计算机图形学 第二章

第 二 章 图 形 系 统 本 章 重 点1.图 形 系 统 的 组 成 （ 硬 件 、 软 件 ） 及 功 能 。2.目 前 常 见 的 几 类 图 形 系 统 。3.图 形 输 入 设 备 的 分 类 。4.光 栅 扫 描 图 形 显 示 器 。 2.1 图 形 系 统 的 组 成 及 功 能 主 机 硬 件 图 形 外 部 设 备 计 算 机 图 形 系 统 操 作 系 统 系 统 软 件 网 络 软 件 软 件 支 撑 软 件 应 用 软 件 图 形 系 统 的 基 本 功 能 ：1. 计 算 功 能 实 现 图 形 处 理 过 程 中 的 计 算 、 变 换 和 分 析 。2. 存 储 功 能 存 储 与 图 形 有 关 的 各 类 信 息 （ 几 何 、 拓 扑 ） ， 并 能 对其 进 行 检 索 、 增 、 删 等 操 作 。3. 输 入 功 能 输 入 与 图 形 生 成 和 操 作 相 关 的 各 类 参 数 和 命 令 。4. 输 出 功 能 在 各 类 图 形 输 出 设 备 上 输 出 图 形 。5. 对 话 功 能 通 过 各 种 人 -机 交 互 设 备 实 现 交 互 操 作 。 2.2 图 形 系 统 的 分 类一 . PC图 形 系 统 PC 机 键 盘鼠 标打 印 机绘 图 仪 彩 色 图 形 显 示 器 图 形 适 配 卡特 点 ： 1. 价 格 低 廉 ， 易 于 使 用 。 2.图 形 处 理 主 要 靠 软 件 和 CPU来 完 成 ， 较 难 承 受 三 维 图 形 实 时 处 理 时 的 计 算 量 。改 进 ： 配 置 高 档 图 形 卡 ， 如 Leadtek Quadro 6000 。 Leadtek Quadro 6000 名 称 ： Leadtek Quadro 6000 接 口 ： PCI Express 2.0 显 存 ： 6144MB (G)DDR5 显 存 位 宽 ： 384bit 核 心 频 率 ： 575MHz 显 存 频 率 ： 3000MHz 显 存 带 宽 ： 144GB/s 流 处 理 器 ： 448个 统 一 渲 染 单 元 ， 工 作 频 率 1150MHz 价 格 ： 39999元 二 . 工 作 站 (Workstation) 主 要 特 点 ： 1. 运 算 速 度 高 采 用 64位 的 CPU 采 用 RISC技 术 采 用 多 处 理 器 结 构 实 现 并 行 处 理 2. 图 形 处 理 功 能 强 配 有 专 用 的 图 形 处 理 硬 件 子 系 统 。 例 如 几 何 处 理 器GE(Geometry Engines) 、 图 形 处 理 机 。 显 示 分 辨 率 高 ， 色 彩 丰 富 。 3. 存 储 量 大 4. 操 作 方 式 多 任 务 、 多 进 程 配 备 UNIX和 窗 口 管 理 系 统 (X-window、 Motif、 OpenLook) 普 遍 采 用 了 超 标 量 、 超 流 水 线 、 超 长 指 令 字 等 先 进 技 术 。 5. 价 格 较 高 。 主 要 的 厂 商 ： SUN、 SGI、 IBM、 COMPAQ/DEC、 HP等 。 MIPS R1200 300 MHz, 1MB L2 cache , 128MB to 1GB Synchronous DRAM Resolution up to 1600 x1024 三 虚 拟 现 实 系 统 -VR(Virtual Reality) 虚 拟 现 实 系 统 又 称 之 为 虚 拟 现 实 环 境 ， 是 指 由 计 算 机 生 成的 一 个 实 时 三 维 空 间 。 虚 拟 现 实 技 术 主 要 研 究 交 互 式 实 时 三 维 图 形 在 计 算 机 环 境模 拟 方 面 的 应 用 。 虚 拟 现 实 系 统 除 了 具 有 常 规 的 高 性 能 计 算 机 系 统 的 硬 件 和软 件 外 ， 还 必 须 对 下 列 关 键 技 术 提 供 强 有 力 的 支 持 ： 1 能 以 实 时 的 速 度 生 成 具 有 高 度 逼 真 感 的 景 物 图 形 ； 2 能 高 精 度 地 实 时 跟 踪 用 户 的 头 和 手 ； 3 头 带 显 示 器 能 产 生 高 分 辨 率 图 像 并 有 较 大 的 视 角 ； 4 能 对 用 户 的 动 作 产 生 力 学 反 馈 。 