第二章-(计算机图形学交互技术).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,计算机图形学基础,Computer Graphics,2011.9,第二章 图形交互系统,交互式计算机图形系统的组成,通用外部设备,图形显示终端,图形输入设备,图形输出设备,计算机,1 概述,交互式计算机图形处理系统,Computer+,人,=,交互式,Personel,Computer,图形处理系统,workstation,图形处理系统,要求主机性能更高（强大的浮点运算能力），速度更快，存储容量更大，外设种类更齐全,图形加速卡，大屏幕显示器,1 概述,三维鼠标,空间球,三维鼠标和空间球,：根据球在不同方向受到的推或拉的压力来实现定位和选择,图形输入设备（1）,2 图形输入设备,数据手套,(Data glove),可测量出手的位置和形状，从而实现环境中的虚拟手及其对虚拟物体的操纵,数据手套通过手指上的弯曲、扭曲传感器和手掌上的弯度、弧度传感器，确定手及关节的位置和方向,图形输入设备（2）,2 图形输入设备,头盔式显示器,将观察者的头部位置及运动方向告诉计算机，计算机就可以调整观察者所看到的视景，使得呈现图像更趋于真实感，绝大多数头盔式显示器使用两个显示器,利用特殊光学设备对图像进行处理，使图像看上去立体感更强,把用户的视觉、听觉和其他感觉封装起来，产生一种身在虚拟环境中的错觉,图形输入设备（3）,2 图形输入设备,图像扫描仪（,Image Scanner,）,滚筒式扫描仪,由电子分色机发展而来，用光电倍增管作为颜色感受器，将光信号转换为电信号,扫描图像质量相对较高，可扫描幅面更大,平板式扫描仪,采用电荷耦合器件,CCD,（,Charge Coupled Device,）,通过由透镜和反射镜组成的光学系统，将图像数据传送到光敏,CCD,芯片上，采用半导体芯片捕获图像数据,图形输入设备（4）,2 图形输入设备,数码相机,图形输入的一个特殊领域：,真实物体三维信息输入,零件进行大规模生产必须在计算机中生成三维实体模型，这个模型有时要通过已有的实物零件得到，需要采集实物表面各个点的位置信息,保存古代名贵的雕塑和其它艺术品的三维信息，并在计算机中产生这些艺术品的三维模型,图形输入设备（5）,2 图形输入设备,美术家数字化仪,带压力传感器，无绳触笔,通过控制笔的压力绘制不同风格的画,图形输入设备（7）,2 图形输入设备,余辉时间：持续发光时间，从电子束离开某点后，该点的亮度值衰减到初始值所需要的时间,刷新,(Refresh),：,为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值,刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数,像素,(Pixel),：,构成屏幕（图像）的最小元素,分辨率,(Resolution),：,CRT,在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大像素个数，也可用整个屏幕所能容纳的像素个数描述,如,640*480,，,800*600,，,1024*768,，,1280*1024,等等,某种CRT产生稳定图像所需要的最小刷新频率,=1秒/荧光物质的持续发光时间,荧光屏,3 图形输出设备,图形处理器：,俗称显卡,CGA EGA VGA,TVGA SVGA XGA SXGA,图形处理器,3 图形输出设备,显示主芯片,显卡的核心，俗称,GPU,代替,CPU,完成部分图形处理功能，扫描转换、几何变换、裁剪、光栅操作、纹理映射等等,各图形函数基本上都集成在这里,显存,存储将要显示的图形信息,保存图形运算的中间数据,它与显示主芯片的关系，就像计算机的内存与,CPU,一样,RAMDAC,视频存储数字模拟转换器,在视频处理中，把二进制的数字转换成为和显示器相适应的模拟信号,3 图形输出设备,也称刷新存储器,(Refreshing Buffer),简称帧缓冲器，俗称,显存,用于,存储屏幕上像素的颜色值,帧缓存中单元数目与显示器上像素的数目相同,单元与像素一一对应,各单元的数值决定了其对应像素的颜色,显示颜色的种类与帧缓存中每个单元的位数有关,帧缓冲存储器（Frame Buffer）,3 图形输出设备,帧缓存可以是专用的存储器,也可是系统内存中的一块固定区域,CRT显示器,CRT,显示器的缺点：,屏幕的加大导致显象管的加长，体积加大，使用时候受到空间的限制,利用电子枪发射电子束来产生图像，产生辐射与电磁波干扰，长期使用对健康不利,3 图形输出设备,LCD显示器,显示效果与,CRT,相比有差距,但有后来居上之势,外观小巧精致，厚度只有,6.5,8cm,左右,液晶象素总是发光，只有加上不发光的电压时该点才变黑，不会产生闪烁现象,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,3 图形输出设备,空气等离子体显示器,空气等离子体可想象成一个个微型霓虹灯，红绿蓝三种不同颜色的像素,显示屏薄，挂在墙上,无锯齿现象，分辨率好,无需刷新缓存，重量轻，无辐射,价格贵,3 图形输出设备,对话框,3 图形输出设备,4 交互方式,所谓橡皮筋技术就是在起点确定后，光标移出去定终点时，在屏幕上始终显示一条连接起点和光标中心的直线。