[工学]合成媒体

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1、2008北京大学黄铁军1第23-25节 合成媒体黄铁军黄铁军 北京大学信息科学技术学院数字媒体研究所北京大学信息科学技术学院数字媒体研究所 2008.05.20计算科学简明思想 计算机、媒体计算与智能计算的思想之旅2008北京大学黄铁军2提纲 计算机图形 图形与图像 虚拟现实本节参考素材：本节参考素材： 清华大学孙家广计算机图形学（第三版）清华大学孙家广计算机图形学（第三版） 中科院计算所山世光人机交互界面理论与技术中科院计算所山世光人机交互界面理论与技术2008北京大学黄铁军3提纲 计算机图形 图形与图像 虚拟现实2008北京大学黄铁军4概念 图 眼见为实：客观对象在人的视觉系统中形成 的视

2、觉印象 图形：从客观世界物体中抽象出来的带有颜色及 形状信息的图和形 计算机图形学(IEEE) 研究怎样利用计算机来显示、生成和处理图形的原理、 方法和技术的一门学科。 Computer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer2008北京大学黄铁军5计算机图形学研究内容基本内容： 图形的表示：点、线（直线、曲线）、面（平面、曲 面、面片）、体（实体、场）、真实感（颜色、纹理） 等 图形输入输出硬件 相关研究内容 科学计算可视化 计算机动画 自然景物仿真2008北京

3、大学黄铁军6电子束扫描过程示意图扫描线水平回扫0123456垂直回扫2008北京大学黄铁军7荫罩兰红绿兰红绿电子枪屏幕荧光点荫罩式彩色CRT显色原理2008北京大学黄铁军8R GG BB0.25mmd=0.28mm0.22mm0.31mmR GBG点距为.25的柱 面显示器点距为.28的球 面显示器柱面和球面显示器点距定义示意图2008北京大学黄铁军9常规光栅显示设备扫描线水平回扫0123456垂直回扫荫罩兰红绿兰红绿电子枪屏幕荧光点R GG BB0.25mmd=0.28mm0.22mm0.31mmR GBG点距为.25的柱 面显示器点距为.28的球 面显示器2008北京大学黄铁军10中点画线

4、法当前象素点为(xp, yp) 。下一个象素点为P1或P2。 设M=(xp+1, yp+0.5)，为p1与p2 之中点，Q为理想直线与x=xp+1 垂线的交点。将Q与M的y坐标进 行比较。 当M在Q的下方，则P2 应为 下一个象素点； M在Q的上方，应取P1为下一点。P=(xp,yp)QP2P1直线2008北京大学黄铁军11圆的特征圆的特征:八对称性。只要扫描转换八分之一圆弧，就可 以求出整个圆弧的象素集 中点画圆法中点画圆法考虑中心在原点，半径为R 的第二个8分圆， 构造判别式（圆方程）222)5 . 0() 1()5 . 0, 1()(RyxyxFMFdpppp+=+=P=(xp,yp)P

5、1P2M圆弧2008北京大学黄铁军12区域0112233445566778891011P2(5,1)EP3(11,3)DP4(11,8)GFCB P5(5,5)P6(2,7)AP1(2,2) 多边形与扫描线2008北京大学黄铁军13点阵字符点阵字符:每个字符由一个位图表示 矢量字符矢量字符:记录字符的笔画信息点阵字符点阵字库中的位图表示矢量轮廓字符1111110001010101010101010111110001010101010101011111110000000000字符2008北京大学黄铁军143.1.5 Ferguson曲线端点位矢和切矢0P 0P1P 1P)(tP)(tP0Fto1

6、1to111Fto11to110G1G图3.1.6 三次调和函数曲线2008北京大学黄铁军15曲面P00P00P00P00xyzw=wjPw(ui,wj)n(ui,wj)Pu(ui,wj)P(ui,wj)u=0w=0u=1w=1u=ui2008北京大学黄铁军16曲面的三角剖分图3.1.21 三边Bezier曲面片uv平面2008北京大学黄铁军17实体造型2008北京大学黄铁军18实体造型2008北京大学黄铁军19实体造型2008北京大学黄铁军20实体扫描斯坦福大学图形学专家Marc Levoy曾经带 领30人的工作小组于19981999学年专 门在意大利对文艺复兴时代的雕刻大师米 开朗基罗的众

7、多艺术品进行扫描，保存其 形状和面片信息。 专门设计了一套硬件和软件系统 数据量也是惊人的，光大卫像（the David） 就有20亿个多边形和7000张彩色图象， 总共需要72G的磁盘容量2008北京大学黄铁军21Marc Levoy小组的工作现场 （Siggraph2000）2008北京大学黄铁军223D sensing3D data processingKatsushi Katsushi IkeuchiIkeuchi. . The University of The University of TokyoTokyo三维场景MergingMerging2008北京大学黄铁军23大型庙宇Ka

8、tsushi Katsushi IkeuchiIkeuchi. . The University of The University of TokyoTokyo2008北京大学黄铁军24光照2008北京大学黄铁军25不同精细程度的面片2008北京大学黄铁军26实体造型与光照2008北京大学黄铁军27不同光线照射2008北京大学黄铁军28物体2008北京大学黄铁军29纹理2008北京大学黄铁军30带纹理的物体2008北京大学黄铁军31景象2008北京大学黄铁军32镜面2008北京大学黄铁军33不同材质感2008北京大学黄铁军34不同光照2008北京大学黄铁军35三维纹理2008北京大学黄铁军36

