第9章 计算机图形学

第9章计算机图形学第9章计算机图形学9.1图形学与数字图像处理9.2计算机图形学应用9.1图形学与数字图像处理9.1.1图形学1.定义计算机图形学(ComputerGraphics，简称CG)是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说，计算机图形学的主要研究内容就是研究如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。2.研究目的计算机图形学一个主要的目的就是要利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形。2.计算机图形学历史1950年，显示器在美国麻省理工学院（MIT）诞生。20世纪50年代中期，美国战术防空系统则是第一个使用具有命令和控制功能的CRT显示控制台的系统。1958年，美国Calcomp公司由联机的数字记录仪发展成滚筒式绘图仪。1963年，MIT林肯实验室的IvanE.Sutherland在他的博士论文《Sketchpad（画板）：一个人机交互通信的图形系统》中首次使用了计算机图形学这个术语，确定了计算机图形学作为一个新的独立科学分支。1964年，MIT的教授StevenA.Coons提出了插值4条任意的边界曲线的Coons曲面。1966年，法国雷诺汽车公司的工程师PierreBézier发展了一套自由曲线和曲面的方法。1970年，光栅扫描显示器的出现，使光栅图形学算法迅速发展起来。20世纪80年代中期，超大规模集成电路的发展，特别是PC及其图形加速硬件性能的迅速提高，为计算机图形学的飞速发展奠定了基础。20世纪70~90年代，由于计算机图形和软件技术的发展，对图形系统之间的数据交换和接口提出了越来越高的要求，图形软件系统功能的标准化问题被提出来了。21世纪，计算机图形学正向着标准化、集成化、智能化发展，并衍生出多媒体技术、可视化、虚拟现实和增强现实技术等新兴学科。9.1.2数字图像处理1.概述数字图像处理（DigitalImageProcessing）是通过计算机对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等处理的方法和技术。位图图像（Bitmap），亦称为点阵图像或绘制图像，是由称为像素（图片元素）的单个点组成的。这些点可以进行不同的排列和染色以构成图样。当放大位图时，可以看见赖以构成整个图像的无数单个方块。扩大位图尺寸的效果是增大单个像素，从而使线条和形状显得参差不齐。然而，如果从稍远的位置观看，位图图像的颜色和形状又是连续的。常用的位图处理软件是Photoshop软件和Windows绘画板。2.处理处理位图时，输出图像的质量决定于处理过程开始时设置的分辨率高低。分辨率是指一个图像文件中包含的细节和信息的大小，及输入、输出设备、或显示设备能够产生的细节程度。操作位图时，分辨率既会影响最后输出的质量，也会影响文件的大小。进行数字图像处理所需要的设备包括摄像机、数字图像采集器（包括同步控制器、数／模转换器及帧存储器）、图像处理计算机和图像显示终端。主要的处理任务通过图像处理软件来完成。为了对图像进行实时处理，需要非常高的计算速度；通用计算机无法满足，需要专用的图像处理系统。这种系统由许多单处理器组成阵列式处理机，并行操作，以提高处理的实时性。随着超大规模集成电路的发展，专门用于各种处理算法的高速芯片（即图像处理专用芯片），会出现较大市场。

