三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與計(jì)算機(jī)仿真

三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與計(jì)算機(jī)仿真

主講人：高成英

Email:mcsgcy@

綜觀計(jì)算機(jī)發(fā)展的歷程，按時(shí)間順序,

先后出現(xiàn)的熱潮依次是操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)

庫、網(wǎng)絡(luò)。圖形圖象是人類最快捷的信

息獲知途徑。目前，在歐美等發(fā)達(dá)國家,

關(guān)于圖形圖象的研究和應(yīng)用正處于一種

爆炸式的發(fā)展階段。

■Computergraphicsremainsoneofthemostexciting

andrapidlygrowingcomputerfields.

■Ithasnowbecomeacommonelementinuser

interfaces,datavisualization,televisioncommercials,

motionpictures,andmany,manyotherapplications.

■Thecurrenttrendincomputergraphicsisto

incorporatemorephysicsprinciplesintothreethree-

dimensionalgraphicsalgorithmstobettersimulate

thecomplexinteractionsbetweenobjectsandthe

environment.

新的Topics

virtualreality（虛擬現(xiàn)實(shí)）；

parallelimplementationsforgraphicsalgorithms（圖形算法的平行計(jì)算）；

superquadricssuperquadrics（超二次曲面）；

shapegrammars（形狀語法）；

particlesystems（粒子系統(tǒng)）；

physicallybasedmodelingmodeling（基于物理的建模）；

scientificvisualization（科學(xué)可視化）；

businessvisualization（商業(yè)可視化）；

quaternionmethodsingraphicsalgorithmsalgorithms（圖形算法的四元法）;

raytracing（光線追蹤）；

fast-Phongshading（快速Phong明暗方法）；

radiosity（輻射度算法）；

bumpmappingbumpmapping（凹凸映射）；

collisiondetectionandcollisionresponse（碰撞檢測和響應(yīng)）；

-圖形學(xué)概論、設(shè)備和應(yīng)用；

-二維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的相關(guān)理論;

-三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的相關(guān)理論;

-計(jì)算機(jī)動(dòng)畫；

■計(jì)算機(jī)仿真；

念、應(yīng)用和設(shè)備

■對許多人而言，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)目前已經(jīng)成為日常生活不可

分割的一部分。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在科學(xué)、工程、醫(yī)藥、娛

樂、廣告、圖形藝術(shù)、精細(xì)藝術(shù)、商業(yè)、教育、訓(xùn)練等眾

多的領(lǐng)域得到了普遍的應(yīng)用。

-如果要學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)，掌握二維圖形學(xué)知識(shí)是起碼的，

大多數(shù)情況下還要涉及到三維圖形學(xué)知識(shí)。就連平常我們

與計(jì)算機(jī)打交道也是在圖形界面下進(jìn)行的。

■SIGGRAPH是ACM(AssociationofComputingMachinery)

圖形學(xué)專業(yè)委員會(huì)(SpecialInterestGrouponGRAPHics)的

年會(huì)，七十年代早期的SIGGRAPH只有幾百人參加，但加

在這個(gè)年會(huì)的參加者已達(dá)數(shù)萬之眾?？梢娪?jì)算機(jī)圖形學(xué)的

發(fā)展有多快；

由形學(xué)概念

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的概念不是統(tǒng)一的，不同地域看法

不完全一致。我們經(jīng)常有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)：用得越多的東西。

概念上界定越模糊；正在發(fā)展中的事物，最難給予準(zhǔn)

確的定義。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)就正是正在蓬勃發(fā)展的有十

分廣泛用途的學(xué)科；它既是一門復(fù)雜的綜合性新興學(xué)

科，又是建立在傳統(tǒng)圖學(xué)，現(xiàn)代數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)上

的一門邊緣交叉學(xué)科。

--計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究用計(jì)算機(jī)來顯示、生成

和處理圖形的原理、方法和技術(shù)的一門學(xué)科。

十么是圖形?

