计算机图形学交互式图形

计算机图形学交互式图形第1页，共51页，2023年，2月20日，星期四第二章：交互式图形处理系统交互式图形系统组成图形输入输出设备虚拟现实技术OpenGL图形标准第2页，共51页，2023年，2月20日，星期四1交互式图形系统组成Computer+人=交互式要求主机性能更高（强大的浮点运算能力），速度更快，存储容量更大，外设种类更齐全图形加速卡，大屏幕显示器PersonelComputer图形处理系统workstation图形处理系统第3页，共51页，2023年，2月20日，星期四1交互式图形系统组成图形应用程序图形子程序库图形设备驱动程序各种图形输入/输出设备第4页，共51页，2023年，2月20日，星期四图形输入设备的发展第一阶段：控制开关、穿孔纸等§2图形输入设备第5页，共51页，2023年，2月20日，星期四§2图形输入设备图形输入设备的发展第二阶段：键盘、光笔第6页，共51页，2023年，2月20日，星期四图形输入设备的发展第三阶段：二维定位设备，如鼠标、坐标数字化仪、跟踪球、触摸屏、操纵杆、扫描仪等§2图形输入设备第7页，共51页，2023年，2月20日，星期四图形输入设备的发展§2图形输入设备第8页，共51页，2023年，2月20日，星期四图形输入设备的发展第四阶段：三维输入设备（如三维鼠标、空间球、数据手套、数据衣），用户的手势、表情等§2图形输入设备第9页，共51页，2023年，2月20日，星期四图形输出(显示、打印）设备阴极射线管显示器（CRT）液晶显示器（LCD）绘图仪打印机

§3图形输出设备第10页，共51页，2023年，2月20日，星期四CRT显示器分类阴极射线管（CRT）（CathodeRayTube）单色CRT彩色CRT第11页，共51页，2023年，2月20日，星期四阴极射线管(CRT)组成：包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏工作原理：电子枪发射电子束，经过聚焦系统、加速电极、偏转系统，轰击到荧光屏的不同部位，被其内表面的荧光物质吸收，发光产生可见的图形。结构第12页，共51页，2023年，2月20日，星期四荧光屏

荧光物质：吸收电子束而发光余辉时间：持续发光时间，电子束离开某点后，该点的亮度值衰减到初始值 刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数像素(Pixel)：构成屏幕（图像）的最小元素分辨率(Resolution)：在假定屏幕尺寸一定的情况下，可用整个屏幕所能容纳的像素个数描述，如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等

某种CRT产生稳定图像所需要的最小刷新频率=1秒/荧光物质的持续发光时间（Hz）第13页，共51页，2023年，2月20日，星期四彩色CRT渗透型常用于随机扫描显示器射线穿透法多枪型常用于光栅扫描显示器影孔板法（阴罩法）彩色阴极射线管第14页，共51页，2023年，2月20日，星期四射线穿透法（beampenetration）原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光物质，不同速度电子束穿透荧光层的深浅，决定所产生的颜色应用：主要用于画线显示器优点：成本低缺点：只能产生有限几种颜色第15页，共51页，2023年，2月20日，星期四影孔板法原理：影孔板被安装在荧光屏的内表面，用于精确定位像素的位置影孔板的类型点状影孔板代表：大多数球面与柱面显像管栅格式影孔板代表：Sony的Trinitron与Mitsubishi的Diamondtron显像管沟槽式影孔板代表：LG的Flatron显像管第16页，共51页，2023年，2月20日，星期四点状影孔板工作原理红、绿、兰三基色三色荧光点（很小并充分靠近--〉像素）三支电子枪如果每支电子枪发出的电子束的强度有256个等级，则显示器能同时显示256*256*256=16M种颜色，称为真彩色系统第17页，共51页，2023年，2月20日，星期四§4CRT显示器分类直视存储管式（Direct-ViewStorageTubes）利用管子本身存储信息，类似于一个长余辉的CRT，不必刷新刷新式随机扫描式（Random-Scan）光栅扫描式（Raster-Scan）第18页，共51页，2023年，2月20日，星期四随机扫描的显示系统特点数据表示：矢量表示，只有端点信息，无线段中间点扫描方式：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的部分，与示波器工作原理类似显示图形：几何属性（geometricattribute）为主，线架图优点：扫描速度快，分辨率高，线条质量好，易修改，交互性好，动态性能好缺点：价格贵，只能显示线画图形，应用于军事、CAD领域第19页，共51页，2023年，2月20日，星期四光栅扫描的显示系统特点：数据表示：像素矩阵扫描方式：从上到下，从左到右，与电视工作原理类似显示图形：几何属性+视觉属性（Visualattribute），真实感图形第20页，共51页，2023年，2月20日，星期四显示器的分辨率电子束按固定的扫描顺序扫描N条扫描线，每条扫描线有M个像素，M*N显示器的分辨率。

