计算机图形学第二章 计算机图形系统概述

1、第二章 计算机图形系统概述本章主要内容图形硬件系统显示设备图形工作站和观察系统输入设备硬拷贝设备网络图形系统图形软件系统图形软件OpenGL本章重点掌握图形显示设备的一些知识OpenGL编程知识视频显示设备刷新式CRT显示器光栅扫描显示器随机扫描显示器彩色CRT显示器直视存储管显示器平板显示器视频显示设备刷新式阴极射线管显示器CRT显示器工作原理：电子枪发射的电子束经过聚焦系统和偏转系统的作用，打在荧光屏上，激活荧光物质发荧光。CRT的基本结构电子枪聚焦系统偏转系统荧光屏刷新式CRT显示器显示器的基本概念及技术指标分辨率点距刷新频率、扫描频率带宽屏幕分辨率屏幕分辨率：CRT无重叠显示的最多点数

2、三种表示方法光点直径水平方向上的光点数垂直方向上的光点数r(xy)显示器精度dpi（每英寸的亮点数）光点直径CRT屏幕上发光荧光层亮点的亮度分布图区别CRT屏幕上两个亮点：衰减60显示器的基本概念及技术指标点距光点的直径，显示器的物理光点尺寸。荧光屏上两个相邻的相同颜色磷光点之间的最短距离。单位：mmCRT显示器屏幕的刷新电子束周期性地回到同一点的方式来保持图象。显示器的基本概念及技术指标显示器的基本概念及技术指标显示器的扫描频率，也叫刷新率分为：行频场频显示器的基本概念及技术指标行频(水平扫描频率)电子枪每秒在屏幕上扫描过的水平线数单位: KHz 表示：h场频(重绘率/垂直扫描频率/帧频)每

3、秒钟重复绘制显示画面的次数。单位： Hz 表示：v 显示器的基本概念及技术指标r(x)水平扫描的点数r(y)每帧扫描线数相互关系：理论行频 hr(y) v显示器的基本概念及技术指标视频带宽 单位时间内扫描的点数。单位： MHz理论带宽 B= r(x) r(y) v显示纵横比在屏幕的两个方向生成同等长度的线段所需的垂直点数对水平点数的比值3/4光栅扫描显示器光栅扫描图形由点(像素点)组成光栅扫描显示器光栅扫描显示器缓存深度：每像表的位数隔行扫描逐行扫描光栅扫描系统组成帧缓冲存储器视频控制器显示处理器光栅扫描系统组成简单光栅图形系统结构CPURAM视频控制器系统总线I/O设备监视器帧缓冲存储器(f

4、rame buffer) 图形定义，保存一组对应屏幕所有点的强度值像素点Pixel ：每个屏幕点光栅扫描系统组成视频控制器基本刷新操作有两个寄存器用来存放屏幕像素的坐标存储在帧缓冲器中该像素对应位置的值被取出，并用来设置CRT电子束的强度值光栅扫描系统组成显示处理器将应用程序给出的图形定义数字化为一组像素强度值，并存放在帧缓冲器中扫描变换：将给定直线和其他几何对像的图形命令转换为一组离散的强度值光栅扫描系统组成光栅扫描系统组成CPU视频控制器系统总线I/O设备显示处理器监视器RAM显示处理器存储器帧缓存彩色CRT显示器电子穿透法：用于随机扫描显示器荫罩法：用于光栅扫描系统利用能发射不同颜色光的

5、荧光层的组合来显示彩色图形电子穿透法工作原理：红绿两层荧光层，显示颜色取决于电子束穿透的深度廉价，只可能有四种颜色，图形质量差电子束荧光屏电子穿透法工作原理电子束荧光涂层产生颜色低速电子束较低速电子束较高速电子束高速电子束荫罩法 多枪型彩色CRT显示器原理：混合荧光物质电子枪荫罩荫罩法荫罩法000010101010110001001011D/AD/AD/A红绿蓝CRT光栅彩色电子枪帧缓冲存储器88N寄存器效果图DAC平板显示器Flat_panel display分类发射显示器(Emissive displays)非发射显示器(Nonemissive displays)平板显示器-发射显示器发射