圖形是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的關(guān)鍵概念:

廣義說，圖形是能在人視覺系統(tǒng)中形成視覺印象的

客觀對象。包括人眼所見的景物，照相器材得到的圖片,

繪圖工具畫出的圖畫，數(shù)學(xué)圖形，人工繪畫等。它有形

狀，顏色，材質(zhì)等信息。

構(gòu)成圖形的要素為：幾何要素表示形狀的點(diǎn)，線，面,

體；非幾何要素表示材質(zhì)或表面屬性的顏色，材質(zhì)等。

2的表示方法

點(diǎn)陣法：列出圖形中所有的點(diǎn)及其顏色。如用矩陣{p(i,j)}

i=0,...,m;j=0,...,n表示一幅二維數(shù)字圖像，P(i,j)表示

圖像在(i,j)處的顏色。這種方法的圖形叫像素圖或圖像

(image)。

參數(shù)法：是以計(jì)算機(jī)中所記錄圖形的形狀參數(shù)與屬性參數(shù)來

表示圖形的一種方法。形狀參數(shù)指描述圖形的方程或分析表

達(dá)式的系數(shù)、線段或多邊形的頂點(diǎn)坐標(biāo)等；屬性參數(shù)指顏色、

線型等。

皆形的表示方法

通常把參數(shù)法描述的圖形叫做圖形(Graphics),圖

形含有幾何屬性；把點(diǎn)陣法描述的圖形叫做圖像(Image),

圖象純指計(jì)算機(jī)內(nèi)以位圖(Bitmap)形式存在的灰度信息。

隨著學(xué)科的發(fā)展，圖形與圖象兩個(gè)概念間的區(qū)別越

來越模糊。

研究的內(nèi)容

從計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的定義可以發(fā)現(xiàn)他的內(nèi)容

非常豐富，而且在不斷地發(fā)展。

從其定義可見他包括三方面基本內(nèi)容：圖

形輸入，圖形生成和處理，圖形的輸出。

Z的輸入

圖形輸入包括：開發(fā)與利用輸入設(shè)備和

軟件把圖形輸入計(jì)算機(jī)里。

成和處理

■圖形生成和處理內(nèi)容非常豐富，簡單說來有變換處理與運(yùn)

算處理兩種；

■細(xì)分一下有：

1、基本圖形生成算法，填充，反走樣；

2、幾何變換，投影變換，裁剪；

3、曲線和曲面生成算法；

4、圖形元素求交，分類，集合運(yùn)算；

5、真實(shí)圖形顯示（隱藏面和隱藏線的消除，顏色模型及應(yīng)

用結(jié)構(gòu)和層次建模，光照模型與面繪制）；

6、字體點(diǎn)陣表示，矢量字符生成與變換；

7、模糊景物的生成；

8、三維形體實(shí)時(shí)顯示與圖形并行處理；

9、虛擬現(xiàn)實(shí)；

10、高維數(shù)據(jù)可視化等。

弧形的輸出

圖形的輸出主要解決怎樣把圖形轉(zhuǎn)換成輸出系統(tǒng)

接受的表示形式將它在輸出設(shè)備上顯示。

機(jī)圖形學(xué)相關(guān)的學(xué)科與彼此關(guān)系■:

圖像是把客觀世界中本來就存在的物體映象處

理成新的數(shù)字化圖像。

相應(yīng)的技術(shù)我們稱之為圖像處理。圖像處理有

如下的一些應(yīng)用：人體的CT掃描技術(shù)、氣象衛(wèi)

星云圖處理等。應(yīng)用中的具體技術(shù)的關(guān)鍵問題

是如何去噪音，如何進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮以便傳輸和

存儲(chǔ)。

L圖形學(xué)相關(guān)的學(xué)科與彼此關(guān)系"：

■模式識(shí)別是另一門與圖像處理密切相關(guān)的技術(shù)

