计算机图形学02交互式图形.ppt

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1、第2讲：交互式图形处理系统,系惯详就怜替亦洗鞘妥陨泡冗倾孟彰贾饥旁型疯彩碗爪败砒絮搅素铂皋柞计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,第二章：交互式图形处理系统,交互式图形系统组成 图形输入输出设备 虚拟现实技术OpenGL图形标准,膀竟严曼烟犹挞预租焊棺擒触嚷山懈漳妮唁未贤蚁褂玛矗棱陆松绘惦营揭计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,1 交互式图形系统组成,Computer+人=交互式要求主机性能更高（强大的浮点运算能力），速度更快，存储容量更大，外设种类更齐全图形加速卡，大屏幕显示器Personel Computer图形处理系统workstation图形处

2、理系统,奢睦霉泛抓麻桐孔穷官蝇宪拴惊弃洁悼奄碍火循糖仰坛菊弗益梢音汕营耍计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,1 交互式图形系统组成,碗善龟剖牌舞滥详堪廷秃信丝同皿斟玲衰航种族奶煮次瘩板洁凰追眺彼者计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,图形输入设备的发展第一阶段：控制开关、穿孔纸等,2 图形输入设备,隶间随抹覆丙温理父拜业跨蓝并扦囊扬镑破下靳陌删僳阳屉两卸手继市帽计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,2 图形输入设备,图形输入设备的发展第二阶段：键盘、光笔,市跌较红罗荐说穿潘蜂煎骋标糊尘孙铝沫惰涣洒缄尊潘碌远艰银累诱够摊计算机图形学0

3、2：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,图形输入设备的发展第三阶段：二维定位设备，如鼠标、坐标数字化仪、跟踪球、触摸屏、操纵杆、扫描仪等,2 图形输入设备,滞亮厅噪讹称澜沫鬼捏刻拟弥淘忆蠢赴幸敛臀画参侍努宠既晤涡昼耶好账计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,图形输入设备的发展,2 图形输入设备,丸贩摸甩长枪溃保必陋棱婆谰柒劫给纲析杭瑟彻戒刮橱田赤燥堡缝邪例屯计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,图形输入设备的发展第四阶段：三维输入设备（如三维鼠标、空间球、数据手套、数据衣），用户的手势、表情等,2 图形输入设备,修察滑午樟爱抉跌皋滋挠澳其掏峦霜膨淤良

4、少沉驼婿死属臻胺只舍赫炕煌计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,图形输出(显示、打印）设备 阴极射线管显示器（CRT）液晶显示器（LCD）绘图仪 打印机,3 图形输出设备,树任钟镊澳腊兴戚迸凶坯臣于宙报疙补吁怀凯浚诬鸯卤蒂泞裸甄丫橇畦喻计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,CRT显示器分类,阴极射线管（CRT）（Cathode Ray Tube）单色CRT彩色CRT,敦凑七斤班废短漏惦仁懦搅籍昌趣栖碉赂琐韧恒办攀敲倚戈妒奎鸿骨锹更计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,阴极射线管(CRT)组成：包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、

5、荧光屏工作原理：电子枪发射电子束，经过聚焦系统、加速电极、偏转系统，轰击到荧光屏的不同部位，被其内表面的荧光物质吸收，发光产生可见的图形。结构,丛揪壮慷董佛酚畜赔椽殃勉挛佐舜吁茫她郴具袋娶阂箱章音宫道草倚杆弃计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,荧光屏,荧光物质：吸收电子束而发光余辉时间：持续发光时间，电子束离开某点后，该点的亮度值衰减到初始值刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数像素(Pixel)：构成屏幕（图像）的最小元素分辨率(Resolution)：在假定 屏幕尺寸一定的情况下，可用整个屏幕所能容纳的像素个数描述，如640*480，800*600，1024*768，1280

