第七章 图形多媒体技术.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,多媒体技术基础与应用,范铁生 岳承君 王 军 王丹华 编著,电子工业出版社,高等院校计算机规划教材,多媒体技术基础与应用,第七章 图形多媒体技术,学习要点,掌握计算机动画的主要技术,掌握真实感图形的主要技术,掌握非真实感图形的主要技术,了解 图形多媒体技术的应用,掌握计算机动画的基本设计方法,第,7,章,图形多媒体技术,7.1,计算机动画,7.1.1,动画的特点,7.1.2,三维动画的主要技术,7.2,真实感图形技术,7.2.1,真实感图形的基本原理,7.2.2,真实感的自然景物模拟技术,7.3,非真实感图形技术,7.3.1,非真实感绘制的基本原理,7.3.2,非真实感图形的应用领域,7.4,图形多媒体技术的应用,7.4.1,三维,CAD,的应用,7.4.2 GIS,与虚拟城市,7.4.3,虚拟现实技术,7.4.4,可视化技术,7.5,应用与实例,7.1,计算机动画,动画片又称动漫片或卡通片,(,英文,Cartoon,的音译，就是漫画的意思）,动画的特点有三方面：,从动画速度上可以将计算机动画分为实时动画与逐帧动画；,从动画过程上说，计算机动画总是先有对象；,从动画方法的角度，主要有关键帧方法、弹性体动画、人体动画和关节动画、过程动画等等。,7.1,计算机动画,图象动画的典型例子就是世博会中国馆的动画版,清明上河图,。,演示视频,-,著名二维动画,喜洋洋与灰太狼,演示,三维动画演示嫦娥二号飞行过程,7.1,计算机动画,2.,三维动画主要技术有造型、变换、消隐等：,造型技术涉及如何描述和构造一个三维物体，主要用到的技术有实体边界表示法、扫描推移法、体素构造法、曲线造型、曲面造型；,三维动画中常用到的变换技术有,:,平移、旋转、错切，比例、镜像等；,消隐就是将被遮挡的表面和棱边不显示出来。根据消隐空间的不同，将消隐算法分为三类：,物体空间的消隐算法,图像空间的消隐算法,物体空间和图像空间的消隐算法,7.1,计算机动画,实体边界表示法是用顶点表、棱边表、表面表这样的三表形式，即边界信息来表示一个物体。如果简单多面体的顶点数、棱边数、表面数分别用,V,、,E,、,F,表示，则存在如下关系式：,V-E+F=2(7.1),这就是有名的欧拉公式。如一个实体满足上面的欧拉公式，并且实体的每条边连接两个顶点，一条边被两个面所共享，至少要有三条边交于一个顶点时，该实体为有效实体。实体边界法是实体构造中最常见、应用得最广泛的一种造型技术。,7.1,计算机动画,扫描推移法示意图：,7.1,计算机动画,体素构造法示意图：,7.1,计算机动画,曲线造型在三维动画中用来作为运动路径、放样路径、物体外轮廓线。,计算机图形学中常用的曲线拟合算法有三次样条曲线、拉格朗日曲线、抛物线、,Bezier(,贝塞尔),曲线、,B,样条曲线,(,如随机给定,5,个点所生成右图的,B,样条曲线,),。,7.1,计算机动画,曲面造型可用来构造人体、动物的表面和形体，可得到真实感较强的图形。,图形学中一般用一些小碎片,(Patch),来拼成一小块曲面片，若干小块曲面片光滑地连接成整张曲面。也就是说在曲面造型中人们选择一定的曲面生成算法，利用有限获取的控制点来得到由小块曲面拼接而成的整张曲面，整张曲面在拼接处的光滑程度由两小块曲面在接缝处导数的阶次来决定。计算机图形学中常用的曲面算法有,Bezier,曲面、,Coones,(,孔斯,),曲面、,B,样条曲面（如右图所示）等。,7.1,计算机动画,三维动画中常用到的变换技术有：平移、旋转、错切，比例、镜像等。,平移可用来描述三维物体的移动或摄象镜头的推、拉、俯、仰、摇运动，以产生人们对景物的“凑近看”、“离远看”、“低头看”、“抬头看”、“边走边看”的效果画面。