作品。因此作为一个现代艺术设计师更要加深自己的艺术修养，提高自己的手绘表现能力。
5 结语
设计艺术无论在观念上、功能上、还是在语意和形式表现上，都受到各类文化思潮和艺术风格的影响。现代电脑设计作为设计艺术中的主要组成部分，经历了从工业化社会到信息化社会的转变。从发展趋势上来看，电脑设计将逐渐更深地融入到现代设计艺术的潮流当中，对艺术与设计的影响和参与越来越深入，艺术与科学一并作用于我们的生活，亦可说艺术与科学的界限越来越模糊，这或许是一种无法回避的现实。在现代设计多元化发展的大趋势下，电脑设计的介入使设计新观念、新思维不断形成，以往贯穿于设计艺术中的法则正逐渐被打破，现代设计艺术的发展形成了新的需求。人们对于设计艺术的态度己经不再是基本功能、属性上的满足，而更多的是希望其能够标新立异，并更加个性化，信息化，更加关注新的形式语言的构建，满足个人心理层面上的需要，使电脑设计与设计艺术更好的融合统一于艺术创作始终。
参考文献：
[1] 潘文祥.电脑设计的应用[J].山东轻工业学院学报，2000，14（1）.
关键词：全景图 虚拟现实 图像拼接 导航
中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）09-0057-02
1、引言
近年来，随着虚拟现实技术的发展，其应用内容也日趋复杂化。特别是网络图形技术的发展，对具有真实感强的实时虚拟场景绘制方法提出了更高的要求。因而急需在现有计算机平台下研究一种有效的图形绘制算法以进一步加速对复杂场景模型的绘制，然而算法的绘制速度、对象的生成质量及场景复杂度之间的矛盾，己成为计算机图形学领域一个重要的课题。
虚拟场景的绘制是虚拟漫游系统的关键，依据不同的场景建模方法，目前主要分为基于图形绘制（GBR）和基于图像绘制（IBR）两种方法。IBR方法与GBR相比具有以下特点：（1）以图片代替3D建模，虚拟场景生成速度快，开发周期短。（2）场景逼真，给人以身临其境的视觉满足感，可达到照片级的真实感。（3）数据量小，适合网络传输，且视图生成算法计算量小，能够在一般PC机上实时绘制完成。
2、全景图技术
全景（Panorama）技术是目前迅速发展的一门视觉新技术，它可以拓展图片的分辨率和实现信息压缩，目前已广泛应用于宇宙空间探测、医学图像处理、海底勘探等社会领域。全景图可通过多种途径获取，目前多采用图像拼接的方法得到。虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）系统又可称为灵境技术，它可提供一种模拟仿真的互动环境。对于任何一个虚拟现实系统，主要有以下三大特性。（1）沉浸性。（2）交互性。（3）多感知性。
2.1 基于图像的图形绘制技术（IBR技术）
它采用真实的场景图片作为输入，并通过图像处理技术对全景图像进行反投影、插值等运算来绘制虚拟场景。其与传统的基于图形绘制的方法思路完全不同，不再需要繁琐的几何建模，直接由己知场景图像合成新视图。
基于IBR的方法较传统的基于图形绘制的方法，有着以下优势：（1）场景真实，沉浸感强。（2）建模简单快速。（3）数据量小，实时性好。
2.2 立方体全景图技术
立方体全景图可实现360度无视觉死角漫游。视平面与立方体全景图的几何关系如图1所示。
通常可以由两种方法来生成立方体全景图：第一种是用拼接软件的方法对采集的图像进行无缝拼接，并采用立方体投影模型来生成具有6个面的立方体全景。第二种方法是用数码相机严格标定相机的位置，使用90度的广角镜头在上下，前后，左右6个方向依次各拍摄一张照片，并将获取的照片无缝拼接成立方体全景图。