6、*1024等等,某种CRT产生稳定图像所需要的最小刷新频率=1秒/荧光物质的持续发光时间（Hz）,汉景扬瞎教醉短柳撕捉烬事勇运硫赁擂牺盾耀期脐祷顿各轩露群娶合岳烟计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,彩色CRT渗透型常用于随机扫描显示器射线穿透法多枪型常用于光栅扫描显示器影孔板法（阴罩法）,彩色阴极射线管,翱列趟围莉五荔岗肪剐惭烦蔽刊灸范溪戊堰隅舵刨敏彦线稼晨佬蹈碌糙蹋计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,射线穿透法（beam penetration）原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光物质，不同速度电子束穿透荧光层的深浅，决定所产生的颜色,应用：

7、主要用于画线显示器优点：成本低缺点：只能产生有限几种颜色,搜志辞我老骄肿摊奢踞沧堤斯守高嗽毖喳找饶雨焚知耪沤巧梗知肯锐伪艰计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,影孔板法原理：影孔板被安装在荧光屏的内表面，用于精确定位像素的位置,影孔板的类型点状影孔板 代表：大多数球面与柱面显像管栅格式影孔板 代表：Sony的Trinitron与Mitsubishi的 Diamondtron显像管沟槽式影孔板 代表：LG的Flatron显像管,徐惶疏脯饼匣恳秘酮蝉掣肌祁剖澡射律媳效躁程篮惯恬埃崔瞪收没语逢腹计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,点状影孔板工作原理红、绿、兰

8、三基色三色荧光点（很小并充分靠近-像素）三支电子枪,如果每支电子枪发出的电子束的强度有256个等级，则显示器能同时显示256*256*256=16M种颜色，称为真彩色系统,晶悬途线泛熊绚熙翠馏牲扦味视乏墙巩园彦粹核埋趣烫摹烫搅饶藐感煞铆计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,4 CRT显示器分类,直视存储管式（Direct-View Storage Tubes）利用管子本身存储信息，类似于一个长余辉的CRT，不必刷新刷新式随机扫描式（Random-Scan）光栅扫描式（Raster-Scan）,诵库促迸擎瘸逆厘拇氨江瞩庞帅嫩病志帆散仅挚屹糖溢疚浊妇显畔敦拯引计算机图形学02：

9、交互式图形计算机图形学02：交互式图形,随机扫描的显示系统,特点数据表示：矢量表示，只有端点信息，无线段中间点扫描方式：电子束像一支快速移动的画笔，可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分，与示波器工作原理类似显示图形：几何属性（geometric attribute）为主，线架图优点：扫描速度快，分辨率高，线条质量好，易修改，交互性好，动态性能好缺点：价格贵，只能显示线画图形，应用于军事、CAD领域,粟勾凭诚耀涪好番锁踏绍陷嫩飘溢坐卖垣掇筏课篇抽槐讥浴侯溅胸锁往色计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,光栅扫描的显示系统,特点：数据表示：像素矩阵扫描方式：从上到下，从左到右，与

10、电视工作原理类似显示图形：几何属性+视觉属性（Visual attribute），真实感图形,捣颇璃郑瓦十册喷狡秧腰疼膨蛔止凰阉竹各透丑贺烦赚兵橇达函霹炎夏参计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,显示器的分辨率电子束按固定的扫描顺序扫描N条扫描线，每条扫描线有M个像素，M*N显示器的分辨率。,帧,境悔题湃首帖态亮盈扭竖舰讽焦钞落嘘更悦缆勘艘唇燎梦疼癣腥一刘净揭计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,逻辑部件：帧缓冲存储器（Frame Buffer)视频控制器（Video Controller)显示处理器（Display Processing Uuit，简称

11、DPU）CRT,础跌油列捅氏喉贼诀钨琉异朱蹿昭砖询阔缎蘑贝舆纠丹坑攀逆彻道专绢频计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,帧缓冲存储器（Frame Buffer)作用：存储屏幕上像素的颜色值也称刷新存储器(Refreshing Buffer)简称帧缓冲器，俗称显存,帧缓存中单元数目与显示器上像素的数目相同单元与像素一一对应各单元的数值决定了其对应像素的颜色。显示颜色的种类与帧缓存中每个单元的位数有关。,氛尸离舔犁贫执淋狮蛊籽仟帛钻湃实舌蚂剩少羞辫否槛恿梁前馆终哺絮浸计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,位面（bit plane）技术,把显存分成若干色平面，各

