計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論(第2版)第9章 圖形學(xué)和可視化

計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論 學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)專業(yè)的第一門基礎(chǔ)課程 第 9章 圖形學(xué)和可視化 本章學(xué)習(xí)目標(biāo) 掌握圖形學(xué)基本概念 了解圖形系統(tǒng) 掌握計(jì)算機(jī)視覺和可視化 了解圖形用戶界面的程序設(shè)計(jì) 了解人機(jī)交互 了解虛擬現(xiàn)實(shí) 圖形學(xué)基本概念 計(jì)算機(jī)圖形信息的處理 計(jì)算機(jī)圖形學(xué) (是研究怎樣用計(jì)算機(jī)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 (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(jì)算機(jī)后，先對它進(jìn)行預(yù)處理和特征抽取等處理；然后對圖像進(jìn)行分析和識別，找出其中蘊(yùn)涵的內(nèi)在聯(lián)系或抽象模型；最后由計(jì)算機(jī)按照要求得到該圖像的分類與描述。 計(jì)算機(jī)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(jìn) 圖像處理 計(jì)算機(jī)圖形學(xué) 模式識別 處理對象的模型描述 處理對象的圖形顯示 數(shù)字成像的一般處理過程 (1) 建立模擬對象的幾何模型。 (2) 將單個(gè)物體進(jìn)行組裝。 (3) 確定觀察點(diǎn)位置。 (4) 確定顯示范圍。 (5) 確定圖形顯示器屏面上的顯示范圍。 (6) 計(jì)算各單元三角形的法向矢量，根據(jù)光照模型確定可見三角形表面的亮度和色彩。 (7) 顯示所有可見的三角形單元。 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的起源 從 20世紀(jì) 50年代初到 60年代中，麻省理工學(xué)院開始從事現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) /制造技術(shù)的開拓性研究 。 1963年，麻省理工學(xué)院的 . 板( 1964年孔斯 (出了用小塊曲面片組合表示自由型曲面時(shí)使曲面片邊界上達(dá)到任意高次連續(xù)階的理論方法。 20世紀(jì) 60年代中期開始，麻省理工學(xué)院、通用汽車公司、洛克西德飛機(jī)制造公司、貝爾電話實(shí)驗(yàn)室等都展開了計(jì)算機(jī)圖形顯示的工作。 20世紀(jì) 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(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展趨于成熟。 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)主要研究的內(nèi)容 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究對象是 點(diǎn)、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(shí)間變化的情況。 (1) 描述復(fù)雜物體圖形的方法與數(shù)學(xué)工具。 (2) 物體圖形描述數(shù)據(jù)的輸入。 (3) 幾何圖形數(shù)據(jù)的存儲。 (4) 物體圖形數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理 (5) 物體圖形數(shù)據(jù)的輸出顯示。 (6) 實(shí)時(shí)動畫和多媒體技術(shù)。 (7) 制定與圖形應(yīng)用軟件有關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用 1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造 ( 2用戶可視化接口 3地理信息系統(tǒng)與制圖 4過程控制和指揮系統(tǒng) 5計(jì)算機(jī)動畫和藝術(shù) 計(jì)算機(jī)圖形的標(biāo)準(zhǔn)化 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和其他一些機(jī)構(gòu)相繼提出了許多計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)都遵循與計(jì)算機(jī)硬件無關(guān)，能實(shí)現(xiàn)程序的可移植性的原則。 1計(jì)算機(jī)圖形接口 ( 2計(jì)算機(jī)圖形元文件標(biāo)準(zhǔn) ( 3計(jì)算機(jī)圖形核心系統(tǒng) ( 4初始圖形交換規(guī)范 ( 5圖形庫 ( 6程序員層次交互式圖形系統(tǒng) (s 7計(jì)算機(jī)圖形參考模型 ( 常見的圖形圖像格式 1 2 圖形交換格式 ( 3 4 5 ： 可移植性網(wǎng)絡(luò)圖像 ( 5 6 7 圖 形 系 統(tǒng) 1圖形系統(tǒng)的處理器 (1) 圖形形成 (2) 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 (1) 向量型圖形輸入設(shè)備 (2) 光柵掃描型圖形輸入設(shè)備 4圖形系統(tǒng)的輸出設(shè)備 (1) 顯示器 (2) 打印機(jī) (3) 繪圖儀 計(jì)算機(jī)視覺和可視化 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?yàn)槿苏J(rèn)識外界信息中 70%來自視覺。 視覺 是一個(gè)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(jī)理進(jìn)行處理和解釋，使這些刺激具有明確的物理意義。 計(jì)算機(jī)視覺 計(jì)算機(jī)視覺 (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(jì)算機(jī)來代替大腦完成處理和解釋。 