研究热点问题探讨

1. 研究热点问题探讨 苏小红 计算机学院 sxh@hit.edu.cn

2. CAD/CAM领域（1/9）——基于工程图纸的三维形体重建CAD/CAM领域（1/9）——基于工程图纸的三维形体重建 • 基于工程图纸的三维形体重建 • 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 • 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

3. CAD/CAM领域（2/9）——计算机辅助工业设计 • 计算机辅助工业设计（Computer Aided Industrial Design，CAID） • 在计算机及其相应的计算机辅助工业设计系统的支持下，进行工业设计领域的各类创造性活动 • 涉及到了CAD技术、人工智能技术、多媒体技术、虚拟现实技术、优化技术、模糊技术、人机工程学等信息技术领域 • 与传统的工业设计相比，CAID在设计方法、设计过程、设计质量和效率等各方面都发生了质的变化

4. CAD/CAM领域（3/9）——计算机辅助工业设计 • 当前，国内外CAID的研究主要集中在 • 计算机辅助造型技术 • CAID中的人机交互技术 • CAID中的智能技术 • CAID中的高新技术

5. CAD/CAM领域（4/9）——计算机辅助工业设计 • 计算机辅助造型技术 • 造型的自由曲面设计 • 曲面特征设计（Surface Feature Design） • 曲面特征设计包括：基本表面、移动特征和串通图形 • 草图设计 • 为满足工业设计师传统的手绘习惯而发展起来的，用来弥补传统CAD系统与工业设计之间鸿沟 • 设计过程中的人机交互技术（设计系统如何有效地模拟设计手绘）、草图重建技术 • 当前，国内外已建立了一些基于草图的CAD系统

6. CAD/CAM领域（5/9）——计算机辅助工业设计 • CAID中的人机交互技术 • 人机界面技术 • 人机界面模型、虚拟界面、多用户界面、多感官界面 • 虚拟仿真技术 • 通过计算机软硬件系统的虚拟仿真，进行人机关系的设计、评估、检验等工作 • 触觉反馈、压力反馈等基础技术、人机交互的模拟、人机虚拟环的构建

7. CAD/CAM领域（6/9）——计算机辅助工业设计 • CAID中的智能技术 • 创造性设计思维 • 设计活动是一个创造性设计思维的过程 • 针对设计师的创造性设计思维，设计知识的表达，将其构想快速转化为草图 • 设计文法 • 从设计方法学的角度，研究造型文法、色彩文法、形状文法、造型转换文法 • 实现计算机辅助智能设计系统的基础之一 • 创新设计 • 从人工智能角度出发，研究产品创新原理、创新过程的描述模型和计算模型等建模技术

8. CAD/CAM领域（7/9）——计算机辅助工业设计 • CAID中的高新技术 • 面向并行、协同的工业设计 • 研究产品功能、原理、布局、形态等各方面之间的并行设计和协同设计机制 • 基于VR的产品设计（形状设计、结构设计 ） • 绿色设计（Green Design） • 与工程设计界提出的全生命周期工程设计（Life Cycle Engineer Design，简称LCED）在本质上是一致的 • 关键技术有面向再生（Design For Recycling, DFR）的设计技术、面向装配（Design For Disassembly, DFD）的设计技术、面向生命周期（Life Cycle Assessment, LCA）的评估等

9. CAD/CAM领域（8/9）——计算机辅助工业设计 • CAID的发展趋势 • 从工业设计的本身角度看 • CAID将使工业设计朝着多元化、优化、一体化的方向发展，人机交互方式更加自然，创新设计的手段更为先进、有效

10. CAD/CAM领域（9/9）——计算机辅助工业设计 • CAID的发展趋势 • 从整个产品设计与制造的发展趋势看 • 并行设计、协同设计、智能设计、虚拟设计、敏捷设计、全生命周期设计等设计方法代表了现代产品设计模式的发展方向 • 产品设计模式在信息化的基础上，必然朝着数字化、集成化、网络化、智能化的方向发展

11. 商品化软件中的工业设计模块 • CAD/CAM/CAE软件系统，如Pro/Engineer、EDS Unigraphics、EUCLID、Autodesk、SolidWorks等都提供了有关产品早期设计的系统模块 • 称之为工业设计模块、概念设计模块或草图设计模块

