計算機圖形學 簡介1

計算機圖形學吳偉計算機學院E-mail:wuwei_imu@163.com2圖形圖像是人類相互交流和認識客觀世界的主要媒體,圖形圖像是現(xiàn)代信息化社會的重要支柱。視覺系統(tǒng)幫助人類從外界獲取3/4以上的信息；視覺信息所獲得的客觀作用是其它信息不能替代的。圖形圖像科學是理論與現(xiàn)代高科技相結合、系統(tǒng)研究各種視覺原理、技術和應用的綜合性很強的交叉學科。人類基于視覺的活動是一個廣闊、復雜和富有挑戰(zhàn)性的研究領域，圖形圖像科學和技術是這個領域有力的工具。圖形圖像學科具有涉及面廣，內容豐富，跨行業(yè)、跨學科特點研究方法：與數(shù)學、物理學、生理學、心理學、電子學等許多學科可以相互借鑒；研究范圍：與人工智能、神經網絡、遺傳算法、模糊邏輯等理論和技術都有密切關系；發(fā)展應用：與醫(yī)學、遙感、通訊、影視和工業(yè)自動化等許多領域不可分割的?？茖W史上，它代表著最活躍和令人振奮的邊緣學科之一?！駡D形圖像學科?學科地位?學科概略?圖形學?圖像處理?計算幾何?計算機視覺?圖形與視覺?學科特點?學科方向●計算機圖形學●課程內容方式3圖形圖像是社會生活和工業(yè)領域傳遞信息的最主要媒體。人類的知識和信息有80%來自于視覺，俗話說：“百聞不如一見”、“一幅畫勝于千句話”。圖形學是信息技術中不可缺少的重要內容和發(fā)展基石。例：人機界面的發(fā)展讀卡機及控制面板上的開關、指示燈→鍵盤和字符終端→WIMP為特征的圖形用戶界面GUI

基于鍵盤、鼠標等輸入設備＋光柵顯示器→用戶“臨境”和“沉浸”感覺的三維虛擬現(xiàn)實環(huán)境。反映了計算機技術從初始到高級的發(fā)展過程；體現(xiàn)了計算機圖形學在計算機軟硬件發(fā)展過程中的推動作用和發(fā)展歷程。圖形學應用已滲透到社會生活和工業(yè)生產的幾乎一切領域，并與這些領域自身發(fā)展相互推動、互相促進。圖形學的地位和作用●圖形圖像學科?學科地位?學科概略?圖形學?圖像處理?計算幾何?計算機視覺?圖形與視覺?學科特點?學科方向●計算機圖形學●課程內容方式4圖形圖像學科概略圖象查詢、分類圖象處理、效果增強機器視覺物體建摸、造型真實感圖形動畫、多媒體場景模擬虛擬現(xiàn)實圖形用戶界面模型生成圖形生成計算機視覺計算機圖形學圖像處理計算幾何客觀世界(對象模型)模型變換設備環(huán)境(圖形顯示)圖像變換●圖形圖像學科?學科地位?學科概略?圖形學?圖像處理?計算幾何?計算機視覺?圖形與視覺?學科特點?學科方向●計算機圖形學●課程內容方式5計算機圖形學從給定幾何基元(如線、圓、曲線、曲面、實體等)的幾何描述來生成圖像；討論由非圖像的信息(自然事物)產生“逼真”的圖像，是研究自然事物的建模、表示和顯示的方法。輸入：客觀對象表示；輸出：圖像顯示。模型生成圖元組合對象構造交互輸入圖形輸出人機交互圖形模型生成菜單輸入圖形顯示對象模型圖形顯示客觀世界模型生成圖形生成●圖形圖像學科?學科地位?學科概略?圖形學?圖像處理?計算幾何?計算機視覺?圖形與視覺?學科特點?學科方向●計算機圖形學●課程內容方式交互式計算機圖形系統(tǒng)6圖像處理它所討論的問題中輸入和輸出兩者均為圖像。主要研究：如何對一幅連續(xù)的圖像量化以產生數(shù)字圖像；改善圖像顯示質量或效果、如何對數(shù)字圖像做各種變換以方便處理；如何濾除圖像中無用噪聲或增強圖像中某些特征；如何壓縮圖像數(shù)據(jù)以便于存儲和傳輸?shù)??！駡D形圖像學科?學科地位?學科概略?圖形學?圖像處理?計算幾何?計算機視覺?圖形與視覺?學科特點?學科方向●計算機圖形學●課程內容方式7計算幾何著重討論幾何形體在計算機內的表示、分析和綜合。它研究如何方便靈活地建立幾何形體的數(shù)學模型，提高算法的效率；在計算機內如何更好地存儲和管理這些模型等。主要研究內容：曲線曲面的表示、生成、拼接和造型；三維實體造型；散亂數(shù)據(jù)插值；計算復雜性等?！駡D形圖像學科?學科地位?學科概略?圖形學?圖像處理?計算幾何?計算機視覺?圖形與視覺?學科特點?