第1次课计算机绘图概论.ppt

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1、计算机绘图,计算机图形学的基础算法;刘勇奎著*计算机图形学;常明,朱林主编*三维计算机图形学;(日)中嶋正之主编;朱虹译*机械CAD与仿真技术;王知衍,李建生,王哲编著*OpenGL编程权威指南;=The official guide to learning OpenGL;,第一章,2,参考书目:,1.1 概述,1.基本概念2.什么是计算机图形学3.应用领域4.发展过程,第一章,2,第一章 绪论,基本概念：,图形图像计算机辅助设计与制造可视化图形显示图形绘制,计算机图形学的定义：,是研究通过计算机将数据转化为图形，并在专门显示设备上显示的原理、方法和技术的学科。是建立在传统的图学理论、应用数学

2、及计算机科学基础上的一门边缘学科。,What is computer graphics？,Chapter 1,3,图形学的应用,按照应用领域分类按照图形类型分类,Chapter 1,7,Application,(1)按照应用领域分类：,1.管理、技术2.图形3.动画 4.CAD/CAM5.仿真6.过程控制7.艺术与教育8.OA,Chapter 1,8,Application,管理、技术,绘制经济数据的数学、物理的2D或者3D图形数据走势图，反应在时间维数上的情况,第一章,9,Application,图片,以高精度的地理或其他自然现象的图形 纸或胶片上。包括 地图、地质图、气候图、.,Chapt

3、er 1,10,Application,动画,Chapter 1,11,Application,用计算机可以产生生动的动画效果，可用于艺术创作，模拟真实的环境，或进行飞机、驾驶等训练。,CAD/CAM,第一章,12,Application,奥迪效果图和线框图,Chapter 1,14,Application,仿真,科学现象的数学模型(液体流动、相对论、核反应、化学反应、生理系统与器官以及有负载时结构的变形等),Chapter 1,1,Application,云雾、烟、其他大小形状不同的飞机等特殊景物飞行模拟器：固定环境的景色可用在月球登陆的宇航员(练习登月）、宇宙飞船驾驶员(首航前训练),生产

4、控制,Chapter 1,17,Application,利用交互式图形生成技术形成的人机交互系统，实现人与控制或管理对象之间的相互作用。如工厂中的设备、工序控制，机场与铁路的调度等。,艺术和教育：,教学活动,第一章,18,Application,蝉（线框图）,艺术广告,OA,Chapter 1,20,Application,在办公系统中，很多的数据表示都是采用图形来实现的，能很直观地反应数据情况。,图形类型:,1.线框图形：2D or 3D（no graphics conception，only line）,三维带隐生线2.2D 彩色或者黑白的平面图形3.实体：图形中包含以及显示了3D数据,C

5、hapter 1,21,Application,线框图形 and 2D 彩色图形,Chapter 1,22,Application,线框图形和3D实体图形,Chapter 1,23,Application,Chapter 1,26,Development,准备阶段(5060年代）,1950年，MIT采用原理类似于示波器阴极射线管（CRT）作为旋风一号的图形显示器。1958年，滚筒式绘图仪和平板式绘图仪研制成功。50年代末，SAGE空中防御指挥系统采用光笔作为输入设备，标志着交互式图形技术的诞生。,计算机图形学的研究起源于麻省理工学院。从50年代初到60年代中，麻省理工学院积极从事现代计算机辅助

6、设计制造技术的开拓性研究。1952年在它的伺服构实验室里诞生了世界上第一台数控铣床的原型。1957年美国空军将第一批三坐标数控铣床装备了飞机工厂。大型精密数控绘图机也同时诞生。接着麻省理工学院发展了APT数控加工自动编程语言，这是目前国际上最通用的加工编程工具。,Rapid Development Phrase（60age early60age end）,大公司纷纷开展图形学科学研究，出现各种系统软件和应用软件。60年代中期出现随机扫描显示器。图形学之父Ivan.E.Sutherland,Chapter 1,27,Development,1964年孔斯（Steve Coons）在这里提出了用小

7、块曲面片组合表示自由型曲面时使曲面片边界上达到任意高次连续阶的理论方法，此方法得到工业界和学术界的极大推崇，称之为孔斯曲面。孔斯和法国雷诺汽车公司的贝齐埃（Pierre Bzier）并列被称为现代计算机辅助几何设计技术的奠基人。第一台光笔交互式图形显示器1962年在麻省理工学院林肯实验室研制成功.这是Lvan.E.Sutherland以博士论文形式完成的研究课题。,Reduce Cost Phrase（60age end末70ageearly）,Chapter 1,28,Development,存储管显示器出现，大大降低图形硬件系统成本。70年代初，出现一批通用的、可移植的软件系统。,存储管显

