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1、第12章 相关新技术介绍,12.1 科学计算可视化12.2 三维复杂模型实时动态显示方法 12.2.1 基于几何模型的绘制方法 12.2.2 基于图像的绘制方法,12.1 科学计算可视化科学计算可视化（Visualization in Scientific Computing，简称ViSC）从20世纪80年代后期诞生以来，一直是计算机科学的一个研究热点。科学计算可视化是由计算机图形学、图像处理、计算机辅助几何设计、计算机视觉、信号处理和用户界面等共同支持的交叉学科，主要研究空间数据场的可视化，其研究内容丰富，应用领域广泛。科学计算可视化是用交互式计算机图形学和图像处理技术，将科学计算数据、工程
2、实验数据和影像扫描数据等数据场中蕴涵的信息转换成图形图像显示在屏幕上、并对其进行交互处理的理论、方法和技术。,十多年的快速发展: 1987年，正式确认“科学计算可视化”(Visualization in Scientific Computing， 简称为Scientific Visualization)。 已成为计算机科学的一个重要的新分支，国际学术会议讨论的热点问题之一。 美国IEEE每年举行一次可视化的学术会议。 IEEE增加一种新会刊IEEE Transaction on Visualization and Computer Graphics。 可视化应用软件逐渐走向实用化和商品化。,可
3、视化技术的意义和价值：科学计算可视化为科学家之间及科学家与数据之间提供了以图形、图像和动画等视觉信息交流的手段，提高了人们处理海量数据的能力，使许多抽象的、难以理解的原理和规律变得容易理解；使枯燥的数据变得生动有趣；使科学家不仅能分析计算的结果，同时能交互地控制计算的过程；为人们提供了观察数据场中不可见信息的方法，增强了人们的洞察力。,可视化技术的应用领域：已在计算流体力学、医学、地质学、气象学、分子结构学、物理学、考古学、材料科学、数学、金融、环保与农业、信息传播和工业检测等领域获得了广泛的应用。近几年，科学计算可视化与虚拟现实相结合，进一步拓广了应用领域。以下图片来自“清华大学计算机系图形
4、学与可视化实验室”。,地质构造：,树獭CT图像的三维重构:,由二维轮廓线重构三维形体:,建筑设计/房地产显示:,三维牙颌模型的重构:,12.2 三维复杂模型实时动态显示方法,目前大多数虚拟现实系统的主要部分是构造一个虚拟环境并从不同的视点按不同的方向进行漫游，以获得身临其境的感受。要达到这个目标，一是构造虚拟环境，二是模拟虚拟摄像机在环境中以6 个自由度运动，并得到相应的图像画面，相当于人在环境中可以自由地行走、飞行。 如果要达到身临其境的效果，一是要图形的真实感很强，二是要图形刷新显示的速度快，以使得由于刷新引起的闪烁达到人眼不能察觉的水平，也就是说至少要大于10帧/秒。,当模型比较简单时，
5、图形的显示速度可以达到交互实时，当模型的复杂程度超过了机器硬件的能力时，图形的显示开始出现间隔和跳动。一般来说，所谓复杂模型，并没有绝对的概念，称之为复杂，是与机器的性能相联系的。当一个模型在某种性能的机器上的显示速度不能达到实时的要求（即刷新频率至少为10帧/秒）时，我们便称这个模型相对于这种机器是复杂模型。 具体措施:采用软件的方法或软硬件相结合的方法在相应的机器上实现该模型的实时动态显示。这里主要介绍软件处理方法。 三维复杂模型的实时动态显示方法可以归为两类：基于几何模型的实时动态显示和基于图像的实时动态显示。,12.2.1 基于几何模型的绘制方法,多年来，我们的研究对象一直是几何模型。
6、我们通常用三维几何实体模型来表示虚拟环境，然后通过投影变换、裁剪、消隐、明暗计算来实现绘制。,用户输入纹理信息和测量数据,建模,几何模型（几何信息、反射率和光源）,绘制,图像,基于几何模型的实时动态显示所采用的方法有三种: 一是降低模型的几何复杂度。主要包括纹理映射和多分辨率表示两种方法。 二是进行可见性测试。由于视线的方向性，视角的局限性以及物体之间的相互遮挡，人眼所看到的往往只是整个场景中的一部分。因此有效地利用物体空间、图像空间以及时间上的相关性来进行可见性的计算，是加快绘制速度的关键。 三是预处理。预处理的方法是将与视点无关的计算放在预处理阶段，或是说将能预先计算好的部分尽量都放在预处
