计算机图形学02：交互式图形.ppt

《计算机图形学02：交互式图形.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机图形学02：交互式图形.ppt（51页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第第2讲：交互式图形处理系统讲：交互式图形处理系统第二章：交互式图形处理系统v交互式图形系统组成交互式图形系统组成v 图形输入输出设备图形输入输出设备v 虚拟现实技术虚拟现实技术vOpenGL图形标准图形标准1 1 交互式图形系统组成交互式图形系统组成vComputer+人=交互式v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v图形加速卡，大屏幕显示器vPersonel Computer图形处理系统vworkstation图形处理系统1 1 交互式图形系统组成交互式图形系统组成图形应用程序图形应用程序图形子程序库图形子程序库图形设备驱动程序图形设备驱动程序各种

2、图形输入各种图形输入/输出设备输出设备图形输入设备的发展图形输入设备的发展第一阶段：控制开关、穿孔纸等第一阶段：控制开关、穿孔纸等2 2 图形输入设备图形输入设备2 2 图形输入设备图形输入设备图形输入设备的发展第二阶段：键盘、光笔第二阶段：键盘、光笔图形输入设备的发展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、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、扫描仪等跟踪球、触摸屏、操纵杆、扫描仪等2 2 图形输入设备图形输入设备图形输入设备的发展图形输入设备的发展2 2 图形输入设备图形输入设备图形输入设备的发展图形输入设备的发展第四阶段：三维输入设

3、备（如三维鼠标、空间球、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、表情等数据手套、数据衣），用户的手势、表情等2 2 图形输入设备图形输入设备t图形输出图形输出(显示、打印）设备显示、打印）设备n 阴极射线管显示器（阴极射线管显示器（CRT）n 液晶显示器（液晶显示器（LCD）n 绘图仪绘图仪n 打印机打印机 3 3 图形输出设备图形输出设备CRTCRT显示器分类显示器分类v阴极射线管（阴极射线管（CRT）（）（Cathode Ray Tube）v单色单色CRTv彩色彩色CRTt阴极射线管阴极射线管(CRT)组成组成：包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、

4、：包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏荧光屏工作原理工作原理：电子枪发射电子束，经过聚焦系统、加速：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。面的荧光物质吸收，发光产生可见的图形。结构结构荧光屏 t荧光物质：吸收电子束而发光荧光物质：吸收电子束而发光t余辉时间：持续发光时间，电子束离开某点后，该点余辉时间：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的亮度值衰减到初始值t刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数t像素像素(P

5、ixel)：构成屏幕（图像）的最小元素构成屏幕（图像）的最小元素t分辨率分辨率(Resolution)：在假定在假定 屏幕尺寸一定的情况下，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等等等等某种某种CRT产生稳定图像所需要的最小刷新频率产生稳定图像所需要的最小刷新频率=1秒秒/荧光物质的持续发光时间（荧光物质的持续发光时间（Hz）v彩色CRT渗透型渗透型常用于随机扫描显示器常用于随机扫描显示器射线穿透法射线穿透法多枪型多枪型常用于光栅扫描显示器常用于光栅扫描显示器影孔板法

6、（阴罩法）影孔板法（阴罩法）彩色阴极射线管v射线穿透法（射线穿透法（beam penetration）原理：原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光两层荧光涂层，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，决定所产生的颜色所产生的颜色应用：应用：主要用于画线显示器主要用于画线显示器优点：优点：成本低成本低缺点：缺点：只能产生有限几种颜色只能产生有限几种颜色v影孔板法影孔板法原理：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的位置影孔板的类型影孔板的类型点状影孔板点状影孔板 代

7、表：大多数球面与柱面显像管代表：大多数球面与柱面显像管栅格式影孔板栅格式影孔板 代表：代表：Sony的的Trinitron与与Mitsubishi的的 Diamondtron显像管显像管沟槽式影孔板沟槽式影孔板 代表：代表：LG的的Flatron显像管显像管点状影孔板工作原理点状影孔板工作原理红、绿、兰三基色红、绿、兰三基色三色荧光点（很小并充分靠近三色荧光点（很小并充分靠近-像素）像素）三支电子枪三支电子枪如果每支电子枪发出的电子束的强度有如果每支电子枪发出的电子束的强度有256个个等级，则显示器能同时显示等级，则显示器能同时显示256*256*256=16M种颜色，称为真彩色系统种颜色，称

