第二章 (計(jì)算機(jī)圖形學(xué)交互技術(shù))課件

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)

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2011.9第二章圖形交互系統(tǒng)交互式計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成通用外部設(shè)備圖形顯示終端圖形輸入設(shè)備圖形輸出設(shè)備計(jì)算機(jī)1概述交互式計(jì)算機(jī)圖形處理系統(tǒng)Computer+人=交互式PersonelComputer圖形處理系統(tǒng)workstation圖形處理系統(tǒng)要求主機(jī)性能更高（強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算能力），速度更快，存儲(chǔ)容量更大，外設(shè)種類更齊全圖形加速卡，大屏幕顯示器1概述三維鼠標(biāo)空間球三維鼠標(biāo)和空間球：根據(jù)球在不同方向受到的推或拉的壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)定位和選擇圖形輸入設(shè)備（1）2圖形輸入設(shè)備數(shù)據(jù)手套(Dataglove)

可測(cè)量出手的位置和形狀，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境中的虛擬手及其對(duì)虛擬物體的操縱數(shù)據(jù)手套通過(guò)手指上的彎曲、扭曲傳感器和手掌上的彎度、弧度傳感器，確定手及關(guān)節(jié)的位置和方向圖形輸入設(shè)備（2）2圖形輸入設(shè)備頭盔式顯示器將觀察者的頭部位置及運(yùn)動(dòng)方向告訴計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)就可以調(diào)整觀察者所看到的視景，使得呈現(xiàn)圖像更趨于真實(shí)感，絕大多數(shù)頭盔式顯示器使用兩個(gè)顯示器利用特殊光學(xué)設(shè)備對(duì)圖像進(jìn)行處理，使圖像看上去立體感更強(qiáng)把用戶的視覺(jué)、聽覺(jué)和其他感覺(jué)封裝起來(lái)，產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的錯(cuò)覺(jué)圖形輸入設(shè)備（3）2圖形輸入設(shè)備圖像掃描儀（ImageScanner）滾筒式掃描儀由電子分色機(jī)發(fā)展而來(lái)，用光電倍增管作為顏色感受器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)掃描圖像質(zhì)量相對(duì)較高，可掃描幅面更大平板式掃描儀采用電荷耦合器件CCD

（ChargeCoupledDevice）通過(guò)由透鏡和反射鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)，將圖像數(shù)據(jù)傳送到光敏CCD芯片上，采用半導(dǎo)體芯片捕獲圖像數(shù)據(jù)圖形輸入設(shè)備（4）2圖形輸入設(shè)備數(shù)碼相機(jī)圖形輸入的一個(gè)特殊領(lǐng)域：真實(shí)物體三維信息輸入

零件進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)必須在計(jì)算機(jī)中生成三維實(shí)體模型，這個(gè)模型有時(shí)要通過(guò)已有的實(shí)物零件得到，需要采集實(shí)物表面各個(gè)點(diǎn)的位置信息保存古代名貴的雕塑和其它藝術(shù)品的三維信息，并在計(jì)算機(jī)中產(chǎn)生這些藝術(shù)品的三維模型圖形輸入設(shè)備（5）2圖形輸入設(shè)備美術(shù)家數(shù)字化儀帶壓力傳感器，無(wú)繩觸筆通過(guò)控制筆的壓力繪制不同風(fēng)格的畫圖形輸入設(shè)備（7）2圖形輸入設(shè)備余輝時(shí)間：持續(xù)發(fā)光時(shí)間，從電子束離開某點(diǎn)后，該點(diǎn)的亮度值衰減到初始值所需要的時(shí)間 刷新(Refresh)：為了讓熒光物質(zhì)保持一個(gè)穩(wěn)定的亮度值刷新頻率：每秒鐘重繪屏幕的次數(shù)像素(Pixel)：構(gòu)成屏幕（圖像）的最小元素分辨率(Resolution)：CRT在水平或豎直方向單位長(zhǎng)度上能識(shí)別的最大像素個(gè)數(shù)，也可用整個(gè)屏幕所能容納的像素個(gè)數(shù)描述,如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等某種CRT產(chǎn)生穩(wěn)定圖像所需要的最小刷新頻率=1秒/熒光物質(zhì)的持續(xù)發(fā)光時(shí)間熒光屏3圖形輸出設(shè)備圖形處理器：俗稱顯卡CGAEGAVGATVGASVGAXGASXGA圖形處理器3圖形輸出設(shè)備顯示主芯片顯卡的核心，俗稱GPU代替CPU完成部分圖形處理功能，掃描轉(zhuǎn)換、幾何變換、裁剪、光柵操作、紋理映射等等各圖形函數(shù)基本上都集成在這里顯存存儲(chǔ)將要顯示的圖形信息保存圖形運(yùn)算的中間數(shù)據(jù)它與顯示主芯片的關(guān)系，就像計(jì)算機(jī)的內(nèi)存與CPU一樣RAMDAC視頻存儲(chǔ)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器在視頻處理中，把二進(jìn)制的數(shù)字轉(zhuǎn)換成為和顯示器相適應(yīng)的模擬信號(hào)

