計(jì)算機(jī)圖形學(xué)第二講

1上一講回顧主要內(nèi)容：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展簡史計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用簡介計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究熱點(diǎn)簡介要點(diǎn)：圖形的兩個(gè)要素計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究范疇第2章計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)概述IntroductiontoGraphicsSystem3提綱圖形系統(tǒng)硬件輸入設(shè)備(Inputdevices)輸出設(shè)備(Outputdevices)圖形處理器(Graphicsprocessor)圖形系統(tǒng)軟件計(jì)算機(jī)圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)通用圖形軟件包的基本功能W3C開放標(biāo)準(zhǔn)：可伸縮向量圖形SVG標(biāo)準(zhǔn)4圖形輸入設(shè)備(inputdevices)定位設(shè)備(locatordevices)：坐標(biāo)數(shù)字化儀(datatablet)鼠標(biāo)器(mouse)跟蹤球(trackball)操縱桿(joystick)觸摸屏(touchpanel)：分電阻式,電容式,紅外線式,聲表面波式。光筆(lightpen)鍵盤(keyboard)圖象掃描儀(imagescaner)三維輸入設(shè)備：有控制球、操縱合、數(shù)據(jù)手套、跟蹤器。智能化(intelligent)輸入設(shè)備5三維鼠標(biāo)空間球掃描儀6索尼PSHanderPSMove任天堂VirtualBoyWiimot微軟XboxControllerKinect78圖形輸出設(shè)備(outputdevices)圖形顯示器：CRT顯示器隨機(jī)掃描顯示器(矢量發(fā)生器)存儲管式顯示器光柵掃描顯示器平板顯示器液晶顯示器(LCD)等離子(plasma)顯示器Flat-planeCRTdisplay打印機(jī)(printer)繪圖儀(graphplotter)三維顯示設(shè)備體三維顯示設(shè)備9CRT(Cathoderaytube)

顯示器工作原理(1)10名詞解釋：象素(pixel-pictureelement)分辨率(resolution）幀緩沖存儲器(framebuffer)位面(planes)單色(monochrome)顯示器每個(gè)像素占用1個(gè)bit灰度(grayed)顯示器每個(gè)像素占用多個(gè)bitCRT顯示器工作原理(2)11衡量CRT性能的指標(biāo)屏幕尺寸大小點(diǎn)距分辨率畫面刷新頻率帶寬

CRT顯示器工作原理(3)12彩色CRT顯示器蔭罩法(shadow-maskCRT)三個(gè)電子槍三個(gè)熒光點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)像素各像素與蔭罩板上的洞對應(yīng)13(真)全彩色系統(tǒng)(fullcolorsystem)紅綠藍(lán)888若有24個(gè)位面(每種基色8個(gè)位面)可同時(shí)顯示(28)3=16777216種顏色（24位真彩色）14特點(diǎn)數(shù)據(jù)表示：矢量表示，只有端點(diǎn)信息，無線段中間點(diǎn)掃描方式：電子束像一支快速移動的畫筆，可隨意移動，只掃描熒屏上要顯示的部分，與示波器工作原理類似顯示圖形：幾何屬性（geometricattribute）為主，線架圖優(yōu)點(diǎn)：掃描速度快，分辨率高，線條質(zhì)量好，易修改，交互性好，動態(tài)性能好缺點(diǎn)：價(jià)格貴，只能顯示線畫圖形，應(yīng)用于軍事、CAD領(lǐng)域畫面刷新隨機(jī)式(random)光柵式(raster)相關(guān)名詞：持續(xù)發(fā)光時(shí)間(persistencetime)1/10亮度；10-60毫秒刷新(refresh)刷新頻率(refreshrate~60)臨界停閃頻率(criticalfusionfrequency)特點(diǎn)：數(shù)據(jù)表示：像素矩陣掃描方式：從上到下，從左到右，與電視工作原理類似顯示圖形：幾何屬性+視覺屬性（Visualattribute），真實(shí)感圖形15續(xù)相關(guān)名詞掃描線(scanline)幀(frame)水平/垂直回掃(retrace)期光柵掃描(raster-scan)顯示器刷新方式16應(yīng)用程序發(fā)出繪圖命令→解析成顯示處理器可接受命令格式存放在刷新存儲器中刷新存儲器中所有的繪圖命令組成一個(gè)顯示文件由顯示處理器負(fù)責(zé)解釋執(zhí)行(刷新)→視頻控制器控制驅(qū)動電子槍在屏幕上繪圖修改圖形，實(shí)際是修改顯示文件中的某些繪圖命令光柵掃描顯示系統(tǒng)工作原理

