课程内容和教学方式

• 讨论对输入图像的描述或归类的方法。 – 分析和识别输入图像，并从中提取二维或三维的数 据模型或特征，再将其变换到抽象的描述。 – 这个描述比图形学数学模型更抽象，更富语义： • 一组数、一串符号或一个图(graph) 。 –手写汉字、字符识别；机器人视觉；医疗自 动诊断；遥感检测与分析等。
计算机图形学与计算机视觉
• 图形和图像之间的界限有时是模糊不清的。例如：
– 图形扫描仪和图像扫描仪实际上指的是同一种设备； – 图形文件格式和图像文件格式讨论的内容也无实质区别，而且可
和图像处理技术；
• 计算机视觉中的许多概念和方法来自于图像处
理和图形学。
图形图像的融合
● 图形图像学科
◘ 学科地位 ◘ 学科概略 ◘ 图形学 ◘ 图像处理 ◘ 计算几何 ◘ 计算机视觉 ◘ 图形与视觉 ◘ 学科特点 ◘ 学科方向
● 计算机图形学 ● 课程内容方式
客观 世界
模型生成
对象 图形生成 模型
• 科学研究中，图形是对客观对象的一种抽象表示。 它具有两个信息构成要素： – 形状：刻画图形形状构成的点、线、面和体等几何要 素信息； – 颜色：反映物体表面属性或材质的灰度、色泽等非几 何要素。
例：半径为R、圆心在原点的“圆”图形包括两方面信息： • 形状信息：由多个点组成的、符合X2+Y2=R2的圆； • 颜色信息：圆周线和圆的内部具有一定颜色（设定）。
◘ 图形学
（数据结构、存贮以及检索、压缩）
◘ 图像处理
• 在人工智能、神经网络、遗传算法等新理论、新工
◘ 计算几何
具和新技术的支持下得到进一步发展。
◘ 计算机视觉 • 趋势：集成和融合
◘ 图形与视觉 ◘ 学科特点 ◘ 学科方向
● 计算机图形学 ● 课程内容方式
• 随着科学技术的发展和应用的不断深入，学科界限 越来越模糊，各学科互相联系，覆盖面有所重合、 渗透和融合。例如： • 计算机图形学离不开曲线、曲面及实体造型技 术；几何造型系统必须用到图形生成处理技术
● 计算机图形学 ● 课程内容方式
• 从给定几何基元(如线、圆、曲线、曲面、实体等)的几 何描述来生成图像； – 讨论由非图像的信息(自然事物)产生“逼真”的图 像，是研究自然事物的建模、表示和显示的方法。 • 输入：客观对象表示；输出：图像显示。
客观 世界
模型生成
对象 模型
交互式计算机图形系统
人机交互图形模型生成
• 需要注意：
– 图像理解与计算机视觉中存在许多不确定性； – 计算机图形学处理的多是确定性问题
• 数学途径可解决的问题，许多情况下是在图形生成速 度和精度（即实时性和逼真度）间取得某种妥协。
学科特点与趋势
● 图形图像学科 • 共同点：
◘ 学科地位
• 以人类视觉信息为处理对象。
◘ 学科概略
• 以图形/图像在计算机中的建模和表示为基础
图形 显示
人机交互图形模型生成
交互输入
菜单 输入
手绘 输入
图元 组合
笔画 识别
对象 构造
对象 识别
模型 生成
图形 显示
基于识别的人机交互(Recognition-based HCI)
数字图像获取设备 ＋
模式识别/机器视觉
基于图像识别模型生成
图像 量化
图像分割 特征识别
模型 重构
模型 生成
图形 显示
场景图片 基于图像的绘制(Image-based Rending)
计算机图形学课程
计算机学会副理事长、工程院院士、浙江大学校长潘云鹤教授
● 图形图像学科
◘ 学科地位 ◘ 学科概略 ◘ 图形学 ◘ 图像处理 ◘ 计算几何 ◘ 计算机视觉 ◘ 图形与视觉 ◘ 学科特点 ◘ 学科方向
● 计算机图形学 ● 课程内容方式
• 图形图像是人类相互交流和认识客观世界的主要媒体,图形图 像是现代信息化社会的重要支柱。 – 视觉系统帮助人类从外界获取3/4以上的信息； – 视觉信息所获得的客观作用是其它信息不能替代的。
图形输出 图形输出
计算机图形学定义
● 图形图像学科 ● 计算机图形学
◘ 广义图形 ◘ 图形学图形 ◘ 图形特点 ◘ 图形与图像 ◘ 图像文件 ◘ 图形文件 ◘ 图形学主题 ◘ 图形学方向
● 课程内容方式