12. 商品化软件中的工业设计模块 • Pro/Engineer • 包含一个工业设计模块——Pro/Design • 用于支持自上而下的投影设计，以及在复杂产品的设计中所包含的许多复杂任务的自动设计 • 此模块工具包括： • 产品设计的二维非参数化装配布局编辑器 • 用于概念分析的二维参数模型的布局 • 用于组件的三维布局编辑器

13. 商品化软件中的工业设计模块 • EDS Unigraphics • 从V13版本后推出了概念设计WAVE （What-if Alternative Value Engineering）技术 • 为协同概念设计提供了强大的技术支持 • 使不同部门的工程师在设计早期阶段，就可站在系统工程的角度，同时针对多种可选的设计方案进行评估 • 通过将设计意图组织到一个相关控制结构中去，使设计师有效地控制各种设计变更

14. 计算机动画的未来（1/6） • 规模化 • 应用范围广而应用水平和产生的效益高 • 标准化 • 现在动画制作软件和动画技术呈现出一种百家争鸣的形势，各有特色但相互间的兼容则做得不够，因此，随着技术的日益成熟，标准化是大势所趋 • 网络化 • 表现为网络技术和电脑动画技术间的相互促进

15. 计算机动画的未来（2/6） • 从技术的发展方向看，体视动画会是未来的热点 • 现在一些通过立体眼镜能够呈现立体效果的游戏就是体视动画的应用 • 目前人们正在研究降低立体眼镜的成本、提高图像质量的方法和有关的替代技术 • 未来我们很可能不用立体眼镜的帮助也能欣赏逼真的立体效果

16. 计算机动画的未来（3/6） • 另一个热点是虚拟现实（VR）技术 • 与一般的动画相比，VR的特点在于实时、交互 • VR中的场景会随参观者的位置、视点变化而实时动态生成，并具有人机交互的能力

17. 计算机动画的未来（4/6） • 虚拟演员(Virtual Actor) • 美国沃尔特·迪斯尼公司就曾预言: • 21世纪的明星将是一个听话的计算机程序，它们不再要求成百上千万美元的报酬或头牌位置 • “听话的计算机程序”就是虚拟角色，也称虚拟演员 • 广义上它包含两层含义： • 用电脑处理手法使已故的著名影星“起死回生” • 完全由电脑塑造出来的电影明星

18. 计算机动画的未来（5/6） • 交互式电影(Interactive Movie) • VR是实现途径 • 由观众亲涉其间，控制角色的举动，从而对场景产生互动后果

19. 计算机动画的未来（6/6） • 以前采用程序设计语言编程制作 • 今后面向动画师的界面良好的交互式系统 • 基于人工智能理论的面向用户的动画系统 • 文景转换 • 基于自然语言描述的脚本，用计算机自动产生动画 • 空间关系确定 • 三维场景建模中实体自动摆放技术

20. 非真实感图形绘制NPR Non-Photorealistic Rendering • 非真实感图形比真实感图形应用更广泛，如文学读物插图，其中儿童读物插图量最大； • 用数字方法对传统绘画进行模拟以掌握其规律性的东西； • 传统动画都是非真实感的，现在需要用计算机技术再现它们

21. 真实感图像实时动态绘制（1/5） • 以前的研究重点是 • 生成具有高度真实感的图像，即所谓“具有和照片一样真实感的图像” • 现在的热点： • 真实感图像实时动态绘制 • 计算机能根据用户给定的观察点及观察方向实时生成真实感图像，即所谓“交互实时” • 与一般制作动画的方法——“逐帧计算，逐帧存储，逐帧记录，连续播放”是完全不同的。 • 从理论上说，后者对计算速度无特殊要求，一旦生成图像以后，观察点及观察方向是不能改变的，不是“交互实时”的，不能满足虚拟现实的要求。

22. 真实感图像实时动态绘制（2/5） • 挑战是： • 模型复杂程度的不断提高 • 美国加州大学伯克利分校在进行建筑物内部的实时漫游研究时，模型的面片数达到200万个以上 • 显然，单靠提高机器性能已经难以满足实时显示的要求了

