湍流和股票市場

『壹』 你認為數學的未來，還有發展空間嗎

在所有的學科中，數學或許具有最悠遠而連綿的歷史，只有天文學能與其相媲美。這兩門學科都可以追溯到古巴比倫時代（Ancient Babylon），那時的發現在今天依然是重要的。

未來，數學也將發生革命。有的已經在發生了：計算機科技的日新月異，大數據與人工智慧不斷增大的影響，生命科學和金融行業提出的新的挑戰。當然還會出現別的，許多事情都是難以預言的。

某些情況下數學證明取代了其他科學中的觀察和實驗的地位——就是說，數學通過證明來避免被個人的聰明引向歧路，避免因為喜歡而相信並不真實的東西。顯微鏡的發明不能取代生物學實驗，計算機也代替不了數學證明。我們在學科的類比中看到，計算機強化了證明的技術手段，但是沒有改變邏輯的一貫性，從已知的定理導出新的定理，而推導的路線應該經得起專家嚴格的審查。證明的概念將作為數學最基本的東西保留，正如陳景潤證明哥德巴赫猜想（Goldbach conjecture）一樣。

數學的力量來自兩個源泉的匯流。

第一個是“真實的世界”。開普勒（Johannes Kepler)、伽利略（Galileo Galilei)、牛頓（Isaac Newton)告訴我們，外在世界的諸多方面可以通過微妙的數學法則（自然定律）來認識。有時物理學家會修正這些定律的形式。牛頓力學讓位給量子力學和廣義相對論，量子力學讓位給量子場論，量子引力或超弦引領著未來的理論修正的方向。現實世界的問題激發新數學的產生，即使產生它的理論改變了，但數學還在，而且依然重要。

證明黎曼猜想究竟有多重要呢？

可以這么說，作為當今數學界最值得期待解決的數學難題，黎曼猜想的對或錯，直接影響整個以黎曼猜想作為前提的數學體系。畢竟，我們現有1000條以上的數學命題，都是以黎曼猜想及推廣形式的成立作為前提的。一旦黎曼猜想被證實，它們就會成為堅不可摧的數學定理。反之，如果被證偽，那麼這些數學命題中的很大一部分將不可避免地成為黎曼猜想的“陪葬品”。

再者，黎曼猜想研究的就是數學中的素數分布。它從提出到現在已有160多年，它的藤蔓早已從數學界跨越到了物理界。

例如，廣義相對論最初源於愛因斯坦意識到引力並不是一種力，而是質量導致時空幾何彎曲的體現。然而，當時並沒有數學理論來支撐愛因斯坦的想法，直到愛因斯坦了解到黎曼猜想“非歐幾何”，才讓廣義相對論問世。

2018年，英國數學家阿蒂亞（Michael Atiyah）聲稱證明了黎曼猜想，但遭到了一些學者的強力質疑，這一證明並不成立。盡管如此，他的思路或許可為後續的證明提供幫助。

上面所提到的21世紀七大數學難題，將助力數學家對於未來純數學的研究和發展起到推動作用。

英國皇家學會數學教授斯圖爾特（Ian Stewart）認為，在牛頓時代，數學問題的主要來源是天文學和力學，也就是自然科學。在未來，更奇異的學科還會涌進數學。其中之一就是已經高度數學化了的量子物理學。今天，量子場論、幾何學、拓撲學和代數之間開始出現新的聯系。未來的量子場、超弦以及它們之外的各色理論所激發的新結構，將開拓全新的代數和拓撲的天地。

19世紀的數學家把傳統的“實”數擴大到“復”數，讓“-1”有了平方根，給數學帶來了無限生機。很快，數學的每一個領域都“復化”了：產生了與舊的實數一樣碩果累累的復數的數學。“量子化”是21世紀的“復化”，我們將走進量子代數、量子拓撲、量子數論的世界。

未來生命科學會激發出一門新的數學：生物數學。科學家曾經相信人類基因組有10萬個基因，結果錯了，只有34000個。從基因走向蛋白質，那路線圖比我們想像的復雜得多；實際上也許根本沒有那樣的地圖。基因是一個動態控制過程的一部分，過程中不僅製造蛋白質，還不斷修正它們，使它們在進化的生命里，在生命歷程的恰當時刻，找到自己恰當的位置。認識這個過程所需要的遠不只是一列DNA密碼，而是我們缺少的多數東西就是數學。

生物數學是把生命生長動力學與DNA的基因信息過程融合起來的新數學。DNA密碼依然重要，但不是全部。新的生物數學可能是組合生物學、數學、分析學、幾何學和信息學的奇異混合。

與物理學中數學用來表達定量的定律不同，對現實世界的預測通常是大數據加上人工智慧分析的結果。例如，為了模擬台風的巨大漩渦，工程師們需要列出千萬個小區域暖濕氣體的運動方程，然後通過大量計算來解決這些方程。現在，藉助於計算機和大數據分析的“漩渦的微積分”有可能把人們從無窮的數字糾纏中解放出來。這是一個動力學模型形成的定性的、上下關聯的數學理論。

再如，期貨和股票市場，許多中介通過買賣期貨和股票來相互影響。金融業就是這樣從相互影響中凸顯出來的。未來，金融和商務的數學也將在革命中產生，拋棄現在流行的“線性”模型，帶來數學結構更准確反映市場變化的數學模型。

未來，數學發展的空間仍然足夠大，它是幫助我們重新認識世界的工具——通過新的模式，而不是幾十億個魔幻般跳動的數字。

『貳』 fluent里怎樣顯示一個剖面的湍流強度圖

fluent里顯示剖面的湍流強度圖：display-->contours--->velocity-->vorticity.
Fluent是目前國際上比較流行的商用CFD軟體包，在美國的市場佔有率為60%，凡是和流體、熱傳遞和化學反應等有關的工業均可使用。它具有豐富的物理模型、先進的數值方法和強大的前後處理功能，在航空航天、汽車設計、石油天然氣和渦輪機設計等方面都有著廣泛的應用。
FLUENT系列軟體包括通用的CFD軟體FLUENT、POLY­FLOW、FIDAP，工程設計軟體FloWizard、FLUENT
for
CATIAV5，TGrid、G/Turbo，CFD教學軟體FlowLab，面向特定專業應用的ICEPAK、AIRPAK、MIXSIM軟體等。
FLUENT軟體包含基於壓力的分離求解器、基於壓力的耦合求解器、基於密度的隱式求解器、基於密度的顯式求解器，多求解器技術使FLUENT軟體可以用來模擬從不可壓縮到高超音速范圍內的各種復雜流場。FLUENT軟體包含非常豐富、經過工程確認的物理模型，可以模擬高超音速流場、轉捩、傳熱與相變、化學反應與燃燒、多相流、旋轉機械、動/變形網格、雜訊、材料加工等復雜機理的流動問題。
FLUENT軟體的動網格技術處於絕對領先地位，並且包含了專門針對多體分離問題的六自由度模型，以及針對發動機的兩維半動網格模型。
POLYFLOW是基於有限元法的CFD軟體，專用於粘彈性材料的層流流動模擬。它適用於塑料、樹脂等高分子材料的擠出成型、吹塑成型、拉絲、層流混合、塗層過程中的流動及傳熱和化學反應問題。
FloWizard是高度自動化的流動模擬工具，它允許用戶進行設計及在產品開發的早期階段迅速而准確地驗證設計。它引導用戶從頭至尾地完成模擬過程，使模擬過程變得非常容易。
FLUENT
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CATIAV5是專門為CATIA用戶定製的CFD軟體，將FLUENT完全集成在CATIAV5內部，用戶就像使用CATIA其他分析環境一樣使用FLUENT軟體。
G/Turbo是專業的葉輪機械網格生成軟體。
AIRPAK是面向HVAC工程師的CFD軟體，並依照ISO7730標准提供舒適度、PMV、PPD等衡量室內外空氣質量(IAQ)的技術指標。
MIXSIM是專業的攪拌槽CFD模擬軟體。
除FLUENT外，常用的CFD軟體及相關模擬軟體還有專業三維流場分析軟體——CFX、三維CFD快速求解器——CART3D、流體系統模擬、設計與優化平台——Flowmaster、專業的離散元模擬分析軟體——EDEM等。

『叄』 數學公式z=z^2+c

其實這就是一個迭代的思想。最初在研究信號的雜訊段發現。經過該式子的反復迭代而產生的幾何圖形，任截取一段與原圖形具有很大程度的相似性（自似性）。不斷分割，不斷放大，無窮無盡。分形之父曼德爾布羅特的分形幾何理論不僅僅可以用來理解數學問題，還可以用來描述許多其他領域的事物，如股票市場的價位變化、湍流的波動起伏、地質活動、行星軌道、動物群體行為、社會經濟學模式，甚至音樂也可以通過圖形來表達。具體的一些內容，你有興趣的話可以去fxysw（分形藝術網）看看，那裡有不少的資料。視頻的話，建議你可以先看看這部短片，優酷和電驢上都有，相信你會和我一樣獲得不少收獲。

『肆』 為什麼說統計力學是經濟物理學的基礎

一個爭議頗多的話題：經濟物理學賴以成立的可能的物理理論基礎

眾所周知，傳統物理學得以成立的理論基礎就是俗稱的「四大力學」，即統計力學（含熱力學）、經典力學、量子力學和電動力學。

經濟物理學是不是也可能以這四大力學為其理論基礎呢？

欲回答該問題，為便於理解起見，這里先從「經濟市場」（經濟物理學所關注的對象）與「復雜流體」的表觀相似性出發，做個比較。關於復雜流體，這里需要先補充幾句，它是傳統物理學中軟凝聚態物理所關注的系統，根據1991 年諾貝爾物理學獎獲得者德熱納（P. G. de Genns）的著作[Rev. Mod. Phy. 64,645(1992)]，復雜流體主要包括以下四種，即液晶、高分子、膠體和表面活性劑。

若從研究對象上看，「經濟市場」中的行為人（散戶或機構投資者）構成了市場中的最小功能單元。所以，從表觀上看，「經濟市場」似乎可被視為「復雜流體」之一種——一種非傳統意義上的「復雜流體」。大體說來：顆粒懸浮液（「復雜流體」中的一個典型系統）中含有大量的固體顆粒，這些顆粒在外電場或磁場的影響下，源於自身極化之特性，可形成鏈狀或柱狀結構（圖3），從而使得系統內的顆粒分布從無序到有序。

圖3 外電場導致介電顆粒形成鏈狀結構。此實驗圖片出自Chem.Phys.Lett. 423,165（2006）

股票市場（經濟或金融市場之一種）中含有大量的行為人，他們在外場（此處「外場」可以視為國家發布的宏觀政策等外界信息流）的影響下，源於自身趨利避害之特性，在某一時期內可形成 「買」或「賣」占據主導地位的狀態，從而使得系統內行為人的行為從無序（買方與賣方各佔50%）轉變為有序（買方或賣方占據主導地位）。

至此，從研究對象上看，似乎可以這么說，「經濟市場」是一種非傳統意義上的「復雜流體」。

然而，分析「經濟市場」和「復雜流體」的具體方法尚不盡相同，人們迄今還無法為兩者找出完全意義上或定量上的一致性。曼特尼亞（R. N. Mantegna）和斯坦利的經典著作《經濟物理學導論》（中譯本）的第11 章的標題是《金融市場和湍流》。在那裡，他們聲明「我們的目標是論述這兩個學科之間的交叉研究是很有用的，而不是論述根據湍流進行類推在定量研究中是正確的」。他們撰寫的第11 章很好地回答了他們自己提出的一個問題，即「我們對湍流的研究能否幫助我們研究金融市場上價格的變動呢」。答案是肯定的——正如他們最終的研究結論所顯示的。