6、显示器(Emissive displays)原理：将电能转换为光能类型：等离子体显示板：气体放电，氖气薄膜光电显示器：荧光物质，硫化锌与锰发光二极管平板显示器_非发射显示器非发射显示器(Nonemissive displays)原理：将太阳光或其他光源的光转换为图形模式，通过能阻塞或传递光的液晶材料，传递来自周围的或内部光源的偏振光类型：液晶显示器(LCD)平板显示器_非发射显示器立体显示为观察者的每只眼睛给出不同的视图来提供三维效果，从而场景带有深度立体显示主动式立体显示系统立体显示被动立体显示系统示意图微机工作站中小型机大型机计算机网络图形系统的硬件工作平台类型IBM Z900大型机1套，

7、价值1500万美金图形输入输出设备一、图形输入设备1、向量型图形输入设备 采取跟踪轨迹，记录坐标点的方法输入图形。主要输入的数据形式为直线或折线构成的图形构成的图形学数据。数字化板鼠标器光笔2光栅扫描型图形输入设备 采取逐行扫描，按一定密度采样的方式输入图形。主要的输入数据形式为一幅由亮度值构成的像素矩阵图像。扫描仪摄像机 图形输入输出设备二、常用的图形输出设备向量型：作画机构随着图形输出形状而移动并成像绘图机光栅扫描型：作画机构按光栅矩阵扫描整张图面，并按输出内容对图面成像。点阵式打印机激光打印机热敏印刷机静电印刷机喷墨印刷机图形输入输出设备三、其他输入输出设备跟踪球和空间球操纵杆数据手套图

8、形输入输出设备图形软件坐标表示笛卡尔坐标建模坐标世界坐标规范化设备坐标设备坐标或屏幕坐标图形软件坐标表示 笛卡儿坐标：通用图形编程软件包建模坐标系/局部坐标系/主坐标系：描述单个物体的形状、大小、尺寸所采用的坐标系称为世界坐标系(WC)：把物体放入场景的适当位置。设备坐标系(DC)或屏幕坐标系：该场景的世界坐标系描述转换为一个或多个输出设备参照系来显示。该坐标系依赖于具体的显示输出设备 规范化坐标系(NC)：指独立于具体物理设备的一种坐标系，它具有显示空间在x和y上都是0到1，主要用于在计算机内部处理图形，对一个具体物理设备，NC与DC仅仅是相差一个比例因子，NC可被看成是一个抽象的图形设备

9、坐标表示 从建模坐标到设备坐标的变换序列为： (xmc,ymc)-(xwc,ywc)-(xnc,ync)-(xdc,ydc)为适应比例和纵横比的差别，NC变换到输出设备(DC)的正方形区域，以保持适当的比例坐标表示 坐标表示 建模坐标系世界坐标系观察与投影坐标系规范化设备坐标系视频监视器绘图仪其他输出设备设备坐标系建模坐标系世界坐标系观察与投影坐标系规范化设备坐标系设备坐标系图形功能 图形的基本构造块称为图形输出图元(graphics output primitives)：包括字符串和几何成分，如点、直线、曲线、填充区域(多边形、圆等)以及彩色阵列定义的形状。属性是输出图元的特性。属性描述一个

10、特定图元是怎样显示的，包括强度和彩色设定，线型、文本类型，以及填充模式可以使用几何变换(如平移、比例、旋转、投影等)改变物体的位置、大小或方向 软件标准 标准化图形软件的最初目标是可移植性国际和许多国家的标准化组织努力合作开发计算机图形标准。图形核心系统GKS(Graphical Kernel System)。GKS是针对二维图形软件标准，随后经过扩充，出现三维图形的GKS-3D。PHIGS(Programmers Hierarchical Interactive Graphics System)是出现的第二个图形标准，是对GKS的扩充软件标准 标准图形函数定义为独立于任何程序设计语言的一组规

11、范。语言联编(Language binding)则是为特定的高级程序设计语言而给出该语言去访问各种标准图形函数的语法 CGI(Computer Graphics Interface，计算机图形接口)标准规定对输出设备图形接口 CGM(Computer Graphics Metafile计算机图形元文件)标准规定图形存档和传输 OpenGL图形开发OpenGL绘制管线OpenGL库与编程环境基本图元绘制状态机管理例子学习OpenGL规范OpenGL库是在硬件支持标准基础上，提供的一个硬件图形加速软件库，让应用程序能够高效地访问硬件的功能。难以用硬件实现的高级特性（如高级图元类型的支持、场景图形和

12、实用函数等）不是OpenGL规范的一部分。许多库支持这些扩展部分。顶点索引数据流3D API命令透视变换像素更新像素产生ProgrammableFragmentProcessorTransformedVerticesProgrammableVertexProcessorGPUFront EndPrimitiveAssemblyFrame BufferRasterOperationsRasterizationandInterpolation3D API:OpenGL 或Direct3D三维应用程序Pre-transformedVerticesPre-transformedFragmentsTra

