1、第10章 圖形學(xué)和可視化,學(xué)習(xí)目標(biāo) 了解圖形系統(tǒng)、圖形用戶界面的程序設(shè)計、虛擬現(xiàn)實。 掌握圖形學(xué)基本概念、計算機視覺和可視化。,第10章 圖形學(xué)和可視化,10.1 圖形學(xué)基本概念 10.1.1 計算機圖形信息的處理,計算機圖形學(xué)(Computer Graphics)：是研究怎樣用計算機構(gòu)造(生成)圖形，并把圖形的描述數(shù)據(jù)(數(shù)學(xué)模型)通過指定的算法轉(zhuǎn)換(處理)成圖形顯示的一門學(xué)科。 圖像處理(Image Processing)：是將客觀世界中原來存在的物體影像處理成新的數(shù)字化圖像的相關(guān)技術(shù)。 模式識別：是當(dāng)圖像信息輸入計算機后，先對它進行預(yù)處理和特征抽取等處理；然后對圖像進行分析和識別，找出其中

2、蘊涵的內(nèi)在聯(lián)系或抽象模型；最后由計算機按照要求得到該圖像的分類與描述。,10.1.1 計算機圖形信息的處理,計算機圖形學(xué)、圖像處理和模式識別三者之間有千絲萬縷的聯(lián)系，彼此相互融合、相互促進,10.1.2 計算機圖形學(xué)的起源,1952年在美國麻省理工學(xué)院的實驗室里誕生了世界上第一臺數(shù)控銑床的原型。 1963年，麻省理工學(xué)院的Lvan E. Sutherland發(fā)表了“畫板(Sketckpad)：一個人機圖形通信系統(tǒng)”的博士論文。 1964年孔斯(Steve Coons)提出了用小塊曲面片組合表示自由型曲面時使曲面片邊界上達到任意高次連續(xù)階的理論方法。 20世紀60年代中期開始，麻省理工學(xué)院、通用

3、汽車公司、洛克西德飛機制造公司、貝爾電話實驗室等都展開了計算機圖形顯示的工作。 20世紀70年代后，相繼出臺了許多圖形標(biāo)準(zhǔn)，圖形軟件的開發(fā)也更加方便，計算機圖形學(xué)發(fā)展趨于成熟。,10.1.3 計算機圖形學(xué)主要研究的內(nèi)容,計算機圖形學(xué)的主要研究對象是點、線、面、體、場的數(shù)學(xué)構(gòu)造方法與其圖形顯示，以及它們隨時間變化的情況。 描述復(fù)雜物體圖形的方法與數(shù)學(xué)工具 物體圖形描述數(shù)據(jù)的輸入 幾何圖形數(shù)據(jù)的存儲 物體圖形數(shù)據(jù)的運算處理 物體圖形數(shù)據(jù)的輸出顯示 實時動畫和多媒體技術(shù) 制定與圖形應(yīng)用軟件有關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),10.1.4 計算機圖形學(xué)的應(yīng)用,計算機輔助設(shè)計與制造(CAD/CAM) 用戶可視化接口 地理信

4、息系統(tǒng)與制圖 過程控制和指揮系統(tǒng) 計算機動畫和藝術(shù),10.1.5 計算機圖形的標(biāo)準(zhǔn)化,國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和其他一些機構(gòu)相繼提出了許多計算機圖形學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)都遵循與計算機硬件無關(guān)，能實現(xiàn)程序的可移植性的原則。 計算機圖形接口(Computer Graphics Interface：CGI) 計算機圖形元文件標(biāo)準(zhǔn)(Computer Graphics Metafile：CGM) 計算機圖形核心系統(tǒng)(Graphics Kernel System：GKS) 初始圖形交換規(guī)范(Initial Graphics Exchange Specification：IGES) 圖形庫(Graphics Libra

5、ry：GL) 程序員層次交互式圖形系統(tǒng)(Programmers Hierarchical Interactive Graphics System：PHIGS) 計算機圖形參考模型(Computer Graphics Reference Model：CGRM),10.1.6 常見的圖形圖像格式,1BMP格式 2GIF格式：圖形交換格式(Graphics Interchange Format：GIF) 3JPEG格式：Joint Photographic Experts Group 4TIFF格式：Tag Image File Format 5PNG格式 ：可移植性網(wǎng)絡(luò)圖像 (Portable N