一般来讲，对图像进行处理（或加工、分析）的主要目的有以下3个方面。（1）提高图像的视感质量，例如进行图像的亮度、彩色变换、增强、抑制某些成分、对图像进行几何变换等，以改善图像的质量。（2）提取图像中所包含的某些特征或特殊信息，这些被提取的特征或信息可为计算机分析图像提供便利。提取特征或信息的过程是模式识别或计算机视觉的预处理。提取的特征可以包括很多方面，例如频域特征、灰度或颜色特征、边界特征、区域特征、纹理特征、形状特征、拓扑特征和关系结构等。（3）图像数据的变换、编码和压缩，以便于图像的存储和传输。3.颜色（1）RGB是位图颜色的一种编码方法，用红、绿、蓝三原色的光学强度来表示一种颜色。这是最常见的位图编码方法，可以直接用于屏幕显示。（2）CMYK是位图颜色的一种编码方法，用青、品红、黄、黑4种颜料含量来表示一种颜色。这是常用的位图编码方法之一，可以直接用于彩色印刷。（3）索引颜色/颜色表是位图常用的一种压缩方法。从位图图像中选择最有代表性的若干种颜色（通常不超过256种）编制成颜色表，然后将图像中原有颜色用颜色表的索引来表示。这样原图像可以被大幅度有损压缩。它适合压缩网页图像等颜色数较少的图像，不适合压缩照片等色彩丰富的图像。（4）Alpha通道。在原有的图像编码方法基础上，增加像素的透明度信息。图像处理中，通常把RGB三种颜色信息称为红通道、绿通道和蓝通道，相应地把透明度称为Alpha通道。大多数使用颜色表的位图格式都支持Alpha通道。（5）色彩深度又叫色彩位数，即位图中要用多少个二进制位来表示每个点的颜色，是分辨率的一个重要指标。常用的位数有1位（单色）、2位（4色，CGA）、4位（16色，VGA）、8位（256色）、16位（增强色）、24位（真彩色）和32位等。4.图像处理方法（1）图像变换：由于图像阵列很大，直接在空间域中进行处理，计算量很大。因此，往往采用各种图像变换的方法，如傅里叶变换、沃尔什变换、离散余弦变换等间接处理技术，将空间域的处理转换为变换域处理，不仅可减少计算量，而且可获得更有效的处理。（2）图像编码压缩：图像编码压缩技术可减少描述图像的数据量（即比特数），以便节省图像传输、处理的时间和减少所占用的存储器容量。压缩可以在不失真的前提下获得，也可以在允许的失真条件下进行。（3）图像增强和复原：图像增强和复原是为了提高图像的质量，如去除噪声、提高图像的清晰度等。图像增强，即突出图像中所感兴趣的部分，如强化图像高频分量，可使图像中物体轮廓清晰、细节明显；强化低频分量，可减少图像中噪声影响。图像复原要求对图像降质的原因有一定的了解，一般讲应根据降质过程建立“降质模型”，再采用某种滤波方法，恢复或重建原来的图像。（4）图像分割：图像分割是将图像中有意义的特征部分提取出来，其有意义的特征有图像中的边缘、区域等，这是进一步进行图像识别、分析和理解的基础。（5）图像描述：它是图像识别和理解的必要前提。作为最简单的二值图像可采用其几何特性描述物体的特性，一般图像的描述方法采用二维形状描述，它有边界描述和区域描述两类方法。对于特殊的纹理图像，可采用二维纹理特征描述。随着图像处理研究的深入发展，已经开始进行三维物体描述的研究，提出了体积描述、表面描述、广义圆柱体描述等方法。（6）图像分类（识别）：图像分类（识别）属于模式识别的范畴，其主要内容是图像经过某些预处理（增强、复原、压缩）后，进行图像分割和特征提取，从而进行判决分类。图像分类常采用经典的模式识别方法，有统计模式分类和句法（结构）模式分类；近年来新发展起来的模糊模式识别和人工神经网络模式分类在图像识别中也越来越受到重视。5.历史数字图像处理最早出现于20世纪50年代，那时人们试图利用计算机来处理数字图像。数字图像处理作为一门学科形成于20世纪60年代初期。早期的图像处理是为了改善图像的质量，主要是用以改善人的视觉体验。常用的图像处理方法有图像增强、复原、编码、压缩等技术。首次应用的是美国喷气推进实验室航天探测器“徘徊者7号”在1964年发回的几千张月球照片使用了图像处理技术，如几何校正、灰度变换、去除噪声等方法进行处理，并考虑了太阳位置和月球环境的影响，由计算机成功地绘制出月球表面地图。数字图像处理的另一个应用是在医学上的。1972年，英国EMI公司工程师Housfield发明了用于头颅诊断的X射线计算机断层摄影装置，即CT（ComputerTomograph）。CT的基该方法是根据人的头部截面的投影，经计算机处理来重建截面图像，称为图像重建。1979年，该技术获诺贝尔奖。9.2计算机图形学应用9.2.1计算机辅助设计1.定义计算机辅助设计(CAD-ComputerAidedDesign)利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作，简称CAD。在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。2.发展历史20世纪50年代在美国诞生第一台计算机绘图系统，开始出现具有简单绘图输出功能的被动式的计算机辅助设计技术。60年代初期出现了CAD的曲面片技术，中期推出商品化的计算机绘图设备。9.2.1计算机辅助设计2.发展历史70年代，完整的CAD系统开始形成，后期出现了能产生逼真图形的光栅扫描显示器，推出了手动游标、图形输入板等多种形式的图形输入设备，促进了CAD技术的发展。80年代，随着强有力的超大规模集成电路制成的微处理器和存储器件的出现，工程工作站问世，cad技术在中小型企业逐步普及。80年代中期以来，CAD技术向标准化、集成化、智能化方向发展。9.2.1计算机辅助设计3.应用现在，CAD已在电子和电气、科学研究、机械设计、软件开发、机器人、服装业、出版业、工厂自动化、土木建筑、地质、计算机艺术等各个领域得到广泛应用。

