計算機圖形學(xué)課件

第2章

交互式計算機圖形處理系統(tǒng)

計算機學(xué)院

蘇小紅1計算機圖形學(xué)交互式計算機圖形處理系統(tǒng)Computer+人=交互式PersonelComputer圖形處理系統(tǒng)workstation圖形處理系統(tǒng)要求主機性能更高（強大的浮點運算能力），速度更快，存儲容量更大，外設(shè)種類更齊全圖形加速卡，大屏幕顯示器2計算機圖形學(xué)硬件發(fā)展圖形輸入設(shè)備的發(fā)展第一階段：控制開關(guān)、穿孔紙等第二階段：鍵盤、光筆第三階段：二維定位設(shè)備，如鼠標、坐標數(shù)字化儀、跟蹤球、觸摸屏、操縱桿、掃描儀等第四階段：三維輸入設(shè)備（如三維鼠標、空間球、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣）智能人機接口：用戶的手勢、表情、語音等3計算機圖形學(xué)三維鼠標空間球根據(jù)球在不同方向受到的推或拉的壓力來實現(xiàn)定位和選擇

圖形輸入設(shè)備（1/13）4計算機圖形學(xué)圖形輸入設(shè)備（2/13）數(shù)據(jù)手套(Dataglove)

可測量出手的位置和形狀，從而實現(xiàn)環(huán)境中的虛擬手及其對虛擬物體的操縱。數(shù)據(jù)手套通過手指上的彎曲、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。5計算機圖形學(xué)圖形輸入設(shè)備（3/13）用于虛擬現(xiàn)實環(huán)境的顯示器類型頭盔式顯示器(HeadMountedDisplay，HMD)空間沉浸式顯示器(SID,如洞穴式和園頂式)顯示硬件頭盔式顯示器將觀察者的頭部位置及運動方向告訴計算機，計算機就可以調(diào)整觀察者所看到的圖景，使得呈現(xiàn)圖像更趨于真實感絕大多數(shù)頭盔式顯示器使用兩個顯示器利用特殊光學(xué)設(shè)備對圖像進行處理，使圖像看上去立體感更強把用戶的視覺、聽覺和其他感覺封裝起來，產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的錯覺。6計算機圖形學(xué)圖形輸入設(shè)備（4/13）7計算機圖形學(xué)圖形輸入設(shè)備（5/13）數(shù)據(jù)衣也是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中用的人機交互設(shè)備一件虛擬現(xiàn)實的數(shù)據(jù)緊身服可使你有在水中或泥沼中游泳的感覺8計算機圖形學(xué)圖形輸入設(shè)備（6/13）掃描儀常用類型滾筒式由電子分色機發(fā)展而來，用光電倍增管作為顏色感受器，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號掃描圖像質(zhì)量相對較高，可掃描幅面更大平板式采用電荷耦合器件CCD

（ChargeCoupledDevice）9計算機圖形學(xué)圖形輸入設(shè)備（7/13）掃描儀工作原理用光源照射原稿投射光線經(jīng)過一組光學(xué)鏡頭射到CCD器件上，得到元件的顏色信息再經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，圖象數(shù)據(jù)暫存器等最終輸入到計算機10計算機圖形學(xué)圖形輸入設(shè)備（8/13）指標分辨率光學(xué)分辨率：單位長度上能采樣信息點數(shù)插值分辨率：驅(qū)動軟件插值計算得到的分辨率掃描分辨率：掃描時的實際輸入分辨率能放置原稿的原稿尺寸原稿放大倍數(shù)如光學(xué)分辨率為6000dpi，所需圖像分辨率為300dpi，則可放大20倍位深度、色深度決定可以獲取圖像的最大灰度級數(shù)、最多顏色數(shù)最高密度范圍決定圖像的暗調(diào)層次，越大越好色調(diào)靈敏度制造商不公開11計算機圖形學(xué)圖形輸入設(shè)備（9/13）數(shù)碼相機采用的攝像感應(yīng)器有兩種CCDCMOS：便宜，但質(zhì)量相對較差12計算機圖形學(xué)圖形輸入設(shè)備（10/13）圖形輸入的一個特殊領(lǐng)域真實物體的三維信息的輸入