3圖形輸出設(shè)備也稱刷新存儲(chǔ)器(RefreshingBuffer),簡(jiǎn)稱幀緩沖器，俗稱顯存,用于存儲(chǔ)屏幕上像素的顏色值幀緩存中單元數(shù)目與顯示器上像素的數(shù)目相同單元與像素一一對(duì)應(yīng)各單元的數(shù)值決定了其對(duì)應(yīng)像素的顏色顯示顏色的種類與幀緩存中每個(gè)單元的位數(shù)有關(guān)幀緩沖存儲(chǔ)器（FrameBuffer）3圖形輸出設(shè)備幀緩存可以是專用的存儲(chǔ)器也可是系統(tǒng)內(nèi)存中的一塊固定區(qū)域CRT顯示器CRT顯示器的缺點(diǎn)：屏幕的加大導(dǎo)致顯象管的加長(zhǎng)，體積加大，使用時(shí)候受到空間的限制利用電子槍發(fā)射電子束來(lái)產(chǎn)生圖像，產(chǎn)生輻射與電磁波干擾，長(zhǎng)期使用對(duì)健康不利3圖形輸出設(shè)備LCD顯示器顯示效果與CRT相比有差距但有后來(lái)居上之勢(shì)外觀小巧精致，厚度只有6.5～8cm左右液晶象素總是發(fā)光，只有加上不發(fā)光的電壓時(shí)該點(diǎn)才變黑，不會(huì)產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象工作電壓低，功耗小，節(jié)約能源沒(méi)有電磁輻射，對(duì)人體健康沒(méi)有任何影響

3圖形輸出設(shè)備空氣等離子體顯示器空氣等離子體可想象成一個(gè)個(gè)微型霓虹燈，紅綠藍(lán)三種不同顏色的像素顯示屏薄，掛在墻上無(wú)鋸齒現(xiàn)象，分辨率好無(wú)需刷新緩存，重量輕，無(wú)輻射價(jià)格貴3圖形輸出設(shè)備對(duì)話框3圖形輸出設(shè)備4交互方式所謂橡皮筋技術(shù)就是在起點(diǎn)確定后，光標(biāo)移出去定終點(diǎn)時(shí)，在屏幕上始終顯示一條連接起點(diǎn)和光標(biāo)中心的直線。橡皮筋技術(shù)實(shí)際上是簡(jiǎn)易動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)，它不斷地進(jìn)行：畫－擦－畫的過(guò)程。即：（1）從起點(diǎn)到光標(biāo)中心點(diǎn)（x，y）處畫圖；（2）擦除起點(diǎn)到光標(biāo)中心點(diǎn)（x，y）處圖形；（3）光標(biāo)移動(dòng)到新的位置：x=x+△x，y=y+△y（4）轉(zhuǎn)第（1）步，重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直到鼠標(biāo)抬起為止。橡皮筋技術(shù)4交互方式網(wǎng)格是另一類約束技術(shù)，它強(qiáng)迫輸入點(diǎn)落在屏幕的坐標(biāo)網(wǎng)格交點(diǎn)上。坐標(biāo)網(wǎng)通常以線網(wǎng)或點(diǎn)陣網(wǎng)顯示在屏幕上，該技術(shù)既可用于畫線，也可用于圖符定位、幾何要素對(duì)齊等。網(wǎng)格技術(shù)4交互方式拖動(dòng)就是將形體在空間移動(dòng)。選擇拖動(dòng)功能后，先在作圖區(qū)用定位設(shè)備拾取某個(gè)要拖動(dòng)的物體，再按住鍵移動(dòng)光標(biāo)，則這個(gè)被拾取的物體將隨著光標(biāo)的移動(dòng)而移動(dòng)。拖動(dòng)也用到簡(jiǎn)易動(dòng)畫技術(shù)，拖動(dòng)過(guò)程就是不斷地進(jìn)行畫、擦、畫的過(guò)程菜單的拖曳停泊。拖曳技術(shù)4交互方式操作柄技術(shù)可以用來(lái)對(duì)圖形對(duì)象進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)、錯(cuò)切等幾何變換。先選擇要處理的圖形對(duì)象，該圖形對(duì)象的周圍會(huì)出現(xiàn)八個(gè)操作柄，移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)操作柄就可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的變換。