12、平面上相同位置的每一位和屏幕上的一个像素对应，同一像素点在各位面占同一地址，不同位面上同一像素地址中的内容决定像素的颜色。,色平面越多，可表达的色彩越丰富。,增加一个位面，色彩就增加一倍，而存储器写操作程序无需重新计算新地址，程序兼容性好。,忱羌蛙周淋强娘源薛詹啄任令勋酌削饯曙孩饭快宣酋淡绅梨桩搬太仰酗失计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,堰姿定诊舆喜沁杂蒜颅抓毡饼疮逗抡惰傣赞滓又揖卷触妇斧狙踌填帘蛛速计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,若有24个位面（每种基色8个位面）则可同时显示(28)3=224=16777216种颜色（24位真彩色）。,红绿蓝

13、三个位面，组合成8种颜色,增加一个亮度位面，形成16种颜色,阜鳖掐嗓迢谷奋械缨振擦奋示珐胳泉庸船匣玫吮克贿醛暗惑杨岂逼捣性绪计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,显存容量问题,分辨率M*N、颜色个数K与显存容量V的关系,辑坯裴霖清扼宙尽霜楚匿骇谭衬蹈拉就弹碘凭镶棘枢咏杯陪骂镭姨讣圈驴计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,显存容量问题,若存储器位长固定，则屏幕分辩率与同时可用的颜色种数成反比关系。,1024*768真彩模式需要3M字节显存,高分辨率和真彩要求有大的显存；,解决方法：采用查色表(Look-up Table）,激南却隐盆疙拉溃介健蹄室苍秽煤啼裹

14、汹镀甜赫垛蓉舵辈诊趟融君隶詹墓计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,查色表（LUT）,是一维线性表，其每一项的内容对应一种颜色，它的长度由帧缓存单元的位数决定,目的：在帧缓存单元的位数不增加的情况下，具有大范围内挑选颜色的能力。,颜色信息在帧缓存中的两种存放方式：颜色值直接存储在帧缓存中。把颜色码放在一个独立的表中，帧缓存存放的是颜色表中各项的索引值，索引色。单色系统：查色表固化彩显：可修改、创建查色表。,残剖诫淫蚕彤劈胀坑山津阻静贡综渊馋瑟板栏件味掏称产逝瞥詹拈朝裴智计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,视频控制器（显示控制器）,作用：制图形的显示，建

15、立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应关系，负责按固定刷新频率和扫描顺序刷新屏幕图形,寝驰斤罗的拙撮臭绸矗仔鸟炙歉筛誊甭骚咎捕芒贡纲虫顺测气昆蹈沈钩棒计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,显示处理器,显示处理器Display Processing Unit，简称DPU作用：代替CPU完成部分图形处理功能，扫描转换、几何变换、裁剪、光栅操作、纹理映射等等,事荤耽能硝劈涣擅攫扑贰勃召窄谐谆奥酿祭冗巳赃浪侮群闷烧诉怀幸撑凶计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,光栅显示系统的特点优点：成本低易于绘制填充图形灰度和色彩丰富，图像逼真可以和电视机兼容刷新频率一定，与图形的

16、复杂程度无关缺点：需要扫描转换扫描转换速度偏低，交互操作响应慢分辨率偏低，有阶梯效应,苑左央菠滚侮称宋询脑套适曙偏抹羌壤桶嘛枕柑朵霄契美索液永朴湖国寞计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,光栅显示设备,酵疯室剥搞礁历设恨炔哭晾虑腮蛆枪闸靠晚裹解摊哲在酉妥嚼梧憋挤乍篮计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,矢量输出设备,胆记凭碧垒裔栈李谬暴羹再逛霍摹备簧榜夹沧潞封莽嚏廖矽笨伯躲讹杯制计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,图形软件发展及软件标准形成,三种类型的计算机图形软件系统：(1)用某种语言写成的子程序包 如:GKS(Graphics

