计算机图形学第二讲

1、交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics1上一讲回顾主要内容：主要内容：计算机图形学的研究内容计算机图形学的发展简史计算机图形学的应用简介1. 计算机图形学研究热点简介要点：要点：图形的两个要素1. 计算机图形学的研究范畴第2章 计算机图形系统概述Introduction to Graphics System交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics3提纲n图形系统硬件输入设备(Input devices)输出设备(Output devices)图形处理器(Graphics processor)n图形系统软件计算机图形软

2、件标准通用图形软件包的基本功能W3C开放标准：可伸缩向量图形SVG标准交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics4图形输入设备(input devices)n定位设备(locator devices)： 坐标数字化仪(data tablet) 鼠标器(mouse) 跟踪球(trackball) 操纵杆(joystick) 触摸屏(touch panel)：分电阻式,电容式,红外线式,声表面波式。 光笔(light pen)n键盘(keyboard)n图象扫描仪(image scaner)n三维输入设备：有控制球、操纵合、数据手套、跟踪器。n智能化(intel

3、ligent)输入设备交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics5三维鼠标三维鼠标空间球空间球扫描仪扫描仪交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics6索尼PS Hander PS Move任天堂 Virtual Boy Wiimot 微软Xbox Controller Kinect 交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics7交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics8图形输出设备(output devices)n图形显示器：nCRT 显示器 随机扫描

4、显示器(矢量发生器) 存储管式显示器 光栅扫描显示器n平板显示器 液晶显示器(LCD) 等离子(plasma)显示器 Flat-plane CRT display打印机(printer)绘图仪(graph plotter)三维显示设备体三维显示设备交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics9CRT(Cathode ray tube) 显示器工作原理(1)交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics10n名词解释：象素(pixel-picture element)分辨率(resolution）帧缓冲存储器(frame buff

5、er)位面(planes)n单色(monochrome)显示器n每个像素占用1个bitn灰度(grayed)显示器n每个像素占用多个bitCRT 显示器工作原理(2)交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics11n衡量衡量CRT性能的指标性能的指标n屏幕尺寸大小屏幕尺寸大小n点距点距n分辨率分辨率n画面刷新频率画面刷新频率n带宽带宽 CRT 显示器工作原理(3)交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics12彩色CRT 显示器n荫罩法(shadow-mask CRT)n三个电子枪n三个荧光点构成一个像素n各像素与荫罩板上的洞

6、对应交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics13(真)全彩色系统(full color system)红绿蓝888交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics14n特点特点n数据表示数据表示：矢量表示，只有端点信息，：矢量表示，只有端点信息，无线段中间点无线段中间点n扫描方式扫描方式：电子束像一支快速移动的画：电子束像一支快速移动的画笔，可随意移动，只扫描荧屏上要显示笔，可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分，与的部分，与示波器示波器工作原理类似工作原理类似n显示图形显示图形：几何属性（：几何属性（geometric att

7、ribute）为主，线架图）为主，线架图n优点优点：扫描速度快，分辨率高，线条质：扫描速度快，分辨率高，线条质量好，易修改，交互性好，动态性能好量好，易修改，交互性好，动态性能好n缺点缺点：价格贵，只能显示线画图形，应：价格贵，只能显示线画图形，应用于军事、用于军事、CAD领域领域画面刷新随机式(random)光栅式(raster)n相关名词：n持续发光时间 (persistence time)1/10亮度；10-60毫秒n刷新(refresh)n刷新频率(refresh rate60)n临界停闪频率(critical fusion frequency)n特点：特点：n数据表示数据表示：像素矩

8、阵：像素矩阵n扫描方式扫描方式：从上到下，从左到右，与：从上到下，从左到右，与电电视视工作原理类似工作原理类似n显示图形显示图形：几何属性：几何属性+视觉属性视觉属性（Visual attribute），真实感图形），真实感图形交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics15续n相关名词扫描线(scan line)帧(frame)水平/垂直回扫(retrace)期光栅扫描(raster-scan)显示器刷新方式交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics16应用程序发出绘图命令应用程序发出绘图命令解析成显示处理器可接受命令格式