(raster-scandisplaysystem)

17光柵掃描顯示系統(tǒng)邏輯部件幀緩存器(framebuffer)視頻控制器(videocontroller)顯示處理器(displayprocessor)存儲器地址

視頻控制器刷新操作示例光柵掃描生成器x寄存器y寄存器幀緩存象素寄存器水平和垂直偏轉(zhuǎn)電壓強(qiáng)度顯示屏幕18簡單光柵掃描圖形顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（幀緩存）CPU系統(tǒng)總線外設(shè)系統(tǒng)存儲器視頻控制器顯示器19改進(jìn)的光柵掃描圖形顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖CPU系統(tǒng)總線外設(shè)系統(tǒng)存儲器視頻控制器顯示器幀緩存20具有專用顯示處理器的光柵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖顯示卡

CPU系統(tǒng)總線外設(shè)顯示處理器系統(tǒng)存儲器顯示器顯示處理器的存儲器幀緩存視頻控制器21圖形處理器俗稱顯卡CGAEGAVGATVGASVGAXGASXGA工作原理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)存之于CPU一樣RAMDAC視頻存儲數(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)的模擬信號早期沒有22總結(jié)1—幾個(gè)數(shù)量關(guān)系幀緩存容量--N

位面數(shù)—L

可顯示的不同顏色的數(shù)量–mm=2L;N=L*屏幕分辨率(bits)刷新速率F:>30幀/秒帶寬T：T>F*N像素訪問周期=1/(刷新速率*幀緩存容量)23總結(jié)2—沖突的存在影響顯示器成本的因素:分辨率可顯示的不同顏色數(shù)幀緩存容量幀緩存容量與可顯示顏色數(shù)、分辨率之間存在沖突解決之道？！查色表隔行掃描…24查色表(look-uptable--LUT)01000011Pixelinbitmapatx',y'67Pixeldisplayedatx',y'100110100001RedGreenBlueGBR00xyxmaxymax025510011010000167幀緩存查色表（可變）顯示器隔行掃描(interleavedscan)解決刷新頻率與刷新周期之間矛盾的方法一幀完整的畫面分成兩場(奇數(shù)場與偶數(shù)場)場頻=幀頻*2(如：幀頻30HZ，場頻60HZ）26優(yōu)點(diǎn)：成本低易于繪制填充圖形灰度和色彩豐富，圖像逼真可以和電視機(jī)兼容刷新頻率一定，與圖形的復(fù)雜程度無關(guān)缺點(diǎn)：需要掃描轉(zhuǎn)換掃描轉(zhuǎn)換速度偏低，交互操作響應(yīng)慢分辨率偏低，有階梯效應(yīng)缺點(diǎn)正在被克服優(yōu)點(diǎn)使其占據(jù)了市場主流總結(jié)3—光柵顯示系統(tǒng)的特點(diǎn)27走向平面的顯像管球面顯象管表面：球面的一部分時(shí)間：~90年代初柱面顯象管表面：柱面的一部分，垂直方向上平直，水平方向上有彎曲時(shí)間：90年代中期平面直角顯象管表面：球面的一部分，接近于平面，曲率相對比球面柱狀管小，反光及四角失真現(xiàn)象減少時(shí)間：90年代中后期純平顯象管表面：純平面，水平和垂直方向平面如鏡，色彩和亮度對比鮮明適合影像處理、多媒體展示、影片欣賞時(shí)間：90年代后期市場上的主流顯象管28LCD顯示器（1/5）CRT顯示器的缺點(diǎn)：屏幕的加大導(dǎo)致顯象管的加長，體積加大，使用時(shí)候受到空間的限制利用電子槍發(fā)射電子束來產(chǎn)生圖像，產(chǎn)生輻射與電磁波干擾，長期使用對健康不利節(jié)省放置空間的短管29LCD顯示器（2/5）液晶顯示器LCD（LiquidCrystalDisplay）原理液晶是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)液晶受到電壓的影響時(shí)，就會改變它的物理性質(zhì)而發(fā)生形變此時(shí)通過它的光的折射角度就會發(fā)生變化，而產(chǎn)生色彩30LCD顯示器（3/5）液晶屏幕后面有一個(gè)背光這個(gè)光源先穿過第一層偏光板，再來到液晶體上當(dāng)光線透過液晶體時(shí)，就會產(chǎn)生光線的色澤改變從液晶體射出來的光線，再經(jīng)過一塊彩色濾光片以及第二塊偏光板由于兩塊偏光板的偏振方向成90度，再加上電壓的變化和一些其他裝置，就能顯示我們想要的顏色了31LCD顯示器（4/5）基本技術(shù)指標(biāo)可視角度指左右兩邊的可視最大角度相加點(diǎn)距兩個(gè)液晶顆粒（光點(diǎn)）之間的距離分辨率