零件進行大規(guī)模生產(chǎn)必須在計算機中生成三維實體模型這個模型有時要通過已有的實物零件得到采集實物表面各個點的位置信息掃描保存古代名貴的雕塑和其它藝術(shù)品的三維信息在計算機中產(chǎn)生這些藝術(shù)品的三維模型13計算機圖形學(xué)美國斯坦福大學(xué)計算機系的著名圖形學(xué)專家MarcLevoy曾經(jīng)帶領(lǐng)他的30人工作小組（包括美國斯坦福大學(xué)及美國華盛頓大學(xué)的教師和學(xué)生）于1998～1999學(xué)年在意大利，專門對文藝復(fù)興時代的雕刻大師米開朗基羅的眾多藝術(shù)品進行掃描，保存其形狀和面片信息專門設(shè)計了一套硬件和軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)量驚人，光大衛(wèi)像就有20億個多邊形和7000張彩色圖象，總共需要72G的磁盤容量實體圖形輸入的一個顛峰之作圖形輸入設(shè)備（11/13）14計算機圖形學(xué)圖形輸入設(shè)備（12/13）三維數(shù)字化儀工作原理電磁感應(yīng)技術(shù)由一塊數(shù)據(jù)板和一根觸筆組成數(shù)據(jù)板中布滿了金屬柵格，當觸筆在數(shù)據(jù)板上移動時，其正下方的金屬柵格上就會產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流根據(jù)已產(chǎn)生電流的金屬柵格的位置，就可以判斷出觸筆當前的幾何位置許多數(shù)字化儀提供了多種壓感電流，用不同的壓力就會有不同的信息傳向計算機15計算機圖形學(xué)美術(shù)家數(shù)字化儀（帶壓力傳感器，無繩觸筆）通過控制筆的壓力繪制不同風(fēng)格的畫現(xiàn)在非常流行的漢字手寫系統(tǒng)就是一種數(shù)字化儀圖形輸入設(shè)備（13/13）16計算機圖形學(xué)圖形輸出(顯示、打?。┰O(shè)備：陰極射線管顯示器（CRT），液晶顯示器（LCD）等繪圖儀，打印機，雙監(jiān)視器圖形工作站MediaWall多屏幕系統(tǒng)——監(jiān)視器陣列交易展示、大型會議、博物館、旅客候機廳等

17計算機圖形學(xué)CRT顯示器分類陰極射線管（CRT）CathodeRayTube單色CRT彩色CRT18計算機圖形學(xué)陰極射線管(CRT)組成包括電子槍、聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、熒光屏工作原理電子槍發(fā)射電子束經(jīng)過聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)轟擊到熒光屏的不同部位被其內(nèi)表面的熒光物質(zhì)吸收發(fā)光產(chǎn)生可見的圖形結(jié)構(gòu)19計算機圖形學(xué)電子槍電燈絲的組成陰極由燈絲加熱發(fā)出電子束控制柵加上負電壓后，能夠控制通過其中小孔的帶負電的電子束的強弱通過調(diào)節(jié)負電壓高低來控制電子數(shù)量即控制熒光屏上相應(yīng)點的亮度20計算機圖形學(xué)聚焦系統(tǒng)通過電場和磁場控制電子束變細，保證亮點足夠小，提高分辯率

加速電極加正的高壓電（幾萬伏）

使電子束高速運動

控制靜電場或磁場，使電子束產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，最大偏轉(zhuǎn)角是衡量系統(tǒng)性能的最重要的指標，顯示器長短與此有關(guān)。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)21計算機圖形學(xué)熒光屏

熒光物質(zhì)：吸收電子束而發(fā)光余輝時間：持續(xù)發(fā)光時間，電子束離開某點后，該點的亮度值衰減到初始值

刷新(Refresh)：為了讓熒光物質(zhì)保持一個穩(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度上能識別的最大像素個數(shù)單位通常為dpi（dotsperinch)。在假定屏幕尺寸一定的情況下，也可用整個屏幕所能容納的像素個數(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)光時間（例如）=1000/40=25Hz22計算機圖形學(xué)彩色CRT滲透型常用于隨機掃描顯示器射線穿透法多槍型常用于光柵掃描顯示器影孔板法彩色陰極射線管23計算機圖形學(xué)射線穿透法（beampenetration）原理：兩層熒光涂層，紅色光和綠色光兩種發(fā)光物質(zhì)，不同速度電子束穿透熒光層的深淺，決定所產(chǎn)生的顏色電子束熒光涂層產(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應(yīng)用：主要用于畫線顯示器優(yōu)點：成本低缺點：只能產(chǎn)生有限幾種顏色24計算機圖形學(xué)影孔板法原理：影孔板被安裝在熒光屏的內(nèi)表面，用于精確定位像素的位置外層玻璃熒光涂層影孔板25計算機圖形學(xué)影孔板的類型點狀影孔板（蔭罩式）代表：球面顯像管柵格式影孔板（蔭柵式）代表：柱面顯像管

