計算機圖形學第二講

1上一講回顧主要內(nèi)容：計算機圖形學的研究內(nèi)容計算機圖形學的發(fā)展簡史計算機圖形學的應用簡介計算機圖形學研究熱點簡介要點：圖形的兩個要素計算機圖形學的研究范疇第2章計算機圖形系統(tǒng)概述IntroductiontoGraphicsSystem3提綱圖形系統(tǒng)硬件輸入設備(Inputdevices)輸出設備(Outputdevices)圖形處理器(Graphicsprocessor)圖形系統(tǒng)軟件計算機圖形軟件標準通用圖形軟件包的基本功能W3C開放標準：可伸縮向量圖形SVG標準4圖形輸入設備(inputdevices)定位設備(locatordevices)：坐標數(shù)字化儀(datatablet)鼠標器(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)三維輸入設備：有控制球、操縱合、數(shù)據(jù)手套、跟蹤器。智能化(intelligent)輸入設備5三維鼠標空間球掃描儀6索尼PSHanderPSMove任天堂VirtualBoyWiimot微軟XboxControllerKinect78圖形輸出設備(outputdevices)圖形顯示器：CRT顯示器隨機掃描顯示器(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(printer)繪圖儀(graphplotter)三維顯示設備體三維顯示設備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)顯示器每個像素占用1個bit灰度(grayed)顯示器每個像素占用多個bitCRT顯示器工作原理(2)11衡量CRT性能的指標屏幕尺寸大小點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)三個電子槍三個熒光點構成一個像素各像素與蔭罩板上的洞對應13(真)全彩色系統(tǒng)(fullcolorsystem)紅綠藍888若有24個位面(每種基色8個位面)可同時顯示(28)3=16777216種顏色（24位真彩色）14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，應用于軍事、CAD領域畫面刷新隨機式(random)光柵式(raster)相關名詞：持續(xù)發(fā)光時間(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：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15續(xù)相關名詞掃描線(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解釋執(zhí)行(刷新)→視頻控制器控制驅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

(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電壓強度顯示屏幕18簡單光柵掃描圖形顯示系統(tǒng)結構圖

（幀緩存）CPU系統(tǒng)總線外設系統(tǒng)存儲器視頻控制器顯示器19改進的光柵掃描圖形顯示系統(tǒng)結構圖CPU系統(tǒng)總線外設系統(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)結構圖顯示卡

CPU系統(tǒng)總線外設顯示處理器系統(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)字模擬轉換器在視頻處理中，把二進制的數(shù)字轉換成為和顯示器相適應的模擬信號早期沒有22總結1—幾個數(shù)量關系幀緩存容量--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：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，與圖形的復雜程度無關缺點：需要掃描轉換掃描轉換速度偏低，交互操作響應慢分辨率偏低，有階梯效應缺點正在被克服優(yōu)點使其占據(jù)了市場主流總結3—光柵顯示系統(tǒng)的特點27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28LCD顯示器（1/5）CRT顯示器的缺點：屏幕的加大導致顯象管的加長，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30LCD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31LCD顯示器（4/5）基本技術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，對人體健康沒有影響33LCOS顯示器(1/3)LCOS(LiquidCrystalonSilicon)-有源點陣反射式液晶顯示技術LCD與CMOS集成電路有機結合的反射型新型顯示技術具備大屏幕、高亮度、高分辨率、省電等優(yōu)勢可能是HDTV的背投影技術發(fā)展的主要方向目前CRT技術大屏幕投影電視機的主要競爭者34LCOS顯示器(2/3)與LCD技術最大的不同是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，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)標準不統(tǒng)一，各家推出的LCOS應用產(chǎn)品各具特色，專利技術也不一樣，上游配套產(chǎn)品比較復雜，如光學鏡頭、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技術還難以與LCD技術抗衡36未來顯示器發(fā)光聚合物技術堅不可摧；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。37計算機圖形軟件分類及標準圖形軟件系統(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。圖形學軟件功能標準化1974年ACMSIGGRAPH舉辦“與機器無關的圖形技術會議”成立了一個圖形標準化委員會開始標準的制定ISO和ANSI批準的第一個國際圖形標準是：GKS事實上的企業(yè)標準與國際標準并存，如：OpenGL,DirectX等38圖形軟件標準分兩類:

數(shù)據(jù)及文件格式標準

子程序界面標準39數(shù)據(jù)及文件格式標準各界面間進行數(shù)據(jù)傳送和通信的接口標準。包括：CGI(ComputerGraphicsInterface)CGM(ComputerGraphicMetafile)IGES(InitialGraphicsExchangeSpecification)STEP(STandardfortheExchangeofProductmodeldata)40計算機圖形接口CGI標準號是ISODP9636。與ANSI在1985年公布的VDI（VirtualDeviceInterface）是一致的。可看作是圖形設備驅動標準。41計算機圖形元文件（CGM）標準號是ISOIS8632通過元文件產(chǎn)生器生成并通過原文件解釋器與CGI（驅動器）配套使用。42基本圖形轉換規(guī)范IGES是實際上的工業(yè)標準。目的：處理在不同的CAD/CAM系統(tǒng)間進行的數(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)格式以及響應的文件結構。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)轉換標準STEP具體組成包括：描述方法標準實現(xiàn)方法標準一致性測試方法與工具標準信息模型標準應用協(xié)議96年成為ISO標準。44子程序界面標準供圖形應用程序調(diào)用的子程序功能及格式標準。包括：GKS(GraphicsKernelSystem)PHIGS(Programmer’sHierarchicalInteractiveGraphicsSystem)GL(GraphicLibrary)45圖形核心系統(tǒng)GKS和GKS-3DGKS是一個二維圖形標準，GKS-3D是它的擴展，標準號是ISOIEC8806-4。46PHIGS和PHIGSProgrammer’sHierarchicalInteractiveGraphicsSystem，功能：向應用程序員提供控制圖形設備的接口圖形數(shù)據(jù)按層次結構組織，使多層次的應用模型能方便地應用PHIGS進行描述提供動態(tài)修改和繪制顯示圖形數(shù)據(jù)的手段公布于1986年，標準號是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)標準圖形程序庫，運行于UNIX操作系統(tǒng)下近年來擴展出可運行于Windows下的微機版如OpenGL并得以快速推廣提供功能：基本圖素生成坐標變換設置圖形屬性和顯示方式輸入/輸出處理真實圖形顯示48計算機圖形參考模型CGRM比較現(xiàn)有的和將來的計算機圖形標準，描述它們之間的關系為計算機圖形用戶和計算機圖形軟件的開發(fā)者提供有關標準化方面的重要信息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

可伸縮向量圖形標準（1）隨著Web的發(fā)展,矢量圖在應用方面表現(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標準機構W3C（World

WideWebConsortium）推薦了一種新的圖形格式標準:可伸縮向量圖形技術SVG。ScalableVectorGraphics:使用XML語言來描述二維圖像的一種純文本格式。51SVG實現(xiàn)以下幾方面的技術功能定義圖形對象：使用XML通過路徑以及基本圖元的屬性及坐標系控制實現(xiàn)模型定義；標準及自定義符號：提供標準符號庫，同時維護并共享用戶創(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)效果并在客戶端實現(xiàn)；動畫：SVG中定義了動畫元素，圖形可以很方便地實現(xiàn)運動、縮放、淡入淡出、改