还 需 配 备 有 三 维 输 入 设 备 ： 例 如 控 制 球 、 指 套 、 操 纵 盒 、 数 据 手 套 等 。 2.3 图 形 外 部 设 备一 . 图 形 输 入 设 备 按 逻 辑 功 能 可 分 为 六 类 ： 1. 定 位 （ locator） 基 本 功 能 ： 输 入 一 个 点 坐 标 。 典 型 物 理 设 备 ： 数 字 化 仪 （ digitizer） 图 形 输 入 板 （ teblet） 、 鼠 标 器 （ mouse） 、 操 纵 杆 （ joystick） 、 跟 踪 球 （ track ball） 2. 笔 划 （ stroke ） 基 本 功 能 ： 输 入 一 系 列 点 坐 标 。 典 型 物 理 设 备 ： 数 字 化 仪 （ digitizer） 、 鼠 标 器 （ mouse） 图 形 输 入 板 （ teblet） 美 国 CALCOMP公 司 生 产 的 数 字 化 仪 CALCOMP UltraSlate绘 图 板 （ 图 形 输 入 板 ） 台 湾 Logitech公 司 生 产 的 操 纵 杆 台 湾 Logitech公 司 生 产 的 跟 踪 球 （ 无 线 和 有 线 ） 3. 数 值 （ valuator） 基 本 功 能 ： 输 入 一 个 数 据 （ 整 数 或 实 数 ） 。 典 型 物 理 设 备 ： 键 盘 （ keyboard） 。 4. 选 择 （ choice） 基 本 功 能 ： 给 应 用 程 序 返 回 一 个 整 数 值 ， 实 现 某 种 选 择 。 典 型 物 理 设 备 ： 功 能 键 。 5. 拾 取 （ pick） 基 本 功 能 ： 拾 取 一 个 显 示 着 的 图 元 。 典 型 物 理 设 备 ： 光 笔 （ 通 常 采 用 软 件 的 方 法 来 模 拟 ） 。 6. 字 符 串 （ string） 基 本 功 能 ： 输 入 一 串 字 符 。 典 型 物 理 设 备 ： 键 盘 二 . 图 形 输 出 设 备1. 硬 拷 贝 设 备 笔 式 绘 图 仪 （ 滚 筒 式 、 平 板 式 ） 喷 墨 绘 图 仪 数 码 相 机 日 图 MP5000系 列绘 图 幅 面 A3绘 图 笔 数 8笔绘 图 精 度 0.005mm H P DesignJet 5500PS最 高 分 辨 率 (dpi)： 600 1200 打 印 速 度 (m2/hr)： 17.6 最 大 打 印 宽 度 (mm)： 1520 参 考 报 价 ： 142000元 CALCOMP 宽 幅 喷 墨 绘 图 机 理 光 DC R10 采 用 1030万 像 素 的 原 色 CCD， 具 有 3英 寸 LCD显 示 屏 、 28-200mm广 角 ， 3648 2736最 高 图 像 分 辨 率 ， 7.1倍 光 学 变 焦镜 头 ， 1cm 超 微 距 ， 光 学 防 抖 ， 168g。优 点 ： 1） 开 机 迅 速 2） 1cm微 距 拍 摄 3） 焦 距 范 围 大 4） CCD防 抖 效 果 明 显 5） 成 像 色 彩 饱 和 6） 实 用 的 电 子 水 平 仪 尼 康 D1H， 数 码 相 机 之 经 典 机 型 D1H最 重 要 的 性 能 是 具 有 高 速 快 门 和 连 拍 功能 ,快 门 速 度 达 到 了 1/16000秒 ,每 秒 高 达 5张 。 尼 康 D3X 尼 康 D3X 尼 康 D3X产 品 类 型 ： 全 画 幅 数 码 单 反 相 机 感 光 器 件 ： CMOS 最 大 像 素 数 （ 万 个 ） ： 2572 最 高 分 辨 率 （ 像 素 ） ： 6048 4032 显 示 屏 尺 寸 （ 英 寸 ） ： 3 快 门 速 度 ： 30秒 -1/8000秒 连 拍 模 式 ： 最 高 达 每 秒 11张续 航 能 力 ： 4400张重 量 ： 1220克 （ 无 电 池 ） 单 电 相 机索 尼 Nex7 传 感 器 类 型 Exmor APS HD CMOS 最 大 象 素 数 ： 2470万 像 素 有 效 像 素 2430万 最 高 分 辨 率 ： 6000 4000 快 门 速 度 ： 30-1/4000秒 连 拍 ： 速 度 优 先 连 续 拍 摄 模 式 ， 最 高 10张 /秒 镜 头 说 明 ： 索 尼 E卡 口 镜 头 显 示 屏 ： 3英 寸 ， 可 旋 转 重 量 ： 291g（ 仅 机 身 ） 2.