主讲人：赵宏庆

1. 第9章 计算机图形学相关的研究领域 主讲人：赵宏庆

2. 第9章 计算机图形学相关的研究领域 9.1 计算机辅助设计与制造 9.2 计算机动画 9.3 可视化 9.4 虚拟现实 9.5 逆向工程

3. 9.1 计算机辅助设计与制造 • 计算机图形学自诞生后在众多领域得到了应用，尤其是随着计算机软硬件技术的快速发展，计算机图形学的应用范围不断拓宽，应用水平不断提高。 • 计算机图形学在应用过程中与专业知识相结合，衍生出很多新的学科，如计算机动画、仿真、可视化、虚拟现实以及逆向工程等，这些基于计算机图形学的应用学科在现代社会中发挥着重要作用，很多学科还在快速发展之中。 • 计算机辅助设计(Computer Aided Design，简称CAD)： • 包括概念设计、优化设计、有限元分析、计算机仿真、计算机辅助绘图、计算机辅助设计过程管理等。

4. 9.1 计算机辅助设计与制造 • 计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing，简称CAM)： • 指计算机在产品制造方面有关应用的总称。CAM有广义和狭义之分: • 广义CAM一般是指计算机辅助进行的从毛坯到产品制造过程中的间接和直接的所有活动，包括工艺准备、生产作业计划、物料作业计划的运行控制、生产控制、质量控制等。 • 狭义CAM通常仅指数控程序的编制。 • 数控编程是对所有采用数控的设备如数控机床、数控检测仪器、数控机器人等进行程序设计，可包括刀具路径的规划、刀位文件的生成、刀具轨迹仿真以及数控代码(又称NC代码)的生成等。一般来说，狭义的概念采用得比较广泛。

5. 9.1 计算机辅助设计与制造 • CAD/CAM最早源于航空工业和汽车工业，20世纪80年代伴随计算机软硬件技术水平的提高，CAD/CAM快速发展。 • 进入20世纪90年代，由于数据库和网络技术的发展，CAD/CAM已发展成为集市场信息、设计、加工、原材料、质量保证、销售服务于一体的计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacture System，简称CIMS)。

6. 9.1.2 CAD/CAM系统的组成与功能 • 一个CAD/CAM系统由硬件和软件两部分组成。 • 硬件由计算机、外围设备和网络组成。 • 计算机：以工作站和微机为主 • 外围设备：鼠标、键盘、扫描仪、显示器、打印机、绘图仪、拷贝机、数控加工中心等设备。 • 网络：实现资源共享，先进的CAD/CAM系统都是以网络的形式出现的，特别是在并行工程环境中，为了进行产品的并行设计，网络更是必不可少的。

7. 9.1.2 CAD/CAM系统的组成与功能 • CAD/CAM系统的软件分为两大类：支撑软件和应用软件。 • 支撑软件：包括操作系统、程序设计语言及其编辑系统、数据库管理系统(对数据的输入、输出、分类、存储、检索进行管理)和图形支撑软件。 • 应用软件：是指用户针对本领域任务设计的程序包，包括图形处理、几何造型、有限元分析、优化设计、动态仿真、数控加工、检测与质量控制等软件。

8. 9.1.2 CAD/CAM系统的组成与功能 • CAD/CAM系统功能： • 几何造型 • 物性计算 • 有限元分析 • 优化设计 • 图形显示与处理 • 运动分析与仿真 • 数控加工 • 信息管理等

9. 9.1.3 CAD/CAM技术的研究热点 • 参数化设计（代表软件：UG） • 用CAD方法开发产品时，建模速度是决定整个产品开发效率的关键。产品开发初期，零件形状和尺寸有一定模糊性，要在装配验证、性能分析和数控编程之后才能确定。这就希望零件模型具有易于修改的柔性。 • 参数化设计方法：将模型中的定量信息变量化，使之成为任意调整的参数。对于变量化参数赋予不同数值，就可得到不同大小和形状的零件模型。