我想，人們不應該只滿足於「經濟市場」與「復雜流體」統計規律上的部分定性一致（而這類一致正是曼特尼亞和斯坦利在他們著作的第11 章中所關心的！），我在上文中為兩者建立聯系的出發點是建立在這兩類系統的微觀結構的相似性上。顯然，這樣的類比可以啟發我們做些新的思考：這兩類系統中的微觀動力學機制是否也有其相似性呢？

針對這個問題，根據上面的簡單類比分析（顆粒懸浮液與股票市場），我的答案是：有。換言之，我這里建議我們從構成經濟市場的行為人的角度出發，類比傳統復雜流體（如顆粒懸浮液等）中的「顆粒們」，去構建我們的基於行為人的模型。我想，這該值得我們深入探討。從操作手法上看，處理傳統復雜流體時常用到的分子動力學模擬方法顯然可以為我們構建新的基於行為人的模擬提供有價值的參考。但是，這個任務，任重道遠！

我在上文中試圖給出「復雜流體」和「經濟市場」之間表觀上的聯系，並試圖給出我的觀點：「經濟市場」可以視為「復雜流體」之一種。但是，前面的內容更多的是現象的論述，作為科學，我們有必要透過現象看本質，較為深入地論述一下兩者之間的聯系。為此，我這里嘗試從這兩個系統賴以成立的理論基礎做比較，談下去。

「復雜流體」作為傳統物理學所關注的系統之一，它顯然以上文提及的「四大力學」為其理論基礎，即：統計力學（含熱力學）、經典力學、量子力學和電動力學。關於這些，我這里不必過多論述，因為它們早被大量的實驗證實了。當然，這里有必要一提的是，對於「復雜流體」，很多時候，人們在研究它們的物理性質時，並不考慮微觀的量子效應，這並非說它不滿足「量子力學」，僅僅是因為所考慮的性質中，「量子效應」不顯著，故而不予考慮。

那麼，表象上與「復雜流體」類似的「經濟市場」是否也以類似的「四大力學」為其理論基礎呢？作為經濟物理學領域的研究人員，提出這個問題應該是非常有意義的。這個問題若能討論清楚，那麼我們也就為「『經濟市場』是否果真是『復雜流體』之一種」這個命題找到了科學的答案；更為重要的是，若能清楚回答這個問題，可能有助於人們效仿傳統物理學，按圖索驥，深入開展經濟物理方面的研究工作。對此，我個人的看法是這樣的：「統計力學」在「經濟市場」中功效顯著，這個已經是不爭的事實。自20 世紀90 年代初以來，斯坦利教授及其合作者已經在此領域做出卓越貢獻。「統計力學」中的一些標度、相變等圖像，在「經濟市場」中皆已被完美地揭示出來，這些對理解實際市場有著舉足輕重的意義。故而，我們可以很有信心地說：「統計力學」是「經濟市場」的理論基礎之一。

「經典力學」在「經濟市場」中的貢獻，也早為人知。許多傳統經濟學理論都是基於「供求平衡」提出的，而「供求平衡」正源於「經典力學」中的「受力平衡」。考慮到「經濟市場」中「看不見的手」的作用，人們認為，正是這只手引導著市場實現了「供求平衡」。但是，這個「引導力」顯然不是「經典力學」中牛頓的三個定律能夠簡單描述的，因為這個「引導力」是一種「等效力」，它是各種相關「作用」的「合力」，有點類似於「經典力學」中力的合成與分解。從等效的意義上看，我們似乎也可以說，「經典力學」也是「經濟市場」成立的理論基礎之一。

「量子力學」在「經濟市場」中的可能功效，已經有大量的研究。這些研究得到一些學者的狂熱追捧，同時，也得到不少學者的無情抨擊。類似的爭論，在一門新學科誕生之初是非常常見的，不足為怪，就是「量子力學」本身也有此遭遇，「量子力學」誕生之初的不少爭議已經構成了科學史上濃墨重彩的、妙趣橫生的一頁，例如玻爾與愛因斯坦兩位大牛之間近40 年的爭辯等。我認為，當前這些橫亘於「量子力學」與「經濟市場」之間的爭論，並不妨礙「量子力學」成為「經濟市場」得以運行的可能的物理基礎之一。——對如此年輕的一個研究方向，我又怎麼忍心隨便否定「她」、扼殺「她」於搖籃之中呢？若無堅如磐石的否定證據，當前我唯有對「她」網開一面。在這個方面，我期望看到更多的爭論，這些爭論最終可能使得「量子力學」光明正大地登上「經濟市場」的殿堂，也可能把「量子力學」徹底驅離「經濟市場」的大舞台。

「電動力學」在「經濟市場」中的功效，通常不被人注意，至少沒有系統地注意過。我們知道，「電動力學」中最重要的物理圖像之一就是「場」（如：電場）。處於「場」中的物體，場對它的作用與它對場的反作用，皆可通過麥克斯韋方程組，結合適當的邊界條件研究之。其實，研究「經濟市場」時，外部信息對「行為人」的影響亦可視為一種「場」的作用，「行為人」在這種「外場」的作用下，調整策略，開展相關的經濟活動，其結果亦對「外場」有反作用。當然，這里我們不能簡單地應用麥克斯韋方程組來研究，但是，這些思路為人們構建基於行為人的模擬，開展可控實驗研究，確實大有裨益，——盡管這些思路還不成熟。鑒此，我同樣認為「電動力學」可以成為「經濟市場」得以運行的物理基礎之一。當然，倘要我這里的結論非常堅實，仍需更多實質性的研究成果橫空出世!

因為物理學家系統地介入經濟市場的研究，也就十幾年時間，所以，作為一門年輕的交叉學科，亟需進一步的發展。盡管上文闡述了「經濟市場」中可能存在的理論基礎——「四大力學」，這絕不意味著「四大力學」中所有傳統物理規律皆對研究經濟市場適用，或可原封不動地照搬套用。需知，我這里比較「經濟市場」與「復雜流體」，這絕非目的，僅是期望兩者之間建立關系，以便通過類比等研究手法，為更多的突破做好催生的工作。也許，憧憬如斯，實與痴人說夢無異？這里，還得一提的是，這些類比的目的也僅僅是論述「經濟物理」與「復雜流體」之間的交叉研究是很有價值的，而不是論述根據「復雜流體」進行類推在定量研究中是正確的。故而，期待這些類比有助於人們探索出更多的、有意義的新課題。也正因為這些目的的客觀存在，所以，倘若有人進一步問我：為什麼「經濟市場」屬於「復雜流體」，而不屬於「復雜非流體」（或其他）？對於這樣的問題，我暫時無法回答，因為區分「復雜流體」和「復雜非流體」與此處目的之間的關系並不大。換言之，只要我們願意，我們可以說「經濟市場」是任何東西，但這么說的唯一前提應該是：是否已經或即將有助正確理解經濟市場？如果答案是肯定的，那我們就有繼續下去的理由。最後，話說回頭，即便人們不把「經濟市場」歸入「復雜流體」中思考、研究（從研究的多樣性角度看，這樣的行為理當被允許），但是，它們二者都隸屬於「復雜系統」這個大家庭，這卻是眾所周知的事實——簡單說來，復雜系統就是指介於規則系統與無規系統之間的系統。據此，研究復雜系統的一些思想、方法等也許還是可以為兩者的互通提供便利的……

三、能否准確預測是檢驗經濟物理學理論正確與否的唯一判據

1976 年諾貝爾經濟學獎得主弗里德曼（M. Friedman）在他的《實證經濟學的方法論》（The Methodology of Positive Economics）中給出了檢驗經濟學理論正確與否的判據是：能否准確預測。因此，要想使得經濟物理學理論能夠為傳統經濟學家心悅誠服地接受，能否准確預測也應是經濟物理學理論正確與否的唯一判據。但是，這里值得提及的是，正如弗里德曼指出的那樣，這里的預測並非單純預測未來即將發生的事情，還包括預測過去已經發生的事情，當然，前提條件是對這件事情所作的觀察尚未進行，或者是雖然對這一事情的觀察已經作出，但是，進行預測的人並不知曉。

『伍』 一股湍流怎麼讀～。，

一股 yī gǔ
湍流 tuān liú
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『陸』 世界有多少是混沌的

吸引人的名稱——“混沌"(chaotic),就像這年頭許多事一 樣，混沌這概念已被過分誇大了。大部分的自然系統並不 是混沌的,但其中有足夠多的理由使這主題吸引人;最有意 思的問題是，關於混沌與非混沌行為之間的分野，哪些算在這一邊，哪些算在那一邊?首先，我們討論一下混沌系統是什麼，以及在什麼情況 下它是不可預測的。想像一個實驗，把一些小木片扔進河 里。

自從發現混沌系統，就出現另一個在科學家之間討論 的問題。自然界中哪些系統是混沌系統？有些回答是很明 顯的——湍急的水流、股票市場、天氣，幾乎都確定是混沌 的。但其他的答案則會令人驚異，

例如，近來有些科學家稱 太陽系——牛頓可預測性的最典型代表——有許多特性可 能是混沌的，追蹤行星軌跡和它們之間所有重力復雜的電 腦模型，顯示了在數億年時間里，行星的軌道很可能是混沌 的Q這類結論是源自一些研究，先從一個起始位置預測久 遠的未來行星的軌道,然後把行星位置假設挪動幾英寸後 重新預測，結果似乎顯示出完全類似於湍流中小木片的那 類發散現象。關於電腦對太陽系的模擬結果是混沌的，這一點並沒有疑義。但我懷疑,這些模擬是否真正代表我們 生活在其中的世界？

但是我也不想讓你以為,混沌的存在對於科學是完全 起著負面效應的。對於新發現一向是這樣的:人們已經在 思考如何利用這現象。例如,混沌系統非常適用於密碼的 生成。如果兩個人都知道描述某個混沌系統的方程式，就 可以用它為某個密碼的基礎。

他們可以用這方程式發出讓 其他人認定是一連串隨意信息，而僅是他們自己能夠了解 的信息。同樣地，有些科學家將來可能離開他們學術工作 崗位，因為他們相信能夠利用自己在混沌研究上的專長來 了解股票市場（我要親眼看到這些人一面開著勞斯萊斯轎 車,一面繼續在股市中發大財時，才會相信這是明智之舉）。

『柒』 cfd是什麼意思

1，CFD，英語全稱(Computational Fluid Dynamics），即計算流體動力學。CFD是近代流體力學，數值數學和計算機科學結合的產物，是一門具有強大生命力的交叉科學。

2，「中央大廚房」的英文縮寫為「Central Food Depot」，含義是集中式的食品補給中心，業態為實行「6-12」營業時間的熟食便利店。

3，CFD旱地冰球中心，英文名China Floorball Development （Center），簡稱CFD，CFD旱地冰球中心於2013年成立，隨後將旱地冰球項目推進到全國近80所高校，100多所中小學，社會俱樂部超過100家，培訓旱地冰球教練員600多名。

(7)湍流和股票市場擴展閱讀：

CFD是計算流體力學（Computational Fluid Dynamics）的簡稱，是流體力學和計算機科學相互融合的一門新興交叉學科，它從計算方法出發，利用計算機快速的計算能力得到流體控制方程的近似解。

