計算機圖形學(xué)02-圖形系統(tǒng)

1、1 第2講：圖形系統(tǒng)2 目錄 CONTENTS 01 緒論02 圖形系統(tǒng)03 二維圖形生成04 圖形幾何變換05 二維觀察06 三維觀察07 三維對象08 真實感圖形技術(shù)09 交互技術(shù)10 計算機動畫3 n Computer Graphics第2章：圖形系統(tǒng)1 圖形系統(tǒng)概述圖形系統(tǒng)概述2 圖形系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖形系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)3 圖形支撐軟件圖形支撐軟件 4 圖形硬件顯示原理圖形硬件顯示原理計算機圖形學(xué)計算機圖形學(xué)的發(fā)展的發(fā)展4 n 圖形硬件系統(tǒng) 主機、顯示器、各種輸入輸出設(shè)備等n 圖形軟件系統(tǒng) 應(yīng)用軟件 、支撐軟件等n 用戶 操縱計算機的人2.1.1 2.1.1 圖形系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖形系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)5

2、 2.1.1 2.1.1 圖形系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖形系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)6 n圖形硬件圖形硬件=輸入輸入+CPU+內(nèi)存內(nèi)存+幀緩存幀緩存+輸出輸出 Input devicesOutput deviceImage formed in FB1. 圖形硬件圖形硬件7 n輸入設(shè)備輸入設(shè)備 鍵盤、鼠標(biāo)鍵盤、鼠標(biāo) 觸摸板觸摸板 數(shù)字化儀數(shù)字化儀 數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)手套 Kinect1. 圖形硬件圖形硬件8 n輸出設(shè)備輸出設(shè)備 陰極射線管陰極射線管CRT 液晶顯示器液晶顯示器LCD 打印機打印機PRT 繪圖儀繪圖儀1. 圖形硬件圖形硬件9 2. 圖形軟件圖形軟件n 解決某種應(yīng)用問題的圖形軟件圖形應(yīng)用軟件n 由一組公用的圖形子程

3、序組成的。它擴展了系統(tǒng)中原有高級語言和操作系統(tǒng)的圖形處理功能。圖形支撐軟件n 一組圖形數(shù)據(jù)文件，其中存放著欲生成的圖形對象的全部描述信息。圖形應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)10 n Computer Graphics第2章：圖形系統(tǒng)1 圖形系統(tǒng)概述圖形系統(tǒng)概述2 圖形系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖形系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)3 圖形支撐軟件圖形支撐軟件 4 圖形硬件顯示原理圖形硬件顯示原理計算機圖形學(xué)計算機圖形學(xué)的發(fā)展的發(fā)展11 n 圖形系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖形系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)：圖形系統(tǒng)中，有一個特圖形系統(tǒng)中，有一個特別的軟硬件子系統(tǒng)，能高效繪出透視圖中的三別的軟硬件子系統(tǒng)，能高效繪出透視圖中的三維圖元，這就是圖形系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)維圖元，這就是圖形系統(tǒng)的

4、核心結(jié)構(gòu)圖形圖形系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，也稱為圖形流水線系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，也稱為圖形流水線。n 應(yīng)用程序階段應(yīng)用程序階段n 幾何處理階段幾何處理階段n 像素處理階段像素處理階段2.2 2.2 圖形系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖形系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)12 n 應(yīng)用程序階段應(yīng)用程序階段 把數(shù)據(jù)以圖元的形式提供給圖形硬件，例如把數(shù)據(jù)以圖元的形式提供給圖形硬件，例如用來描述三維幾何模型的點、線或多邊形，用來描述三維幾何模型的點、線或多邊形，同時也提供用于表面紋理映射的圖像或者位同時也提供用于表面紋理映射的圖像或者位圖。圖。 由于應(yīng)用程序階段是通過軟件方式實現(xiàn)的，由于應(yīng)用程序階段是通過軟件方式實現(xiàn)的，因此開發(fā)者能夠?qū)υ撾A段發(fā)生的情況進(jìn)行完因

