计算机图形学第二讲

1上一讲回顾主要内容：计算机图形学的研究内容计算机图形学的发展简史计算机图形学的应用简介计算机图形学研究热点简介要点：图形的两个要素计算机图形学的研究范畴第2章计算机图形系统概述IntroductiontoGraphicsSystem3提纲图形系统硬件输入设备(Inputdevices)输出设备(Outputdevices)图形处理器(Graphicsprocessor)图形系统软件计算机图形软件标准通用图形软件包的基本功能W3C开放标准：可伸缩向量图形SVG标准4图形输入设备(inputdevices)定位设备(locatordevices)：坐标数字化仪(datatablet)鼠标器(mouse)跟踪球(trackball)操纵杆(joystick)触摸屏(touchpanel)：分电阻式,电容式,红外线式,声表面波式。光笔(lightpen)键盘(keyboard)图象扫描仪(imagescaner)三维输入设备：有控制球、操纵合、数据手套、跟踪器。智能化(intelligent)输入设备5三维鼠标空间球扫描仪6索尼PSHanderPSMove任天堂VirtualBoyWiimot微软XboxControllerKinect78图形输出设备(outputdevices)图形显示器：CRT显示器随机扫描显示器(矢量发生器)存储管式显示器光栅扫描显示器平板显示器液晶显示器(LCD)等离子(plasma)显示器Flat-planeCRTdisplay打印机(printer)绘图仪(graphplotter)三维显示设备体三维显示设备9CRT(Cathoderaytube)

显示器工作原理(1)10名词解释：象素(pixel-pictureelement)分辨率(resolution）帧缓冲存储器(framebuffer)位面(planes)单色(monochrome)显示器每个像素占用1个bit灰度(grayed)显示器每个像素占用多个bitCRT显示器工作原理(2)11衡量CRT性能的指标屏幕尺寸大小点距分辨率画面刷新频率带宽

CRT显示器工作原理(3)12彩色CRT显示器荫罩法(shadow-maskCRT)三个电子枪三个荧光点构成一个像素各像素与荫罩板上的洞对应13(真)全彩色系统(fullcolorsystem)红绿蓝888若有24个位面(每种基色8个位面)可同时显示(28)3=16777216种颜色（24位真彩色）14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（geometricattribute）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领域画面刷新随机式(random)光栅式(raster)相关名词：持续发光时间(persistencetime)1/10亮度；10-60毫秒刷新(refresh)刷新频率(refreshrate~60)临界停闪频率(criticalfusionfrequency)特点：数据表示：像素矩阵扫描方式：从上到下，从左到右，与电视工作原理类似显示图形：几何属性+视觉属性（Visualattribute），真实感图形15续相关名词扫描线(scanline)帧(frame)水平/垂直回扫(retrace)期光栅扫描(raster-scan)显示器刷新方式16应用程序发出绘图命令→解析成显示处理器可接受命令格式存放在刷新存储器中刷新存储器中所有的绘图命令组成一个显示文件由显示处理器负责解释执行(刷新)→视频控制器控制驱动电子枪在屏幕上绘图修改图形，实际是修改显示文件中的某些绘图命令光栅扫描显示系统工作原理

(raster-scandisplaysystem)

17光栅扫描显示系统逻辑部件帧缓存器(framebuffer)视频控制器(videocontroller)显示处理器(displayprocessor)存储器地址

视频控制器刷新操作示例光栅扫描生成器x寄存器y寄存器帧缓存象素寄存器水平和垂直偏转电压强度显示屏幕18简单光栅扫描图形显示系统结构图

（帧缓存）CPU系统总线外设系统存储器视频控制器显示器19改进的光栅扫描图形显示系统结构图CPU系统总线外设系统存储器视频控制器显示器帧缓存20具有专用显示处理器的光栅系统结构图显示卡

CPU系统总线外设显示处理器系统存储器显示器显示处理器的存储器帧缓存视频控制器21图形处理器俗称显卡CGAEGAVGATVGASVGAXGASXGA工作原理显示主芯片显卡的核心，俗称GPU

