第1讲计算机图形系统概述课件.ppt

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1、计算机图形系统概述,1,讲授：邓浩 讲师,计算机图形系统的组成图形硬件设备输入设备输出设备图形硬件显示系统图形软件系统,2,计算机图形系统的组成图形硬件设备输入设备输出设备图形硬件显示系统图形软件系统,3,计算机图形系统的组成,硬件与软件硬件输入设备输出设备图形处理设备软件软件包应用程序,4,计算机图形系统的基本功能,计算：图形处理（如图形变换、光照等）存储：远程和本机输入：人机交互及数据文件等输出：显示器、打印机等对话图形：人机交互,5,计算机图形系统的组成图形硬件设备输入设备输出设备图形硬件显示系统图形软件系统,6,图形硬件设备,图形输入设备键盘鼠标数字化仪光笔触摸屏点扫描仪,7,图形输入

2、设备,激光扫描仪,8,9,图形输入设备,LiDar（激光雷达）数据以点云方式呈现每个点具有位置和回波强度信息,10,图形输入设备,LiDar机载,11,计算机图形系统的组成图形硬件设备输入设备输出设备图形硬件显示系统图形软件系统,12,图形绘制设备,绘图仪笔式绘图仪（矢量设备）静电绘图仪（光栅设备）打印机点阵式打印机喷墨打印机激光打印机,13,图形显示设备,多数采用显示器作为图形显示设备分类：（器件发光性质）阴极射线管CRT (Cathode Ray Tube)特点：亮度高、对比度好、色彩鲜艳缺点：体积大，笨重平板型显示器：液晶、等离子特点：器件薄，适合便携缺点：亮度和对比度相对较低、色彩不够

3、鲜艳，价格偏高,14,阴极射线管（CRT）,工作原理 一种真空器件，它利用电磁场产生高速的、经过聚焦的电子束，偏转到屏幕的不同位置，轰击屏幕表面的荧光材料，从而产生可见图形主要组成部分电子枪聚焦系统加速电极偏转系统荧光屏,15,电子枪,灯丝，阴极和控制栅组成灯丝：产生热量阴极：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,16,聚焦系统及加速电极,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，提高分辨率加速电极加正的高压电（几万伏） 使电子束高速运动,17,偏转系统及荧光屏,偏转系

4、统控制电子束，静电场或磁场，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：吸收电子束而发光发光原理 荧光物质在高速电子的轰击下，电子吸收能量从低能态变为高能态；由于高能态很不稳定，在很短时间内荧光物质的电子会从高能态重新回到低能态，这时就发出荧光，屏幕上的那一点就会亮,18,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1/10 所需的时间影像在视网膜上持续的时间为1/20秒,19,两种显示系统随机扫描（randomscan）电子束可以任意移动，画线设备光栅扫描（rasterscan）电子束按固定扫描线和次序进行，画点设备,20,随机扫描显示系统,

5、特点电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分对应的显示器为画线设备逻辑部件刷新存储器(Refreshing Buffer)显示处理器（DPU:Display Processing Unit）,21,刷新(Refresh)：为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数,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（例如）荧光物质的持续发光时间40毫秒 最小刷新频率就是 1000/40=25Hz,一般要60Hz才不容易察觉到闪烁85Hz以上才能让人眼感到舒适,阴极射线管的技术指标,像素(Pixel: Picture Cell)：构成屏幕（图像）的最小元

6、素分辨率(Resolution)CRT在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大像素个数，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*768，1280*1024 等等分辨率越高显示的图形就越精细决定分辨率的因素：荧光物质类型、聚焦系统和偏转系统,23,彩色阴极射线管,利用发射不同颜色光的荧光物质的组合来显示彩色图形电子束穿透法荫罩法荫栅法,24,电子束穿透法,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，决定所产生的颜色优缺点：成本低，只能产生有限几种颜

7、色应用：主要用于画线显示器,25,荫罩法,荫罩法工作原理每个像素处有3个荧光点，呈三角形排列三支电子枪对应红、绿、蓝三基色电子枪、荫罩栅格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）对应球面屏幕,26,亮度调节各电子枪发生的电子数目，可控制各色光点亮度,27,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,荫栅法：与荫罩基本一致,28,平面屏幕 特丽珑/钻石珑,29,液晶显示器（LCD）,LCD：Liquid Crystal Display液晶的电光效应当液晶分子的某种排列状态在电场作用下变为另一种排列状态