學(xué)科。它所研究的是如何對輸入的圖像進(jìn)行分

析和識(shí)別，找出所輸入的圖像的內(nèi)在聯(lián)系或者

抽象模型。

-模式識(shí)別的應(yīng)用一般有：郵政分檢設(shè)備掃描信

封上手寫的郵政編碼的識(shí)別、工業(yè)機(jī)器人識(shí)別

傳輸帶上的零件的品種和方位、軍事中識(shí)別地

圖信息中的地形地貌等。

1圖形學(xué)相關(guān)的學(xué)科與彼此關(guān)系

計(jì)算幾何是專門研究幾何模型和數(shù)據(jù)處

理的一門學(xué)科。計(jì)算幾何著重討論的是

幾何形體的計(jì)算機(jī)表示、分析和綜合，

研究如何方便靈活、更加有效地建立幾

何形體的數(shù)學(xué)模型以及在計(jì)算機(jī)中更好

地存儲(chǔ)和管理這些模型數(shù)據(jù)等。

■這幾個(gè)學(xué)科相互聯(lián)系又相互區(qū)別，計(jì)算機(jī)圖形

學(xué)著重討論怎樣將數(shù)據(jù)和幾何模型變成圖形，

圖像處理著重研究圖像的壓縮存儲(chǔ)和去除噪音

問題，而模式識(shí)別則重點(diǎn)討論如何從圖像中提

取數(shù)據(jù)和模型，計(jì)算幾何則著重研究幾何形體

的計(jì)算機(jī)表示、分析。

■這些學(xué)科相互滲透，相互溝通，構(gòu)成了計(jì)算機(jī)

圖形、圖像以及模式識(shí)別等學(xué)科的完整體系。

它們之間的關(guān)系如下圖所示。

幾圖形學(xué)相關(guān)的學(xué)科與彼此關(guān)系

圖像生成（計(jì)算機(jī)圖形學(xué)）

數(shù)

數(shù)

據(jù)

字

圖像變換模型變換

模

（圖像處理）圖（計(jì)算幾何）

型

像

模型（特征）提取

（計(jì)算機(jī)視覺，模式識(shí)別）

發(fā)展特點(diǎn)：交叉、界線模糊、相互滲透

睪■機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史

-歷史追溯

-硬件發(fā)展

a.圖形顯示器的發(fā)展

b.圖形輸入設(shè)備的發(fā)展

-圖形軟件及軟件標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展

開創(chuàng)階段(50年代~60年代)

50年代

1950年，第一臺(tái)圖形顯示器作為美國麻省理工學(xué)院

(MIT)旋風(fēng)I號(WhirlwindI)計(jì)算機(jī)的附件誕生了

1958年，美國Calcomp公司由聯(lián)機(jī)的數(shù)字記錄儀發(fā)展成

滾筒式繪圖儀，GerBer公司把數(shù)控機(jī)床發(fā)展成為平板

式繪圖儀

50年代末期，MIT的林肯實(shí)驗(yàn)室在“旋風(fēng)”計(jì)算機(jī)上開

發(fā)SAGE空中防御體系

迅速發(fā)展階段（60年代初~60年代末）

■大公司紛紛開展圖形學(xué)科學(xué)研究，出現(xiàn)各種系統(tǒng)

軟件和應(yīng)用軟件。

■60年代中期出現(xiàn)隨機(jī)掃描顯示器。

■圖形學(xué)之父----Ivan.E.Sutherland：1962年,

MIT林肯實(shí)驗(yàn)室的I.E.Sutherland發(fā)表了一篇

題為"Sketchpad：一個(gè)人機(jī)交互通信的圖形系

統(tǒng)”的博士論文一確定了交互圖形學(xué)作為一個(gè)嶄

新的科學(xué)分支的獨(dú)立地位。他也被人們稱為

“圖形學(xué)之父”。

歷史便溯

降低成本階段（60年代末~70年代初）

-存儲(chǔ)管顯示器出現(xiàn)，大

大降低圖形硬件系統(tǒng)成

本。

■70年代初，出現(xiàn)一批通

用的、可移植的軟件系

統(tǒng)。

存儲(chǔ)管顯示器的結(jié)構(gòu)

歷史便溯

發(fā)展成熟階段（70年代初~80年代初）

-光柵掃描顯示器得到推廣。

■出現(xiàn)許多新型的圖形輸入

設(shè)備，如各類圖形輸入板,

坐標(biāo)數(shù)字化儀，跟蹤球，

鼠標(biāo)器等。

■GKS、PHIGS等國際標(biāo)準(zhǔn)的

建立。

光學(xué)跟蹤球

歷史便溯

推廣應(yīng)用階段（80年代中~90年代中）

■圖形工作站

的出現(xiàn)，如

Apollo,Sun,

HP等。

SGI圖形工作站

歷史便溯

勃發(fā)展時(shí)期和提高增強(qiáng)時(shí)期（九十年代中至今）■:

■微機(jī)和軟件系統(tǒng)的普及使得圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)

域日益廣泛。

■圖形學(xué)已經(jīng)同模式識(shí)別、人工智能、數(shù)據(jù)庫

等眾多領(lǐng)域結(jié)合，形成一些交叉學(xué)科，如工

程數(shù)據(jù)庫、多媒體等。

■總體特征：技術(shù)發(fā)展、需求驅(qū)動(dòng)。

歷史便溯

以顯示器的發(fā)展

■60年代中期：畫線顯示器（亦稱矢量顯示器）需要刷新。設(shè)

備昂貴，限制普及。

-60年代后期：存儲(chǔ)管式顯示器不需刷新，價(jià)格較低，缺點(diǎn)是

不具有動(dòng)態(tài)修改圖形功能，不適合交互式。

■70年代初，刷新式光柵掃描顯示器出現(xiàn)，大大地推動(dòng)了交互

式圖形技術(shù)的發(fā)展。以點(diǎn)陣形式表示圖形，使用專用的緩沖

區(qū)存放點(diǎn)陣，由視頻控制器負(fù)責(zé)刷新掃描。

-目前正向著小型化、低電壓、數(shù)字化方向發(fā)展。

硬件底晨

;圖形硬拷貝設(shè)備

■圖形顯示設(shè)備只能在屏幕上生成各種圖形，但

是在計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)中還應(yīng)該能把圖形畫在紙

上輸出，完成這些任務(wù)的設(shè)備就是圖形繪制設(shè)

備，也稱為圖形硬拷貝設(shè)備，分為打印機(jī)和繪

圖儀兩種。打印機(jī)從針式打印機(jī)發(fā)展到噴墨打

印機(jī)和激光打印機(jī)，在效果方面越來越好，在

速度方面越來越高，在功能方面也越來越優(yōu)越。

而繪圖儀則分為靜電式繪圖儀和筆式繪圖儀等。

硬件底晨

鄉(xiāng)輸入設(shè)備的發(fā)展

-第一階段：控制開關(guān)、穿孔紙等等。

-第二階段：鍵盤。

■第三階段：二維定位設(shè)備，如鼠標(biāo)、光筆、圖形輸入

板、觸摸屏等等，語音。

■第四階段：三維輸入設(shè)備（如空間球、數(shù)據(jù)手套、數(shù)

據(jù)衣，三維激光掃描儀），用戶的手勢、表情等等。

■第五階段：用戶的思維。

硬件底晨

鄉(xiāng)軟件發(fā)展及軟件標(biāo)準(zhǔn)形成

-隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、圖形輸入/輸出設(shè)備的發(fā)展，計(jì)算

機(jī)圖形學(xué)的軟件也從無到有、從低到高地不斷發(fā)展

起來，不斷更新和完善，并且成為了計(jì)算機(jī)圖形系

統(tǒng)中非常重要的一部分。目前已經(jīng)發(fā)展了多種支持

計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的軟件系統(tǒng)。

次件發(fā)展及軟件標(biāo)準(zhǔn)形成

三種類型的計(jì)算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)：

■用某種計(jì)算機(jī)語言寫成的子程序包:GKS(GraphicsKernel

System),PHIGS(Programmer?sHierarchicalInteractive

Graphicssystem)等便于移植和推廣、但執(zhí)行速度相對較

慢，效率低；

-擴(kuò)充計(jì)算機(jī)語言，使其具有圖形生成和處理的功能：如:

TurboPascal>TurboC,AutoLisp等。簡練、緊湊、執(zhí)