2.3 全景图的生成
基于图像的绘制（IBR）是通过宽视角图像、360°全角度具有三维立体图像对现实中的景象进行建模展示，根据多个静态的图像进行合理的组合来展现实际场地的一种连续查看。随着计算机技术水平的快速发展，为图像的计算机处理提供了更为先进的数字处理方法，我们利用多个现场图像的拼接，通过数字技术实现对其各个拼接点和接触点进行编辑；也可以对每个节点进行不用角度的和远近距离的查看等操作。这种根据多个图像拼接来实现整个场景的展示过程如2图所示：
3、虚拟实景空间系统分析设计
虚拟实景即将现实中的场景通过现有虚拟技术进行表现，由于技术实现复杂度高等条件限制，提出了基于实时序列普通图像采集数据，运用IBR全景技术，将图像数据生成可靠性高，真实度高的虚拟环境的全景图。
虚拟实景空间的数据采集来自于真实的场景照片、围绕人机交互操作这个核心，比传统的虚拟技术在真实性、人机交互等方面有很大的优势，其主要特点体现在以下几点：
（1）原始数据真实性。基于建模的虚拟空间是实景是通过3D几何模型实现，而虚拟实景空间构造使用的是实景图像。 （2）空间。虚拟空间是虚拟场景和视点之间的关系，虚拟实景空间系统是以图片采集点W（X，Y，Z）为唯一视点，在该视点观察者可以进行360°×180°查看空间场景的基本元素，在场景的所表达出的所有时空信息则是真实有效的。（3）虚拟。虚拟是指在图片采集技术的基础上，通过计算机技术，将原始数据转换成直观、易于操作和管理的真实、有效、完整的虚拟数据，可以真切模拟现实场景的信息。（4）交互。虚拟实景技术是基于易于交互和操作的基础发展起来的，交互性是关键所在，由于现有全景技术的技术所限，交互的可控自由度十分有限，但理论上空间操纵的自由度仍有很大的空间可以提升。
4、全景图自动拼接系统实现
全景图的实现是经过对图片一系列的处理，如拍摄、拼接、融合等一些关键步骤，从而形成一副从视觉上观察是一副完整并且连续的一系列图像的有机、有序的组合。
将拍摄得到的图片分组拼接时，每组图像都没有一个固定合理的排列顺序，这些图片中包含了构成全景图的部分子集图像和不属于全景图像子集的噪声图像。而漫游系统中全景图是自动生成的。
系统实现。下图为对某景点全景图的虚拟漫游的实现，图3，图4为对景点的拼接后的全景图。
上图中，左上角是系统的导航系统，用户可以根据自己的需要选择其他景点。根据选择景点的不同，系统所呈现的景点信息也会随之发生不同变化。用户通过鼠标可以直接定位感兴趣的范围，然后通过键盘上的上、下、左、右键选择去向，也可以选择全屏观看，对全景图像进行旋转等功能，大大提高了系统的灵活度。
5、结语
本论文运用图像拼接、图像融合理论，编程实现全景图的拼接及融合过程，结合虚拟漫游技术实现了虚拟场景漫游及导航、半视点360×360度无视觉死角浏览、全方位地漫游整个景点区域场景的功能；也方便地实现全景图的漫游、实景展示的功能，使用户体验更加真实有效。
实验结果表明，该系统在全景图的漫游及导航功能在效率和精确度方面都有良好的可用性。系统的实现，为旅游业的发展提供了有力支持。
参考文献
[1]王娟，师军，吴宪祥.图像拼接技术综述.计算机应用研究.2008，26（07）：1940-1943.
[2]Jungpil Shin，Yu Tang.Deghosting for Image Stitching with Automatic Content-Awareness.Pattern Recognition.2010，23（26）：26-27.
[3]赵亮.柱面全景图全自动拼接系统研究与实现：（硕士学位论文）.北京：北京化工大学，2009.
