1第2章

交互式計算機圖形處理系統

2交互式計算機圖形處理系統Computer+人=交互式PersonelComputer圖形處理系統workstation圖形處理系統要求主機性能更高（強大的浮點運算能力），速度更快，存儲容量更大，外設種類更齊全圖形加速卡，大屏幕顯示器3硬件發展圖形輸入設備的發展第一階段：控制開關、穿孔紙等第二階段：鍵盤、光筆第三階段：二維定位設備，如鼠標、坐標數字化儀、跟蹤球、觸摸屏、操縱桿、掃描儀等第四階段：三維輸入設備（如三維鼠標、空間球、數據手套、數據衣）智能人機接口：用戶的手勢、表情、語音等46自由度三維鼠標

可控制虛擬場景做自由漫游，或控制場景中某物體的空間位置及其方向，一般與數據手套,立體眼鏡配合使用,也可用于CAD/CAM軟件中與普通鼠標配合使用，可顯著提高制作效率

根據球在不同方向受到的推或拉的壓力來實現定位和選擇

圖形輸入設備（1/14）5圖形輸入設備（2/14）數據手套(Dataglove)

可測量出手的位置和形狀，從而實現環境中的虛擬手及其對虛擬物體的操縱。數據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，確定手及關節的位置和方向。6圖形輸入設備（3/14）用于虛擬現實環境的顯示器類型頭盔式顯示器(HeadMountedDisplay，HMD)空間沉浸式顯示器(SID,如洞穴式和園頂式)顯示硬件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，計算機就可以調整觀察者所看到的圖景，使得呈現圖像更趨于真實感絕大多數頭盔式顯示器使用兩個顯示器利用特殊光學設備對圖像進行處理，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，產生一種身在虛擬環境中的錯覺。7圖形輸入設備（5/14）數據衣也是虛擬現實系統中用的人機交互設備一件虛擬現實的數據緊身服可使你有在水中或泥沼中游泳的感覺8圖形輸入設備（6/14）掃描儀常用類型滾筒式由電子分色機發展而來，用光電倍增管作為顏色感受器，將光信號轉換為電信號掃描圖像質量相對較高，可掃描幅面更大平板式采用電荷耦合器件CCD

（ChargeCoupledDevice）平板式掃描儀9圖形輸入設備（7/14）掃描儀工作原理用光源照射原稿投射光線經過一組光學鏡頭，分解為三束光分別通過紅、綠、藍濾色片，完成顏色分解光線被聚焦到CCD器件上，產生強弱不同的電壓信號經模/數轉換器，轉換為數字顏色信息輸入到計算機存儲分色，光電轉換，數字化10圖形輸入設備（8/14）指標分辨率光學分辨率：單位長度能采樣信息點數，由CCD陣列的分布密度決定插值分辨率：驅動軟件插值計算得到的，增加了像素，不增加細節掃描分辨率：掃描時的實際輸入分辨率，由最終輸出分辨率、原稿放大尺寸、掃描光學分辨率等因素決定能放置原稿的原稿的最大尺寸原稿放大倍數如光學分辨率為6000dpi，所需圖像分辨率為300dpi，則可放大20倍位深度、色深度決定可以獲取圖像的最大灰度級數、最多顏色數密度范圍決定圖像的高調和暗調層次，即圖像細節，越寬越好色調靈敏度制造商不公開11圖形輸入設備（9/14）數碼相機突破了傳統相機光學攝影100年來暗房處理和使用感光膠片的束縛以存儲器件記錄信息替代了感光材料記錄信息對印前系統而言，省去了相片掃描數字化工序實現了圖像獲取的所見即所得。采用的攝像感應器有兩種CCDCMOS：便宜，但質量相對較差12圖形輸入設備（9/14）數碼相機工作原理影像→鏡頭→光圈→快門→濾色片分色→CCD（感光晶片,非膠片,光電轉換，產生不同的電壓）→經A/D轉換，變成數字信號→記錄在可轉換的硬卡（存儲器）上分解顏色，捕獲三原色信號13圖形輸入設備（10/14）圖形輸入的一個特殊領域真實物體的三維信息的輸入