學科方向●計算機圖形學●課程內容方式8計算機視覺討論對輸入圖像的描述或歸類的方法。分析和識別輸入圖像，并從中提取二維或三維的數(shù)據(jù)模型或特征，再將其變換到抽象的描述。這個描述比圖形學數(shù)學模型更抽象，更富語義：一組數(shù)、一串符號或一個圖(graph)。手寫漢字、字符識別；機器人視覺；醫(yī)療自動診斷；遙感檢測與分析等。●圖形圖像學科?學科地位?學科概略?圖形學?圖像處理?計算幾何?計算機視覺?圖形與視覺?學科特點?學科方向●計算機圖形學●課程內容方式9計算機圖形學與計算機視覺計算機圖形學屬圖像綜合，計算機視覺屬圖像分析。簡單看來，計算機圖形學與計算機視覺是互逆的過程。實際上，這兩個領域的早期發(fā)展沒有什么聯(lián)系。近年來兩者的發(fā)展越來越相近：圖形技術在視覺系統(tǒng)的人機交互和建模等過程中起很大的作用，某些圖形可認為是圖像分析結果的可視化；計算機真實感景物生成可看作是圖像分析的逆過程，需使用計算機視覺技術，以在計算機中建立逼真的圖像模型?；趫D像的繪制、可視化和虛擬現(xiàn)實將這兩個領域緊密地結合在一起。需要注意：圖像理解與計算機視覺中存在許多不確定性；計算機圖形學處理的多是確定性問題數(shù)學途徑可解決的問題，許多情況下是在圖形生成速度和精度（即實時性和逼真度）間取得某種妥協(xié)。●圖形圖像學科?學科地位?學科概略?圖形學?圖像處理?計算幾何?計算機視覺?圖形與視覺?學科特點?學科方向●計算機圖形學●課程內容方式10學科特點與趨勢共同點：以人類視覺信息為處理對象。以圖形/圖像在計算機中的建模和表示為基礎（數(shù)據(jù)結構、存貯以及檢索、壓縮）在人工智能、神經網絡、遺傳算法等新理論、新工具和新技術的支持下得到進一步發(fā)展。趨勢：集成和融合隨著科學技術的發(fā)展和應用的不斷深入，學科界限越來越模糊，各學科互相聯(lián)系，覆蓋面有所重合、滲透和融合。例如：計算機圖形學離不開曲線、曲面及實體造型技術；幾何造型系統(tǒng)必須用到圖形生成處理技術和圖像處理技術；計算機視覺中的許多概念和方法來自于圖像處理和圖形學。●圖形圖像學科?學科地位?學科概略?圖形學?圖像處理?計算幾何?計算機視覺?圖形與視覺?學科特點?學科方向●計算機圖形學●課程內容方式11圖形圖像的融合對象模型圖形顯示客觀世界模型生成圖形生成模型生成筆畫識別對象識別圖元組合對象構造手繪輸入交互輸入圖形輸出人機交互圖形模型生成菜單輸入圖形顯示基于識別的人機交互(Recognition-basedHCI)●圖形圖像學科?學科地位?學科概略?圖形學?圖像處理?計算幾何?計算機視覺?圖形與視覺?學科特點?學科方向●計算機圖形學●課程內容方式場景圖片圖形輸出模型生成圖像分割特征識別圖像量化圖形顯示基于圖像識別模型生成模型重構基于圖像的繪制(Image-basedRending)數(shù)字圖像獲取設備＋模式識別/機器視覺12計算機圖形學定義計算機圖形學形成于二十世紀六十年代，并逐漸發(fā)展成為以圖形硬件設備、圖形處理專用算法和圖形軟件系統(tǒng)等為研究內容的一門成熟學科。簡言之，計算機圖形學主要研究圖形(圖像)的計算機生成、處理和顯示的一門學科。目前作為商品的圖形軟件和硬件已經能方便地生成各種線畫圖形和自然景物的真實感圖像。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，計算機圖形學的研究內容也不斷豐富和拓展，在新的環(huán)境下賦予了新的思想和內容?！駡D形圖像學科●計算機圖形學?廣義圖形?圖形學圖形?圖形特點?圖形與圖像?圖像文件?圖形文件?圖形學主題?圖形學方向●課程內容方式13廣義圖形定義廣義上，現(xiàn)實世界中能在人類視覺系統(tǒng)中形成視覺印象的客觀對象都稱為圖形主要包括：人眼所觀察到的自然界的物體和景物；用照相機、攝像機等裝置獲得的圖片；用繪圖工具繪制的工程圖紙、各種人工美術繪畫；用數(shù)學方法描述的圖形?？茖W研究中，圖形是對客觀對象的一種抽象表示。它具有兩個信息構成要素：形狀：刻畫圖形形狀構成的點、線、面和體等幾何要素信息；顏色：反映物體表面屬性或材質的灰度、色澤等非幾何要素。

