第9章 图形学和可视化

1计算机科学导论第9章图形学和可视化2计算机科学导论本章学习目标◆掌握图形学基本概念◆了解图形系统◆掌握计算机视觉和可视化◆了解图形用户界面的程序设计◆了解人机交互◆了解虚拟现实3计算机科学导论9.1图形学基本概念9.1.1计算机图形信息的处理•计算机图形学(ComputerGraphics)：是研究怎样用计算机构造(生成)图形，并把图形的描述数据(数学模型)通过指定的算法转换(处理)成图形显示的一门学科。•图像处理(ImageProcessing)：是将客观世界中原来存在的物体影像处理成新的数字化图像的相关技术。•模式识别：是当图像信息输入计算机后，先对它进行预处理和特征抽取等处理；然后对图像进行分析和识别，找出其中蕴涵的内在联系或抽象模型；最后由计算机按照要求得到该图像的分类与描述。4计算机科学导论计算机图形学、图像处理和模式识别三者之间有千丝万缕的联系，彼此相互融合、相互促进图像处理计算机图形学模式识别处理对象的模型描述处理对象的图形显示5计算机科学导论数字成像的一般处理过程•(1)建立模拟对象的几何模型。•(2)将单个物体进行组装。•(3)确定观察点位置。•(4)确定显示范围。•(5)确定图形显示器屏面上的显示范围。•(6)计算各单元三角形的法向矢量，根据光照模型确定可见三角形表面的亮度和色彩。•(7)显示所有可见的三角形单元。6计算机科学导论9.1.2计算机图形学的起源•从20世纪50年代初到60年代中，麻省理工学院开始从事现代计算机辅助设计/制造技术的开拓性研究。•1963年，麻省理工学院的LvanE.Sutherland发表了“画板(Sketckpad)。•1964年孔斯(SteveCoons)提出了用小块曲面片组合表示自由型曲面时使曲面片边界上达到任意高次连续阶的理论方法。•20世纪60年代中期开始，麻省理工学院、通用汽车公司、洛克西德飞机制造公司、贝尔电话实验室等都展开了计算机图形显示的工作。•20世纪70年代后，相继出台了许多图形标准，图形软件的开发也更加方便，计算机图形学发展趋于成熟。7计算机科学导论9.1.3计算机图形学主要研究的内容•计算机图形学的主要研究对象是点、线、面、体、场的数学构造方法与其图形显示，以及它们随时间变化的情况。•(1)描述复杂物体图形的方法与数学工具。•(2)物体图形描述数据的输入。•(3)几何图形数据的存储。•(4)物体图形数据的运算处理•(5)物体图形数据的输出显示。•(6)实时动画和多媒体技术。•(7)制定与图形应用软件有关的技术标准。8计算机科学导论9.1.4计算机图形学的应用•1．计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)•2．用户可视化接口•3．地理信息系统与制图•4．过程控制和指挥系统•5．计算机动画和艺术9计算机科学导论9.1.5计算机图形的标准化•国际标准化组织和其他一些机构相继提出了许多计算机图形学的标准，这些标准都遵循与计算机硬件无关，能实现程序的可移植性的原则。•1．计算机图形接口(ComputerGraphicsInterface：CGI)•2．计算机图形元文件标准(ComputerGraphicsMetafile：CGM)•3．计算机图形核心系统(GraphicsKernelSystem：GKS)•4．初始图形交换规范(InitialGraphicsExchangeSpecification：IGES)•5．图形库(GraphicsLibrary：GL)•6．程序员层次交互式图形系统(Programmer’sHierarchicalInteractiveGraphicsSystem：PHIGS)•7．计算机图形参考模型(ComputerGraphicsReferenceModel：CGRM)10计算机科学导论9.1.6常见的图形图像格式•1．BMP格式•2．GIF格式：图形交换格式(GraphicsInterchangeFormat：GIF)•3．