5、此開發(fā)者能夠?qū)υ撾A段發(fā)生的情況進(jìn)行完全控制，可以通過改變實現(xiàn)方法來改變實際全控制，可以通過改變實現(xiàn)方法來改變實際性能。性能。2.2 2.2 圖形系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖形系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)13 n 幾何處理階段幾何處理階段 以每個頂點為基礎(chǔ)對幾何圖元進(jìn)行處理，并以每個頂點為基礎(chǔ)對幾何圖元進(jìn)行處理，并從三維坐標(biāo)變換為二維屏幕坐標(biāo)的過程。從三維坐標(biāo)變換為二維屏幕坐標(biāo)的過程。 該階段又可以劃分為下面幾個功能該階段又可以劃分為下面幾個功能階段：階段：2.2 2.2 圖形系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖形系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)14 n 像素處理像素處理階段（光柵階段）階段（光柵階段） 屏幕對象先是被傳送到像素處理器進(jìn)行光柵化，屏幕對象先是被傳送到

6、像素處理器進(jìn)行光柵化，再對每個像素進(jìn)行著色，然后再輸出到幀緩沖器再對每個像素進(jìn)行著色，然后再輸出到幀緩沖器中，最后輸出到顯示器。中，最后輸出到顯示器。 當(dāng)圖元發(fā)送并通過光柵階段之后，從相機視點處當(dāng)圖元發(fā)送并通過光柵階段之后，從相機視點處看到的東西就可以在屏幕上顯示出來，這些圖元看到的東西就可以在屏幕上顯示出來，這些圖元可以用合適的著色模型進(jìn)行繪制，如果運用紋理可以用合適的著色模型進(jìn)行繪制，如果運用紋理技術(shù)，就會顯示出紋理效果。技術(shù)，就會顯示出紋理效果。2.2 2.2 圖形系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖形系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)15 n Computer Graphics第2章：圖形系統(tǒng)1 圖形系統(tǒng)概述圖形系統(tǒng)概述2 圖形

7、系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖形系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)3 圖形支撐軟件圖形支撐軟件 4 圖形硬件顯示原理圖形硬件顯示原理計算機圖形學(xué)計算機圖形學(xué)的發(fā)展的發(fā)展16 2.4 2.4 圖形支撐軟件圖形支撐軟件n 第一層次面向系統(tǒng)，設(shè)備驅(qū)動n 第二層次既面向系統(tǒng)又面向用戶，如CGIn 第三層次面向用戶，如OpenGL, DirectX17 2.4 2.4 圖形支撐軟件圖形支撐軟件n 圖形支撐軟件第三層次：功能子程序 圖形應(yīng)用接口圖形應(yīng)用接口API：圖形庫：圖形庫18 2.4 2.4 圖形支撐軟件圖形支撐軟件n 圖形支撐軟件第三層次：功能子程序n OpenGL：由若干個函數(shù)庫組成，提供了數(shù)百條圖形命令，包括基本圖形元素的生成，封

8、閉邊界內(nèi)的填色、紋理、反走樣等；基本圖形元素的幾何變換、投影變換、窗口裁剪等；自由曲線曲面處理、隱藏線、隱藏面消除以及具有光照顏色效果的真實圖形顯示；自然界效果（如云彩、薄霧、煙靄）的景象生成等。19 Point with OpenGL#include void myDisplay(void) glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0); glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); glColor3f (1.0f, 1.0f, 1.0f); glPointSize(3); glBegin (GL_POINTS); glColor3f (1.0f, 0.0f

9、, 0.0f); glVertex2f (-0.4f, -0.4f); glEnd (); glFlush(); 20 2.4 2.4 圖形支撐軟件圖形支撐軟件n 圖形支撐軟件第三層次：功能子程序n DirectX：是一種圖形應(yīng)用程序接口API，包含DirectDraw，Direct3D，DirectSound，DirectInput，DirectPlay等多個組件。n Java3D：是一種功能完備、通用性強的編程語言。作為一種面向?qū)ο蟮母邔覣PI，具有高度的移植性。21 DirectXn 一組低級一組低級“應(yīng)用程序編程接口應(yīng)用程序編程接口 (API)”，可為，可為 Windows 程序程序提

10、供高性能硬件加速多媒體支持。提供高性能硬件加速多媒體支持。 DirectX直接直接訪問顯卡與聲卡功能，確保多媒體程序能夠充訪問顯卡與聲卡功能，確保多媒體程序能夠充分利用高性能分利用高性能硬件，從而硬件，從而提供逼真的三維提供逼真的三維 圖形與聲音效果圖形與聲音效果 DirectX由由很多很多API組成，可以分為四大部分，顯示、聲音、組成，可以分為四大部分，顯示、聲音、輸入和網(wǎng)絡(luò)部分輸入和網(wǎng)絡(luò)部分DirectDraw, Direct3D, DirectSound, Direct Input, DirectPlay22 DirectX程序程序void Render() g_pD3DDevice-C