9.2.2多媒体技术1.多媒体的概念(1)媒体（Media）就是人与人之间实现信息交流的中介，简单地说，就是信息的载体，也称为媒介。(2)多媒体，一般理解为多种媒体的综合，是计算机和视频技术的结合。2.多媒体的基本形式(1)文本(2)图像(3)动画(4)声音(5)视频影像9.2.2多媒体技术3.多媒体技术多媒体技术是计算机技术和视频技术的结合。多媒体由硬件和软件组成。多媒体是数字控制和数字媒体的汇合，电脑负责数字控制系统，数字媒体是音频和视频先进技术的结合。4.多媒体技术特点(1)集成性(2)控制性(3)交互性(4)非线性(5)实时性(6)互动性(7)方便性(8)动态性9.2.2多媒体技术

5.多媒体系统一般的多媒体系统由如下四个部分的内容组成：多媒体硬件系统、多媒体操作系统、媒体处理系统工具和用户应用软件。

9.2.2多媒体技术6.多媒体计算机的硬件多媒体计算机的主要硬件除了常规的硬件如主机、软盘驱动器、硬盘驱动器、显示器、网卡之外，还要有音频信息处理硬件、视频信息处理硬件及光盘驱动器等部分。9.2.3计算机动画艺术1.历史的回顾计算机动画技术的发展是和许多其它学科的发展密切相关的。计算机图形学、计算机绘画、计算机音乐、计算机辅助设计、电影技术、电视技术、计算机软件和硬件技术等众多学科的最新成果都对计算机动画技术的研究和发展起着十分重要的推动作用。2.电影特技中的应用计算机动画的一个重要应用就是制作电影特技，可以说电影特技的发展和计算机动画的发展是相互促进的。9.2.3计算机动画艺术《星球大战》，《哈利波特》，《功夫熊猫》

9.2.3计算机动画艺术动画设计，《阿凡达》9.2.3计算机动画艺术玩具总动员，罗纪公园计算机动画在电影特技中的应用计算机动画的一个重要应用就是制作电影特技可以说电影特技的发展和计算机动画的发展是相互促进的。1987年由著名的计算机动画专家塔尔曼夫妇领导的MIRA实验室制作了一部七分钟的计算机动画片《相会在蒙特利尔》再现了国际影星玛丽莲•梦露的风采。1988年，美国电影《谁陷害了兔子罗杰》(WhoFramedRogerRabbit?)中二维动画人物和真实演员的完美结合，令人膛目结舌、叹为观止其中用了不少计算机动画处理。1991年美国电影《终结者II：世界末日》展现了奇妙的计算机技术。此外，还有《侏罗纪公园》(JurassicPark)、《狮子王》、《玩具总动员》(ToyStory)等。

