计算机图形学电子教案c2

第2章计算机图形系统2.1计算机图形系统概述2.2基于Windows的图形程序开发方法2.3OpenGL介绍2.1计算机图形系统概述计算机图形系统由硬件系统和软件系统组成。激光打印机喷墨打印机计算机台式绘图机滚筒绘图机幅面受限制，精度高幅面不受限制，精度低计算机图形系统的主要硬件：计算机、打印机、绘图机。2.1.1计算机图形外部设备目前应用最普及的是基于阴极射线管(CRT)的光栅扫描显示器。阴极射线管(CRT)的结构如图2-1所示，主要由电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统和荧光屏五部分组成。显示器电子枪发射电子束，经过聚焦在偏转系统控制下电子束轰击荧光屏，在荧光屏上产生足够小的光点，光点称为像素(pixel)。阴极射线管在水平和垂直方向单位长度上能识别的最大光点数称为分辨率，分辨率越高，显示的画面越清晰。彩色显示器的色彩是发出不同颜色的荧光物质进行组合而得到的，每个像素由三个荧光点组成，这三个荧光点分别为发红、绿和蓝色光的三种荧光物质，有三支电子枪分别与这三个荧光点相对应。因为荧光点非常小而且充分靠近，所以我们看到的是具有它们混合颜色的一个光点，即像素。通过调节电子枪发出的电子束中所含电子的多少，可以控制击中的相应荧光点的亮度，因此以不同的强度击中荧光点，就能够在像素点上生成极其丰富的颜色。如图2-2是一个具有24位面的帧缓冲存储器，红、绿、蓝各8个位面，其值经数模转换控制红、绿、蓝电子枪的强度，每支电子枪的强度有256(8位)个等级，则能显示256*256*256=16兆种颜色，16兆种颜色也称作(24位)真彩色。新型显示器20世纪80年代中期产生了平板显示器，如液晶显示器和等离子显示器等。液晶显示器(LiquidCrystalDisplay，简称LCD)的原理是利用液晶的物理特性，通电时导通，晶体在电场作用下，排列变得有秩序，通过它的光的折射角度会发生变化，使光线容易通过；不通电时，晶体排列变得混乱，光被遮挡，不能通过。等离子显示器(PlasmaDisplayPanel,简称PDP)是一种利用气体放电激发荧光粉发光的显示装置。等离子管作为等离子显示器的发光元件，大量的等离子管排列在一起构成屏幕。平板显示器具有超薄超轻、无辐射、低功耗等优良特性，近几年来正在逐步普及。计算机图形输入设备计算机图形输入设备是一种交互式输入设备，这些设备包括键盘、鼠标、轨迹球和触摸屏等，其中键盘和鼠标是我们经常使用和熟悉的输入设备。键盘最早从打字机演变而来，在发展的过程中，键盘的按键构造也不断发展，由开始的机械式到改进为电容式和薄膜式。随着键盘技术的成熟，还出现了无线键盘，带手写板的键盘等等。鼠标是计算机的主要输入设备，它的发展经历了机械式鼠标、光学机械式鼠标、老式光电式鼠标和新型光电式鼠标阶段。新型光电式鼠标比起老式光电式鼠标最大的优点是不需要在特殊的鼠标光电板上操作。现在还出现了利用红外线和无线电技术进行通讯的无线鼠标，无线鼠标更灵活自由。空间球和数据手套是三维定位设备。主要应用于虚拟现实等高级计算机图形学应用系统中。计算机图形输出设备图形显示器作为图形输出设备，只能够在屏幕上显示图形，图形要想长期保存，应将图形输出到打印机或绘图仪等图形输出设备上，形成图形的硬拷贝。能够形成图形硬拷贝的常用图形输出设备有笔式绘图机、喷墨打印机、静电绘图仪、激光打印机、照相排版设备等等。激光打印机喷墨打印机台式绘图机滚筒绘图机2.1.2计算机图形软件通用编程软件包：常常是图形库，提供了生成各种图形、实现图形的处理和输入输出操作、控制和处理各种图形设备以及交互过程中的各种事件，如OpenGL。专用图形软件包：一般由非程序员在开发时使用。专用应用图形软件包是具有图形处理能力的交互式图形软件系统，为非程序员提供的而且往往应用于某个或某些领域，如AutoCAD、3DSMAX等。专用应用图形软件包使用范围广，使用人员众多。