关键词：
中图分类号： TP391．9 文献标识码： A 文章编号：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
美国前副总统戈尔在1998年1月提出“数字地球即一种可以嵌入海量地理数据的多分辨率和三维的地球的表示，可以在其上添加许多与所处的星球有关的数据”，近年来随之兴起了“数字中国”、“数字城市”、“数字校园”等概念。“数字林业”是国家林业局在2001年提出的，这是“数字化”理念在林业方面的应用，其概念被明确为“系统地获取、融合、分析和应用数字信息来支持可持续森林经营管理的科学、技术和艺术”[1]。
三维可视化技术是使用计算机图形学图像处理技术为基础，将地球表面某一地域的数据信息转换为三维图形或图像的形式在屏幕上显示出来，并进行交互式处理的一种新技术。目前， “数字林业”的三维可视化是林学和计算机图形学领域研究的一个热点，从简单的林木三维建模到辅助进行的林分空间结构合理化，三维可视化技术都提供了一种全新的森林生产经营理念和方式，这对未来的森林管理与决策起着至关重要的作用[2]。
下面介绍三维可视化技术在数字林业中的应用领域。
1 树木模型三维可视化
树木的三维可视化是指利用科学的计算方法，将自然界中千变万化的树木形态转换为直观的几何图形，并将描述其生理结构、生长过程的复杂数据在计算机中进行直接的计算和模拟，即将树木结构的描述方法与几何参数反演成具体的林木空间形态，在此过程中可以采用光照、纹理、渲染等手段对林木图像进行绘制。准确而逼真地实现树木形态的三维虚拟显示是三维可视化技术在数字林业应用中的基础。结合森林空间结构特征信息，可为研究树木生长趋势和木材的收获评价等森林经营决策提供可视化的、精准的决策标准。
由于树木形态复杂，所以对模拟技术和系统开销有较高的要求， 而且树木生长具有生理确定性和长势不确定性的双重特性，至今，树木三维可视化还没有得到一个完善的具有林业研究意义的三维模型。为此，众多大学、研究机构的学者们对这个问题提出了自己的见解并进行了尝试[3]。
李庆忠等提出了一种L系统与IFS相互融合的植物形态模拟新方法，既能通过 L系统模拟出植物的随机生长的规律和拓扑结构，又可以利用IFS 来模拟植物各基本组成部分的自相似性和丰富的纹理、质地特性，得到比较自然和具有真实感的植物模拟效果[4]。郝卫亮等运用递归调用分形自相似结构的方法构造了树木的三维模型，采用分枝结构的随机抖动与双缓冲技术，既解决了模型的真实感，又解决了实现速度问题，简洁高效，具有普遍应用性，而且能生成形象逼真的树木图形[5]。张佳佳等基于树木的形态结构特征，使用分形迭代系统构建树木的整体结构形态，并用参数化曲线模拟树木枝条的自然弯曲状态以及在弯曲过程中枝条半径的变化，实现了树木形态结构的三维可视化[6]。吕梦雅等将阈值分析法与改进的种子点区域增长算法相结合，引入起飞着陆算法，实现了枝干结点的自动匹配，并在此基础上实现了基于手持相机双视点图像的树干三维重建系统[7]。向南平等利用GIS的组件ArcObjects提供的Scene viewer Control控件，在单株树木的三维可视化模型基础上应用 GIS数据，得到实时森林景观三维模拟系统[8]。Pradal等在Python程序语言基础上设计了一个用来创建、模拟和分析3D虚拟植物的开源图形工具包――PlantGL，提供了一套表示不同规模植物结构的几何模型[9]。
林分的可视化是基于林木三维可视化的，目前主要有3种模式：基于规则几何体的模型、基于树的三维造型、使用树木模型和软件集成的方法实现林分三维可视化。随着计算机技术的发展， 逐渐出现了各种林分可视化系统。可视化系统不仅可以反映林木的基本空间结构，也可实现动态漫游， 让参与者有身临其境的真实感受。
2 虚拟林相图三维可视化
随着计算机图形学、虚拟现实及三维仿真技术的飞速发展，林相图的制作经历了二维林相图、数字林相图、虚拟三维林相图三个发展阶段。
