计算机图形学02-图形系统

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1、1 Computer GraphicsComputer Graphics计算机图形学计算机图形学第2讲：图形系统2 目录 CONTENTS 01 绪论02 图形系统03 二维图形生成04 图形几何变换05 二维观察06 三维观察07 三维对象08 真实感图形技术09 交互技术10 计算机动画3 n Computer Graphics第2章：图形系统1 图形系统概述2 图形系统体系结构3 图形支撑软件 4 图形硬件显示原理计算机图形学 的发展4 n 图形硬件系统 主机、显示器、各种输入输出设备等n 图形软件系统 应用软件 、支撑软件等n 用户 操纵计算机的人2.1.1 图形系统组成结构5 2.1

2、.1 图形系统组成结构6 n图形硬件=输入+CPU+内存+帧缓存+输出 Input devicesOutput deviceImage formed in FB1. 图形硬件7 n输入设备 键盘、鼠标 触摸板 数字化仪 数据手套 Kinect1. 图形硬件8 n输出设备 阴极射线管CRT 液晶显示器LCD 打印机PRT 绘图仪1. 图形硬件9 2. 图形软件n 解决某种应用问题的图形软件图形应用软件n 由一组公用的图形子程序组成的。它扩 展了系统中原有高级语言和操作系统的 图形处理功能。图形支撑软件n 一组图形数据文件，其中存放着欲生成 的图形对象的全部描述信息。图形应用数据结构10 n Co

3、mputer Graphics第2章：图形系统1 图形系统概述2 图形系统体系结构3 图形支撑软件 4 图形硬件显示原理计算机图形学 的发展11 n 图形系统体系结构：图形系统中，有一个特 别的软硬件子系统，能高效绘出透视图中的三 维图元，这就是图形系统的核心结构图形 系统体系结构，也称为图形流水线。n 应用程序阶段n 几何处理阶段n 像素处理阶段2.2 图形系统体系结构12 n 应用程序阶段 把数据以图元的形式提供给图形硬件，例如 用来描述三维几何模型的点、线或多边形， 同时也提供用于表面纹理映射的图像或者位 图。 由于应用程序阶段是通过软件方式实现的， 因此开发者能够对该阶段发生的情况进行

4、完 全控制，可以通过改变实现方法来改变实际 性能。2.2 图形系统体系结构13 n 几何处理阶段 以每个顶点为基础对几何图元进行处理，并 从三维坐标变换为二维屏幕坐标的过程。 该阶段又可以划分为下面几个功能阶段：2.2 图形系统体系结构14 n 像素处理阶段（光栅阶段） 屏幕对象先是被传送到像素处理器进行光栅化， 再对每个像素进行着色，然后再输出到帧缓冲器 中，最后输出到显示器。 当图元发送并通过光栅阶段之后，从相机视点处 看到的东西就可以在屏幕上显示出来，这些图元 可以用合适的着色模型进行绘制，如果运用纹理 技术，就会显示出纹理效果。2.2 图形系统体系结构15 n Computer Gra

5、phics第2章：图形系统1 图形系统概述2 图形系统体系结构3 图形支撑软件 4 图形硬件显示原理计算机图形学 的发展16 2.4 图形支撑软件n 第一层次面向系统， 设备驱动n 第二层次既面向系统又面 向用户，如CGIn 第三层次面向用户，如OpenGL, DirectX17 2.4 图形支撑软件n 图形支撑软件第三层次：功能子程序 图形应用接口API：图形库18 2.4 图形支撑软件n 图形支撑软件第三层次：功能子程序n OpenGL：由若干个函数库组成，提供了数百条图形命 令，包括基本图形元素的生成，封闭边界内的填色、纹 理、反走样等；基本图形元素的几何变换、投影变换、 窗口裁剪等；自

6、由曲线曲面处理、隐藏线、隐藏面消除 以及具有光照颜色效果的真实图形显示；自然界效果（ 如云彩、薄雾、烟霭）的景象生成等。19 Point with OpenGL#include void myDisplay(void) glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);glColor3f (1.0f, 1.0f, 1.0f); glPointSize(3);glBegin (GL_POINTS);glColor3f (1.0f, 0.0f, 0.0f); glVertex2f (-0.4f, -0.4f);glEnd (

7、);glFlush(); 20 2.4 图形支撑软件n 图形支撑软件第三层次：功能子程序n DirectX：是一种图形应用程序接口API，包含 DirectDraw，Direct3D，DirectSound，DirectInput， DirectPlay等多个组件。n Java3D：是一种功能完备、通用性强的编程语言。作为 一种面向对象的高层API，具有高度的移植性。21 DirectXn 一组低级“应用程序编程接口 (API)”，可为 Windows 程序提供高性能硬件加速多媒体支持。 DirectX直接访问显卡与声卡功能，确保多媒体程序能够充分利用高性能硬件，从而提供逼真的三维 图形与声音

8、效果 DirectX由很多API组成，可以分为四大部分，显示、声音、 输入和网络部分DirectDraw, Direct3D, DirectSound, Direct Input, DirectPlay22 DirectX程序void Render() g_pD3DDevice-Clear(0, NULL, D3DCLEAR_TARGET | D3DCLEAR_ZBUFFER,D3DCOLOR_XRGB(0, 128, 0), 1.0f, 0);g_pD3DDevice-BeginScene(); g_pD3DDevice-SetStreamSource(0, g_pD3DVBuffer,0,