零件進行大規模生產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采集實物表面各個點的位置信息掃描保存古代名貴的雕塑和其它藝術品的三維信息在計算機中產生這些藝術品的三維模型14美國斯坦福大學計算機系的著名圖形學專家MarcLevoy曾經帶領他的30人工作小組（包括美國斯坦福大學及美國華盛頓大學的教師和學生）于1998～1999學年在意大利，專門對文藝復興時代的雕刻大師米開朗基羅的眾多藝術品進行掃描，保存其形狀和面片信息專門設計了一套硬件和軟件系統數據量驚人，光大衛像就有20億個多邊形和7000張彩色圖象，總共需要72G的磁盤容量實體圖形輸入的一個顛峰之作圖形輸入設備（11/14）15圖形輸入設備（12/14）三維數字化儀工作原理電磁感應技術由一塊數據板和一根觸筆組成數據板中布滿了金屬柵格，當觸筆在數據板上移動時，其正下方的金屬柵格上就會產生相應的感應電流根據已產生電流的金屬柵格的位置，就可以判斷出觸筆當前的幾何位置許多數字化儀提供了多種壓感電流，用不同的壓力就會有不同的信息傳向計算機16美術家數字化儀（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現在非常流行的漢字手寫系統就是一種數字化儀電腦藝術圖形輸入設備（14/14）17圖形輸入設備（12/13）“威力手”（MicroDcribeG2）美國Immersion公司研制生產的三維數字化儀，用于建立精確細致的三維電腦模型。由三段碳纖維臂構成，體積小，方便攜帶，臂與臂之間由球形連接器相連，內置高精度位置和方向傳感器，以感知探頭所處位置是產品設計工程師、機械工程師、動畫制作設計人員、游戲開發人員和科研工作者理想的三維數字化儀?？稍谌魏涡螤?、尺寸和材料的物體表面采集數據，只要沿著物體輪廓進行描繪，幾分鐘內就可建立復雜的三維數據集。

18圖形輸出(顯示、打?。┰O備：陰極射線管顯示器（CRT），液晶顯示器（LCD）等繪圖儀，打印機，雙監視器圖形工作站MediaWall多屏幕系統——監視器陣列交易展示、大型會議、博物館、旅客候機廳等

19CRT顯示器分類陰極射線管（CRT）CathodeRayTube單色CRT彩色CRT20陰極射線管(CRT)組成包括電子槍、聚焦系統、加速電極、偏轉系統、熒光屏工作原理電子槍發射電子束經過聚焦系統、加速電極、偏轉系統轟擊到熒光屏的不同部位被其內表面的熒光物質吸收發光產生可見的圖形結構21電子槍電燈絲的組成陰極由燈絲加熱發出電子束控制柵加上負電壓后，能夠控制通過其中小孔的帶負電的電子束的強弱通過調節負電壓高低來控制電子數量即控制熒光屏上相應點的亮度22聚焦系統通過電場和磁場控制電子束變細，保證亮點足夠小，提高分辯率

加速電極加正的高壓電（幾萬伏）

使電子束高速運動

控制靜電場或磁場，使電子束產生偏轉，最大偏轉角是衡量系統性能的最重要的指標，顯示器長短與此有關。偏轉系統23熒光屏

熒光物質：吸收電子束而發光余輝時間：持續發光時間，電子束離開某點后，該點的亮度值衰減到初始值 刷新(Refresh)：為了讓熒光物質保持一個穩定的亮度值刷新頻率：每秒鐘重繪屏幕的次數，顯示器對圖像進行更新的速率