10. 9.1.3 CAD/CAM技术的研究热点 • 参数化设计（代表软件：UG） • 在CAD中要实现参数化设计，参数化模型的建立是关键。参数化模型表示了零件图形的几何约束和工程约束。 • 几何约束包括结构约束和尺寸约束。 • 结构约束是指几何元素之间的拓扑约束关系，如平行、垂直、相切、对称等； • 尺寸约束则是通过尺寸标注表示的约束，如距离尺寸、角度尺寸、半径尺寸等。 • 工程约束是指尺寸之间的约束关系，通过定义尺寸变量及它们之间在数值上和逻辑上的关系来表示。

11. 9.1.3 CAD/CAM技术的研究热点 • 智能CAD • 智能CAD是指通过运用专家系统、人工神经网络等技术使作业过程具有某种程度人工智能的CAD系统。 • 专家系统是一个能在某个特定领域内，用人类专家的知识、经验和能力去解决该领域中复杂困难问题的计算机程序系统。

12. 9.1.3 CAD/CAM技术的研究热点 • 智能CAD • 专家系统在CAD作业中适时给出智能化提示，告诉设计人员下一步该做什么，当前设计存在的问题，建议解决问题的几何途径；或模拟人的智慧，根据出现的问题提出合理的解决方案。 • 专家系统通常由知识库、推理机、知识获取系统、解释机构和一些界面组成。 • 人工神经网络在工程设计中的应用正在不断地发展，基于神经网络的专家系统在知识获取、并行推理、适应性学习、联想推理、容错能力方面明显优于传统的专家系统。

13. 9.1.3 CAD/CAM技术的研究热点 • 基于特征的设计（代表软件：ProE） • 特征设计是用易于识别的、包含加工信息的几何单元，如孔、槽，倒角等，来取代以往设计中所用的纯几何描述，如直线、圆弧等。 • 特征是构造零件的最基本的单元要素，它既反映零件的几何信息，又反映零件的加工工艺特征信息。

14. 9.1.3 CAD/CAM技术的研究热点 • NURBS几何构型技术 • 非均匀有理B样条(NURBS)技术可以使系统在描述自由曲线、曲面以及精确的二次曲线、曲面时，能够采用统一的算法和表示方法。

15. 9.1.3 CAD/CAM技术的研究热点 • 装配设计和管理 • 装配设计是指系统能够同时完成产品或装配部件的设计，而不是个别零件的设计。 • 由于涉及到许多零件的装配关系，装配设计需要考虑的因素复杂，具有装配设计功能的系统需要采用的技术和手段也较多，如前面提及的特征设计、参数化设计、相关性设计等。

16. 9.1.3 CAD/CAM技术的研究热点 • 装配设计和管理 • 对于具有装配设计功能的系统还应能够提供有关装配方面的管理能力，如装配零件逻辑关系、装配件干涉检查、生成装配材料明细表、零件装配关系展开图、测算装配件的运动学及动力学特性等。

17. 9.1.3 CAD/CAM技术的研究热点 • CAD/CAM系统的网络化与集成化 • 网络技术是计算机技术和通信技术相互渗透、密切结合的产物，在计算机应用和信息传输中起着越来越重要的作用。 • CAD/CAM系统中所需的所有公共信息，如图形、数据、零件、编码等可存储在服务器的公共数据库中，而各工作站可以通过网络共享其中的数据，进行各自的设计工作。

18. 9.1.3 CAD/CAM技术的研究热点 • CAD/CAM系统的网络化与集成化 • 基于数据库、网络技术，企业可将CAD/CAM系统与市场信息、原材料、产品数据管理、市场销售等管理信息系统集成在一起形成CIMS系统，共享信息和资源，达到经济上最合理、技术上最先进的最优化方案。

19. 9.1.3 CAD/CAM技术的研究热点 • 面向对象的设计方法 • 其基本出发点就是尽可能按照人类认识世界的方法和思维方式来分析和解决问题。 • 在CAD/CAM系统中，所定义的对象可以是用来描述几何模型，如点、线、圆、平面、折线、曲线、曲面、体素等，也可以是用来描述加工过程的零件模型、加工特征、刀具类型、刀位指令等等。