,旋转可用来呈现三维物体的转动、弹挑、抛掷效果。,错切和比例可用来刻画人物和动物的面部夸张表情，反映了人物内心的喜、怒、哀、惧、爱、恶、欲的所谓“七情”。另外还可以用来产生艺术字。,错切的例子：,分形的例子：,摇曳的树,7.1,计算机动画,物体表面除了颜色外，还有表面细节或称做纹理，如图案、贴墙纸、人的皮肤、桔子的表皮等。对一些简单纹理可先构造图案掩膜，然后映射到物体表面。凸凹纹理是通过法向扰动的方法实现的。三维球面贴简单纹理的例子如右图：,7.1,计算机动画,变形技术常用来将一个物体改变形状为另一个完全不同的物体。世界的末日中，有一个非常著名的场景：一滴液态金属变为主人翁,Robert Patrick,的形象。起始帧为一滴液态金属；终止帧为,Robert Patrick,两帧分别引入对应的关键 控制点，通过对关键控制点的平滑过渡而产生变形效果。,7.1,计算机动画,在三维场景中，观众从某一视点沿某一视线方向看过来，如果物体不透明，物体自身会存在消隐问题：在视线方向上靠近视点的表面会遮挡住后面的表面和棱边。除此之外，物体间因相互遮挡也会存在物体间的消隐间题。消隐就是将被遮挡的表面和棱边不显示出来。又可分为线消隐和面消隐。根据消隐空间的不同，将消隐算法分为三类,消隐的例子：,7.2,真实感图形,计算机真实感绘制己经从最初绘制简单的室内场景发展到对野外自然景物的模拟，己经能够成功实现对许多包含多个自然界景物的复杂场景的绘制。特别是在,唐山大地震,、,满城尽带黄金甲,、,侏罗纪公园,、,真实的谎言,、,阿甘正传,等国内外电影中，真实感图形与电影胶片摄制出的图像得到了完美的结合。从这个意义上讲，真实感图形达到了它所追求的“像照片一样真实”的效果。右图是,侏罗纪公园,的片段：,侏罗纪公园,的片段,7.2,真实感图形,1.,“,真实感,”,的涵义包括几何真实感、行为真实感和光照真实感场景造型是用计算机在图形设备上生成真实感图形的基本任务之一；,光照明模型主要作用是模拟自然界中的光照明物理过程，计算物体表面向给定空间定向辐射的光能大小和色彩组成；,图形绘制就是根据光照模型，将三维场景绘制到二维区域上；,消隐算法就是消除观察点方向存在冗 余的物体；,7.2,真实感图形,虚拟装修的光照模型例子：,7.2,真实感图形,纹理细节的绘制是真实感图形技术中的一个重要方面；,反混淆技术，主要用于克服绘制时对信号采样或滤波不当引起的图形混淆现象；,图象拼合的数学基础是投影变换。,7.2,真实感图形,纹理细节分两种，一是颜色纹理，一是几何纹理。对一些简单有规则的颜色纹理，可采用曲面细节多边形模拟。颜色纹理较为复杂时，常用的模拟物体表面精致的不规则的颜色纹理的方法为纹理映射,(texture mapping),技术。对几何纹理，一般采用表面法向扰动法进行模拟。即将一个扰动函数映射到表面上参与对表面法向的扰动，从而获得表面的凹凸和皱折效果,7.2,真实感图形,2.,真实感的自然景物模拟技术,目前，常用的自然景物模拟方法主要有以下几种：基于分形迭代的算法、基于语法规则的算法、基于动态随机生长原理的算法、基于纹理的算法、大气光学传输模型、基于特殊几何实例的算法、基于交互的建模方法等。,分形迭代的算法：图形的每一个局部都可以被看作是整体图形的一个缩小的复本，在任意尺度上都具有复杂并且精细的结构；,基于动态随机生长原理的算法,：其中包括粒子系统、元胞自动机、格子气自动机和基于扩散的方法；,基于纹理的算法：其中包括纹元、体纹理、过程纹理、视频纹理等。,7.2,真实感图形,分形迭代技术构造的云彩和山脉,7.2,真实感图形,元胞自动机,(Cellular Automata),有的文献中译为细胞自动机、分子自动机、点格自动机或单元自动机等。元胞自动机最早是由现代计算机之父,冯,诺伊曼等人提出的构想,用于模拟生物的自复制过程。