60~120Hz之間（低于72Hz普遍會有閃爍感）視頻電子標準協會(VESA)對顯示器的時序進行了規范例如，75Hz時1280*1024分辨率顯示的VESA標準是屏幕每13.33ms更新一次像素(Pixel)：構成屏幕（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單位通常為dpi（dotsperinch)。在假定屏幕尺寸一定的情況下，也可用整個屏幕所能容納的像素個數描述如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等

某種CRT產生穩定圖像所需要的最小刷新頻率=1秒/熒光物質的持續發光時間24彩色CRT滲透型常用于隨機掃描顯示器射線穿透法多槍型常用于光柵掃描顯示器影孔板法彩色陰極射線管25射線穿透法（beampenetration）原理：兩層熒光涂層，紅色光和綠色光兩種發光物質，不同速度電子束穿透熒光層的深淺，決定所產生的顏色電子束熒光涂層產生顏色低速電子束較低速電子束較高速電子束高速電子束應用：主要用于畫線顯示器優點：成本低缺點：只能產生有限幾種顏色26影孔板法原理：影孔板被安裝在熒光屏的內表面，用于精確定位像素的位置外層玻璃熒光涂層影孔板27影孔板的類型點陣式蔭罩（影孔板）代表：球面顯像管柵線式蔭罩（影孔板）代表：柱面顯像管

日本索尼公司的特麗瓏管（Trinitron）三菱公司的鉆石瓏管（Diamondtron）

柵格式（溝槽式）影孔板代表：LG的Flatron顯像管28點陣式蔭罩（影孔板）工作原理紅、綠、蘭三基色三色熒光點（很小并充分靠近--〉像素）三支電子槍電子槍、影孔板中的一個小孔和熒光點呈一直線每個小孔與一個像素（即三個熒光點）對應29顯示器能同時顯示的顏色個數如果每支電子槍發出的電子束的強度有256個等級，則顯示器能同時顯示256*256*256=16M種顏色，稱為真彩色系統調節各電子槍發射電子束中所含電子的數目，可控制各色光點亮度30柵線式蔭罩的優點原理的區別光線的選擇方式和熒光點的排列不同點陣式的缺點球面熒光屏，幾何失真大三角形的熒光點排列即使點很密很細也不會特別清晰柵線式的優點亮度更高，色彩也更鮮艷柱面和平面顯示器電子束通過率有很大提高31蔭罩式顯示器的固有缺陷由合金鋼板制成的蔭罩易磁化受熱受沖擊時易變形顯像管內射向熒光屏的電子束中有75％以上被蔭罩阻擋，轉變成熱量浪費了屏幕尺寸越大或清晰度越高，就越難制造，生產成本高，成品率偏低，價格過高制約彩色顯像管清晰度提高的技術瓶頸是彩色顯像管中的蔭罩32新技術取消蔭罩單槍單束利用時分復用技術依序輪流調制單個電子束的電流，只需一支電子束就能完成現有技術用三槍三束或單槍三束才能完成的任務電子束按同步順序掃過G、R、B三色熒光粉條33CRT顯示器分類直視存儲管式（Direct-ViewStorageTubes）利用管子本身存儲信息，類似于一個長余輝的CRT，不必刷新刷新式隨機掃描式（Random-Scan）光柵掃描式（Raster-Scan）34隨機掃描的顯示系統特點數據表示：矢量表示，只有端點信息，無線段中間點掃描方式：電子束像一支快速移動的畫筆，可隨意移動，只掃描熒屏上要顯示的部分，與示波器工作原理類似顯示圖形：幾何屬性（geometricattribute）為主，線架圖優點：掃描速度快，分辨率高，線條質量好，易修改，交互性好，動態性能好缺點：價格貴，只能顯示線畫圖形，應用于軍事、CAD領域35光柵掃描的顯示系統特點：數據表示：像素矩陣，像素數組掃描方式：從上到下，從左到右，與電視工作原理類似顯示圖形：幾何屬性+視覺屬性（Visualattribute），真