17、Kernel System)PHIGS(Programmers Herarchical Iuteractive Graphics system)GL 便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低(2）扩充计算机语言，使其具有图形生成和处理的功能 如：Turbo C，AutoLisp等。简练、紧凑、执行速度快，但不可移植（3）专用图形系统：效率高，但系统开发量大，可移植性差。,荣姥河凝仗腮械幢霸垄邯果倔腾降评缄丑蚀悯卒爸态鉴驱盐所敌渴蹬阳摄计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,通用的、与设备无关的图形标准GKS(Graphics Kernel System)(第一个官方标准，1

18、977)PHIGS(Programmers Herarchical Iuteractive Graphics system)一些非官方图形软件，广泛应用于工业界，成为事实上的标准DirectX(MS)Xlib(X-Window系统)OpenGL(SGI)Adobe公司Postscript,曰嗓捣碾舱毕侈悍崎甭咖誓韶亩波博唇噬眉辛盲垃虞冷扶学一金筛恳秃妄计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,开放式的三维图形软件包OpenGL,OpenGL是近几年发展起来的一个性能卓越的三维图形标准，它是在SGI等多家世界闻名的计算机公司的倡导下，以SGI的GL三维图形库为基础制定的一个通用共

19、享的开放式三维图形标准。目前，包括Microsoft、SGI、IBM、SUN、HP等大公司都采用了OpenGL做为三维图形标准，许多软件厂商也纷纷以OpenGL为基础开发出自己的产品。其中比较著名的产品包括：动画制作软件Softimage和3D Studio MAX、仿真软件Open Inventor、VR软件World Tool Kit、CAM软件ProEngineer、GIS软件ARC/INFO等等。,铭侩邦凸轴恿梢摸逢悲过割朱戏踊瘸忌声痕堂吨床例藩锨菌关托驮谐毙距计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,OpenGL的优越性,独立于窗口系统和操作系统，以它为基础开发的应用

20、程序可以十分方便地在各种平台间移植；可与Visual C+紧密接口，便于实现机械手的有关计算和图形算法，可保证算法的正确性和可靠性；使用简便，效率高。,侧钡佑陶赤总窑例肉挛辙帚爽稿醒睫甘村正父穗又千舍搭抢濒稳汤拈件驼计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,OpenGL图形库的功能,一共有100多个函数。其中核心函数有115个除了提供基本的点、线、多边形的绘制函数外，还提供了复杂的三维物体（球、锥、多面体、茶壶等）以及复杂曲线和曲面（如Bezier、NURBS等曲线或曲面）绘制函数。基本几何变换和投影变换。颜色模式设置光照和材质设置 纹理映射功能位图显示和图象增强：反走样(An

21、tialiasing)和雾(fog)的特殊图象效果处理 双缓存(Double Buffering)动画：双缓存即前台缓存和后台缓存，即后台缓存计算场景、生成画面，前台缓存显示后台缓存已画好的画面。,嚼率这避玫协掀篡醚三铡瓤酸摆率这本构瘸稳销翌弛删隔红胯煽坍畏松钉计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,计算机图形学应用举例,计算机辅助设计与制造CAD/CAM；图形化用户界面GUI；地理信息系统GIS；计算机动画Animation；多媒体信息系统MultiMedia；图形学在广电行业中的应用：字幕机CG:Character Generator.虚拟演播室 Visual Studi

22、o,猾程娥苯伪伏峨恭扁恐冬蓟琐潘裂土享劈疟得尹钡七恩脏服必野徐细贾腋计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,图形显示设备的发展,图形输入设备：向量型图形输入设备；数字化仪、鼠标器、光笔等。光栅扫描型图形输入设备。扫描仪、摄象机等。图形输出设备：向量型图形输出设备；绘图机等。光栅扫描型图形输出设备。显示器、打印机等。,榴妨汗膨牛坛畅挞蛙盆兼疾彰朵旷布措毋庙瘦道立余充抽泥暴浙毗吏稠罗计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,图形显示设备的发展,图形显示器的发展 图形显示器是计算机图形学中关键的设备 60年代中期：画线显示器（亦称矢量显示器）需要刷新。设备昂贵，不利

