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1.2_图形系统

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计算机图形学 图 学
唐慧
影像科学与技术实验室 东南大学计算机学院 corinna@ i @ d


1.2：图形系统
1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5 1.2.6 基本图形系统 基本 系统 图像的形成 虚拟照相机模型 程序员接口（API） 程序员接 ） 图形系统的体系结构 可编程流水线


1.2.1 1 2 1 基本图形系统


基本图形系统
输入设备 图像在帧缓 冲区形成
输出设备


像素和帧缓存
图像以像素数组的形式存贮在帧缓冲区中 图像 像素数组的 式存贮在帧缓冲 中
5


输出设备：显示器
显示内容为帧缓冲区中存储格式的直观反映 内容为帧缓冲 中存储格式的直 反映 典型分辨率有 800x600 1024x768 1280x800 1280x1024
6


1.2.2 1 2 2 图像的形成


本节内容
图像的基本概念 图像的物理基础
光照 颜色 感知
8


图像：物理的和合成的 成
计算机图形学中，图像的构造过程类似于物理方 法成像的过程
照相机 显微镜 望远镜 人类视觉系统
9


图像构造的要素
对象 观察者 光源
材料的属性确定光照射在物体上的效果 注意物体对象、观察者以及光源三者完全 独立。

独立
10


图像生成模型
从一个点光源出发，跟踪 所有的光线，确定哪些光 线进入照相机的镜头 线进 照相机的镜头
每条光线在被吸收或者进入 无穷空间之前，有可能与物 体发生多次接触。

体发生多次接触
11


成像系统：针孔相机
(x,y,z)点的投影位置 xp= -x/z/d yp= -y/z/d zp = d
12


成像系统：人类视觉系统
人类视觉系统有两种类型的感光细胞 人类视觉系统有 种类型的感光细胞
杆状细胞 Rods: 单色的、夜视 锥状细胞 Cones
感受彩色 三种类型 种类型 只有三种感受值（刺激）送到大脑
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三色理论 色
只需匹配这三种值，即所谓的三原色(three 需 这 种值 所 的 原色 primary colors)
R(ed)、G(reen)、B(lue) ( ) ( ) ( ) 在计算机图形学中所谓的三原色不一定与人眼所感受 的三种值恰好完全匹配
14


加色与减色
加色
把三原色的值加在一起形成一种颜色
CRT, 投影仪,正片 CRT 投影仪 正片
Red (R), Green (G), Blue (B)
减色
通过在白光中过滤掉蓝绿色(cyan), 洋红色(magenta) 和黄色(yellow)形成最终的颜色
光线和物体的相互作用 彩色打印 负片
15


1.2.3 1 2 3 虚拟照相机模型


虚拟照相机模型
裁剪窗口 投影线
像平面 投影中心 P的投影
p
17


虚拟相机模型优点
把对象、观察者和光源区分开 把对象 观察者和光源区分开 二维图形是三维图形的一个特殊情形 可以得到简单的应用程序接口API (Application programming interface)
指定对象、光源、照相机、材质属性 由API的实现确定最终的图像
可以得到快速的硬件实现。


18


回顾图像形成 成
能否模拟虚拟照相机模型来设计图形系统中的软 硬件？ 应用程序接口 (API)
用户只需指定
对象 材料 观察者 察者 光源
如何实现API？
19


1.2.4 1 2 4 程序员接口


应用程序接口 序接
程序设计人员是通过接口与图形系统打交道，这 个接口就是应用程序接口（API）
21


API 构成 成
通过函数定义构成一幅图像所需要的内容 通过函数定义构成 幅图像所需要的内容
对象 观察者 察者 光源 材质属性
其它信息
从鼠标和键盘等设备获取的输入信息 系统配置
22


对象定义
场景对象由基本图元定义 绝大多数API支持一些基本图元，例如：
点 Points (1D object) 线段 Line segments (2D objects) 多边形 P l Polygons (3D objects) bj ) 某些曲线和曲面
二次曲面 Quadrics 多项式参数曲面
所有基本图元都是通过空间中的位置或者说顶点 (vertices)定义的。


23


OpenGL示例
对象类型 顶点位置
glBegin(GL_POLYGON) glVertex3f(0.0, 0.0, 0.0); glVertex3f(0 0 0 0 0 0); glVertex3f(0.0, 1.0, 0.0); g glVertex3f(0.0, 0.0, 1.0); ( , , ) glEnd( );
对象定义结束
24


