第10章 圖形學(xué)和可視化

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(jì)、虛擬現(xiàn)實(shí)。掌握?qǐng)D形學(xué)基本概念、計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)圖形信息的處理計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(ComputerGraphics)：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(guò)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(lái)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(shí)別：是當(dāng)圖像信息輸入計(jì)算機(jī)后，先對(duì)它進(jìn)行預(yù)處理和特征抽取等處理；然后對(duì)圖像進(jìn)行分析和識(shí)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。10.1.1計(jì)算機(jī)圖形信息的處理計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理和模式識(shí)別三者之間有千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，彼此相互融合、相互促進(jìn)10.1.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的起源1952年在美國(guó)麻省理工學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室里誕生了世界上第一臺(tái)數(shù)控銑床的原型。1963年，麻省理工學(xué)院的LvanE.Sutherland發(fā)表了“畫板(Sketckpad)：一個(gè)人機(jī)圖形通信系統(tǒng)”的博士論文。1964年孔斯(SteveCoons)提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(tái)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。10.1.3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(duì)象是點(diǎn)、線、面、體、場(chǎng)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。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(chǔ)物體圖形數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理物體圖形數(shù)據(jù)的輸出顯示實(shí)時(shí)動(dòng)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD/CAM)

用戶可視化接口地理信息系統(tǒng)與制圖過(guò)程控制和指揮系統(tǒng)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫和藝術(shù)10.1.5計(jì)算機(jī)圖形的標(biāo)準(zhǔn)化

國(guó)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(wú)關(guān)，能實(shí)現(xiàn)程序的可移植性的原則。計(jì)算機(jī)圖形接口(ComputerGraphicsInterface：CGI)

計(jì)算機(jī)圖形元文件標(biāo)準(zhǔn)(ComputerGraphicsMetafile：CGM)計(jì)算機(jī)圖形核心系統(tǒng)(GraphicsKernelSystem：GKS)初始圖形交換規(guī)范(InitialGraphicsExchangeSpecification：IGES)圖形庫(kù)(GraphicsLibrary：GL)程序員層次交互式圖形系統(tǒng)(Programmer’sHierarchicalInteractiveGraphicsSystem：PHIGS)計(jì)算機(jī)圖形參考模型(ComputerGraphicsReferenceModel：CGRM)10.1.6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：JointPhotographicExpertsGroup4．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(chǔ)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(jī)

繪圖儀10.3計(jì)算機(jī)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(lái)源，因?yàn)槿苏J(rèn)識(shí)外界信息中70%來(lái)自視覺。視覺是一個(gè)復(fù)雜的感知和思維過(guò)程，視覺器官(眼睛)接受外界的刺激信息，而大腦對(duì)這些信息通過(guò)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。10.3.2計(jì)算機(jī)視覺計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)來(lái)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)能像人那樣通過(guò)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(DataVisualization)技術(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(lái)，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(cè)量數(shù)據(jù)的可視化。10.4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(duì)用戶透明的界面。每一個(gè)程序員在編程過(guò)程中都應(yīng)當(dāng)遵循某些最基本的標(biāo)準(zhǔn)，盡管他們對(duì)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(lái)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(dòng)程序時(shí)，應(yīng)為每一個(gè)動(dòng)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(dòng)力不是應(yīng)用，而是用戶。10.5圖像通信圖像通信便是用來(lái)傳送靜止的或活動(dòng)的圖像信息的通信，它能把用符號(hào)、語(yǔ)言所難以描述的任意圖形、繪畫，以至動(dòng)作、色彩等，通過(guò)電信手段傳送給對(duì)方，為對(duì)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(duì)終端方式和終端對(duì)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(lái)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(lái)分，可分為終端對(duì)終端的通信和終端對(duì)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(dá)，是建立在幾何信息和拓?fù)湫畔⒒A(chǔ)上的建模，主要處理零件的幾何信息和拓?fù)湫畔?。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(shí)空間的一個(gè)最簡(jiǎn)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(diǎn)、線、面、體的信息。拓?fù)湫畔t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(shí)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(shí)體造型。10.7計(jì)算機(jī)動(dòng)畫計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(ComputerAnimation)，又稱計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)，是通過(guò)使用計(jì)算機(jī)制作動(dòng)畫的藝術(shù)，它是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和動(dòng)畫的子領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫分二維動(dòng)畫和三維動(dòng)畫。二維動(dòng)畫是平面上的畫面。紙張、照片或計(jì)算機(jī)屏幕顯示，無(wú)論畫面的立體感多強(qiáng)，終究是二維空間上模擬真實(shí)三維空間效果；三維動(dòng)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(diǎn)，能夠看到不同的內(nèi)容。10.8虛擬現(xiàn)實(shí)

10.8.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基本概念虛擬現(xiàn)實(shí)(VortureReality：VR)是一種可以創(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)(VirtualRealityTechnology：VRT)的出現(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。10.8.2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(guó)為代表。1993年，IEEE在Seattle(西雅圖)召開了第一屆虛擬現(xiàn)實(shí)國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，會(huì)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，I