• 计算机图形学形成于二十世纪六十年代，并逐渐发展成 为以图形硬件设备、图形处理专用算法和图形软件系统 等为研究内容的一门成熟学科。
● 图形图像学科 ● 计算机图形学
◘ 广义图形 ◘ 图形学图形 ◘ 图形特点 ◘ 图形与图像 ◘ 图像文件 ◘ 图形文件 ◘ 图形学主题 ◘ 图形学方向
● 课程内容方式
“图形”和“图 像”
• 在计算机图形学中，图形和图像的主要区别在于：
– 图形主要是用矢量表示的：对客观世界的建模结果。
– 图像则是由点阵表示的：对象模型在设备的输出结果。
• 它们存储时就形成两种文件：矢量文件和点阵文件。
– 矢量文件是一种存储生成图形所需坐标、形状、颜色等几 何和非几何数据的集合。这些数据反映图形的内在联系；
– 点阵文件只是存储图的各个像素点的颜色值。它从外表上 反映了图。
• 扫描转换：点阵和矢量又可以相互转化，矢量文件经过 扫描转换可在光栅显示器上产生点阵图像；图像通过识 别和处理可转化为矢量表示的图形形式。
图形学的地位和作用
● 图形图像学科 • 图形图像是社会生活和工业领域传递信息的最主要媒体。
◘ 学科地位
– 人类的知识和信息有80%来自于视觉，
◘ 学科概略
• 俗话说：“百闻不如一见”、“一幅画胜于千句话” 。
◘ 图形学
• 图形学是信息技术中不可缺少的重要内容和发展基石。
◘ 图像处理 ◘ 计算几何 ◘ 计算机视觉 ◘ 图形与视觉 ◘ 学科特点 ◘ 学科方向
– 简言之，计算机图形学主要研究图形(图像)的计算 机生成、处理和显示的一门学科。
• 目前作为商品的图形软件和硬件已经能方便地生 成各种线画图形和自然景物的真实感图像。
• 随着计算机技术的不断发展，计算机图形学的研 究内容也不断丰富和拓展，在新的环境下赋予了 新的思想和内容。
广义图形定义
● 图形图像学科 ● 计算机图形学
菜单 图元 对象 输入 组合 构造
模型 生成
交互输入
图形生成
图形 显示
图形 显示
图形输出
图像处理
● 图形图像学科
◘ 学科地位 ◘ 学科概略 ◘ 图形学 ◘ 图像处理 ◘ 计算几何 ◘ 计算机视觉 ◘ 图形与视觉 ◘ 学科特点 ◘ 学科方向
● 计算机图形学 ● 课程内容方式
• 它所讨论的问题中输入和输出两者均为图像。 主要研究： – 如何对一幅连续的图像量化以产生数字图像； – 改善图像显示质量或效果、 – 如何对数字图像做各种变换以方便处理； – 如何滤除图像中无用噪声或增强图像中某些特征； – 如何压缩图像数据以便于存储和传输等。
P(u)
P
P
i-1
i-2
P i-3 u
P i-4
P i P i+1
L2
L1
L1=CL2
ui-1
ui
ui+1
ui+2
u
计算机视觉
● 图形图像学科
◘ 学科地位 ◘ 学科概略 ◘ 图形学 ◘ 图像处理 ◘ 计算几何 ◘ 计算机视觉 ◘ 图形与视觉 ◘ 学科特点 ◘ 学科方向
● 计算机图形学 ● 课程内容方式
图形学中的图形定义
● 图形图像学科 • 计算机图形学中的图形是图形广义与抽象定义的结合。
● 计算机图形学
– 能采用数学表示方法表示；
◘ 广义图形 ◘ 图形学图形 ◘ 图形特点 ◘ 图形与图像 ◘ 图像文件 ◘ 图形文件
– 能在计算机内表示和存储； – 能在图形输出设备上显示。 • 计算机图形学的任务是： – 在计算机系统内“逼真”地模拟（描绘）各种客观世
计算几何
模型变换
动画、多媒体 物体建摸、造型
客观世界
(对象模型)
真实感图形
计算机 图形学
图 形 生
模 型 生
成
成
设备环境
(图形显示)
图象查询、分类
计算机 视觉
机器视觉
场景模拟 虚拟现实
Βιβλιοθήκη Baidu
图形用户界面
图像变换 图像处理
图象处理、效果增强
计算机图形学
● 图形图像学科
◘ 学科地位 ◘ 学科概略 ◘ 图形学 ◘ 图像处理 ◘ 计算几何 ◘ 计算机视觉 ◘ 图形与视觉 ◘ 学科特点 ◘ 学科方向
用和发展历程。
• 图形学应用已渗透到社会生活和工业生产的几乎一切领 域，并与这些领域自身发展相互推动、互相促进。
图形图像学科概略
● 图形图像学科
◘ 学科地位 ◘ 学科概略 ◘ 图形学 ◘ 图像处理 ◘ 计算几何 ◘ 计算机视觉 ◘ 图形与视觉 ◘ 学科特点 ◘ 学科方向