照相机的指定
位置：投影中心（COP） 位置 投 中 方向：相机坐标系 焦距
决定了在胶卷平面上成像尺寸
胶卷平面
大小 方向
25


光源与材质
光源类型
点光源与分布式光源 聚光灯 光源的远近 颜色属性
材质属性
吸收性：颜色属性 吸收性 颜色属性 反射性
漫反射 镜面反射
26


1.2.5 1 2 5 图形系统的体系结构


显示处理器


流水线体系结构
流水线概念 算术流水线
图形绘制流水线


顶点处理
流水线中大部分工作是把对象从一个坐标系中变 换到另一坐标系：
世界坐标系 相机坐标系 屏幕坐标系
每个变换相当于一次矩阵乘法 顶点处理器还计算顶点颜色
30


裁剪
真正的照相机不能“看到”整个世界，图形 学中虚拟的照相机也只能看到世界的一部分
不在下述视景体中的对象要从场景中裁剪掉
31


图元组装
裁剪过程必须对图元逐个进行，而不是对顶点。

因此在进行裁剪之前，必须把顶点组合成图元
线段 多边形 曲面


光栅化
如果一个对象在图像中可见，那么就需要确定帧 缓冲区相应像素的颜色 光栅化为每个物体确定一系列的片元(fragment) 片元是 潜在像素 片元是“潜在像素”
对应于帧缓存中的像素 有颜色和深度信息
光栅化过程把顶点属性进行插值处理
33


片元处理
片元处理决定帧缓存中对应像素的颜色 片 决定帧缓存中对应像素的颜色 颜色会受到纹理或者顶点颜色插值的影响 由于更靠近相机的片元遮挡，某些片元可能不可 见 不完全遮挡 半透明效果


1.2.6 1 2 6 可编程流水线


可编程流水线
可编程部分 编程部分
顶点处理模块 片元处理模块









。

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每一个普通版本都将被支持 18 个月，长期支持版(Long Term Support, LTS)的桌面版本支持 3 年，服 务器版本则是 5 年。
（1）Ubuntu 正式支援的衍生版本包括： 1、Kubuntu：使用和 Ubuntu 一样的软件库，但不采用 GNOME，而使用更为美观的 KDE 为其预定桌 面环境。 2、Edubuntu：是 Ubuntu 的教育发行版。这是为了使教育工作者可以在短于一小时的时间内设计电脑 教室，或建立网上学习环境，并且可即时控制该环境而不用在家学习而创作的。 3、Xubuntu：属于轻量级的发行版，使用 Xfce4 作为桌面环境，与 Ubuntu 采用一样的软件库。 4、Ubuntu Server Edition：其提供了服务器的应用程序，如一个电邮服务器、一个 LAMP 网页服务器 平台、DNS 设定工具、档案服务器与数据库管理。与原来的桌面版本比较起来，服务器版的光碟映像 档体积较细，并且其对硬件规格的要求更低。若要运行服务器版，最少只需要有500 MB 的硬盘空间与 64 MB 的内存便可。然而其并没有任何桌面环境提供，使用者在缺省环境里只可使用文字接口。 5、Gobuntu：GNU 版本，只使用自由软件基金会认证过的自由软件，不含任何非开源成分。 6、Ubuntu Studio：音频,视频和图像设计专用版本。 7、Ubuntu JeOS：JeOS，即──Just enough Operation System（刚刚好的系统），发音同：Juice， 是一个高度精简的、专门面向虚拟化应用的发行版。也就面向虚拟化技术的系统。可当修复盘用。 8、Mythbuntu：Mythbuntu,是一套基于 Ubuntu 的面向媒体中心电脑的发行版.MythTV 是其中最重要的 组成之一，用于实现媒体中心等功能。新版本改用了 Xfce。 9、Lubuntu：另一个轻量级的 Ubuntu 版本 （2011年10开始）
Windows操作系统发展史

