計算機圖形學基礎(chǔ)

ComputerGraphics

2011.9第二章圖形交互系統(tǒng)交互式計算機圖形系統(tǒng)的組成通用外部設(shè)備圖形顯示終端圖形輸入設(shè)備圖形輸出設(shè)備計算機1概述交互式計算機圖形處理系統(tǒng)Computer+人=交互式PersonelComputer圖形處理系統(tǒng)workstation圖形處理系統(tǒng)要求主機性能更高（強大的浮點運算能力），速度更快，存儲容量更大，外設(shè)種類更齊全圖形加速卡，大屏幕顯示器1概述三維鼠標空間球三維鼠標和空間球：根據(jù)球在不同方向受到的推或拉的壓力來實現(xiàn)定位和選擇圖形輸入設(shè)備（1）2圖形輸入設(shè)備數(shù)據(jù)手套(Dataglove)

可測量出手的位置和形狀，從而實現(xiàn)環(huán)境中的虛擬手及其對虛擬物體的操縱數(shù)據(jù)手套通過手指上的彎曲、扭曲傳感器和手掌上的彎度、弧度傳感器，確定手及關(guān)節(jié)的位置和方向圖形輸入設(shè)備（2）2圖形輸入設(shè)備頭盔式顯示器將觀察者的頭部位置及運動方向告訴計算機，計算機就可以調(diào)整觀察者所看到的視景，使得呈現(xiàn)圖像更趨于真實感，絕大多數(shù)頭盔式顯示器使用兩個顯示器利用特殊光學設(shè)備對圖像進行處理，使圖像看上去立體感更強把用戶的視覺、聽覺和其他感覺封裝起來，產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的錯覺圖形輸入設(shè)備（3）2圖形輸入設(shè)備圖像掃描儀（ImageScanner）滾筒式掃描儀由電子分色機發(fā)展而來，用光電倍增管作為顏色感受器，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號掃描圖像質(zhì)量相對較高，可掃描幅面更大平板式掃描儀采用電荷耦合器件CCD

（ChargeCoupledDevice）通過由透鏡和反射鏡組成的光學系統(tǒng)，將圖像數(shù)據(jù)傳送到光敏CCD芯片上，采用半導體芯片捕獲圖像數(shù)據(jù)圖形輸入設(shè)備（4）2圖形輸入設(shè)備數(shù)碼相機圖形輸入的一個特殊領(lǐng)域：真實物體三維信息輸入

零件進行大規(guī)模生產(chǎn)必須在計算機中生成三維實體模型，這個模型有時要通過已有的實物零件得到，需要采集實物表面各個點的位置信息保存古代名貴的雕塑和其它藝術(shù)品的三維信息，并在計算機中產(chǎn)生這些藝術(shù)品的三維模型圖形輸入設(shè)備（5）2圖形輸入設(shè)備美術(shù)家數(shù)字化儀帶壓力傳感器，無繩觸筆通過控制筆的壓力繪制不同風格的畫圖形輸入設(shè)備（7）2圖形輸入設(shè)備余輝時間：持續(xù)發(fā)光時間，從電子束離開某點后，該點的亮度值衰減到初始值所需要的時間 刷新(Refresh)：為了讓熒光物質(zhì)保持一個穩(wěn)定的亮度值刷新頻率：每秒鐘重繪屏幕的次數(shù)像素(Pixel)：構(gòu)成屏幕（圖像）的最小元素分辨率(Resolution)：CRT在水平或豎直方向單位長度上能識別的最大像素個數(shù)，也可用整個屏幕所能容納的像素個數(shù)描述,如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等某種CRT產(chǎn)生穩(wěn)定圖像所需要的最小刷新頻率=1秒/熒光物質(zhì)的持續(xù)發(fā)光時間熒光屏3圖形輸出設(shè)備圖形處理器：俗稱顯卡CGAEGAVGATVGASVGAXGASXGA圖形處理器3圖形輸出設(shè)備顯示主芯片顯卡的核心，俗稱GPU代替CPU完成部分圖形處理功能，掃描轉(zhuǎn)換、幾何變換、裁剪、光柵操作、紋理映射等等各圖形函數(shù)基本上都集成在這里顯存存儲將要顯示的圖形信息保存圖形運算的中間數(shù)據(jù)它與顯示主芯片的關(guān)系，就像計算機的內(nèi)存與CPU一樣RAMDAC視頻存儲數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器在視頻處理中，把二進制的數(shù)字轉(zhuǎn)換成為和顯示器相適應(yīng)的模擬信號

3圖形輸出設(shè)備也稱刷新存儲器(RefreshingBuffer),簡稱幀緩沖器，俗稱顯存,用于存儲屏幕上像素的顏色值幀緩存中單元數(shù)目與顯示器上像素的數(shù)目相同單元與像素一一對應(yīng)各單元的數(shù)值決定了其對應(yīng)像素的顏色顯示顏色的種類與幀緩存中每個單元的位數(shù)有關(guān)幀緩沖存儲器（FrameBuffer）3圖形輸出設(shè)備幀緩存可以是專用的存儲器也可是系統(tǒng)內(nèi)存中的一塊固定區(qū)域CRT顯示器CRT顯示器的缺點：屏幕的加大導致顯象管的加長，體積加大，使用時候受到空間的限制利用電子槍發(fā)射電子束來產(chǎn)生圖像，產(chǎn)生輻射與電磁波干擾，長期使用對健康不利3圖形輸出設(shè)備LCD顯示器顯示效果與CRT相比有差距但有后來居上之勢外觀小巧精致，厚度只有6.5～8cm左右液晶象素總是發(fā)光，只有加上不發(fā)光的電壓時該點才變黑，不會產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象工作電壓低，功耗小，節(jié)約能源沒有電磁輻射，對人體健康沒有任何影響