13、nsformedFragments数据流与命令流CPU-GPU 边界 (AGP/PCIe总线)OpenGL绘制管线图形绘制流水线Modeling Illumination Viewing ClippingTransformation Transformation Projection Display Rasterization图形绘制流水线上OpenGL每个阶段的命令OpenGL流水线架构顶点数据像素数据顶点操作像素操作纹理内存光栅化片元操作帧缓存OpenGL流水线架构顶点操作坐标变换光照裁剪OpenGL流水线架构像素操作对应用程序发送的像素数据块执行像素存储操作。控制像素数据块的字节顺序交换

14、、填充和偏移量，以便发送和接收各种格式像素。其他像素操作，如像素转移（映射、缩放和偏移）OpenGL流水线架构光栅化将几何数据转换为片元。片元是OpenGL写入帧缓存之前处理的位置、颜色、深度、纹理坐标和其他数据。注意片元与像素的区别。支持多重采样的OpenGL实现将片元存储在子像素位置上。光栅化主要是硬件完成计算机图形学中的图元填充问题。OpenGL流水线架构片元操作对于光栅化生成的每个片元，进行操作。像素归属测试裁剪测试多样本片元操作Alpha测试模板测试深度测试遮盖测试混合抖动逻辑运算网上资源有很多例子可供学习一个opengl的tutorialOpenGL 与相关API之间关系GLUTG

15、LUGLGLX, AGLor WGLX, Win32, Mac O/Ssoftware and/or hardwareapplication programOpenGL Motifwidget or similar编程环境基本库Opengl32.lib opengl32.dll Glu32.lib glu32.dll Glut32.lib glut32.dll OpenGL命令语法基本图元绘制表面模型基本由点组成线段或多边形多边形最后构成物体模型10种基本图元类型GL_QUAD_STRIPGL_POLYGONGL_TRIANGLE_STRIPGL_TRIANGLE_FANGL_POINTSGL

16、_LINESGL_LINE_LOOPGL_LINE_STRIPGL_TRIANGLESGL_QUADS基本绘制单元glBegin(mode); glVertext3f(x,y,z); glVertext3f(x,y,z); glVertext3f(x,y,z); glEnd();OpenGL状态OpenGL是一个状态机，应用程序通过OpenGL函数调用来实现状态的设置。例如下面的实例： glColor3f(1.f,0.f,0.f); /red as an RGB triple glBegin(GL_POLYGONS); glVertex3f(-.5f,0.f,0.f); glEnd(); gl

17、Color3f(0.f,0.f,1.f); /blue as an RGB triple glBegin(GL_POINTS); glVertex3f(0.f,0.f,0.f); glEnd(); glBegin(GL_POINTS); glVertex3f(.5f,0.f,0.f); glEnd();OpenGL状态OpenGL总是按照应用程序的发送顺序执行命令。因此状态影响应该是最接近绘制的状态改变函数来决定。同时主要注意状态改变对效率的影响状态设置与查询布尔类型控制与查询void glEnable（GLenum target）；Void glDisable(GLenum target);

18、Void glIsEnable();数值类型glSet，glGet堆栈类型Void glPushAttrib(GLbitfield mask);Vod glPopAttrib(void);Void glPushClientAtrrib(GLbitfield mask);Void glPopClientAttrib(void);其他glGetString,glGetErrorglGet使用void glGetBooleanv(GLenum pname,GLboolean* param);void glGetDoublev(GLenum pname, GLdouble* param);void g

19、lGetFloatv(GLenum pname, GLfloat* param);void glGetIntegerv(GLenum pname, Glint* param);其中，pname可能是： GL_COLOR_CLEAR_VALUE GL_CURRENT_COLOR GL_CURRENT_NORMAL GL_MATRIX_MODE GL_MODEVIEW_MATRIX GL_PROJECTION_MATRIX Etc. 其他类型Const GLubyte* glGgetString(GLenum name);其中，name可能是：GL_VENDOR, GL_VERSION, GL_EXTENSISONS, GL_RENDERERGLenum glGetError(void); 其中错误编码见书本p16，表。一般的使用方法是assert(glGetError() = GL_NO_ERROR);glGetLight,glGetMaterial, glGetTexEnv,glGetImage等。材质属性每个物体都有自己的光反应特性。当使用光照时，每个物体光反应特性决定了它的显示。glMaterialfv(GLen