我国的计算机动画技术起步较晚。1990年的第11届亚洲运动会上，首次采用了计算机三维动画技术来制作有关的电视节目片头。从那时起，计算机动画技术在国内影视制作方面得到了讯速的发展，继而以3DStudio为代表的三维动画微机软什和以Photostyler、Photoshop等为代表的微机二维平面设计软件的普及，对我国计算机动画技术的应用起到了推波助谰的作用。

计算机动画的应用领域十分宽广除了用来制作影视作品外，在科学研究、视觉模拟、电子游戏、工业设计、教学训练、写真仿真、过程控制、平面绘画、建筑设计等许多方面都有重要应用，如军事战术模拟

多媒体工具

Toolbook软件由Asymetric公司开发，创始人为AllanPaul（与BillGates一同创建微软）离开Microsoft后投资创建的。它提供一种完整的程序语言Openscript，包含丰富的函数。但是市场推广不力，在多媒体迅速发展的几年，Toolbook一直不如Director、Authorware等工具的发展。后来Asymetric公司改名为Click2learn，做专门提供给企业Elearning用的平台----Aspen，并在NASDAQ上了市。2004年Click2learn又被Sumtotal收购。现在全球有上万家企业和组织选择了ToolBook作为它们的e-learning创作工具。顾客范围从新成立的公司到全球性1000强企业和跨国产业都有，涉及行业涵盖服务业、航空航天、制造业、金融、零售、军事、政府和教育等。Maya2010Maya是美国Autodesk公司出品的世界顶级的三维动画软件，应用对象是专业的影视广告，角色动画，电影特技等。Maya功能完善，工作灵活，易学易用，制作效率极高，渲染真实感极强，是电影级别的高端制作软件。其售价高昂，声名显赫，是制作者梦寐以求的制作工具，掌握了Maya，会极大的提高制作效率和品质，调节出仿真的角色动画，渲染出电影一般的真实效果，向世界顶级动画师迈进。Maya集成了Alias/Wavefront最先进的动画及数字效果技术。她不仅包括一般三维和视觉效果制作的功能，而且还与最先进的建模、数字化布料模拟、毛发渲染、运动匹配技术相结合。Maya可在WindowsNI与SGIIRIX操作系统上运行。在目前市场上用来进行数字和三维制作的工具中，Maya是首选解决方案。Flash是美国Macromedia公司所设计的一种二维动画软件。通常包括MacromediaFlash，用于设计和编辑Flash文档，以及MacromediaFlashPlayer，用于播放Flash文档。现在，Flash已经被Adobe公司购买，最新版本为：AdobeFlashCS4。Flash被大量应用于互联网网页的矢量动画文件格式。使用向量运算﹙VectorGraphics﹚的方式，产生出来的影片占用存储空间较小。使用Flash创作出的影片有自己的特殊档案格式﹙swf﹚。该公司声称全世界97%的网络浏览器都内建Flash播放器﹙FlashPlayer﹚。

