計算機圖形學(xué)1.3 -計算機圖形學(xué)應(yīng)用課件

1.3計算機圖形學(xué)應(yīng)用

計算機輔助設(shè)計與制造

可視化與可視計算

圖形實時繪制與自然景物仿真

計算機動畫

圖形用戶接口

計算機藝術(shù)

娛樂

地理信息系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實2/3/20231蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院CAD/CAM計算機圖形學(xué)在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域建筑、機械結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品設(shè)計（結(jié)構(gòu)分析和外形設(shè)計）、布局（各種管道，電子線路），包括設(shè)計飛機、汽車、船舶的外形和發(fā)電廠、化工廠等的布局以及電子線路、電子器件等Boeing777（整體設(shè)計和模擬，其中包括飛機外型、內(nèi)部零部件的安裝和檢驗）,無紙設(shè)計。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的異地異構(gòu)系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計基于工程圖紙的三維形體重建AutoCAD,GHCAD,SolidWorks,Pro/E,UG,CATIA,MDT,優(yōu)點：設(shè)計周期短，成本低，質(zhì)量高2/3/20232蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院CAD產(chǎn)品設(shè)計2/3/20233蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院奧迪效果圖和線框圖2/3/20234蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

CAD/CAM2/3/20235蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院CAD建筑設(shè)計2/3/20236蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2/3/20237蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2/3/20238蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院boeing7772/3/20239蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院三維形體重建三維形體重建就是從二維信息中提取三維信息，通過對這些信息進行分類、綜合等一系列處理，在三維空間中重新構(gòu)造出二維信息所對應(yīng)的三維形體，恢復(fù)形體的點、線、面及其拓撲關(guān)系，從而實現(xiàn)形體的重建。優(yōu)勢：可以做裝配件的干涉檢查、以及有限元分析、仿真、加工等后續(xù)操作，代表CAD技術(shù)的發(fā)展方向2/3/202310蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院三維形體重建例子之一（a）工程圖

（b）線框圖

（c）實體圖計算機輔助設(shè)計軟件需要用戶繪制出對象的精確圖形由計算機構(gòu)造對象的線框圖模型2/3/202311蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院三維形體重建例子之二（a）工程圖

（b）線框圖

（c）實體圖2/3/202312蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

目前主要的三維形體重建算法是針對多面體和對主軸方向有嚴格限制的二次曲面體的。任意曲面體的三維形體重建，至今仍是一個未解決的世界難題。2/3/202313蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院可視化與可視計算海量的數(shù)據(jù)使得人們對數(shù)據(jù)的分析和處理變得越來越難，用圖形來表示數(shù)據(jù)的迫切性與日俱增科學(xué)計算可視化(VisualizationinScientificComputing)1986年，美國科學(xué)基金會（NSF）專門召開了一次研討會，會上提出了“科學(xué)計算可視化（VisualizationinScientificComputing）”。為科學(xué)計算、工程和醫(yī)藥的數(shù)據(jù)集成過程生成的圖形表示，指空間數(shù)據(jù)場的可視化。目標：用圖形表現(xiàn)抽象的數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域：醫(yī)學(xué)圖象重建，數(shù)據(jù)融合，遙感，流場、氣象、核爆模擬，有限元分析……。2/3/202314蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院科學(xué)可視化2/3/202315蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院科學(xué)計算可視化2/3/202316蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院科學(xué)計算可視化2/3/202317蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2/3/202318蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2/3/202319蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可視化有著廣闊的發(fā)展前途是機械手術(shù)和遠程手術(shù)的基礎(chǔ)將醫(yī)用CT掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維圖象，幫助醫(yī)生判別病人體內(nèi)的患處由CT數(shù)據(jù)產(chǎn)生在人體內(nèi)漫游的圖象可視化的前沿與難點可視化硬件的研究實時的三維體繪制體內(nèi)組織的識別分割——Segmentation2/3/202320蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院信息可視化用于貿(mào)易、工業(yè)和其他非科學(xué)計算領(lǐng)域的數(shù)據(jù)可視化，指非空間數(shù)據(jù)的可視化－信息流量，商業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，股市行情……。－發(fā)展：機器學(xué)習(xí)，數(shù)據(jù)挖掘2/3/202321蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院信息可視化例子2/3/202322蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院圖形實時繪制與自然景物仿真