20. 9.1.4 应用实例

21. 第9章 计算机图形学相关的研究领域 9.1 计算机辅助设计与制造 9.2 计算机动画 9.3 可视化 9.4 虚拟现实 9.5 逆向工程

22. 9.2 计算机动画 • 动画是运动中的艺术，是一系列图形图像的顺序显示所产生的视觉效果。 • 计算机动画是指用绘制程序生成一系列的景物画面，通过足够快的速度显示一系列的单个帧以生成活动的感觉。 • 一般动画播放速度每秒15帧以上，电影业的标准是每秒24帧，欧洲PAL制式视频标准是每秒25帧，而美国的NTSC制式每秒30帧。

23. 9.2 计算机动画 • 计算机动画是计算机和艺术的结合。它综合运用计算机图形学、物理学、机械学、心理学、美学、生命科学及人工智能等学科或领域的知识来研究客观存在或高度抽象的物体的运动表现形式。 • 计算机动画不仅可应用于商业广告、电视片头、影视特技、动画片、游艺场所，还可用于教育、军事、飞行模拟、科研。

24. 9.2 计算机动画 • 计算机动画技术最初是应影视业发展的要求而产生的。 • 1908年法国人Emile Cohl开创了电影动画卡通(Cartoon)。 • 1928年Walt Disney电影制片厂开始制作动画片，塑造了米老鼠、唐老鸭等家喻户晓的卡通形象。

25. 9.2 计算机动画 • 卡通动画制作的过程： • 设计故事情节、写出文学剧本和画面剧本、进行任务造型和景物创作、规划设计对白与音响、设计关键帧、画出中间帧、手稿图动作测试、描线和上色、检查和拍摄、以及后期制作等。 • 动画每秒要播放24张。一部10分钟的美术电影，要画数以千万张原画，而且每幅要反复3～5次工序才能完成。 • 然后描线上色、检查、摄制，约需要4个月的时间，如果是精品，需要1年的时间才能完成。工艺繁多，劳动强度大，制作周期长。

26. 9.2 计算机动画 • 计算机动画可分为“计算机辅助动画”和“计算机生成动画”，也就是通常说的“二维动画”和“三维动画”。 • 1963年Bell实验室的Edward E. Zajac制作了一个有关地球卫星在太空运行的线框图形的动画，被认为是第一部数字计算机动画作品。

27. 9.2 计算机动画 • 计算机三维彩色逼真动画是从20世纪70年代中期开始的，并首先用于军事，如飞行模拟。 • Evans Sutherland的飞行模拟器有助于训练飞机驾驶员，使他们不用离开地面就能进行起飞和着陆的练习，其中显示屏上的跑道、地平线、建筑物以及空中其他飞过的飞机形象都是由计算机动画实现的。 • 从这个时候开始，制作计算机动画的公司纷纷出现，大量的电视节目片头和电视广告采用这个新技术。

28. 9.2 计算机动画 • 《终结者II》和《侏罗纪公园》：反映当代计算机动画高水平的代表作。 • 在国内，1990年第十一届亚运会影视节目的片头是计算机动画。 • 1992年4月，北京科教电影制片厂与北方工业大学合作，摄制了一部计算机二维、三维结合的科普美术品《相似》(长10分钟)，是我国第一步计算机动画影片。

29. 9.2.2 动画分类 • 关键帧动画 • 关键帧的概念源于传统的卡通动画。在早期的卡通动画的制作步骤中，熟练的动画设计师设计卡通片的关键画面，即关键帧。然后由一般的动画设计师设计中间帧。 • 对于计算机动画，中间帧是由计算机通过插值计算的方法来完成的。

30. 9.2.2 动画分类 • 变形物体的动画 • 变形动画把一种形状或物体变成另一种不同的形状或物体，而中间过程则通过形状或物体的起始状态和结束状态进行插值计算。 • 大部分变形方法与物体的表示有密切的关系，如通过移动物体的顶点或控制顶点来对物体进行变形。 • 对于多边形表示的物体，物体的变形可通过移动其多边形顶点来达到。 • 但是，多边形的顶点以某种内在的连接关系相关连，不恰当的移动很容易导致三维走样问题，比如原来共面的多边形变成了不共面的。参数曲面表示的物体可较好地克服上述问题。

31. 9.2.2 动画分类 • 过程动画 • 过程动画指的是用一个过程去控制物体的动画。过程动画经常牵涉到物体的变形，但与前面所讨论的柔性物体的动画不一样。 • 在柔性物体的动画中，物体的形变是任意的，可由动画师任意控制的； • 在过程动画中，物体的变形则基于一定的数学模型或物理规律。如草叶随风的飘动。粒子系统还可用来模拟由风引起的泡沫和溅水的动画。