此后,经过物理学家、数学家、计算机科学家、生物学家以及其他学科的学者们共同工作,元胞自动机成为一个地地道道的“混血儿”。因此,对元胞自动机的含义也存在不同的解释。物理学家将其视为离散的、无穷维的动力学系统数学家将其视为描述连续现象的偏微分方程的对立体,是一个时空离散的数学模型计算机科学家将其视为新兴的人工智能、人工生命的分支而生物学家则将其视为生命现象的一种抽象。某,CA,的演变如下图：,7.2,真实感图形,基于小振幅波理论和细胞自动机的模型对水波进行动态的造型。很多电视广告中都采用此方法，呈现出如图所示的精美画面。,7.2,真实感图形,Fourier,合成技术是一种非常有效的过程纹理生成技术。该技术已成功地用来模拟水波、云彩、山脉和森林等自然景象。它通过将一系列不同频率、相位的正弦,(,或余弦,),波叠加起来产生所需的纹理模式。它既可以在空间域中合成所需纹理，也可在频率域中合成纹理。,Fourier,合成的水波,7.3,非真实感图形,1.,非真实感图形技术,由于前述的真实感绘制过于精确地反应现实，产生的结果图象过于刻板，所以缺乏绘画作品应有的艺术感觉，很难表达艺术家的想要表达的意境。而且很多细小和隐藏的结构难以很有效地被描绘，设计风格、设计意图等工艺设计（或设计艺术）专业所需要的效果很难在设计结果中表现出来。为此人们很自然的想到了真实感绘制的对立面,非真实感绘制。,7.3,非真实感图形,2.,非真实感绘制的基本原理：,非真实感绘制技术主要分为两类：一类是基于,3D,观察空间的非真实感绘制，它使用,3D,场景几何模型来创建一定的绘制风格；一类是基于图像空间的非真实感受绘制，它以一幅原始数字图像作为输入，旨在把数字图像转换成一定的艺术风格。,例如，很多文艺作品就采用非真实感绘制技术和方法在片头作画龙点睛的主题渲染。,基于图像空间的非真实感受绘制,下图就是原始数字图像作为输入，再将其转换成铅笔画后分层还原，以突出层层分析的主题。,电视剧唐琅探案的完整片头,基于图像空间的非真实感受绘制,下图也是原始数字图像作为输入，再将其转换成铜色浮雕画，以突出永垂不朽的主题。,电视剧长征的完整片头,2.,非真实感绘制的基本原理,而基于图像空间的非真实感艺术绘制工作又可分为两类：一类是计算机自动绘制生成所需的艺术风格图像，典型算法包括颜色传输和基于纹理合成的艺术风格传输。另一类是基于过程的物理模拟，即基于画笔的非真实感艺术绘制。,不论是哪类绘画，都具有形式三要素：造型、色彩、构图。,2.,非真实感绘制的基本原理,仿射变换可记为,Y,=,A,X,+,b,(,Y,X,b,R,d,，,A,为,d,d,矩阵，,d,为空间大小,),，使给定画面上,X,点变换到,Y,点，相应地将,X,点的颜色、灰度、光亮度等转换到,Y,处。在平面构成的实践中，仿射变换可以表现重复、相似、渐变、发射、对比、密集等技法。,如进行,1,次“猫脸”变换的,Lena,图像：,“猫脸”变换公式为：,7.3,非真实感图形,3.,非真实感绘制（,NPR,）包含了不同应用背景下的多种绘制技术，如：铅,/,钢笔素描、半调法、点画法、模拟水彩画、卡通风格绘制、基于光照模型的绘制等。,(1),铅,/,钢笔素描是非真实感绘制的一个重要内容；,(2),半调法,(half toning),是在图像像素上操作的算法，可以在两级设备上完成连续色调图像的再现；,(3),减少图像瑕疵的另一方法是点画法；,(4),图像马赛克是将不同的信息和格式的小图像结合在一个更大的再现图像中的方法；,(5),模拟水彩画的,NPR,技术；,(6),卡通风格的绘制技术；,(7),基于光照模型的绘制技术。