在計算機中重現(xiàn)真實世界的場景叫做真實感繪制真實感繪制的主要任務(wù)實現(xiàn)逼真物理模型模擬真實物體的物理屬性：物體的形狀、光學(xué)性質(zhì)、表面的紋理和粗糙程度以及物體間的相對位置、遮擋關(guān)系等等光照模型光照和表面屬性是最難模擬的。從簡單到復(fù)雜排列分別是：簡單光照模型、局部光照模型和整體光照模型。繪制方法有模擬光的實際傳播過程的光線跟蹤法，也有模擬能量交換的輻射度方法。

2/3/202323蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院加速算法及其他研究加速算法，力求能在最短時間內(nèi)繪制出最真實的場景

求交算法的加速光線跟蹤的加速，如包圍體樹、自適應(yīng)八叉樹都是著名的加速算法陰影算法、紋理合成2/3/202324蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院基于多層陰影翼的軟影繪制2/3/202325蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院真實感圖形實時繪制物體網(wǎng)格模型的面片簡化，LOD,Occlusionculling網(wǎng)格模型的面片簡化，就是指對網(wǎng)格面片表示的模型，在一定誤差的精度范圍內(nèi)，刪除點、邊、面，從而簡化所繪制場景的復(fù)雜層度，加快圖形繪制速度。吳建華的牛頭

研究熱點2/3/202326蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院基于圖像的繪制（IBRImageBasedRendering）、基于Vedio繪制IBR完全摒棄傳統(tǒng)的先建模，然后確定光源的繪制的方法。它直接從一系列已知的圖象中生成未知視角的圖象。這種方法省去了建立場景的幾何模型和光照模型的過程，也不用進行如光線跟蹤等極費時的計算。該方法尤其適用于野外極其復(fù)雜場景的生成和漫游。

以“畫中游”為例畫中游http://koigakubo.hitachi.co.jp/little/DL_TipE.htmlVideofromHKUST:http://www.cs.ust.hk/~cpegnel/glTIP/intro.html2/3/202327蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院大量模擬野外自然景物真實感繪制已經(jīng)從最初繪制簡單的室內(nèi)場景發(fā)展到現(xiàn)在大量模擬野外自然景物，比如繪制山、水、云、樹、火等等。繪制火和草的粒子系統(tǒng)（ParticleSystem），基于生理模型的繪制植物的方法，繪制云的細胞自動機方法等。也出現(xiàn)了一些自然景物仿真繪制的綜合平臺，德國Lintermann和Deussen的繪制植物的平臺Xforg，清華大學(xué)自主開發(fā)的自然景物設(shè)計平臺。野外自然景物的模擬實例2/3/202328蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院真實感云日本YoshinoriDobashi等人繪制的真實感云（Siggraph’2000）2/3/202329蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院Xfrog3.0生成的挪威云杉2/3/202330蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院王希的樹皮VDMSiggraph032/3/202331蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院紋理與表面細節(jié)VDM

2/3/202332蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院大規(guī)模復(fù)雜場景的點繪制2/3/202333蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院PointZ-Buffer

http://www.gris.uni-tuebingen.de/areas/large/xrendering/

Video:http://www.gris.uni-tuebingen.de/areas/large/xrendering/video.mpg2/3/202334蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院清華大學(xué)自然景物平臺生成的野外場景

2/3/202335蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院計算機動畫

計算機動畫也只是生成一幅幅靜態(tài)的圖象，但是每一幅都是對前一幅做一小部分修改（如何修改便是計算機動畫的研究內(nèi)容），這樣，當這些畫面連續(xù)播放時，整個場景就動起來了。早期的計算機動畫靈感來源于傳統(tǒng)的卡通片，在生成幾幅被稱做“關(guān)鍵幀”的畫面后，由計算機對兩幅關(guān)鍵幀進行插值生成若干“中間幀”，連續(xù)播放時兩個關(guān)鍵幀就被有機地結(jié)合起來了。2/3/202336蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院二維動畫 圖象變形形狀混合三維動畫關(guān)鍵幀動畫變形物體的動畫過程動畫關(guān)節(jié)動畫與人體動畫基于視頻(Video)的動畫2/3/202337蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院基于特征的圖像變形2/3/202338蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院三維自由形體變形由三維FFD操作得到的魚的變形圖TheVisualComputer2001.2/3/202339蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院布料與人體動畫(PG2002)2/3/202340蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院基于連續(xù)力學(xué)的變形/~shimin/video/Gym.m1v2/3/202341蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院/people/tu/animations.html智能生命之人工魚2/3/202342蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院基于video的動畫(Siggraph’04)2/3/202343蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院網(wǎng)格技術(shù)網(wǎng)格參數(shù)化(Mathofsurface,03)2/3/202344蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院幾何紋理的遷移與合成(ACMSPM’05,MIT)2/3/202345蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院基于幾何優(yōu)化的注冊算法2/3/202346蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院非真實感之動畫2/3/202347蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院我國第一部利用計算機輔助攝制的動畫片是《咪咪釣魚》，1991年由北方工業(yè)大學(xué)和北京電視臺合作制作，以二維動畫為主。用386微機和C語言編程，利用數(shù)字化儀和攝象機產(chǎn)生關(guān)鍵幀，再由計算機在相鄰兩幅關(guān)鍵幀之間內(nèi)插生成中間幀，并自動跟蹤上色。多層畫面疊加在一起，形成完整的畫面。10分鐘的片子，5人小組花了10個月時間。2/3/202348蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院這是一種嶄新的方法，該方法大量運用彈性力學(xué)和流體力學(xué)的方程進行計算，力求使動畫過程體現(xiàn)出最適合真實世界的運動規(guī)律。然而要真正到達真實的運動是很難的，比如人的行走或跑步是全身的各個關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)的結(jié)果，要實現(xiàn)很自然的人走路的動畫，計算方程非常復(fù)雜和計算量極大，基于物理模型的計算機動畫還有許多內(nèi)容需要進一步研究。