CFD興起於20世紀60年代，隨著90年代後計算機的迅猛發展，CFD得到了飛速發展，逐漸與實驗流體力學一起成為產品開發中的重要手段。

『捌』 哪位能推薦幾個用於機床上的國產力感測器的型號，只需測Z向力即可，拜謝~

計算機圖形學是隨著計算機及其外圍設備而產生和發展起來的，作為計算機科學與技術學科的一個獨立分支已經歷了近40年的發展歷程。一方面,作為一個學科,計算機圖形學在圖形基礎演算法、圖形軟體與圖形硬體三方面取得了長足的進步,成為當代幾乎所有科學和工程技術領域用來加強信息理解和傳遞的技術和工具。另一方面,計算機圖形學的硬體和軟體本身已發展成為一個巨大的產業。
1.計算機圖形學活躍理論及技術
(1)分形理論及應用
分形理論是當今世界十分活躍的新理論。作為前沿學科的分形理論認為，大自然是分形構成的。大千世界，對稱、均衡的對象和狀態是少數和暫時的，而不對稱、不均衡的對象和狀態才是多數和長期的，分形幾何是描述大自然的幾何學。作為人類探索復雜事物的新的認知方法，分形對於一切涉及組織結構和形態發生的領域，均有實際應用意義，並在石油勘探、地震預測、城市建設、癌症研究、經濟分析等方面取得了不少突破性的進展。分形的概念是美籍數學家曼德布羅特(B.B.Mandelbrot)率先提出的。1967年他在美國《科學》雜志上發表了題為《英國的海岸線有多長？》的著名論文。
海岸線作為曲線，其特徵是極不規則、極不光滑的，呈現極其蜿蜒復雜的變化。它無法用常規的、傳統的幾何方法描述。我們不能從形狀和結構上區分這部分海岸與那部分海岸有什麼本質的不同，這種幾乎同樣程度的不規則性和復雜性，說明海岸線在形貌上是自相似的，也就是部局形態和整體形態的相似。在沒有建築物或其他東西作為參照物時，在空中拍攝的100公里長的海岸線與放大了的10公里長海岸線的兩張照片，看上去十分相似。
曾有人提出了這樣一個顯然是荒謬的命題：「英國的海岸線的長度是無窮大。」其論證思路是這樣的：海岸線是破碎曲折的，我們測量時總是以一定的尺度去量得某個近似值，例如，每隔100米立一個標桿，這樣，我們測得的是一個近似值，是沿著一條折線計算而得出的近似值，這條折線中的每一段是一條長為100米的直線線段。如果改為每10米立一個標桿，那麼實際量出的是另一條折線的長度，它的每一個片段長10米。顯然，後一次量出的長度將大於前一次量出的長度。如果我們不斷縮小尺度，所量出的長度將會越來越大。這樣一來，海岸線的長度不就成為無窮大了嗎?
為什麼會出現這樣的結論呢？曼德布羅特提出了一個重要的概念：分數維，又稱分維。一般來說，維數都是整數，直線線段是一維的圖形，正方形是二維的圖形。在數學上，把歐氏空間的幾何對象連續地拉伸、壓縮、扭曲，維數也不變，這就是拓撲維數。然而，這種維數觀並不能解決海岸線的長度問題。曼德布羅特是這樣描述一個繩球的維數的：從很遠的距離觀察這個繩球，可看作一點(零維)；從較近的距離觀察，它充滿了一個球形空間(三維)；再近一些，就看到了繩子(一維)；再向微觀深入，繩子又變成了三維的柱，三維的柱又可分解成一維的纖維。那麼，介於這些觀察點之間的中間狀態又如何呢？顯然，並沒有繩球從三維對象變成一維對象的確切界限。英國的海岸線為什麼測不準？因為歐氏一維測度與海岸線的維數不一致。根據曼德布羅特的計算，英國海岸線的維數為1.26。有了分維的概念，海岸線的長度就可以確定了。
1975年，曼德布羅特發現：具有自相似性的形態廣泛存在於自然界中，如連綿的山川、飄浮的雲朵、岩石的斷裂口、布朗粒子運動的軌跡、樹冠、花菜、大腦皮層……曼德布羅特把這些部分與整體以某種方式相似的形體稱為分形(Fractal)，這個單詞由拉丁語Frangere衍生而成，該詞本身具有「破碎」、「不規則」等含義。
曼德布羅特的研究中最精彩的部分是1980年他發現的並以他的名字命名的集合，他發現整個宇宙以一種出人意料的方式構成自相似的結構。Mandelbrot集合圖形的邊界處，具有無限復雜和精細的結構。在此基礎上，形成了研究分形性質及其應用的科學，稱為分形理論(Fractal theory)或分形幾何學(Fractal geometry)。
分形的特點和理論貢獻
數學上的分形有以下幾個特點：
(1)具有無限精細的結構；
(2)比例自相似性；
(3)一般它的分數維大於它的拓撲維數；
(4)可以由非常簡單的方法定義，並由遞歸、迭代產生等。
(1)(2)兩項說明分形在結構上的內在規律性。自相似性是分形的靈魂，它使得分形的任何一個片段都包含了整個分形的信息。第(3)項說明了分形的復雜性，第(4)項則說明了分形的生成機制。
我們把傳統幾何的代表歐氏幾何與以分形為研究對象的分形幾何做一比較，可以得到這樣的結論：歐氏幾何是建立在公理之上的邏輯體系，其研究的是在旋轉、平移、對稱變換下各種不變的量，如角度、長度、面積、體積，其適用范圍主要是人造的物體；而分形由遞歸、迭代生成，主要適用於自然界中形態復雜的物體，分形幾何不再以分離的眼光看待分形中的點、線、面，而是把它們看成一個整體。
我們可以從分形圖案的特點去理解分形幾何。分形圖案有一系列有趣的特點，如自相似性、對某些變換的不變性、內部結構的無限性等。此外，分形圖案往往和一定的幾何變換相聯系，在一些變化下，圖案保持不變，從任意的初始狀態出發，經過若干次的幾何變換，圖形將固定在這個特定的分形圖案上，而不再發生變化。自相似原則和迭代生成原則是分形理論的重要原則。

分形理論發展了維數的概念。在發現分數維以前，人們習慣於將點定義為零維，直線為一維，平面為二維，空間為三維，愛因斯坦在相對論中引入時間維，就形成四維時空。對某一問題給予多方面的考慮，可建立高維空間，但都是整數維。
分形是20世紀涌現出的新的科學思想和對世界認識的新視角。從理論上講，它是數學思想的新發展，是人類對於維數、點集等概念的理解的深化與推廣。同時它又與現實的物理世界緊密相連，成為研究混沌(Chaos)現象的重要工具。眾所周知，對混沌現象的研究正是現代理論物理學的前沿和熱點之一。
由於分形的研究，人們對於隨機性和確定性的辯證關系有了進一步的理解。同樣對於過程和狀態的聯系，對於宏觀和微觀的聯系，對於層次之間的轉化，對於無限性的豐富多采，也都產生了有益的影響。
分形理論還是非線性科學的前沿和重要分支，作為一種方法論和認識論，其啟示是多方面的：一是分形整體與局部形態的相似，啟發人們通過認識局部來認識整體，從有限中認識無限；二是分形揭示了介於整體與部分、有序與無序、復雜與簡單之間的新形態和秩序；三是分形從特定層面揭示了世界普遍聯系和統一的圖景。
分形學的應用領域
除了理論上的意義之外，在實際應用中，分形也顯示了巨大的潛力，它已經在許多領域中得到有效的應用，其應用范圍之廣、效益之明顯遠遠超過了十幾年前的任何預測。目前大量分形方法的應用案例層出不窮。這些案例涉及的領域包括：生命過程進化，生態系統，數字編碼和解碼，數論，動力系統，理論物理(如流體力學和湍流) 等方面，此外，還有人利用分形學做城市規則和地震預報。
分形技術在數據壓縮中的應用是一個非常典型的例子。美國數學會會刊在1996年6月的刊物上發表了巴斯利的文章《利用分形進行圖形壓縮》，他把分形用於光碟製作的圖形壓縮中。一般來說，我們總是把一個圖形作為像素的集合來加以存儲和處理。一張最普通的圖片也常常涉及幾十萬乃至上百萬像素，從而占據大量的存儲空間，傳輸速度也大大受到限制。巴斯利運用了分形中的一個重要思想：分形圖案是與某種變換相聯系的，我們可以把任何一個圖形看作是某種變換反復迭代的產物。因此，存儲一個圖形，只需存儲有關這些變換過程的信息，而無需存儲圖形的全部像素信息。只要找到這個變換過程，圖形就可以准確地再現出來，而不必去存儲大量的像素信息。使用這種方法，在實際的應用中，已經達到了壓縮存儲空間至原來1/8的效果。
近年來，由分形理論發展起來的分形藝術(Fractal Art，FA)，在表現形式和分形幾何的理解等方面亦取得了突破性的進展。分形藝術是二維可視藝術，在許多方面類似於攝影。分形圖像作品一般是通過計算機屏幕和列印機來展現的。分形藝術中的另一個重要部分便是分形音樂，分形音樂是由一個演算法的多重迭代產生的。自相似是分形幾何的本質，有人利用這一原理來建構一些帶有自相似小段的合成音樂，主題在帶有小調的三番五次的反復循環中重復，在節奏方面可以加上一些隨機變化。我們常見的計算機屏幕保護程序，許多也是通過分形計算而得來的。
進入1990年代以來，人們開始越來越多地利用這一理論研究經濟領域的一些問題，主要集中在對金融市場（如股票市場、外匯市場等）的研究。操縱者可以通過在若干時間點上的操縱使股價在微觀尺度上發生所希望的變化；從時間的宏觀尺度上來看，要使股價發生所希望的變化，就要求操縱者具有相當的經濟實力。從分形的角度來看，股票價格具有分形特徵。一方面，股價具有復雜的微觀結構；另一方面，它具有對時間的標度不變性，即在不同的觀測尺度下具有相似的結構，其結構是復雜和簡單、不規則和有序的統一。對股價操縱者來說，要在單個時間點上影響股價並不難，即使是在大的時間尺度上影響股價也是有可能的，但是要想通過人為的操縱，在影響股價的同時，保持股價在時間的微觀和宏觀尺度上的一致性，在技術上就會顯得非常困難。

(2) 曲面造型技術。它是計算機圖形學和計算機輔助幾何設計(Computer Aided Geometric Design)的一項重要內容，主要研究在計算機圖象系統的環境下對曲面的表示、設計、顯示和分析。它肇源於飛機、船舶的外形放樣工藝，由Coons、Bezier等大師於六十年代奠定理論基礎。經三十多年發展，現在它已經形成了以Bezier和B樣條方法為代表的參數化特徵設計和隱式代數曲面表示這兩類方法為主體，以插值(Interpolation) 、擬合(Fitting) 、逼近(Approximation)這三種手段為骨架的幾何理論體系。隨著計算機圖形顯示對於真實性、實時性和交互性要求的日益增強，隨著幾何設計對象向著多樣性、特殊性和拓撲結構復雜性靠攏的趨勢的日益明顯，隨著圖形工業和製造工業邁向一體化、集成化和網路化步伐的日益加快，隨著激光測距掃描等三維數據采樣技術和硬體設備的日益完善，曲面造型在近幾年來得到了長足的發展。這主要表現在研究領域的急劇擴展和表示方法的開拓創新。
一.從研究領域來看，曲面造型技術已從傳統的研究曲面表示、曲面求交和曲面拼接，擴充到曲面變形、曲面重建、曲面簡化、曲面轉換和曲面位差。
曲面變形(Deformation or Shape Blending): 傳統的非均勻有理B樣條(NURBS)曲面模型，僅允許調整控制頂點或權因子來局部改變曲面形狀，至多利用層次細化模型在曲面特定點進行直接操作；一些簡單的基於參數曲線的曲面設計方法，如掃掠法(Sweeping)，蒙皮法(Skinning)，旋轉法和拉伸法，也僅允許調整生成曲線來改變曲面形狀。計算機動畫業和實體造型業迫切需要發展與曲面表示方式無關的變形方法或形狀調配方法，於是產生了自由變形（FFD）法，基於彈性變形或熱彈性力學等物理模型(原理)的變形法，基於求解約束的變形法，基於幾何約束的變形法等曲面變形技術和基於多面體對應關系或基於圖象形態學中Minkowski和操作的曲面形狀調配技術。最近，筆者及其學生劉利剛首創活動局部球面坐標插值的新思想，給出了空間點集內在變數的完整數學描述，從幾何內在解的角度，設計了三維多面體和自由曲面形狀調配的一整套快速有效的演算法，畫面流暢，交互實時，對三維曲面變形的技術難題實現了突破。