JPEG格式：JointPhotographicExpertsGroup•4．TIFF格式：TagImageFileFormat•5．PNG格式：可移植性网络图像(PortableNetworkGraphics：PNG)•5．PCX格式•6．PSD格式•7．CDR格式11计算机科学导论9.2图形系统•1．图形系统的处理器•(1)图形形成•(2)图形显示•2．图形系统的存储器•3．图形系统的输入设备•(1)向量型图形输入设备•(2)光栅扫描型图形输入设备•4．图形系统的输出设备•(1)显示器•(2)打印机•(3)绘图仪12计算机科学导论9.3计算机视觉和可视化9.3.1人的视觉•视觉是人最重要的感觉，它是人的主要感觉来源，因为人认识外界信息中70%来自视觉。•视觉是一个复杂的感知和思维过程，视觉器官(眼睛)接受外界的刺激信息，而大脑对这些信息通过复杂的机理进行处理和解释，使这些刺激具有明确的物理意义。13计算机科学导论9.3.2计算机视觉•计算机视觉(ComputationalVision)就是用各种成像系统代替视觉器官作为输入敏感手段，由计算机来代替大脑完成处理和解释。•计算机视觉的最终研究目标就是使计算机能象人那样通过视觉观察和理解世界，具有自主适应环境的能力，这是要经过长期努力才能达到的目标。•计算机视觉的研究与人类视觉的研究密切相关，为实现建立与人的视觉系统相类似的通用计算机视觉系统的目标就必须建立人类视觉的计算理论。14计算机科学导论9.3.3可视化•现代的数据可视化(DataVisualization)技术是指运用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。•随着计算机技术的发展，数据可视化概念已大大扩展，它不仅包括科学计算数据的可视化，而且包括工程数据和测量数据的可视化。15计算机科学导论9.4图形用户界面•程序员设计的用户界面应该是一个直观的、对用户透明的界面。•每一个程序员在编程过程中都应当遵循某些最基本的标准，尽管他们对这些标准中某些部分还很不熟悉，或者没有被用到。•一个好的图形用户界面应当是由用户来控制应用如何工作，如何响应，而不是由程序员按自己的意愿把操作流程强加给用户。•当编写事件驱动程序时，应为每一个动作或事件指定一个且惟一的响应程序，触发这些事件、使这些响应程序执行的源动力不是应用，而是用户。16计算机科学导论9.5人机交互9.5.1人机交互技术基础•人机交互技术(HumanComputerInteractionTechniques)是指通过计算机输入、输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话的技术。•人机交互技术的发展经历了四各阶段：•1．第一阶段(1959－1970)•2．第二阶段(1970－1979)•3．第三阶段(1980－1995)•4．第四阶段(1996－)17计算机科学导论9.5.2人机交互模型•人机交互模型是对人机交互系统中的交互机制进行描述的结构概念模型。•1．人机交互框架模型•2．用户概念模型•用户概念模型用于提供用户的基本信息，描述用户的信息可以根据设计用途分为3类。•(1)用户的个人信息•(2)应用人群信息•(3)用户与系统的连接信息18计算机科学导论9.5.3人机系统交互界面的构架•1．命令语言交互界面•(1)形式语言•(2)自然语言•(3)类自然语言•2．图形用户交互界面•3．多媒体人机交互界面•4．多通道人机交互界面•5．虚拟现实人机交互界面19计算机科学导论9.5.4人机界面的设计•1．人机界面应具备的特性•(1)功能性界面•(2)情感性界面•(3)环境性界面•2．人机界面的设计原则•(1)用户针对性原则•(2)尽量减少用户的工作•(3)应用程序与人机界面相分离•(4)人机界面一致性•(5)系统反馈及时性•(6)使用图形•(7)尽量减少用户记忆•(8)及时的出错处理及帮助功能20计算机科学导论•3．人机界面的设计方法•(1)绘制窗体和消息流程图•(2)制作用户界面原型•(3)从用户那里获取反馈信息•(4)叠代修改用户界面•4．