华中科技大学《计算机图形学》课程

MOOC地址：计算机图形学（HUST）

计算机图形学 | 认识图形系统

2.1 图形系统浅析

计算机图形系统的功能

计算机图形系统的组成

从计算机图形系统的功能看组成：

图形硬件

输入设备：
用于输入数据的装置，从原始的穿孔纸到今天的数据手套、数据衣，经历了四个阶段的发展：穿孔纸、光笔、鼠标、数据衣。

显示设备：
主要指各类显示器，用于显示输出图形信息。经历了从CRT到3D显示的发展历程。

输出设备：
主要指硬拷贝设备，用于将图形戒非图形信息以打印戒印刷的形式长期保存。

计算机：
其实，目前大多数计算机都具有计算、存储、输入、输出和交互的功能，因此都可以用于组成计算机图形系统。

图形软件

图形软件分为：应用软件、支撑软件、操作系统。

我们的图形编程思路：

• 最底层的图形编程：不使用引擎，直接基于OpenGL图形标准进行编程
• 基于可编程管线的图形编程
• 基于GLSL的着色器shader编程

2.2 输入设备：从穿孔纸到数据衣

输入设备的四个发展阶段

第一阶段：由设计者本人利用控制开关、穿孔纸等，采用手工操作去适应现在看起来十分笨拙的计算机。

第二阶段：计算机的主要使用者——程序员利用键盘、光笔等输入设备，采用批处理作业语言或交互命令语言的方式和计算机打交道。

光笔：一种具有捡取功能的输入装置它可以检测到光，因此称之为光笔。

第三阶段：出现了图形用户界面和各种交互设备，不懂计算机的普通用户也可以熟练使用。

第四阶段：多通道、多媒体的智能化人机交互阶段。
趋势一：以便携电脑、智能手机为代表的计算机的微型化、随身化、嵌入化。
趋势二：以虚拟现实为代表的计算机系统的拟人化。

VR中的动态感知设备

• 三维鼠标：三维鼠标是虚拟现实系统中的另一种常见的不虚拟现实场景进行交互的空间跟踪定位设备。
  虚拟空间中六自由度：沿x、y、z三个直角坐标轴方向的移动自由度和绕这三个坐标轴的转动自由度。
• 数据手套：检测手以及手指运动的传感器构成，包括一个附加在手背上的传感器以及附加在拇指和其他手指上的弯曲，扭曲传感器和手掌上的弯度，弧度传感器。
• 动作捕捉数据衣：让VR系统识别全身运动而设计的输入装置。
  数据衣对人体大约50多个不同的关节进行测量，通过光电转换，将身体的运动信息送入计算机进行图像重建。
• 感知反馈数据衣：感知反馈数据衣的作用不是输入，而是输出。
  输出：触觉及其他感知，如刮风、下雨、温度变化、受到虚拟人物的攻击、物体抛掷或降落等。
• 力反馈器：力反馈器作为一种触觉交互设备，可以提供非常大的工作空间和反馈力以及六个自由度的运动能力，使参与者实现虚拟环境中除视觉听觉之外的第三感觉——触觉和力反馈感。

2.3 从CRT到3D显示

CRT的前世今生

阴极射线管（Cathode Ray Tube，CRT）。

阴极射线管

CRT（CathodeRayTube）是一种真空器件，它利用电磁场将高速的、经过聚焦的电子束，偏转到屏幕的不同位置轰击屏幕表面的荧光材料而产生可见图形。

从外形上看，CRT分为：管颈部分、锥体部分、屏幕部分。

从结构上看，CRT分为：电子枪、偏转系统、荧光屏。

电子枪

电子枪的主要功能是产生一个沿管轴（Z轴）方向前进的细电子束轰击荧光屏。

对电子束的要求：

• 强度足够大
• 大小、有无应该可控
• 充分聚焦

以四级电子枪为例：

偏转系统

偏转系统分为：磁偏转、电偏转。

荧光屏

荧光屏（PhosphorScreen）是用荧光粉涂敷在玻璃底壁上制成的，常用沉积法涂敷荧光粉。玻璃底壁要求无气泡，表面光学抛光。

对荧光粉的性能要求：

• 发光效率高
  发光效率：每瓦电功率能给出多大的发光强度。
• 余辉时间合适
  余辉时间：从电子束停止轰击到发光亮度下降到初始值的1%所经历时间。
  余辉特性：电子束轰击荧光时，荧光粉的分子受激而发光，当电子束的轰击停止后，荧光粉的光亮幵非立即消失，而是按指数规律衰减。
• 寿命长

彩色阴极射线管

典型：三枪三束彩色显像管（荫罩式）

主要结构：三支电子枪、荫罩板、三色荧光屏。

三色荧光屏易发热变形，可换成石墨制成的黑底荫罩板。

颜色数问题：
每支电子枪只能控制开或者关，颜色数=2×2×2=8（种）
每支电子枪能控制8种强度，颜色数=8×8×8=256（种）
每支电子枪能控制256种强度，颜色数=256×256×256=256³（种）=2²⁴（种），即为真彩色系统。

