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1、1,第2章 交互式计算机图形处理系统软件学院,2,交互式计算机图形处理系统,Computer+人=交互式,Personel Computer图形处理系统,workstation图形处理系统,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,3,交互式计算机图形处理系统 图形输入设备图形输出设备 图形系统及其标准,4,图形输入设备硬件发展,第一阶段：控制开关、穿孔纸等第二阶段：键盘、光笔第三阶段：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）智能人机接口：用户
2、的手势、表情、语音等,5,图形输入设备分类,最常用的图形输入设备就是基本的计算机输入设备键盘和鼠标跟踪球和空间球都是根据球在不同方向受到的推或拉的压力来实现定位和选择。数据手套则是通过传感器和天线来获得和发送手指的位置和方向的信息。这几种输入设备在虚拟现实场景的构造和漫游中特别有用。,6,三维鼠标,空间球,根据球在不同方向受到的推或拉的压力来实现定位和选择,图形输入设备,7,图形输入设备,数据手套(Data glove)可测量出手的位置和形状，从而实现环境中的虚拟手及其对虚拟物体的操纵。数据手套通过手指上的弯曲、扭曲传感器和手掌上的弯度、弧度传感器，确定手及关节的位置和方向。,8,图形输入设备
3、,光笔是一种检测光的装置，它直接在屏幕上操作，拾取位置。,光笔结构示意图,9,图形输入设备,扫描仪常用类型滚筒式由电子分色机发展而来，用光电倍增管作为颜色感受器，将光信号转换为电信号扫描图像质量相对较高，可扫描幅面更大平板式采用电荷耦合器件CCD（Charge Coupled Device）,10,图形输入设备,扫描仪工作原理用光源照射原稿投射光线经过一组光学镜头射到CCD器件上，得到元件的颜色信息再经过模/数转换器，图象数据暂存器等最终输入到计算机,11,图形输入设备,指标分辨率光学分辨率：单位长度上能采样信息点数插值分辨率：驱动软件插值计算得到的分辨率扫描分辨率：扫描时的实际输入分辨率能放
4、置原稿的原稿尺寸原稿放大倍数如光学分辨率为6000dpi，所需图像分辨率为300dpi，则可放大20倍,12,图形输入设备,指标位深度、色深度决定可以获取图像的最大灰度级数、最多颜色数最高密度范围决定图像的暗调层次，越大越好色调灵敏度制造商不公开,13,图形输入设备,数码相机采用的摄像感应器有两种CCDCMOS：便宜，质量相对较差,14,图形输入设备,图形输入的一个特殊领域真实物体的三维信息的输入 零件进行大规模生产必须在计算机中生成三维实体模型这个模型有时要通过已有的实物零件得到采集实物表面各个点的位置信息扫描保存古代名贵的雕塑和其它艺术品的三维信息在计算机中产生这些艺术品的三维模型,15,
5、美国斯坦福大学计算机系的著名图形学专家Marc Levoy曾经带领他的30人工作小组（包括美国斯坦福大学及美国华盛顿大学的教师和学生）于19981999学年在意大利，专门对文艺复兴时代的雕刻大师米开朗基罗的众多艺术品进行扫描，保存其形状和面片信息专门设计了一套硬件和软件系统数据量惊人，光大卫像就有20亿个多边形和7000张彩色图象，总共需要72G的磁盘容量实体图形输入的一个颠峰之作,图形输入设备,16,图形输入设备,三维数字化仪工作原理电磁感应技术由一块数据板和一根触笔组成 数据板中布满了金属栅格，当触笔在数据板上移动时，其正下方的金属栅格上就会产生相应的感应电流根据已产生电流的金属栅格的位置
6、，就可以判断出触笔当前的几何位置许多数字化仪提供了多种压感电流，用不同的压力就会有不同的信息传向计算机,17,美术家数字化仪（带压力传感器，无绳触笔）通过控制笔的压力绘制不同风格的画WaCom手写板：绘画汉王：汉字输入,图形输入设备,18,图形输出图形输出包括图形的显示和图形的绘制图形显示指的是在屏幕上输出图形图形绘制通常指把图形画在纸上，也称硬拷贝，打印机和绘图仪是两种最常用的硬拷贝设备,19,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）等绘图仪，打印机，双监视器图形工作站MediaWall多屏幕系统监视器阵列 交易展示、大型会议 博物馆、旅客候机厅等,20,
7、图形显示器,阴极射线管CRT彩色阴极射线管CRT射线穿透法影孔板法随机扫描显示系统光栅扫描系统,21,CRT显示器分类,阴极射线管（CRT）Cathode Ray Tube单色CRT彩色CRT,22,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图,23,电子枪,电灯丝的组成阴极由灯丝加热发出电子束控制栅加上负电压后，能够控制通过其中小孔的带负电的电子束的强弱通过调节负电压高低来控制电子数量即控制荧光屏上相应点的亮度,24,聚焦系统,通过电场和磁
