計(jì)算機(jī)圖形學(xué)第二章計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)概述

第二章計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)概述

本章主要內(nèi)容

?圖形硬件系統(tǒng)

A顯示設(shè)備7^工、一"1

A圖形工作站和觀察系統(tǒng)

A輸入設(shè)備處理就――幀壤存器

A硬拷貝設(shè)備一

A網(wǎng)絡(luò)圖形系統(tǒng)二，I

?圖形軟件系統(tǒng)

?圖形軟件

>OpenGL

本章重點(diǎn)掌握

?圖形顯示設(shè)備的一些知識(shí)

?OpenGL編程知識(shí)

視頻顯示設(shè)備

?刷新式CRT顯示器

＞光柵掃描顯示器

＞隨機(jī)掃描顯示器

?彩色CRT顯示器

?直視存儲(chǔ)管顯示器

?平板顯示器

視頻顯示設(shè)備

?刷新式陰極射線管顯示器

CRT的基本結(jié)構(gòu)

lMagnetic

FocusingDefectionCoilsPhosphor-

System1/1Coated

Base\/三Screen

Electron

ConnectorElectronBeam

工作原理：電子槍發(fā)射的電子束經(jīng)過聚

焦系統(tǒng)和偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的作用，打在熒光屏

上，激活熒光物質(zhì)發(fā)熒光。

刷新式CRT顯示器

?電子槍

?聚焦系統(tǒng)

?偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)

?熒光屏

顯示器的基本概念及技術(shù)指標(biāo)

?分辨率

?點(diǎn)距

?刷新頻率、掃描頻率

?帶寬

屏幕分辨率

屏幕分辨率：CRT無重疊顯示的最多點(diǎn)數(shù)

三種表示方法

?光點(diǎn)直徑

?水平方向上的光點(diǎn)數(shù)又垂直方向上的光點(diǎn)數(shù)

r(xxy)

?顯示器精度dpi(每英寸的亮點(diǎn)數(shù))

光點(diǎn)直徑

C4屏幕上發(fā)光熒光

層亮點(diǎn)的亮度分布圖

區(qū)別CRT屏幕上兩個(gè)

亮點(diǎn)：衰減60%

顯示器的基本概念及技術(shù)指標(biāo)

?點(diǎn)距

光點(diǎn)的直徑，顯示器的物理光點(diǎn)尺寸。

熒光屏上兩個(gè)相鄰的相同顏色磷光點(diǎn)之

間的最短距離。

單位：mm

CRT顯示器

?屏幕的刷新

電子束周期性地回到同一點(diǎn)的方式來保

持圖象。

掃描線

水平回掃期

垂直回掃期

顯示器的基本概念及技術(shù)指標(biāo)

?顯示器的掃描頻率，也叫刷新率

分為：

行頻

場(chǎng)頻

顯示器的基本概念及技術(shù)指標(biāo)

?行頻（水平掃描頻率）

電子槍每秒在屏幕上掃描過的水平線數(shù)

單位：KHz表示：h

?場(chǎng)頻（重繪率/垂直掃描頻率/幀頻）

每秒鐘重復(fù)繪制顯示畫面的次數(shù)。

單位：Hz表示：v

顯示器的基本概念及技術(shù)指標(biāo)

?r(x)

水平掃描的點(diǎn)數(shù)

?r(y)

每幀掃描線數(shù)

相互關(guān)系：

理論行頻h=r(y)Xv

顯示器的基本概念及技術(shù)指標(biāo)

?視頻帶寬

單位時(shí)間內(nèi)掃描的點(diǎn)數(shù)。

單位：MHz

理論帶寬B=r(x)Xr(y)Xv

顯示縱橫比

在屏幕的兩個(gè)方向生成同等長度的線段

所需的垂直點(diǎn)數(shù)對(duì)水平點(diǎn)數(shù)的比值

3/4

光柵掃描顯示器

?光柵掃描

圖形由點(diǎn)（像素點(diǎn)）組成

光柵掃描顯示器

光柵掃描顯示器

?緩存深度：每像表的位數(shù)