传统的林相图制图、成图周期长、精度低、投入高、比例尺固定、成果单一、资料难以保存；小班数据库资料和图面材料分离，无论今后森林资源数据如何变化，图面资料都不会随之变动；信息量不足，真实感差，实用性不强[10]。而虚拟林相图能够直观、准确、交互地在计算机上模拟大面积森林所在的地形、树种组成、树高、起源、分布等信息。因其有机地结合了二维林相图的宏观性、整体性、简洁性和三维虚拟场景的局部性、真实性的优点，同时又克服了二维林相图的三维信息缺乏和三维虚拟林相场景漫游的方向迷失感，所以真正做到了两者的优势互补[11]。
虚拟林相的最大特点是直观性，以活立木的形式来表现林相信息，可以为数字林业提供信息，又能为森林旅游提供宣传工具。Lim等使用虚拟现实模拟语言（VRML）开发了一个森林景观可视化系统，能够实现漫游仿真和三维图像渲染，从而辅助森林管理经营进行正确地决策[12]。2003年，罗传文以上甘岭林业局为研究对象，制作了包括三维图像显示、属性数据处理和导航三部分组成的虚拟林相图[13]。2006年，曲林以一个三维虚拟林相程序TERRAIN的制作过程为例，介绍Visual C＋＋开发平台上基于OpenGL图形库的三维虚拟林相图制作方法。董斌等以北京市妙峰山林场为例介绍了数字三维林相图的构件技术。通过不同颜色表达不同树种的分布，克服了纸质林相图树种分布不直观、界限不明显的缺点，实现了森林的规划设计、抚育、更新和管理的可视化[10]。卢双珍等利用数字高程模型以及ArcView、ArcMap、ERDAS等软件，进行三维林相图的制作研究，实现了从二维林相图向三维林相图的跨越[14]。孙海洪等实现了三维虚拟林相的显示、放大缩小和漫游等功能，为林业规划显示系统的开发提供模块和技术支持[15]。
基于地理信息系统技术构建数字三维林相图是未来林业制图的重要发展方向之一。利用数字三维林相图可以直观地查询小班的林种分布、树种结构、面积、土壤、坡度、坡向、土壤厚度、土壤质地等，可以非常容易地实现森林的规划设计、抚育、间伐、更新和管理。随着计算机软硬件技术的不断发展，数字三维虚拟林相图的构建过程会越来越简单，从而使这项技术从理论走向实践，真正实现林业的数字化、定量化、可视化、网络化和信息化。
3 生长模型三维可视化
三维可视化生长模型是通过对树木构筑型和林分生长模型的研究，基于木本植物的生理特征与计算机的高速运算功能，模拟真实树木在自然环境中的生长过程，并在以往研究数据与经验基础上，对当前林业实践进行准确指导、评价、预测的计算机三维模型[16]。
研究森林生长规律，指导森林经营活动，是林业研究的一个重要方面。随着数学模型和计算机模拟技术的发展，使树木生长得到更好的模拟。学者们对树木枝条的生理特性和空间分布状态的研究更加细化，使树木模拟研究逐渐向定量化和动态化发展[17]。
实现林木生长的三维重现，便于对树木生长进行科学有效的表达。许炜敏等以VS2005为平台，采用VB．NET语言，利用ArcEngine的一系列应用接口和控件，结合林场小班图层、立地因子、数字高程模型（DEM）、不规则三角网（TIN）、遥感影像等数据，根据不同立地条件贡献值以及林龄进行蓄积量计算，实现了基于ArcScene的杉木林蓄积量可视化表达，动态演示了杉木林依据立地因子和生长模型的蓄积量生长分布过程[18]。芦海涛等以水曲柳为例，采用逐步回归的技术建立水曲柳单木生长模型，为水曲柳的生长和经营提供参考和依据[19]。李忠国等在分析我国暖温带中山区和北亚热带高山区日本落叶松生长情况的同时，在模型中加入了代表区域特征的哑变量来建立日本落叶松人工林生长模型，为科学经营奠定了基础[20]。
