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【科学讲座】王文成:加强内容表达和感知的图像处理

      2019年9月26日晚7点,科学前沿进展名家系列讲座Ⅲ第217讲在玉泉路校区阶一5开讲。中科院软件研究所研究员、计算机科学国家重点实验室副主任王文成老师为同学们介绍了计算机图形学和图像处理的发展历程,课题组的工作进展,并探讨了该领域的发展前景。

       王老师首先从计算机发展的推动力的角度进行介绍。计算机发展的本质是应用推动,计算机领域的重点阶段都是围绕信息的处理、获取、交流、可靠等以提高工作效率为目的而发展的。由此,王老师提出“图形图像的作用日益重要”,这是因为信息交流是信息社会构建和发展的重要基石之一,而视觉是人类获取信息的主要通道,视觉获取的信息主要是形状与色彩,这也正是图形图像学研究的重点。图形图像学研究内容主要是根据各类需求,进行有关“形”与“色”的计算。

       图形图像处理的发展历程是从简单到复杂的,其发展的牵引力是应用需求,包括计算机辅助设计、真实感绘制、动画、仿真、虚拟现实,从具象到抽象的可视化、可视分析、非真实感等应用需求,具体如构造仿真环境,模拟太空对宇航员进行训练,这一基于计算的模拟,能够更低成本、更高效率地为实验服务。关于可视化与可视分析,王老师介绍到,美国自上世纪70、80年代开始进行可视化研究,这是一种将数据表达的内容转化成形体、色彩,使得数据更容易被人认知、更方便进行研究的技术,交通信息、气象信息等信息进行可视化后,都可以利用图形进行信息的表达。非真实感技术的出现是由于基于物理光照模型的真实感表达过于琐碎,影响了人的认识过程,而非真实感基于人关于事物的感知进行分析,更方便人们进行认知。

       随着上述应用需求的发展发展,为了能够进行更高效的运算,计算机的软硬件也在不断发展,计算机处理器从CPU、GPU到TPU,运算体系从单机、并行、分布式到云计算。应用需求与软硬件结合,构成了具体的应用场景:移动计算的简便快捷、安全计算的保密博弈需求、在通道不固定的情况下提高星载计算的可靠性、适应每个人不同需求的个性化计算等。

       “多歧路,今安在?直挂云帆济沧海”王老师引用古诗表达对图形图像处理的未来展望:即使今天图形图像处理并非热门,但信息交流始终是人类的重要需求,而图形图像处理是信息交流过程中不可或缺的一部分。

       随后,王老师介绍了我国和他的实验室在图形图像处理方面的一些具体工作。关于如何高效选择最优视点,即把三维模型投影到二位屏幕上,在屏幕上展现的信息进行度量,从而判断从什么角度观察能更好地更快地认识物体。视点的变化不连续,因此在一个空间内非常密集地分布许多采样点得方法计算量极大,王老师的实验室提出将几何模型分块,每一块被一个包围盒包围,每个盒找三条棱线比值相近的视点即为好视点,再对好视点最多的区域进行细致的度量。利用上述方法,原来需要观察五次的物体只要观察三次即可,度量速度显著提高,而度量质量与已有工作相当。王老师启示同学们:这一科学发现并没有很大的难度,其重点在于我们在科学研究过程中要注意观察。

       王老师还介绍了基于视点评分的三维模型摆正方法,这一方法的原理是人造模型底面变化较少;自然模型由于风雨等干扰较少,同样底部变化少。由此可以进行底座方向的猜测,再基于好视点进行优化选择,这一方法适应于各种模型,不局限于人造模型,在计算速度和失误率方面,均优于已有工作。由过去研究方法仅适用于人造模型,到现在的方法适用于各种模型,王老师启示同学们:要根据应用的需求不断改变研究方法,不要一条路走到黑。

       除此之外,王老师还依次介绍了三维模型的骨架表达,包括基于同步等距收缩的骨架提取方法和进行对称收缩的线骨架抽取方法,并分析了两种方法的优劣。

       关于可视化的研究进展,王老师介绍到:可视化是把数据中蕴含的内容用图形表现出来。可视化需要首先对数据进行分类,其次对数据进行解释、绘制,绘制过程中要注意绘制参数的设置,设置合适的透明度和色彩使得表达结果更满足使用者的需求。王老师还为我们展示了三维线绘制可视化的视频,即采用线性绘制,而非二维平面或三维立体,这样的方法减少了计算量。

       最后,王老师介绍了图像编辑方面的研究进展。计算机自动匹配与图像某一部分相关的内容,将用户输入的少量编辑操作传到相似内容进行编辑处理。这一处理方式又可分为:精准度高但工作量大的局部传播、工作量少但可控性差的全局传播。王老师的实验室对这二者进行结合:对编辑的局部传播和全局传播进行语义区域的区分,限定他们各自的影响范围,这一方法有利于进行统一的求解处理,提高编辑的可满足性,既减少了用户的输入交互时间,又提高了运行速度。

       讲座的最后,王老师引用吴冠中曾说过的画画的3个层次,表达了自己对于图形图像发展趋势的看法。此3层次分别为画得“真像”、画得“漂亮”、画得“美”,王老师认为,图形图像处理,目前主要还在“真像”层次奋斗;可视化向“漂亮”进发,但有点哗众取宠;离直奔核心、心灵共鸣层次的“美”还有些距离。(文/赵睿 图/赵睿 作者系国科大记者团成员)

王文成老师为同学们讲座

主讲人介绍:

王文成,中国科学院软件研究所研究员,博士生导师,计算机科学国家重点实验室副主任。长期从事计算机图形学、虚拟现实、可视化、图像编辑以及计算几何等方面的基础研究,迄今已承担国家自然科学基金、国家973计划、国家863计划、国家重点研发计划、欧盟第七框架协议等项目二十余项,取得一系列国际先进水平的工作成绩,有些是化解了国际权威认为不可能的问题。在国内外重要刊物和会议上发表论文170余篇,如国际一流的 Siggraph, Pacific Graphics,CVPR,TIP,TVCG,CGF等。

延伸阅读:

科学前沿进展名家系列讲座”创办于2014年9月,是中国科学院大学为本科生开设的必修课程,同时欢迎研究生与教职工参加,由中国科学院大学本科部主办,讲座召集人为徐涛院士。该课程按照数学、物理、化学等13个专业,邀请相关科学领域的院士等知名专家开展专题讲座。通过讲述科学故事、介绍相关学科方向的科学前沿进展,让学生在本科阶段了解不同学科的科研方向与主要进展,拓宽学生的学术视野,为他们最终选择学科专业与专业方向提供丰富的判断依据。