计算机图形学1.3 -计算机图形学应用课件

1.3计算机图形学应用

计算机辅助设计与制造

可视化与可视计算

图形实时绘制与自然景物仿真

计算机动画

图形用户接口

计算机艺术

娱乐

地理信息系统

虚拟现实2/3/20231苏大计算机科学与技术学院CAD/CAM计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域建筑、机械结构和产品设计（结构分析和外形设计）、布局（各种管道，电子线路），包括设计飞机、汽车、船舶的外形和发电厂、化工厂等的布局以及电子线路、电子器件等Boeing777（整体设计和模拟，其中包括飞机外型、内部零部件的安装和检验）,无纸设计。网络环境下的异地异构系统协同设计基于工程图纸的三维形体重建AutoCAD,GHCAD,SolidWorks,Pro/E,UG,CATIA,MDT,优点：设计周期短，成本低，质量高2/3/20232苏大计算机科学与技术学院CAD产品设计2/3/20233苏大计算机科学与技术学院奥迪效果图和线框图2/3/20234苏大计算机科学与技术学院

CAD/CAM2/3/20235苏大计算机科学与技术学院CAD建筑设计2/3/20236苏大计算机科学与技术学院2/3/20237苏大计算机科学与技术学院2/3/20238苏大计算机科学与技术学院boeing7772/3/20239苏大计算机科学与技术学院三维形体重建三维形体重建就是从二维信息中提取三维信息，通过对这些信息进行分类、综合等一系列处理，在三维空间中重新构造出二维信息所对应的三维形体，恢复形体的点、线、面及其拓扑关系，从而实现形体的重建。优势：可以做装配件的干涉检查、以及有限元分析、仿真、加工等后续操作，代表CAD技术的发展方向2/3/202310苏大计算机科学与技术学院三维形体重建例子之一（a）工程图

（b）线框图

（c）实体图计算机辅助设计软件需要用户绘制出对象的精确图形由计算机构造对象的线框图模型2/3/202311苏大计算机科学与技术学院三维形体重建例子之二（a）工程图

（b）线框图

（c）实体图2/3/202312苏大计算机科学与技术学院

目前主要的三维形体重建算法是针对多面体和对主轴方向有严格限制的二次曲面体的。任意曲面体的三维形体重建，至今仍是一个未解决的世界难题。2/3/202313苏大计算机科学与技术学院可视化与可视计算海量的数据使得人们对数据的分析和处理变得越来越难，用图形来表示数据的迫切性与日俱增科学计算可视化(VisualizationinScientificComputing)1986年，美国科学基金会（NSF）专门召开了一次研讨会，会上提出了“科学计算可视化（VisualizationinScientificComputing）”。为科学计算、工程和医药的数据集成过程生成的图形表示，指空间数据场的可视化。目标：用图形表现抽象的数据应用领域：医学图象重建，数据融合，遥感，流场、气象、核爆模拟，有限元分析……。2/3/202314苏大计算机科学与技术学院科学可视化2/3/202315苏大计算机科学与技术学院科学计算可视化2/3/202316苏大计算机科学与技术学院科学计算可视化2/3/202317苏大计算机科学与技术学院2/3/202318苏大计算机科学与技术学院2/3/202319苏大计算机科学与技术学院在医学领域，可视化有着广阔的发展前途是机械手术和远程手术的基础将医用CT扫描的数据转化为三维图象，帮助医生判别病人体内的患处由CT数据产生在人体内漫游的图象可视化的前沿与难点可视化硬件的研究实时的三维体绘制体内组织的识别分割——Segmentation2/3/202320苏大计算机科学与技术学院信息可视化用于贸易、工业和其他非科学计算领域的数据可视化，指非空间数据的可视化－信息流量，商业统计数据，股市行情……。－发展：机器学习，数据挖掘2/3/202321苏大计算机科学与技术学院信息可视化例子2/3/202322苏大计算机科学与技术学院图形实时绘制与自然景物仿真

在计算机中重现真实世界的场景叫做真实感绘制真实感绘制的主要任务实现逼真物理模型模拟真实物体的物理属性：物体的形状、光学性质、表面的纹理和粗糙程度以及物体间的相对位置、遮挡关系等等光照模型光照和表面属性是最难模拟的。从简单到复杂排列分别是：简单光照模型、局部光照模型和整体光照模型。绘制方法有模拟光的实际传播过程的光线跟踪法，也有模拟能量交换的辐射度方法。