行速度快，但可移植性差；

■專用圖形系統(tǒng)：具有很強(qiáng)的功能，執(zhí)行速度和效率都高，但

是系統(tǒng)開發(fā)的工作量大，而且可移植性也比較差。

>圖形軟件的發(fā)展:開放式、高效率、標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能

化、學(xué)科交叉；

［軟件標(biāo)準(zhǔn)的形成

早期，各個(gè)硬件廠商生產(chǎn)的圖形設(shè)備具有不同的功能,

他們各自開發(fā)專用于自己硬件平臺(tái)的圖形軟件包和相應(yīng)的

高級語言接口，致使圖形軟件包和建立在它上面的應(yīng)用程

序互不兼容，不具備可移植性。這個(gè)問題一方面限制了圖

形技術(shù)的發(fā)展，另一方面也阻礙了圖形硬件設(shè)備的推廣和

普及。這種情況一直持續(xù)到20世紀(jì)70年代中期。為了提高

軟件的通用性，圖形軟件包的標(biāo)準(zhǔn)化問題引起了廣泛的重

視。

美國計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)成立了一個(gè)圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(ISO),

開始制定和審批有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。

1軟件標(biāo)準(zhǔn)的形成

發(fā)展歷程

諸侯割據(jù)—＞標(biāo)準(zhǔn)討論—＞標(biāo)準(zhǔn)形成

一些非官方圖形軟件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)界，成為事實(shí)上

的標(biāo)準(zhǔn)，如:DirectX(MS),OpenGL(SGI),Adobe公司

Postscript

［軟件標(biāo)準(zhǔn)的形成

A圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)：與設(shè)備無關(guān)、與應(yīng)用無關(guān)、具有較高性能;

A近二十年中，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO已經(jīng)批準(zhǔn)和正在討論的與

計(jì)算機(jī)圖形有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有：

GKS、GKS-3D、PHIGS、CGM、CGI、IGES、STEP

?事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)：

SGI的OpenGL,微軟的DirectX,Adobe的Postscript等

見圖形系統(tǒng)

■一、一般工作過程

■二、基本組成

■三、基本功能

■工作過程

計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)是一個(gè)由軟、硬相互結(jié)合的有

機(jī)整體。系統(tǒng)在工作時(shí)，由主機(jī)執(zhí)行應(yīng)用程序,

通過圖形輸入設(shè)備、數(shù)據(jù)庫或交互裝置讀取數(shù)

據(jù)，按一定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織起來，不斷調(diào)用事先

存儲(chǔ)好的圖形顯示子程序，將處理后得到的數(shù)

據(jù)送往顯示處理器，從圖形顯示器或其它輸出

設(shè)備輸出圖形。

工作過程示意圖

I交互裝置I-I主機(jī)中國

輸出通道

系統(tǒng)硬件

■顯示處理器：重復(fù)解釋、執(zhí)行D.F.

■刷新處理器：存放顯示文件

■交互裝置:人機(jī)交互工具

■硬拷貝裝置：實(shí)現(xiàn)圖形永久性輸出的裝置

■本地計(jì)算機(jī)：生成顯示文件

■主機(jī):語言的解釋或編譯，數(shù)據(jù)庫管理等

基本加成

系統(tǒng)硬件示意圖

顯示器

顯示處理器I?—?[刷新存儲(chǔ)器

I交互裝置I本地計(jì)算機(jī)I.,I硬拷貝裝置

基本加成

系統(tǒng)軟件

應(yīng)用程序：需要執(zhí)行的指令序列；

應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)/模型:全面描述對象的特點(diǎn)；

圖形系統(tǒng)：完成實(shí)際功能是與硬件的接口。

基本加成

系統(tǒng)軟件示意圖

描述物體的

輸入數(shù)據(jù)機(jī)和特征

應(yīng)用程序口圖形系統(tǒng)

斷據(jù)結(jié)構(gòu)/模現(xiàn)