林分生长模型是根据已知的林分初始信息及环境因素计算出林分生长过程中的各种参数或数据。根据林分生长模型来指导营林生产已成为林业集约经营的一项重要技术。景向欣通过实测数据结合树木生长的生物学特性、枝条生长模型、节子（死枝）预测模型、叶量预测模型建立了树木动态三维可视化模型系统，有助于经营者选择有效的经营措施[21]。向玮等以落叶松云冷杉林为对象，建立分树种的矩阵模型，并模拟不同采伐方案对木材生产、树种和林分结构多样性及碳贮量的综合影响，为多目标森林经营决策提供方法和依据[22]。
4 林火模拟三维可视化
森林火灾是森林经营中最严重的自然灾害之一，与普通的火灾相比，具有突发性强、难以控制、恢复期长等特点，同时林火的燃烧与地形、风向等环境因素关系密切。一旦发生，极易形成高强度的树冠火和地表火，严重危害森林资源、环境和扑火人员生命安全，不仅会造成巨大的经济损失，而且会对生态系统和气候造成不可忽视的影响。随着计算机技术的飞速发展，尤其是计算机图形和虚拟现实技术的发展，使得三维表达真实感事物成为可能。利用三维真实感图形表达不仅能实时显示受灾面积、火势蔓延的方向、火势大小，而且能给人以真实的感觉和可视化的画面[23]。
林火蔓延是一个多相、多组分可燃物在各种气象条件（温度、湿度、风向、风力等）和地形影响下燃烧和运动的极其复杂的现象。林火蔓延模型是指在各种条件简化的条件下，对其进行数学上的处理，从而导出林火行为与可燃物的性质、气象因素、地形因素等参数间的定量关系式。利用这个模型来预测将要发生或正在发生的林火行为，指导日常的林火管理和突发的森林火灾等工作，从而使林火能以最少的人力、物力及在最短的时间内扑灭[24]。如何建立恰当的火焰模型，生成具有真实感的火焰效果，一直是计算机图形学领域的研究热点。自从1946年Fons首先提出林火蔓延的数学模型以来，世界上出现了许多防火模型，其中，以Rothermel模型最成熟，运用最广泛。
虚拟的林火蔓延模型包括对林火造型的三维模拟、对林火的蔓延过程进行模拟以及林火与其它环境因素进行交互的三维模拟等方面内容。具有代表性的林火造型模拟技术有粒子系统、纹理合成及基于物理的模拟等 3种技术。黄华国等在分析林火蔓延的现有模型的基础上，整合数字高程模型、气象因子、树种因子的三维曲面元胞自动机模型，设计数据提取、加工、应用框架，开发出能够进行林火蔓延三维模拟的软件系统[25]。李建微等在构建大场景虚拟森林景观的基础上，以福建漳浦林区为实验区，采用Rothermel模型和Huygen原理，以改进的粒子系统方法，对在不同的风速和坡度下的林火进行三维模拟。该模型能够仿真在火场不同位置的林火扩散行为，既能实时地显示受灾的面积、火势蔓延的方向、火势大小，且能给人以真实感[23]。姚林强在分析近几年来国内外对火焰模拟技术发展的基础上，充分考虑林火自身的燃烧机理和造型特征，提出一种基于变形的粒子系统模型，以满足林火仿真在实时快速、真实感等方而的需要[26]。张超基于Rothermel林火蔓延模型，利用Huygen原理模拟火灾现场，结合三维GIS平台，实现林火行为的三维可视化。该模型能够准确反映不同位置的风速、坡度及其他因素的影响，使临场决策人员能够更加快速、形象地获取火场参数，从而提高灭火的效率[24]。Hoang等提出了一个沉浸式火灾模拟和可视化系统VFire，将用户置身于虚拟环境中，使其在各种条件下模拟实时火灾，并通过采取措施进行火灾扑救工作[27]。Parsons等提出一个新的模型FUEL3D，合并管道模型理论（PMT）和简单的三维递归分支方法来模拟树冠火，连接详细的可燃物模型和详细的火灾模型，并与传统的可燃物和火灾模型进行对比，从而提出火灾行为建模和生态意义[28]。Castrillón等提出基于3D虚拟环境的火灾预测应用程序和火灾模拟引擎，允许几个用户同时连接的远程模块，根据天气和风力数据同时整合地形空间信息和植被类型来模拟和可视化地面火灾的蔓延过程，来监测真实火灾事件[29]。