指其真實(shí)分辨率比如1024×768的含義就是指該液晶顯示器含有1024×768個(gè)液晶顆粒32LCD顯示器（5/5）顯示效果有差距但有后來居上之勢外觀小巧精致，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，不會產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象工作電壓低，功耗小，節(jié)約能源沒有電磁輻射，對人體健康沒有影響33LCOS顯示器(1/3)LCOS(LiquidCrystalonSilicon)-有源點(diǎn)陣反射式液晶顯示技術(shù)LCD與CMOS集成電路有機(jī)結(jié)合的反射型新型顯示技術(shù)具備大屏幕、高亮度、高分辨率、省電等優(yōu)勢可能是HDTV的背投影技術(shù)發(fā)展的主要方向目前CRT技術(shù)大屏幕投影電視機(jī)的主要競爭者34LCOS顯示器(2/3)與LCD技術(shù)最大的不同是LCD是利用光源穿過LCD作調(diào)變，屬于穿透式成像LCOS是利用反射的架構(gòu)，光源發(fā)射出來的光并不會穿透LCOS面板，屬于反射式成像35LCOS顯示器(3/3)存在的問題：行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，各家推出的LCOS應(yīng)用產(chǎn)品各具特色，專利技術(shù)也不一樣，上游配套產(chǎn)品比較復(fù)雜，如光學(xué)鏡頭、光機(jī)、燈、屏幕等LCOS制造工藝存在瓶頸，良品率受制約，成本相對較高從目前產(chǎn)品性能、價(jià)格與現(xiàn)有市場分析，現(xiàn)階段的LCOS技術(shù)還難以與LCD技術(shù)抗衡36未來顯示器發(fā)光聚合物技術(shù)堅(jiān)不可摧；柔韌性好，可以卷起來；顯示畫面具有無與倫比的清晰度；真正的平面直角。37計(jì)算機(jī)圖形軟件分類及標(biāo)準(zhǔn)圖形軟件系統(tǒng)分類子程序包（如：GKS,PHIGS,GL）便于移植和推廣、但執(zhí)行速度相對較慢，效率低為語言擴(kuò)充出圖形功能（如：TurboC,AutoLisp,OSG

）簡練、緊湊、執(zhí)行速度快，但不可移植專用的圖形系統(tǒng)(MAYA）效率高，但系統(tǒng)開發(fā)量大，可移植性差。圖形學(xué)軟件功能標(biāo)準(zhǔn)化1974年ACMSIGGRAPH舉辦“與機(jī)器無關(guān)的圖形技術(shù)會議”成立了一個(gè)圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會開始標(biāo)準(zhǔn)的制定ISO和ANSI批準(zhǔn)的第一個(gè)國際圖形標(biāo)準(zhǔn)是：GKS事實(shí)上的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)并存，如：OpenGL,DirectX等38圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)分兩類:

數(shù)據(jù)及文件格式標(biāo)準(zhǔn)