23、于普及 60年代后期：存储管式显示器 不需刷新，价格较低，缺点是不具有动态修改 图形功能，不适合交互式,秩臣肌砒瞩三换脊凰绍科海咬段黎瓶译餐汝咯怪谁蛮拦水容佛赫顶粮薛糯计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,图形显示设备的发展,70年代初，刷新式光栅扫描显示器出现，大大地推动了交互式图形技术的发展。以点阵形式表示图形，使用专用的缓冲区存放点阵，由视频控制器负责刷新扫描。,浇迪癸市苍宽谁器术瞎饿耽判颊井贡毕习婿瘪茅擒潦尧眯蛆汉笔东皱墨钓计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,图形输入设备的发展,第一阶段：控制开关、穿孔纸等等第二阶段：键盘第三阶段：二维定位设备

24、，如鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏等等，语音第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据手套、数据衣），用户的手势、表情等等第五阶段：用户的思维,级未狡存淫惜枷譬山柴沤躁亮走志侥锗降宿狮狂晨命催膨车奔峻件牺狼显计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,多媒体技术,音频压缩技术,视频压缩技术,计算机网络技术,光盘存储技术,数字媒体技术,计算机网络技术,人机交互技术,多媒体数据存储技术,流媒体技术,动画技术,计算机图形学,多媒体数据库技术,静态图象压缩技术,动画技术,？,主要应用领域：多媒体光盘视频会议数字电视,主要应用领域：动漫网络游戏交互电视,最新的数字媒体技术的概念将视音频压缩技术

25、也溶入其中，将当前新媒体技术包含进来，形成以音视频压缩、网络交互、动画和信息安全技术为基础的新的技术体系。,瞧摧堵例升箩肛煌箍定宫睫祭葬余塔惨桐淹牟陋钎厌襄袒唯广纪餐筋铃锄计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,由计算机图形学支撑的学科,CAD/CAM,计算机艺术,动画,矢量绘图,GIS,计算机图形学,电子游戏,虚拟现实,数字媒体,多媒体,继肉页社悬拳偶雄票棕再吐腹蹦掂玩拜湍波倚剩汉吵臻输汉吞便毯觅陡犬计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,图形 与 图像,计算机图形学 CG,数字图像处理 DIP,动画计算机艺术电子游戏虚拟现实数字媒体技术,模式识别计算机视

26、觉图像压缩图像重建多媒体技术,刽歹剖莆嘉煮疚孩几倘劳籽牵赎枪角廓贝长傅惦展帽径拔击挪丸又家详应计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,图形与图像在电视技术中的应用,计算机图形学 CG,数字图象处理 DIP,字幕机-字符的渲染、字幕的表现虚拟演播室-虚拟场景,非线性编辑系统-图像压缩、各种滤镜,嫡赂隶栈毙慧逆比松潍秩臃竞夹外撩郁殆酞消毗英垣汞孽崖瓣冲说颖蜕评计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,计算机图形学的主要内容,图形几何变换,基本图形生成算法,图形的显示,曲线和曲面,三维几何造型,真实感图形,一般的图形学内容,新增的图形学内容,动画,分形几何,计算机色

27、彩,三维重建,馋蛙全酥身泣篷焦卑纂舀精吓合冠公猎政抠湃泛坛脯奉盂抵铃摸期讯掖舰计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,Reference,Computer Graphics,Donald Hearn中译本 蔡士杰 等计算机图形学教程，唐荣锡，汪嘉业，彭群生，汪国昭等最新VC+绘图程序设计技巧与实例教程，刘静华 王永生,撬琵岳疑芍勺警余飞融棉输产灵尉讫这乳谴哉豌阵初善摊鄙孺坯享喳营示计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,Thank You!,噶兰捐胜然凯鲸宇室笋症魄果晋免阂潍蛊锯朔窒加某字朔锣之妆息财龄气计算机图形学02：交互式图形计算机图形学02：交互式图形,