曲面重建(Reconstruction)：在精緻的轎車車身設計或人臉-類雕塑曲面的動畫製作中，常用油泥制模，再作三維型值點采樣。在醫學圖象可視化中，也常用CT切片來得到人體臟器表面的三維數據點。從曲面上的部分采樣信息來恢復原始曲面的幾何模型，稱為曲面重建。采樣工具為：激光測距掃描器，醫學成象儀，接觸探測數字轉換器，雷達或地震勘探儀器等。根據重建曲面的形式，它可分為函數型曲面重建和離散型曲面重建這兩類。
曲面簡化(Simplification)：與曲面重建一樣，這一研究領域目前也是國際熱點之一。其基本思想在於從三維重建後的離散曲面或造型軟體的輸出結果（主要是三角網格）中去除冗餘信息而又保證模型的准確度，以利於圖形顯示的實時性、數據存儲的經濟性和數據傳輸的快速性。對於多解析度曲面模型而言，這一技術還有利於建立曲面的層次逼近模型，進行曲面的分層顯示，分層傳輸和分層編輯。具體的曲面簡化方法有：網格頂點剔除法，網格邊界刪除法，網格優化法，最大平面逼近多邊形法以及參數化重新采樣法。
曲面轉換(Conversion)：同一張曲面可以表為不同的數學形式，這一思想不僅具有理論意義，而且具有工業應用的現實意義。例如，NURBS這種參數有理多項式曲面雖然包括了參數多項式曲面的一切優點，但也存在著微分運算繁瑣費時、積分運算無法控制誤差的局限性。而在曲面拼接及物性計算中，這兩種運算是不可避免的。這就提出了把一張NURBS曲面轉化成近似的多項式曲面的問題。同樣的要求更體現在NURBS曲面設計系統與多項式曲面設計系統之間的數據傳遞和無紙化生產的工藝過程中。再如，在兩張參數曲面的求交運算中，如果把其中一張曲面的NURBS形式轉化為隱式，就容易得到方程的數值解。近幾年來，國際圖形界對曲面轉換的研究主要集中在以下幾方面：NURBS曲面用多項式曲面來逼近的演算法及收斂性；Bezier曲線曲面的隱式化及其反問題；CONSURF飛機設計系統的Ball曲線向高維的各種推廣形式的比較及互化；有理Bezier曲線曲面的降階逼近演算法及誤差估計；NURBS曲面在三角域上與矩形域上的互相快速轉化等。
曲面位差(Offset)：也稱為曲面等距性，它在計算機圖形及加工中有廣泛應用，因而成為這幾年的熱門課題之一。例如，數控機床的刀具路徑設計就要研究曲線的等距性。但從數學表達式容易看出，一般而言，一條平面參數曲線的等距曲線不再是有理曲線，這就越出了通用的NURBS系統的使用范圍，造成了軟體設計的復雜性和數值計算的不穩定。
二．從表示方法來看，以網格細分(Subdivision)為特徵的離散造型與傳統的連續造型相比，大有後來居上的創新之勢。而且，這種曲面造型方法在生動逼真的特徵動畫和雕塑曲面的設計加工中如魚得水，得到了高度的運用。
在1998年榮獲奧斯卡大獎的電影作品中，有一個短片赫然在列，這就是美國著名的Pixar動畫電影製片廠選送的作品"Geri's Game"。動畫片描述了一個名叫Geri的老頭，在公園里自己與自己下國際象棋，千方百計想取勝的詼諧故事。畫面中人物和景色的造型細致生動，與故事情節渾然一體，使觀眾得到真正的美學享受。而這部動畫片製作中的設計者，就是以上論文的作者，著名的計算機圖形學家T.DeRose。DeRose在SIGGRAPH'98大會上報告的論文講到了選用C-C細分曲面作為Geri老頭特徵造型模型的背景。他指出，NURBS盡管早已被國際標准組織ISO作為定義工業產品數據交換的STEP標准，在工業造型和動畫製作中得到了廣泛的應用，但仍然存在著局限性。單一的NURBS曲面，如其他參數曲面一樣，限於表示在拓撲上等價於一張紙，一個圓柱面或一個圓環面的曲面，不能表示任意拓撲結構的曲面。為了表達特徵動畫中更復雜的形狀，如人的頭，人的手或人的服飾，我們面臨著一場技術挑戰。當然，我們可以用最普通的復雜光滑曲面的造型方法，例如對NURBS的修剪(Trimming)來對付。確實，目前已經存在一些商用系統，諸如Alias-Wavefront和SoftImage等可以做到這一點，但是它們至少會遭遇到以下的困難：第一，修剪是昂貴的，而且有數值誤差；第二，要在曲面的接縫處保持光滑，即使是近似的平滑也是困難的，因為模型是活動的。而細分曲面有潛力克服以上兩個困難，它們無須修剪，沒有縫，活動模型的平滑度被自動地保證。DeRose成功地應用了C-C的細分曲面造型法，同時發明了構造光滑的變半徑的輪廓線及合成物的實際技術，提出了在服飾模型中碰撞檢測的有效新演算法，構造了關於細分曲面的光滑因子場方法。憑借這些數學和軟體基礎，他形象逼真地表現了Geri老頭的頭殼，手指和衣服，包括茄克衫，褲子，領帶和鞋子。這些都是傳統的NURBS連續曲面造型所不易做到的。那麼，C-C細分曲面是怎樣構造的呢？它與傳統的Doo-Sabin細分曲面異曲同工，都是從一個稱之為控制網格(網格多半可用激光從手工模型上輸入)的多面體開始，遞歸地計算新網格上的每個頂點，這些頂點都是原網格上某幾個頂點的加權平均。如果多面體的一個面有n條邊，細分一次後，這個面就會變成n個四邊形。隨著細分的不斷進行，控制網格就被逐漸磨光，其極限狀態就是一張自由曲面。它是無縫的，因而是平滑的，即使模型是活動的。這種方法顯著地壓縮了設計和建立一個原始模型的時間。更重要的，允許原始模型局部地精製化。這就是它優於連續曲面造型方法之處. C-C細分是基於四邊形的，而Loop曲面(1987年)，蝶形曲面(1990年)是基於三角形的。它們都一樣受到當今圖形工作者的重用。
(3)計算機輔助設計與製造（CAD/CAM）。 這是一個最廣泛，最活躍的應用領域。計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）是利用計算機強有力的計算功能和高效率的圖形處理能力，輔助知識勞動者進行工程和產品的設計與分析，以達到理想的目的或取得創新成果的一種技術。它是綜合了計算機科學與工程設計方法的最新發展而形成的一門新興學科。計算機輔助設計技術的發展是與計算機軟體、硬體技術的發展和完善，與工程設計方法的革新緊密相關的。採用計算機輔助設計已是現代工程設計的迫切需要。CAD技術目前已廣泛應用於國民經濟的各個方面，其主要的應用領域有以下幾個方面。
1．製造業中的應用
CAD技術已在製造業中廣泛應用，其中以機床、汽車、飛機、船舶、航天器等製造業應用最為廣泛、深入。眾所周知，一個產品的設計過程要經過概念設計、詳細設計、結構分析和優化、模擬模擬等幾個主要階段。

同時，現代設計技術將並行工程的概念引入到整個設計過程中，在設計階段就對產品整個生命周期進行綜合考慮。當前先進的CAD應用系統已經將設計、繪圖、分析、模擬、加工等一系列功能集成於一個系統內。現在較常用的軟體有UG II、I-DEAS、CATIA、PRO/E、Euclid等CAD應用系統，這些系統主要運行在圖形工作站平台上。在PC平台上運行的CAD應用軟體主要有Cimatron、Solidwork、MDT、SolidEdge等。由於各種因素，目前在二維CAD系統中Autodesk公司的AutoCAD占據了相當的市場。
2．工程設計中的應用
CAD技術在工程領域中的應用有以下幾個方面：
（1）建築設計，包括方案設計、三維造型、建築渲染圖設計、平面布景、建築構造設計、小區規劃、日照分析、室內裝潢等各類CAD應用軟體。
（2）結構設計，包括有限元分析、結構平面設計、框/排架結構計算和分析、高層結構分析、地基及基礎設計、鋼結構設計與加工等。
（3）設備設計，包括水、電、暖各種設備及管道設計。
（4）城市規劃、城市交通設計，如城市道路、高架、輕軌、地鐵等市政工程設計。
（5）市政管線設計，如自來水、污水排放、煤氣、電力、暖氣、通信（包括電話、有線電視、數據通信等）各類市政管道線路設計。
（6）交通工程設計，如公路、橋梁、鐵路、航空、機場、港口、碼頭等。
（7）水利工程設計，如大壩、水渠、河海工程等。
（8）其他工程設計和管理，如房地產開發及物業管理、工程概預算、施工過程式控制制與管理、旅遊景點設計與布置、智能大廈設計等。
3．電氣和電子電路方面的應用
CAD技術最早曾用於電路原理圖和布線圖的設計工作。目前，CAD技術已擴展到印刷電路板的設計（布線及元器件布局），並在集成電路、大規模集成電路和超大規模集成電路的設計製造中大顯身手，並由此大大推動了微電子技術和計算及技術的發展。
4．模擬模擬和動畫製作
應用CAD技術可以真實地模擬機械零件的加工處理過程、飛機起降、船舶進出港口、物體受力破壞分析、飛行訓練環境、作戰方針系統、事故現場重現等現象。在文化娛樂界已大量利用計算機造型模擬出逼真的現實世界中沒有的原始動物、外星人以及各種場景等，並將動畫和實際背景以及演員的表演天衣無縫地合在一起，在電影製作技術上大放異彩，拍制出一個個激動人心的巨片。
5．其他應用
CAD技術除了在上述領域中的應用外，在輕工、紡織、家電、服裝、製鞋、醫療和醫葯乃至體育方面都會用到CAD技術
CAD標准化體系進一步完善；系統智能化成為又一個技術熱點；集成化成為CAD技術發展的一大趨勢；科學計算可視化、虛擬設計、虛擬製造技術是20世紀90年代CAD技術發展的新趨向。
經過了一階段計算機圖形學的學習，對於圖形學中基本圖形的生成演算法有了一定的了解。深度研究圖形學，需要高深的數學知識，且每一個細化的方向需要的知識也不一樣。圖形學是計算機科學與技術學科的活躍前沿學科，被廣泛的應用到生物學、物理學、化學、天文學、地球物理學、材料科學等領域。我深深感到這門學科涉及的領域之廣是驚人的，可以說博大精深。
還不錯，希望你採納。