3圖形輸出設(shè)備空氣等離子體顯示器空氣等離子體可想象成一個個微型霓虹燈，紅綠藍三種不同顏色的像素顯示屏薄，掛在墻上無鋸齒現(xiàn)象，分辨率好無需刷新緩存，重量輕，無輻射價格貴3圖形輸出設(shè)備對話框3圖形輸出設(shè)備4交互方式所謂橡皮筋技術(shù)就是在起點確定后，光標移出去定終點時，在屏幕上始終顯示一條連接起點和光標中心的直線。橡皮筋技術(shù)實際上是簡易動畫的實現(xiàn)，它不斷地進行：畫－擦－畫的過程。即：（1）從起點到光標中心點（x，y）處畫圖；（2）擦除起點到光標中心點（x，y）處圖形；（3）光標移動到新的位置：x=x+△x，y=y+△y（4）轉(zhuǎn)第（1）步，重復這個過程，直到鼠標抬起為止。橡皮筋技術(shù)4交互方式網(wǎng)格是另一類約束技術(shù)，它強迫輸入點落在屏幕的坐標網(wǎng)格交點上。坐標網(wǎng)通常以線網(wǎng)或點陣網(wǎng)顯示在屏幕上，該技術(shù)既可用于畫線，也可用于圖符定位、幾何要素對齊等。網(wǎng)格技術(shù)4交互方式拖動就是將形體在空間移動。選擇拖動功能后，先在作圖區(qū)用定位設(shè)備拾取某個要拖動的物體，再按住鍵移動光標，則這個被拾取的物體將隨著光標的移動而移動。拖動也用到簡易動畫技術(shù)，拖動過程就是不斷地進行畫、擦、畫的過程菜單的拖曳停泊。拖曳技術(shù)4交互方式操作柄技術(shù)可以用來對圖形對象進行縮放、旋轉(zhuǎn)、錯切等幾何變換。先選擇要處理的圖形對象，該圖形對象的周圍會出現(xiàn)八個操作柄，移動或旋轉(zhuǎn)操作柄就可以實現(xiàn)相應(yīng)的變換。

操作柄技術(shù)4交互方式菜單技術(shù)4交互方式動畫實現(xiàn)過程是：首先在屏幕的當前位置畫對象并保持一定的時間；接著從屏幕的當前位置刪除對象：然后找到計算機屏幕上對象的新位置，在新位置上畫對象。這樣周而復始．從而產(chǎn)生動畫效果。動畫技術(shù)4交互方式利用目標移動技術(shù)實現(xiàn)動畫利用存取位圖像函數(shù)產(chǎn)生動畫利用活動頁產(chǎn)生動畫利用調(diào)色板產(chǎn)生動畫利用移動背景法產(chǎn)生動畫動畫技術(shù)4交互方式Windows7最新交互方式視覺交互觸覺交互動作交互意念交互5用戶界面設(shè)計界面設(shè)計的一般原則設(shè)計人機界面，必須考慮四個方面：系統(tǒng)的響應(yīng)時間；用戶求助機制；錯誤信息處理；命令方式。5用戶界面設(shè)計一般性交互中需注意的原則在同一用戶界面中，風格保持一致。保持用戶與界面間的雙向通信；對所有可能造成損害的動作，堅持要求用戶認。對大多數(shù)動作應(yīng)允許恢復（UNDO）；盡量減少用戶記憶的信息量；最大可能地減少擊鍵次數(shù)，縮短鼠標移動的距離。用戶出錯時采取寬容的態(tài)度；按功能分類組織界面上的活動；僅顯示與當前上下文有關(guān)的信息；不要讓數(shù)據(jù)淹沒用戶；采用統(tǒng)一的標號、約定俗成的縮寫和可預知的顏色；允許用戶保持可視化的語境；使用大小寫、縮進和文本分組幫助用戶理解信息;使用窗口分隔不同類型的信息；使用“模擬”顯示方式表示信息；高效率地使用顯示屏；信息顯示中需注意的原則5用戶界面設(shè)計盡量減少用戶的輸入動作；保持信息輸入和信息顯示的一致性；允許用戶自定義輸入；提供多種交互方式，如鍵盤、鼠標；使在當前動作語境下不不適用的命令不起作用;讓用戶控制交流；消除冗余的輸入，除非發(fā)生誤解；信息輸入中需注意的原則5用戶界面設(shè)計

5用戶界面設(shè)計5用戶界面設(shè)計開放式的三維圖形軟件包OpenGLOpenGL是在SGI等多家世界聞名的計算機公司的倡導下，以SGI的GL三維圖形庫為基礎(chǔ)制定的一個通用共享的開放式三維圖形標準目前，包括Microsoft、SGI、IBM、SUN、HP等大公司都采用了OpenGL做為三維圖形標準，許多軟件廠商也紛紛以O(shè)penGL為基礎(chǔ)開發(fā)出自己的產(chǎn)品其中比較著名的產(chǎn)品包括：動畫制作軟件Softimage和3DStudioMAX、仿真軟件OpenInventor、VR軟件WorldToolKit、CAM軟件ProEngineer、GIS軟件ARC/INFO等等6OpenGL簡介OpenGL的優(yōu)越性獨立于窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng),以它為基礎(chǔ)開發(fā)的應(yīng)用程序可以十分方便地在各種平臺間移植可與VisualC++緊密接口使用簡便，效率高6OpenGL簡介OpenGL圖形庫的功能一共有100多個函數(shù),其中核心函數(shù)有115個除了提供基本的點、線、多邊形的繪制函數(shù)外，還提供了復雜的三維物體（球、錐、多面體、茶壺等）以及復雜曲線和