8、场控制电子束变细，保证亮点足够小，提高分辩率 加速电极 加正的高压电（几万伏）使电子束高速运动,控制静电场或磁场，使电子束产生偏转，最大偏转角是衡量系统性能的最重要的指标，显示器长短与此有关。,偏转系统,25,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(Refresh)：为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值刷新频率：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)：CRT在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大像素个数 单位通常为dpi（dots per inch)。在假定屏幕尺寸一定的情
9、况下，也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（例如）=1000/40=25Hz,26,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,彩色阴极射线管,27,射线穿透法（beam penetration）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,28,影孔板法原理：影孔板被安装在荧光屏的内表面，用于
10、精确定位像素的位置,29,影孔板的类型点状影孔板（荫罩式）代表：球面显像管栅格式影孔板（荫栅式）代表：柱面显像管 日本索尼公司的特丽珑管（Trinitron）三菱公司的钻石珑管（Diamondtron）沟槽式影孔板 代表：LG的Flatron显像管,30,荫罩式（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,电子枪、影孔板中的一个小孔和荧光点呈一直线每个小孔与一个像素（即三个荧光点）对应,31,显示器能同时显示的颜色个数,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，称为真彩系统,调节各电子枪发出的电
11、子束中所含电子的数目，即可控制各色光点亮度。,32,球面显示器与柱面显示器普通的显象管采用的都是点状影孔板显象管，显象管的表面呈略微凸起的球面状，故称之为“球面管”。而柱面显象管采用荫栅式结构，它的表面在水平方向仍然略微凸起，但是在垂直方向上却是笔直的，呈圆柱状，故称之为“柱面管”常用的荫栅式显象管有日本索尼公司的特丽珑管（Trinitron）和三菱公司的钻石珑管（Diamondtron）,33,荫罩式显示器的缺点：球面荧光屏，几何失真大三角形的荧光点排列造成即使点很密很细也不会特别清晰最近几年荫栅式显示器逐渐流行起来,34,原理的区别 光线的选择方式和荧光点的排列不同 荫栅式显象管的优点亮度
12、更高，色彩也更鲜艳 柱面和平面显示器,35,柱面和球面显示器点距定义示意图,36,CRT显示器分类,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CRT，不必刷新刷新式随机扫描式（Random-Scan）光栅扫描式（Raster-Scan）,37,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（geometric attribute）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
13、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,38,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（Visual attribute），真实感图形,39,隔行扫描（Interlaced scan）工作原理,场频=帧频*2一帧130秒，一场160秒帧频30HZ，场频60HZ,一帧完整的画面分成两场，即奇数场与偶数场,优点：降低了闪烁效应；只需逐行的一半时间即可显示一屏画面，降低了对扫描频率的要求，也降低了成本；帧缓存中数据量比逐行扫描少一半，降低了视频控制器存取帧缓存的速度及传输带宽的要求。,40,
14、计算机图形处理系统,显示处理器,控制图形的显示,逻辑部件：帧缓冲存储器（Frame Buffer)视频控制器（Video Controller)显示处理器（Display Processing Uuit，简称DPU）CRT,41,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存放在刷新存储器中刷新存储器中所有的绘图命令组成一个显示文件由显示处理器负责解释执行(刷新)视频控制器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,光栅扫描显示系统工作原理,42,图形处理器俗称显卡CGA EGA VGA TVGA SVGA XGA SXGA工作原理显示主芯片显卡的核心，俗称G
15、PU 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、纹理映射等等各图形函数基本上都集成在这里显存存储将要显示的图形信息保存图形运算的中间数据它与显示主芯片的关系，就像计算机的内存之于CPU一样 RAMDAC视频存储数字模拟转换器在视频处理中，把二进制的数字转换成为和显示器相适应的模拟信号,43,简单的光栅扫描图形显示系统的结构较为典型的光栅扫描图形显示系统的结构,帧缓存为系统内存任一块区域视频控制器能直接存取该区域以刷新屏幕,帧缓存可以是专用的存储器也可是系统内存中的一块固定区域,44,帧缓冲存储器（Frame Buffer)作用：存储屏幕上像素的颜色值也称刷新存储器(R