3DStudioMax，是Autodesk公司开发的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。最新版本是2010。首选开始运用在电脑游戏中的动画制作，后更进一步开始参与影视片的特效制作，例如X战警II，最后的武士等。在应用范围方面，广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。拥有强大功能的3DSMAX被广泛地应用于电视及娱乐业中，比如片头动画和视频游戏的制作，深深扎根于玩家心中的劳拉角色形象就是3DSMAX的杰作。在影视特效方面也有一定的应用。PS指Photoshop，是Adobe公司旗下最为出名的图像处理软件之一。多数人对于PHOTOSHOP的了解仅限于“一个很好的图像编辑软件”，并不知道它的诸多应用方面，实际上，PHOTOSHOP的应用领域很广泛的，在图像、图形、文字、视频、出版各方面都有涉及。可做平面设计、修复照片、广告摄影、影像创意、艺术文字、网页制作、建筑效果图后期修饰、绘画、绘制或处理三维帖图、婚纱照片设计、视觉创意、图标制作、界面设计。9.2.4虚拟现实1、技术起源和发展30年前，美国有一位名叫艾万·萨斯兰的计算机专家创造了一个世界上并不存在的“几何王国”。参观这个王国的人只要戴上特制的头盔，就会身不由己地徜徉在一个由各种几何图形组成的世界里，这时在你眼前闪过、头顶上飘浮和身边掠过的都是一些大大小小、形状和颜色各不相同的圆形、方形等图案，你可以尽情浏览，随意欣赏，品味这个虚幻世界带来的乐趣。这个“几何王国”就是世界上最早出现的虚拟现实系统。9.2.4虚拟现实2、虚拟现实概念虚拟现实技术将计算机、传感器、图文声像等多种设置结合在一起，创造出一个虚拟的“真实世界”。虚拟现实不仅仅是一种设计，而且还是一个表达和交流的媒体。虚拟现实(VirtualReality，简称VR)是近年来出现的高新技术。VR是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地与虚拟世界进行体验和交互作用。9.2.4虚拟现实3、虚拟现实技术的应用虚拟现实是未来最重要的技术之一，它将带动许多领域的进步。目前，虚拟现实在许多领域都得到了应用，比如娱乐、艺术、商业、通信、设计、教育、工程、医学、航空、科学计算等。9.2.5计算机美术1.概述计算机美术是一门计算机技术和美术相结合的学科，它要求创作者既要懂美术又要懂计算机。它利用计算机作工具，按照美学原理，以图像和图形的形式进行信息交流和升华，形成了自身的特点，创造了新的艺术形式。它的成果使我们得到美的享受，也为人类社会创造了新的文化。2．计算机美术的发展1952年．美国的Ben．Laposke用模拟计算机做的波型图《电子抽象画》预示着电脑美术的开始(比计算机图形学的正式确立还要早)。计算机美术的发展可分为三个阶段：2、什么是虚拟现实？虚拟现实技术是在计算机技术基础上发展起来的。它将计算机、传感器、图文声像等多种设置结合在一起，创造出一个虚拟的“真实世界”。在这个世界里，人们看到、听到和触摸到的，都是一个并不存在的虚幻，是现代高超的模拟技术使我们产生了“身临其境”的感觉。虚拟现实是一种三维的、由计算机制造的模拟环境。在这个环境里，用户可以操纵机器，与机器相互影响，并完全沉浸于其中。因此，从这个定义上看，“虚拟”是从计算机的“虚拟记忆”这个概念派生出来的。虚拟现实向我们提供了一个与我们现实生活极为相似的虚幻世界。虚拟现实不仅仅是一种设计，而且还是一个表达和交流的媒体。借助头盔显示器、数字手套和其它传感设备，一个人可以与另外一个“虚拟人”进行交流，虚拟现实中的虚拟人可以是机器，也可以是现实人的“虚影”。虚拟现实(VirtualReality，简称VR)是近年来出现的高新技术。VR是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。VR主要有三方面的含义：第一，虚拟现实是借助于计算机生成逼真的实体，“实体”是对于人的感觉(视、听、触、嗅)而言的；第二，用户可以通过人的自然技能与这个环境交互，自然技能是指人的头部转动、眼动、手势等其他人体的动作；第三，虚拟现实往往要借助于一些三维设备和传感设备来完成交互操作。近年来，VR已逐渐从实验室的研究项目走向实际，在军事、航天、建筑设计、旅游、医疗和文化娱乐及教育方面得到不少应用。3、虚拟现实技术的应用虚拟现实是未来最重要的技术之一，它将带动许多领域的进步。目前，虚拟现实在许多领域都得到了应用，比如娱乐、艺术、商业、通信、设计、教育、工程、医学、航空等。①建筑领域虚拟现实已经展示了它在雕塑和建筑工业方面的潜能。一座建筑在它还处于设计阶段时，就可以被模拟出来，人们修改它，并可以身临其境地体验它的建筑风格。建筑师和业主可以在建筑开工之前就可看到建筑的外部造型，内部结构及装饰，通风和温控效果，灯光、视屏及声响感官舒适度，从而及时完善原有设计。②艺术目前，我们可以通过Internet虚拟地参观真实的艺术画廊和博物馆。美国和一些欧洲国家博物馆已经具备了虚拟现实艺术品特殊展览的能力。虚拟现实将改变我们关于艺术构成的概念。一件艺术品有可能成为一个可操作、可人机对话并令人沉浸其中的经历。你也许会在虚拟油画中漫游，这里实际上成了你探索的迷你世界。你可以影响画中的某些要素，甚至可以进行涂改。你可以走进一个雕塑画廊，然后对其中的艺术品进行修改。在你这样做的时候，你的思想实际上已经融入到艺术品中。③教育和技能培训纽约一家公司利用虚拟现实技术要求受训者步行穿过虚拟工厂，设身处地的体验与了解其公害状况。今后，学生们可以通过虚拟世界学习到他们想学的知识。化学专业的学生不必冒着爆炸的危险却可以做试验；天文学专业的学生可以在虚拟星系中邀游，以掌握它们的性质；历史专业的学生可以观看不同的历史事件，甚至可以参与历史人物的行动，英语专业的学生可以在世界剧院看莎士比亚戏剧，如同这些剧目首次上演一样。④工程设计许多工程师已经在利用虚拟现实模拟器制造和检验样品了。在航空工业，首次利用虚拟现实技术设计、试验的飞机是新型的波音777飞机。实物样品的生产需要许多时间和经费。而改用电子样品或模拟样品则可以省时、省钱，缩短新产品的推出周期。因为提出意见与改进的过程都可以在计算机内完成。⑤航天虚拟现实技术近年来在航空业也得到了长足的发展。美国宇航局埃姆斯研究中心的科学家将探索火星的数据进行处理，得到了火星的虚拟现实图像。研究人员可以看到全方位的火星表面景象；高山、平川、河流、以及纵横的沟壑里被风化得斑斑驳驳的巨石，都显得十分清晰逼真，而且不论你从哪个方向看这些图，视野中的景象都会随着你头的转动而改变，就好像真的置身于火星上漫游、探险一样。⑥娱乐业虚拟现实已经在娱乐领域得到了广泛应用。在一些大城市的娱乐中心或游戏机室，虚拟现实娱乐节目已经随处可见。不久的将来，几乎所有的录像厅和电影院都将会变成虚拟现实娱乐中心。随着虚拟现实的不断发展，虚拟现实游戏将会进入家庭。想象一下，您正沉浸在冒险游戏的三维世界里。在这个游戏里，您可以和其他同伴相互影响。它可以成为一个真实的、由真人在其中扮演角色的一个事件。“虚拟体感技术”游遍世界