2/3/202323苏大计算机科学与技术学院加速算法及其他研究加速算法，力求能在最短时间内绘制出最真实的场景

求交算法的加速光线跟踪的加速，如包围体树、自适应八叉树都是著名的加速算法阴影算法、纹理合成2/3/202324苏大计算机科学与技术学院基于多层阴影翼的软影绘制2/3/202325苏大计算机科学与技术学院真实感图形实时绘制物体网格模型的面片简化，LOD,Occlusionculling网格模型的面片简化，就是指对网格面片表示的模型，在一定误差的精度范围内，删除点、边、面，从而简化所绘制场景的复杂层度，加快图形绘制速度。吴建华的牛头

研究热点2/3/202326苏大计算机科学与技术学院基于图像的绘制（IBRImageBasedRendering）、基于Vedio绘制IBR完全摒弃传统的先建模，然后确定光源的绘制的方法。它直接从一系列已知的图象中生成未知视角的图象。这种方法省去了建立场景的几何模型和光照模型的过程，也不用进行如光线跟踪等极费时的计算。该方法尤其适用于野外极其复杂场景的生成和漫游。

以“画中游”为例画中游http://koigakubo.hitachi.co.jp/little/DL_TipE.htmlVideofromHKUST:http://www.cs.ust.hk/~cpegnel/glTIP/intro.html2/3/202327苏大计算机科学与技术学院大量模拟野外自然景物真实感绘制已经从最初绘制简单的室内场景发展到现在大量模拟野外自然景物，比如绘制山、水、云、树、火等等。绘制火和草的粒子系统（ParticleSystem），基于生理模型的绘制植物的方法，绘制云的细胞自动机方法等。也出现了一些自然景物仿真绘制的综合平台，德国Lintermann和Deussen的绘制植物的平台Xforg，清华大学自主开发的自然景物设计平台。野外自然景物的模拟实例2/3/202328苏大计算机科学与技术学院真实感云日本YoshinoriDobashi等人绘制的真实感云（Siggraph’2000）2/3/202329苏大计算机科学与技术学院Xfrog3.0生成的挪威云杉2/3/202330苏大计算机科学与技术学院王希的树皮VDMSiggraph032/3/202331苏大计算机科学与技术学院纹理与表面细节VDM

2/3/202332苏大计算机科学与技术学院大规模复杂场景的点绘制2/3/202333苏大计算机科学与技术学院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苏大计算机科学与技术学院清华大学自然景物平台生成的野外场景

2/3/202335苏大计算机科学与技术学院计算机动画

计算机动画也只是生成一幅幅静态的图象，但是每一幅都是对前一幅做一小部分修改（如何修改便是计算机动画的研究内容），这样，当这些画面连续播放时，整个场景就动起来了。早期的计算机动画灵感来源于传统的卡通片，在生成几幅被称做“关键帧”的画面后，由计算机对两幅关键帧进行插值生成若干“中间帧”，连续播放时两个关键帧就被有机地结合起来了。2/3/202336苏大计算机科学与技术学院二维动画 图象变形形状混合三维动画关键帧动画变形物体的动画过程动画关节动画与人体动画基于视频(Video)的动画2/3/202337苏大计算机科学与技术学院基于特征的图像变形2/3/202338苏大计算机科学与技术学院三维自由形体变形由三维FFD操作得到的鱼的变形图TheVisualComputer2001.2/3/202339苏大计算机科学与技术学院布料与人体动画(PG2002)2/3/202340苏大计算机科学与技术学院基于连续力学的变形/~shimin/video/Gym.m1v2/3/202341苏大计算机科学与技术学院/people/tu/animations.html智能生命之人工鱼2/3/202342苏大计算机科学与技术学院基于video的动画(Siggraph’04)2/3/202343苏大计算机科学与技术学院网格技术网格参数化(Mathofsurface,03)2/3/202344苏大计算机科学与技术学院几何纹理的迁移与合成(ACMSPM’05,MIT)2/3/202345苏大计算机科学与技术学院基于几何优化的注册算法2/3/202346苏大计算机科学与技术学院非真实感之动画2/3/202347苏大计算机科学与技术学院我国第一部利用计算机辅助摄制的动画片是《咪咪钓鱼》，1991年由北方工业大学和北京电视台合作制作，以二维动画为主。用386微机和C语言编程，利用数字化仪和摄象机产生关键帧，再由计算机在相邻两幅关键帧之间内插生成中间帧，并自动跟踪上色。多层画面叠加在一起，形成完整的画面。10分钟的片子，5人小组花了10个月时间。2/3/202348苏大计算机科学与技术学院这是一种崭新的方法，该方法大量运用弹性力学和流体力学的方程进行计算，力求使动画过程体现出最适合真实世界的运动规律。然而要真正到达真实的运动是很难的，比如人的行走或跑步是全身的各个关节协调的结果，要实现很自然的人走路的动画，计算方程非常复杂和计算量极大，基于物理模型的计算机动画还有许多内容需要进一步研究。