随着计算机技术和地理信息系统技术在林业中的应用，结合三维可视化模拟技术可以建立不同的林火蔓延预测模拟和分析管理信息系统，使用可视化的方式可呈现林火燃烧和蔓延过程、危害范围和火警预测，为防灾、减灾提供决策工具。
5 病虫害监测三维可视化
森林病虫害是指造成森林植物生长发育不良或死亡的病害和虫害，其传播途径广、蔓延速度快、防治难度大、治理成本高， 至今尚未找到经济有效的根治方法，对森林、生态、社会等方面造成了巨大的损失。中国是受森林病虫害严重危害的国家之一，年均受灾面积是年均火灾面积的214倍，于是又称为“不冒烟的森林火灾”。根据不完全统计，森林病虫害的种类约有8 000多种，其中经常对森林产生严重危害的就有200多种。因此，为了实现林业资源经营和发展的可持续化，人类需要对森林病虫害进行真实有效的预测。
传统的病虫害监测常采用随机模型、过程模型以及邻域规则模型，其时效性差，不能进行大范围的动态监测，更无法进行灾害扩散的空间预测。随着3S技术、三维可视化技术的发展，传统的监测手段得到了扩充，使得测报由传统的时间尺度上升到空间尺度[30]。例如，某地区受到病虫的侵害，在数字地形模型（DTM）或数字高程模型（DEM）上叠加遥感影像图和道路、河流、居民点等辅助信息，就可以模拟该区域的真实地形和场景，使相关研究人员能够更详细地掌握受灾区的实际情况。此外，某些软件中有模拟飞行的功能，使相关研究人员可以进行非实地的地理勘察和动态观测，从而使其有一种身临其境的直观感觉[31]。
唐玮嘉等设计出适合云南省松材线虫病管理和预警的应用软件，探索出一条能够比较容易被广大林业技术人员接受和使用的松材线虫病调查、管理和预测预警的新思路， 从而提高云南省松材线虫病管理的科技含量和决策水平，对于线虫病的有效监测及预警具有重大意义，并且有助于决策部门及时制定预防措施和防治措施[32]。未来的森林病虫害监测应该朝着多元化的方向发展，即在自身预防、治理等传统理论作为基础的前提下，运用空间信息技术，建立生物学、生态学、病理学、昆虫学等各相关领域的专家系统，最终形成一个完善、科学的监测系统，进而对生产实践进行指导。
6 森林空间结构三维可视化
目前的森林可视化与空间结构研究是相对独立进行的，表现在：一方面，森林可视化研究侧重于如何逼真地实现森林的三维虚拟显示，但很少引入基于树木坐标的空间结构指数进行空间结构分析，因此只可见森林，不知其空间结构特征，对森林经营辅助决策意义不大；另一方面，空间结构研究侧重于描述森林的空间结构状况或进行不同指数的比较，缺乏给森林经营者提供直观的信息。森林可视化固然可以直观再现森林，但森林经营者往往还需要掌握森林空间结构信息，因为这两方面信息对森林经营决策至关重要[33]。
森林的空间结构反映了森林内物种的空间关系，即林木在水平地面上的分布格局及其属性在空间上的排列方式；决定着林分中光、温的分布以及气体运动，对林木生长和经营的可能性等都有着重要的影响。因此，森林空间结构是森林经营的基础，在森林恢复与重建、结构与功能调控中具有重要意义。
森林空间结构主要包括：空间分布格局、竞争、混交三个方面。其中，三维可视化技术的应用主要就在空间分布格局方面，即在计算机上实现林分生长的视觉化、图形化和立体化，实现数字林木和数字森林。三维可视化这个强大的工具不但作为恢复和管理的视觉参考点，而且作为一个了解过去、现在和未来森林景观状态变化的辅助措施。Stoltman等使用3DNature软件将威斯康星洲的预结算森林进行可视化，将其与目前的森林状况进行对比，进而发现存在的一些变化[34]。Tyrv?]inen等考察了两种潜在的改进协作城市森林规划与设计的方法，包括基于计算机的可视化方法和示范森林与景观实验室，通过研究发现这两种方法的应用会实现森林规划和设计的重大改进[35]。森林资源管理规划必须解决生态、经济和社会可持续所关注的问题。Falc?bo等将决策支持工具与计算机可视化技术相结合，提出了森林景观动态模拟的可视化工具，能提供有效的实时导航能力，从而评估景观水平的森林管理的影响[36]。通过分析多种经营行为对林分空间结构、种群密度、竞争态势、林木更新所产生的影响，能促进工作人员调节经营方案，选择合理的经营措施，从而实现科学合理的经营管理[37]。