?隔行掃描

?逐行掃描

光柵掃描系統(tǒng)組成

?幀緩沖存儲(chǔ)器

?視頻控制器

?顯示處理器

光柵掃描系統(tǒng)組成

A

▽

I/O設(shè)備

簡單光柵圖形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光柵掃描系統(tǒng)組成

?幀緩沖存儲(chǔ)器(framebuffer)

圖形定義，保存一組對(duì)應(yīng)屏幕所有點(diǎn)的強(qiáng)度值

像素點(diǎn)Pixel：每個(gè)屏幕點(diǎn)

幀緩沖器顯示屏幕

光柵掃描系統(tǒng)組成

?視頻控制器

基本刷新操作

＞有兩個(gè)寄存器用來存放屏幕像素的坐標(biāo)

＞存儲(chǔ)在幀緩沖器中該像素對(duì)應(yīng)位置的值被取

出，并用來設(shè)置CRT電子束的強(qiáng)度值

光柵掃描系統(tǒng)組成

?顯示處理器

將應(yīng)用程序給出的圖形定義數(shù)字化為一組像素

強(qiáng)度值，并存放在幀緩沖器中

掃描變換：將給定直線和其他幾何對(duì)像的圖形

命令轉(zhuǎn)換為一組離散的強(qiáng)度值

光柵掃描系統(tǒng)組成

彩色CRT顯示器

利用能發(fā)射不同顏色光的熒光層的

組合來顯示彩色圖形

?電子穿透法：用于隨機(jī)掃描顯示器

?蔭罩法：用于光柵掃描系統(tǒng)

電子穿透法

?工作原理：

A紅綠兩層熒光層，顯示顏色取決于電子束

穿透的深度

?廉價(jià)，只可能有四種顏色，圖形質(zhì)量差

電子束熒光屏

電子穿透法

?工作原理

熒光涂層產(chǎn)生顏色

低速電子束

較低速電子束

較高速電子束

高速電子束

蔭罩法

多槍型彩色CRT顯示器

原理：

＞混合熒光物質(zhì)

＞電子槍

＞蔭罩

蔭罩法

Phosphors

onglass

Blue

Metal

Mask

蔭罩法

柵

效果圖

DAC

平板顯示器

Flatpaneldisplay

?分類

發(fā)射顯示器(Emissivedisplays)

非發(fā)射顯示器(Nonemissivedisplays)

平板顯示器-發(fā)射顯示器

?發(fā)射顯示器(Emissivedisplays)

原理：將電能轉(zhuǎn)換為光能

類型：

＞等離子體顯示板：氣體放電，氟氣

＞薄膜光電顯示器：熒光物質(zhì)，硫化鋅與鎰

＞發(fā)光二極管■

平板顯示器一非發(fā)射顯示器

?非發(fā)射顯示器(Nonemissivedisplays)

原理：將太陽光或其他光源的光轉(zhuǎn)換為圖形

模式，通過能阻塞或傳遞光的液晶材料，傳

遞來自周圍的或內(nèi)部光源的偏振光一.

類型：液晶顯示器(LCD)

平板顯示器非發(fā)射顯示器

FieldEffectofLCD

Polorizer

-Glau一

liquidcrystal

direction

Glass

Polorizer

液晶分子排列餅況冏

Liquidcrystalalignmeni

01se?nfromtop

立體顯示

為觀察者的每只眼睛給出不同的視圖來

提供三維效果，從而場(chǎng)景帶有深度

立體顯示

主動(dòng)式立體顯示系統(tǒng)

立體顯示

柿才才亡依鼠奈無終

3D投影里/墻

被動(dòng)立體顯示系統(tǒng)示意圖

圖形系統(tǒng)的硬件工作平臺(tái)類型

?微機(jī)

?工作站

?中小型機(jī)

?大型機(jī)