基于物理模型的计算机动画2/3/202349苏大计算机科学与技术学院图形用户接口定义：介于人与计算机之间，人与机器的通信，人机界面（HCI）：软件＋硬件用户接口是人们使用计算机的第一观感。一个友好的图形化的用户界面能够大大提高软件的易用性图形学已经全面融入计算机的方方面面，很多软件几乎可以不看任何说明书，而根据它的图形、或动画界面的指示进行操作2/3/202350苏大计算机科学与技术学院由指示灯和机械开关组成的操纵界面→由终端和键盘组成的字符界面（80年代）→由多种输入设备和光栅图形显示设备构成的图形用户界面（GUI），（90年代）PC，工作站WIMP(W-windows、I-icons、M-menu、P-pointingdevices)界面，所见即所得→VR技术（发展方向）。科学计算型→无处不在的计算机，人机溶合，提高交互效率目前几个大的软件公司都在研究下一代用户界面，开发面向主流应用的、自然、高效多通道的用户界面。研究多通道语义模型、多通道整合算法及其软件结构和界面范式是当前用户界面和接口方面研究的主流方向，而图形学在其中起主导作用。发展2/3/202351苏大计算机科学与技术学院举例2/3/202352苏大计算机科学与技术学院计算机艺术广泛用于艺术品的制作，如各种图案、花纹、工艺外形设计及传统的油画、中国国画和书法等，还成功地用来制作广告、动画片和电视电影。

美术创作的软件二维平面的画笔程序：Coreldraw,Photoshop,PaintShop

,专门的图表绘制软件：Visio三维建模和渲染软件包：3DMAX，Maya一些专门生成动画的软件：Alias，Softimage2/3/202353苏大计算机科学与技术学院优点：提供多种风格的画笔画刷提供多种多样的纹理贴图，甚至能对图象进行雾化，变形等操作可以任意修改，取消败笔不足：无法达到传统绘画中风格化的艺术效果很难得到有素描效果、油画效果的艺术品2/3/202354苏大计算机科学与技术学院2/3/202355苏大计算机科学与技术学院2/3/202356苏大计算机科学与技术学院2/3/202357苏大计算机科学与技术学院用于模拟艺术效果，研究方法有别于真实感图形学钢笔素描是非真实感绘制的一个重要内容，目前仍然是一个非常活跃的研究领域。钢笔素描产生于中世纪，从19世纪开始成为一门艺术，然而用计算机模拟钢笔绘画却是20世纪90年代的事情了。中国国画与书法的生成相片真实感模拟与自然媒体仿真技术分形艺术模拟艺术效果的非真实感绘制（NPRNon-PhotorealisticRendering）2/3/202358苏大计算机科学与技术学院钢笔素描GeorgesWinkenblach绘制的壶和碗（Siggraph’96）