扫描方式

• 随机扫描的图形显示器：又称向量(Vector)显示器、笔划(Stroke writing)显示器。随机扫描（Random-Scan）的图形显示器中电子束的定位和偏转具有随机性，即电子束的扫描轨迹随显示内容而变化，只在需要的地方扫描，而不必全屏扫描。
• 光栅扫描的图形显示器：在光栅扫描系统中，电子束横向扫描屏幕，一次一行，从顶到底顺次进行。当电子束横向沿每一行移动时，电子束的强度不断变化来建立亮点的图案。

光栅扫描工作原理：光栅扫描是控制电子束按某种光栅形状进行的顺序扫描，而字符、图象是靠Z轴信号控制辉亮来形成的。

逐行扫描和隔行扫描：

隔行扫描方式是先扫偶数行扫描线，再扫奇数行扫描线。

优点：

• 成本低，易于绘制填充图形
• 刷新频率一定，不图形的复杂程度无关，易于修改图形

缺点：

• 需要扫描转换
• 会产生走样

平板的奥秘

平板显示器

特点：薄、轻、省电（功耗小）、辐射低、无闪烁、无干扰。

分类：

• 发射型：主动发光，介质本身发光。
  例如：LED、等离子体显示器。
• 非发射型：被动发光，本身不发光。
  例如：液晶显示器。

液晶显示器

Liquid Crystal Display，简称LCD。

液晶显示器给人的感觉：

• 视觉效果柔和
• 触碰的流动性
• 可视角度有限

液晶的电光效应：当液晶分子的某种排列状态在电场作用下变为另一种排列状态时，液晶的光学性质随之改变。

液晶显示的机理是通过能阻塞或传递光的液晶材料，传递来自周围的或内部光源的偏振光。

彩色显示原理：每个像素有3个亚像素（对应RGB三原色每个亚像素），条状排列或三角形排列。

可视角度：左右两边的可视最大角度的和。

等离子体显示器

Plasma Display Panel，简称PDP。

采用气体放电原理实现的自发光显示技术。

LED显示器

Liquid-Emitting Diode，简称LED。

二极管以矩阵排列形成显示器的像素位置。

LED具有高亮度、高效率、长寿命、视角大、可视距离远等特点，所以特别适合制作室外的大屏幕显示屏。

神奇的3D显示

较早的三维立体显示

采用从变焦距的柔性震动镜面反射CRT图像。

三维立体显示原理

人眼的立体视觉原理：

三维观察设备

• 三维立体眼镜：滤色式3D眼镜、光阀式3D眼镜、偏光式3D眼镜。
• 头盔显示器：沉浸式虚拟现实系统中最主要的硬件设备，绝大多数头盔式显示器使用两个小型显示器，分别向左右眼显示由虚拟显示场景中生成的图像。
• 眼镜盒子：结构：镜架、透镜、盒子；使用：手机分屏显示左右眼视图。

裸眼立体显示器

基于液晶显示器的视差屏障技术：
视差屏障技术，也称光屏障式3D技术或视差障栅技术。其原理是使用一个偏振膜和一个高分子液晶层，利用这二者制造出一系列的旋光方向成90°的垂直条纹，应由左眼看到的图像显示在液晶屏上时，不透明的条纹遮挡右眼，应由右眼看到的图像显示在液晶屏上时，不透明的条纹遮挡左眼。

气体投影技术：
气体投影系统的设计灵感来自于海市蜃楼的成像原理，一套投影系统包括一台投影机和一个空气屏幕系统，空气屏幕系统可以制造出由水蒸气形成的雾墙，投影机将画面投射在上面，由于空气与雾墙的分子震动不均衡，可以形成层次和立体感很强的图像。

发展方向：裸眼、全息、交互。

2.4 从CPU到GPU

图形显示子系统结构

改进：

再改进：

图形显示处理器：

主芯片：GPU（图形处理器，Graphical Processing Unit）
特点：擅长计算，在矩阵运算、运算密集型任务方面更有优势
应用：计算机图形学、计算机视觉、机器学习、深度学习、图像处理、高性能计算
等多个领域。

相关概念

像素

显示分辨率=水平像素个数 × 垂直像素个数

分辨率大小取决于光点的大小和帧缓存的大小。

颜色位面法

帧缓存容量=分辨率×颜色位面数
假设分辨率为1024 × 768，则帧缓存容量=1024 × 768 × 24（3*8）bit。

颜色查找表：调色板，是一个存放颜色的一维线性表，由高速随机存储器构成.
例：假设颜色位面数为n，查找表的长度=2ⁿ，决定了单次显示的颜色总数。

原本的颜色取值：每个原色只有0和1。

现在的颜色取值：每个原色可以取0、1、2、3。

显示长宽比

屏幕坐标系