日本索尼公司的特麗瓏管（Trinitron）三菱公司的鉆石瓏管（Diamondtron）

溝槽式影孔板代表：LG的Flatron顯像管26計算機圖形學(xué)蔭罩式（點狀）影孔板工作原理紅、綠、蘭三基色三色熒光點（很小并充分靠近--〉像素）三支電子槍電子槍、影孔板中的一個小孔和熒光點呈一直線每個小孔與一個像素（即三個熒光點）對應(yīng)27計算機圖形學(xué)蔭罩式顯示器的缺點：球面熒光屏，幾何失真大三角形的熒光點排列造成即使點很密很細也不會特別清晰最近幾年蔭柵式顯示器逐漸流行起來28計算機圖形學(xué)原理的區(qū)別光線的選擇方式和熒光點的排列不同蔭柵式顯象管的優(yōu)點亮度更高，色彩也更鮮艷柱面和平面顯示器29計算機圖形學(xué)CRT顯示器分類直視存儲管式（Direct-ViewStorageTubes）利用管子本身存儲信息，類似于一個長余輝的CRT，不必刷新刷新式隨機掃描式（Random-Scan）光柵掃描式（Raster-Scan）30計算機圖形學(xué)隨機掃描的顯示系統(tǒng)特點數(shù)據(jù)表示：矢量表示，只有端點信息，無線段中間點掃描方式：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：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：價格貴，只能顯示線畫圖形，應(yīng)用于軍事、CAD領(lǐng)域31計算機圖形學(xué)光柵掃描的顯示系統(tǒng)特點：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），真實感圖形32計算機圖形學(xué)隔行掃描（Interlacedscan）工作原理場頻=幀頻*2一幀1／30秒，一場1／60秒幀頻30HZ，場頻60HZ一幀完整的畫面分成兩場，即奇數(shù)場與偶數(shù)場優(yōu)點：降低了閃爍效應(yīng)；只需逐行的一半時間即可顯示一屏畫面，降低了對掃描頻率的要求，也降低了成本；幀緩存中數(shù)據(jù)量比逐行掃描少一半，降低了視頻控制器存取幀緩存的速度及傳輸帶寬的要求。33計算機圖形學(xué)計算機圖形處理系統(tǒng)繪圖儀printerComputerDPU輸入設(shè)備視頻控制器display顯示處理器控制圖形的顯示邏輯部件：幀緩沖存儲器（FrameBuffer)視頻控制器（VideoController)顯示處理器（DisplayProcessingUuit，簡稱DPU）CRT34計算機圖形學(xué)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顯示文件由顯示處理器負責(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35計算機圖形學(xué)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算的中間數(shù)據(jù)它與顯示主芯片的關(guān)系，就像計算機的內(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36計算機圖形學(xué)簡單的光柵掃描圖形顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為典型的光柵掃描圖形顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)幀緩存為系統(tǒng)內(nèi)存任一塊區(qū)域視頻控制器能直接存取該區(qū)域以刷新屏幕幀緩存可以是專用的存儲器也可是系統(tǒng)內(nèi)存中的一塊固定區(qū)域37計算機圖形學(xué)幀緩沖存儲器（FrameBuffer)作用：存儲屏幕上像素的顏色值也稱刷新存儲器(RefreshingBuffer)簡稱幀緩沖器，俗稱顯存幀緩存中單元數(shù)目與顯示器上像素的數(shù)目相同單元與像素一一對應(yīng)各單元的數(shù)值決定了其對應(yīng)像素的顏色顯示顏色的種類與幀緩存中每個單元的位數(shù)有關(guān)38計算機圖形學(xué)視頻控制器（顯示控制器）作用：控制圖形的顯示，建立幀緩存與屏幕像素之間的一一對應(yīng)關(guān)系，負責(zé)按固定刷新頻率和掃描順序刷新屏幕圖形邏輯結(jié)構(gòu)工作原理—刷新周期開始，光柵掃描發(fā)生器置X地址寄存器為0，置Y地址寄存器為N-1，首先取出對應(yīng)像素（0，N-1）的幀緩存單元的數(shù)值,放入像素值寄存器，用來控制像素的顏色，然后X的地址寄存器的地址加一，如此重復(fù)，直到該掃描線上的最后一個像素。39計算機圖形學(xué)位面技術(shù)（1/3）顯存分成若干顏色的位平面（bitplane）各平面上相同位置的每一位和屏幕上的一個像素對應(yīng)同一像素點在各位面占同一地址不同位面上同一像素地址中的內(nèi)容決定像素的顏色色平面越多，可表達的色彩越豐富增加一個位面，色彩就增加一倍而存儲器寫操作程序無需重新計算新地址程序兼容性好40計算機圖形學(xué)N位寄存器電子槍CRT光柵有N個位面的幀緩存2NDAC0100010~2N-1灰度等級寄存器藍色槍幀緩存DAC0001CRT光柵01DACDAC紅色槍綠色槍位面技術(shù)（2/3）41計算機圖形學(xué)若有24個位面（每種基色8個位面）可同時顯示(28)3=224=16777216種顏色（24位真彩色）紅綠藍三個位面，組合成8種顏色增加一個亮度位面，形成16種顏色紅綠藍Black000Blue001Green010Cyan011Red100Magenta101Yellow110White111位面技術(shù)（3/3）42計算機圖形學(xué)顯存容量分辨率M*N、顏色個數(shù)K與顯存容量V的關(guān)系3個位面分辯率是1024×1024的顯示器需要3×1024×1024（3145728）位的存儲器43計算機圖形學(xué)顯存容量問題若存儲器位長固定，則屏幕分辯率與同時可用的顏色種數(shù)成反比1兆字節(jié)的幀緩存若設(shè)分辯率為640×480，則幀緩存每個單元可有24位，可能同時顯示224種顏色若設(shè)分辯率為1024×768，則每個單元分得的位數(shù)僅略多于8，只能工作于256色顯示模式下1024*768真彩模式需要3M字節(jié)顯存高分辨率和真彩要求有大的顯存解決方法采用查色表(Look-upTable）或稱彩色表(ColorTable)44計算機圖形學(xué)顏色信息的存放方式兩種存放方式：顏色值直接存儲在幀緩存中把顏色碼放在一個獨立的表中，幀緩存存放的是顏色表中各項的索引值，索引色單顯查色表固化彩顯可修改、創(chuàng)建查色表45計算機圖形學(xué)查色表（LUT）工作原理是一維線性表，其每一項的內(nèi)容對應(yīng)一種顏色它的長度由幀緩存單元的位數(shù)決定例如：每單元有8位，則查色表的長度為28＝256目的在幀緩存單元的位數(shù)不增加的情況下具有大范圍內(nèi)挑選顏色的能力46計算機圖形學(xué)帶寬T與分辨率、幀頻（刷新頻率）F的關(guān)系帶寬問題高分辨率和高刷新頻率要求高帶寬解決方法：隔行掃描（現(xiàn)在已基本不用，主流顯示器都采用逐行掃描方式）帶寬問題47計算機圖形學(xué)光柵顯示系統(tǒng)的特點優(yōu)點：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兼容刷新頻率一定，與圖形的復(fù)雜程度無關(guān)缺點：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)缺點正在被克服優(yōu)點使其占據(jù)了市場主流48計算機圖形學(xué)衡量CRT的指標屏幕尺寸大小顯像管種類點距分辨率畫面刷新頻率帶寬