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Windows操作系统发展史Windows操作系统发展史1.Windows 1.0（1985年）1.1 特点-以图形用户界面（GUI）为特色-支持多任务处理能力1.2 功能- 文件管理- 支持文字处理、图形绘制等基本应用程序 1.3 注记-首次引入了Windows的界面设计风格2.Windows 2.0（1987年）2.1 特点-改进的用户界面，支持重叠的窗口-引入了面向对象编程概念2.2 功能-增强了文本处理和图形处理功能2.3 注记-实现了多任务处理和虚拟内存管理功能3.Windows 3.0（1990年）3.1 特点-全面改进的用户界面-引入了多媒体功能3.2 功能-支持TrueType字体和256色图形显示 3.3 注记-Windows开始成为主流操作系统4.Windows 95（1995年）4.1 特点-全面重新设计的用户界面-引入了开始菜单和任务栏4.2 功能-支持32位应用程序-内置了Internet Explorer浏览器4.3 注记-开启了Windows操作系统的新篇章5.Windows 98（1998年）5.1 特点-改进的用户界面-增强了多媒体功能和网络支持5.2 功能-支持大容量硬盘和USB设备-引入了Windows Update功能5.3 注记-进一步稳定和完善了Windows操作系统6.Windows XP（2001年）6.1 特点-全面重新设计的用户界面-稳定性和安全性的重大改进6.2 功能-引入了用户账户控制（UAC）功能-支持多用户登录6.3 注记-成为Windows操作系统最成功的版本之一7.Windows Vista（2007年）7.1 特点-全面改进的用户界面-增强了系统安全性和稳定性7.2 功能-引入了Windows Aero界面风格-支持Windows Sidebar和Gadgets7.3 注记-但用户体验不够理想，成为较为失败的版本之一8.Windows 7（2009年）8.1 特点-稳定的用户界面和良好的用户体验-优化了硬件兼容性和性能8.2 功能-引入了任务栏预览和库功能-支持多点触控技术8.3 注记-成为Windows操作系统的经典版本之一9.Windows 8（2012年）9.1 特点-全面重新设计的用户界面，引入新的Metro风格 -主要面向触摸屏设备9.2 功能-引入了Windows Store应用商店-增强了云服务和安全功能9.3 注记-但引起了用户和业界的争议10.Windows 10（2015年）10.1 特点-整合了Windows 7和Windows 8的优点-全球通用的操作系统10.2 功能-恢复了开始菜单-支持虚拟桌面、Cortana语音等新特性10.3 注记-成为最新的、最受欢迎的Windows操作系统版本附件：无法律名词及注释：1.GUI：图形用户界面，即通过图形元素（如窗口、按钮等）进行操作与交互的计算机用户界面。

计算机图形学1.2章答案

计算机图形学1.2章答案

计算机图形学1.2章答案判断题1.构成图形的要素可分为两类：刻画形状的点、线、面、体的非几何要素与反映物体表面属性或材质的明暗、色彩等的几何要素。

（错误）2.参数法描述的图形叫图形；点阵法描述的图形叫图像。

（正确）3.字符的图形表示分为点阵和矢量两种形式。

（正确）4.LCD表示发光二极管显示器。

（错误）填空题1.图形的输入设备有键盘、鼠标、光笔（至少写三种）；图形的显示设备有CRT显示器、LCD、投影仪（至少写三种）。

2.一个交互式计算机图形系统应具有计算、存储、对话、输入和输出等五个方面的功能。

3.字符作为图形有点阵字符和矢量字符之分。

4.平面图形在内存中有两种表示方法，即栅格表示法和矢量表示法。

选择题1.以计算机中所记录的形状参数与属性参数来表示图形的一种方法叫做（），一般把它描述的图形叫做（）；而用具有灰度或颜色信息的点阵来表示图形的一种方法是（），它强调图形由哪些点组成，并具有什么灰度或色彩，一般把它描述的图形叫做（A）A参数法、图形、点阵法、图像 B点阵法、图像、参数法、图形C参数法、图像、点阵法、图形 D点阵法、图形、参数法、图像2.下列设备中属于图形输出设备的是（ B）○1鼠标○2LCD○3键盘○4LED○5打印机○6扫描仪○7绘图仪○8触摸屏A○1○3○6○8 B○2○4○5○7 C○2○5○6○7 D○4○6○7○8问答及计算题1.计算机图形显示器和绘图设备表示颜色的方法各是什么颜色系统？它们之间的关系如何？答：计算机图形显示器是用RGB方法表示颜色，而绘图设备是用CMY方法来表示颜色的。

它们之间的关系是：两者都是面向硬件的颜色系统，前者是增性原色系统，后者是减性原色系统，后者是通过在黑色里加入一种什么颜色来定义一种颜色，而后者是通过指定从白色里减去一种什么颜色来定义一种颜色2.简述帧缓存与显示器分辨率的关系。

分辨率分别为640×480，1280×1024，和2560×2048的显示器欲存储每个像素12位，这些系统各需要多大的帧缓冲器（字节数）？解：480640=48012640?需要的帧缓存为KB4508/10241280=128/1280?需要的帧缓存为KB1024192020482560=8/2048122560?需要的帧缓存为KB76803.为什么要制定图形软件标准？可分为哪两类？答：为了提高计算机图形软件、计算机图形的应用软件以及相关软件的编程人员在不同计算机和图形设备之间的可移植性。