显 示 设 备 1) 光 栅 扫 描 显 示 器 基 本 结 构 及 工 作 原 理 特 点 ： 光 栅 扫 描 式 显 示 器 是 一 种 画 点 设 备 ， 可 看 作 是 一 个 点 阵 单 元发 生 器 ， 并 可 控 制 每 个 点 阵 单 元 的 亮 度 。 每 个 可 寻 址 的 点 阵 单 元 称 为 一 个 像 素 （ pixel ） 。 显 示 器 在 水 平 和 垂 直 方 向 上 能 够 寻 址 的 像 素 数 称 为 分 辨 率 。 锯 齿 现 象 走 样 （ aliasing） 2） LCD显 示 器基 本 原 理 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 。 液 晶 屏 幕 后 面 有 一 个 背 光 ， 这 个 光 源 先 穿 过 第 一 层偏 光 板 ， 再 来 到 液 晶 体 上 ， 而 当 光 线 透 过 液 晶 体 时 ，就 会 产 生 光 线 的 色 泽 改 变 ， 从 液 晶 体 射 出 来 的 光 线 ，还 得 必 须 经 过 一 块 彩 色 滤 光 片 以 及 第 二 块 偏 光 板 。 LCD显 示 器 的 基 本 指 标可 视 角 度 ： 能 看 到 清 晰 图 象 的 最 大 角 度 被 我 们 称 为 可视 角 度 。 一 般 所 说 的 可 视 角 度 是 指 左 右 两 边 的 最 大 角度 相 加 。点 距 ： 两 个 液 晶 颗 粒 （ 光 点 ） 之 间 的 距 离 ， 一 般 0.28 0.32mm就 能 得 到 较 好 的 显 示 效 果分 辨 率 ： 指 其 真 实 分 辨 率 ， 表 示 水 平 方 向 的 像 素 点 数与 垂 直 方 向 的 像 素 点 数 的 乘 积 3)帧 缓 存 (frame buffer) 屏 幕 上 的 像 素 点 和 帧 缓 存 中 的 存 储 单 元 之 间 具 有 一 一 对 应的 关 系 ， 所 以 帧 缓 存 的 单 元 数 至 少 等 于 当 前 分 辨 率 下 的 屏 幕 象素 总 和 。 对 于 黑 白 图 形 只 有 黑 白 两 级 灰 度 ， 因 此 每 个 像 素 只 需 一 个bit表 示 ， 通 常 将 其 称 之 为 一 个 位 面 (plan)。 对 于 彩 色 图 形 ， 则 需 要 若 干 个 bit来 表 示 每 个 像 素 的 颜 色 值， 也 就 是 需 要 若 干 个 位 面 。 若 设 位 面 数 为 n， 那 么 所 能 表 示 的 颜色 总 数 为 2的 n次 方 。 000010101010110001001011 D/AD/AD/A 红 绿 蓝 CRT光 栅彩 色 电 子 枪帧 缓 冲 存 储 器8 8 8N 寄 存 器 问 题 ： 若 光 栅 扫 描 式 显 示 器 的 分 辨 率 为 1024 768 要 使 屏 幕 上 可 显 示 的 色 彩 总 数 达 到 224种 帧 缓 冲 存 储 器 的 容 量 至 少 应 该 多 大 ？答 案 ： 1024 768 3B = 2304 KB = 2.25MB 帧 缓 冲 存 储 器 的 容 量 应 该 3MB 4)彩 色 表 技 术目 的 ： 以 较 小 的 帧 缓 存 来 达 到 在 较 大 范 围 内 挑 选 颜 色 的 能 力 。01000011 025567 1001 1010 0001R G B帧 缓 存 彩 色 表 显 示 器5)显 示 处 理 器 （ GPU） 显 示 处 理 器 + 帧 缓 存 显 卡 图 形 处 理 器 图 形 处 理 硬 件 子 系 统 2.4 图 形 软 件1. 图 形 软 件 的 组 成1） 零 级 图 形 软 件 ： 解 决 图 形 设 备 与 主 机 的 通 讯 、 接 口 等 问 题 ，又 称 设 备 驱 动 程 序 。