基于物理模型的計算機動畫2/3/202349蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院圖形用戶接口定義：介于人與計算機之間，人與機器的通信，人機界面（HCI）：軟件＋硬件用戶接口是人們使用計算機的第一觀感。一個友好的圖形化的用戶界面能夠大大提高軟件的易用性圖形學(xué)已經(jīng)全面融入計算機的方方面面，很多軟件幾乎可以不看任何說明書，而根據(jù)它的圖形、或動畫界面的指示進行操作2/3/202350蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院由指示燈和機械開關(guān)組成的操縱界面→由終端和鍵盤組成的字符界面（80年代）→由多種輸入設(shè)備和光柵圖形顯示設(shè)備構(gòu)成的圖形用戶界面（GUI），（90年代）PC，工作站W(wǎng)IMP(W-windows、I-icons、M-menu、P-pointingdevices)界面，所見即所得→VR技術(shù)（發(fā)展方向）?？茖W(xué)計算型→無處不在的計算機，人機溶合，提高交互效率目前幾個大的軟件公司都在研究下一代用戶界面，開發(fā)面向主流應(yīng)用的、自然、高效多通道的用戶界面。研究多通道語義模型、多通道整合算法及其軟件結(jié)構(gòu)和界面范式是當前用戶界面和接口方面研究的主流方向，而圖形學(xué)在其中起主導(dǎo)作用。發(fā)展2/3/202351蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院舉例2/3/202352蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院計算機藝術(shù)廣泛用于藝術(shù)品的制作，如各種圖案、花紋、工藝外形設(shè)計及傳統(tǒng)的油畫、中國國畫和書法等，還成功地用來制作廣告、動畫片和電視電影。

美術(shù)創(chuàng)作的軟件二維平面的畫筆程序：Coreldraw,Photoshop,PaintShop

,專門的圖表繪制軟件：Visio三維建模和渲染軟件包：3DMAX，Maya一些專門生成動畫的軟件：Alias，Softimage2/3/202353蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院優(yōu)點：提供多種風格的畫筆畫刷提供多種多樣的紋理貼圖，甚至能對圖象進行霧化，變形等操作可以任意修改，取消敗筆不足：無法達到傳統(tǒng)繪畫中風格化的藝術(shù)效果很難得到有素描效果、油畫效果的藝術(shù)品2/3/202354蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2/3/202355蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2/3/202356蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2/3/202357蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院用于模擬藝術(shù)效果，研究方法有別于真實感圖形學(xué)鋼筆素描是非真實感繪制的一個重要內(nèi)容，目前仍然是一個非?；钴S的研究領(lǐng)域。鋼筆素描產(chǎn)生于中世紀，從19世紀開始成為一門藝術(shù)，然而用計算機模擬鋼筆繪畫卻是20世紀90年代的事情了。中國國畫與書法的生成相片真實感模擬與自然媒體仿真技術(shù)分形藝術(shù)模擬藝術(shù)效果的非真實感繪制（NPRNon-PhotorealisticRendering）2/3/202358蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院鋼筆素描GeorgesWinkenblach繪制的壺和碗（Siggraph’96）

2/3/202359蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院Salisbury繪制的茶壺（Siggraph’97）

2/3/202360蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院Salisbury繪制的熊（Siggraph’97）

