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(chǔ)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(chǔ)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(dòng)的畫筆，可隨意移動(dòng)，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(dòng)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(chǔ)器中刷新存儲(chǔ)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(dòng)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器顯示器顯示處理器的存儲(chǔ)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(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)存之于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(huì)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(huì)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(huì)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(huì)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(huì)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(huì)議”成立了一個(gè)圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(chǔ)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(tái)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(dòng)態(tài)效果并在客戶端實(shí)現(xiàn)；動(dòng)畫：SVG中定義了動(dòng)畫元素，圖形可以很方便地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)、縮放、淡入淡出、改