2012年10月，日本东京都立大学系统设计研究生院的Ikei实验室研发出一种“虚拟体感技术”。“虚拟体感技术”提供的不仅仅只是“看”，同时还可以听到场景里的声音、闻到场景里的气味、感受场景吹来的习习凉风，甚至还能感受到走在场景里的地面上的感觉。据介绍，“虚拟体感技术”系统使用的设备有一台3D监视器、头戴式受话器、微风以及气味风扇、一张可以来回倾斜以及振动的座位、一对可以提供走路或者跑步感觉的踏板。这张椅子可以为体验者提供方位和前庭感觉，而安装在下面的踏板则可以为他们创造一种在地面上真实走路或者跑步的感觉，特别是在跑动的时候，椅子和踏板会振动地特别厉害，从而让体验者的小腿以及膝盖部分都产生相应的运动。另外，当体验者在城市中行走时，还能体验各种气味以及微风。⑦医学美国北卡罗来纳大学将这项技术用于生物化学工程。他们和其它一些单位还使用虚拟现实进行Ｘ光治疗癌症的一些尝试。一些公司正在制作模拟人体，这是一种电子化的人体，它将满足医学院教学和培训的需要。国内一些医学院也正在进行电子化的人体的项目。今后，医学院的学生将通过解剖模拟尸体学习解剖学，这是一种了解人体的有效的途径。医学专业的学生和外科医生可以尝试在一个新手术前进行模拟手术。⑧军事虚拟现实技术最先应用的领域之一就是战斗模拟。如今，这些应用不仅用于飞机模拟，而且还用于船舰、坦克通信及步兵演习。随着网络虚拟现实技术的出现，美军已在海湾战争和阿富汗战争中的每场战斗或战役在实战之前，都在虚拟现实中进行模拟演练。海湾战争的大规模模拟影像已可用于测试军官和士兵的实战技能。今后，战争的任何侧面都将在实战之前进行模拟演练，模拟演练将变得十分真实，完全可以达到乱真的地步。也许我们可以用模拟战争代替实战。⑨科学表达科学计算可能会产生的大规模数据，运用可视化技术将其形象化表达出来，可帮助人们理解其科学含义。见图34-24。图34-24分形图9.2.5计算机美术(1)早期探索阶段(1952～1968年)主创人员大部分为科学家和工程师，作品以平面几何图形为主。(2)中期应用阶段(1968年～1983年)以1968年伦敦第一次世界计算机美术大展——“控制论珍宝”（CybernehicSerendipity)为标志，进入世界性研究与应用阶段(3)应用与普及阶段(1984年～现在)以微机和工作站为平台的个人计算机图形系统逐渐走向成熟9.2.6科学计算可视化1.科学计算可视化的定义科学计算可视化(VisualizationinScientificComputing)是发达国家八十年代后期提出并发展起来的一门新兴技术。它将科学计算过程中及计算结果的数据转换为几何图形及图像信息在屏幕上显示出来并进行交互处理，成为发现和理解科学计算过程中各种现象的有力工具。科学计算可视化将图形生成技术和图像理解技术结合在一起，它既可理解送入计算机的图像数据。也可以从复杂的多维数据中产生图形。它涉及到下列相互独立的几个领域：计算机图形学、图象处理、计算机视觉、计算机辅助设计及交互技术等。实际上，目前科学计算可视化技术已经不仅用于显示科学计算的中间结果和最终结果，而且还用于工程计算及测量数据的显示。“可视化”一词正式出现于1987年2月美国国家科学基金会（NationalScienceFoundation，简称NSF）召开的一个专题研讨会上。2.科学计算可视化的发展历史作为学科术语，“可视化”一词正式出现在1987年2月美国国家科学基金会（NationalScienceFoundation）召开的一个专题研讨会上。研讨会后发表的正式报告给出了科学计算可视化的定义，覆盖的领域以及近期和长期研究的方向。这标志着“科学计算可视化”作为一个学科在国际范围内已经成熟。

