1、计算机图形学 武汉科技大学,第2章 计算机图形系统,第2章 计算机图形系统,图形系统的组成和功能 图形输入设备 图形输出设备 图形处理设备 图形系统标准,图形系统的组成和功能,计算机图形系统包括硬件系统和软件系统两部分： 硬件系统：包括中央处理器、存储器、显示器、鼠标、键盘，还包括触摸屏、扫描仪、打印机等图形输入输出设备。 软件系统：包括系统软件、应用软件、图形API、高级语言平台软件。常用的图形应用软件有美国Autodesk公司的AutoCAD、3D Studio等。,图形系统功能：,1）计算功能。应包括形体设计、分析的方法程序库和 有关描述形体的图形数据库。在图形数据库中应有 坐标的几何变
2、换、曲线和曲面的生成、图形的交点 和接点的计算以及检验等功能。,图形系统功能,2）存储功能。即指在计算机内、外存上存放图形数据， 尤其是存放图形数据之间的相互关系，并且可以根据 需要实现信息的检索、增加、删除和修改等功能。,图形系统功能,3）对话功能。通过硬件设备进行人机之间的通信。 设计人员通过显示屏幕观察设计的图形结果， 用光笔或键盘对不满意的地方进行修改，还可以 跟踪检查出错的地方，对设计中的错误进行提示与跟踪。,图形系统功能,4）输入功能。将设计过程中图形的形状尺寸等参数 通过输入设备输入到计算机中。5）输出功能。针对设计中的图形结果进行输出显示 和保存，由于输出结果在精度、形式以及时
3、间上有 一定要求，可以根据不同的输出设备来满足。,第2章 计算机图形系统,图形系统的组成和功能 图形输入设备 图形输出设备 图形处理设备 图形系统标准,1 逻辑输入设备 定位 (locator) 、定值 (valuator) 、选择(choice) 笔划（stroke）、拾取（pick）、字符串（String）2 物理输入设备(p12-16) 包括输入板、光笔、游戏杆、鼠标、功能开关和按钮、数据套、触摸屏以及最常用的字母数字键盘等,图形输入设备,数字化仪是一种把图形转变成计算机能接收的数字形式专用设备基本工作原理是采用电磁感应技术由一块数据板和一根触笔组成。数据板中布满了金属栅格，当触笔在数据
4、板上移动时，其正下方的金属栅格上就会产生相应的感应电流。根据已产生电流的金属栅格的位置，就可以判断出触笔当前的几何位置,数字化仪,真实物体的三维信息的输入 在实际的产生过程中许多零件和样板要进行大规模的生产就必须在计算机中生成三维实体模型，有时这个模型要通过已有的实物零件得到，这时候就需要一种设备来采集实物表面各个点的位置信息 一般的方法是通过激光扫描来实现，现在国外已经有许多这样的商业仪器 这项技术的一个应用就是扫描保存古代名贵的雕塑和其它艺术品的三维信息,美国斯坦福大学计算机系的著名图形学专家Marc Levoy曾经带领他的30人的工作小组（包括美国斯坦福大学及美国华盛顿大学的教师和学生）
5、于19981999学年专门在意大利对文艺复兴时代的雕刻大师米开朗基罗的众多艺术品进行扫描，保存其形状和面片信息。当然工作难度是相当大的，他们为此专门设计了一套硬件和软件系统。数据量也是惊人的，光大卫像（the David）就有20亿个多边形和7000张彩色图象，总共需要72G的磁盘容量。这次工作可以说是实体图形输入的一个颠峰之作。,Marc Levoy小组的工作现场（Siggraph2000）,第2章 计算机图形系统,图形系统的组成和功能 图形输入设备 图形输出设备 图形处理设备 图形系统标准,图形输出设备：图形输出包括图形的显示和图形的绘制 图形显示指的是在屏幕上输出图形图形绘制通常指把图形
6、画在纸上，也称硬拷贝，打印机和绘图仪是两种最常用的硬拷贝设备,图形输出设备,CRT(cathode ray tube): 1随机扫描显示器 2光栅扫描显示器（最普遍使用的CRT） 平板显示器1.发射：等离子显示器(plasma panel)，发光二级管（LED light emitting diode）2.非发射:液晶显示器LCD（liquid crystal display）,图形显示设备,组成：电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、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,阴极射线管(C
7、RT),电子枪,由电灯丝，阴极和控制栅组成。 阴极：由灯丝加热发出电子束， 控制栅：加上负电压后，能够控制通过其中小孔的带负电的电子束的强弱。通过调节负电压高低来控制电子数量，即控制荧光屏上相应点的亮度。,聚焦系统,通过电场和磁场控制 电子束，“变细”，保证 亮点足够小，提高分辩率加速电极加正的高压电（几万伏）， 使电子束高速运动。,偏转系统,控制电子束，产生偏转，最大偏转角是衡量系统性能的最重要的指标，显示器长短与此有关。,荧光屏,荧光物质的持续发光时间/余辉(persistence) ： 电子束离开某点后，该点的亮度值衰减到初始值1/10所需的时间 刷新(Refresh)： 为了让荧光物质
8、保持一个稳定的亮度值 刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数,72 dpi,144 dpi,像素(Pixel)：构成屏幕（图像）的最小元素 分辨率(Resolution)：CRT在水平或竖直方向单位长度上能最大可分辨的像素数，单位通常为dpi（dots per inch)。在假定 屏幕尺寸一定的情况下，也可用整个屏幕所能容纳的像素个数描述，如640*480，800*600，1024*768等,产生彩色的常用方法： 射线穿透法影孔板法,彩色阴极射线管,原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光物质，电子束轰击穿透荧光层的深浅，决定所产生的颜色应用：主要用于画线显示器 优点：成本低 缺点：只等产生有限几种