子程序界面標(biāo)準(zhǔn)39數(shù)據(jù)及文件格式標(biāo)準(zhǔn)各界面間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和通信的接口標(biāo)準(zhǔn)。包括：CGI(ComputerGraphicsInterface)CGM(ComputerGraphicMetafile)IGES(InitialGraphicsExchangeSpecification)STEP(STandardfortheExchangeofProductmodeldata)40計(jì)算機(jī)圖形接口CGI標(biāo)準(zhǔn)號是ISODP9636。與ANSI在1985年公布的VDI（VirtualDeviceInterface）是一致的?？煽醋魇菆D形設(shè)備驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)。41計(jì)算機(jī)圖形元文件（CGM）標(biāo)準(zhǔn)號是ISOIS8632通過元文件產(chǎn)生器生成并通過原文件解釋器與CGI（驅(qū)動器）配套使用。42基本圖形轉(zhuǎn)換規(guī)范IGES是實(shí)際上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。目的：處理在不同的CAD/CAM系統(tǒng)間進(jìn)行的數(shù)據(jù)交換。內(nèi)容：定義了一套表示CAD/CAM系統(tǒng)中常用的幾何和非幾何數(shù)據(jù)格式以及響應(yīng)的文件結(jié)構(gòu)。使用：由系統(tǒng)中的IGES前、后處理器完成IGES格式文件的輸出、輸入。問題：數(shù)據(jù)不精確、數(shù)據(jù)量太大等43產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)STEP具體組成包括：描述方法標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)方法標(biāo)準(zhǔn)一致性測試方法與工具標(biāo)準(zhǔn)信息模型標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用協(xié)議96年成為ISO標(biāo)準(zhǔn)。44子程序界面標(biāo)準(zhǔn)供圖形應(yīng)用程序調(diào)用的子程序功能及格式標(biāo)準(zhǔn)。包括：GKS(GraphicsKernelSystem)PHIGS(Programmer’sHierarchicalInteractiveGraphicsSystem)GL(GraphicLibrary)45圖形核心系統(tǒng)GKS和GKS-3DGKS是一個(gè)二維圖形標(biāo)準(zhǔn)，GKS-3D是它的擴(kuò)展，標(biāo)準(zhǔn)號是ISOIEC8806-4。46PHIGS和PHIGSProgrammer’sHierarchicalInteractiveGraphicsSystem，功能：向應(yīng)用程序員提供控制圖形設(shè)備的接口圖形數(shù)據(jù)按層次結(jié)構(gòu)組織，使多層次的應(yīng)用模型能方便地應(yīng)用PHIGS進(jìn)行描述提供動態(tài)修改和繪制顯示圖形數(shù)據(jù)的手段公布于1986年，標(biāo)準(zhǔn)號是ISOIS959247圖形功能庫GL最初是在圖形工作站上廣泛使用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圖形程序庫，運(yùn)行于UNIX操作系統(tǒng)下近年來擴(kuò)展出可運(yùn)行于Windows下的微機(jī)版如OpenGL并得以快速推廣提供功能：基本圖素生成坐標(biāo)變換設(shè)置圖形屬性和顯示方式輸入/輸出處理真實(shí)圖形顯示48計(jì)算機(jī)圖形參考模型CGRM比較現(xiàn)有的和將來的計(jì)算機(jī)圖形標(biāo)準(zhǔn)，描述它們之間的關(guān)系為計(jì)算機(jī)圖形用戶和計(jì)算機(jī)圖形軟件的開發(fā)者提供有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化方面的重要信息49圖形軟件開發(fā)方案圖示50通用編程圖形軟件包功能（1）輸出圖元功能（2）屬性(attributes)設(shè)置功能（3）變換(transformation)功能（4）圖段功能（5）輸入功能（6）通用控制功能

可伸縮向量圖形標(biāo)準(zhǔn)（1）隨著Web的發(fā)展,矢量圖在應(yīng)用方面表現(xiàn)出分辨率高、存儲空間小等優(yōu)勢；現(xiàn)有向量圖格式如:Flash、QuickTime等存在互操作性差、缺乏跨平臺支持等劣勢；國際Web標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)W3C（World

WideWebConsortium）推薦了一種新的圖形格式標(biāo)準(zhǔn):可伸縮向量圖形技術(shù)SVG。ScalableVectorGraphics:使用XML語言來描述二維圖像的一種純文本格式。51SVG實(shí)現(xiàn)以下幾方面的技術(shù)功能定義圖形對象：使用XML通過路徑以及基本圖元的屬性及坐標(biāo)系控制實(shí)現(xiàn)模型定義；標(biāo)準(zhǔn)及自定義符號：提供標(biāo)準(zhǔn)符號庫，同時(shí)維護(hù)并共享用戶創(chuàng)建的符號庫；文字：保留了文字元素—可精確定位并設(shè)置屬性；圖形的展現(xiàn)效果：SVG可描述模糊、陰影、光纖等動態(tài)效果并在客戶端實(shí)現(xiàn)；動畫：SVG中定義了動畫元素，圖形可以很方便地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動、縮放、淡入淡出、改