交互式计算机图形处理系统.

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1、第2章 交互式计算机图形处理系统 计算机学院 邰伟鹏 1 1 交互式计算机图形处理系统 lComputer + 人 = 交互式 lPersonel Computer图形处理系统 lworkstation图形处理系统 要求主机性能更高（强大的浮点运算 能力），速度更快，存储容量更大， 外设种类更齐全 图形加速卡，大屏幕显示器 2 2 硬件发展 图形输入设备的发展 第一阶段： l控制开关、穿孔纸等 第二阶段： l键盘、光笔 第三阶段： l二维定位设备，如鼠标、坐标数字化仪、跟踪球、 触摸屏、操纵杆、扫描仪等 第四阶段： l三维输入设备（如三维鼠标、空间球、数据手套、 数据衣） l智能人机接口：用户

2、的手势、表情、语音等 3 3 三维鼠标 空间球 根据球在不同方向受到的推或拉的压力 来实现定位和选择 图形输入设备（1/13） 4 4 图形输入设备（2/13） 数据手套(Data glove) 可测量出手的位置和形状，从而实现环境中的虚拟手及其对 虚拟物体的操纵。 数据手套通过手指上的弯曲、扭曲传感器和手掌上的弯度、 弧度传感器，确定手及关节的位置和方向。 5 5 图形输入设备（3/13） l用于虚拟现实环境的显示器类型 头盔式显示器(Head Mounted Display，HMD) 空间沉浸式显示器(SID,如洞穴式和园顶式)显示硬件 l头盔式显示器 将观察者的头部位置及运动方向告诉计算

3、机，计算机就可 以调整观察者所看到的图景，使得呈现图像更趋于真实感 绝大多数头盔式显示器使用两个显示器 利用特殊光学设备对图像进行处理，使图像看上去立体感 更强 把用户的视觉、听觉和其他感觉封装起来，产生一种身在 虚拟环境中的错觉。 6 6 图形输入设备（4/13） 7 7 图形输入设备（5/13） l数据衣 也是虚拟现实系统中用的人机交互设备 一件虚拟现实的数据紧身服 可使你有在水中或泥沼中游泳的感觉 8 8 图形输入设备（6/13） 扫描仪常用类型 滚筒式 由电子分色机发展而来，用光电倍增管作为颜色感受器，将光信 号转换为电信号 扫描图像质量相对较高，可扫描幅面更大 平板式 采用电荷耦合器

4、件CCD （ Charge Coupled Device） 9 9 图形输入设备（7/13） 扫描仪工作原理 用光源照射原稿 投射光线经过一组光学镜头射到CCD器件上，得到元件的 颜色信息 再经过模/数转换器，图象数据暂存器等 最终输入到计算机 1010 图形输入设备（8/13） 指标 分辨率 光学分辨率：单位长度上能采样信息点数 插值分辨率：驱动软件插值计算得到的分辨率 扫描分辨率：扫描时的实际输入分辨率 能放置原稿的原稿尺寸 原稿放大倍数 如光学分辨率为6000dpi，所需图像分辨率为300dpi，则可放大20倍 位深度、色深度 决定可以获取图像的最大灰度级数、最多颜色数 最高密度范围 决

5、定图像的暗调层次，越大越好 色调灵敏度 制造商不公开 1111 图形输入设备（9/13） 数码相机 采用的摄像感应器有两种 CCD CMOS：便宜，但质量相对较差 1212 图形输入设备（10/13） l图形输入的一个特殊领域 真实物体的三维信息的输入 l零件进行大规模生产必须在计算机中生成三维实体模型 这个模型有时要通过已有的实物零件得到 采集实物表面各个点的位置信息 l扫描保存古代名贵的雕塑和其它艺术品的三维信息 在计算机中产生这些艺术品的三维模型 1313 l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 人工作小组（包括美国斯坦福大学及 美国华盛顿大学的教

6、师和学生） l于19981999学年在意大利，专门 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 l专门设计了一套硬件和软件系统 l数据量惊人，光大卫像就有20亿个多 边形和7000张彩色图象，总共需要 72G的磁盘容量 l实体图形输入的一个颠峰之作 图形输入设备（11/13） 1414 图形输入设备（12/13） l三维数字化仪 l工作原理 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 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 许多数字化仪提

