圖形學(xué)和可視化

圖形學(xué)和可視化第一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五本章學(xué)習(xí)目標

◆掌握圖形學(xué)基本概念◆了解圖形系統(tǒng)◆掌握計算機視覺和可視化◆了解圖形用戶界面的程序設(shè)計◆了解人機交互◆了解虛擬現(xiàn)實第二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五9.1圖形學(xué)基本概念

9.1.1計算機圖形信息的處理

計算機圖形學(xué)(ComputerGraphics)：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(ImageProcessing)：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。第三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五計算機圖形學(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

第四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五數(shù)字成像的一般處理過程(1)建立模擬對象的幾何模型。(2)將單個物體進行組裝。(3)確定觀察點位置。(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。第五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五9.1.2計算機圖形學(xué)的起源

從20世紀50年代初到60年代中，麻省理工學(xué)院開始從事現(xiàn)代計算機輔助設(shè)計/制造技術(shù)的開拓性研究。1963年，麻省理工學(xué)院的LvanE.Sutherland發(fā)表了“畫板(Sketckpad)。1964年孔斯(SteveCoons)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準，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。第六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五9.1.3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。(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)的運算處理(5)物體圖形數(shù)據(jù)的輸出顯示。(6)實時動畫和多媒體技術(shù)。(7)制定與圖形應(yīng)用軟件有關(guān)的技術(shù)標準。

第七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五9.1.4計算機圖形學(xué)的應(yīng)用1．計算機輔助設(shè)計與制造(CAD/CAM)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．計算機動畫和藝術(shù)第八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五9.1.5計算機圖形的標準化國際標準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)的標準，這些標準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。1．計算機圖形接口(ComputerGraphicsInterface：CGI)2．計算機圖形元文件標準(ComputerGraphicsMetafile：CGM)3．計算機圖形核心系統(tǒng)(GraphicsKernelSystem：GKS)4．初始圖形交換規(guī)范(InitialGraphicsExchangeSpecification：IGES)5．圖形庫(GraphicsLibrary：GL)6．程序員層次交互式圖形系統(tǒng)(Programmer’sHierarchicalInteractiveGraphicsSystem：PHIGS)7．計算機圖形參考模型(ComputerGraphicsReferenceModel：CGRM)第九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五9.1.6常見的圖形圖像格式1．BMP格式2．GIF格式：圖形交換格式(GraphicsInterchangeFormat：GIF)3．JPEG格式：JointPhotographicExpertsGroup

4．TIFF格式：TagImageFileFormat5．PNG格式：可移植性網(wǎng)絡(luò)圖像(PortableNetworkGraphics：PNG)5．PCX格式6．PSD格式7．CDR格式第十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五9.2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

(3)繪圖儀第十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五9.3計算機視覺和可視化

9.3.1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。第十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五9.3.2計算機視覺計算機視覺(ComputationalVision)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就是使計算機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)過長期努力才能達到的目標。計算機視覺的研究與人類視覺的研究密切相關(guān)，為實現(xiàn)建立與人的視覺系統(tǒng)相類似的通用計算機視覺系統(tǒng)的目標就必須建立人類視覺的計算理論。

第十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五9.3.3可視化

現(xiàn)代的數(shù)據(jù)可視化(DataVisualization)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。第十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五9.4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、對用戶透明的界面。每一個程序員在編程過程中都應(yīng)當遵循某些最基本的標準，盡管他們對這些標準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。第十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五9.5人機交互

9.5.1人機交互技術(shù)基礎(chǔ)

人機交互技術(shù)(HumanComputerInteraction

Techniques)是指通過計算機輸入、輸出設(shè)備，以有效的方式實現(xiàn)人與計算機對話的技術(shù)。人機交互技術(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－)第十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五9.5.2人機交互模型人機交互模型是對人機交互系統(tǒng)中的交互機制進行描述的結(jié)構(gòu)概念模型。

1．人機交互框架模型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)計用途分為3類。(1)用戶的個人信息(2)應(yīng)用人群信息(3)用戶與系統(tǒng)的連接信息第十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五9.5.3人機系統(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．多媒體人機交互界面4．多通道人機交互界面5．虛擬現(xiàn)實人機交互界面第十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五9.5.4人機界面的設(shè)計1．人機界面應(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．人機界面的設(shè)計原則

(1)用戶針對性原則

(2)盡量減少用戶的工作

(3)應(yīng)用程序與人機界面相分離

(4)人機界面一致性

(5)系統(tǒng)反饋及時性

(6)使用圖形

(7)盡量減少用戶記憶

(8)及時的出錯處理及幫助功能第十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五3．人機界面的設(shè)計方法

(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．人機界面的設(shè)計過程

(1)創(chuàng)建系統(tǒng)功能的外部模型

(2)確定為完成此系統(tǒng)功能人和計算機應(yīng)分別完成的任務(wù)

(3)考慮界面設(shè)計中的典型問題

(4)借助CASE工具構(gòu)造界面原型5．網(wǎng)絡(luò)界面設(shè)計第二十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五9.5.5數(shù)據(jù)交互數(shù)據(jù)交互：是人通過輸入數(shù)據(jù)的方式與計算機進行交流的一種方式，它是人機交互的重要內(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)備第二十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五9.5.6語音交互

語言一直被公認為是最自然的流暢，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^自然的語音或機器合成的語音同計算機進行交互的技術(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)合在一起來進行交互的系統(tǒng)第二十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五9.5.7圖像交互圖像交互：簡單說，就是計算機根據(jù)人的行為，去理解圖像，然后作出反應(yīng)。目前人們研究的機器視覺系統(tǒng)可以分為三個層次：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)。第二十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五9.5.8行為交互通過身體的姿態(tài)和動作來表達意思，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語言的表達能力，有時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。計算機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。第二十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五9.6虛擬現(xiàn)實

9.6.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)基本概念

虛擬現(xiàn)實(VortureReality：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)(VirtualRealityTechnology：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。第二十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五9.6.2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也組織了有關(guān)專集。BurdeaG在Electro93國際會議上發(fā)表的“VirtualRealitySystemandApplication”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)。第二十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五1．沉浸性（虛擬現(xiàn)實技術(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)計者的思想）第二十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五9.6.3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)實系統(tǒng)(5)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：(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)實圖形。(3)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。第二十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五9.6.4虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分類

1．沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)2．桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)3．增強式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)4．分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)第二十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五當前國際上，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究大致可以分為三類：第一類是研究虛擬人機交互界面，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)(UniversityofNorthCaroli2na)。第三類著重于研究虛擬現(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)(CarnegieMellonUniversity)。第三十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五9.6.5VRML虛擬現(xiàn)實建模語言1．VRML語言概述虛擬實境描述模型語言(VirtualRealityModelingLanguage：VRML)是描述虛擬環(huán)境中場景的一種標準，利用它可以在Internet建立交互式的三維多媒體的境界。VRML的基本特征包括分布式、交互式、平臺無關(guān)、三維、多媒體集成、逼真自然等。VRML是一種建模語言，其基本目標是建立Internet上的交互式三維多媒體。第三十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五2．VRML的特點(1)VRML定義了一組能描述三維圖形的對象——節(jié)點(node)。(2)節(jié)點被安排成層次結(jié)構(gòu)——場景圖(scenegraph)。(3)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。(4)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。節(jié)點的特性由下列信息決定：(5)對象類型：立方體(cube)、球(sphere)、紋理映射(texturemap)、變換(transformation)等。(6)描述此對象的參數(shù)。第三十二頁，共三十七頁，編輯于2023年