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,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,Computer Graphics,计算机图形学,For Undergraduate Students in the Department,of Biomedical Engineering,Spring of 2013,第一章,绪论,计算机图形学是一门研究如何利用计算机生,成、处理和显示图形的一门科学,模型数据输入 计算机分析 图形输出,计算机图形学,分形几何学,数字图像处理,C+,C,语言,数据结构,计算机图形学,医学成像技术,1.1.1,图形的分类,一类是基于线条表示的几何图形，如线框图、工程制图、等高线地图等,另一类是基于光照、材质和纹理映射表示的真实感图形，如平面静态渲染图，三维动画效果图等,1.1,计算机图形学的基本概念,1.1.2,图形的表示方法,一、参数法,参数法是在设计阶段采用几何方法建立数学模型时，用形状参数和属性参数描述图形的一种方法,形状参数可为直线的起点、终点等相关几何参数,属性参数则包括线段的颜色、线型、宽度等非几何参数,二、点阵法,点阵法是在实现阶段用具有颜色信息的像素,点阵表示图形的一种方法，描述的图形常称为图像,计算机图形学就是研究将图形的表示法从参数,法转换到点阵法的一门学科,用,直线y=kx+b表示的图,形,用,直线y=kx+b表,示,的,图像,1.2,计算机图形学的确立和发展,1946,年,2,月,14,日，世界上第一台计算机,ENIAC,在美国问世。,1950,年，美国麻省理工学院的旋风一号计算机配备了世界上第一台显示器,阴极射线管,1963,年美国麻省理工学院的,Ivan E.Sutherland,完成了,Sketchpad,：一个人机通讯的图形系统,博士学位论文。,CRT,（,Cathode Ray Tube,），是光栅扫描显示器的显示部件，其功能与电视机的显像管类似，主要是由电子枪、聚焦系统、偏转系统、荧光粉层和玻璃外壳五大部分组成,1.3.1,阴极射线管,CRT,电子枪,聚焦系统,偏转系统,荫罩,电子束,荧光屏,1.3,图形显示器的发展和工作原理,1.3.2,随机扫描显示器,20,世纪,60,年代中期出现并得到推广使用的图形显示器是随机扫描（,Random Scan,，,RS,）显示器。随机扫描显示器的电子束的定位和偏转具有随机性，电子束不进行全屏扫描，其轨迹随图像的定义而变化，只在需要的地方轰击荧光屏。图像的定义是存放在文件存储器中的一组画线命令。,随机扫描显示器周期性地读取画线命令，依次在屏幕上画出线条，当所有的画线命令都执行完毕后，图像就显示出来。这时随机扫描显示器又返回到第一条命令行进行屏幕刷新。随机扫描显示器可以直接按指定路径画线，所画直线光滑没有锯齿，因而图像清晰，主要用于显示高质量的图像,。,70,年代后期发展了利用,CRT,本身来存储信息，而且不再需要刷新屏幕的显示器，这就是直视存储管显示器（,Direct View Storage Tube,，,DVST,）。,DVST,使用紧贴在荧光层后的存储栅的电荷分布来存储图形。,DVST,使用两支电子枪，一支是写电子枪，用来存储图形；另一支是读电子枪，用来图形显示。从表面上看,DVST,极象是一个长余辉的,CRT,，一条线一旦画在屏幕上，在长时间内都将是可见的,这种显示器的电子束不是直接打在荧光屏上，而是先用写入电子枪将图像信息以正电荷,“,写,”,在一个每英寸有,250,条细丝的存储栅上。读电子枪发出的电子流再把存储栅上的图像,“,重写,”,在屏幕上。紧靠着存储栅后面的是收集栅，主要作用是使读出的电子流均匀，并以垂直方向射向屏幕。读电子枪发出的电子流以低速流经收集栅，并被吸引到存储栅上存有图像信息的正电荷上去，而存储栅上的非正电荷部分被排斥。被吸引过去的电子通过存储栅并轰击荧光粉形成图像,。,1.3.3,直视存储显示器,由于光栅扫描显示器电子束的强度可以不断变化，所以容易生成颜色连续变化的真实感图像。光栅扫描显示器是画点设备，可看作是一个点阵单元发生器，并可控制每个点阵单元的亮度，这些点阵单元被称为像素（,Picture Element,，,Pixel,）,1.3.4,光栅扫描显示器,1,、,CRT,显示器,(,Cathode Ray Tube,，,CRT),2,、,液晶显示器,(liquid crystal display,LCD),3,、,等离子显示器,(plasma display panel,PDP),1.3.5,显示器的种类,CRT,显示器,LCD,显示器,PDP,显示器,1.3.6,三维显示器,1,、二维看三维方法,坐标变换方法,2,、,三维,立体显示,方法,立体,眼镜,方法,立体,摄影,方法,三维,立体画方法,三维显示器,1.4,计算机图形学的应用,计算机图形学是计算机技术与电视技术及图形图像处理技术相互融合的结果,近年来，计算机图形学已经在科学、艺术、电影、商业、广告、教学和培训等领域获得广泛的应用,计算机辅助设计（,Computer Aided Design,，,CAD,）和计算机辅助制造（,Computer Aided Manufacture,，,CAM,）是计算机图形学最早应用的领域，也是当前计算机图形学最成熟的应用领域,典型的代表产品为,AutoCAD,系统软件。