9、颜色,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,射线穿透法,影孔板法,外层玻璃,荧光涂层,影孔板,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,点状影孔板,点状影孔板工作原理,红、绿、兰三基色 三色荧光点（很小并充分靠近-像素） 三支电子枪 显示器能同时显示的颜色个数,调节各电子枪发生的电子束中所含电子的数目，即可控制各色光点亮度。 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，称为真彩系统,电子枪、影孔板中的一个小孔和荧光点呈一直线；每个小孔与一个像素（即三个荧光点）对应,点状影孔板
10、工作原理,随机扫描显示系统,电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分。 三个逻辑部件：刷新存储器(Refreshing Buffer),显示处理器（DPU:Display Processing Unit）和CRT 工作原理：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，它由显示控制器负责解释执行，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,光栅扫描显示系统 特点：光栅扫描 扫描线 帧 水平回扫期 垂直回扫期,绘图过程,帧缓冲存储器 作用：存储屏幕上像素的颜色值 简称帧缓冲器
11、，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（图示帧缓冲器的每个 单元只有一位）。,色深(Color Depth),Pixel = picture + element Resolution = pixels per inch or dots per inch (dpi) bit-depth = number of colours per pixel:色深 (Color Depth) 色深也叫做位深度(bit depth)，表示显示缓存中记录屏幕上一个像素的位（bit)数（帧缓存位面数
12、），也即显示器可以显示的色彩数。1: B&W二值图像 8: 256 colours 24: 16 millions of coloursHigher bit-depth (more colours per pixel),16色 增强色（16位）,显示分辨率M*N 、色深K位与最小显存大小V的关系,VMNK（位）,问题： 8个位面，分辩率是1024768的显示器， 需要至少？位的存储器。,查色表（look up Table）或称彩色表（color table）,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，例如：每单元有8位，则查色表的长度为28256 目的：在帧缓存
13、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：,光栅扫描显示器与随机扫描显示系统比较,光栅显示器的主要优点 造价低和具有对显示区域填充颜色或图案的能力 。 刷新过程与图像的复杂性(多边形的数目等)无关 。光栅显示器的主要缺点 实时动态显示所需的计算量比向量显示器要大得多 。 走样,CRT固有的物理结构限制了它向更广的显示领域发展 屏幕的加大必然导致显象管的加长，显示器的体积必然要加大，在使用时候就会受到空间的限制CRT显示器是利用电子枪发射电子束来产生图像，容易受电磁波干扰长期电磁辐射会对人们健康产生不良影响,液晶显示器LCD（liquid crystal display）,液晶显示器
14、LCD（liquid crystal display）,液晶的发明与发现 1877 年 Otto Lehmann 运用偏极化的显微镜首次观测到了液晶化的现象 1888年 奥地利的植物学家 Friedrich Reinitzer发现了螺旋性甲苯酸盐的化合物的特殊性质。 1963年 美国RCA公司的威廉发现了液晶会受到电器的影响而产生偏转的现象，也发现光线射入到液晶中会产生折射。 RCA的开发部门发表了全球首台利用液晶特性来显示画面的萤幕。 1976年 日本SHARP液晶显示器的产品正式量产出货，,液晶的物理性质 1.扭曲排列的液晶具有旋光性质 2.当液晶分子受到外加电场的作用，便很容易的被极化产
15、生感应偶极性（induced dipolar） 液晶本身并不能发光，它主要是通过因为电压的更改产生电场而使液晶分子排列产生变化来显示图像。,液晶显示器LCD（续）,液晶显示器LCD（续）,液晶显示器的显示原理,LCD指标 1.亮度 2.对比度 3.最大显示颜色数 4.液晶显示器的响应时间 5.分辨率 6.点距（Dot Pitch） 7.尺寸 8.可视角度,液晶显示器LCD（续）,第2章 计算机图形系统,图形系统的组成和功能 图形输入设备 图形输出设备 图形处理设备 图形系统标准,图形处理器,图形处理器是图形系统结构的重要元件，是连接计算机和显示终端的纽带 早期的图形处理器只包含简单的存储器和帧