32. 9.2.2 动画分类 • 关节动画和人体动画 • 关节动画能够模拟运动的传递关系，解决一般机械传动系统运动演示问题。 • 基于人体的动画是最复杂的动画，人体具有200个以上的自由度和非常复杂的运动，人的形状不规则，人的肌肉随着人体的运动而变形，人体的运动不是简单的刚体运动，人的个性、表情等千变万化，受生理和心理等多方面因素的影响。

33. 9.2.2 动画分类 • 基于物理模型的动画技术 • 20世纪80年代后期发展起来的一种新技术。比传统动画技术的计算复杂度要高得多，但它能逼真地模拟各种自然物理现象，这是基于几何的传统动画生成技术所无法比拟的。 • 基于物理模型的动画技术考虑了物体在真实世界中的属性，如它具有质量、转动惯矩、弹性、摩擦力等，并采用动力学原理来自动产生物体的运动。 • 基于物理的动画称为运动动画，其运动对象要符合运动学和动力学规律，并满足几何约束、运动约束和力约束等条件。 • 运动动画的一个重要部分是碰撞检测，目前已有很多碰撞检测方法，如半径法、包围盒法和标准平面方程法等。

34. 9.2.3 双缓存实现帧动画 • 实现动画时一般至少需要一个帧缓存器，并在缓存器中存储和操作像素数据。 • 帧缓存是由缓存组成的逻辑集，这些缓存包括颜色缓存、深度缓存、累积缓存和模板缓存。 • 为了实现平滑动画以及消除画面的闪烁感，可以采用双缓存技术。 • 这种技术的原理是： • 程序把帧存看成是两个视频缓存，在任意时刻，只有两者中的一个内容才能被显示出来。 • 当前可见视频缓存称为前台视频缓存，不可见的正在画的视频缓存称为后台视频缓存。当后台视频缓存中的内容被要求显示时，视频交换机制就会将它复制至前台视频缓存。显示硬件则不断读出视频缓存中的内容，并把结果显示在屏幕上。

35. 9.2.3 双缓存实现帧动画 • 双缓存技术可以生成平滑的动画，最好把一幅完全画好的图像显示一定的时间，然后提供下一幅画面，视频图像按此方式交替出现，从一幅图像变化到下一幅图像，由于时间极短，人眼不会感觉到这种变化。 • 通过关键帧技术设计流畅的动画，帧与帧之间画面过渡不要太大，否则就会引起画面跳跃，出现不连续的现象。

36. 第9章 计算机图形学相关的研究领域 9.1 计算机辅助设计与制造 9.2 计算机动画 9.3 可视化 9.4 虚拟现实 9.5 逆向工程

37. 9.3 可视化 • 人类采集数据能力越来越强（地球卫星、宇宙飞船、天文望远镜、CT扫描仪、核磁共振仪 ），处理数据的手段滞后。 • 1986年2月，美国国家科学基金会(NSF)的高级科学计算部门召开了关于“图形、图像处理和工作站”的讨论会，与会成员一致认为：要把先进的图形图像软、硬技术应用于大型科学与工程计算，将数据转换为图形(像)，利用人类的视觉功能提高数据处理速度和准确度。 • 1987年2月，美国国家科学基金会正式组织召开了“Visualization in Scientific Computation”专题讨论会，与会人员包括学术界、企业界和政府代表，年底发表了讨论会的总结报告，标志着科学计算可视化作为一门新兴学科宣告诞生。

38. 9.3 可视化 • 科学计算可视化(Visualization in Scientific Computation )综合利用计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计等多门学科，将数据转换成图形及图像并进行交互处理，利用人的视觉功能提高人的理解数据的能力。

39. 9.3 可视化 • 20世纪90年代，世界各国投入了大量的人力、物力、财力有计划有组织地开展了可视化技术的研究。 • 可视化技术在计算流体力学、有限元分析、生物医学、分子模型构造、地学、空间科学、天体物理、气象预报等众多领域获得了成功应用，促进了数学、物理、化学等基础科学的发展，在生命信息、社会信息的研究中亦发挥了重要作用。 • 由于涉及领域很宽，出现了“Data Visualization”、“Information Visualization”等术语，信息可视化丰富了可视化的研究内容，表明可视化技术已从空间数据向非空间数据拓展。 • 现在大多用“Visualization”来涵盖这一领域的理论和应用研究。