,橡皮筋技术实际上是简易动画的实现，它不断地进行：画擦画的过程。即：,（1）从起点到光标中心点（x，y）处画图；,（2）擦除起点到光标中心点（x，y）处图形；,（3）光标移动到新的位置：x=x+x，y=y+y,（4）转第（1）步，重复这个过程，直到鼠标抬起为止。,橡皮筋技术,4 交互方式,网格是另一类约束技术，它强迫输入点落在屏幕的坐标网格交点上。坐标网通常以线网或点阵网显示在屏幕上，该技术既可用于画线，也可用于图符定位、几何要素对齐等。,网格技术,4 交互方式,拖动就是将形体在空间移动。选择拖动功能后，先在作图区用定位设备拾取某个要拖动的物体，再按住键移动光标，则这个被拾取的物体将随着光标的移动而移动。拖动也用到简易动画技术，拖动过程就是不断地进行画、擦、画的过程,菜单的拖曳停泊。,拖曳技术,4 交互方式,操作柄技术可以用来对图形对象进行缩放、旋转、错切等几何变换。先选择要处理的图形对象，该图形对象的周围会出现八个操作柄，移动或旋转操作柄就可以实现相应的变换。,操作柄技术,4 交互方式,菜单技术,4 交互方式,动画实现过程是：首先在屏幕的当前位置画对象并保持一定的时间；接着从屏幕的当前位置删除对象：然后找到计算机屏幕上对象的新位置，在新位置上画对象。这样周而复始从而产生动画效果。,动画技术,4 交互方式,利用目标移动技术实现动画,利用存取位图像函数产生动画,利用活动页产生动画,利用调色板产生动画,利用移动背景法产生动画,动画技术,4 交互方式,Windows 7 最新交互方式,视觉交互,触觉交互,动作交互,意念交互,5 用户界面设计,界面设计的一般原则,设计人机界面，必须考虑四个方面：,系统的响应时间；,用户求助机制；,错误信息处理；,命令方式。,5 用户界面设计,一般性交互中需注意的原则,在同一用户界面中，风格保持一致。,保持用户与界面间的双向通信；,对所有可能造成损害的动作，坚持要求用户认。,对大多数动作应允许恢复（,UNDO,）；,尽量减少用户记忆的信息量；,最大可能地减少击键次数，缩短鼠标移动的距离。,用户出错时采取宽容的态度；,按功能分类组织界面上的活动；,仅显示与当前上下文有关的信息；,不要让数据淹没用户；,采用统一的标号、约定俗成的缩写和可预知的颜色；,允许用户保持可视化的语境；,使用大小写、缩进和文本分组帮助用户理解信息,;,使用窗口分隔不同类型的信息；,使用“模拟”显示方式表示信息；,高效率地使用显示屏；,信息显示中需注意的原则,5 用户界面设计,尽量减少用户的输入动作；,保持信息输入和信息显示的一致性；,允许用户自定义输入；,提供多种交互方式，如键盘、鼠标；,使在当前动作语境下不不适用的命令不起作用,;,让用户控制交流；,消除冗余的输入，除非发生误解；,信息输入中需注意的原则,5 用户界面设计,5 用户界面设计,5 用户界面设计,开放式的三维图形软件包OpenGL,OpenGL,是在,SGI,等多家世界闻名的计算机公司的倡导下，以,SGI,的,GL,三维图形库为基础制定的一个通用共享的开放式三维图形标准,目前，包括,Microsoft,、,SGI,、,IBM,、,SUN,、,HP,等大公司都采用了,OpenGL,做为三维图形标准，许多软件厂商也纷纷以,OpenGL,为基础开发出自己的产品,其中比较著名的产品包括：动画制作软件,Softimage,和,3D Studio MAX,、仿真软件,Open Inventor,、,VR,软件,World Tool Kit,、,CAM,软件,ProEngineer,、,GIS,软件,ARC/INFO,等等,6 OpenGL简介,OpenGL的优越性,独立于窗口系统和操作系统,以它为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植,可与,Visual C+,紧密接口,使用简便，效率高,6 OpenGL简介,OpenGL图形库的功能,一共有,100,多个函数,其中核心函数有,115,个,除了提供基本的点、线、多边形的绘制函数外，还提供了复杂的三维物体（球、锥、多面体、茶壶等）以及复杂曲线和曲面（如,Bezier,、,NURBS,等曲线或曲面）绘制函数,基本几何变换和投影变换,颜色模式设置,光照和材质设置,纹理映射功能,位图显示和图象增强：反走样,(,Antialiasing,),和雾,(fog),的特殊图象效果处理,双缓存,(Double Buffering),动画：双缓存即前台缓存和后台缓存，即后台缓存计算场景、生成画面，前台缓存显示后台缓存已画好的画面,6 OpenGL简介,