7、供了多种压感电流，用不 同的压力就会有不同的信息传向计算机 1515 美术家数字化仪（带压力传感器，无绳触 笔） 通过控制笔的压力绘制不同风格的画 现在非常流行的汉字手写系统就是一种数 字化仪 图形输入设备（13/13） 1616 l图形输出(显示、打印）设备： l阴极射线管显示器（CRT），液晶显示器（LCD）等 l绘图仪，打印机， l双监视器图形工作站 lMediaWall多屏幕系统监视器阵列 交易展示、大型会议、博物馆、旅客候机厅等 1717 CRT显示器分类 l阴极射线管（CRT） Cathode Ray Tube 单色CRT 彩色CRT 1818 l阴极射线管(CRT) 组成 包括电

8、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 1919 电子枪 l电灯丝的组成 阴极 l由灯丝加热发出电子束 控制栅 l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 l通过调节负电压高低来控制电子数量 l即控制荧光屏上相应点的亮度 2020 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 控制静电场或磁场，使电子束产生偏转，最大偏转角是衡量系统 性能的最重要的指标，显示器长短

9、与此有关。 偏转系统 2121 荧光屏 荧光物质：吸收电子束而发光 l余辉时间：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 l刷新(Refresh)：为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值 l刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数 l像素(Pixel)：构成屏幕（图像）的最小元素 l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 某种CRT产生稳定图像所需要的最小刷

10、新频率 =1秒/荧光物质的持续发光时间 （例如）=1000/40=25Hz 2222 l彩色CRT 渗透型 l常用于随机扫描显示器 l射线穿透法 多枪型 l常用于光栅扫描显示器 l影孔板法 彩色阴极射线管 2323 l射线穿透法（beam penetration） 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 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 应用：主要用于画线显示器 优点：成本低 缺点：只能产生有限几种颜色 2424 l影孔板法 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

11、外层玻璃 荧光涂层 影孔板 2525 影孔板的类型 l点状影孔板（荫罩式） 代表：球面显像管 l栅格式影孔板（荫栅式） 代表：柱面显像管 日本索尼公司的特丽珑管（Trinitron） 三菱公司的钻石珑管（Diamondtron） l沟槽式影孔板 代表：LG的Flatron显像管 2626 l荫罩式（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 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 2727 l荫罩式显示器的缺点： 球面荧光屏，几何失真大 三角形的荧光点排列造成即使 点很密很细也不会特别清晰 l最近几年

12、荫栅式显示器逐渐流行起来 2828 l原理的区别 光线的选择方式和荧光点的排列不同 l荫栅式显象管的优点 亮度更高，色彩也更鲜艳 柱面和平面显示器 2929 CRT显示器分类 l直视存储管式（Direct-View Storage Tubes） 利用管子本身存储信息，类似于一个长余辉的CRT ，不必刷新 l刷新式 随机扫描式（Random-Scan） 光栅扫描式（Raster-Scan） 3030 随机扫描的显示系统 l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（g

13、eometric attribute）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 3131 光栅扫描的显示系统 l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（Visual attribute），真实 感图形 3232 隔行扫描（Interlaced scan）工作原理 l场频= 帧频 * 2 一帧130秒，一场160秒 帧频30HZ ，场频60HZ l一帧完整的画面分成两场，即奇数场与偶数场 优点： 降低了闪烁效应； 只需逐行的一半时

14、间即可显示一 屏画面，降低了对扫描频率的要 求，也降低了成本； 帧缓存中数据量比逐行扫描少一 半，降低了视频控制器存取帧缓 存的速度及传输带宽的要求。 3333 计算机图形处理系统 绘图仪 printer Computer DPU 输入设备 视频控制器display 显示处理器 控制图形的显示 逻辑部件： 帧缓冲存储器（Frame Buffer) 视频控制器（Video Controller) 显示处理器（Display Processing Uuit，简称DPU） CRT 3434 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

15、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 3535 l图形处理器 俗称显卡 CGA EGA VGA TVGA SVGA XGA SXGA l工作原理 l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 l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 lRAMDAC 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 3636 l简单的光栅扫描图形显示系统的结构 l较为典型的光栅扫描图形显示系统的结构 帧缓存为系统内存任一块区域 视频控制器能直接存取该区域 以刷新屏幕 帧缓存可以是专用的存储器 也可是系统内存中的一块固定区域 3737