9、解析成显示处理器可接受命令格式存放在存放在刷新存储器刷新存储器中中刷新存储器中所有的绘图命令组成一个显示文件刷新存储器中所有的绘图命令组成一个显示文件由由显示处理器显示处理器负责解释执行负责解释执行(刷新刷新)视频控制器视频控制器控制驱动电子枪在屏幕上绘图控制驱动电子枪在屏幕上绘图修改图形，实际是修改显示文件中的某些绘图命令修改图形，实际是修改显示文件中的某些绘图命令 光栅扫描显示系统工作原理光栅扫描显示系统工作原理(raster-scan display system) 交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics17光栅扫描显示系统逻辑部件光栅扫描显示系统

10、逻辑部件帧缓存器(frame buffer)视频控制器(video controller)显示处理器(display processor)存储器地址 视频控制器刷新操作示例光栅扫描生成器x寄存器y寄存器帧缓存象素寄存器水平和垂直偏转电压强度显示屏幕交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics18简单光栅扫描图形显示系统结构图 （帧缓存）CPU系统总线系统总线外设外设系统存储器系统存储器视频控制器视频控制器显示器显示器交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics19改进的光栅扫描图形显示系统结构图CPU系统总线系统总线外设外设系

11、统存储系统存储器器视频控制器视频控制器显示器显示器帧缓存帧缓存交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics20具有专用显示处理器的光栅系统结构图显示卡 CPU系统总线系统总线外设外设显示处理器显示处理器系统存储器系统存储器显示器显示器显示处理器显示处理器的存储器的存储器帧缓存帧缓存视频控制器视频控制器交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics21n图形处理器图形处理器n俗称俗称显卡显卡nCGA EGA VGA nTVGA SVGA XGA SXGAn工作原理工作原理n显示主芯片显示主芯片n显卡的核心，俗称显卡的核心，俗称GP

12、U n代替代替CPU完成部分图形处理功能，扫描转换、几何变换、裁剪、光完成部分图形处理功能，扫描转换、几何变换、裁剪、光栅操作、纹理映射等等栅操作、纹理映射等等n各图形函数基本上都集成在这里各图形函数基本上都集成在这里n显存显存n存储将要显示的图形信息存储将要显示的图形信息n保存图形运算的中间数据保存图形运算的中间数据n它与显示主芯片的关系，就像计算机的内存之于它与显示主芯片的关系，就像计算机的内存之于CPU一样一样 nRAMDACn视频存储数字模拟转换器视频存储数字模拟转换器n在视频处理中，把二进制的数字转换成为和显示器相适应的模拟信号在视频处理中，把二进制的数字转换成为和显示器相适应的模拟

13、信号 早期没有早期没有交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics22总结1几个数量关系v 帧缓存容量-N 位面数L 可显示的不同颜色的数量 m m = 2L; N = L * 屏幕分辨率 (bits)v 刷新速率F : 30 帧/秒v 带宽T：TF * Nv 像素访问周期=1/(刷新速率*帧缓存容量)交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics23总结2冲突的存在n影响显示器成本的因素:n分辨率n可显示的不同颜色数n帧缓存容量帧缓存容量与可显示颜色数、分辨率之间存在冲突n解决之道？！n查色表n隔行扫描n交互式计算机图形学-I

14、nteractive Computer Graphics24查色表(look-up table-LUT)01000011Pixel in bitmapat x, y67Pixeldisplayedat x, y1001 1010 0001RedGreenBlueGBR00 xyxmaxymax025510011010000167帧缓存帧缓存查色表查色表（可变）（可变）显示器显示器隔行扫描(interleaved scan)解决刷新频率与刷新周期之间矛盾的方法一帧完整的画面分成一帧完整的画面分成两场两场(奇数场与偶数场奇数场与偶数场)交互式计算机图形学-Interactive Computer