11、lear(0, NULL, D3DCLEAR_TARGET | D3DCLEAR_ZBUFFER,D3DCOLOR_XRGB(0, 128, 0), 1.0f, 0); g_pD3DDevice-BeginScene(); g_pD3DDevice-SetStreamSource(0, g_pD3DVBuffer,0, sizeof(MYVERTEX); g_pD3DDevice-SetFVF(D3DFVF_MYVERTEX); g_pD3DDevice-DrawPrimitive(D3DPT_TRIANGLESTRIP,0,6); g_pD3DDevice-EndScene(); g_pD3

12、DDevice-Present(NULL, NULL, NULL, NULL);23 二、OpenGL與DirectX的比較n OpenGL是跨平臺標(biāo)準(zhǔn)，且有各個平臺實現(xiàn)。 2.4 2.4 圖形支撐軟件圖形支撐軟件n DirectX僅應(yīng)用于Windows，由Microsoft獨立開發(fā)。 n OpenGL僅提供圖形繪制功能，甚至沒有交互功能。 n DirectX則提供了多媒體程序開發(fā)所需的全部API。 n OpenGL是函數(shù)庫。 n DirectX則是組件庫。 n 教學(xué)、科研方面OpenGL是主流。 n 游戲開發(fā)、商業(yè)應(yīng)用則基本采用DirectX。 24 Java3Dn Java3D API是是

13、Sun定義的用于實現(xiàn)定義的用于實現(xiàn)3D顯示接口。顯示接口。n 3D技術(shù)是底層的顯示技術(shù)，技術(shù)是底層的顯示技術(shù)，Java3D提供了基于提供了基于Java的上層的上層接口。接口。n Java3D把把OpenGL和和DirectX這些底層技術(shù)包裝在這些底層技術(shù)包裝在Java接口中。接口中。n 這種全新的設(shè)計使這種全新的設(shè)計使3D技術(shù)變得不再繁瑣并且可以加入到技術(shù)變得不再繁瑣并且可以加入到J2SE、J2EE的整套架構(gòu)，這些特性保證了的整套架構(gòu)，這些特性保證了Java3D技術(shù)強大技術(shù)強大的擴展性。的擴展性。25 Java3Dn 生成簡單或復(fù)雜的形體生成簡單或復(fù)雜的形體n 使形體具有顏色、透明效果、貼圖使

14、形體具有顏色、透明效果、貼圖n 在三維環(huán)境中生成燈光、移動燈光在三維環(huán)境中生成燈光、移動燈光n 具有行為的處理判斷能力（鍵盤、鼠標(biāo)、定時等）具有行為的處理判斷能力（鍵盤、鼠標(biāo)、定時等）n 生成霧、背景、聲音生成霧、背景、聲音n 使形體變形、移動、生成三維動畫使形體變形、移動、生成三維動畫n 編寫非常復(fù)雜的應(yīng)用程序，用于各種領(lǐng)域如編寫非常復(fù)雜的應(yīng)用程序，用于各種領(lǐng)域如VR（虛擬現(xiàn)實）（虛擬現(xiàn)實）26 Java3D 程序程序public void paint(Graphics g) g.drawLine(250,5,250,495); g.drawRect(10,10,480,480); g.dr

15、awOval(50,50,400,400); int xCoods = 0,250,500,250; int yCoods = 250,0,250,500; g.drawPolygon(xCoods,yCoods,4); Font myFont = new Font(TimesRoman,Font.BOLD,24); g.setFont(myFont); g.drawString(This is a sample.,20,40); 27 n Computer Graphics第2章：圖形系統(tǒng)1 圖形系統(tǒng)概述圖形系統(tǒng)概述2 圖形系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖形系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)3 圖形支撐軟件圖形支撐軟件 4 圖形硬