帧第21页，共51页，2023年，2月20日，星期四逻辑部件：帧缓冲存储器（FrameBuffer)视频控制器（VideoController)显示处理器（DisplayProcessingUuit，简称DPU）CRT绘图仪printerComputerDPU输入设备视频控制器display第22页，共51页，2023年，2月20日，星期四帧缓冲存储器（FrameBuffer)作用：存储屏幕上像素的颜色值也称刷新存储器(RefreshingBuffer)简称帧缓冲器，俗称显存帧缓存中单元数目与显示器上像素的数目相同单元与像素一一对应各单元的数值决定了其对应像素的颜色。显示颜色的种类与帧缓存中每个单元的位数有关。第23页，共51页，2023年，2月20日，星期四位面（bitplane）技术把显存分成若干色平面，各平面上相同位置的每一位和屏幕上的一个像素对应，同一像素点在各位面占同一地址，不同位面上同一像素地址中的内容决定像素的颜色。色平面越多，可表达的色彩越丰富。增加一个位面，色彩就增加一倍，而存储器写操作程序无需重新计算新地址，程序兼容性好。第24页，共51页，2023年，2月20日，星期四N位寄存器电子枪CRT光栅有N个位面的帧缓存2NDAC0100010~2N-1灰度等级寄存器蓝色枪帧缓存DAC0001CRT光栅01DACDAC红色枪绿色枪第25页，共51页，2023年，2月20日，星期四若有24个位面（每种基色8个位面）则可同时显示(28)3=224=16777216种颜色（24位真彩色）。红绿蓝三个位面，组合成8种颜色增加一个亮度位面，形成16种颜色红绿蓝Black000Blue001Green010Cyan011Red100Magenta101Yellow110White111第26页，共51页，2023年，2月20日，星期四显存容量问题分辨率M*N、颜色个数K与显存容量V的关系第27页，共51页，2023年，2月20日，星期四显存容量问题若存储器位长固定，则屏幕分辩率与同时可用的颜色种数成反比关系。1024*768真彩模式需要3M字节显存高分辨率和真彩要求有大的显存；解决方法：采用查色表(Look-upTable）第28页，共51页，2023年，2月20日，星期四查色表（LUT）是一维线性表，其每一项的内容对应一种颜色，它的长度由帧缓存单元的位数决定目的：在帧缓存单元的位数不增加的情况下，具有大范围内挑选颜色的能力。颜色信息在帧缓存中的两种存放方式：颜色值直接存储在帧缓存中。把颜色码放在一个独立的表中，帧缓存存放的是颜色表中各项的索引值，索引色。单色系统：查色表固化彩显：可修改、创建查色表。第29页，共51页，2023年，2月20日，星期四视频控制器（显示控制器）作用：制图形的显示，建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应关系，负责按固定刷新频率和扫描顺序刷新屏幕图形第30页，共51页，2023年，2月20日，星期四显示处理器显示处理器DisplayProcessingUnit，简称DPU作用：代替CPU完成部分图形处理功能，扫描转换、几何变换、裁剪、光栅操作、纹理映射等等第31页，共51页，2023年，2月20日，星期四光栅显示系统的特点优点：成本低易于绘制填充图形灰度和色彩丰富，图像逼真可以和电视机兼容刷新频率一定，与图形的复杂程度无关缺点：需要扫描转换扫描转换速度偏低，交互操作响应慢分辨率偏低，有阶梯效应第32页，共51页，2023年，2月20日，星期四光栅显示设备第33页，共51页，2023年，2月20日，星期四矢量输出设备第34页，共51页，2023年，2月20日，星期四

图形软件发展及软件标准形成

三种类型的计算机图形软件系统：

(1)用某种语言写成的子程序包如:GKS(GraphicsKernelSystem)