,7.3,非真实感图形,铅笔滤镜生成效果：,点画法效果图：,模拟水彩画效果图：,7.3,非真实感图形,卡通绘制的效果图：,7.3,非真实感图形,4.,非真实感图形的应用领域：,(1),艺术领域；,(2),科学领域；,(3),医学领域；,(4),工业设计领域；,(5),娱乐行业；,(6),广告行业。,7.3,非真实感图形,中国画绘制的效果,首先生成框架结构,:,然后再贴面和着色,:,非真实感的中国画绘制演示：,7.4,图形多媒体技术的应用,1.,三维,CAD,的技术：,CAD,技术主要包括交互技术、图形变换技术、实体造型和曲面造型技术等。,在计算机辅助设计中，交互技术是必不可少的；,一个图形系统应该允许用户去定义一个图形，包括对图形的各种变换；,实体造型是通过对点、线、面、体等几何元素，经过平移、旋转、变化等几何变换和并、交、差等集合运算，构造维数一致的正则形体和维数不一致的非正则形体，从而产生实际的或想象的物体模型。,曲面造型首先要解决三维,CAD,建模问题。,7.4,图形多媒体技术的应用,CAD,的零件生成实例,:,7.4,图形多媒体技术的应用,2.GIS,数字化的城市是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，以宽带网络为纽带，综合运用,3S(,遥感,(RS),、全球定位系统,(GPS),、地理信息系统,(GIS),、遥测、模拟等技术对城市的基础设施、功能机制进行信息自动采集、动态监测管理和辅助决策服务的技术系统。而数字化的城市的重要部分，就是地理信息系统,(Geographic Information Systems),。,7.4,图形多媒体技术的应用,3.GIS,的概念：,地理信息系统是一个以地理数据为研究对象，以空间数据库为核心，采用多种数据分析与建模方法，实时提供多种空间和动态资源与环境信息，为科研、管理和决策服务的计算机应用系统，其研究内容包括以下几个方面：,信息输入；,信息编辑与处理；,地理数据库建立；,图形显示与制作；,空间操作技术；,空间信息分析；,地理数据库更新。,7.4,图形多媒体技术的应用,4.,三维,GIS,：,现在越来越多的用户要求在真实直观的三维空间进行各种空间查询和分析。如在环境仿真、城市规划、市政设施管理、物业管理等领域都需要复杂的模型分析和辅助决策和三维交互式动态系统的支持。,城市建设和规划是三维,GIS,的重要应用领域之一，土地利用和土地资源管理，以及林业、农业、市政设施管理、生态环境等领域都有三维,GIS,的应用。,7.4,图形多媒体技术的应用,三维地形的应用：,7.4,图形多媒体技术的应用,5.,虚拟城市,虚拟城市就是人类利用虚拟技术构建的最具规模的虚拟现实，本质上是一种,信息,化城市。,虚拟城市是综合运用,GIS,、遥感、遥测、网络、多媒体及虚拟仿真等技术，对城市内的基础设施、功能机制进行自动采集、动态监测管理和辅助决策的数字化城市。,所谓虚拟城市，即人类利用虚拟技术和丰富的想象力构建起来的最复杂的虚拟现实,virtual reality),和高度信息化、数字化、概念化与符号化的城市，虚拟城市作为对现实城市的补充形式，主要是更充分 地利用、扩充和创造了地理空间或几何空间。,7.4,图形多媒体技术的应用,三维虚拟城市的效果图,三维虚拟城市的效果图,7.4,图形多媒体技术的应用,6.,虚拟城市的实现,虚拟城市,=,三维城市模型,+,专题信息,+,查询功能,+,分析功能。,要实现一个虚拟城市系统可考虑以下两种方案：,一、利用高级语言和三维图形开发库的方法；,二、使用专用的三维虚拟开发工具。,三维虚拟上海市,GIS,演示版,7.4,图形多媒体技术的应用,7.,虚拟现实技术,虚拟现实（,Virtual,Reality,VR,),技术，又称“灵境技术”、“虚拟环境”、“模拟实境”、“虚拟实境”、“仿真技术”等，是在现代科学技术,(,如计算机图形学、图像处理与识别、计算机仿真技术、人机接口技术、实时分布处理技术、数据库技术、多媒体技术、多传感器技术和人的行为学研究等,),的基础上发展起来的一门交叉科学技术。