8、示器的结构,IBM公司在1964年秋推出了设计方案，后经过改进，成为IBM 2250显示器。这是IBM计算机上正式提供工业界使用的第一代刷新式随机扫描图形终端。洛克希德飞机公司利用IBM 2250开发的CADAM绘图加工系统，成为IBM主机上目前应用最广的CADCAM软件。60年代末、70年代初，美国Tektronix公司发展了存贮管技术，其中Tektronix 4014曾经是70年代末CAD和工程分析中应用最广的图形终端。,推广和应用阶段(7080年代早期）,Chapter 1,29,Development,光栅扫描显示器得到推广。出现许多新型的图形输入设备，如各类图形输入板，坐标数字化仪，

9、跟踪球，鼠标器等。GKS、PHIGS等国际标准的建立。,光学跟踪球,大范围应用阶段（80年代中90年代中）,Chapter 1,30,Development,图形工作站的出现，如Apollo,Sun,HP等。,SGI 图形工作站,标准化智能化阶段（90年代-至今）,Chapter 1,31,Development,微机和软件系统的普及使得图形学的应用领域日益广泛。图形学已经同模式识别、人工智能、数据库等众多领域结合，形成一些交叉学科，如工程数据库、多媒体等。,发展过程,Chapter 1,32,Development,第一章 计算机图形学绪论,Chapter 1,33,1.2 计算机图形系统,

10、1、一般工作过程2、基本组成,Chapter 1,34,一般工作过程,一般工作过程,计算机图形系统是一个由软、硬相互结合的有机整体。系统在工作时，由主机执行应用程序，通过图形输入设备、数据库或交互装置读取数据，按一定数据结构组织起来，不断调用事先存储好的图形显示子程序，将处理后得到的数据送往显示处理器，从图形显示器或其它输出设备输出图形。,Chapter 1,35,一般工作过程示意图,一般工作过程,系统硬件,第一章,37,基本组成,显示处理器：重复解释、执行D.F.刷新处理器：存放显示文件 交互装置：人机交互工具 硬拷贝装置：实现图形永久性输出的装置 本地计算机:生成显示文件 图形互换 主机:

11、语言的解释或编译，数据库管理等,系统硬件示意图,第一章,38,基本组成,系统软件,应用程序:需要执行的指令序列 应用数据结构/模型:全面描述对象的特点 图形系统:完成实际功能,是与硬件的接口,第一章,39,基本组成,第一章,40,基本组成,系统软件示意图,计算机图形学概述,第一章,41,1.3 图形输入输出设备,一、显示器二、输入设备三、输出设备,第一章,42,显 示 器,刷新式CRT(Cathode Ray Tube)（阴极射线管）工作原理,电子发射：电子加速，使其具有足够的能量，打落荧光屏上聚焦系统：形成窄电子束 电场 光点小(细)复杂 磁场 光点大(粗)简单偏转系统：电场 电压(V)与偏

12、转距离(D)成正比使电子引向屏幕上特定的位量 磁场 电流(I)与偏转距离(D)成正比亮度：电子量、速度、荧光粉，分别控制灰度、色彩、余辉时间、视觉残留等 彩色：层次模式：多层荧光粉，每层的颜色不同细(分辨率高)平面组合模式：彩色TV技术，无须控制速度粗(分辨率低),CRT工作原理图,第一章,43,显 示 器,第一章,44,显 示 器,评价标准（指标）,第一章,45,显 示 器,存储管显示器,存储表面上形成正电荷。荧光屏图象：只有正电荷的地方，电子才能通过，打在荧光屏上。清屏：把存储表面全变为正电荷，再变成负电荷；但由于清屏会出现一亮的情况，图象变化时有间断，动态性不好。特点(相对CRT)(1)

13、不须刷新(无刷新存储器),价格低(2)可形成复杂图形(无须刷新，不会出现闪烁现象)缺点：(1)对比度差(由于荧光粉亮点范围扩大)(2)不能局部删除图形,显 示 器,等离子屏幕显示器,由一个细小氖泡矩阵组成，由于氖泡有两种状态：开启(点燃)、关闭(熄灭)，且状态可保持。分为1）前层：垂直导线2）中层：细小氖泡3）后层：水平导线,第一章,48,水平网格线（Y向地址）,玻璃极板单元,垂直网格线（X向地址）,观察方向,第一章,49,显 示 器,等离子显示器的优缺点,特点(1)有记忆功能(2)可动态修改图形缺点(1)光点大(因气体的泄露),故分辨率只能达到中等水平(每英寸40点左右)(2)气体辉光和熄灭