操作柄技術(shù)4交互方式菜單技術(shù)4交互方式動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)過(guò)程是：首先在屏幕的當(dāng)前位置畫對(duì)象并保持一定的時(shí)間；接著從屏幕的當(dāng)前位置刪除對(duì)象：然后找到計(jì)算機(jī)屏幕上對(duì)象的新位置，在新位置上畫對(duì)象。這樣周而復(fù)始．從而產(chǎn)生動(dòng)畫效果。動(dòng)畫技術(shù)4交互方式利用目標(biāo)移動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫利用存取位圖像函數(shù)產(chǎn)生動(dòng)畫利用活動(dòng)頁(yè)產(chǎn)生動(dòng)畫利用調(diào)色板產(chǎn)生動(dòng)畫利用移動(dòng)背景法產(chǎn)生動(dòng)畫動(dòng)畫技術(shù)4交互方式Windows7最新交互方式視覺(jué)交互觸覺(jué)交互動(dòng)作交互意念交互5用戶界面設(shè)計(jì)界面設(shè)計(jì)的一般原則設(shè)計(jì)人機(jī)界面，必須考慮四個(gè)方面：系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間；用戶求助機(jī)制；錯(cuò)誤信息處理；命令方式。5用戶界面設(shè)計(jì)一般性交互中需注意的原則在同一用戶界面中，風(fēng)格保持一致。保持用戶與界面間的雙向通信；對(duì)所有可能造成損害的動(dòng)作，堅(jiān)持要求用戶認(rèn)。對(duì)大多數(shù)動(dòng)作應(yīng)允許恢復(fù)（UNDO）；盡量減少用戶記憶的信息量；最大可能地減少擊鍵次數(shù)，縮短鼠標(biāo)移動(dòng)的距離。用戶出錯(cuò)時(shí)采取寬容的態(tài)度；按功能分類組織界面上的活動(dòng)；僅顯示與當(dāng)前上下文有關(guān)的信息；不要讓數(shù)據(jù)淹沒(méi)用戶；采用統(tǒng)一的標(biāo)號(hào)、約定俗成的縮寫和可預(yù)知的顏色；允許用戶保持可視化的語(yǔ)境；使用大小寫、縮進(jìn)和文本分組幫助用戶理解信息;使用窗口分隔不同類型的信息；使用“模擬”顯示方式表示信息；高效率地使用顯示屏；信息顯示中需注意的原則5用戶界面設(shè)計(jì)盡量減少用戶的輸入動(dòng)作；保持信息輸入和信息顯示的一致性；允許用戶自定義輸入；提供多種交互方式，如鍵盤、鼠標(biāo)；使在當(dāng)前動(dòng)作語(yǔ)境下不不適用的命令不起作用;讓用戶控制交流；消除冗余的輸入，除非發(fā)生誤解；信息輸入中需注意的原則5用戶界面設(shè)計(jì)

5用戶界面設(shè)計(jì)5用戶界面設(shè)計(jì)開放式的三維圖形軟件包OpenGLOpenGL是在SGI等多家世界聞名的計(jì)算機(jī)公司的倡導(dǎo)下，以SGI的GL三維圖形庫(kù)為基礎(chǔ)制定的一個(gè)通用共享的開放式三維圖形標(biāo)準(zhǔn)目前，包括Microsoft、SGI、IBM、SUN、HP等大公司都采用了OpenGL做為三維圖形標(biāo)準(zhǔn)，許多軟件廠商也紛紛以O(shè)penGL為基礎(chǔ)開發(fā)出自己的產(chǎn)品其中比較著名的產(chǎn)品包括：動(dòng)畫制作軟件Softimage和3DStudioMAX、仿真軟件OpenInventor、VR軟件WorldToolKit、CAM軟件ProEngineer、GIS軟件ARC/INFO等等6OpenGL簡(jiǎn)介OpenGL的優(yōu)越性獨(dú)立于窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng),以它為基礎(chǔ)開發(fā)的應(yīng)用程序可以十分方便地在各種平臺(tái)間移植可與VisualC++緊密接口使用簡(jiǎn)便，效率高6OpenGL簡(jiǎn)介OpenGL圖形庫(kù)的功能一共有100多個(gè)函數(shù),其中核心函數(shù)有115個(gè)除了提供基本的點(diǎn)、線、多邊形的繪制函數(shù)外，還提供了復(fù)雜的三維物體（球、錐、多面體、茶壺等）以及復(fù)雜曲線和