16、efreshing Buffer)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,45,视频控制器（显示控制器）,作用：控制图形的显示，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逻辑结构工作原理刷新周期开始，光栅扫描发生器置X地址寄存器为0，置Y地址寄存器为N-1，首先取出对应像素（0，N-1）的帧缓存单元的数值,放入像素值寄存器，用来控制像素的颜色，然后X的地址寄存器的地址加一，如此重复，直到该扫描线上的最后一个像素。,46,位面技术（1/3）
17、,显存分成若干颜色的位平面（bit plane）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,47,位面技术（2/3）,48,若有24个位面（每种基色8个位面）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,位面技术（3/3）,49,显存容量,分辨率M*N、颜色个数K与显存容量V的关系3个位面分辩率是10241024的显示器需
18、要310241024（3145728）位的存储器,50,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1兆字节的帧缓存若设分辩率为640480，则帧缓存每个单元可有24位，可能同时显示224种颜色若设分辩率为1024768，则每个单元分得的位数仅略多于8，只能工作于256色显示模式下,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-up Table）或称彩色表(Color Table),51,颜色信息的存放方式,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
19、色单显查色表固化彩显可修改、创建查色表,52,查色表（LUT）工作原理,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例如：每单元有8位，则查色表的长度为28256,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,53,带宽T与分辨率、帧频（刷新频率）F的关系带宽问题高分辨率和高刷新频率要求高带宽解决方法：隔行扫描（现在已基本不用，主流显示器都采用逐行扫描方式）,带宽问题,54,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
20、低，有阶梯效应,缺点正在被克服,优点使其占据了市场主流,55,衡量CRT的指标,屏幕尺寸大小显像管种类点距分辨率画面刷新频率带宽,56,走向平面的显像管,球面显象管表面：球面的一部分时间：90年代初柱面显象管表面：柱面的一部分，垂直方向上平直，水平方向上有弯曲时间：90年代中期平面直角显象管表面：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时间：90年代中后期纯平显象管表面：纯平面，水平和垂直方向平面如镜，色彩和亮度对比鲜明适合影像处理、多媒体展示、影片欣赏时间：90年代后期市场上的主流显象管,57,LCD显示器（1/5）,CRT显示器的缺点：屏幕的加大导致显象管的
21、加长，体积加大，使用时候受到空间的限制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,节省放置空间的短管,58,LCD显示器（2/5）,液晶显示器LCD（Liquid Crystal Display）原理液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质 它具有液体的流态性质和固体的光学性质 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 此时通过它的光的折射角度就会发生变化，而产生色彩,59,LCD显示器（3/5）,液晶屏幕后面有一个背光这个光源先穿过第一层偏光板，再来到液晶体上当光线透过液晶体时，就会产生光线的色泽改变从液晶体射出来的光线，再经过一块彩色滤光片以及第二
22、块偏光板由于两块偏光板的偏振方向成90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,60,LCD显示器（4/5）,基本技术指标 可视角度指左右两边的可视最大角度相加 点距两个液晶颗粒（光点）之间的距离 分辨率 指其真实分辨率比如1024768的含义就是指该液晶显示器含有1024768个液晶颗粒,61,LCD显示器（5/5）,显示效果有差距但有后来居上之势 外观小巧精致，厚度只有6.58cm左右液晶象素总是发光，只有加上不发光的电压时该点才变黑，不会产生闪烁现象 工作电压低，功耗小，节约能源 没有电磁辐射，对人体健康没有任何影响,62,LCOS显示器(1/3),LCD与CMOS集