8、为真彩色系统4 CRT显示器分类v直视存储管式（直视存储管式（Direct-View Storage Tubes）利用管子本身存储信息，类似于一个长余辉的利用管子本身存储信息，类似于一个长余辉的CRT，不必，不必刷新刷新v刷新式刷新式随机扫描式（随机扫描式（Random-Scan）光栅扫描式（光栅扫描式（Raster-Scan）随机扫描的显示系统v特点数据表示：矢量表示，只有端点信息，无线段中间点矢量表示，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，与示波器工作原理动，只扫描荧屏上要显示的部分，与示波

9、器工作原理类似类似显示图形：几何属性（几何属性（geometric attribute）为主，）为主，线架图线架图优点：优点：扫描速度快，分辨率高，线条质量好，易修改，扫描速度快，分辨率高，线条质量好，易修改，交互性好，动态性能好交互性好，动态性能好缺点：缺点：价格贵，只能显示线画图形，应用于军事、价格贵，只能显示线画图形，应用于军事、CAD领域领域光栅扫描的显示系统v特点：数据表示：数据表示：像素矩阵像素矩阵扫描方式：扫描方式：从上到下，从左到右，与电视工作原理从上到下，从左到右，与电视工作原理类似类似显示图形：显示图形：几何属性几何属性+视觉属性（视觉属性（Visual attribute

10、），真实感图形），真实感图形显示器的分辨率显示器的分辨率u电子束按固定的扫描顺序扫描电子束按固定的扫描顺序扫描N条扫描条扫描线，每条扫描线有线，每条扫描线有M个像素，个像素，M*N显示显示器的分辨率。器的分辨率。帧帧逻辑部件：逻辑部件：帧缓冲存储器（帧缓冲存储器（Frame Buffer)视频控制器（视频控制器（Video Controller)显示处理器（显示处理器（Display Processing Uuit，简称，简称DPU）CRT绘图仪绘图仪printerComputerDPU输入设备输入设备视频控制器视频控制器displayv帧缓冲存储器（帧缓冲存储器（Frame Buffer)作

11、用：存储屏幕上像素的颜色值作用：存储屏幕上像素的颜色值也称刷新存储器也称刷新存储器(Refreshing Buffer)简称帧缓冲器，俗称简称帧缓冲器，俗称显存显存t帧缓存中单元数目与显示器上像素的数目相同帧缓存中单元数目与显示器上像素的数目相同t单元与像素一一对应单元与像素一一对应t各单元的数值决定了其对应像素的颜色。各单元的数值决定了其对应像素的颜色。t显示颜色的种类与帧缓存中每个单元的位数有关。显示颜色的种类与帧缓存中每个单元的位数有关。位面（bit plane）技术v把显存分成若干把显存分成若干色平面色平面，各平面上相同位置的，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

12、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。址中的内容决定像素的颜色。t色平面越多，可表达的色彩越丰富。色平面越多，可表达的色彩越丰富。t增加一个位面，色彩就增加一倍，而存储器写操作增加一个位面，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。程序无需重新计算新地址，程序兼容性好。N位寄存器电子枪CRT光栅有N个位面的帧缓存2NDAC01 000102N-1灰度等级寄存器寄存器蓝色枪帧缓存帧缓存DAC0001CRT光栅01DACDAC红色枪绿色枪v若有24个位面（每种基色8

13、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，组合成红绿蓝三个位面，组合成8种颜色种颜色l增加一个亮度位面，形成增加一个亮度位面，形成16种颜色种颜色红红绿绿蓝蓝Black000Blue001Green010Cyan011Red100Magenta101Yellow110White111显存容量问题显存容量问题v分辨率M*N、颜色个数K与显存容量显存容量V的关系显存容量问题显存容量问题v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真彩模式需要真彩模式需要3M字节显存字节显存v高分辨率和真彩要求有大的显存；高分辨