?計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

IBMZ900大型機(jī)1套，價(jià)值1500萬美金

圖形輸入輸出設(shè)備

一、圖形輸入設(shè)備

1、向量型圖形輸入設(shè)備

采取跟蹤軌跡，記錄坐標(biāo)點(diǎn)的方法輸入圖形。主要

輸入的數(shù)據(jù)形式為直線或折線構(gòu)成的圖形構(gòu)成的圖

形學(xué)數(shù)據(jù)。

>數(shù)字化板

>鼠標(biāo)器

>光筆

圖形輸入輸出設(shè)備

2.光柵掃描型圖形輸入設(shè)備

采取逐行掃描，按一定密度采樣的方式輸入圖形。

主要的輸入數(shù)據(jù)形式為一幅由亮度值構(gòu)成的像素矩

陣一一圖像。

>掃描儀二.

>攝像機(jī)

圖形輸入輸出設(shè)備

二、常用的圖形輸出設(shè)備

?向量型：作畫機(jī)構(gòu)隨著圖形輸出形狀而移動(dòng)并成像

A繪圖機(jī)

?光柵掃描型：作畫機(jī)構(gòu)按光柵矩陣掃描整張圖面，

并按輸出內(nèi)容對(duì)圖面成像。

＞點(diǎn)陣式打印機(jī)

A激光打印機(jī).

＞熱敏印刷機(jī)-'

＞靜電印刷機(jī)

＞噴墨印刷機(jī)

圖形輸入輸出設(shè)備

三、其他輸入輸出設(shè)備

?跟蹤球和空間球

?操縱桿

?數(shù)據(jù)手套

圖形軟件

圖形隹

應(yīng)用體vA

W(API)

Illi!J

圖形軟件

坐標(biāo)表示

?笛卡爾坐標(biāo)

?建模坐標(biāo)

?世界坐標(biāo)

?規(guī)范化設(shè)備坐標(biāo)

?設(shè)備坐標(biāo)或屏幕坐標(biāo)

坐標(biāo)表示

?笛卡兒坐標(biāo)：通用圖形編程軟件包

?建模坐標(biāo)系/局部坐標(biāo)系/主坐標(biāo)系：描述單

個(gè)物體的形狀、大小、尺寸所采用的坐標(biāo)

系稱為

?世界坐標(biāo)系(WC)：把物體放入場(chǎng)景的適當(dāng)

位置。

坐標(biāo)表示

?設(shè)備坐標(biāo)系(DC)或屏幕坐標(biāo)系：該場(chǎng)景的世界坐

標(biāo)系描述轉(zhuǎn)換為一個(gè)或多個(gè)輸出設(shè)備參照系來顯

示。該坐標(biāo)系依賴于具體的顯示輸出設(shè)備

?規(guī)范化坐標(biāo)系(NC)：指獨(dú)立于具體物理設(shè)備的一

種坐標(biāo)系，它具有顯示空間在x和y上都是0到1,

主要用于在計(jì)算機(jī)內(nèi)部處理圖形，對(duì)一個(gè)具體物

理設(shè)備，NC與DC僅僅是相差一個(gè)比例因子，NC

可被看成是一個(gè)抽象的圖形設(shè)備

坐標(biāo)表示

?從建模坐標(biāo)到設(shè)備坐標(biāo)的變換序列為：

（Xmc，ymc）一（Xwc，ywc）~^Xnc,y11）（*加，丫dJ

?為適應(yīng)比例和縱橫比的差別，NC變換到輸

出設(shè)備（DC）的正方形區(qū)域，以保持適當(dāng)?shù)?/p>

比例

坐標(biāo)表示

繪圖儀

其他輸出設(shè)備

設(shè)備坐標(biāo)系

圖形功能

?圖形的基本構(gòu)造塊稱為圖形輸出圖元（graphics

outputprimitives）：包括字符串和幾何成分，

如點(diǎn)、直線、曲線、填充區(qū)域（多邊形、圓等）以

及彩色陣列定義的形狀。

?屬性是輸出圖元的特性。屬性描述一個(gè)特定圖元

是怎樣顯示的，包括強(qiáng)度和彩色設(shè)定，線型、文

本類型，以及填充模式■

?可以使用幾何變換（如平移、比例、旋轉(zhuǎn)、投影

等）改變物體的位置、大小或方向

軟件標(biāo)準(zhǔn)