2） 一 级 图 形 软 件 ： 包 括 生 成 基 本 图 形 元 素 、 对 设 备 进 行 管 理 的各 程 序 模 块 ， 又 称 基 本 子 程 序 。3） 二 级 图 形 软 件 ： 建 立 图 形 数 据 结 构 ， 定 义 、 修 改 和 输 出 图 形 ；以 及 建 立 各 图 形 设 备 之 间 的 联 系 ， 具 有 较 强 的 交 互 功 能 。 也 称功 能 子 程 序4） 三 级 图 形 软 件 ： 为 解 决 某 种 应 用 问 题 的 图 形 软 件 ， 是 整 个 应用 软 件 的 一 部 分 。 2. 基 本 图 形 软 件 （ 支 撑 软 件 ）1） 内 容 ： 系 统 管 理 程 序 、 定 义 和 输 出 基 本 图 素 和 复 合 图 素 的程 序 、 图 形 变 换 （ 包 括 几 何 变 换 、 裁 剪 等 ） 程 序 、 实 时 输入 处 理 程 序 、 交 互 处 理 程 序 。2） 常 见 支 撑 软 件 高 级 语 言 （ 扩 充 了 图 形 处 理 子 程 序 包 ） ： Turbo C、 Turbo Pascal、 NDP FORTRAN 、 Delphi 、 VB、 VC等 交 互 式 图 形 软 件 （ 与 硬 件 平 台 有 关 ） 微 机 ： AutoCAD、 3DSMAX、 MicroStation、 SoftImage 3D等 。 工 作 站 ： Euclid 、 IDEAS 、 Unigraphics 、 MAYA等 。 2.5 图 形 标 准 目 的 ： 将 图 元 的 绘 制 、 交 互 操 作 、 图 形 设 备 的 驱 动 、 图 形文 件 的 存 储 和 传 送 等 标 准 化 ， 便 于 图 形 应 用 程 序 的 开 发 和 移 植 。 1. 基 本 图 形 交 换 规 范 IGES 定 义 了 一 套 表 示 图 形 系 统 中 常 用 的 几 何 和 非 几 何 数 据 的 格式 以 及 相 应 的 文 件 结 构 ， 解 决 不 同 图 形 系 统 间 的 数 据 传 送 问 题 。 2. 图 形 核 心 系 统 GKS 定 义 了 一 个 独 立 于 语 言 的 图 形 系 统 核 心 ， 提 供 了 在 应 用 程序 和 图 形 输 入 输 出 设 备 之 间 的 标 准 功 能 接 口 。 3. 程 序 员 级 层 次 结 构 图 形 系 统 PHIGS 为 应 用 程 序 员 提 供 的 控 制 图 形 设 备 的 子 程 序 接 口 标 准 。 便于 描 述 多 层 次 的 应 用 模 型 。 4. 计 算 机 图 形 设 备 接 口 CGI 提 供 一 种 与 设 备 无 关 的 虚 拟 图 形 设 备 驱 动 程 序 的 标 准 。5. 计 算 机 图 形 元 文 件 CGM 定 义 了 一 套 与 设 备 无 关 的 图 形 文 件 格 式 ， 提 供 了 随 机 存 取 、传 送 图 形 文 件 ， 以 及 将 不 同 图 形 系 统 所 产 生 的 图 形 集 成 到 一 起的 手 段 。 本 章 小 结1。 计 算 机 图 形 系 统 与 一 般 计 算 机 系 统 的 主 要 区 别 在 于 强 调 图 形 处 理 能 力 。 因 此 ， 对 主 机 的 要 求 相 对 较 高 ， 并 配 有 相 应 的 图 形 外 部 设 备 和 图 形 软 件 。2。 目 前 常 用 的 图 形 系 统 从 应 用 层 次 上 来 分 主 要 有 PC图 形 系 统 、 工 作 站 和 虚 拟 现 实 系 统 等 三 类 。3。 图 形 输 入 设 备 按 逻 辑 功 能 可 分 为 六 类 ， 每 一 类 逻 辑 功 能 都 可 由 一 些 相 应 的 图 形 设 备 来 实 现 。4。 光 栅 扫 描 显 示 器 是 一 种 画 点 设 备 ， 当 前 显 示 的 图 形 信 息 是 存 放 在 帧 缓 存 中 。 5。 为 了 实 现 图 形 操 作 的 标 准 化 ， 便 于 图 形 应 用 程 序 的 开 发 和 移 植 ， 定 义 了 一 些 相 关 的 图 形 标 准 。