14、率和真彩要求有大的显存；解决方法：采用查色表解决方法：采用查色表(Look-up Table）查色表（LUT）v是是一一维维线线性性表表，其其每每一一项项的的内内容容对对应应一一种种颜颜色色，它它的长度由帧缓存单元的位数决定的长度由帧缓存单元的位数决定v目目的的：在在帧帧缓缓存存单单元元的的位位数数不不增增加加的的情情况况下下，具有具有大范围内挑选颜色的能力。大范围内挑选颜色的能力。v颜色信息在帧缓存中的两种存放方式：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。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把颜色码放在一个独立的表中，帧缓存存放

15、的是颜色表中各项的索引值，索引色。的索引值，索引色。v单色系统：查色表固化单色系统：查色表固化v彩显：可修改、创建查色表。彩显：可修改、创建查色表。视频控制器（显示控制器）v作用：制图形的显示，建立帧缓存与屏幕像素之间的一一制图形的显示，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对应关系，负责按固定刷新频率和扫描顺序刷新刷新屏幕图形屏幕图形显示处理器v显示处理器显示处理器Display Processing Unit，简称，简称DPUv作用：作用：代替代替CPU完成部分图形处理功能，扫描转换、完成部分图形处理功能，扫描转换、几何变换、裁剪、光栅操作、纹理映射等等几何变

16、换、裁剪、光栅操作、纹理映射等等v光栅显示系统的特点优点：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，有阶梯效应光栅显示设备光栅显示设备矢量输出设备矢量输出设备 图形软件发展及软件标准形成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：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用某种

17、语言写成的子程序包 如如:GKS(Graphics Kernel System)PHIGS(Programmers Herarchical Iuteractive Graphics system)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 (2）扩充计算机语言，使其具有图形生成和处理的功能）扩充计算机语言，使其具有图形生成和处理的功能 如：如：Turbo C，AutoLisp等。等。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（3）专专用用图图形形系系统统：效效率率高高，但但系系统统开开发发量量大大，可可移移植植性差。性差

18、。n通用的、与设备无关的图形标准通用的、与设备无关的图形标准wGKS(Graphics Kernel System)(第一个官方标准，1977)wPHIGS(Programmers Herarchical Iuteractive Graphics system)n一些非官方图形软件，广泛应用于工业界，成为事实一些非官方图形软件，广泛应用于工业界，成为事实上的标准上的标准wDirectX (MS)wXlib(X-Window系统系统)wOpenGL(SGI)wAdobe公司公司Postscript开放式的三维图形软件包OpenGLvOpenGL是近几年发展起来的一个性能卓越的三维图形标准，它是近

19、几年发展起来的一个性能卓越的三维图形标准，它是在是在SGI等多家世界闻名的计算机公司的倡导下，以等多家世界闻名的计算机公司的倡导下，以SGI的的GL三三维图形库为基础制定的一个维图形库为基础制定的一个通用共享通用共享的开放式三维图形标准。的开放式三维图形标准。v目前，包括目前，包括Microsoft、SGI、IBM、SUN、HP等大公司都采等大公司都采用了用了OpenGL做为做为三维图形标准三维图形标准，许多软件厂商也纷纷以，许多软件厂商也纷纷以OpenGL为基础开发出自己的产品。为基础开发出自己的产品。v其中比较著名的产品包括：动画制作软件其中比较著名的产品包括：动画制作软件Softimag

20、e和和3D Studio MAX、仿真软件、仿真软件Open Inventor、VR软件软件World Tool Kit、CAM软件软件ProEngineer、GIS软件软件ARC/INFO等等等。等。OpenGL的优越性v独立于窗口系统和操作系统，以它为基础开发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；的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植；v可与可与Visual C+紧密接口，便于实现机械手紧密接口，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的有关计算和图形算法，可保证算法的正确性和可靠性；和可靠性；v使用简便，效率高。使用简便，效率高

21、。OpenGL图形库的功能v一共有一共有100多个函数。其中核心函数有多个函数。其中核心函数有115个个v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。等曲线或曲面）绘制函数。v基本几何变换和投影变换。基本几何变换和投影变换。v颜色模式设置颜色模式设置v光照和材质设置光照和材质设置 v纹理映射功能纹理映射功能v位图显示和图象增强位图显示和图象增强：反走样：反走样(Anti

