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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 2.1.1 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 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 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 ();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, 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。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 = 250,0,250,500;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,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 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
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