9、 sizeof(MYVERTEX);g_pD3DDevice-SetFVF(D3DFVF_MYVERTEX);g_pD3DDevice-DrawPrimitive(D3DPT_TRIANGLESTRIP,0,6); g_pD3DDevice-EndScene();g_pD3DDevice-Present(NULL, NULL, NULL, NULL); 23 二、OpenGL与DirectX的比较n OpenGL是跨平台标准，且 有各个平台实现。2.4 图形支撑软件n DirectX仅应用于Windows ，由Microsoft独立开发。n OpenGL仅提供图形绘制功 能，甚至没有交互功能。

10、n DirectX则提供了多媒体程序 开发所需的全部API。n OpenGL是函数库。n DirectX则是组件库。n 教学、科研方面OpenGL是 主流。n 游戏开发、商业应用则基本 采用DirectX。24 Java3Dn Java3D API是Sun定义的用于实现3D显示接口。 n 3D技术是底层的显示技术，Java3D提供了基于Java的上层接口。 n Java3D把OpenGL和DirectX这些底层技术包装在Java接口中。 n 这种全新的设计使3D技术变得不再繁琐并且可以加入到 J2SE、J2EE的整套架构，这些特性保证了Java3D技术强大的扩展性。25 Java3Dn 生成简

11、单或复杂的形体 n 使形体具有颜色、透明效果、贴图 n 在三维环境中生成灯光、移动灯光 n 具有行为的处理判断能力（键盘、鼠标、定时等） n 生成雾、背景、声音 n 使形体变形、移动、生成三维动画 n 编写非常复杂的应用程序，用于各种领域如VR（虚拟现实）26 Java3D 程序public void paint(Graphics g) g.drawLine(250,5,250,495);g.drawRect(10,10,480,480);g.drawOval(50,50,400,400);int xCoods = 0,250,500,250;int yCoods = 250,0,250,50

12、0;g.drawPolygon(xCoods,yCoods,4);Font myFont = new Font(“TimesRoman“,Font.BOLD,24);g.setFont(myFont);g.drawString(“This is a sample.“,20,40); 27 n Computer Graphics第2章：图形系统1 图形系统概述2 图形系统体系结构3 图形支撑软件 4 图形硬件显示原理计算机图形学 的发展28 n 图形硬件显示设备及原理 阴极射线管CRT -Cathode Ray Tube 结构：2.4.1 图形显示设备及工作原理29 n 高速的电子束由电子枪发出

13、，经过聚焦系统、加速系 统和磁偏转系统就会到达荧光屏的特定位置。荧光物 质在高速电子的轰击下会发生电子跃迁，即电子吸收 到能量从低能态变为高能态，从而产生点亮。 n 大约达到每秒60帧即60Hz时，人眼才能感觉到屏幕不 闪烁，要使人眼觉得舒服，一般必须有85Hz以上的刷 新频率。 n 特点： 屏幕的加大必然导致显像管加长，导致显示器体积必然要加大。 CRT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。阴极射线管CRT-显示原理30 n 液晶显示器LCD- Liquid Crystal Display 液晶：一种介于液体和固体之间的特殊物质，它具有

14、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。2.4.1 图形显示设备及工作原理31 1、光线穿透2、光线阻断液晶显示器LCD-显示原理32 n 外观：小巧精致，厚度只有6.58cm左右，比起 CRT那个庞然大物体积实在是不可同日而语。n 闪烁：由于液晶像素总是发光，只有加上不发 光的电压时该点才变黑，所以不会产生CRT那样 的因为刷新频率低而出现的闪烁现象。n 工作电压低，功耗小，节约能源；没有电磁辐 射，对人体健康没有任何影响。液晶显示器LCD-特点33 未来显示器n发光聚合物技术，坚不可摧；柔

15、韧性好，可以卷起来 n三维显示器34 OLED（Organic Light-Emitting Diode ）n早在1987年，Kodak公司的邓青云博士无意间发现 有机蓄电池的发光现象，继续研究发现，小分子有 机材料中，与金属半导体类似，在电场作用下有发 光现象，电光转化效率也较高。 n随之，英国剑桥大学Jeremy博士证实了大分子有机 化合物也有场致发光效应。n它具有自发光、结构简单、超轻薄、响应速度快、 宽视角、低功耗及可实现柔性显示等特性，被誉为 “梦幻显示器”，35 有机发光显示技术由非 常薄的有机材料涂层和 玻璃基板构成。当有电 荷通过时这些有机材料 就会发光。OLED发光的 颜色取决于有机发光层 的材料，故厂商可由改 变发光层的材料而得到 所需之颜色。有源阵列 有机发光显示屏具有内 置的电子电路系统因此 每个像素都由一个对应 的电路独立驱动。OLED显示器原理36 LCD与OLED的比较结构特征被动发光（光源：背光单元） 视角限制 响应速度慢 结构复杂主动发光，功耗低 无视角限制 响应时间短 结构简单，可做成柔性显示器37 n 2013年1月，LG电子在CES上全球首次发布LG曲面OLED55 寸电视，这表明全球进入了大尺寸OLED时代。4.9mm38 THANKS