● 计算机图形学 ● 课程内容方式
• 近年来两者的发展越来越相近：
– 图形技术在视觉系统的人机交互和建模等过程中起很大的 作用，某些图形可认为是图像分析结果的可视化；
– 计算机真实感景物生成可看作是图像分析的逆过程，需使 用计算机视觉技术，以在计算机中建立逼真的图像模型。
– 基于图像的绘制、可视化和虚拟现实将这两个领域紧密地 结合在一起。
● 图形图像学科
◘ 学科地位 ◘ 学科概略 ◘ 图形学 ◘ 图像处理 ◘ 计算几何 ◘ 计算机视觉 ◘ 图形与视觉 ◘ 学科特点 ◘ 学科方向
● 计算机图形学 ● 课程内容方式
• 计算机图形学属图像综合，计算机视觉属图像分析。
– 简单看来，计算机图形学与计算机视觉是互逆的过程。 – 实际上，这两个领域的早期发展没有什么联系。
● 计算机图形学 ● 课程内容方式
– 例：人机界面的发展 • 读卡机及控制面板上的开关、指示灯 → 键盘和字符终端 → WIMP为特征的图形用户界面GUI 基于键盘、鼠标等输入设备＋光栅显示器 → 用户“临境”和“沉浸”感觉的三维虚拟现实环境。
– 反映了计算机技术从初始到高级的发展过程； – 体现了计算机图形学在计算机软硬件发展过程中的推动作
• 图形图像科学是理论与现代高科技相结合、系统研究各种视觉 原理、技术和应用的综合性很强的交叉学科。 – 人类基于视觉的活动是一个广阔、复杂和富有挑战性的研 究领域，图形图像科学和技术是这个领域有力的工具。
• 图形图像学科具有涉及面广，内容丰富，跨行业、跨学科特点 – 研究方法：与数学、物理学、生理学、心理学、电子学等 许多学科可以相互借鉴； – 研究范围：与人工智能、神经网络、遗传算法、模糊逻辑 等理论和技术都有密切关系； – 发展应用：与医学、遥感、通讯、影视和工业自动化等许 多领域不可分割的。 – 科学史上，它代表着最活跃和令人振奋的边缘学科之一。
界的对象（事物）。
◘ 图形学主题 • 计算机图形学中的图形与数学学科中的图形区别在于：
◘ 图形学方向
● 课程内容方式
– 它比数学学科中的图形更具体、更接近它所表示的客 观对象。
• 数学学科中的图形是采用几何和代数方程或分析表达式 等抽象方法所确定的图形；
• 计算机图形学中的图形除了数学方法所描述的形状等几 何信息外，还包括颜色、材质等非几何信息。
计算几何
● 图形图像学科
◘ 学科地位 ◘ 学科概略 ◘ 图形学 ◘ 图像处理 ◘ 计算几何 ◘ 计算机视觉 ◘ 图形与视觉 ◘ 学科特点 ◘ 学科方向
● 计算机图形学 ● 课程内容方式
• 着重讨论集合形体在计算机内的表示、分析和综合。 – 它研究如何方便灵活地建立几何形体的数学模型， 提高算法的效率；在计算机内如何更好地存储和管 理这些模型等。主要研究内容： • 曲线曲面的表示、生成、拼接和造型； • 三维实体造型； • 散乱数据插值； • 计算复杂性等。
◘ 广义图形 ◘ 图形学图形 ◘ 图形特点 ◘ 图形与图像 ◘ 图像文件 ◘ 图形文件 ◘ 图形学主题 ◘ 图形学方向
● 课程内容方式
• 广义上，现实世界中能在人类视觉系统中形成视觉印象 的客观对象都称为图形
– 主要包括：人眼所观察到的自然界的物体和景物；用照相 机、摄像机等装置获得的图片；用绘图工具绘制的工程图 纸、各种人工美术绘画；用数学方法描述的图形。
图形学中的图形特点
● 图形图像学科 ● 计算机图形学
◘ 广义图形 ◘ 图形学图形 ◘ 图形特点 ◘ 图形与图像 ◘ 图像文件 ◘ 图形文件 ◘ 图形学主题 ◘ 图形学方向
● 课程内容方式
• 通过计算机图形学中的图形能够具体了解它所表示的物 体，但它仍是一种抽象。 – 它只能“逼真”地“模拟”这个物体， – 图形的“真实感”程度随着显示设备的性能和图形 处理技术的不同而变化。 • 尤其是对许多无法用颜色、纹理等显式（图形化） 表示的非几何信息的处理是个难点。 • 例如：杯子的图形显示 “形状相同+颜色相同+透明度相同”的两个杯子 – → 两个相同的杯子？ – → 杯子的材质？ → 玻璃杯？塑料杯？金属杯？陶瓷杯？