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、纹理映射等等各图形函数基本上都集成在这里显存存储将要显示的图形信息保存图形运算的中间数据它与显示主芯片的关系，就像计算机的内存之于CPU一样RAMDAC视频存储数字模拟转换器在视频处理中，把二进制的数字转换成为和显示器相适应的模拟信号早期没有22总结1—几个数量关系帧缓存容量--N

位面数—L

可显示的不同颜色的数量–mm=2L;N=L*屏幕分辨率(bits)刷新速率F:>30帧/秒带宽T：T>F*N像素访问周期=1/(刷新速率*帧缓存容量)23总结2—冲突的存在影响显示器成本的因素:分辨率可显示的不同颜色数帧缓存容量帧缓存容量与可显示颜色数、分辨率之间存在冲突解决之道？！查色表隔行扫描…24查色表(look-uptable--LUT)01000011Pixelinbitmapatx',y'67Pixeldisplayedatx',y'100110100001RedGreenBlueGBR00xyxmaxymax025510011010000167帧缓存查色表（可变）显示器隔行扫描(interleavedscan)解决刷新频率与刷新周期之间矛盾的方法一帧完整的画面分成两场(奇数场与偶数场)场频=帧频*2(如：帧频30HZ，场频60HZ）26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，有阶梯效应缺点正在被克服优点使其占据了市场主流总结3—光栅显示系统的特点27走向平面的显像管球面显象管表面：球面的一部分时间：~90年代初柱面显象管表面：柱面的一部分，垂直方向上平直，水平方向上有弯曲时间：90年代中期平面直角显象管表面：球面的一部分，接近于平面，曲率相对比球面柱状管小，反光及四角失真现象减少时间：90年代中后期纯平显象管表面：纯平面，水平和垂直方向平面如镜，色彩和亮度对比鲜明适合影像处理、多媒体展示、影片欣赏时间：90年代后期市场上的主流显象管28LCD显示器（1/5）CRT显示器的缺点：屏幕的加大导致显象管的加长，体积加大，使用时候受到空间的限制利用电子枪发射电子束来产生图像，产生辐射与电磁波干扰，长期使用对健康不利节省放置空间的短管29LCD显示器（2/5）液晶显示器LCD（LiquidCrystalDisplay）原理液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质它具有液体的流态性质和固体的光学性质当液晶受到电压的影响时，就会改变它的物理性质而发生形变此时通过它的光的折射角度就会发生变化，而产生色彩30LCD显示器（3/5）液晶屏幕后面有一个背光这个光源先穿过第一层偏光板，再来到液晶体上当光线透过液晶体时，就会产生光线的色泽改变从液晶体射出来的光线，再经过一块彩色滤光片以及第二块偏光板由于两块偏光板的偏振方向成90度，再加上电压的变化和一些其他装置，就能显示我们想要的颜色了31LCD显示器（4/5）基本技术指标可视角度指左右两边的可视最大角度相加点距两个液晶颗粒（光点）之间的距离分辨率

指其真实分辨率比如1024×768的含义就是指该液晶显示器含有1024×768个液晶颗粒32LCD显示器（5/5）显示效果有差距但有后来居上之势外观小巧精致，厚度只有6.5~8cm左右液晶象素总是发光，只有加上不发光的电压时该点才变黑，不会产生闪烁现象工作电压低，功耗小，节约能源没有电磁辐射，对人体健康没有影响33LCOS显示器(1/3)LCOS(LiquidCrystalonSilicon)-有源点阵反射式液晶显示技术LCD与CMOS集成电路有机结合的反射型新型显示技术具备大屏幕、高亮度、高分辨率、省电等优势可能是HDTV的背投影技术发展的主要方向目前CRT技术大屏幕投影电视机的主要竞争者34LCOS显示器(2/3)与LCD技术最大的不同是LCD是利用光源穿过LCD作调变，属于穿透式成像LCOS是利用反射的架构，光源发射出来的光并不会穿透LCOS面板，属于反射式成像35LCOS显示器(3/3)存在的问题：行业标准不统一，各家推出的LCOS应用产品各具特色，专利技术也不一样，上游配套产品比较复杂，如光学镜头、光机、灯、屏幕等LCOS制造工艺存在瓶颈，良品率受制约，成本相对较高从目前产品性能、价格与现有市场分析，现阶段的LCOS技术还难以与LCD技术抗衡36未来显示器发光聚合物技术坚不可摧；柔韧性好，可以卷起来；显示画面具有无与伦比的清晰度；真正的平面直角。37计算机图形软件分类及标准图形软件系统分类子程序包（如：GKS,PHIGS,GL）便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低为语言扩充出图形功能（如：TurboC,AutoLisp,OSG