15、Graphics26n优点：优点： 成本低成本低 易于绘制填充图形易于绘制填充图形 灰度和色彩丰富，图像逼真灰度和色彩丰富，图像逼真 可以和电视机兼容可以和电视机兼容 刷新频率一定，与图形的复杂程度无关刷新频率一定，与图形的复杂程度无关n缺点：缺点： 需要扫描转换需要扫描转换 扫描转换速度偏低，交互操作响应慢扫描转换速度偏低，交互操作响应慢 分辨率偏低，有阶梯效应分辨率偏低，有阶梯效应缺点正在被克服优点使其占据了市场主流总结总结3光栅显示系统的特点光栅显示系统的特点交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics27走向平面的显像管走向平面的显像管n球面显象管球面

16、显象管n表面：球面的一部分表面：球面的一部分n时间：时间：90年代初年代初n柱面显象管柱面显象管n表面：柱面的一部分，垂直方向上平直，水平方向上有弯曲表面：柱面的一部分，垂直方向上平直，水平方向上有弯曲n时间：时间：90年代中期年代中期n平面直角显象管平面直角显象管n表面：球面的一部分，接近于平面，曲率相对比球面柱状管小，反光及四角失表面：球面的一部分，接近于平面，曲率相对比球面柱状管小，反光及四角失真现象减少真现象减少n时间：时间：90年代中后期年代中后期n纯平显象管纯平显象管n表面：纯平面，水平和垂直方向平面如镜，色彩和亮度对比鲜明表面：纯平面，水平和垂直方向平面如镜，色彩和亮度对比鲜明n

17、适合影像处理、多媒体展示、影片欣赏适合影像处理、多媒体展示、影片欣赏n时间：时间：90年代后期年代后期n市场上的主流显象管市场上的主流显象管交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics28LCD显示器（1/5）nCRT显示器的缺点：显示器的缺点：n屏幕的加大导致显象管的加长，体积加大，使用屏幕的加大导致显象管的加长，体积加大，使用时候受到空间的限制时候受到空间的限制n利用电子枪发射电子束来产生图像，产生辐射与利用电子枪发射电子束来产生图像，产生辐射与电磁波干扰，长期使用对健康不利电磁波干扰，长期使用对健康不利 节省放置空间的节省放置空间的短管短管交互式计算机图

18、形学-Interactive Computer Graphics29LCD显示器（2/5） n液晶显示器液晶显示器nLCD（Liquid Crystal Display）n原理原理n液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质 n它具有液体的流态性质和固体的光学性质它具有液体的流态性质和固体的光学性质 n当液晶受到电压的影响时，就会改变它的物理性质而当液晶受到电压的影响时，就会改变它的物理性质而发生形变发生形变 n此时此时通过它的光的折射角度通过它的光的折射角度就会发生变化，而产生色就会发生变化，而产生色彩彩 交互式计算机图形学-Interactive Comp

19、uter Graphics30LCD显示器（3/5）n液晶屏幕后面有一个液晶屏幕后面有一个背光背光n这个光源先穿过这个光源先穿过第一层偏光板第一层偏光板，再来到，再来到液晶体液晶体上上n当光线透过液晶体时，就会产生光线的色泽改变当光线透过液晶体时，就会产生光线的色泽改变n从液晶体射出来的光线，再经过一块从液晶体射出来的光线，再经过一块彩色滤光片彩色滤光片以以及及第第二块偏光板二块偏光板n由于两块偏光板的偏振方向成由于两块偏光板的偏振方向成90度，再加上电压的变化度，再加上电压的变化和一些其他装置，就能显示我们想要的颜色了和一些其他装置，就能显示我们想要的颜色了 交互式计算机图形学-Intera