?標(biāo)準(zhǔn)化圖形軟件的最初目標(biāo)是可移植性

?國際和許多國家的標(biāo)準(zhǔn)化組織努力合作開發(fā)

計(jì)算機(jī)圖形標(biāo)準(zhǔn)。

>圖形核心'系統(tǒng)GKS(GraphicalKernelSystem)o

GKS是針對(duì)二維圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)，隨后經(jīng)過擴(kuò)充,

出現(xiàn)三維圖形的GKS-3D?！付?

>PHIGS(Programmer5sHierarchicalInteractive

GraphicsSystem)是出現(xiàn)的第二個(gè)圖形標(biāo)準(zhǔn)，是

對(duì)GKS的擴(kuò)充

軟件標(biāo)準(zhǔn)

?標(biāo)準(zhǔn)圖形函數(shù)定義為獨(dú)立于任何程序設(shè)計(jì)語言

的一組規(guī)范。語言聯(lián)編（Languagebinding）則是

為特定的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言而給出該語言去訪

問各種標(biāo)準(zhǔn)圖形函數(shù)的語法

?CGI（ComputerGraphicsInterface,計(jì)算機(jī)圖

形接口）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)輸出設(shè)備圖形接口

?CGM（ComputerGraphicsMeta,le計(jì)算機(jī)圖形

元文件）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定圖形存檔和傳輸

OpenGL圖形開發(fā)

?OpenGL繪缶ij管線

?OpenGL庫與編程環(huán)境

?基本圖元繪制

?狀態(tài)機(jī)管理

?例子學(xué)習(xí)

I

OpenGL規(guī)范

?OpenGL庫是在硬件支持標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，提

“供的一個(gè)硬件圖形加速軟件庫，讓應(yīng)用程

序能夠高效地訪問硬件的功能。

?難以用硬件實(shí)現(xiàn)的高級(jí)特性（如高級(jí)圖元

類型的支持、場(chǎng)景圖形和實(shí)用函數(shù)等）不

是OpenGL規(guī)范的一部分。二」

?許多庫支持這些擴(kuò)展部分。

OpenGL繪制管線

3DAPI

3DAPI:命令

OpenGL或

Direct3D

CPU-GPU邊界（AGP/PCIe總線）

頂點(diǎn)像素產(chǎn)生

索引透視變換像素更新

募據(jù)流

圖1

Rasterization

GPUPrimitiveRasterFrame

and

FrontEndAssemblyOperaticBuffer

Interpolation

目

3I

s

eaN

S

U

83ProgrammableProgrammableE

siVertexFragmentK

eProcessorProcessor

.

圖形繪制流水線

?圖形繪制流水線上OpenGL每個(gè)階段的命令

二二^penGL^

0

ModelingIlluminationViewingClipping

OTransformationTransformation?

I--------1

Projection

>I

i

Display?-Rasterization/

OpenGL流水線架構(gòu)

I

I

I

OpenGL流水線架構(gòu)

?頂點(diǎn)操作

A坐標(biāo)變換

A光照

?裁剪

OpenGL流水線架構(gòu)

?像素操作

＞對(duì)應(yīng)用程序發(fā)送的像素?cái)?shù)據(jù)塊執(zhí)行像素存儲(chǔ)操作。

?控制像素?cái)?shù)據(jù)塊的字節(jié)順序交換、填充和偏移量,

以便發(fā)送和接收各種格式像素。

?其他像素操作，如像素轉(zhuǎn)移（映射、縮放和偏移）

OpenGL流水線架構(gòu)

?光柵化)