对基于空间结构的经营方案进行优化设计，是数字林业研究的一个重要方向。张成程通过构筑树冠三维模拟模型，结合可视化软件3DTree来探讨林分空间结构优化可视化经营和模拟不同间伐强度的采伐可视化经营。以空间优化指标来选择采伐木，模拟林木动态生长对采伐空间的填充过程，并探讨采伐所形成林窗动态变化曲线，以此为落叶松人工林的空间优化的可视化经营提供参考[37]。章雪莲提出基于GIS把森林可视化和空间结构分析结合起来进行研究的一套技术方法[33]。以浙江省天目山国家级自然保护区内的常绿阔叶林为例，建立了基于树木纹理贴图的树木三维模型；将Voronoi图引入森林空间结构研究，改进了传统的森林空间结构指数计算方法；开发建立了森林可视化与空间结构分析系统，在计算机上实现森林可视化与空间结构分析，为森林经营决策提供可视化的、精准的信息，为常绿阔叶林的保护、恢复与重建提供技术支持与理论依据，对实现森林可持续经营有着重要意义。
7 结束语
树木模型三维可视化技术准确而逼真地实现了树木形态虚拟显示，林分三维可视化是在单木可视化的基础上发展起来的，为森林景观三维虚拟仿真提供了条件；直观、准确、交互的虚拟林相图可以使森林的规划设计、抚育、间伐、更新和管理更加便利；利用生长模型可以快速地模拟林分生长状况，为选择合理的竞争指标和应用不同的方法来建构竞争指标提供了依据；林火模拟能够及时避免和有效减少火灾带来的灾害，同时结合通视域分析等信息可以建立合理的防火设施；三维可视化技术扩充了传统的病虫害监测手段，使得预测和治理由传统的时间尺度上升到空间尺度；空间格局的研究是和森林经营管理结合最紧密的应用方式，在森林恢复与重建、结构与功能调控中起重要的指导作用。
森林资源信息量大、涉及面广，而且相互关联，各类信息复杂，对于那些没有经过培训或者在森林管理方面没有经验的人员很难理解，在林业中应用三维可视化不仅可使公众更好地理解和接受森林管理行为的动机和意图，而且对相关工作人员制定森林管理策略也是必不可少的[38]。但森林资源三维可视化的工作量很大，对各类复杂自然景物的建模、算法的优化、空间分析及制定有效的经营管理策略等方面的研究还需要不断深入。
三维可视化技术应用在数字林业中，不仅可使人们身临其境地漫游在森林中， 也可通过模拟选择最优的经营方式， 减少林业工作者传统作业的工作量，避免经营失误带来的经济和环境的损失，有助于林业管理人员在虚拟的环境下及时了解和掌握森林资源现状和动态变化过程，如森林火灾的蔓延过程和病虫害的侵害趋势等。同时，还能提供不断更新的相关森林资源信息， 如地类、树高、蓄积量和相关的统计结果，为相关森林资源规划管理方案的制定提供高效、准确的辅助决策；而且对影响森林资源分布、演替的其他相关因素可进行综合宏观分析研究，从而推进森林资源培育、保护、利用的合理化，协调生态系统的和谐与共存发展。
参考文献：
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【论文关键词】电子技术；理论与应用；近似计算；静态分析
【论文摘要】本文首先探讨了近似计算在静态分析中的应用问题，其次分析了纳米电子技术急需解决的若干关键问题和交互式电子技术应用手册，最后电子技术在时间与频率标准中的应用进行了相关的研究。因此，本文具有深刻的理论意义和广泛的实际应用价值。
一、近似计算在静态分析中的应用
在电子技术中应运中，近似计算贯穿其始终。然而，没有近似计算是不可想象的。而精确计算在电子技术中往往行不通，也没有其必要。尽管近似计算会引入一定的误差，但这个误差控制得好，不会对分析其它电路产生大的影响。所以关键在于我们如何掌握，特别是如何应用近似计算。