16、缓冲区，它们实际上只起了一个图形的存储和传递作用，一切操作都必须有CPU来控制 现在的图形处理器不单单存储图形，而且能完成大部分图形函数，专业的图形卡已经具有很强的3D处理能力，大大减轻了CPU的负担,提高了显示质量和显示速度,图形处理器的组成 显示主芯片 显卡的核心，俗称GPU，它的主要任务是对系统输入的视频信息进行构建和渲染 显示缓存 用来存储将要显示的图形信息以及保存图形运算的中间数据 显存的大小和速度直接影响着主芯片性能的发挥 数字模拟转换器（RAMDAC） 它的作用就是把二进制的数字转换成为和显示器相适应的模拟信号,显卡工作原理简单示意图,第2章 计算机图形系统,图形系统的组成和功能
17、 图形输入设备 图形输出设备 图形处理设备 图形系统标准,图形标准,图形标准：图形系统及其相关应用系统中各界面之间进行数据传送和通信的接口标准，以及供图形应用程序调用的子程序功能及其格式标准，前者称为数据及文件格式标准，后者称为子程序界面标准。,所有的计算机图形标准都应实现以下目标：,(1) 提供基本的计算机图形操作，如：图形数据的组织、输入、输出、人机交互等； (2) 充分发挥图形设备的功能； (3) 应用编程独立于具体设备，程序易于移植； (4) 可以在不同的计算机系统、不同的应用系统、不同的用户之间交换数据信息，从而重复使用相关成果。,图形系统标准分类,面向图形设备的接口标准： 计算机图
18、形元文件(CGM) 计算机图形接口(CGI).设备驱动程序。 面向应用软件的标准： 程序员层次交互式图形系统（PHIGS）,GL (图形程序包) （三维）图形核心系统（3D-)GKS 面向图形应用系统中工程和产品数据模型及其文件格式： 基本图形转换规范（IGES） 产品数据转换规范（STEP）,1) 图形核心系统（GKS）,GKS（Graphics Kernel System）是第一个计算机图形国家标准、第一个计算机图形国际标准，现已成为许多国家的国家标准，我国也把GKS作为国家标准。 GKS提供了在应用程序和图形输入输出设备之间的功能接口，属于子程序接口标准。GKS仅定义了一个独立于语言的图
19、形系统核心，在实际应用中，还须把GKS以所使用的语言规定的方式嵌入到相应语言之中。,GKS有以下4种基本图素： (1) 点元素符号集（Ppolymarker）； (2) 线元素折线集（Ppolyline）； (3) 字符元素文本（Ttext）； (4) 光栅元素区域填充（full area）及单元阵列（cell array）。,2) CGM（ISO IS8632),- 与设备无关的语义、词法定义的图形文件格式。- 规定了生成、存储、传送图形信息的格式。- 面向系统和系统开发者，和CGI配套提供。- 通用性是其关键属性。,3) PHIGS（ISO IS9592）,- 向应用程序员提供的控制图形设
20、备的图形系统接口；- 图形数据按层次结构组织；- 提供动态修改和绘制显示图形数据的手段。是一个高度动态化和交互式图形系统。,4 ) 计算机图形设备接口CGI,CGI（Computer Graphics Interface）是ISO TC97组提出的图形设备接口标准，与ANSI在1985年公布的VDI（Virtual Device Interface）标准一致。CGI提供了控制图形设备并且与设备无关的方法，可用于图形设备接口的标准化，CGI的应用可以使图形设备的驱动程序最小。CGI一般直接制作在图形卡上，它的具体实现则依赖于相关设备。,CGI主要有以下功能： （1）控制功能：管理虚拟设备，出错控
21、制，坐标空间控制，询问功能。 （2）输出功能：涉及图元、属性、对象的构成、控制和检索。 （3）图段功能：定义了图形对象如何组合到图段中并用惟一图段标志符标识，还可产生、修改、操纵图段。 （4）输入和响应处理。 （5）光栅图形处理：产生、检索、修改、显示象素数据。 应用系统和系统开发者配套使用CGM和CGI，应用程序员则使用GKS和PHIGS。,5) IGES（基本图形转换规范）,- Initial Graphics Exchange Specification- 作用：不同的CAD/CAM系统之间交换数据。-文件格式是ASCII码，五节：开始节，目录入口(DE)，参数(DP)节，整体节和结束节
22、。,6) STEP（产品模型数据转换标准）,- Standard for the Exchange of Product model Data. - 覆盖产品整个生命周期 - 强调建立能存入数据库中的一个产品模型的完整表示。 -克服IGES中的问题和缺点。,7) GL,图形程序库， UNIX下运行， OpenGL微机， 分类：基本图素；坐标变换；设置属性和显示方式；I/O 处理；真实图形显示。,目前应用最为广泛的开放式图形编程标准是OpenGL（Open Graphics Library，开放的图形程序接口）。 OpenGL是美国Silicon Graphics（SGI）公司推出的三维图形的底层图形库，提供了对简单图元的变换、控制以及许多用于复杂物体建模的函数。OpenGL是个与硬件无关的软件接口，独立于操作系统，可以在不同的平台如Windows NT、Unix、Linux、MacOS之间移植。因此，以OpenGL为基础开发的应用程序具有很好的移植性。 目前Microsoft、IBM、SUN、HP等大公司都采用OpenGL作为三维图形标准，许多软件厂商也以OpenGL为基础开发产品，如动画制作软件3D Studio MAX、仿真软件Open Inventor、GIS软件ARC INFO等。,