例：半徑為R、圓心在原點的“圓”圖形包括兩方面信息：形狀信息：由多個點組成的、符合X2+Y2=R2的圓；顏色信息：圓周線和圓的內部具有一定顏色（設定）?！駡D形圖像學科●計算機圖形學?廣義圖形?圖形學圖形?圖形特點?圖形與圖像?圖像文件?圖形文件?圖形學主題?圖形學方向●課程內容方式14計算機圖形學中的圖形是圖形廣義與抽象定義的結合。能采用數(shù)學表示方法表示；能在計算機內表示和存儲；能在圖形輸出設備上顯示。計算機圖形學的任務是：在計算機系統(tǒng)內“逼真”地模擬（描繪）各種客觀世界的對象（事物）。計算機圖形學中的圖形與數(shù)學學科中的圖形區(qū)別在于：它比數(shù)學學科中的圖形更具體、更接近它所表示的客觀對象。數(shù)學學科中的圖形是采用幾何和代數(shù)方程或分析表達式等抽象方法所確定的圖形；計算機圖形學中的圖形除了數(shù)學方法所描述的形狀等幾何信息外，還包括顏色、材質等非幾何信息。圖形學中的圖形定義●圖形圖像學科●計算機圖形學?廣義圖形?圖形學圖形?圖形特點?圖形與圖像?圖像文件?圖形文件?圖形學主題?圖形學方向●課程內容方式15通過計算機圖形學中的圖形能夠具體了解它所表示的物體，但它仍是一種抽象。它只能“逼真”地“模擬”這個物體，圖形的“真實感”程度隨著顯示設備的性能和圖形處理技術的不同而變化。尤其是對許多無法用顏色、紋理等顯式（圖形化）表示的非幾何信息的處理是個難點。例如：杯子的圖形顯示

“形狀相同+顏色相同+透明度相同”的兩個杯子→兩個相同的杯子？→杯子的材質？→玻璃杯？塑料杯？金屬杯？陶瓷杯？圖形學中的圖形特點●圖形圖像學科●計算機圖形學?廣義圖形?圖形學圖形?圖形特點?圖形與圖像?圖像文件?圖形文件?圖形學主題?圖形學方向●課程內容方式16圖形”和“圖像”在計算機圖形學中，圖形和圖像的主要區(qū)別在于：圖形主要是用矢量表示的：對客觀世界的建模結果。圖像則是由點陣表示的：對象模型在設備的輸出結果。它們存儲時就形成兩種文件：矢量文件和點陣文件。矢量文件是一種存儲生成圖形所需坐標、形狀、顏色等幾何和非幾何數(shù)據(jù)的集合。這些數(shù)據(jù)反映圖形的內在聯(lián)系；點陣文件只是存儲圖的各個像素點的顏色值。它從外表上反映了圖。掃描轉換：點陣和矢量又可以相互轉化，矢量文件經過掃描轉換可在光柵顯示器上產生點陣圖像；圖像通過識別和處理可轉化為矢量表示的圖形形式。圖形和圖像之間的界限有時是模糊不清的。例如：圖形掃描儀和圖像掃描儀實際上指的是同一種設備；圖形文件格式和圖像文件格式討論的內容也無實質區(qū)別，而且可在同一環(huán)境中同時處理圖形和圖像；動畫畫面中究竟是圖形還是圖像是無關緊要的。●圖形圖像學科●計算機圖形學?廣義圖形?圖形學圖形?圖形特點?圖形與圖像?圖像文件?圖形文件?圖形學主題?圖形學方向●課程內容方式17點陣圖形文件格式◆

點陣圖形文件格式：PCX格式基于PC繪圖程序TIFF(TaggedImageFileFormat)臺式排版類應用以及其它應用之間進行數(shù)據(jù)交換GIF(GraphicsInterchangeFormat)用于在CompuServe網上進行圖形在線傳輸?shù)母袷絇NG(PortableNetworkGraphics)用于WWW網絡上傳輸圖像數(shù)據(jù)DIB(Device-IndependentBitmap)/BMP(Bitmap)Window系統(tǒng)下顯示或者保存圖像JPEG(JointPhotographicExpertsGroup)用于保存或者顯示照片類圖像AVI(AudioVideoInterleave)文件用于保存視頻/音頻序列的?！駡D形圖像學科●計算機圖形學?廣義圖形?圖形學圖形?圖形特點?圖形與圖像?圖像文件?圖形文件?圖形學主題?圖形學方向●課程內容方式18矢量圖形文件格式◆