8、时，液晶的光学性质随之改变液晶显示的机理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,30,液晶显示器（LCD）,结构：六层薄板组成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,31,液晶显示器（LCD）,32,液晶显示器（LCD）,33,液晶显示器（LCD）,眼镜型液晶显示屏,34,计算机图形系统的组成图形硬件设备输入设备输出设备图形硬件显示系统图形软件系统,35,图形显示系统,组成（光栅式）显示设备：显示器显示处理器图形处理功能视频控制

9、器：控制显示设备通过访问帧缓冲来刷新屏幕显示缓存帧缓存深度缓存等可以在内存或显示控制器中,36,图形显示系统,主要组成帧缓冲存储器（Frame Buffer)视频控制器（Video Controller)显示处理器（Display Processor）,37,帧缓冲存储器,作用：存储屏幕上像素的颜色值简称帧缓存（显存中的部分存储单元）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（黑白显示系统的帧缓冲器的每个单元只有一位）,38,39,1,寄存器,DAC,电子枪,帧缓冲存储器,CRT光栅,黑白光栅显示器

10、工作状况图,位面技术,帧缓存分成若干颜色的位平面（bit plane）位平面上位置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位平面越多，可表达的色彩越丰富增加一个位面，色彩就增加一倍,40,41,寄存器,2N DAC,电子枪,帧缓冲存储器,N,N,N=3,2,CRT光栅,N位面灰度等级光栅显示器工作状况图,2N级,42,寄存器,2N DAC,电子枪,帧缓冲存储器,N,N,N=3,2,CRT光栅,N位面灰度等级光栅显示器工作状况图,2N级,红绿蓝三个位面，组合成8种颜色增加一个位面，形成16种颜色若有24个位面（每种基色8个位面），可同时显示(

11、28)3=224=16777216种颜色（24位真彩色）,43,44,帧缓存容量,分辨率M*N、颜色个数K 与显存大小V 的关系说明一般像素颜色用RGB三基色表示例：颜色为24位真彩色、分辨率是10241024的显示器，需要 10241024 log2224 /8 3M Bytes,45,帧缓存容量的问题,若存储器位长固定，则屏幕分辨率与同时可用的颜色种数成反比关系例：1兆字节的帧缓存若设分辨率为640480，则帧缓存每个单元可有24位，可能同时显示224种颜色若设分辨率为1024768，则每个单元分得的位数仅略多于8，只能工作于256色显示模式,46,解决方法：采用颜色查找表(Look-up

12、 Table)方法,颜色查找表,由高速的随机存储器组成，用来存储表达像素色彩的代码把颜色码放在一个独立的表（颜色查找表）中，帧缓存中每一像素对应单元的代码不再代表该像素的颜色码，而是作为颜色查找表的地址索引在帧缓存单元的位数不增加的情况下，能够大范围内挑选颜色的能力,47,48,寄存器,2W DAC,电子枪,帧缓冲存储器,N,N,N=3,2,CRT光栅,具有颜色查找表的N位面灰度等级帧缓冲存储器,2N表项,11,W,W=4,2W为总光强等级2N为每次可显示光强等级,视频控制器,建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应，负责刷新逻辑结构工作原理: 刷新周期开始，依次取出帧缓存单元的数值，放入像素值寄存

13、器，用来控制像素的颜色，然后X的地址寄存器的地址加一，如此重复，直到该扫描线上的最后一个像素，转下行，X置0，Y加1,49,显示（图形）处理器(GPU),GPU: Graphics Processing Unit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,50,显示卡,Video/Graphics Card显示卡 = 视频控制器 + 显存 + 图像处理器,51,显示卡,GPUnVidiaGeForce (1000/1100)QuadroAMD RADEOM (HD8000)Fire显存速率（ GDDR5 ）大小（1G Byte）位宽（512bit）视

14、频控制器,52,光栅扫描显示系统的优缺点,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（锯齿）效应,53,计算机图形系统的组成图形硬件设备输入设备输出设备图形硬件显示系统图形软件系统,54,图形软件标准,指图形系统及其相关应用系统中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核心图形系统(CGS) 计算机图形核心系统(GKS)程序员层次交互式图形系统(PHIGS)开放式图形库(OpenGL)微软DirectX库,55,图形软件标准