計(jì)算機(jī)視覺的最終研究目標(biāo) 就是使計(jì)算機(jī)能象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，這是要經(jīng)過長期努力才能達(dá)到的目標(biāo)。 計(jì)算機(jī)視覺的研究與人類視覺的研究密切相關(guān)，為實(shí)現(xiàn)建立與人的視覺系統(tǒng)相類似的通用計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的目標(biāo)就必須建立人類視覺的計(jì)算理論。 可視化 現(xiàn)代的數(shù)據(jù)可視化 (術(shù)是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)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(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)可視化概念已大大擴(kuò)展，它不僅包括科學(xué)計(jì)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。 圖形用戶界面 程序員設(shè)計(jì)的用戶界面應(yīng)該是一個(gè)直觀的、對用戶透明的界面。 每一個(gè)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(gè)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(qiáng)加給用戶。 當(dāng)編寫事件驅(qū)動程序時(shí)，應(yīng)為每一個(gè)動作或事件指定一個(gè)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。 人 機(jī) 交 互 人機(jī)交互技術(shù)基礎(chǔ) 人機(jī)交互技術(shù) (指通過計(jì)算機(jī)輸入、輸出設(shè)備，以有效的方式實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)對話的技術(shù)。 人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了四各階段： 1第一階段 (1959 1970) 2第二階段 (1970 1979) 3第三階段 (1980 1995) 4第四階段 (1996 ) 人機(jī)交互模型 人機(jī)交互模型是對人機(jī)交互系統(tǒng)中的交互機(jī)制進(jìn)行描述的結(jié)構(gòu)概念模型。 1人機(jī)交互框架模型 2用戶概念模型 用戶概念模型用于提供用戶的基本信息，描述用戶的信息可以根據(jù)設(shè)計(jì)用途分為 3類。 (1) 用戶的個(gè)人信息 (2) 應(yīng)用人群信息 (3) 用戶與系統(tǒng)的連接信息 人機(jī)系統(tǒng)交互界面的構(gòu)架 1命令語言交互界面 (1) 形式語言 (2) 自然語言 (3) 類自然語言 2圖形用戶交互界面 3多媒體人機(jī)交互界面 4多通道人機(jī)交互界面 5虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互界面 人機(jī)界面的設(shè)計(jì) 1人機(jī)界面應(yīng)具備的特性 (1) 功能性界面 (2) 情感性界面 (3) 環(huán)境性界面 2人機(jī)界面的設(shè)計(jì)原則 (1) 用戶針對性原則 (2) 盡量減少用戶的工作 (3) 應(yīng)用程序與人機(jī)界面相分離 (4) 人機(jī)界面一致性 (5) 系統(tǒng)反饋及時(shí)性 (6) 使用圖形 (7) 盡量減少用戶記憶 (8) 及時(shí)的出錯處理及幫助功能 3人機(jī)界面的設(shè)計(jì)方法 (1) 繪制窗體和消息流程圖 (2) 制作用戶界面原型 (3) 從用戶那里獲取反饋信息 (4) 疊代修改用戶界面 4人機(jī)界面的設(shè)計(jì)過程 (1) 創(chuàng)建系統(tǒng)功能的外部模型 (2) 確定為完成此系統(tǒng)功能人和計(jì)算機(jī)應(yīng)分別完成的任務(wù) (3) 考慮界面設(shè)計(jì)中的典型問題 (4) 借助 5網(wǎng)絡(luò)界面設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)交互 數(shù)據(jù)交互： 是人通過輸入數(shù)據(jù)的方式與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交流的一種方式，它是人機(jī)交互的重要內(nèi)容和形式。 1數(shù)據(jù)交互的方式 (1) 問答式對話數(shù)據(jù)輸入交互 (2) 菜單選擇數(shù)據(jù)輸入交互 (3) 填表數(shù)據(jù)輸入交互 (4) 直接操縱數(shù)據(jù)輸入交互 (5) 關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)輸入交互 (6) 條形碼數(shù)據(jù)輸入 (7) 光學(xué)字符識別 (8) 聲音數(shù)據(jù)輸入交互 (9) 圖像數(shù)據(jù)輸入 2數(shù)據(jù)交互設(shè)備 語音交互 語言 一直被公認(rèn)為是最自然的流暢，方便快捷的信息交流方式。 在日常生活中人類的溝通大約有 75%是通過語音來完成的。 語音交互就是研究人們?nèi)绾瓮ㄟ^自然的語音或機(jī)器合成的語音同計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互的技術(shù)。語音交互系統(tǒng)一般采取兩種途徑： （ 1）用基于語音識別和理解技術(shù) （ 2）利用語音技術(shù)與系統(tǒng)的其他交互方式結(jié)合在一起來進(jìn)行交互的系統(tǒng) 圖像交互 圖像交互 ：簡單說，就是計(jì)算機(jī)根據(jù)人的行為，去理解圖像，然后作出反應(yīng)。 目前人們研究的機(jī)器視覺系統(tǒng)可以分為三個(gè)層次：圖像處理 (最低級層次 )、圖像識別 (較高級層次 )、圖像感知 (最高層次 )。 行為交互 通過身體的姿態(tài)和動作來表達(dá)意思，這就是所謂的 人體行為交互 。 人體行為交互方法不僅能夠加強(qiáng)語言的表達(dá)能力，有時(shí)還能起到語音交互所不能起到的作用。 行為交互將帶來全新的交互方式。計(jì)算機(jī)通過用戶行為能夠預(yù)測用戶想要做什么來滿足用戶的需求。 