23. 真实感图像实时动态绘制（3/5） • 研究真实感图像实时动态绘制的算法及其实现 • 有两条不同的技术路线： • 基于几何模型的实时动态绘制技术 • 复杂模型的简化及多分辨率表示算法 • 基于图像的实时动态绘制技术 • 用虚拟照相机生成几何模型的真实感图像，或用数字相机拍摄实景图像。然后将这些图像连接起来或进行重新采样以实现实时动态绘制

24. 真实感图像实时动态绘制（4/5） • 目前的问题是 • 如果图像样本较少，或者是在某些定点采集的，那么只能在这些点上进行实时动态观察，不能实现任意位置的漫游。 • 若要实现任意位置、任意方向的漫游和观察 • 就必须将可能用到的图像样本都采集并存储起来 • 这不仅使数据量庞大到无法处理，而且事实上也不可能作到任意位置、任意方向的连续采样

25. 真实感图像实时动态绘制（5/5） • 当前的研究集中在 • 寻求图像采集的自由度与漫游灵活性之间的折衷点，以求获得最佳结果。

26. 基于图像的建模与绘制技术（1/11） • SIGGRAPH’96大会首场论文报告会的标题 • 应用图像处理方法来加速图形学的建模和绘制 • 论文“Modeling and Rendering Architecture from Photographs: A hybrid Geometry-based and image-based approach” （加州大学伯克利分校Pabul E.Dalevec ） • 基于几何和基于图像两种建模方法的混合方法 • 包括利用摄影测量学原理提取照片建筑的基本几何模型,利用基于模型的立体视图方法提取建筑立面的细节,利用视点无关的纹理映射方法绘制建筑的多种视图

27. 基于图像的建模与绘制技术（2/11） • 传统的计算机图形学方法有着坚实的数学和物理基础 • 为了生成一幅具有真实感的图像，通常是以三维几何信息为基础，试图通过计算机完全模拟真实世界的物体成像过程： • 先为场景中的所有物体建立三维几何模型和光照模型等特性描述 • 然后指定视点，利用透视投影原理将三维几何模型变换到二维屏幕空间 • 再经过图形剪裁，明暗处理，消影算法消去不可见面 • 最终产生真实的效果。

28. 基于图像的建模与绘制技术（3/11） • 真实世界错综复杂，三维模型的建立非常困难，有的甚至超出了人或计算机的描述能力；同时传统的图像的绘制过程计算量太大，产生图像的速度非常慢，要想实时地生成完全真实的图像几乎是不可能的。 • 如果能从真实世界中直接获取几何信息和物质属性(如照片)，并以此为基础进行绘制，就可以避开造型问题，而获得逼真度更高的图形。

29. 基于图像的建模与绘制技术（4/11） • IBR，Image-Based Rendering • 当前国际上计算机图形学领域最热门的研究方向之一 • 也是当前国际上生成真实感图像的最先进的方法 • 基本思想： • 从已有的图像中产生新的图像 • 一般要经过图像的获取（采集）、压缩、存储，按某种表示方式生成图像数据库，最后从图像数据库中重采样数据绘制出新的图像。

30. 基于图像的建模与绘制技术（5/11） • 基于图像绘制技术的热点 • 应用全视函数(plenoptic function)的绘制技术 • 1991年，Adelson和Bergon • 全视函数P是 • 针对某一对象或场景，从空间任意一点(Vx,Vy,Vz)、任意视角(θ,φ)、任一时刻(t)，针对某一波长范围(λ)的可见光线的描述。 • 对于静止对象，在固定照明条件下，可忽略时间参数 t和光线波长λ，则全视函数退化为５维，这是全视建模（plenotic modeling 方法 。

31. 基于图像的建模与绘制技术（6/11） • 如果已知某一对象的全视函数P，则只要给出某一视点(Vx, Vy,Vz)和某一视角(θ,φ)，将它们代入P，就可以得到一个视图。 • 照片可以看作是全视函数的一个样本 • 应用全视函数基于图像绘制的问题可定义为 • 已知某全视函数的一组离散样本，求该全视函数的连续表示 • 即根据某全视函数的一组样本重构该全视函数

32. 基于图像的建模与绘制技术（7/11） • 将观察场景限制在凸表面之外时，全视函数降为４维，这是lingtfield方法和lumigraph方法

33. 基于图像的建模与绘制技术（8/11） • 如果将视点限制在一个平面内，全光线函数将退化为３维，这是同心拼图法（concentric graphs） • 根据前后两幅图像计算出景物的深度 • 在前后场景漫游时能根据正确的深度插值产生出真实的图像，消除前后走动时新图像的变形 微软亚洲研究院沈向洋院长