22、aliasing)和雾和雾(fog)的特殊图的特殊图象效果处理象效果处理 v双缓存双缓存(Double Buffering)动画：双缓存即前台缓存和后台缓存，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。面。计算机图形学应用举例计算机图形学应用举例v计算机辅助设计与制造计算机辅助设计与制造CAD/CAM；v图形化用户界面图形化用户界面GUI；v地理信息系统地理信息系统GIS；v计算机动画计算机动画Animation；v多媒体信息系统多媒体信息系统MultiMedia；图形学在广电行业

23、中的应用：图形学在广电行业中的应用：v字幕机字幕机CG:Character Generator.v虚拟演播室虚拟演播室 Visual Studio图形显示设备的发展图形显示设备的发展v图形输入设备：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。v图形输出设备：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。图形显示设备的发展图形显示设备的发展v图形显示器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图形显示器是计算机图形学中关键的设备v 60年代中期：画线显示器（亦称矢量显示器）年代中期

24、：画线显示器（亦称矢量显示器）需要需要刷新刷新。设备昂贵，不利于普及。设备昂贵，不利于普及v 60年代后期：存储管式显示器年代后期：存储管式显示器 不不需需刷刷新新，价价格格较较低低，缺缺点点是是不不具具有有动动态态修修改改 图图形形功功能，不适合交互式能，不适合交互式图形显示设备的发展图形显示设备的发展v70年年代代初初，刷刷新新式式光光栅栅扫扫描描显显示示器器出出现现，大大大大地地推推动动了了交互式图形技术的发展。交互式图形技术的发展。v以以点点阵阵形形式式表表示示图图形形，使使用用专专用用的的缓缓冲冲区区存存放放点点阵阵，由由视视频控制器负责刷新扫描。频控制器负责刷新扫描。图形输入设备的

25、发展图形输入设备的发展v第一阶段：控制开关、穿孔纸等等第一阶段：控制开关、穿孔纸等等v第二阶段：键盘第二阶段：键盘v第第三三阶阶段段：二二维维定定位位设设备备，如如鼠鼠标标、光光笔笔、图图形形输输入入板板、触摸屏等等，语音触摸屏等等，语音v第第四四阶阶段段：三三维维输输入入设设备备（如如空空间间球球、数数据据手手套套、数数据据衣衣），用户的手势、表情等等，用户的手势、表情等等v第五阶段：用户的思维第五阶段：用户的思维 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动画技术计算机图形学多媒体数据库技术静态图象

26、压缩技术动画技术？主要应用领域主要应用领域：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数字媒体技术数字媒体技术数字媒体技术的概念将视音频压缩技术也溶入其中，将当前新媒体技术包含进来，形成以音视频压缩、网络交互、动画和信息安全技术为基础的新的技术体系。由计算机图形学支撑的学科由计算机图形学支撑的学科CAD/CAMCAD/CAM计算机艺术计算机艺术计算机艺术计算机艺术动画动画动画动画矢量绘图矢量绘图矢量绘图矢量绘图GISGIS计算机图形学计算机图形学电子游戏电子游戏电子游戏电子游戏虚拟现实虚拟现实虚拟现实虚拟现实数字媒体数字媒体数字媒体数字媒体多媒体多媒体多媒体

27、多媒体图形 与与 图像计算机图形学 CG数字图像处理 DIP动画计算机艺术电子游戏虚拟现实数字媒体技术模式识别模式识别计算机视觉计算机视觉图像压缩图像压缩图像重建图像重建多媒体技术图形与图像在电视技术中的应用图形与图像在电视技术中的应用计算机图形学 CG数字图象处理 DIP字幕机-字符的渲染、字幕的表现虚拟演播室-虚拟场景非线性编辑系统-图像压缩、各种滤镜计算机图形学的主要内容计算机图形学的主要内容图形几何变换 基本图形生成算法图形的显示曲线和曲面三维几何造型真实感图形一般的图形学内容一般的图形学内容新增的图形学内容新增的图形学内容动画 分形几何计算机色彩 三维重建 ReferencevComputer GraphicsComputer Graphics,Donald Hearn,Donald Hearn中译本中译本 蔡士杰蔡士杰 等等v计算机图形学教程计算机图形学教程，唐荣锡，汪嘉业，彭群，唐荣锡，汪嘉业，彭群生，汪国昭等生，汪国昭等v最新最新VC+VC+绘图程序设计技巧与实例教程绘图程序设计技巧与实例教程，刘，刘静华静华 王永生王永生