23、成电路有机结合的反射型新型显示技术具备大屏幕、高亮度、高分辨率、省电等优势 可能是HDTV的背投影技术发展的主要方向目前CRT技术大屏幕投影电视机的主要竞争者,63,LCOS显示器(2/3),与LCD技术最大的不同是LCD是利用光源穿过LCD作调变，属于穿透式成像LCOS是利用反射的架构，光源发射出来的光并不会穿透LCOS面板，属于反射式成像,64,LCOS显示器(3/3),存在的问题：行业标准不统一，各家推出的LCOS应用产品各具特色，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LCOS制造工艺存在瓶颈，良品率受制约，成本相对较高从目前产品性能、价格与现有市场分析，现
24、阶段的LCOS技术还难以与LCD技术抗衡,65,空气等离子体显示器,空气等离子体可想象成一个个微型霓虹灯，红绿蓝三种不同颜色的像素。显示屏薄，挂在墙上无锯齿现象，分辨率好无需刷新缓存，重量轻，无辐射价格贵,66,未来显示器,发光聚合物技术坚不可摧；柔韧性好，可以卷起来；显示画面具有无与伦比的清晰度；真正的平面直角。,67,其他图形输出设备,用于虚拟现实环境的显示器类型头盔式显示器(Head Mounted Display，HMD)空间沉浸式显示器(SID,如洞穴式和园顶式)显示硬件头盔式显示器将观察者的头部位置及运动方向告诉计算机，计算机就可以调整观察者所看到的图景，使得呈现图像更趋于真实感绝
25、大多数头盔式显示器使用两个显示器利用特殊光学设备对图像进行处理，使图像看上去立体感更强把用户的视觉、听觉和其他感觉封装起来，产生一种身在虚拟环境中的错觉。,68,图形输入设备（4/13）,69,图形输入设备（5/13）,数据衣也是虚拟现实系统中用的人机交互设备一件虚拟现实的数据紧身服可使你有在水中或泥沼中游泳的感觉,70,图形系统及其标准,图形系统 计算机硬件，图形 I/O 设备，系统软件，图形软件。图形软件 通用编程软件包，专用应用软件包。通用类：提供一个可用于高级程序语言的图形功能扩展集(比如，OpenGL)。基本功能：图元生成，属性设置（颜色，.）选择观察及实施变换等。专用类：不关心图形
26、操作过程。比如，CAD系统,71,图形系统标准,图形标准：不同图形系统之间进行数据传送和通信的接口标准，以及供图形应用程序调用的子程序功能及其格式标准，前者称为数据及文件格式标准，后者称为子程序界面标准。,72,图形系统标准分类,面向图形设备的接口标准：计算机图形元文件(CGM)，(CRT,Mouse,)计算机图形接口(CGI)，设备驱动程序。面向应用软件的标准：程序员层次交互式图形系统（PHIGS）,GL(图形程序包)（三维）图形核心系统（3D-)GKS面向图形应用系统中工程和产品数据模型及其文件格式：基本图形转换规范（IGES）产品数据转换规范（STEP）,73,图形软件发展及软件标准形成
27、,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(Graphics Kernel System)PHIGS(ProgrammersHerarchical Iuteractive Graphics system)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：Turbo C，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。,74,通用的、与设备无关的图形标准GKS(Graphics Kernel System)(第一个官方标准，1977)PHIGS(Pr
28、ogrammers Herarchical Iuteractive Graphics system)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开放式、高效率的发展趋势,75,开放式的三维图形软件包OpenGL,OpenGL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
29、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3D Studio MAX、仿真软件Open Inventor、VR软件World Tool Kit、CAM软件ProEngineer、GIS软件ARC/INFO等等。,76,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Visual C+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,77,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
30、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(Double Buffering)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。,78,持续发光时间刷新像素 CRT的分辨率阴极射线管的组成部分及其功能射线穿透法及影孔板法产生彩色的工作原理随机扫描显示系统的逻辑部件及工作机理光栅扫描显示系统的逻辑部件及工作机理查色表及其工作原理显存大小、屏幕分辨率及可同时显示的颜色数目之间的关系图形系统及其标准,概念与术语,