1995年前后，随着网络信息技术的发展，一批可视技术有了新的突破。1995年开始的InfoVis年会是信息可视化领域的一个里程碑。每年10月在美国举办的IEEESymposiumonInformationVisualization和从1997开始在英国伦敦每年7月举办“InternationalConferenceonInformationVisualization”研讨会集中体现了当代该领域的研究水平。美国科学院2003年举办知识领域可视化专题讨论会。IEEEVisualization2004会议，总结了15年来的可视化方面的成就，提出三个重要研究热点：分子可视化、面向工程的可视化和信息可视化。

我国科学信息可视化技术研究始于20世纪90年代中期，由于条件关系，起初，主要在国家级研究中心、一流大学和大公司的研发中心进行。近年来，随着PC机功能的提高，各种图形显示卡以及可视化软件的发展，IV（可视化）技术已扩展到科学研究、工程、军事、医学、经济等各个领域。随着Internet兴起，IV技术方兴未艾。至今，我国不论在算法方面，还是在油气勘探、气象、计算力学、医学等领域的应用都取得了一大批可喜成果。如“数字中国”、“数字长江”、“数字黄河”、“数字城市”等工程的进展，IV技术在我国得到了广泛应用。但从总体上来说，与国外先进水平相比差距甚大，特别是商业软件方面还是空白。因此，组织力量开发IV商业软件已成为当务之急。3、科学计算可视化的应用