现在建筑、机械、飞机、汽车、轮船、电子器件等产品的开发几乎都使用,AutoCAD,进行设计。,1.4.1,计算机辅助设计,(CAD/CAM),计算机图形学广泛应用于美术设计中，称为计算机艺术（,Computer Art,，,CA,），动画设计是其典型代表,目前,计算机动画已经广泛应用于影视特技、商业广告、游戏、计算机辅助教学等领域,1.4.2,计算机艺术（,CA,）,谢尔宾斯基海绵的生成原理为：将一个立方体沿其各个面等分为,27,个小立方体，舍弃位于立方体面心的六个小立方体，以及位于体心的一个小立方体。对余下的,20,个立方体按相同的方法逐步递归,分形艺术举例,虚拟现实（,Virtual Reality,）用计算机生成一种虚拟环境，用户,“,沉浸,”,到该环境中，并可通过一些特殊设备与该环境直接进行交互的技术,在虚拟现实中，看到的是全彩色的景象，听到的是虚拟环境中的声响，感受到的是虚拟环境设备反馈的作用力，从而产生身临其境的感觉,1.4.3,虚拟现实（,VR,）,图形与图像结合，可视化技术的应用为准确的诊断、治疗提供了形象直观的手段，极大地促进了临床医学的发展,！,医学成像：超声、,CT,、,MRI,等，图像的测量，标注，,3D,显示等,生理信号的可视化：脑电地形图，体表电位像，红外热像,生理系统模拟：心脏搏动模拟，手术模拟，结合物理建模,图像信息的融合：融合信息的可视化,手术计划系统：,X,刀，,g,刀，外科手术导航,人体模型：可视化人体,教学与培训：,1.4.4,生物医学工程中的应用,Basic physics of pet,18F atom(yellow)on FDG or FDG-6-phosphat e molecul,e decays emitting positron that scatters in tissue until it lo,Ses enough energy to undergo annihilation with an elec,tron,in which mass of positron and electron are convert,ted into 2 back-to-back 511-keV photons,Images and photographs illustrating the major advances in PET instrumentation and metho,D since 1990(A)whole-body PET(B)3D PET(C)LSO and related scintillators(D)PET/CT,(E)Iterativereconstruction methods PET/CT(F)and preclinical PET,正电子发射计算机断层扫描装置核心技术研究,闪烁晶体光子输运特性研究,1,、探测器结构模拟,2,、探测器功能模拟,3,、泛源辐射晶体定位,1.5,计算机图形学的研究内容,29,（,1,）图形设备的研究：输入、显示、输出,彩色、大尺寸、高精度、高速度、低成本,（,2,）标准化：软硬件,硬件，即插即用，良好的互换性,软件，接口标准，功能集定义，与设备无关，加速算法,（,3,）交互技术的研究：几乎所有应用都有交互要求，,主要考虑精确度，易用性，效率等方面,（,4,）图形的快速生成算法,基于图形设备的基本图形元素的生成算法,基本图形元素的几何变换，投影变换，窗口裁剪等,自由曲线和曲面的插值，拟和，拼接，分解，过渡，光顺，修改等,图形元素的求交，分类与集合运算,字体的表示，矢量字符的生成与变换,隐藏线、面的消除，具有光照效果的真实图形显示,山、水、花草、烟雾等渲染效果的生成,三维或高维数据场的可视化，面图形学与体图形学,三维形体的实时显示和图形的并行处理,虚拟现实环境的生成及控制算法等,（,5,）,图形的变换与运算：,平移，旋转，变比，对称，投影，透视，由简单,图形生成复杂图形,（,6,）,几何造型与实体造型：,通过对几何元素（点、线、面、体）经平移，旋,转，变比等几何变换和并、交、差等集合运算，产生可,重用的物体模型，用于,CAD/CAM,等,参考书,唐泽盛，周嘉玉等编：计算机图形学基础，清华大学出版社,乔林，费广正等编著：,Open GL,程序设计，清华大学出版社,孙家广、杨长贵编著：,计算机图形学,(,第三版,),，清华大学出版社，,1999,