9、三维纹理（影响光照）2008北京大学黄铁军37真实感绘制2008北京大学黄铁军38数字故宫与数字敦煌2008北京大学黄铁军39由清华大学自然景物平台生成的野外场景自然场景合成2008北京大学黄铁军40日本Yoshinori Dobashi等人绘制的真实感云自然场景合成2008北京大学黄铁军41Xfrog3.0生成的 挪威云杉自然场景合成2008北京大学黄铁军42网络虚拟世界2008北京大学黄铁军43提纲 计算机图形 图形与图像 虚拟现实2008北京大学黄铁军44图形和图像矢量图(Vector)：多用于图形用一组命令来描述图形，这些命令给出构成图形的各种属性和参数，如圆可以是 圆心坐标、半径以及

10、粗细和色彩组成的。 优点：图形文件占用空间较少。 缺点：图形复杂时，耗时相对较长。 位图(Bitmap)：多用于图像在空间和色彩上已经离散化的图片，通过描述画面中每一像素的颜色或亮度来表 示该图像，非常适合表现包含大量细节的图片(如明暗、浓淡、层次和色彩变化等)。 优点：色彩和色调变化丰富，景物逼真。 缺点：缩放等处理后易失真，数据量大。2008北京大学黄铁军45非真实感绘制NPR Non-Photorealistic Rendering用于模拟艺术效果，研究方法有别于真实 感图形学 钢笔素描的生成钢笔素描产生于中世纪，从19世纪开始成为一门 艺术20世纪90年代开始研究用计算机模拟 中国国画

11、与书法的生成2008北京大学黄铁军46Georges Winkenb1ach绘制的壶和碗 (Siggraph96)2008北京大学黄铁军47Salisbury绘制的茶壶(Siggraph97)2008北京大学黄铁军48Salisbury绘制的熊(Siggraph97)2008北京大学黄铁军49Oliver Deussen绘制的素描树 (Siggraph2000)2008北京大学黄铁军50基于特征的图象变形（猫变虎）图像变形2008北京大学黄铁军51不仅仅是图像和视频高等072008北京大学黄铁军52从图象生成漫画朱等06、闵等07、徐等06 2008北京大学黄铁军53人脸卡通化Cartooni

12、ze 尝试：http:/ 尝试： http:/ niface/aniface-step1.jsp2008北京大学黄铁军55自动老化模拟J.Suo, et. al. CVPR20072008北京大学黄铁军56提纲 计算机图形 图形与图像 虚拟现实2008北京大学黄铁军57虚拟现实Virtual Reality1989年美国的J. Lanier（创办VR产品公司VPL）提 出，是用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、 触觉或嗅觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发， 利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进 行浏览和交互考察。也译为“灵境”、“幻真”等，国外与虚 拟现实同类的术语

13、，还有虚拟环境、人工现实及电脑空间 等。2008北京大学黄铁军58虚拟现实和三维交互设备立体眼镜 头盔式显示器 体显示技术 墙式显示屏的自动声像虚拟环境（CAVE） 三维鼠标 三维跟踪球 三维游戏杆 头动位置检测器 数据手套 数据衣服三维 显示 设备三维 输入 设备位置 跟踪 设备2008北京大学黄铁军59全沉浸式显示头盔全沉浸式显示头盔CaveWorkBench立体显示器立体显示器立体头盔2008北京大学黄铁军60不列颠不列颠不列颠不列颠Aerospace(BoughAerospace(Bough) )的虚拟机舱设备的虚拟机舱设备的虚拟机舱设备的虚拟机舱设备2008北京大学黄铁军61虚拟环境

14、技术在医学及建筑设计中的应用虚拟环境技术在医学及建筑设计中的应用虚拟环境技术在医学及建筑设计中的应用虚拟环境技术在医学及建筑设计中的应用2008北京大学黄铁军62不列颠不列颠不列颠不列颠AerospaceAerospace虚拟环境虚拟环境虚拟环境虚拟环境实验室的实验室的实验室的实验室的Rover 400Rover 400型演示系型演示系型演示系型演示系 统头盔显示器及力感反馈手柄统头盔显示器及力感反馈手柄统头盔显示器及力感反馈手柄统头盔显示器及力感反馈手柄2008北京大学黄铁军63CAVE系统 CAVE Automatic Virtual Environment 洞穴式自动虚拟环 境 CAVE

15、系统是一种基于多通道视景同步技术和立体显示技 术的房间式投影可视协同环境 该系统可提供一个房间大小的四面（或六面）立方体投影显示空 间 多人参与，所有参与者均完全沉浸在一个被立体投影画面包围的 高级虚拟仿真环境中，借助相应虚拟现实交互设备（如数据手套、 力反馈装置、位置跟踪器等），从而获得一种身临其境的高分辨 率三维立体视听影像和6自由度交互感受。 由于投影面能够覆盖用户的所有视野,所以CAVE系统能提供给使 用者一种前所未有的带有震撼性的身临其境的沉浸感受。2008北京大学黄铁军64CAVE系统2008北京大学黄铁军65CAVE 系统2008北京大学黄铁军66CAVE 系统SGI Onyx2 / Projector2008北京大学黄铁军672008北京大学黄铁军68Phantom （以地面为参考）Phantom （以地面为参考）CyberGrasp 以身体为参考CyberGrasp 以身体为参考CyberTouch 以身体为参考CyberTouch 以身体为参考触觉交互设备2008北京大学黄铁军69触觉通道的力反馈装置 新一代力反馈感应技术主要有 TouchSense触觉感应技术，主要用在鼠标/轨迹球等产 品中 G-Force Tilte动作感应技术，则主要用在动感游戏控制 器中 Phantom触觉反馈设备（6自由度） 由MI