20、ctive Computer Graphics31LCD显示器（4/5）n基本技术指标基本技术指标 n可视角度可视角度 指左右两边的可视最大角度相加指左右两边的可视最大角度相加 n点距点距 两个液晶颗粒（光点）之间的距离两个液晶颗粒（光点）之间的距离 n分辨率分辨率 指其真实分辨率指其真实分辨率 比如比如1024768的含义就是指该液晶显示器含的含义就是指该液晶显示器含有有1024768个液晶颗粒个液晶颗粒 交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics32LCD显示器（5/5）n显示效果有差距显示效果有差距n但有后来居上之势但有后来居上之势 n外观小巧精致，厚

21、度只有外观小巧精致，厚度只有6.58cm左右左右n液晶象素总是发光，只有加上不发光的电压时该液晶象素总是发光，只有加上不发光的电压时该点才变黑，不会产生闪烁现象点才变黑，不会产生闪烁现象 n工作电压低，功耗小，节约能源工作电压低，功耗小，节约能源 n没有电磁辐射，对人体健康没有影响没有电磁辐射，对人体健康没有影响 交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics33LCOS显示器(1/3)nLCOS(Liquid Crystal on Silicon)-有源点阵反射式液晶显示技术nLCD与与CMOS集成电路有机结合的反射型新集成电路有机结合的反射型新型显示技术型显

22、示技术n具备大屏幕、高亮度、高分辨率、省电等优势具备大屏幕、高亮度、高分辨率、省电等优势 n可能是可能是HDTV的背投影技术发展的主要方向的背投影技术发展的主要方向n目前目前CRT技术大屏幕投影电视机的主要竞争者技术大屏幕投影电视机的主要竞争者 交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics34LCOS显示器(2/3)n与与LCD技术最大的不同是技术最大的不同是nLCD是利用光源穿过是利用光源穿过LCD作调变，属于穿透式作调变，属于穿透式成像成像nLCOS是利用反射的架构，光源发射出来的光是利用反射的架构，光源发射出来的光并不会穿透并不会穿透LCOS面板，属于反

23、射式成像面板，属于反射式成像 交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics35LCOS显示器(3/3)n存在的问题：存在的问题：n行业标准不统一，各家推出的行业标准不统一，各家推出的LCOS应用产品应用产品各具特色，专利技术也不一样，上游配套产品各具特色，专利技术也不一样，上游配套产品比较复杂，如光学镜头、光机、灯、屏幕等比较复杂，如光学镜头、光机、灯、屏幕等nLCOS制造工艺存在瓶颈，良品率受制约，成制造工艺存在瓶颈，良品率受制约，成本相对较高本相对较高n从目前产品性能、价格与现有市场分析，现从目前产品性能、价格与现有市场分析，现阶段的阶段的LCOS技术还难

24、以与技术还难以与LCD技术抗衡技术抗衡 交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics36未来显示器未来显示器n发光聚合物技术发光聚合物技术n坚不可摧；柔韧性好，可以卷起来；坚不可摧；柔韧性好，可以卷起来；n显示画面具有无与伦比的清晰度；显示画面具有无与伦比的清晰度；n真正的平面直角。真正的平面直角。交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics37计算机图形软件分类及标准图形软件系统分类子程序包（如：GKS, PHIGS, GL）便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低为语言扩充出图形

25、功能（如： Turbo C, AutoLisp, OSG ）简练、紧凑、执行速度快，但不可移植简练、紧凑、执行速度快，但不可移植专用的图形系统(MAYA）效率高，但系统开发量大，可移植性差。效率高，但系统开发量大，可移植性差。图形学软件功能标准化1974年ACM SIGGRAPH举办“与机器无关的图形技术会议”成立了一个图形标准化委员会开始标准的制定ISO和ANSI批准的第一个国际图形标准是：GKS事实上的企业标准与国际标准并存，如：OpenGL,DirectX等交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics38图 2-6 各 图 形 标 准 在 图 形 系 统