『玖』 哪位高手知道計算機圖形學的應用前景越詳細越好。拜謝！

計算機圖形學是隨著計算機及其外圍設備而產生和發展起來的，作為計算機科學與技術學科的一個獨立分支已經歷了近40年的發展歷程。一方面,作為一個學科,計算機圖形學在圖形基礎演算法、圖形軟體與圖形硬體三方面取得了長足的進步,成為當代幾乎所有科學和工程技術領域用來加強信息理解和傳遞的技術和工具。另一方面,計算機圖形學的硬體和軟體本身已發展成為一個巨大的產業。
1.計算機圖形學活躍理論及技術
(1)分形理論及應用
分形理論是當今世界十分活躍的新理論。作為前沿學科的分形理論認為，大自然是分形構成的。大千世界，對稱、均衡的對象和狀態是少數和暫時的，而不對稱、不均衡的對象和狀態才是多數和長期的，分形幾何是描述大自然的幾何學。作為人類探索復雜事物的新的認知方法，分形對於一切涉及組織結構和形態發生的領域，均有實際應用意義，並在石油勘探、地震預測、城市建設、癌症研究、經濟分析等方面取得了不少突破性的進展。分形的概念是美籍數學家曼德布羅特(B.B.Mandelbrot)率先提出的。1967年他在美國《科學》雜志上發表了題為《英國的海岸線有多長？》的著名論文。
海岸線作為曲線，其特徵是極不規則、極不光滑的，呈現極其蜿蜒復雜的變化。它無法用常規的、傳統的幾何方法描述。我們不能從形狀和結構上區分這部分海岸與那部分海岸有什麼本質的不同，這種幾乎同樣程度的不規則性和復雜性，說明海岸線在形貌上是自相似的，也就是部局形態和整體形態的相似。在沒有建築物或其他東西作為參照物時，在空中拍攝的100公里長的海岸線與放大了的10公里長海岸線的兩張照片，看上去十分相似。
曾有人提出了這樣一個顯然是荒謬的命題：「英國的海岸線的長度是無窮大。」其論證思路是這樣的：海岸線是破碎曲折的，我們測量時總是以一定的尺度去量得某個近似值，例如，每隔100米立一個標桿，這樣，我們測得的是一個近似值，是沿著一條折線計算而得出的近似值，這條折線中的每一段是一條長為100米的直線線段。如果改為每10米立一個標桿，那麼實際量出的是另一條折線的長度，它的每一個片段長10米。顯然，後一次量出的長度將大於前一次量出的長度。如果我們不斷縮小尺度，所量出的長度將會越來越大。這樣一來，海岸線的長度不就成為無窮大了嗎?
為什麼會出現這樣的結論呢？曼德布羅特提出了一個重要的概念：分數維，又稱分維。一般來說，維數都是整數，直線線段是一維的圖形，正方形是二維的圖形。在數學上，把歐氏空間的幾何對象連續地拉伸、壓縮、扭曲，維數也不變，這就是拓撲維數。然而，這種維數觀並不能解決海岸線的長度問題。曼德布羅特是這樣描述一個繩球的維數的：從很遠的距離觀察這個繩球，可看作一點(零維)；從較近的距離觀察，它充滿了一個球形空間(三維)；再近一些，就看到了繩子(一維)；再向微觀深入，繩子又變成了三維的柱，三維的柱又可分解成一維的纖維。那麼，介於這些觀察點之間的中間狀態又如何呢？顯然，並沒有繩球從三維對象變成一維對象的確切界限。英國的海岸線為什麼測不準？因為歐氏一維測度與海岸線的維數不一致。根據曼德布羅特的計算，英國海岸線的維數為1.26。有了分維的概念，海岸線的長度就可以確定了。
1975年，曼德布羅特發現：具有自相似性的形態廣泛存在於自然界中，如連綿的山川、飄浮的雲朵、岩石的斷裂口、布朗粒子運動的軌跡、樹冠、花菜、大腦皮層……曼德布羅特把這些部分與整體以某種方式相似的形體稱為分形(Fractal)，這個單詞由拉丁語Frangere衍生而成，該詞本身具有「破碎」、「不規則」等含義。
曼德布羅特的研究中最精彩的部分是1980年他發現的並以他的名字命名的集合，他發現整個宇宙以一種出人意料的方式構成自相似的結構。Mandelbrot集合圖形的邊界處，具有無限復雜和精細的結構。在此基礎上，形成了研究分形性質及其應用的科學，稱為分形理論(Fractal theory)或分形幾何學(Fractal geometry)。
分形的特點和理論貢獻
數學上的分形有以下幾個特點：
(1)具有無限精細的結構；
(2)比例自相似性；
(3)一般它的分數維大於它的拓撲維數；
(4)可以由非常簡單的方法定義，並由遞歸、迭代產生等。
(1)(2)兩項說明分形在結構上的內在規律性。自相似性是分形的靈魂，它使得分形的任何一個片段都包含了整個分形的信息。第(3)項說明了分形的復雜性，第(4)項則說明了分形的生成機制。
我們把傳統幾何的代表歐氏幾何與以分形為研究對象的分形幾何做一比較，可以得到這樣的結論：歐氏幾何是建立在公理之上的邏輯體系，其研究的是在旋轉、平移、對稱變換下各種不變的量，如角度、長度、面積、體積，其適用范圍主要是人造的物體；而分形由遞歸、迭代生成，主要適用於自然界中形態復雜的物體，分形幾何不再以分離的眼光看待分形中的點、線、面，而是把它們看成一個整體。
我們可以從分形圖案的特點去理解分形幾何。分形圖案有一系列有趣的特點，如自相似性、對某些變換的不變性、內部結構的無限性等。此外，分形圖案往往和一定的幾何變換相聯系，在一些變化下，圖案保持不變，從任意的初始狀態出發，經過若干次的幾何變換，圖形將固定在這個特定的分形圖案上，而不再發生變化。自相似原則和迭代生成原則是分形理論的重要原則。

分形理論發展了維數的概念。在發現分數維以前，人們習慣於將點定義為零維，直線為一維，平面為二維，空間為三維，愛因斯坦在相對論中引入時間維，就形成四維時空。對某一問題給予多方面的考慮，可建立高維空間，但都是整數維。
分形是20世紀涌現出的新的科學思想和對世界認識的新視角。從理論上講，它是數學思想的新發展，是人類對於維數、點集等概念的理解的深化與推廣。同時它又與現實的物理世界緊密相連，成為研究混沌(Chaos)現象的重要工具。眾所周知，對混沌現象的研究正是現代理論物理學的前沿和熱點之一。
由於分形的研究，人們對於隨機性和確定性的辯證關系有了進一步的理解。同樣對於過程和狀態的聯系，對於宏觀和微觀的聯系，對於層次之間的轉化，對於無限性的豐富多采，也都產生了有益的影響。
分形理論還是非線性科學的前沿和重要分支，作為一種方法論和認識論，其啟示是多方面的：一是分形整體與局部形態的相似，啟發人們通過認識局部來認識整體，從有限中認識無限；二是分形揭示了介於整體與部分、有序與無序、復雜與簡單之間的新形態和秩序；三是分形從特定層面揭示了世界普遍聯系和統一的圖景。
分形學的應用領域
除了理論上的意義之外，在實際應用中，分形也顯示了巨大的潛力，它已經在許多領域中得到有效的應用，其應用范圍之廣、效益之明顯遠遠超過了十幾年前的任何預測。目前大量分形方法的應用案例層出不窮。這些案例涉及的領域包括：生命過程進化，生態系統，數字編碼和解碼，數論，動力系統，理論物理(如流體力學和湍流) 等方面，此外，還有人利用分形學做城市規則和地震預報。
分形技術在數據壓縮中的應用是一個非常典型的例子。美國數學會會刊在1996年6月的刊物上發表了巴斯利的文章《利用分形進行圖形壓縮》，他把分形用於光碟製作的圖形壓縮中。一般來說，我們總是把一個圖形作為像素的集合來加以存儲和處理。一張最普通的圖片也常常涉及幾十萬乃至上百萬像素，從而占據大量的存儲空間，傳輸速度也大大受到限制。巴斯利運用了分形中的一個重要思想：分形圖案是與某種變換相聯系的，我們可以把任何一個圖形看作是某種變換反復迭代的產物。因此，存儲一個圖形，只需存儲有關這些變換過程的信息，而無需存儲圖形的全部像素信息。只要找到這個變換過程，圖形就可以准確地再現出來，而不必去存儲大量的像素信息。使用這種方法，在實際的應用中，已經達到了壓縮存儲空間至原來1/8的效果。
近年來，由分形理論發展起來的分形藝術(Fractal Art，FA)，在表現形式和分形幾何的理解等方面亦取得了突破性的進展。分形藝術是二維可視藝術，在許多方面類似於攝影。分形圖像作品一般是通過計算機屏幕和列印機來展現的。分形藝術中的另一個重要部分便是分形音樂，分形音樂是由一個演算法的多重迭代產生的。自相似是分形幾何的本質，有人利用這一原理來建構一些帶有自相似小段的合成音樂，主題在帶有小調的三番五次的反復循環中重復，在節奏方面可以加上一些隨機變化。我們常見的計算機屏幕保護程序，許多也是通過分形計算而得來的。
進入1990年代以來，人們開始越來越多地利用這一理論研究經濟領域的一些問題，主要集中在對金融市場（如股票市場、外匯市場等）的研究。操縱者可以通過在若干時間點上的操縱使股價在微觀尺度上發生所希望的變化；從時間的宏觀尺度上來看，要使股價發生所希望的變化，就要求操縱者具有相當的經濟實力。從分形的角度來看，股票價格具有分形特徵。一方面，股價具有復雜的微觀結構；另一方面，它具有對時間的標度不變性，即在不同的觀測尺度下具有相似的結構，其結構是復雜和簡單、不規則和有序的統一。對股價操縱者來說，要在單個時間點上影響股價並不難，即使是在大的時間尺度上影響股價也是有可能的，但是要想通過人為的操縱，在影響股價的同時，保持股價在時間的微觀和宏觀尺度上的一致性，在技術上就會顯得非常困難。

(2) 曲面造型技術。它是計算機圖形學和計算機輔助幾何設計(Computer Aided Geometric Design)的一項重要內容，主要研究在計算機圖象系統的環境下對曲面的表示、設計、顯示和分析。它肇源於飛機、船舶的外形放樣工藝，由Coons、Bezier等大師於六十年代奠定理論基礎。經三十多年發展，現在它已經形成了以Bezier和B樣條方法為代表的參數化特徵設計和隱式代數曲面表示這兩類方法為主體，以插值(Interpolation) 、擬合(Fitting) 、逼近(Approximation)這三種手段為骨架的幾何理論體系。隨著計算機圖形顯示對於真實性、實時性和交互性要求的日益增強，隨著幾何設計對象向著多樣性、特殊性和拓撲結構復雜性靠攏的趨勢的日益明顯，隨著圖形工業和製造工業邁向一體化、集成化和網路化步伐的日益加快，隨著激光測距掃描等三維數據采樣技術和硬體設備的日益完善，曲面造型在近幾年來得到了長足的發展。這主要表現在研究領域的急劇擴展和表示方法的開拓創新。
一.從研究領域來看，曲面造型技術已從傳統的研究曲面表示、曲面求交和曲面拼接，擴充到曲面變形、曲面重建、曲面簡化、曲面轉換和曲面位差。
曲面變形(Deformation or Shape Blending): 傳統的非均勻有理B樣條(NURBS)曲面模型，僅允許調整控制頂點或權因子來局部改變曲面形狀，至多利用層次細化模型在曲面特定點進行直接操作；一些簡單的基於參數曲線的曲面設計方法，如掃掠法(Sweeping)，蒙皮法(Skinning)，旋轉法和拉伸法，也僅允許調整生成曲線來改變曲面形狀。計算機動畫業和實體造型業迫切需要發展與曲面表示方式無關的變形方法或形狀調配方法，於是產生了自由變形（FFD）法，基於彈性變形或熱彈性力學等物理模型(原理)的變形法，基於求解約束的變形法，基於幾何約束的變形法等曲面變形技術和基於多面體對應關系或基於圖象形態學中Minkowski和操作的曲面形狀調配技術。最近，筆者及其學生劉利剛首創活動局部球面坐標插值的新思想，給出了空間點集內在變數的完整數學描述，從幾何內在解的角度，設計了三維多面體和自由曲面形狀調配的一整套快速有效的演算法，畫面流暢，交互實時，對三維曲面變形的技術難題實現了突破。