16、件顯示原理圖形硬件顯示原理計算機圖形學(xué)計算機圖形學(xué)的發(fā)展的發(fā)展28 n 圖形硬件顯示設(shè)備及原理圖形硬件顯示設(shè)備及原理 陰極射線管陰極射線管CRT -Cathode Ray Tube 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：2.4.1 2.4.1 圖形顯示設(shè)備及工作原理圖形顯示設(shè)備及工作原理29 n 高速高速的電子束由的電子束由電子槍電子槍發(fā)出，經(jīng)過發(fā)出，經(jīng)過聚焦系統(tǒng)、加速系聚焦系統(tǒng)、加速系統(tǒng)和磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)統(tǒng)和磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)就會到達(dá)熒光屏的特定位置。熒光物就會到達(dá)熒光屏的特定位置。熒光物質(zhì)在高速電子的轟擊下會發(fā)生電子躍遷，即電子吸收質(zhì)在高速電子的轟擊下會發(fā)生電子躍遷，即電子吸收到能量從低能態(tài)變?yōu)楦吣艿侥芰繌牡湍軕B(tài)變?yōu)楦吣軕B(tài)態(tài)，從

17、而產(chǎn)生點亮，從而產(chǎn)生點亮。n 大約大約達(dá)到每秒達(dá)到每秒6060幀即幀即60Hz60Hz時，人眼才能感覺到屏幕不時，人眼才能感覺到屏幕不閃爍，閃爍，要要使人眼覺得舒服，一般必須有使人眼覺得舒服，一般必須有85Hz85Hz以上的刷以上的刷新頻率新頻率。n 特點：特點： 屏幕屏幕的加大必然導(dǎo)致顯像管加長的加大必然導(dǎo)致顯像管加長，導(dǎo)致顯示器，導(dǎo)致顯示器體積必然要體積必然要加大。加大。 CRTCRT是利用電子槍發(fā)射電子束來產(chǎn)生圖像，容易受電磁波干擾。是利用電子槍發(fā)射電子束來產(chǎn)生圖像，容易受電磁波干擾。 長期電磁輻射會對人們健康產(chǎn)生不良影響。長期電磁輻射會對人們健康產(chǎn)生不良影響。陰極射線管陰極射線管CRT

18、-CRT-顯示原理顯示原理30 n 液晶顯示液晶顯示器器LCD- Liquid Crystal Display 液晶液晶：一種介于液體和固體之間的特殊物質(zhì)，它具有一種介于液體和固體之間的特殊物質(zhì)，它具有液體的流態(tài)性質(zhì)和固體的光學(xué)性質(zhì)。當(dāng)液晶受到電壓液體的流態(tài)性質(zhì)和固體的光學(xué)性質(zhì)。當(dāng)液晶受到電壓的影響時，就會改變它的物理性質(zhì)而發(fā)生形變，此時的影響時，就會改變它的物理性質(zhì)而發(fā)生形變，此時通過它的光的折射角度就會發(fā)生變化，而產(chǎn)生色彩。通過它的光的折射角度就會發(fā)生變化，而產(chǎn)生色彩。2.4.1 2.4.1 圖形顯示設(shè)備及工作原理圖形顯示設(shè)備及工作原理31 1、光線穿透、光線穿透2、光線阻斷、光線阻斷液晶

19、顯示器液晶顯示器LCD-LCD-顯示原理顯示原理32 n 外觀外觀：小巧精致，厚度只有小巧精致，厚度只有6.58cm6.58cm左右，比起左右，比起CRTCRT那個龐然大物體積實在是不可同日而語。那個龐然大物體積實在是不可同日而語。n 閃爍閃爍：由于液晶像素總是發(fā)光，只有加上不發(fā)由于液晶像素總是發(fā)光，只有加上不發(fā)光的電壓時該點才變黑，所以不會產(chǎn)生光的電壓時該點才變黑，所以不會產(chǎn)生CRTCRT那樣那樣的因為刷新頻率低而出現(xiàn)的閃爍現(xiàn)象。的因為刷新頻率低而出現(xiàn)的閃爍現(xiàn)象。n 工作電壓低，功耗小，節(jié)約能源；沒有電磁輻工作電壓低，功耗小，節(jié)約能源；沒有電磁輻射，對人體健康沒有任何影響。射，對人體健康沒有任何影響。液晶顯示器液晶顯示器LCD-LCD-特點特點33 未來顯示器未來顯示器n發(fā)光聚合物技術(shù)，堅不可摧；柔韌性好，可以卷起來發(fā)光聚合物技術(shù)，堅不可摧；柔韌性好，可以卷起來n三維顯示器三維顯示器34 OLED OLED（Organic Light-Emitting DiodeOrganic Light-Emitting Diode）n早在早在1987年，年，Kodak公司的鄧青云博士無意間發(fā)現(xiàn)公司