15、,第一层次：面向硬件系统解决图形设备与计算机的通讯接口等问题，称为设备驱动程序设备驱动程序现在已被作为操作系统一部分，由操作系统或设备硬件厂商开发； 第二层次：建立在驱动程序之上完成图元的生成、设备的管理等功能这个层次上的图形支撑软件已经标准化，如GKS、PHIGS、CGI等； 第三层次：面向用户主要任务是建立图形数据结构，定义、修改和输出图形具有较强的交互功能，使用方便，容易阅读，便于维护和移植OpenGL、Direct3D属于这一层次,56,OpenGL,OpenGL=Open Graphics Library工业标准跨编程语言、跨平台的应用程序接口约350个函数http:/www.ope

16、ngl.org/移动平台 OpenGL ESWhy not Direct3DWindows only,57,OpenGL,58,58,面向用户图形系统的基本功能基本图形绘制（线画、填充图元等）图形变换几何变换投影变换图元着色光照效果纹理映射,OpenGL图形操作步骤,根据基本图形单元建立景物模型，并且对所建立的模型进行数学描述（OpenGL中把：点、线、多边形、图像作为基本图形单元）把景物模型放在三维空间中的合适的位置，并且设置视点（viewpoint）以观察所感兴趣的景观计算模型中所有物体的色彩，其中的色彩根据应用要求来确定，同时确定光照条件、纹理粘贴方式等把景物模型的数学描述及其色彩信息转

17、换至计算机屏幕上的像素，这个过程也就是光栅化（rasterization）,59,OpenGL工作流程,60,OpenGL的组成,基本函数库与硬件平台无关含GL、GLU和GLAUX库函数包括：描述图形元素（图元）、属性、几何变换、观察变换及其它操作实用函数工具包（GLUT：OpenGL Utility Toolkit）平台无关窗口系统操作功能：创建窗口、鼠标和键盘输入、菜单及事件驱动,61,相关函数库,OpenGL核心库（GL）这部分函数用于常规的、核心的图形处理，是OpenGL的核心部分包含300多个函数，函数名前缀一律是“gl”Windows平台上头文件“GL.H”库文件“OPENGL32

18、.LIB”动态链接库“OPENGL32.DLL”核心库可以在所有的OpenGL平台上运行,62,OpenGL函数格式,函数格式示例：定义顶点函数,63,相关函数库,OpenGL实用库（GLU）这部分函数通过调用核心库的函数，为开发者提供相对简单的用法，实现一些较为复杂的操作。如：坐标变换、纹理映射、绘制椭球、茶壶等简单多边形包含约50个函数，函数名前缀一律是“glu”Windows平台上头文件“GLU.H”库文件“GLU32.LIB”动态链接库“GLU32.DLL”实用库可以在所有的OpenGL平台上运行,64,相关函数库,OpenGL辅助库（GLAUX）这部分函数提供窗口管理、输入输出处理以

19、及绘制一些简单三维物体包含约30个函数，函数名前缀一律是“aux”Windows平台上头文件“GLAUX.H”库文件“GLAUX.LIB”动态链接库“GLAUX.DLL”OpenGL中的辅助库不能在所有的OpenGL平台上运行,65,相关函数库,OpenGL工具库（GLUT）由Mark Kilgard开发这部分函数主要提供基于窗口的工具，以及一些绘制较复杂物体的函数包含大约30多个函数，函数名前缀为“glut”文件头文件“GLUT.H”库文件“GLUT32.LIB”动态链接库“GLUT32.DLL”glut中的窗口管理函数不依赖于运行环境的，可以在所有的OpenGL平台上运行,66,相关函数库

20、,WGL库：OpenGL对窗口系统的扩展对于各类窗口系统，OpenGL都提供了一个扩展库对于Windows系统，OpenGL提供WGL库并不是所有的函数前缀都是“wgl”用于连接OpenGL和Windows，在Windows平台上设置OpenGL环境头文件、库文件和动态链接库都和Windows GDI一样，由Windows底层提供，头文件是“WINGDI.H”只能在Windows平台上运行,67,相关函数库,OpenGL程序开发中，常用的函数库组合GL + GLU + GLUT（跨平台）窗口控制GLUT，采用GLUT的消息处理机制图形绘制GL + GLU + GLUT中的绘制函数GL + GLU + WGL（仅限于Windows程序）窗口控制WGL，采用Windows的消息处理机制图形绘制GL + GLU + WGL中的绘制函数,68,OpenGL红宝书（官方）,机械工业出版社,69,OpenGL蓝宝书（SuperBible）,70,Get start with OpenGL,C+GlutMFC(SDI)任务：绘制一个彩色立方体时间：9月23日下午5-6节地点：地学楼301,71,Get start with OpenGL,作业从官网下载glut库（For windows）并编译Google,72,