曲面重建(Reconstruction)：在精緻的轎車車身設計或人臉-類雕塑曲面的動畫製作中，常用油泥制模，再作三維型值點采樣。在醫學圖象可視化中，也常用CT切片來得到人體臟器表面的三維數據點。從曲面上的部分采樣信息來恢復原始曲面的幾何模型，稱為曲面重建。采樣工具為：激光測距掃描器，醫學成象儀，接觸探測數字轉換器，雷達或地震勘探儀器等。根據重建曲面的形式，它可分為函數型曲面重建和離散型曲面重建這兩類。
曲面簡化(Simplification)：與曲面重建一樣，這一研究領域目前也是國際熱點之一。其基本思想在於從三維重建後的離散曲面或造型軟體的輸出結果（主要是三角網格）中去除冗餘信息而又保證模型的准確度，以利於圖形顯示的實時性、數據存儲的經濟性和數據傳輸的快速性。對於多解析度曲面模型而言，這一技術還有利於建立曲面的層次逼近模型，進行曲面的分層顯示，分層傳輸和分層編輯。具體的曲面簡化方法有：網格頂點剔除法，網格邊界刪除法，網格優化法，最大平面逼近多邊形法以及參數化重新采樣法。
曲面轉換(Conversion)：同一張曲面可以表為不同的數學形式，這一思想不僅具有理論意義，而且具有工業應用的現實意義。例如，NURBS這種參數有理多項式曲面雖然包括了參數多項式曲面的一切優點，但也存在著微分運算繁瑣費時、積分運算無法控制誤差的局限性。而在曲面拼接及物性計算中，這兩種運算是不可避免的。這就提出了把一張NURBS曲面轉化成近似的多項式曲面的問題。同樣的要求更體現在NURBS曲面設計系統與多項式曲面設計系統之間的數據傳遞和無紙化生產的工藝過程中。再如，在兩張參數曲面的求交運算中，如果把其中一張曲面的NURBS形式轉化為隱式，就容易得到方程的數值解。近幾年來，國際圖形界對曲面轉換的研究主要集中在以下幾方面：NURBS曲面用多項式曲面來逼近的演算法及收斂性；Bezier曲線曲面的隱式化及其反問題；CONSURF飛機設計系統的Ball曲線向高維的各種推廣形式的比較及互化；有理Bezier曲線曲面的降階逼近演算法及誤差估計；NURBS曲面在三角域上與矩形域上的互相快速轉化等。
曲面位差(Offset)：也稱為曲面等距性，它在計算機圖形及加工中有廣泛應用，因而成為這幾年的熱門課題之一。例如，數控機床的刀具路徑設計就要研究曲線的等距性。但從數學表達式容易看出，一般而言，一條平面參數曲線的等距曲線不再是有理曲線，這就越出了通用的NURBS系統的使用范圍，造成了軟體設計的復雜性和數值計算的不穩定。
二．從表示方法來看，以網格細分(Subdivision)為特徵的離散造型與傳統的連續造型相比，大有後來居上的創新之勢。而且，這種曲面造型方法在生動逼真的特徵動畫和雕塑曲面的設計加工中如魚得水，得到了高度的運用。
在1998年榮獲奧斯卡大獎的電影作品中，有一個短片赫然在列，這就是美國著名的Pixar動畫電影製片廠選送的作品"Geri's Game"。動畫片描述了一個名叫Geri的老頭，在公園里自己與自己下國際象棋，千方百計想取勝的詼諧故事。畫面中人物和景色的造型細致生動，與故事情節渾然一體，使觀眾得到真正的美學享受。而這部動畫片製作中的設計者，就是以上論文的作者，著名的計算機圖形學家T.DeRose。DeRose在SIGGRAPH'98大會上報告的論文講到了選用C-C細分曲面作為Geri老頭特徵造型模型的背景。他指出，NURBS盡管早已被國際標准組織ISO作為定義工業產品數據交換的STEP標准，在工業造型和動畫製作中得到了廣泛的應用，但仍然存在著局限性。單一的NURBS曲面，如其他參數曲面一樣，限於表示在拓撲上等價於一張紙，一個圓柱面或一個圓環面的曲面，不能表示任意拓撲結構的曲面。為了表達特徵動畫中更復雜的形狀，如人的頭，人的手或人的服飾，我們面臨著一場技術挑戰。當然，我們可以用最普通的復雜光滑曲面的造型方法，例如對NURBS的修剪(Trimming)來對付。確實，目前已經存在一些商用系統，諸如Alias-Wavefront和SoftImage等可以做到這一點，但是它們至少會遭遇到以下的困難：第一，修剪是昂貴的，而且有數值誤差；第二，要在曲面的接縫處保持光滑，即使是近似的平滑也是困難的，因為模型是活動的。而細分曲面有潛力克服以上兩個困難，它們無須修剪，沒有縫，活動模型的平滑度被自動地保證。DeRose成功地應用了C-C的細分曲面造型法，同時發明了構造光滑的變半徑的輪廓線及合成物的實際技術，提出了在服飾模型中碰撞檢測的有效新演算法，構造了關於細分曲面的光滑因子場方法。憑借這些數學和軟體基礎，他形象逼真地表現了Geri老頭的頭殼，手指和衣服，包括茄克衫，褲子，領帶和鞋子。這些都是傳統的NURBS連續曲面造型所不易做到的。那麼，C-C細分曲面是怎樣構造的呢？它與傳統的Doo-Sabin細分曲面異曲同工，都是從一個稱之為控制網格(網格多半可用激光從手工模型上輸入)的多面體開始，遞歸地計算新網格上的每個頂點，這些頂點都是原網格上某幾個頂點的加權平均。如果多面體的一個面有n條邊，細分一次後，這個面就會變成n個四邊形。隨著細分的不斷進行，控制網格就被逐漸磨光，其極限狀態就是一張自由曲面。它是無縫的，因而是平滑的，即使模型是活動的。這種方法顯著地壓縮了設計和建立一個原始模型的時間。更重要的，允許原始模型局部地精製化。這就是它優於連續曲面造型方法之處. C-C細分是基於四邊形的，而Loop曲面(1987年)，蝶形曲面(1990年)是基於三角形的。它們都一樣受到當今圖形工作者的重用。
(3)計算機輔助設計與製造（CAD/CAM）。 這是一個最廣泛，最活躍的應用領域。計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）是利用計算機強有力的計算功能和高效率的圖形處理能力，輔助知識勞動者進行工程和產品的設計與分析，以達到理想的目的或取得創新成果的一種技術。它是綜合了計算機科學與工程設計方法的最新發展而形成的一門新興學科。計算機輔助設計技術的發展是與計算機軟體、硬體技術的發展和完善，與工程設計方法的革新緊密相關的。採用計算機輔助設計已是現代工程設計的迫切需要。CAD技術目前已廣泛應用於國民經濟的各個方面，其主要的應用領域有以下幾個方面。
1．製造業中的應用
CAD技術已在製造業中廣泛應用，其中以機床、汽車、飛機、船舶、航天器等製造業應用最為廣泛、深入。眾所周知，一個產品的設計過程要經過概念設計、詳細設計、結構分析和優化、模擬模擬等幾個主要階段。

同時，現代設計技術將並行工程的概念引入到整個設計過程中，在設計階段就對產品整個生命周期進行綜合考慮。當前先進的CAD應用系統已經將設計、繪圖、分析、模擬、加工等一系列功能集成於一個系統內。現在較常用的軟體有UG II、I-DEAS、CATIA、PRO/E、Euclid等CAD應用系統，這些系統主要運行在圖形工作站平台上。在PC平台上運行的CAD應用軟體主要有Cimatron、Solidwork、MDT、SolidEdge等。由於各種因素，目前在二維CAD系統中Autodesk公司的AutoCAD占據了相當的市場。
2．工程設計中的應用
CAD技術在工程領域中的應用有以下幾個方面：
（1）建築設計，包括方案設計、三維造型、建築渲染圖設計、平面布景、建築構造設計、小區規劃、日照分析、室內裝潢等各類CAD應用軟體。
（2）結構設計，包括有限元分析、結構平面設計、框/排架結構計算和分析、高層結構分析、地基及基礎設計、鋼結構設計與加工等。
（3）設備設計，包括水、電、暖各種設備及管道設計。
（4）城市規劃、城市交通設計，如城市道路、高架、輕軌、地鐵等市政工程設計。
（5）市政管線設計，如自來水、污水排放、煤氣、電力、暖氣、通信（包括電話、有線電視、數據通信等）各類市政管道線路設計。
（6）交通工程設計，如公路、橋梁、鐵路、航空、機場、港口、碼頭等。
（7）水利工程設計，如大壩、水渠、河海工程等。
（8）其他工程設計和管理，如房地產開發及物業管理、工程概預算、施工過程式控制制與管理、旅遊景點設計與布置、智能大廈設計等。
3．電氣和電子電路方面的應用
CAD技術最早曾用於電路原理圖和布線圖的設計工作。目前，CAD技術已擴展到印刷電路板的設計（布線及元器件布局），並在集成電路、大規模集成電路和超大規模集成電路的設計製造中大顯身手，並由此大大推動了微電子技術和計算及技術的發展。
4．模擬模擬和動畫製作
應用CAD技術可以真實地模擬機械零件的加工處理過程、飛機起降、船舶進出港口、物體受力破壞分析、飛行訓練環境、作戰方針系統、事故現場重現等現象。在文化娛樂界已大量利用計算機造型模擬出逼真的現實世界中沒有的原始動物、外星人以及各種場景等，並將動畫和實際背景以及演員的表演天衣無縫地合在一起，在電影製作技術上大放異彩，拍制出一個個激動人心的巨片。
5．其他應用
CAD技術除了在上述領域中的應用外，在輕工、紡織、家電、服裝、製鞋、醫療和醫葯乃至體育方面都會用到CAD技術
CAD標准化體系進一步完善；系統智能化成為又一個技術熱點；集成化成為CAD技術發展的一大趨勢；科學計算可視化、虛擬設計、虛擬製造技術是20世紀90年代CAD技術發展的新趨向。
經過了一階段計算機圖形學的學習，對於圖形學中基本圖形的生成演算法有了一定的了解。深度研究圖形學，需要高深的數學知識，且每一個細化的方向需要的知識也不一樣。圖形學是計算機科學與技術學科的活躍前沿學科，被廣泛的應用到生物學、物理學、化學、天文學、地球物理學、材料科學等領域。我深深感到這門學科涉及的領域之廣是驚人的，可以說博大精深。