2/3/202359苏大计算机科学与技术学院Salisbury绘制的茶壶（Siggraph’97）

2/3/202360苏大计算机科学与技术学院Salisbury绘制的熊（Siggraph’97）

2/3/202361苏大计算机科学与技术学院OliverDeussen绘制的素描树（Siggraph’2000）2/3/202362苏大计算机科学与技术学院分形几何中的自相似图形(b)分形树(a)Koch曲线生成雪花(c)三分康托集2/3/202363苏大计算机科学与技术学院分形图片2/3/202364苏大计算机科学与技术学院2/3/202365苏大计算机科学与技术学院2/3/202366苏大计算机科学与技术学院图片欣赏Fractal2/3/202367苏大计算机科学与技术学院图片欣赏Fractal2/3/202368苏大计算机科学与技术学院图片欣赏Fractal2/3/202369苏大计算机科学与技术学院图片欣赏Fractal2/3/202370苏大计算机科学与技术学院图片欣赏Fractal2/3/202371苏大计算机科学与技术学院图片欣赏Fractal2/3/202372苏大计算机科学与技术学院图片欣赏Fractal2/3/202373苏大计算机科学与技术学院图片欣赏Fractal2/3/202374苏大计算机科学与技术学院图片欣赏Fractal2/3/202375苏大计算机科学与技术学院图片欣赏Fractal2/3/202376苏大计算机科学与技术学院照片真实感模拟和自然媒体实例2/3/202377苏大计算机科学与技术学院

输入工具：键盘、鼠标、手写笔等等

软件工具：PhotoShop、CorelDraw、PaintBrush等等

优点：功能多、创作轻松、调色方便等等

缺点：目前难以容入人的灵感（未来的研究课题）2/3/202378苏大计算机科学与技术学院娱乐应用计算机图形学生成各种二维、三维的图形和动画，制作出各种游戏，大大丰富了人们的娱乐活动。●电脑游戏：实时性、逼真性蕴含了先进的图形处理技术●电视广告，节目片头，科教演示（CAI）●QuakeIII，“古墓丽影”，“侏罗纪公园”、“皇帝的新衣”、完美风暴………●MAYA,3D-MAX,SOFTIMAGE…2/3/202379苏大计算机科学与技术学院娱乐2/3/202380苏大计算机科学与技术学院2/3/202381苏大计算机科学与技术学院2/3/202382苏大计算机科学与技术学院《FinalFantasy》2/3/202383苏大计算机科学与技术学院2/3/202384苏大计算机科学与技术学院《Abyss》《HollowMan》2/3/202385苏大计算机科学与技术学院《SpiderMan》2/3/202386苏大计算机科学与技术学院广告2/3/202387苏大计算机科学与技术学院模拟与训练2/3/202388苏大计算机科学与技术学院2/3/202389苏大计算机科学与技术学院地理信息系统（GIS）建立在地理图形之上的关于各种资源的综合信息管理系统，强调对图形和图像的空间分析和管理。数字地球，地形数据作为载体，（70％）全球信息化.应用于军事，政府决策，旅游，资源调查。2/3/202390苏大计算机科学与技术学院数字地球指数字化的三维显示的虚拟地球，或指信息化的地球，包括数字化、网络化、智能化与可视化的地球技术系统。1998年1月31日美国副总统戈尔在洛杉机加利福尼亚科学中心召开的地理信息系统年会上提出了这一设想。比如，可以设想一个小孩来到地方博物馆的一个数字地球陈列室，当他戴上头盔显示器，她将看到就象是出现在空中的地球。使用“数据手套”，她开始放大景物，伴随越来越高的分辨率，她会看到大洲，随之是区域、国家、城市、最后是房屋、树木以及其它各种自然和人造物体。在发现自己特别感兴趣的某地块时，她可乘上“魔毯”，即通过地面三维图象显示去深入查看。当然，地块信息只是她可以了解的多种信息中的一种。使用数字地球系统的声音识别装置，小孩还可以询问有关的土地覆盖、植物和动物种类的分布、实时的气候、道路、行政区线，以及人口等方面的信息。在这里，她还可以看到自己以及世界各地的学生们为“全球项目”收集的环境信息。这些信息可以无缝地融入数字地图或地面数据里。用数据手套向超连接部分敲击，她还可以获得更多的有关她所见物体的信息。比如，为了准备全家去国家黄石公园渡假，她策划一个完美的步行旅游，去观看刚从书中读到的喷泉、北美野牛和巨角岩羊。甚至在离开她家乡的地方博物馆之前，她就可以把要去步行旅游的地方从头到尾地浏览一遍。2/3/202391苏大计算机科学与技术学院地理信息系统实例2/3/202392苏大计算机科学与技术学院虚拟现实（VirtualReality）这是一个应用非常广泛的领域，尤其是近几年，虚拟现实的研究工作进展较快，并已在航空航天、建筑、医疗、教育、艺术、体育等领域应用。2/3/202393苏大计算机科学与技术学院虚拟现实（VirtualReality）定义：

VirtualReality或称虚