40. 可 视 化 研 究 内 容 可视化 工具研究 硬件平台研究 可视化计算机体系结构 可视化输入/输出设备 (包括人－机交互设备) 高速网络应用  参考模型研究 数据处理模块 映射模块 绘制模块 显示模块 软件系统研究 可视化软件系统结构 函数库与标准化 人－机交互功能 远程可视化支撑软件 可视化 应用研究 自然科学领域 分子构模 医学图像 脑结构与功能 空间探索 天体物理 地球科学等 工程技术领域 计算流体力学 有限元分析 CAD/CAM等 9.3.2 可视化研究内容 可视化过程一般分为：数据处理、映射、绘制和显示4步( 掌握)

41. 9.3.3可视化方法( 掌握 ) • 三维数据场的可视化方法主要有面绘制和体绘制两类。 • 面绘制(Surface Based Methods)是指体表面的重建，也即由三维数据中抽取出等值面，然后再由传统的图形学技术实现表面绘制。 • 除了等值面，基于传统图形学的可视化方法还可以采用等值线或流线表示二维数据场或三维数据场的截面，面绘制可以有效的绘制三维体的表面，但缺乏内部信息的表达

42. 9.3.3可视化方法( 掌握 ) • 三维数据场的可视化方法主要有面绘制和体绘制两类。 • 体绘制(Volume Rendering)以体素作为基本单元，直接由切片数据集生成三维体的图像，也称直接体绘制，能够表示对象体的内部信息，但计算量大，包括数据的采样、重构、重采样、组合、绘制等操作。 • 体绘制主要是针对体数据的可视化方法。体数据是对有限空间的一组离散采样，每个采样点上的采样值可以是一种或多种，其结果是以有限个采样来描述场空间。

43. 9.3.3可视化方法 • 三维数据场的可视化方法主要有面绘制和体绘制两类。 • 体数据含有物体内部信息，可以揭示物体内部复杂的结构，体数据的来源最早源于X射线透视设备。 • 与传统计算机图形学的主要差异在于对象的表示模型不同，一个是有限个离散采样，一个是连续的几何描述，由此导致对物体的处理、操作、变换、分析、和显示方法的截然不同。

44. 9.3.3可视化方法 • 体视化孕育着计算机图形学的一场革命。 • 从硬件上看，设计和制造大容量存储器已经不是一件困难的事情，用于体数据操作显示的体视化专用并行处理硬件也在发展之中。

45. 9.3.4 可视化应用( 掌握 ) • 流场可视化 • 流场可视化是可视化的重要应用领域，在航空航天飞行器、汽车、船舶的设计以及气象预报、海洋研究中发挥了重要作用。 • 在飞行器、汽车、船舶等产品的设计过程中，流场可视化侧重于研究物体在流场中的各种性能；在气象、海洋等领域，流场可视化侧重于揭示流体自身的运动规律。

47. 9.3.4 可视化应用( 掌握 ) • 温度场可视化 • 温度场是常见的数据场之一。温度场可视化在气象、飞机座舱设计、金属凝固模拟等领域中应用较多。其中金属凝固模拟是材料科学中的一个新兴研究方向，通过温度场的可视化，可以了解铸件的凝固状态、晶体组织、残留应力以及缩孔等，这在大型铸件和连铸钢坯中尤为重要。

48. 9.3.4 可视化应用 • 应力场可视化 • 应力场是CAD/CAM领域中涉及最多的数据场。应力场可视化在机械产品设计、建筑结构和地基分析、水利工程中的大坝计算以及地壳演变模拟等方面发挥了重要的作用。

49. 9.3.4 可视化应用 • 电磁场可视化 • 电磁场可视化在雷达、飞机隐身与反隐身以及电器设计中具有很高的应用价值。

50. 9.3.4 可视化应用 • 声场可视化 • 声场对日常生活影响较大，声场可视化主要应用于音响效果设计、噪声控制等。