I

提取數(shù)據(jù)子程序調(diào)用

基本加成

能

一個(gè)圖形系鄒，一般具有計(jì)算、存儲(chǔ)、對話、輸

入、輸而主方面功能。

■計(jì)算功能：最基本的功能有點(diǎn)、線、面的表示及

其求交、幾何變換、光、色模型的建立和計(jì)算、

干涉檢查等內(nèi)容。

■存儲(chǔ)功能：在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存、外存中能存放圖形

數(shù)據(jù)，尤其要存放形體幾何元素之間的連接關(guān)系

以及各種屬性信息等。

A*匕

■對話功能：通過圖形顯示器直接進(jìn)行人機(jī)通訊。

■輸入功能：把圖形設(shè)計(jì)和繪制過程中的有關(guān)定

位、定形尺寸及必要的參數(shù)和命令輸入到計(jì)算

機(jī)中。

■輸出功能：圖形系統(tǒng)應(yīng)該有文字、圖形、圖像

信息的輸出功能，對輸出的結(jié)果有精度、形式、

時(shí)間為要求。

機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)川

1、計(jì)算機(jī)輔助工作類型；

2、計(jì)算機(jī)娛樂、藝術(shù)類型;

3、其他應(yīng)用；

機(jī)輔助工作類型

■計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD/CAM)；

-計(jì)算機(jī)輔助繪圖；

■計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(CAI)

: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；

[,迪效果圖和線框圖

二機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD/CAM)”

基于工程圖紙的三維形體重建：

.定義：從二維信息中提取三維信息，通過對這些信息

進(jìn)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(diǎn)、線、

面及其拓?fù)潢P(guān)系，從而實(shí)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。

0AutomaticReconstructionSystem-nix?AutomaticReconstructionSystemAutomaticReconstructionSystemHEIB

WileEditViewInsertToolsWindowHelpEditViewInsertToolsWindowsHelp■|日|X漢FileEditViewInsertToolsWindowsHelp■|5|x|

WireframeSolid

Engineeringdrawings

uro

0

工程圖及其三維重建結(jié)果1

;掌機(jī)輔助繪圖

圖形、圖表和模型圖等圖形的繪制是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用中

的另一個(gè)重要方面。人們經(jīng)常利用圖形系統(tǒng)繪制數(shù)學(xué)、物理或

經(jīng)濟(jì)信息中的二、三維圖。許多圖形軟件專門用于圖形或者圖

形和圖表的生成。很多圖形程序都具有二維或三維數(shù)據(jù)的處理

功能。其中，二維圖形處理程序包括直方圖、線條圖、表面圖

和扇形圖等，而三維作圖通常是用于顯示多種形體之間或者多

種參數(shù)之間的關(guān)系，分為統(tǒng)計(jì)關(guān)系百分比圖和分布關(guān)系圖等。

有些圖形采用三維圖形顯示還可以表達(dá)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)性質(zhì)，

例如增長速度和變化趨勢等等。

■算機(jī)輔助繪圖■1

A商務(wù)事務(wù)領(lǐng)域是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用發(fā)展得最快的其中一個(gè)領(lǐng)域。

在這個(gè)領(lǐng)域之中，信息可視化成為處理大量數(shù)據(jù)的快速手段，

專門用于匯總分析財(cái)政、數(shù)學(xué)和經(jīng)濟(jì)等方面的數(shù)據(jù)，還可以

采取多種圖形組合的表達(dá)形式，來表現(xiàn)各種不同的關(guān)系。

?科學(xué)計(jì)算的可視化是計(jì)算機(jī)輔助繪圖應(yīng)用的另一個(gè)典型的例子。

例如，我們可以通過把來自各個(gè)氣象觀測站的數(shù)據(jù)經(jīng)過專門的

氣象圖處理程序集中起來，形成一種天氣形勢圖降雨圖或者氣

壓圖。

□ac

■com

□edu

□gov

■net

□org

■aadn

99年域名分布情況

■隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與計(jì)算機(jī)

的普及，計(jì)算機(jī)輔助教

學(xué)將深入發(fā)展。例如，

數(shù)學(xué)中的各種函數(shù)圖形、

方程和表達(dá)式的變化，

物理中的各種動(dòng)態(tài)圖和

化學(xué)中的各種物質(zhì)的分

子結(jié)構(gòu)等等，我們都可

以用計(jì)算機(jī)圖形軟件把

教學(xué)內(nèi)容形象地展示在

學(xué)生面前。

［掌機(jī)娛樂、藝術(shù)類型

■L計(jì)算機(jī)娛樂

■2.計(jì)算機(jī)藝術(shù)