6、etwork Graphics：PNG) 5PCX格式 6PSD格式 7CDR格式,10.2 圖 形 系 統(tǒng),1圖形系統(tǒng)的處理器 圖形形成 圖形顯示 2圖形系統(tǒng)的存儲器 3圖形系統(tǒng)的輸入設(shè)備 向量型圖形輸入設(shè)備 光柵掃描型圖形輸入設(shè)備 4圖形系統(tǒng)的輸出設(shè)備 顯示器 打印機 繪圖儀,10.3 計算機視覺和可視化10.3.1 人的視覺,視覺是人最重要的感覺，它是人的主要感覺來源，因為人認識外界信息中70%來自視覺。 視覺是一個復(fù)雜的感知和思維過程，視覺器官(眼睛)接受外界的刺激信息，而大腦對這些信息通過復(fù)雜的機理進行處理和解釋，使這些刺激具有明確的物理意義。,10.3.2 計算機視覺,計算機視覺(

7、Computational Vision)就是用各種成像系統(tǒng)代替視覺器官作為輸入敏感手段，由計算機來代替大腦完成處理和解釋。計算機視覺的最終研究目標(biāo)就是使計算機能像人那樣通過視覺觀察和理解世界，具有自主適應(yīng)環(huán)境的能力。,10.3.3 可視化,數(shù)據(jù)可視化(Data Visualization)技術(shù)是指運用計算機圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術(shù)。 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)可視化概念已大大擴展，它不僅包括科學(xué)計算數(shù)據(jù)的可視化，而且包括工程數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)的可視化。,10.4 圖形用戶界面,程序員設(shè)計的用戶界面應(yīng)該是一個直觀的、對用戶透明的

8、界面。 每一個程序員在編程過程中都應(yīng)當(dāng)遵循某些最基本的標(biāo)準(zhǔn)，盡管他們對這些標(biāo)準(zhǔn)中某些部分還很不熟悉，或者沒有被用到。 一個好的圖形用戶界面應(yīng)當(dāng)是由用戶來控制應(yīng)用如何工作，如何響應(yīng)，而不是由程序員按自己的意愿把操作流程強加給用戶。 當(dāng)編寫事件驅(qū)動程序時，應(yīng)為每一個動作或事件指定一個且惟一的響應(yīng)程序，觸發(fā)這些事件、使這些響應(yīng)程序執(zhí)行的源動力不是應(yīng)用，而是用戶。,10.5 圖像通信,圖像通信便是用來傳送靜止的或活動的圖像信息的通信，它能把用符號、語言所難以描述的任意圖形、繪畫，以至動作、色彩等，通過電信手段傳送給對方，為對方的視覺所接收。 圖像通信是一種利用視覺的通信，接收者所收到的圖像可以是像傳真

9、那樣的“硬拷貝”，也可以是像電視電話熒光屏上所顯示的(不作記錄的)的“軟拷貝”。,圖像通信系統(tǒng)有兩種構(gòu)成方式，即終端對終端方式和終端對中心方式。 圖像通信有多種分類方法: 按接收方顯示圖像的方式來分，可以分為圖像記錄通信和映像通信。 根據(jù)圖像通信的利用形態(tài)來分，可分為終端對終端的通信和終端對中心的通信。,10.5 圖像通信,10.6 幾何建模,幾何建模就是形體的描述和表達，是建立在幾何信息和拓撲信息基礎(chǔ)上的建模，主要處理零件的幾何信息和拓撲信息。幾何信息一般是指物體在歐氏空間(歐氏幾何所研究的空間稱歐氏空間，它是現(xiàn)實空間的一個最簡單并且相當(dāng)確切的近似描述)中的形狀、位置和大小，一般指點、線、面

10、、體的信息。拓撲信息則是指物體各分量的數(shù)目及其相互間的連接關(guān)系。 幾何建模系統(tǒng)是能夠定義、描述、生成幾何實體，并能交互編輯的系統(tǒng)。模型一般由數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法3部分組成。目前常用的三維幾何造型系統(tǒng)是線框造型、表面造型和實體造型。,10.7 計算機動畫,計算機動畫(Computer Animation)，又稱計算機繪圖技術(shù)，是通過使用計算機制作動畫的藝術(shù)，它是計算機圖形學(xué)和動畫的子領(lǐng)域。 計算機動畫分二維動畫和三維動畫。二維動畫是平面上的畫面。紙張、照片或計算機屏幕顯示，無論畫面的立體感多強，終究是二維空間上模擬真實三維空間效果；三維動畫的畫面中的景物有正面、側(cè)面和反面，調(diào)整三維空間的視點，能