擬現(xiàn)實(shí) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基本概念 虛擬現(xiàn)實(shí) (一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) (出現(xiàn)實(shí)際是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)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。 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展和特征 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的歷史可以追溯到本世紀(jì)六十年代，以美國為代表。 1993年， 雅圖 )召開了第一屆虛擬現(xiàn)實(shí)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(jià)值的論文。不久， 在 3國際會議上發(fā)表的“ 文中，提出了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)三角形，即三“ I”特征： 浸 ) 、互 )、 象 ) 。 1沉浸性 （虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的浸沒感或臨場參與感 ） 2交互性 （開放、互動的環(huán)境） 3想象性 （以視覺形式反映了設(shè)計(jì)者的思想） I m m e r s i o n I m a g i n a t i o n I n t e r a c t i o n 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的組成 虛擬現(xiàn)實(shí)一般有三個(gè)要素組成：軟件播放平臺、專業(yè)計(jì)算機(jī) (成像設(shè)備。為了構(gòu)造一個(gè)全面的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，在硬件方面需要有以下幾種設(shè)備的支持： (1) 跟蹤系統(tǒng) (2) 觸覺系統(tǒng) (3) 音頻系統(tǒng) (4) 圖像生成和現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) (5) 高性能計(jì)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(gè)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： (1) 能夠接受各種高性能傳感器的信息，如頭盔的跟蹤信息。 (2) 能生成立體的現(xiàn)實(shí)圖形。 (3) 能把各種數(shù)據(jù)庫、各種 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)分類 1沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) 2桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) 3增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) 4分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) 當(dāng)前國際上，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究大致可以分為三類： 第一類是研究虛擬人機(jī)交互界面，這一類人員大多是由研究圖形學(xué)、行為學(xué)或是心理學(xué)的專家組成。 第二類是研究虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)造技術(shù)，主要研究內(nèi)容包括實(shí)時(shí)生成有真實(shí)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(jī)構(gòu)是北卡大學(xué) (。 第三類著重于研究虛擬現(xiàn)實(shí)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(jī)器人專家參與研究，代表性的研究機(jī)構(gòu)有美國的卡內(nèi)基梅隆大學(xué) ( 1 虛擬實(shí)境描述模型語言 (描述虛擬環(huán)境中場景的一種標(biāo)準(zhǔn)，利用它可以在 互式、平臺無關(guān)、三維、多媒體集成、逼真自然等。 基本目標(biāo)是建立 2 (1) 節(jié)點(diǎn)( (2) 節(jié)點(diǎn)被安排成層次結(jié)構(gòu) 場景圖 ( (3) 場景圖定義了節(jié)點(diǎn)的順序 場景圖的狀態(tài)依賴于早期節(jié)點(diǎn)并影響著后來的節(jié)點(diǎn)。 (4) 分隔符 (應(yīng)用可以使一部分場景與其他部分相互獨(dú)立。 節(jié)點(diǎn)的特性由下列信息決定： (5) 對象類型：立方體 (球 (紋理映射(變換 (。 (6) 描述此對象的參數(shù)。 3 (1) 工程應(yīng)用 (2) 商業(yè)應(yīng)用 (3) 教育應(yīng)用 (4) 娛樂應(yīng)用 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究與應(yīng)用 1國外的研究狀況 2我國的研究狀況 (1) 城市規(guī)劃 (2) 大型工程漫游 (3) 名勝古跡虛擬旅游 (4) 虛擬房地產(chǎn)推銷 (5)數(shù)字化酒店展示系統(tǒng) 實(shí)時(shí)瀏覽每套客房的三維虛擬場景 通過菜單選項(xiàng)可以進(jìn)行不同客房的切換演示 瀏覽過程中顯示客房的標(biāo)準(zhǔn)、面積、價(jià)位等基本信息 房間中的收費(fèi)項(xiàng)目均可進(jìn)行交互獲取相關(guān)信息 交互式客房服務(wù)信息 (6) 教育領(lǐng)域 3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀 (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(jì)與城市規(guī)劃 (5) 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域 (6) 軍事與航空航天 (7) 商