2/3/202361蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院OliverDeussen繪制的素描樹（Siggraph’2000）2/3/202362蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院分形幾何中的自相似圖形(b)分形樹(a)Koch曲線生成雪花(c)三分康托集2/3/202363蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院分形圖片2/3/202364蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2/3/202365蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2/3/202366蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院圖片欣賞Fractal2/3/202367蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院圖片欣賞Fractal2/3/202368蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院圖片欣賞Fractal2/3/202369蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院圖片欣賞Fractal2/3/202370蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院圖片欣賞Fractal2/3/202371蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院圖片欣賞Fractal2/3/202372蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院圖片欣賞Fractal2/3/202373蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院圖片欣賞Fractal2/3/202374蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院圖片欣賞Fractal2/3/202375蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院圖片欣賞Fractal2/3/202376蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院照片真實感模擬和自然媒體實例2/3/202377蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

輸入工具：鍵盤、鼠標、手寫筆等等

軟件工具：PhotoShop、CorelDraw、PaintBrush等等

優(yōu)點：功能多、創(chuàng)作輕松、調(diào)色方便等等

缺點：目前難以容入人的靈感（未來的研究課題）2/3/202378蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院娛樂應(yīng)用計算機圖形學(xué)生成各種二維、三維的圖形和動畫，制作出各種游戲，大大豐富了人們的娛樂活動。●電腦游戲：實時性、逼真性蘊含了先進的圖形處理技術(shù)●電視廣告，節(jié)目片頭，科教演示（CAI）●QuakeIII，“古墓麗影”，“侏羅紀公園”、“皇帝的新衣”、完美風暴………●MAYA,3D-MAX,SOFTIMAGE…2/3/202379蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院娛樂2/3/202380蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2/3/202381蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2/3/202382蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院《FinalFantasy》2/3/202383蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2/3/202384蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院《Abyss》《HollowMan》2/3/202385蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院《SpiderMan》2/3/202386蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院廣告2/3/202387蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院模擬與訓(xùn)練2/3/202388蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2/3/202389蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院地理信息系統(tǒng)（GIS）建立在地理圖形之上的關(guān)于各種資源的綜合信息管理系統(tǒng)，強調(diào)對圖形和圖像的空間分析和管理。數(shù)字地球，地形數(shù)據(jù)作為載體，（70％）全球信息化.應(yīng)用于軍事，政府決策，旅游，資源調(diào)查。2/3/202390蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院數(shù)字地球指數(shù)字化的三維顯示的虛擬地球，或指信息化的地球，包括數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化與可視化的地球技術(shù)系統(tǒng)。1998年1月31日美國副總統(tǒng)戈爾在洛杉機加利福尼亞科學(xué)中心召開的地理信息系統(tǒng)年會上提出了這一設(shè)想。比如，可以設(shè)想一個小孩來到地方博物館的一個數(shù)字地球陳列室，當他戴上頭盔顯示器，她將看到就象是出現(xiàn)在空中的地球。使用“數(shù)據(jù)手套”，她開始放大景物，伴隨越來越高的分辨率，她會看到大洲，隨之是區(qū)域、國家、城市、最后是房屋、樹木以及其它各種自然和人造物體。在發(fā)現(xiàn)自己特別感興趣的某地塊時，她可乘上“魔毯”，即通過地面三維圖象顯示去深入查看。當然，地塊信息只是她可以了解的多種信息中的一種。使用數(shù)字地球系統(tǒng)的聲音識別裝置，小孩還可以詢問有關(guān)的土地覆蓋、植物和動物種類的分布、實時的氣候、道路、行政區(qū)線，以及人口等方面的信息。在這里，她還可以看到自己以及世界各地的學(xué)生們?yōu)椤叭蝽椖俊笔占沫h(huán)境信息。這些信息可以無縫地融入數(shù)字地圖或地面數(shù)據(jù)里。用數(shù)據(jù)手套向超連接部分敲擊，她還可以獲得更多的有關(guān)她所見物體的信息。比如，為了準備全家去國家黃石公園渡假，她策劃一個完美的步行旅游，去觀看剛從書中讀到的噴泉、北美野牛和巨角巖羊。甚至在離開她家鄉(xiāng)的地方博物館之前，她就可以把要去步行旅游的地方從頭到尾地瀏覽一遍。2/3/202391蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院地理信息系統(tǒng)實例2/3/202392蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院虛擬現(xiàn)實（VirtualReality）這是一個應(yīng)用非常廣泛的領(lǐng)域，尤其是近幾年，虛擬現(xiàn)實的研究工作進展較快，并已在航空航天、建筑、醫(yī)療、教育、藝術(shù)、體育等領(lǐng)域應(yīng)用。2/3/202393蘇大計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院虛擬現(xiàn)實（VirtualReality）定義：

VirtualReality或稱虛