7、理阶段，这是实时显示方法所共同具有的策略，用存储空间来换取时间。,大规模地表模型多分辨率漫游演示系统,清华大学计算机系 可视化技术与图形学实验室,原始网格模型与简化网格模型对比,原始网格数据量大，绘制速度很慢,相应地简化网格，绘制速度较快,漫游时绘制带纹理图像的对比结果，左图为原始网格模型，右图为简化网格模型,原始数据规模为513513的地表简化网格模型原始三角形数量为 524 288简化后三角形数量 6596约为全分辨率网格模型的1.26%,(b) 相对于视点a移动后生成的另一简化网格，三角形数量 7685,右图为两帧图像间视点移动情况,地表模型的俯瞰图及侧视图,某时刻可见部分简化网格模型的
8、顶视图及其对应绘制结果,纹理图像漫游,网格图像漫游,简化地表模型的实时漫游效果演示,右图演示地表模型各种绘制状态首先对原始网格模型进行简化其后依次为顶点绘制模式、 网格绘制模式、 表面绘制模式、 光照绘制模式、 纹理绘制模式。,基于几何模型的方法有以下优点：基于几何模型的方法有统一的理论框架。它用解析几何和投影几何来描述物体的形状，用物理表示来描述物体的表面性质和光对表面的影响，采用投影变换、裁剪、消隐、明暗计算的绘制方法对模型进行显示，所以对于任意的几何模型，在任意的视点参数下，都可以得到正确的输出图像。几何模型数据占用的存储空间较小。采用几何模型表示时，数据都是必要的，没有冗余。3. 可以
9、显示复杂的动态场景。无论怎样复杂的动态场景，在某一时刻，几何模型都是一定的，只要得到每一时刻对几何模型的描述，就可以正确显示出任一时刻的动态场景。,基于几何模型方法构造和显示虚拟环境存在的问题： 1. 构造几何模型复杂而繁琐，需要大量的人力和手工操作。 对于非常复杂的场景，例如要绘制巴黎的埃菲尔铁塔，可能需要借助于工程设计图纸，这其中需要大量的几何造型工作，而如果还要达到具有真实感的视觉效果，难度就更大了，需要对几何模型进行投影、裁减、光照、消隐、阴影处理等。这中间需要大量的计算，难以达到实时的要求。 2. 显示速度随着模型复杂程度的提高而降低。基于几何模型的显示速度与模型的复杂程度有关，模型
10、的复杂度越高，显示速度越低。裁剪、消隐和明暗计算要处理的面片数相应增加，显示速度降低。,12.2.2 基于图像的绘制方法,基于图像的绘制技术是一种与传统的基于几何模型方法截然不同的方法。虚拟环境在计算机中的表示是二维图像而不是三维几何形体。图像的来源并不限于从几何模型生成的图像，可以采用真实世界的照片为模型。,基于图像 的建模,图像,基于图像 的绘制,用户输入一系列的图像,图像的来源一般是普通相机或者数码相机。由于相机拍摄的照片是静态的图像，因而无法改变视线的方向，无法在场景中移动，无法进行碰撞检测，无法改变光线，无法在照片中添加物体或者修改场景。为了克服上述缺点，基于图像的建模、基于图像的绘
11、制以及基于图像的光照等各种新方法被提出来。可以说，基于图像的建模与绘制(IBMR, Image-based Modelling and Rendering)是计算机图形学、计算机图像以及计算机视觉相结合的产物。,基于图像的绘制(Image Based Rendering)采用了与几何模型完全不同的绘制策略，基本上脱离了绘制几何模型的传统方法。这种绘制方法使得计算机的显示速度与图像的大小有关，而与场景的复杂度和光照模型的复杂度无关，所以当虚拟环境逐渐复杂时，显示时间几乎是一个常数，不会因为场景复杂度上升导致显示时间增大。但是这种方法的缺点是需要较长的预处理时间，耗费庞大的存储空间。如果采用摄像机摄入的图像，需要用手工输入大量的对应点，比较繁琐。该方法比较适用于静态场景或简单的动态场景，但很难做到任意移动视点。,结束语本章结合一些研究工作简要地介绍了科学计算可视化和三维复杂模型的实时动态显示技术，使大家能够了解一些CAD技术的最新发展领域，以激发大家对CAD技术进一步的学习兴趣。详细技术可参考有关专业书籍。,