26、 中 作 用 范 围图形软件标准分两类:数据及文件格式标准子程序界面标准交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics39图 2-6 各 图 形 标 准 在 图 形 系 统 中 作 用 范 围数据及文件格式标准n各界面间进行数据传送和通信的 接口标准。包括：nCGI(Computer Graphics Interface)nCGM(Computer Graphic Metafile)nIGES(Initial Graphics Exchange Specification)nSTEP(STandard for the Exchange of Product mo

27、del data)交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics40计算机图形接口CGIn标准号是ISO DP 9636。n与ANSI在1985年公布的VDI（Virtual Device Interface）是一致的。n可看作是图形设备驱动标准。图 2-6 各图形标准在图形系统中作用范围交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics41计算机图形元文件（CGM）n标 准 号 是 I S O IS8632n通过元文件产生器生成并通过原文件解释器与CGI（驱动器）配套使用。图 2-6 各图形标准在图形系统中作用范围交互式计算机图形学

28、-Interactive Computer Graphics42基本图形转换规范IGESn是实际上的工业标准。n目的：处理在不同的CAD/CAM系统间进行的数据交换。n内容：定义了一套表示CAD/CAM系统中常用的几何和非几何数据格式以及响应的文件结构。n使用：由系统中的IGES前、后处理器完成IGES格式文件的输出、输入。n问题：数据不精确、数据量太大等交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics43图 2-6 各图形标准在图形系统中作用范围产品模型数据转换标准STEPn具体组成包括：n描述方法标准n实现方法标准n一致性测试方法与工具标准n信息模型标准n应用

29、协议n96年成为ISO标准。交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics44图 2-6 各 图 形 标 准 在 图 形 系 统 中 作 用 范 围子程序界面标准供图形应用程序调用的子程序 功能及格式标准。包括：GKS(Graphics Kernel System)PHIGS(Programmers Hierarchical Interactive Graphics System)GL(Graphic Library)交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics45图形核心系统GKS和GKS-3DnGKS是一个二维图形标准，GK

30、S-3D是它的 扩 展 ， 标 准 号 是ISO IEC 8806-4。图 2-7 GKS 在应用中的地位图形资源其它资源操作系统应用程序面向应用层依赖语言的接口层图形核心 GKS交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics46PHIGS和PHIGSnProgrammers Hierarchical Interactive Graphics System，功能：n向应用程序员提供控制图形设备的接口n图形数据按层次结构组织，使多层次的应用模型能方便地应用PHIGS进行描述n提供动态修改和绘制显示图形数据的手段n公布于1986年，标准号是ISO IS 9592交互

31、式计算机图形学-Interactive Computer Graphics47图形功能库GLn最初是在图形工作站上广泛使用的工业标准图形程序库，运行于UNIX操作系统下n近年来扩展出可运行于Windows下的微机版如OpenGL并得以快速推广n提供功能：n基本图素生成n坐标变换n设置图形属性和显示方式n输入/输出处理n真实图形显示交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics48计算机图形参考模型CGRMn比较现有的和将来的计算机图形标准，描述它们之间的关系n为计算机图形用户和计算机图形软件的开发者提供有关标准化方面的重要信息交互式计算机图形学-Interact

32、ive Computer Graphics49图形软件开发方案图示接口：标准图形包设备驱动程序显示设备图 1.1 图形系统开发策略应用程序交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics50通用编程图形软件包功能（1） 输出图元功能（2） 属性(attributes)设置功能（3） 变换(transformation)功能（4） 图段功能（5） 输入功能（6） 通用控制功能交互式计算机图形学-Interactive Computer Graphics 可伸缩向量图形标准（1）n随着Web的发展,矢量图在应用方面表现出分辨率高、存储空间小等优势；n现有向量图格式如:Flash、QuickTime等存在互操作性差、缺乏跨平台支持等劣势；n国际Web标准机构W3C（World Wide Web Consortium）推荐了一种新的图形格式标准:可伸缩向量图形技术SVG。nScalable Vector Graphics:使用XML语言来描述 二维图像的一种 纯文本格式。51交互式计算机