在这里，我们对CAD/CAM软件和典型的专用应用图形软件包做一个简介。几何造型平台两种流行的几何造型平台：ACIS和Parasolid，现今大多数著名的CAD/CAM软件是基于ACIS或Parasolid开发的。几何造型平台ACIS和Parasolid最早都源于英国剑桥大学。BraidIan于1973年以博士论文的形式发表了使用体素拼合和边界表示的第一个实体造型实验系统。此后吸收了BaumgartB.G.在研究机器人视觉景物造型系统GEOMED中的多面体建模技术(该技术用翼边结构描述多面体的面、边、点之间的拓扑关系以及用欧拉算子构造和修改多面体模型)，逐步建立起用边界表示法(B-rep)生成三维实体的理论体系。1974年BraidIan和他的导师CharlesLang以及同窗AlanGrayer等创办了ShapeData公司，开发了第一代实体造型软件Romulus，1988年又改进为Parasolid，并被美国麦道公司集成到UGIICAD系统中。由于此软件性能好、知名度高，已被近百家公司和研究单位购买，作为它们自己CAD系统的核心软件。1989年BraidIan等人推出了第三代几何造型系统ACIS，ACIS为三位核心技术人员名字和实体(Solid)的第一个字母的组合。ACIS的开发者后来与成立于1986年的美国空间技术公司(SpatialTechnologyInc.)联合，把NURBS技术纳入其中，增加了NURBS曲面模块，成为商品化的几何造型核心系统。ACIS的特点是采用面向对象的数据结构，利用C++语言对源代码重写使数据结构更加严谨、运行速度也大大加快。1989年推出的ACIS由于算法上的改进，其运行速度是第一代Romulus的4~20倍，是第二代Parasolid的2~6倍。Parasolid现在是英国EDS(ElectronicDataSystems)公司推出的CAD/CAM开发平台，其先驱是剑桥大学开发的早期实体造型Romulus系统，ShapeData公司在1985年推出了一个以复杂曲面为边界的实体造型领域提供通用的开发平台，由此诞生了Parasolid。CAD/CAMAutoCAD:是世界第四大PC软件公司Autodesk的主导产品。Unigraphics(UG)：是UnigraphicsSolutions公司的产品，最早源于美国麦道飞机公司，以Parasolid几何造型核心为基础。采用参数化和变量化技术。Pro/Engineer：是美国参数技术公司(ParametricTechnologyCorporation简称PTC)的产品。1985年于波士顿成立，是世界第一大CAD/CAE/CAM软件公司。基于特征造型。I-DEAS：是美国SDRC公司的产品，是全世界制造业广泛应用的大型CAD/CAE/CAM软件。采用变量化技术。CATIA：是法国达索公司20世纪70年代开始开发的，目前已与美国IBM公司合作，该软件广泛应用于飞机设计，如波音777、阵风战斗机、F－22等。Cimatron：是成立于1982年的以色列Cimatron公司的产品。采用ACIS几何造型平台。MasterCAM：美国CNC公司(1984年成立)基于PC的CAD/CAM软件，采用Parasolid几何核心。采用NURBS设计曲面，CAM功能较强。国内北航金银花、清华高华CAD、华中开目CAD、浙江大学大天等……计算机动画软件最早出名计算机动画软件有三大公司的产品：加拿大Softimage公司Softimage、美国的AliasResearch公司的Alias、WavefrontTechnologies公司的Wavefront。Softimage公司1986年成立于加拿大的蒙特利尔，公司创始人丹尼尔·朗格鲁斯是三维动画技术的先驱。他发明了反向动力学和运动捕获等众多重要的三维动画技术,是模拟物理运动和角色动画方面最优秀的制作软件。曾用Softimage创作的大片有《泰坦尼克》、《木乃伊复活》、《侏罗纪公园》、《人工智能》等。