人机界面的设计过程•(1)创建系统功能的外部模型•(2)确定为完成此系统功能人和计算机应分别完成的任务•(3)考虑界面设计中的典型问题•(4)借助CASE工具构造界面原型•5．网络界面设计21计算机科学导论9.5.5数据交互•数据交互：是人通过输入数据的方式与计算机进行交流的一种方式，它是人机交互的重要内容和形式。•1．数据交互的方式•(1)问答式对话数据输入交互•(2)菜单选择数据输入交互•(3)填表数据输入交互•(4)直接操纵数据输入交互•(5)关键词数据输入交互•(6)条形码数据输入•(7)光学字符识别•(8)声音数据输入交互•(9)图像数据输入•2．数据交互设备22计算机科学导论9.5.6语音交互•语言一直被公认为是最自然的流畅，方便快捷的信息交流方式。•在日常生活中人类的沟通大约有75%是通过语音来完成的。•语音交互就是研究人们如何通过自然的语音或机器合成的语音同计算机进行交互的技术。语音交互系统一般采取两种途径：•（1）用基于语音识别和理解技术•（2）利用语音技术与系统的其他交互方式结合在一起来进行交互的系统23计算机科学导论9.5.7图像交互•图像交互：简单说，就是计算机根据人的行为，去理解图像，然后作出反应。•目前人们研究的机器视觉系统可以分为三个层次：图像处理(最低级层次)、图像识别(较高级层次)、图像感知(最高层次)。24计算机科学导论9.5.8行为交互•通过身体的姿态和动作来表达意思，这就是所谓的人体行为交互。•人体行为交互方法不仅能够加强语言的表达能力，有时还能起到语音交互所不能起到的作用。•行为交互将带来全新的交互方式。计算机通过用户行为能够预测用户想要做什么来满足用户的需求。25计算机科学导论9.6虚拟现实9.6.1虚拟现实技术基本概念•虚拟现实(VortureReality：VR)是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。•虚拟现实技术(VirtualRealityTechnology：VRT)的出现实际是计算机图形学、人机接口技术、传感器技术以及人工智能技术等交叉与综合的结果。26计算机科学导论9.6.2虚拟现实技术的发展和特征•虚拟现实技术的历史可以追溯到本世纪六十年代，以美国为代表。•1993年，IEEE在Seattle(西雅图)召开了第一届虚拟现实国际学术会议，会议吸引了大批科技工作者，发表了大量有价值的论文。不久，IEEE的刊物Spectrum也组织了有关专集。BurdeaG在Electro93国际会议上发表的“VirtualRealitySystemandApplication”一文中，提出了虚拟现实技术三角形，即三“I”特征：Immersion(沉浸)、Interaction(交互)、Imagination(想象)。27计算机科学导论•1．沉浸性（虚拟现实技术的浸没感或临场参与感）•2．交互性（开放、互动的环境）•3．想象性（以视觉形式反映了设计者的思想）ImmersionImaginationInteractionI328计算机科学导论9.6.3虚拟现实系统的组成•虚拟现实一般有三个要素组成：软件播放平台、专业计算机(SGI)、成像设备。为了构造一个全面的虚拟现实系统，在硬件方面需要有以下几种设备的支持：•(1)跟踪系统•(2)触觉系统•(3)音频系统•(4)图像生成和现实系统•(5)高性能计算处理系统•在软件方面，除一般所需的软件支撑环境外，主要是提供一个产生虚拟环境的工具集或产生虚拟环境的“外壳”。它至少应该具有以下功能：•(1)能够接受各种高性能传感器的信息，如头盔的跟踪信息。•(2)能生成立体的现实图形。•(3)能把各种数据库、各种CAD软件进行调用和互联的集成环境。29计算机科学导论9.6.4虚拟现实系统分类•1．沉浸式虚拟现实系统•2．桌面式虚拟现实系统•3．增强式虚拟现实系统•4．分布式虚拟现实系统30计算机科学导论当前国际上，虚拟现实技术的研究大致可以分为三类：•第一类是研究虚拟人机交互界面，这一