［娛樂（動(dòng)畫）

基于計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫被廣泛應(yīng)

用于電視廣告、節(jié)目片頭、科教演示、電子游戲

等等。

由三維FFD操作得到的魚的變形圖

TheVisualComputer2001

■計(jì)算機(jī)藝術(shù)(ComputerArt)是近年來計(jì)算機(jī)圖

形學(xué)的又一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，它被廣泛地用于藝

術(shù)品的制造。利用圖形學(xué)方法，藝術(shù)家可以構(gòu)造

出豐富多彩的藝術(shù)圖畫。通過適當(dāng)?shù)膱D形輸入設(shè)

備(例如圖形輸入板、觸摸屏、光筆、鼠標(biāo)等)

和繪圖軟件，可以直接在計(jì)算機(jī)屏幕上作畫。

■大家比較熟悉的微機(jī)上的繪圖軟件有Paintbrush,

Coreldraw和Photoshop等。即使是個(gè)不懂理論的

外行人，也能夠自由自在地用它們來繪圖。

-L過程控制及系統(tǒng)環(huán)境模擬；

-2?電子印刷及辦公自動(dòng)化；

-3,科學(xué)計(jì)算的可視化(Scientific

Visualization)；

-4,圖形用戶界面；

-5.醫(yī)療衛(wèi)生方面的應(yīng)用

偉I及系統(tǒng)環(huán)境模擬

■利用交互式圖形生成

技術(shù)形成的人機(jī)交互

系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人與控制

或管理對象之間的相

刑布互作用。如工廠中的

ad，

0中“格設(shè)備、工序控制，機(jī)

場與鐵路的調(diào)度等。

刷及辦公自動(dòng)化

■圖形顯示技術(shù)在辦公自動(dòng)化和事務(wù)處理

中的應(yīng)用，使得數(shù)據(jù)及其相互關(guān)系能夠

有效地表達(dá)出來，從而有利于人們進(jìn)行

正確的決策。

■在辦公室中，用圖形方式顯示并交換文

件、報(bào)表、圖例和其它信息，并在輸出

設(shè)備上輸出、保存起來。

科學(xué)計(jì)算可視化(ScientificVisualization)

■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

(VisualizationinScientificComputing)"；

■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。

?計(jì)算可視化i^H

■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

;■形用戶界面

■介于人與計(jì)算機(jī)之間，人與機(jī)器的通信，人機(jī)界面：軟件

+硬件

■發(fā)展：由指示燈和機(jī)械開關(guān)組成的操縱界面一由終端和鍵

盤組成的字符界面（80年代）一由多種輸入設(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，

WIMP（W-windows>「icons、M-menu>P-pointingdevices）

界面，所見即所得一VR技術(shù)（發(fā)展方向）；

■療衛(wèi)生方面的應(yīng)用

■顯示技術(shù)在現(xiàn)代醫(yī)療方面很受歡迎，彩色超聲波、

彩色胃鏡、CT和核子醫(yī)學(xué)掃描儀等醫(yī)療設(shè)備已經(jīng)逐

步應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)。

■醫(yī)學(xué)上還常常結(jié)合圖像處理和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)來建模

和研究物理功能。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在醫(yī)學(xué)中還有一種

應(yīng)用-計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)（Computer-Aided

Surgery)

■真實(shí)感圖形實(shí)時(shí)繪制：

1、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；

2、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。

3、真實(shí)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)在模

擬野外自然景物，比如繪制山、水、云、樹、火等等。

實(shí)感圖形實(shí)時(shí)繪制

王希的樹皮VDM(Siggraph03)

布料的柔性效果

（Rensselaer工業(yè)學(xué)院設(shè)計(jì)研究中心提供）

大樓設(shè)計(jì)的真實(shí)感三維繪制

（ThomsonDigitalImage公司提供）

■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。

由清華大學(xué)自然景物平臺(tái)生成的野外場景

日本YoshinoriDobashi等人繪制的真實(shí)感云

Xfh)g3.0生成的

挪威云杉

夫(VirtualReality)

VirtualReality或稱