矢量圖形文件格式：DXF(DataexchangeFile)用于交換CAD繪圖數(shù)據(jù)的文件、PostScriptEPS格式用于打印機輸出及對象存儲和交換的、HPGL格式用于控制筆式繪圖儀以及激光打印機的、WMF格式用于在Window系統(tǒng)下保存和交換圖像的、WPG格式用于保存WordPerfect軟件中圖像圖形的、UnixPlot用于Unix圖像繪制程序的通用格式，SVG(ScalableVectorGraphics)用于網絡傳輸?shù)目煽s放矢量圖形，等等?！駡D形圖像學科●計算機圖形學?廣義圖形?圖形學圖形?圖形特點?圖形與圖像?圖像文件?圖形文件?圖形學主題?圖形學方向●課程內容方式19圖形學的研究主題四個方面主要問題：圖形輸入：將圖形輸入到計算機中圖形設備/圖形操作/圖形用戶界面；圖形表示：計算機內如何表示、存儲和交換圖形信息圖形建模；圖形處理：保證顯示設備上有效地顯示圖形的預處理幾何變換、觀察變換、裁剪和消隱等處理；圖形生成和輸出：在顯示設備上如何“逼真”地顯示圖形模型構造與生成，如掃描、填充、造型、光照等生成和效果處理。研究主題包括：造型技術（NURBS曲線曲面和實體造型技術）真實感圖形顯示計算機動畫技術可視化技術人機交互與虛擬現(xiàn)實技術●圖形圖像學科●計算機圖形學?廣義圖形?圖形學圖形?圖形特點?圖形與圖像?圖像文件?圖形文件?圖形學主題?圖形學方向●課程內容方式20ACM計算機圖形學含義Creation，storageandmanipulationofgeometricobjects(modeling)andtheirimages(rendering).Displayofthoseimagesonscreensandhardcopydevices。Usercontrolscontents,structureandappearanceofobjectsandimages。Syntheticgraphics:model→image,canbecombinedwith：video:pre-storedonCD-ROM,(video)diskorreal-timegenerated(e.g.,fromacamera,ordecompressedstream)。audio:pre-storedorsynthesized。Hapticinput/output(tactile,e.g.,forcefeedback)。Imageprocessing:intensitydata(pixels)-->filteredimages,features,ormodels?！駡D形圖像學科●計算機圖形學?廣義圖形?圖形學圖形?圖形特點?圖形與圖像?圖像文件?圖形文件?圖形學主題?圖形學方向●課程內容方式21教學目的計算機圖形學是計算機科學中最活躍的分支之一，計算機圖形學及其應用在計算機技術的發(fā)展中有著十分重要的作用。計算機圖形學及應用已經滲透到科研、工程、商業(yè)、藝術等社會生活和工業(yè)生產的幾乎一切領域，并與這些領域自身發(fā)展相互推動和促進。國內外大學對此非常重視，紛紛為本科生和研究生開設“計算機圖形學”課程，并將它放在十分重要的位置，作為計算機應用的主干課程。本課程5學分，上機實習50+學時。旨在使學生能理解計算機圖形學基本概念、原理和方法，全面了解圖形學及其應用內容，并掌握圖形學的應用和開發(fā)?！駡D形圖像學科●計算機圖形學●課程內容方式?教學目的?學習方式?教學要求?課程內容?課程考核?參考資料22學習方式計算機圖形學是一門有用的、有趣的課程，也是難教和難學的課程?！半y”體現(xiàn)在兩個方面：學科發(fā)展的動態(tài)性：整個學科發(fā)展日新月異，應用領域不斷拓展。課程內容的選取難以把握和區(qū)分。知識交叉的繁雜性：圖形學涉及的內容和應用很廣，相關學科相互重疊和滲透，難以形成一個簡單、獨立和明確的知識體系。計算機圖形學有其自身的規(guī)律性，掌握其規(guī)律并加強實踐環(huán)節(jié)的訓練對學習這門課有極大的幫助。計算機圖形學的研究發(fā)展目標是“逼真”地模擬現(xiàn)實世界的物體，所以，其概念和處理方法具有相當好的一致性。例如“掃描線”這個概念在圖元生成、消隱和真實感圖形中具有同樣的作用和方式，學習時只要注意“前后聯(lián)想”，能達到“一通百通”的效果?！駡D形圖像學科●計算機圖形學●課程內容方式