（1）医学在医学上由核磁共振、CT扫描等设备产生的人体器官密度场，对于不同的组织，表现出不同的密度值。通过在多个方向多个剖面来表现病变区域，或者重建为具有不同细节程度的三维真实图像，使医生对病灶部位的大小、位置，不仅有定性的认识，而且有定量的认识，尤其是对大脑等复杂区域，数据场可视化所带来的效果尤其明显。借助虚拟现实的手段，医生可以对病变的部位进行确诊，制定出有效的手术方案，并在手术之前模拟手术。在临床上也可应用在放射诊断、制定放射治疗计划等。图2-10

体绘制生成的图像

（2）生物、分子学在对蛋白质和DNA分子等复杂结构进行研究时，可以利用电镜、光镜等辅助设备对其剖片进行分析、采样获得剖片信息，利用这些剖片构成的体数据可以对其原形态进行定性和定量分析，因此可视化是研究分子结构必不可少的工具。（3）航天工业飞行器高速穿过大气层时周围气流的运动情况和飞行器表面的物理特性的变化，在现有的流场可视化技术下，可以非常直观的展现出来。尤其是对飞行器的不稳定现象、超音速流的研究，这是计算流体力学里的新课题，借助可视化技术，许多意想不到的困难都可以迎刃而解了。图34-6卫星运动飞行图和宇宙星座模拟图（4）工业无损探伤在工业无损探伤中，可以用超声波探测，在不破坏部件的情况下，不仅可以清楚地认识其内部结构，而且对发生变异的区域也可以准确地探出。显然，能够及时检查出有可能发生断裂等具有较大破坏性的隐患是有极大现实意义的。

（5）人类学和考古学在考古过程中找到古人类化石的若干碎片，由此重构出古人类的骨架结构。传统的方法是按照物理模型，用粘土来拼凑而成。现在，利用基于几何建模的可视化系统，人们可以从化石碎片的数字化数据完整地恢复三维人体结构，因而向研究人员提供了既可以作基于计算机几何模型的定量研究，又可以实施物理上可塑的化石重现过程。

图34-8模拟考古建筑和人体面部图（6）地质勘探利用模拟人工地震的方法，可以获得地质岩层信息。通过数据特征的抽取和匹配，可以确定地下的矿藏资源。用可视化方法对模拟地震数据的解释，可以大大地提高地质勘探的效率和安全性。图2-4

三维地形图

（7）立体云图显示气象分析和预报要处理大量的测量或计算数据，气象云图是其中一种非常重要的气象数据，也常用于发布天气预报。气象研究中，地形和云层的高度是影响天气演变的重要因素，运用可视化技术，将三维立体地形图和三维立体云图合成显示输出，能给人更形象、直观的认识。图34-10合成云图9.2.7医学成像1.核磁共振成像核磁共振（NuclearMagneticResonance即NMR）全名是核磁共振成像（NuclearMagneticResonanceImaging，NMRI），又称磁共振成像（MagneticResonanceImaging，MRI），MRI是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。核磁共振是处于静磁场中的原子核在另一交变磁场作用下发生的物理现象。通常人们所说的核磁共振指的是利用核磁共振现象获取分子结构、人体内部结构信息的技术。MRI是一种生物磁自旋成像技术，它是利用原子核自旋运动的特点，在外加磁场内，经射频脉冲激后产生信号，用探测器检测并输入计算机，经过处理转换在屏幕上显示图像。MRI是后继CT后医学影像学的又一重大进步。一、什么是核磁共振

核磁共振成像2.CT

1）CT简介

CT（computedtomography）是一种功能齐全的病情探测仪器，它是电子计算机X射线断层扫描技术简称。

CT的工作程序是根据人体不同组织对X线的吸收与透过率的不同，应用灵敏度极高的仪器对人体进行测量，然后将测量所获取的数据输入电子计算机，电子计算机对数据进行处理后，就可摄下人体被检查部位的断面或立体的图像，发现体内任何部位的细小病变。见图35-6。

图35-6CT机及人体内部结构成像图2）CT的发明史

1963年，美国物理学家科马