14、的过渡时间太长，约20us,限制图形的生成速度,液晶显示器（LCD）,显 示 器,第一章,50,液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display)是由六层薄板组成的平板式显示器在水平网格x1处加上负电压(-V)，在垂直网格y1处加上正电压(+V),称为触发电压。若-V或V以及它们的电压都不足够大，晶体分子仍排列成行，入射光也就不能穿过晶体到达尾部极板，从而在(x1,y1)产生黑点。,反射层,水平极板,水平网格线,液晶层,垂直网格线,垂直极板,观察方向,显 示 器,液晶显示器的优缺点,特点(1)耗能极小(2)体积小(便携式)缺点:寿命短、怕震动、温度敏感,第一章,51,光栅扫描显示

15、器,显 示 器,第一章,52,显示原理：在X，Y偏转系统上加上恒定扫描频率的讯号，分别称为行扫描和帧扫描。,刷新存储器,显 示 器,第一章,53,光栅扫描显示器的优缺点,缺点：动态不如随机扫描器好优点：可读性强，可控制亮度与颜色(因为是3位-1位),光栅扫描显示器,显 示 器,第一章,54,黑白光栅显示器的逻辑框图如上：其中帧缓存是一块连续的计算机存储器。对于黑白单灰度显示器每一象素需要一位存储器，对一个10241024象素组成的黑白单灰度显示器所需要的最小缓存为220，并在一个位面上。一个位面的缓存只能存储黑白图形，帧缓存是数字设备，光栅显示器是模拟设备，因而还需要数模转换器(DAC)。,光

16、栅扫描显示器,显 示 器,第一章,55,在光栅图形显示器中需要足够的位面和帧缓存结合起来才能反映图形的颜色和灰度等级。如下图是一个具有N位面灰度等级的帧缓存。显示器上每个象素的亮度是由N位面中对应的每个象素位置的内容控制的。该存储器的中的二进制的数被翻译成灰度等级，范围是0到2N-1之间。,光栅扫描显示器,显 示 器,第一章,56,下图是彩色光栅显示器的逻辑图，对于红、绿、蓝三原色有三个位面的帧缓存和三个电子枪。,光栅扫描显示器,显 示 器,第一章,57,每个颜色的电子枪可以通过增加帧缓存位面来提高颜色种类的灰度等级。如上图，每种原色电子枪有8个位位面的帧缓存和8位的数模转换器，每种原色可有2

17、56中灰度，三种原色的组合将是(28)3=224。,计算机图形学概述,第一章,59,1.3 图形输入输出设备,一、显示器二、输入设备三、输出设备,键盘和鼠标,输入设备,第一章,60,键盘：用于命令和数据的输入.当按下一个键时,引起一对机械触点的接触或电容,磁场等的变化,通过键盘中的电子线路转换成相应的编码信号送入处理机.鼠标：一种重要的图形输入设备，特别是用于对精度要求不是很高的场合。按原理可分成两类：机械式和光电式，其中后者的精度和高。,操纵杆和跟踪球、数据手套,输入设备,第一章,61,操纵杆：手柄通过一个球形轴承半固定在底座上，在手柄运动时带 动一对电位器或电脉冲产生器,产生信号，控制屏幕

18、上的光标的运动.但精度不够杆，因此一般不用来进行绝对坐标的输入。跟踪球：原理与操纵杆类似，只是它是右手直接推动一个球在任意方向滚动，转换成信号，进行图形控制。,绘图板和触摸式屏,绘图板；又称数字化仪，它是一种把定位器的坐标转化成数字信号的输入设备。按工作原理分,有机械式，电位场式，电磁感应式和超声波式。触摸式屏：工作时，操作人员只需用手指或笔在屏幕上某一位置点一下，该位置的信号就被屏幕接受，传入计算机。,输入设备,第一章,62,计算机图形学概述,第一章,64,1.3 图形输入输出设备,一、显示器二、输出设备三、输出设备,点阵式和矢量式输出设备,输出设备,第一章,65,点阵式输出设备：如常见的针式打印机,喷墨式绘图仪,静电式绘图仪.图形被分解成点阵输出。矢量式输出设备：可分为平面式绘图仪和滚筒式绘图仪。,