在工作点稳定电路中的应用要进行静态分析，就必须求出三极管的基电压，必须忽略三极管静态基极电流。这样，我们得到三极管的基射电子的相关过程及结论。
二、纳米电子技术急需解决的若干关键问题
由于纳米器件的特征尺寸处于纳米量级，因此，其机理和现有的电子元件截然不同，理论方面有许多量子现象和相关问题需要解决，如电子在势阱中的隧穿过程、非弹性散射效应机理等。尽管如此，纳米电子学中急需解决的关键问题主要还在于纳米电子器件与纳米电子电路相关的纳米电子技术方面，其主要表现在以下几个方面。
（1）纳米Si基量子异质结加工
要继续把现有的硅基电子器件缩小到纳米尺度，最直截了当的方法是采用外延、光刻等技术制造新一代的类似层状蛋糕的纳米半导体结构。其中，不同层通常是由不同势能的半导体材料制成的，构建成纳米尺度的量子势阱，这种结构称作“半导体异质结”。
（2）分子晶体管和导线组装纳米器件即使知道如何制造分子晶体管和分子导线，但把这些元件组装成一个可以运转的逻辑结构仍是一个非常棘手的难题。一种可能的途径是利用扫描隧道显微镜把分子元件排列在一个平面上；另一种组装较大电子器件的可能途径是通过阵列的自组装。尽管，PurdueUniversity等研究机构在这个方向上取得了可喜的进展，但该技术何时能够走出实验室进入实用，仍无法断言。
（3）超高密度量子效应存储器
超高密度存储量子效应的电子“芯片”是未来纳米计算机的主要部件，它可以为具备快速存取能力但没有可动机械部件的计算机信息系统提供海量存储手段。但是，有了制造纳米电子逻辑器件的能力后，如何用这种器件组装成超高密度存储的量子效应存储器阵列或芯片同样给纳米电子学研究者提出了新的挑战。
（4）纳米计算机的“互连问题”
一台由数万亿的纳米电子元件以前所未有的密集度组装成纳米计算机注定需要巧妙的结构及合理整体布局，而整体结构问题中首当其冲需要解决的就是所谓的“互连问题”。换句话说，就是计算结构中信息的输入、输出问题。纳米计算机要把海量信息存储在一个很小的空间内，并极快地使用和产生信息，需要有特殊的结构来控制和协调计算机的诸多元件，而纳米计算元件之间、计算元件与外部环境之间需要有大量的连接。就现有传统计算机设计的微型化而言，由于电线之间要相互隔开以避免过热或“串线”，这样就有一些几何学上的考虑和限制，连接的数量不可能无限制地增加。因此，纳米计算机导线间的量子隧穿效应和导线与纳米电子器件之间的“连接”问题急需解决。
（5）纳米/分子电子器件制备、操纵、设计、性能分析模拟环境
当前，分子力学、量子力学、多尺度计算、计算机并行技术、计算机图形学已取得快速发展，利用这些技术建立一个能够完成纳米电子器件制备、操纵、设计与性能分析的模拟虚拟环境，并使纳米技术研究人员获得虚拟的体验已成为可能。但由于现有计算机的速度、分子力学与量子力学算法的效率等问题，目前建立这种迅速、敏感、精细的量子模拟虚拟环境还存在巨大困难。
三、交互式电子技术手册
交互式电子技术手册经历了5个发展阶段，根据美国国防部的定义：加注索引的扫描页图、滚动文档式电子技术手册、线性结构电子技术手册、基于数据库的电子技术手册和集成电子技术手册。目前真正意义上的集成了人工智能、故障诊断的第5类集成电子技术手册并不存在，大多数电子技术手册基本上位于第4类及其以下的水平。需要声明的是，各类电子技术手册虽然代表不同的发展阶段，但是各有优点，较低级别的电子技术手册目前仍然有着各自的应用价值。由于类以上的电子技术手册在信息的组织、管理、传递、获取方面具有明显的优点。简单的说，电子技术手册就是技术手册的数字化。为了获取信息的方便，数字化后的数据需要一个良好的组织管理和提供给用户的形式，电子技术手册的发展就是围绕这一过程来进行的。
四、电子技术在时间与频率标准中的应用
时间和频率是描述同一周期现象的两个参数，可由时间标准导出频率标准，两者可共用的一个基准。