1994年Softimage被微软公司收购，1996年推出基于NT平台的Softimage3D。Softimage3D最擅长卡通造型和角色动画以及模拟各种虚幻的情景、光影。电影《侏罗纪公园》中的恐龙就是用Softimage3D制作完成的。国内电视台和一些影视广告公司都是用它来制作片头和动画的，如中央电视台《东方时空》和《中国新闻》等。Softimage现在隶属于Avid公司，2000年4月推出Softimage|XSI，率先推出了非线性动画编辑工具。Alias和Wavefront以及法国一家公司被美国SGI公司并购，1998年推出Maya，它凝结着无数3D动画精英们的心血，电影《星际战队》体现了Maya强大的功能。Renderman是Pixar公司的一款可编程的三维创作软件，它在三维电影的制作中取得了重大成功，《玩具总动员》中的三维造型全部是由Renderman绘制的。此外，美国Autodesk公司的3DStudioMAX是国内广泛使用的三维动画软件，它运行于Windows平台，广泛应用于电影、电视、计算机游戏、多媒体和出版等行业。在《迷失的太空》中，绝大部分的太空镜头就是由3DSMax制作的。3DSMAX最大的优点在于插件特别多，许多的专业技术公司都在为3DSMAX设计各种插件，其中许多插件是非常专业的，如专用于设计火、烟、云效果的After-burn，制作肌肉的Metareye等，利用这些插件可以制作出精彩的效果。可视化软件AVS系统是美国AdvancedVisualSystemsInc.公司推出的一个通用的体数据可视化系统，主要运行在大型机和工作站上。VolVis是美国纽约州立大学以ArieE.Kaufman教授为首的研究小组设计的体数据可视化系统,是在X/Motif的支持下开发的，主要运行在工作站上。ApE是美国TaraVisualInc.公司设计的一个通用的科学可视化系统。主要运行于大型机和工作站上，具有很好的可移植性和可扩展性，提供一套可视数据流流程语言，用户选择一组功能模块，构成一个管道(Pipe)，这样就建立了一个应用实例。Visualizer是中科院自动化所国家模式识别实验室医学图像处理分析研究小组设计开发的一个可视化系统。2.1.3图形标准图形标准的制定是为了在不同的计算机系统和外设之间进行图形应用软件的移植。为了实现这些可移植性，有三个接口必须实现统一标准。应用接口:应用程序与图形软件的接口，它隔离了应用程序与处理图形的实际物理设备的联系，从而保证了应用程序在不同系统之间的可移植性。虚拟图形设备接口:图形软件与图形外部设备之间的接口，称为它保证了图形软件与图形外部设备的无关性。数据接口:规定了记录图形信息的数据文件的格式，使得软件与软件之间可以交换图形数据。图形标准的产生与发展历史图形标准的产生始于1974年，在美国国家标准化委员会(AmericanNationalStandardsInstitute，ANSI)举行的主题为“与机器无关的图形技术”工作会议上，提出了制定有关标准的基本原则。在1977年，美国计算机协会计算机图形学专业组(AssociationalforComputingMachinery，简称ACM，SpecialInterestGrouponGraphics，简称SIGGRAPH)提出了三维核心图形系统(3DCoreGraphicsSystem)的图形软件标准，在1979又推出了该图形软件标准的改进版本。在1985年国际标准化组织(InternationalStandardOrganization，简称ISO)批准了第一个图形软件标准GKS(GraphicalKernelSystem)，这是一个二维图形软件包，是以3DCore为蓝本。在1988年它的三维扩充GKS-3D被ISO批准为三维图形软件标准。与此同时，PHIGS(Programmer’sHierarchicalInteractiveGraphicsSys