計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教學(xué) 講義

1.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM）CAD/CAM是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域飛機(jī)、汽車、船舶的外形的設(shè)計(jì)發(fā)電廠、化工廠等的布局土木工程、建筑物的設(shè)計(jì)電子線路、電子器件的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)結(jié)果直接送至后續(xù)工藝進(jìn)行加工處理，如波音777飛機(jī)的設(shè)計(jì)和加工過程（歷時(shí)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(jī)、艦船汽車應(yīng)用實(shí)例建筑、橋梁應(yīng)用實(shí)例－建筑–網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行異地異構(gòu)系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)

現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)已不再是一個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)孤立的技術(shù)問題，而是綜合了產(chǎn)品各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域、相關(guān)過程、相關(guān)技術(shù)資源和相關(guān)組織形式的系統(tǒng)化工程

從設(shè)計(jì)一開始就考慮產(chǎn)品生命周期的全部因素，從而達(dá)到快速響應(yīng)市場需求的目的

協(xié)同設(shè)計(jì)的出現(xiàn)使企業(yè)生產(chǎn)的時(shí)空觀發(fā)生了根本的變化；異地設(shè)計(jì)、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(shí)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(xué)基金會(huì)（NSF）專門召開了一次研討會(huì)，會(huì)上提出了“科學(xué)計(jì)算可視化（Visualization

in

Scientific

Computing）科學(xué)計(jì)算可視化廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、流體力學(xué)、有限元分析、氣象分析當(dāng)中地學(xué)應(yīng)用醫(yī)學(xué)應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可視化有著廣闊的發(fā)展前途是機(jī)械手術(shù)和遠(yuǎn)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(diǎn)可視化硬件的研究實(shí)時(shí)的三維體繪制體內(nèi)組織的識(shí)別分割——Segmentation虛擬人：男體采用1mm間距，1878個(gè)斷面；女體0.33mm間距，5189個(gè)斷面，數(shù)據(jù)量男15G女40G。無損檢測應(yīng)用實(shí)例－醫(yī)學(xué)實(shí)例：北京醫(yī)生遙控機(jī)器人遠(yuǎn)程手術(shù)手術(shù)對象：延安柳林鎮(zhèn)的29歲村民張建國傷情：因砸傷致髖關(guān)節(jié)脫位、左脛腓骨粉碎性骨折、骨盆骨折。手術(shù)實(shí)施：由積水潭醫(yī)院骨科專家網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程指揮，延安大學(xué)附屬醫(yī)院醫(yī)生實(shí)地操作。用時(shí)：1小時(shí)?！肮强茩C(jī)器人在遠(yuǎn)程手術(shù)中的臨床應(yīng)用研究”成功驗(yàn)收，屬國家“863”重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目。上圖：王滿宜教授正與研究小組成員通過網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的圖像，發(fā)出骨科機(jī)器人遠(yuǎn)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(shù)。真實(shí)感圖形實(shí)時(shí)繪制與自然景物仿真計(jì)算機(jī)中重現(xiàn)真實(shí)世界的場景叫做真實(shí)感繪制真實(shí)感繪制的主要任務(wù)是模擬真實(shí)物體的物理屬性，簡單的說就是物體的形狀，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(yīng)八叉樹等等虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真實(shí)驗(yàn)1.4研究前沿當(dāng)前研究熱點(diǎn)真實(shí)感圖形實(shí)時(shí)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(diǎn)、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

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(fù)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(yuǎn)遠(yuǎn)復(fù)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(xì)胞自動(dòng)機(jī)方法等清華大學(xué)自然景物平臺(tái)日本Yoshinori

Dobashi等人繪制的真實(shí)感云Xfrog3.0生成的挪威云杉–大規(guī)模復(fù)雜場景的點(diǎn)繪制計(jì)算機(jī)動(dòng)畫計(jì)算機(jī)動(dòng)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(gè)角落商業(yè)廣告、影視特技/片頭、動(dòng)畫片教育、軍事、飛行模擬等分類二維動(dòng)畫圖象變形形狀混合三維動(dòng)畫關(guān)鍵幀動(dòng)畫變形物體的動(dòng)畫過程動(dòng)畫關(guān)節(jié)動(dòng)畫與人體動(dòng)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(xué)的變形用戶接口用戶接口是人們使用計(jì)算機(jī)的第一觀感。一個(gè)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(jì)算機(jī)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(dòng)畫界面的指示進(jìn)行操作–目前幾個(gè)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(dāng)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。計(jì)算機(jī)藝術(shù)用計(jì)算機(jī)軟件從事藝術(shù)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(dòng)畫的軟件（如Alias，Softimage）優(yōu)點(diǎn)：提供多種風(fēng)格的畫筆畫刷提供多種多樣的紋理貼圖，甚至能對圖象進(jìn)行霧化，變形等操作可以任意修改，取消敗筆不足：無法達(dá)到傳統(tǒng)繪畫中風(fēng)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)品分形圖案藝術(shù)實(shí)例藝術(shù)實(shí)例–非真實(shí)感繪制（NPR，Non-PhotorealisticRendering）

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

Winkenb1ach繪制的壺和碗