計算機圖形學的應用 計算機圖形學教學 講義

1.3計算機圖形學的應用計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）CAD/CAM是計算機圖形學在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應用領域飛機、汽車、船舶的外形的設計發(fā)電廠、化工廠等的布局土木工程、建筑物的設計電子線路、電子器件的設計

設計結(jié)果直接送至后續(xù)工藝進行加工處理，如波音777飛機的設計和加工過程（歷時4.5年，耗資50億$,而克萊斯勒公司研制“彩虹”轎車，3年，10億$)飛機、艦船汽車應用實例建筑、橋梁應用實例－建筑–網(wǎng)絡環(huán)境下進行異地異構(gòu)系統(tǒng)的協(xié)同設計

現(xiàn)代產(chǎn)品設計已不再是一個設計領域內(nèi)孤立的技術問題，而是綜合了產(chǎn)品各個相關領域、相關過程、相關技術資源和相關組織形式的系統(tǒng)化工程

從設計一開始就考慮產(chǎn)品生命周期的全部因素，從而達到快速響應市場需求的目的

協(xié)同設計的出現(xiàn)使企業(yè)生產(chǎn)的時空觀發(fā)生了根本的變化；異地設計、異地制造、異地裝配為企業(yè)在市場競爭中贏得了寶貴的時間工程圖及其三維重建結(jié)果2可視化海量的數(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1986年，美國科學基金會（NSF）專門召開了一次研討會，會上提出了“科學計算可視化（Visualization

in

Scientific

Computing）科學計算可視化廣泛應用于醫(yī)學、流體力學、有限元分析、氣象分析當中地學應用醫(yī)學應用在醫(yī)學領域，可視化有著廣闊的發(fā)展前途是機械手術和遠程手術的基礎

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——Segmentation虛擬人：男體采用1mm間距，1878個斷面；女體0.33mm間距，5189個斷面，數(shù)據(jù)量男15G女40G。無損檢測應用實例－醫(yī)學實例：北京醫(yī)生遙控機器人遠程手術手術對象：延安柳林鎮(zhèn)的29歲村民張建國傷情：因砸傷致髖關節(jié)脫位、左脛腓骨粉碎性骨折、骨盆骨折。手術實施：由積水潭醫(yī)院骨科專家網(wǎng)絡遠程指揮，延安大學附屬醫(yī)院醫(yī)生實地操作。用時：1小時?！肮强茩C器人在遠程手術中的臨床應用研究”成功驗收，屬國家“863”重點發(fā)展項目。上圖：王滿宜教授正與研究小組成員通過網(wǎng)絡傳輸過來的圖像，發(fā)出骨科機器人遠程遙控操作指令。下圖：延安醫(yī)生王劍飛（右）等正通過北京傳來的操作指令為農(nóng)民兄弟張先生做手術。真實感圖形實時繪制與自然景物仿真計算機中重現(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是模擬真實物體的物理屬性，簡單的說就是物體的形狀，光學性質(zhì)，表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對位置，遮擋關系等等–光照模型簡單光照模型局部光照模型整體光照模型繪制方法光線跟蹤輻射度加速算法包圍體樹、自適應八叉樹等等虛擬現(xiàn)實與仿真實驗1.4研究前沿當前研究熱點真實感圖形實時繪制

物體網(wǎng)格模型的面片簡化：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雜層度，加快圖形繪制速度

基于圖象的繪制(IBR，ImageBasedRendering)：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，適用于野外極其復雜場景的生成和漫游面片簡化視覺插值畫中游–野外自然景物的模擬

野外場景遠遠復雜于室內(nèi)場景，繪制難度更大，方法更趨多樣化主要繪制山、水、云、樹、草、火等等

繪制火的粒子系統(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清華大學自然景物平臺日本Yoshinori

Dobashi等人繪制的真實感云Xfrog3.0生成的挪威云杉–大規(guī)模復雜場景的點繪制計算機動畫計算機動畫近十多年來取得了很大的發(fā)展，已滲透到人們生活的各個角落商業(yè)廣告、影視特技/片頭、動畫片教育、軍事、飛行模擬等分類二維動畫圖象變形形狀混合三維動畫關鍵幀動畫變形物體的動畫過程動畫關節(jié)動畫與人體動畫基于特征的圖象變形（貓變虎）由三維FFD操作得到的魚的變形圖–基于連續(xù)力學的變形用戶接口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–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，而圖形學在其中起主導作用。計算機藝術用計算機軟件從事藝術創(chuàng)作

二維平面的畫筆程序（如CorelDraw，Photoshop，PaintShop）圖表繪制軟件（如Visio）

三維建模和渲染軟件包（如3DMAX，Maya）、以及一些專門生成動畫的軟件（如Alias，Softimage）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效果很難得到有素描效果、油畫效果的藝術品分形圖案藝術實例藝術實例–非真實感繪制（NPR，Non-PhotorealisticRendering）

用于模擬藝術效果，研究方法有別于真實感圖形學鋼筆素描的生成–鋼筆素描產(chǎn)生于中世紀，從19世紀開始成為一門藝術20世紀90年代開始研究用計算機模擬中國國畫與書法的生成Georges

Winkenb1ach繪制的壺和碗