11、夠看到不同的內(nèi)容。,10.8虛擬現(xiàn)實10.8.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)基本概念,虛擬現(xiàn)實(Vorture Reality：VR)是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)。 虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality Technology：VRT)的出現(xiàn)實際是計算機圖形學(xué)、人機接口技術(shù)、傳感器技術(shù)以及人工智能技術(shù)等交叉與綜合的結(jié)果。,10.8.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展和特征,虛擬現(xiàn)實技術(shù)的歷史可以追溯到本世紀六十年代，以美國為代表。 1993年，IEEE在Seattle(西雅圖)召開了第一屆虛擬現(xiàn)實國際學(xué)術(shù)會議，會議吸引了大批科技工作者，發(fā)表了大量有價值的論文。不久，IEEE的刊物Spectrum也組織

12、了有關(guān)專集。Burdea G在Electro 93國際會議上發(fā)表的“Virtual Reality System and Application”一文中，提出了虛擬現(xiàn)實技術(shù)三角形，即三“I”特征：Immersion(沉浸) 、Interaction(交互)、Imagination(想象) 。,沉浸性（虛擬現(xiàn)實技術(shù)的浸沒感或臨場參與感 ） 交互性（開放、互動的環(huán)境） 想象性（以視覺形式反映了設(shè)計者的思想）,10.8.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展和特征,10.8.3 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成,虛擬現(xiàn)實一般有三個要素組成：軟件播放平臺、專業(yè)計算機(SGI)、成像設(shè)備。為了構(gòu)造一個全面的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，在硬件方面需

13、要有以下幾種設(shè)備的支持： 跟蹤系統(tǒng) 觸覺系統(tǒng) 音頻系統(tǒng) 圖像生成和現(xiàn)實系統(tǒng) 高性能計算處理系統(tǒng),在軟件方面，除一般所需的軟件支撐環(huán)境外，主要是提供一個產(chǎn)生虛擬環(huán)境的工具集或產(chǎn)生虛擬環(huán)境的“外殼”。它至少應(yīng)該具有以下功能： 能夠接受各種高性能傳感器的信息，如頭盔的跟蹤信息。 能生成立體的現(xiàn)實圖形。 能把各種數(shù)據(jù)庫、各種CAD軟件進行調(diào)用和互聯(lián)的集成環(huán)境。,10.8.3 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成,10.8.4 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分類,沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) 桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) 增強式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) 分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),當(dāng)前國際上，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究大致可以分為三類： 研究虛擬人機交互界面，這一類人員大多是由研究圖形

14、學(xué)、行為學(xué)或是心理學(xué)的專家組成。 研究虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)造技術(shù)，主要研究內(nèi)容包括實時生成有真實感的圖形畫面的算法和硬件體系結(jié)構(gòu)，較有代表性的研究機構(gòu)是北卡大學(xué)(University of North Carolina) 。 著重于研究虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用。在這一研究人員中，人工智能界顯示出了高度的熱情，有許多的人工智能理論專家和機器人專家參與研究，代表性的研究機構(gòu)有美國的卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(Carnegie Mellon University)。,10.8.4 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分類,10.8.5 VRML虛擬現(xiàn)實建模語言,VRML語言概述 虛擬實境描述模型語言(Virtual Reality Modeling

15、 Language：VRML)是描述虛擬環(huán)境中場景的一種標(biāo)準(zhǔn)，利用它可以在Internet建立交互式的三維多媒體的境界。 VRML的基本特征包括：包括分布式、三維、交互性、多媒體集成和場景逼真性等。 VRML是一種建模語言，其基本目標(biāo)是建立Internet上的交互式三維多媒體。,10.8.5 VRML虛擬現(xiàn)實建模語言,VRML的特點 VRML定義了一組能描述三維圖形的對象節(jié)點(node)。 節(jié)點被安排成層次結(jié)構(gòu)場景圖(scene graph)。 場景圖定義了節(jié)點的順序場景圖的狀態(tài)依賴于早期節(jié)點并影響著后來的節(jié)點。 分隔符(separator)的應(yīng)用可以使一部分場景與其他部分相互獨立。 結(jié)點的特性由下列信息決定： 對象類型：立方體(cube)、球(sphere)、紋理映射(texture map)、變換(transformation)等。 描述此對象的參數(shù)。,10.8.5 VRML虛擬現(xiàn)實建模語言,VRML的發(fā)展前景 工程應(yīng)用 商業(yè)應(yīng)用 教育應(yīng)用 娛樂應(yīng)用,10 .8.6虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用,1科學(xué)可視化 2工業(yè)應(yīng)用 3教育與培訓(xùn) 4建筑設(shè)計與城市