49計算機圖形學(xué)走向平面的顯像管球面顯象管表面：球面的一部分時間：~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、影片欣賞時間：90年代后期市場上的主流顯象管50計算機圖形學(xué)LCD顯示器（1/5）CRT顯示器的缺點：屏幕的加大導(dǎo)致顯象管的加長，體積加大，使用時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)省防置空間的短管51計算機圖形學(xué)LCD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)生形變此時通過它的光的折射角度就會發(fā)生變化，而產(chǎn)生色彩52計算機圖形學(xué)LCD顯示器（3/5）液晶屏幕后面有一個背光這個光源先穿過第一層偏光板，再來到液晶體上當光線透過液晶體時，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53計算機圖形學(xué)LCD顯示器（4/5）基本技術(shù)指標可視角度指左右兩邊的可視最大角度相加點距兩個液晶顆粒（光點）之間的距離分辨率

指其真實分辨率比如1024×768的含義就是指該液晶顯示器含有1024×768個液晶顆粒54計算機圖形學(xué)LCD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)光的電壓時該點才變黑，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，對人體健康沒有任何影響55計算機圖形學(xué)LCOS顯示器(1/3)LCD與CMOS集成電路有機結(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)大屏幕投影電視機的主要競爭者56計算機圖形學(xué)LCOS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57計算機圖形學(xué)LCOS顯示器(3/3)存在的問題：行業(yè)標準不統(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、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58計算機圖形學(xué)空氣等離子體顯示器空氣等離子體可想象成一個個微型霓虹燈，紅綠藍三種不同顏色的像素。顯示屏薄，掛在墻上無鋸齒現(xiàn)象，分辨率好無需刷新緩存，重量輕，無輻射價格貴59計算機圖形學(xué)未來顯示器發(fā)光聚合物技術(shù)堅不可摧；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。60計算機圖形學(xué)圖形軟件發(fā)展及軟件標準形成

三種類型的計算機圖形軟件系統(tǒng)：(1)用某種語言寫成的子程序包如:GKS(GraphicsKernelSystem)PHIGS(Programmer’sHerarchicalIuteractiveGraphicssystem)GL 便于移植和推廣、但執(zhí)行速度相對較慢，效率低(2）擴充計算機語言，使其具有圖形生成和處理的功能

如：TurboC，AutoLisp等。

簡練、緊湊、執(zhí)行速度快，但不可移植（3）專用圖形系統(tǒng)：效率高，但系統(tǒng)開發(fā)量大，可移植性差。 61計算機圖形學(xué)通用的、與設(shè)備無關(guān)的圖形標準GKS(GraphicsKernel