34. 基于图像的建模与绘制技术（9/11） • 如果视点确定，只有视方向可以改变，则全光函数退化为２维的全景图，这是Panorama方法。

35. 基于图像的建模与绘制技术（10/11） • 和传统的方法相比，具有以下新特点 ： • 绘制快（时实性） • 直接从图像到图像，不需要经过复杂的建模过程，符合虚拟现实的时实要求 • 真实感强（真实性） • 在生成的新图像中，可以观察到明显的视差和光线变化，而且具有深度感，使观察者身临其境

36. 基于图像的建模与绘制技术（11/11）

37. 科学计算可视化（1/6） • 计算机图形学是利用计算机生成图像的技术 • 而图像处理则是对图像进行采集、存储、去噪、增强、复原、压缩解压缩等处理的技术 • 多年来，二者独立发展、互不相干。 • 但90年代以后，出现了图像生成技术与图像处理相结合的趋势，这种趋势不仅反映在基于图像的实时动态绘制技术中，而且突出地表现在科学计算可视化这一新兴领域中。

38. 科学计算可视化（2/6） • 科学计算可视化是 • 将科学计算过程中的数据及结果数据转换为图像 • 实际上也包括了工程计算可视化和测量数据可视化 • 其核心是三维数据场的可视化

39. 科学计算可视化（3/6） • 实现三维数据场的可视化 • 首先要进行数据处理，包括 • 数据的精炼或插值、数据的分类和边界提取、数据场梯度值的计算以及数据场的滤波和重采样等 • 这些都是利用传统的图像处理技术实现的 • 因此，图像处理是三维数据场可视化的重要组成部分 • 在对数据进行了以上处理之后，再利用图像生成技术绘制出三维数据场的图像

40. 科学计算可视化（4/6） • 近年来，在美国、德国等发达国家，可视化技术在医学教育、医学研究及临床诊断和治疗方面的应用发展迅速，已经有多种基于可视化技术的计算机辅助医疗系统进入市场。 • 迄今为止，我国进行医学数据可视化研究及应用的单位屈指可数，自主开发的基于可视化技术的计算机辅助手术系统还在试验阶段，尚未形成商品。

41. 科学计算可视化（5/6）——虚拟手术仿真 • 将医用CT扫描的数据转化为三维图象 • 并通过一定的技术生成在人体内漫游的图象，使得医生能够看到并准确地判别病人的体内的患处 • 然后通过碰撞检测一类的技术实现手术效果的反馈，帮助医生成功完成手术 应 用

42. 科学计算可视化（6/6）——虚拟手术仿真 • 对于医学手术训练方面处于较前沿的是 • 美国波士顿力学研究中心 • 加利福尼亚的San Francisco大学外科系与伯克利大学的电子工程与计算机科学系 • Johns Hopkins大学计算机整合手术系统中心 • Georgia理工学院图形可视化及应用中心 • 斯坦福大学 • 日本名古屋大学 • 日本东京大学

43. 真实感图形绘制（1）——辐射度方法 • 尽管光线跟踪算法成功地模拟了景物表面间的镜面反射、规则透射及阴影等整体光照效果 • 但由于光线跟踪算法的采样特性，和局部光照模型的不完善性，该方法难于模拟景物表面之间的多重漫反射效果，因而不能反映色彩渗透现象。 • 1984年，美国Cornell大学和日本广岛大学的学者分别将热辐射工程中的辐射度方法引入到计算机图形学中，用辐射度方法成功地模拟了理想漫反射表面间的多重漫反射效果。 • 经过十多年的发展，辐射度方法模拟的场景越来越复杂，图形效果越来越真实。

44. 真实感图形绘制（2）——辐射度方法 • 辐射度方法基于物理学的能量平衡原理，它采用数值求解技术来近似每一个景物表面的辐射度分布。 • 由于场景中，景物表面的辐射度分布与视点选取无关，辐射度方法是一个视点独立(View independent)的算法，使之可广泛应用于虚拟环境的漫游(walkthrough)系统中。

45. 真实感图形绘制（3）——辐射度方法

46. 谢谢！