A將幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為片元。J

A片元是OpenGL寫入幀緩存之前處理的位置、碼

色、深度、紋理坐標(biāo)和其他數(shù)據(jù)。

a注意片元與像素的區(qū)別。支持多重采樣的1

OpenGL實(shí)現(xiàn)將片元存儲(chǔ)在子像素位置上。1

A光柵化主要是硬件完成計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的圖元填

充問題。

OpenGL流水線架構(gòu)

?片元操作

?對(duì)于光柵化生成的每個(gè)片元，進(jìn)行操作。

。像素歸屬測(cè)試，

。裁剪測(cè)試)

*多樣本片元操作

Alpha測(cè)試|

模板測(cè)試I

深度測(cè)試■{

遮蓋測(cè)試

混合|

?:?抖動(dòng)I

網(wǎng)上資源

>

。有很多例子可供學(xué)習(xí)

>news:comp.graphics.api.opengl

>/software/opengl

>http:〃/

>/-narobins/opengLhtml

?！獋€(gè)opengl的tutorial

OpenGL與相關(guān)API之間關(guān)系

編程環(huán)境

?基本庫

>Opengl32.libopengl32.dllgl.h

>Glu32.libglu32.dllglu.h

>Glut32.libglut32.dllglut.h

>Glaux.libglaux.dllglaux.h

基本圖元繪制

functionname

glVertex3f(xryzz)

X

yzarefloats

belongstoGLlibraiy#

glVertex3fv(p)

pisapointertoanarray

OpenGL命令語法

表面模型

?基本由點(diǎn)組成線段或多邊形

?多邊形最后構(gòu)成物體模型

10種基本圖元類型

GL__POLYGON

._QUAD_STRIP

基本繪制單元

?glBegin(mode);

gIVertext3f(x,y,z);

gIVertext3f(x,y,z);

gIVertext3f(x,y,z);

■■■

?glEnd();

OpenGL狀態(tài)

'?OpenGL是一個(gè)狀態(tài)機(jī)，應(yīng)用程序通過

OpenGL函數(shù)調(diào)用來實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的設(shè)置。例如

下面的實(shí)例：

glColor3f(1.f,O.f,O.f);//redasanRGBtriple

glBegin(GL_POLYGONS);

glVertex3f(-.5f,0.f,0.f);

glEnd();

glColor3f(0.f,0.f,1.f);//blueasanRGBtriple

glBegin(GL_POINTS);

glVertex3f(0.f,0.f,0.f);

glEnd();

glBegin(GL_POINTS);

glVertex3f(.5f,0.f,0.f);

glEnd();

OpenGL狀態(tài)

?OpenGL總是按照應(yīng)用程序的發(fā)送順序執(zhí)行

命令。

?因此狀態(tài)影響應(yīng)該是最接近繪制的狀態(tài)改變

函數(shù)來決定。

?同時(shí)主要注意狀態(tài)改變對(duì)效率的影響

狀態(tài)設(shè)置與查詢

?布爾類型控制與查詢

>voidglEnable(GLenumtarget)；

>VoidglDisable(GLenumtarget);

>VoidgllsEnable();

?數(shù)值類型|

>gISet,gIGet)

?堆棧類型{

>VoidglPushAttrib(GLbitfieldmask);

>VodglPopAttrib(void);

>VoidglPushClientAtrrib(GLbitfieldmask);

>VoidglPopClientAttrib(void);

?其他

>gIGetString,

>gIGetError

gIGet使用

?voidglGetBooleanv(GLenumpname,GLboolean*param);

?voidglGetDoublev(GLenumpname,GLdouble*param);

?voidglGetFloatv(GLenumpname,GLfloat*param);

?voidglGetlntegerv(GLenumpname,Glint*param);

其中，pname可能是：

>GL_COLOR_CLEAR_VALUE

>GL_CURRENT_COLOR

>GL_CURRENT_NORMAL

>GL_MATRIX_MODE

>GL_MODEVIEW_MATRIX

>GL_PROJECTION_MATRIX

>