PHIGS(Programmer’sHerarchicalIuteractiveGraphicssystem)GL

便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低

(2）扩充计算机语言，使其具有图形生成和处理的功能

如：TurboC，AutoLisp等。

简练、紧凑、执行速度快，但不可移植（3）专用图形系统：效率高，但系统开发量大，可移植性差。 第35页，共51页，2023年，2月20日，星期四通用的、与设备无关的图形标准GKS(GraphicsKernelSystem)(第一个官方标准，1977)PHIGS(Programmer’sHerarchicalIuteractiveGraphicssystem)一些非官方图形软件，广泛应用于工业界，成为事实上的标准DirectX(MS)Xlib(X-Window系统)OpenGL(SGI)Adobe公司Postscript

第36页，共51页，2023年，2月20日，星期四开放式的三维图形软件包OpenGLOpenGL是近几年发展起来的一个性能卓越的三维图形标准，它是在SGI等多家世界闻名的计算机公司的倡导下，以SGI的GL三维图形库为基础制定的一个通用共享的开放式三维图形标准。目前，包括Microsoft、SGI、IBM、SUN、HP等大公司都采用了OpenGL做为三维图形标准，许多软件厂商也纷纷以OpenGL为基础开发出自己的产品。其中比较著名的产品包括：动画制作软件Softimage和3DStudioMAX、仿真软件OpenInventor、VR软件WorldToolKit、CAM软件ProEngineer、GIS软件ARC/INFO等等。第37页，共51页，2023年，2月20日，星期四OpenGL的优越性独立于窗口系统和操作系统，以它为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植；可与VisualC++紧密接口，便于实现机械手的有关计算和图形算法，可保证算法的正确性和可靠性；使用简便，效率高。第38页，共51页，2023年，2月20日，星期四OpenGL图形库的功能一共有100多个函数。其中核心函数有115个除了提供基本的点、线、多边形的绘制函数外，还提供了复杂的三维物体（球、锥、多面体、茶壶等）以及复杂曲线和曲面（如Bezier、NURBS等曲线或曲面）绘制函数。基本几何变换和投影变换。颜色模式设置光照和材质设置纹理映射功能位图显示和图象增强：反走样(Antialiasing)和雾(fog)的特殊图象效果处理双缓存(DoubleBuffering)动画：双缓存即前台缓存和后台缓存，即后台缓存计算场景、生成画面，前台缓存显示后台缓存已画好的画面。第39页，共51页，2023年，2月20日，星期四计算机图形学应用举例计算机辅助设计与制造CAD/CAM；图形化用户界面GUI；地理信息系统GIS；计算机动画Animation；多媒体信息系统MultiMedia；图形学在广电行业中的应用：字幕机CG:CharacterGenerator.虚拟演播室VisualStudio第40页，共51页，2023年，2月20日，星期四图形显示设备的发展图形输入设备：向量型图形输入设备；数字化仪、鼠标器、光笔等。光栅扫描型图形输入设备。扫描仪、摄象机等。图形输出设备：向量型图形输出设备；绘图机等。光栅扫描型图形输出设备。显示器、打印机等。第41页，共51页，2023年，2月20日，星期四图形显示设备的发展图形显示器的发展图形显示器是计算机图形学中关键的设备

60年代中期：画线显示器（亦称矢量显示器）需要刷新。设备昂贵，不利于普及

60年代后期：存储管式显示器不需刷新，价格较低，缺点是不具有动态修改图形功能，不适合交互式第42页，共51页，2023年，2月20日，星期四图形显示设备的发展70年代初，刷新式光栅扫描显示器出现，大大地推动了交互式图形技术的发展。以点阵形式表示图形，使用专用的缓冲区存放点阵，由视频控制器负责刷新扫描。

第43页，共51页，2023年，2月20日，星期四图形输入设备的发展第一阶段：控制开关、穿孔纸等等第二阶段：键盘第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏等等，语音第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据手套、数据衣），用户的手势、表情等等第五阶段：用户的思维

第44页，共51页，2023年，2月20日，星期四多媒体技术音频压缩技术视频压缩技术计算机网络技术光盘存储技术数字媒体技术计算机网络技术人机交互技术多媒体数据存储技术流媒体技术动画技术计算机图形学多媒体数据库技术静态图象压缩技术动画技术？主要应用领域：多媒体光盘视频会议数字电视主要应用领域：动漫网络游戏交互电视最新的数字媒体技术的概念将视音频压缩技术