其特点以计算机技术为主，利用计算机等设备创造一个视听感受逼真的三维虚拟环境，该环境是人工虚构的，在这个虚构的环境中能实现与现实相同的感受，可以利用它观察周围世界，可以与虚拟世界进行人机互动等，大大加速了人机互动技术 的发展。,7.4,图形多媒体技术的应用,虚拟现实的基本交互任务可分为四种：行进,(Travel),、选择,(Selection),、操纵,(Manipulation),以及系统控制,(,SystemControl,),。,虚拟现实中的交互技术大致分为三类：手臂伸展,(Arm-Extension),，光线投射,(Ray-Casting),，图象平面,(Image Plane),。,穿越时空的紫禁城演示,7.4,图形多媒体技术的应用,8.,可视化技术,简单说，可视化技术是一种特殊的计算方法，它能将数字符号转换为几何或图形，使人便于观察它们的模拟和计算过程，并进行交互控制。因此，从广义上说，计算机图形学的最终目的就是可视化。,一般将可视化技术具体分为：,(1),数据可视化；,(2),信息可视化；,(3),知识可视化。,7.4,图形多媒体技术的应用,可视化的一般理论模型图,7.4,图形多媒体技术的应用,可视化的应用可分为：,一维信息可视化,:,一维信息可视化主要是针对文本、程序的可视化，如贝尔实验室的,Eick,等人在可视化系统,SeeSoft,中实现了一种对上百万行计算机程序进行可视化的方法。,二维信息可视化,:,最常见的二维信息可视化就是地理信息系统。,三维信息可视化：三维信息可视化被广泛地应用于建筑和医学领域，如,CAD,和我国“,863”,高技术发展研究课题中的用计算机在三维空间模拟真实人体的所有特征。,层次结构可视化：,Cone and Cam Trees,的层次结构可视化方法可以描述实际书本描述的,80,页有组织的内容。,网络结构可视化：而与只有一个父节点的层次结构不同，网络结构因为网络数据集合中的节点不受其他与它们相联系的有限数量节 点的限制就更需要可视化技术了。,网络结构可视化,例子：,7.5,应用与实例,图形多媒体制作软件中最著名的莫过于,Flash,动画软件，人们常称,Flash,绘制高手为“闪客”。其表现力强、文件适合互联网应用等特点，使得其得到快速普及与发展。,7.5,应用与实例,Flash,的基础知识,Flash 8,工作界面图：,7.5,应用与实例,在该界面中，主要由菜单栏、工具栏、时间轴、图层区、属性面板、动作面板、场景等几部分组成。菜单栏用于,Flash 8,常用命令的执行，如新建文件、设置绘图环境、图形翻转和动画发布等。工具栏集中了绘画、文字及修改等常用工具。使用这些工具，可以十分方便地绘制、选取、喷涂及修改作品。工具栏分为,4,个区域：绘图工具区、视图区、颜色区和工具选项区。其中工具选项区的内容随当前所选工具的不同而变化，用于对绘图工具进行细节上的设置。图层区主要用于对动画中的各个图层进行管理。时间轴主要用于创建动画和控制动画的播放等操作。场景是设计者直接绘制帧图的场所，是从外部导入图形之后进行编辑处理形成的单独的帧图的场所，是把单独的帧图合成动画的场所。,Flash 8,的默认界面中包括了多个常用面板，如属性面板动作面板、混色器面板等，这些面板主要用于设置舞台中图形对象的属性。,7.5,应用与实例,文件的基本操作：,新建文件,:,启动,Flash,后，系统默认新建一个名为“场景,1”,的新文件，可直接在绘图区域中进行各种操作。若要添加场景，可以执行,【,插入,】【,场景,】,命令进行添加。,打开文件,:,执行,【,文件,】【,打开,】,命令（或按,Ctrl+O,快捷键），在打开的对话框中显示出所有,Flash 8,支持的格式文件，双击需要打开的文件即可。