『拾』 計算機圖形學發展前景怎麼樣，現在研究領域一般都分哪些

計算機圖形學是隨著計算機及其外圍設備而產生和發展起來的，作為計算機科學與技術學科的一個獨立分支已經歷了近40年的發展歷程。一方面,作為一個學科,計算機圖形學在圖形基礎演算法、圖形軟體與圖形硬體三方面取得了長足的進步,成為當代幾乎所有科學和工程技術領域用來加強信息理解和傳遞的技術和工具。另一方面,計算機圖形學的硬體和軟體本身已發展成為一個巨大的產業。
1.計算機圖形學活躍理論及技術
(1)分形理論及應用
分形理論是當今世界十分活躍的新理論。作為前沿學科的分形理論認為，大自然是分形構成的。大千世界，對稱、均衡的對象和狀態是少數和暫時的，而不對稱、不均衡的對象和狀態才是多數和長期的，分形幾何是描述大自然的幾何學。作為人類探索復雜事物的新的認知方法，分形對於一切涉及組織結構和形態發生的領域，均有實際應用意義，並在石油勘探、地震預測、城市建設、癌症研究、經濟分析等方面取得了不少突破性的進展。分形的概念是美籍數學家曼德布羅特(B.B.Mandelbrot)率先提出的。1967年他在美國《科學》雜志上發表了題為《英國的海岸線有多長？》的著名論文。
??海岸線作為曲線，其特徵是極不規則、極不光滑的，呈現極其蜿蜒復雜的變化。它無法用常規的、傳統的幾何方法描述。我們不能從形狀和結構上區分這部分海岸與那部分海岸有什麼本質的不同，這種幾乎同樣程度的不規則性和復雜性，說明海岸線在形貌上是自相似的，也就是部局形態和整體形態的相似。在沒有建築物或其他東西作為參照物時，在空中拍攝的100公里長的海岸線與放大了的10公里長海岸線的兩張照片，看上去十分相似。
??曾有人提出了這樣一個顯然是荒謬的命題：「英國的海岸線的長度是無窮大。」其論證思路是這樣的：海岸線是破碎曲折的，我們測量時總是以一定的尺度去量得某個近似值，例如，每隔100米立一個標桿，這樣，我們測得的是一個近似值，是沿著一條折線計算而得出的近似值，這條折線中的每一段是一條長為100米的直線線段。如果改為每10米立一個標桿，那麼實際量出的是另一條折線的長度，它的每一個片段長10米。顯然，後一次量出的長度將大於前一次量出的長度。如果我們不斷縮小尺度，所量出的長度將會越來越大。這樣一來，海岸線的長度不就成為無窮大了嗎?
??為什麼會出現這樣的結論呢？曼德布羅特提出了一個重要的概念：分數維，又稱分維。一般來說，維數都是整數，直線線段是一維的圖形，正方形是二維的圖形。在數學上，把歐氏空間的幾何對象連續地拉伸、壓縮、扭曲，維數也不變，這就是拓撲維數。然而，這種維數觀並不能解決海岸線的長度問題。曼德布羅特是這樣描述一個繩球的維數的：從很遠的距離觀察這個繩球，可看作一點(零維)；從較近的距離觀察，它充滿了一個球形空間(三維)；再近一些，就看到了繩子(一維)；再向微觀深入，繩子又變成了三維的柱，三維的柱又可分解成一維的纖維。那麼，介於這些觀察點之間的中間狀態又如何呢？顯然，並沒有繩球從三維對象變成一維對象的確切界限。英國的海岸線為什麼測不準？因為歐氏一維測度與海岸線的維數不一致。根據曼德布羅特的計算，英國海岸線的維數為1.26。有了分維的概念，海岸線的長度就可以確定了。
??1975年，曼德布羅特發現：具有自相似性的形態廣泛存在於自然界中，如連綿的山川、飄浮的雲朵、岩石的斷裂口、布朗粒子運動的軌跡、樹冠、花菜、大腦皮層……曼德布羅特把這些部分與整體以某種方式相似的形體稱為分形(Fractal)，這個單詞由拉丁語Frangere衍生而成，該詞本身具有「破碎」、「不規則」等含義。
??曼德布羅特的研究中最精彩的部分是1980年他發現的並以他的名字命名的集合，他發現整個宇宙以一種出人意料的方式構成自相似的結構。Mandelbrot集合圖形的邊界處，具有無限復雜和精細的結構。在此基礎上，形成了研究分形性質及其應用的科學，稱為分形理論(Fractal theory)或分形幾何學(Fractal geometry)。
分形的特點和理論貢獻
??數學上的分形有以下幾個特點：
??(1)具有無限精細的結構；
??(2)比例自相似性；
??(3)一般它的分數維大於它的拓撲維數；
??(4)可以由非常簡單的方法定義，並由遞歸、迭代產生等。
??(1)(2)兩項說明分形在結構上的內在規律性。自相似性是分形的靈魂，它使得分形的任何一個片段都包含了整個分形的信息。第(3)項說明了分形的復雜性，第(4)項則說明了分形的生成機制。
??我們把傳統幾何的代表歐氏幾何與以分形為研究對象的分形幾何做一比較，可以得到這樣的結論：歐氏幾何是建立在公理之上的邏輯體系，其研究的是在旋轉、平移、對稱變換下各種不變的量，如角度、長度、面積、體積，其適用范圍主要是人造的物體；而分形由遞歸、迭代生成，主要適用於自然界中形態復雜的物體，分形幾何不再以分離的眼光看待分形中的點、線、面，而是把它們看成一個整體。
??我們可以從分形圖案的特點去理解分形幾何。分形圖案有一系列有趣的特點，如自相似性、對某些變換的不變性、內部結構的無限性等。此外，分形圖案往往和一定的幾何變換相聯系，在一些變化下，圖案保持不變，從任意的初始狀態出發，經過若干次的幾何變換，圖形將固定在這個特定的分形圖案上，而不再發生變化。自相似原則和迭代生成原則是分形理論的重要原則。

??分形理論發展了維數的概念。在發現分數維以前，人們習慣於將點定義為零維，直線為一維，平面為二維，空間為三維，愛因斯坦在相對論中引入時間維，就形成四維時空。對某一問題給予多方面的考慮，可建立高維空間，但都是整數維。
??分形是20世紀涌現出的新的科學思想和對世界認識的新視角。從理論上講，它是數學思想的新發展，是人類對於維數、點集等概念的理解的深化與推廣。同時它又與現實的物理世界緊密相連，成為研究混沌(Chaos)現象的重要工具。眾所周知，對混沌現象的研究正是現代理論物理學的前沿和熱點之一。
??由於分形的研究，人們對於隨機性和確定性的辯證關系有了進一步的理解。同樣對於過程和狀態的聯系，對於宏觀和微觀的聯系，對於層次之間的轉化，對於無限性的豐富多采，也都產生了有益的影響。
??分形理論還是非線性科學的前沿和重要分支，作為一種方法論和認識論，其啟示是多方面的：一是分形整體與局部形態的相似，啟發人們通過認識局部來認識整體，從有限中認識無限；二是分形揭示了介於整體與部分、有序與無序、復雜與簡單之間的新形態和秩序；三是分形從特定層面揭示了世界普遍聯系和統一的圖景。
分形學的應用領域
??除了理論上的意義之外，在實際應用中，分形也顯示了巨大的潛力，它已經在許多領域中得到有效的應用，其應用范圍之廣、效益之明顯遠遠超過了十幾年前的任何預測。目前大量分形方法的應用案例層出不窮。這些案例涉及的領域包括：生命過程進化，生態系統，數字編碼和解碼，數論，動力系統，理論物理(如流體力學和湍流) 等方面，此外，還有人利用分形學做城市規則和地震預報。
??分形技術在數據壓縮中的應用是一個非常典型的例子。美國數學會會刊在1996年6月的刊物上發表了巴斯利的文章《利用分形進行圖形壓縮》，他把分形用於光碟製作的圖形壓縮中。一般來說，我們總是把一個圖形作為像素的集合來加以存儲和處理。一張最普通的圖片也常常涉及幾十萬乃至上百萬像素，從而占據大量的存儲空間，傳輸速度也大大受到限制。巴斯利運用了分形中的一個重要思想：分形圖案是與某種變換相聯系的，我們可以把任何一個圖形看作是某種變換反復迭代的產物。因此，存儲一個圖形，只需存儲有關這些變換過程的信息，而無需存儲圖形的全部像素信息。只要找到這個變換過程，圖形就可以准確地再現出來，而不必去存儲大量的像素信息。使用這種方法，在實際的應用中，已經達到了壓縮存儲空間至原來1/8的效果。
??近年來，由分形理論發展起來的分形藝術(Fractal Art，FA)，在表現形式和分形幾何的理解等方面亦取得了突破性的進展。分形藝術是二維可視藝術，在許多方面類似於攝影。分形圖像作品一般是通過計算機屏幕和列印機來展現的。分形藝術中的另一個重要部分便是分形音樂，分形音樂是由一個演算法的多重迭代產生的。自相似是分形幾何的本質，有人利用這一原理來建構一些帶有自相似小段的合成音樂，主題在帶有小調的三番五次的反復循環中重復，在節奏方面可以加上一些隨機變化。我們常見的計算機屏幕保護程序，許多也是通過分形計算而得來的。
進入1990年代以來，人們開始越來越多地利用這一理論研究經濟領域的一些問題，主要集中在對金融市場（如股票市場、外匯市場等）的研究。操縱者可以通過在若干時間點上的操縱使股價在微觀尺度上發生所希望的變化；從時間的宏觀尺度上來看，要使股價發生所希望的變化，就要求操縱者具有相當的經濟實力。從分形的角度來看，股票價格具有分形特徵。一方面，股價具有復雜的微觀結構；另一方面，它具有對時間的標度不變性，即在不同的觀測尺度下具有相似的結構，其結構是復雜和簡單、不規則和有序的統一。對股價操縱者來說，要在單個時間點上影響股價並不難，即使是在大的時間尺度上影響股價也是有可能的，但是要想通過人為的操縱，在影響股價的同時，保持股價在時間的微觀和宏觀尺度上的一致性，在技術上就會顯得非常困難。

(2) 曲面造型技術。它是計算機圖形學和計算機輔助幾何設計(Computer Aided Geometric Design)的一項重要內容，主要研究在計算機圖象系統的環境下對曲面的表示、設計、顯示和分析。它肇源於飛機、船舶的外形放樣工藝，由Coons、Bezier等大師於六十年代奠定理論基礎。經三十多年發展，現在它已經形成了以Bezier和B樣條方法為代表的參數化特徵設計和隱式代數曲面表示這兩類方法為主體，以插值(Interpolation) 、擬合(Fitting) 、逼近(Approximation)這三種手段為骨架的幾何理論體系。隨著計算機圖形顯示對於真實性、實時性和交互性要求的日益增強，隨著幾何設計對象向著多樣性、特殊性和拓撲結構復雜性靠攏的趨勢的日益明顯，隨著圖形工業和製造工業邁向一體化、集成化和網路化步伐的日益加快，隨著激光測距掃描等三維數據采樣技術和硬體設備的日益完善，曲面造型在近幾年來得到了長足的發展。這主要表現在研究領域的急劇擴展和表示方法的開拓創新。
一.從研究領域來看，曲面造型技術已從傳統的研究曲面表示、曲面求交和曲面拼接，擴充到曲面變形、曲面重建、曲面簡化、曲面轉換和曲面位差。
曲面變形(Deformation or Shape Blending): 傳統的非均勻有理B樣條(NURBS)曲面模型，僅允許調整控制頂點或權因子來局部改變曲面形狀，至多利用層次細化模型在曲面特定點進行直接操作；一些簡單的基於參數曲線的曲面設計方法，如掃掠法(Sweeping)，蒙皮法(Skinning)，旋轉法和拉伸法，也僅允許調整生成曲線來改變曲面形狀。計算機動畫業和實體造型業迫切需要發展與曲面表示方式無關的變形方法或形狀調配方法，於是產生了自由變形（FFD）法，基於彈性變形或熱彈性力學等物理模型(原理)的變形法，基於求解約束的變形法，基於幾何約束的變形法等曲面變形技術和基於多面體對應關系或基於圖象形態學中Minkowski和操作的曲面形狀調配技術。最近，筆者及其學生劉利剛首創活動局部球面坐標插值的新思想，給出了空間點集內在變數的完整數學描述，從幾何內在解的角度，設計了三維多面體和自由曲面形狀調配的一整套快速有效的演算法，畫面流暢，交互實時，對三維曲面變形的技術難題實現了突破。