）简练、紧凑、执行速度快，但不可移植专用的图形系统(MAYA）效率高，但系统开发量大，可移植性差。图形学软件功能标准化1974年ACMSIGGRAPH举办“与机器无关的图形技术会议”成立了一个图形标准化委员会开始标准的制定ISO和ANSI批准的第一个国际图形标准是：GKS事实上的企业标准与国际标准并存，如：OpenGL,DirectX等38图形软件标准分两类:

数据及文件格式标准

子程序界面标准39数据及文件格式标准各界面间进行数据传送和通信的接口标准。包括：CGI(ComputerGraphicsInterface)CGM(ComputerGraphicMetafile)IGES(InitialGraphicsExchangeSpecification)STEP(STandardfortheExchangeofProductmodeldata)40计算机图形接口CGI标准号是ISODP9636。与ANSI在1985年公布的VDI（VirtualDeviceInterface）是一致的。可看作是图形设备驱动标准。41计算机图形元文件（CGM）标准号是ISOIS8632通过元文件产生器生成并通过原文件解释器与CGI（驱动器）配套使用。42基本图形转换规范IGES是实际上的工业标准。目的：处理在不同的CAD/CAM系统间进行的数据交换。内容：定义了一套表示CAD/CAM系统中常用的几何和非几何数据格式以及响应的文件结构。使用：由系统中的IGES前、后处理器完成IGES格式文件的输出、输入。问题：数据不精确、数据量太大等43产品模型数据转换标准STEP具体组成包括：描述方法标准实现方法标准一致性测试方法与工具标准信息模型标准应用协议96年成为ISO标准。44子程序界面标准供图形应用程序调用的子程序功能及格式标准。包括：GKS(GraphicsKernelSystem)PHIGS(Programmer’sHierarchicalInteractiveGraphicsSystem)GL(GraphicLibrary)45图形核心系统GKS和GKS-3DGKS是一个二维图形标准，GKS-3D是它的扩展，标准号是ISOIEC8806-4。46PHIGS和PHIGSProgrammer’sHierarchicalInteractiveGraphicsSystem，功能：向应用程序员提供控制图形设备的接口图形数据按层次结构组织，使多层次的应用模型能方便地应用PHIGS进行描述提供动态修改和绘制显示图形数据的手段公布于1986年，标准号是ISOIS959247图形功能库GL最初是在图形工作站上广泛使用的工业标准图形程序库，运行于UNIX操作系统下近年来扩展出可运行于Windows下的微机版如OpenGL并得以快速推广提供功能：基本图素生成坐标变换设置图形属性和显示方式输入/输出处理真实图形显示48计算机图形参考模型CGRM比较现有的和将来的计算机图形标准，描述它们之间的关系为计算机图形用户和计算机图形软件的开发者提供有关标准化方面的重要信息49图形软件开发方案图示50通用编程图形软件包功能（1）输出图元功能（2）属性(attributes)设置功能（3）变换(transformation)功能（4）图段功能（5）输入功能（6）通用控制功能

可伸缩向量图形标准（1）随着Web的发展,矢量图在应用方面表现出分辨率高、存储空间小等优势；现有向量图格式如:Flash、QuickTime等存在互操作性差、缺乏跨平台支持等劣势；国际Web标准机构W3C（World

WideWebConsortium）推荐了一种新的图形格式标准:可伸缩向量图形技术SVG。ScalableVectorGraphics:使用XML语言来描述二维图像的一种纯文本格式。51SVG实现以下几方面的技术功能定义图形对象：使用XML通过路径以及基本图元的属性及坐标系控制实现模型定义；标准及自定义符号：提供标准符号库，同时维护并共享用户创建的符号库；文字：保留了文字元素—可精确定位并设置属性；图形的展现效果：SVG可描述模糊、阴影、光纤等动态效果并在客户端实现；动画：SVG中定义了动画元素，图形可以很方便地实现运动、缩放、淡入淡出、改