,保存文件,:,执行,【,文件,】【,保存,】,命令（,Ctrl+S,）或,【,文件,】【,另存为,】,（,Ctrl+Shift+S,）命令，打开,另存为,】,对话框，输入文件名后，单击,【,保存,】,按钮，保存为*,.,fla,的文件。,执行,【,文件,】【,关闭,】,（,Ctrl+W,）命令，关闭当前文件，但不退出,Flash,程序。,7.5,应用与实例,2.Flash,动画设计,本节中我们主要讲述了两种动画的制作：,逐帧动画的制作：,Step 1,新建文件，并导入素材；,Step 2,选择所有帧；,Step 3,调整素材与舞台的位置。,7.5,应用与实例,编辑所有帧图：,7.5,应用与实例,选择所有帧图：,7.5,应用与实例,遮罩动画的制作：,Step 1,新建文件，制作“文字”图层；,Step 2,建立“放大镜”图层；,Step 3,制作放大镜运动效果；,Step 4,建立“大字”图层；,Step 5,创建遮罩层；,Step 6,作品完成，按,Ctrl+Enter,键，测试动画 效果。,7.5,应用与实例,制作文字图层：,7.5,应用与实例,制作放大镜图层：,7.5,应用与实例,建立“大字”图层：,7.5,应用与实例,创建遮罩层：,7.5,应用与实例,3.Flash,中的音频和视频,Flash,声音：,（,1,）导入声音,（,2,）添加声音,通过属性面板添加声音或 通过鼠标拖动添加声音。,（,3,）编辑声音,在时间轴中选择添加了声音的帧，即可在属性面板中看到与声音有关的设置。,在属性面板中单击,【,效果,】,下拉列表右侧的,【,编辑,】,按钮，打开,【,编辑封套,】,对话框，进行相关编辑。,（,4,）设置声音属性,在属性面板中单击,【,效果,】,下拉列表，在该列 表中设置声音的播放效果。,7.5,应用与实例,Flash,的视频：,（,1,）视频的导入,执行,【,文件,】【,导入,】【,导入视频,】,命令，打开,【,导入视频,】,对话框，单击,【,浏览按钮,】,，在打开的对话框中选择想要导入的视频文件，单击,【,下一个,】,按钮。,7.5,应用与实例,选择,【,在,SWF,中嵌入视频并在时间轴上播放,】,项。,7.5,应用与实例,单击,【,下一个,】,按钮，对视频进行嵌入处理。,7.5,应用与实例,单击,下一个,】,按钮，进行视频编码、视频编辑、高级设置等修改。,7.5,应用与实例,按要求进行设置出现,【,完成,】,按钮，单击后完成对视频的导入设置。此时就会出现如图所示的,Flash,视频编码进度。,7.5,应用与实例,库面板中显示出已导入的视频。,7.5,应用与实例,（,2,）视频的添加,首先，选择时间轴中需要添加视频的关键帧，在库面板中单击要添加的视频素材，按住鼠标左键不放，将视频素材拖动到场景中，释放鼠标左键，视频文件即添加到指定的帧中。会出现询问是否希望时间轴跨度中自动插入所需帧数的对话框，回答,【,是,】,。,Flash,自动在该帧的后面插入与视频素材长度相当的普通帧。至此，视频添加完毕。,7.5,应用与实例,对时间轴跨度不够长的提示图：,时间轴跨度自动插入所需帧数 图：,7.6,思考与练习,1,图形多媒体同前几章介绍的图像,/,视频,/,立体电视都是显示在二维屏幕上，它们有何区别与联系？,2,试说明儿童为何多喜欢动画片，且对广告词过目不忘？,3,计算机动画的主要技术有哪些。,4,真实感的涵义的有哪三项。,5,真实感图形绘制技术有哪些。,6,电视节“飞天奖”杯造型来源于敦煌壁画，试说明若你用计算机绘制需要应用哪些技术。,7,除了本章介绍一些应用之外，你还了解哪些非真实感图形应用（包括未来的应用）？,8,主要,CAD,技术有哪些。,9,地理信息系统的研究内容有哪些。,10,试举例互联网中虚拟现实的应用有哪些？,