曲面重建(Reconstruction)：在精緻的轎車車身設計或人臉-類雕塑曲面的動畫製作中，常用油泥制模，再作三維型值點采樣。在醫學圖象可視化中，也常用CT切片來得到人體臟器表面的三維數據點。從曲面上的部分采樣信息來恢復原始曲面的幾何模型，稱為曲面重建。采樣工具為：激光測距掃描器，醫學成象儀，接觸探測數字轉換器，雷達或地震勘探儀器等。根據重建曲面的形式，它可分為函數型曲面重建和離散型曲面重建這兩類。
曲面簡化(Simplification)：與曲面重建一樣，這一研究領域目前也是國際熱點之一。其基本思想在於從三維重建後的離散曲面或造型軟體的輸出結果（主要是三角網格）中去除冗餘信息而又保證模型的准確度，以利於圖形顯示的實時性、數據存儲的經濟性和數據傳輸的快速性。對於多解析度曲面模型而言，這一技術還有利於建立曲面的層次逼近模型，進行曲面的分層顯示，分層傳輸和分層編輯。具體的曲面簡化方法有：網格頂點剔除法，網格邊界刪除法，網格優化法，最大平面逼近多邊形法以及參數化重新采樣法。
曲面轉換(Conversion)：同一張曲面可以表為不同的數學形式，這一思想不僅具有理論意義，而且具有工業應用的現實意義。例如，NURBS這種參數有理多項式曲面雖然包括了參數多項式曲面的一切優點，但也存在著微分運算繁瑣費時、積分運算無法控制誤差的局限性。而在曲面拼接及物性計算中，這兩種運算是不可避免的。這就提出了把一張NURBS曲面轉化成近似的多項式曲面的問題。同樣的要求更體現在NURBS曲面設計系統與多項式曲面設計系統之間的數據傳遞和無紙化生產的工藝過程中。再如，在兩張參數曲面的求交運算中，如果把其中一張曲面的NURBS形式轉化為隱式，就容易得到方程的數值解。近幾年來，國際圖形界對曲面轉換的研究主要集中在以下幾方面：NURBS曲面用多項式曲面來逼近的演算法及收斂性；Bezier曲線曲面的隱式化及其反問題；CONSURF飛機設計系統的Ball曲線向高維的各種推廣形式的比較及互化；有理Bezier曲線曲面的降階逼近演算法及誤差估計；NURBS曲面在三角域上與矩形域上的互相快速轉化等。
曲面位差(Offset)：也稱為曲面等距性，它在計算機圖形及加工中有廣泛應用，因而成為這幾年的熱門課題之一。例如，數控機床的刀具路徑設計就要研究曲線的等距性。但從數學表達式容易看出，一般而言，一條平面參數曲線的等距曲線不再是有理曲線，這就越出了通用的NURBS系統的使用范圍，造成了軟體設計的復雜性和數值計算的不穩定。
二．從表示方法來看，以網格細分(Subdivision)為特徵的離散造型與傳統的連續造型相比，大有後來居上的創新之勢。而且，這種曲面造型方法在生動逼真的特徵動畫和雕塑曲面的設計加工中如魚得水，得到了高度的運用。
在1998年榮獲奧斯卡大獎的電影作品中，有一個短片赫然在列，這就是美國著名的Pixar動畫電影製片廠選送的作品"Geri's Game"。動畫片描述了一個名叫Geri的老頭，在公園里自己與自己下國際象棋，千方百計想取勝的詼諧故事。畫面中人物和景色的造型細致生動，與故事情節渾然一體，使觀眾得到真正的美學享受。而這部動畫片製作中的設計者，就是以上論文的作者，著名的計算機圖形學家T.DeRose。DeRose在SIGGRAPH'98大會上報告的論文講到了選用C-C細分曲面作為Geri老頭特徵造型模型的背景。他指出，NURBS盡管早已被國際標准組織ISO作為定義工業產品數據交換的STEP標准，在工業造型和動畫製作中得到了廣泛的應用，但仍然存在著局限性。單一的NURBS曲面，如其他參數曲面一樣，限於表示在拓撲上等價於一張紙，一個圓柱面或一個圓環面的曲面，不能表示任意拓撲結構的曲面。為了表達特徵動畫中更復雜的形狀，如人的頭，人的手或人的服飾，我們面臨著一場技術挑戰。當然，我們可以用最普通的復雜光滑曲面的造型方法，例如對NURBS的修剪(Trimming)來對付。確實，目前已經存在一些商用系統，諸如Alias-Wavefront和SoftImage等可以做到這一點，但是它們至少會遭遇到以下的困難：第一，修剪是昂貴的，而且有數值誤差；第二，要在曲面的接縫處保持光滑，即使是近似的平滑也是困難的，因為模型是活動的。而細分曲面有潛力克服以上兩個困難，它們無須修剪，沒有縫，活動模型的平滑度被自動地保證。DeRose成功地應用了C-C的細分曲面造型法，同時發明了構造光滑的變半徑的輪廓線及合成物的實際技術，提出了在服飾模型中碰撞檢測的有效新演算法，構造了關於細分曲面的光滑因子場方法。憑借這些數學和軟體基礎，他形象逼真地表現了Geri老頭的頭殼，手指和衣服，包括茄克衫，褲子，領帶和鞋子。這些都是傳統的NURBS連續曲面造型所不易做到的。那麼，C-C細分曲面是怎樣構造的呢？它與傳統的Doo-Sabin細分曲面異曲同工，都是從一個稱之為控制網格(網格多半可用激光從手工模型上輸入)的多面體開始，遞歸地計算新網格上的每個頂點，這些頂點都是原網格上某幾個頂點的加權平均。如果多面體的一個面有n條邊，細分一次後，這個面就會變成n個四邊形。隨著細分的不斷進行，控制網格就被逐漸磨光，其極限狀態就是一張自由曲面。它是無縫的，因而是平滑的，即使模型是活動的。這種方法顯著地壓縮了設計和建立一個原始模型的時間。更重要的，允許原始模型局部地精製化。這就是它優於連續曲面造型方法之處. C-C細分是基於四邊形的，而Loop曲面(1987年)，蝶形曲面(1990年)是基於三角形的。它們都一樣受到當今圖形工作者的重用。
(3)計算機輔助設計與製造（CAD/CAM）。 這是一個最廣泛，最活躍的應用領域。計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）是利用計算機強有力的計算功能和高效率的圖形處理能力，輔助知識勞動者進行工程和產品的設計與分析，以達到理想的目的或取得創新成果的一種技術。它是綜合了計算機科學與工程設計方法的最新發展而形成的一門新興學科。計算機輔助設計技術的發展是與計算機軟體、硬體技術的發展和完善，與工程設計方法的革新緊密相關的。採用計算機輔助設計已是現代工程設計的迫切需要。CAD技術目前已廣泛應用於國民經濟的各個方面，其主要的應用領域有以下幾個方面。
1．製造業中的應用
CAD技術已在製造業中廣泛應用，其中以機床、汽車、飛機、船舶、航天器等製造業應用最為廣泛、深入。眾所周知，一個產品的設計過程要經過概念設計、詳細設計、結構分析和優化、模擬模擬等幾個主要階段。

同時，現代設計技術將並行工程的概念引入到整個設計過程中，在設計階段就對產品整個生命周期進行綜合考慮。當前先進的CAD應用系統已經將設計、繪圖、分析、模擬、加工等一系列功能集成於一個系統內。現在較常用的軟體有UG II、I-DEAS、CATIA、PRO/E、Euclid等CAD應用系統，這些系統主要運行在圖形工作站平台上。在PC平台上運行的CAD應用軟體主要有Cimatron、Solidwork、MDT、SolidEdge等。由於各種因素，目前在二維CAD系統中Autodesk公司的AutoCAD占據了相當的市場。
2．工程設計中的應用
CAD技術在工程領域中的應用有以下幾個方面：
（1）建築設計，包括方案設計、三維造型、建築渲染圖設計、平面布景、建築構造設計、小區規劃、日照分析、室內裝潢等各類CAD應用軟體。
（2）結構設計，包括有限元分析、結構平面設計、框/排架結構計算和分析、高層結構分析、地基及基礎設計、鋼結構設計與加工等。
（3）設備設計，包括水、電、暖各種設備及管道設計。
（4）城市規劃、城市交通設計，如城市道路、高架、輕軌、地鐵等市政工程設計。
（5）市政管線設計，如自來水、污水排放、煤氣、電力、暖氣、通信（包括電話、有線電視、數據通信等）各類市政管道線路設計。
（6）交通工程設計，如公路、橋梁、鐵路、航空、機場、港口、碼頭等。
（7）水利工程設計，如大壩、水渠、河海工程等。
（8）其他工程設計和管理，如房地產開發及物業管理、工程概預算、施工過程式控制制與管理、旅遊景點設計與布置、智能大廈設計等。
3．電氣和電子電路方面的應用
CAD技術最早曾用於電路原理圖和布線圖的設計工作。目前，CAD技術已擴展到印刷電路板的設計（布線及元器件布局），並在集成電路、大規模集成電路和超大規模集成電路的設計製造中大顯身手，並由此大大推動了微電子技術和計算及技術的發展。
4．模擬模擬和動畫製作
應用CAD技術可以真實地模擬機械零件的加工處理過程、飛機起降、船舶進出港口、物體受力破壞分析、飛行訓練環境、作戰方針系統、事故現場重現等現象。在文化娛樂界已大量利用計算機造型模擬出逼真的現實世界中沒有的原始動物、外星人以及各種場景等，並將動畫和實際背景以及演員的表演天衣無縫地合在一起，在電影製作技術上大放異彩，拍制出一個個激動人心的巨片。
5．其他應用
CAD技術除了在上述領域中的應用外，在輕工、紡織、家電、服裝、製鞋、醫療和醫葯乃至體育方面都會用到CAD技術
CAD標准化體系進一步完善；系統智能化成為又一個技術熱點；集成化成為CAD技術發展的一大趨勢；科學計算可視化、虛擬設計、虛擬製造技術是20世紀90年代CAD技術發展的新趨向。
經過了一階段計算機圖形學的學習，對於圖形學中基本圖形的生成演算法有了一定的了解。深度研究圖形學，需要高深的數學知識，且每一個細化的方向需要的知識也不一樣。圖形學是計算機科學與技術學科的活躍前沿學科，被廣泛的應用到生物學、物理學、化學、天文學、地球物理學、材料科學等領域。我深深感到這門學科涉及的領域之廣是驚人的，可以說博大精深。