计算机图形学02：交互式图形
交互式图形学技术探究
交互式图形学技术探究交互式图形学是计算机图形学的一种应用，它主要研究如何使计算机图形在用户与计算机之间进行交互。
这一领域的技术在游戏开发、电子商务、虚拟现实等方面都有重要的应用。
交互式图形学技术的目标是开发能够让用户参与、控制和感知的交互性的图形系统。
它所涉及的内容跨越了从计算机图形学、人机交互、多媒体、图像处理等领域。
交互式图形学技术的核心是利用计算机，将用户与计算机之间的信息交流、反馈和控制、感知等过程可视化，以达到让人类与计算机进行互动沟通的目的。
主要的交互式图形学技术有以下几种：1.虚拟现实技术虚拟现实技术是交互式图形学技术的重要分支之一，它是一种将计算机技术和现实感觉相结合的技术，通过计算机生成虚拟的图像、声音和触觉等信息，再通过一定的输入设备，将用户输入的交互信息传递到计算机，从而使用户在虚拟世界中具有身临其境的感觉，与虚拟物体进行交互。
2.游戏图形学技术游戏图形学技术主要用于游戏的开发，以及游戏中的人机交互。
此类技术通过使用多种光照技术、投影技术、渲染技术等来制作游戏中的场景、角色等。
3.图形用户界面技术图形用户界面技术是一种用户与计算机之间进行交互的图形化方式。
通过图形界面，用户可以通过鼠标、键盘等输入设备，与计算机进行互动，在计算机上进行操作。
交互式图形学技术的应用越来越广泛，在游戏开发、虚拟现实、电子商务、医疗、教育等领域都有广泛的应用。
例如，在游戏开发领域，基于交互式图形学技术的3D游戏已经占据了游戏产业的大部分市场份额；在医疗领域，交互式图形学技术可以用于医生对影像材料的研究、手术模拟等。
随着技术的不断进步，未来交互式图形学技术的应用将不断拓展。
例如，将交互式图形学技术应用于智能家居中，可以通过智能家居设备与用户进行交互，实现更加智能化的控制。
总之，交互式图形学技术是一项涉及面极广的技术，在计算机图形学、人机交互、多媒体、图像处理等领域都有广泛的应用。
它的发展将在未来为我们带来更多的便利和创新。
计算机图形学02：交互式图形
第五阶段：用户的思维
视频控制器（显示控制器）
作用：
制图形的显示，建立帧缓存与屏幕像素之间的一一 对应关系，负责按固定刷新频率和扫描顺序刷新 屏幕图形
显示处理器
显示处理器 Display Processing Unit，简称DPU 作用： 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
色平面越多，可表达的色彩越丰富。 增加一个位面，色彩就增加一倍，而存储器写操作 程序无需重新计算新地址，程序兼容性好。
0
N位寄存器
0 1 0 2NDAC 电子枪 CRT光栅
红色枪 绿色枪 蓝色枪
1
0
有N个位面的帧缓存
0~2N-1灰度等级
寄存器
0 1 0
0 1 0
DAC DAC DAC
CRT光栅
显存容量问题
分辨率M*N、颜色个数K与显存容量V的关系
V M N log 2 K
显存容量问题
若存储器位长固定，则屏幕分辩率与同时可用的 颜色种数成反比关系。
高分辨率和真彩要求有大的显存；
1024*768真彩模式需要3M字节显存
解决方法：采用查色表(Look-up Table）
查色表（LUT）
是一维线性表，其每一项的内容对应一种颜色，它 的长度由帧缓存单元的位数决定
目的：在帧缓存单元的位数不增加的情况下， 具有大范围内挑选颜色的能力。
颜色信息在帧缓存中的两种存放方式： 颜色值直接存储在帧缓存中。 把颜色码放在一个独立的表中，帧缓存存放的是颜色表中各项 的索引值，索引色。 单色系统：查色表固化 彩显：可修改、创建查色表。
• 红、绿、兰三基色 • 三色荧光点（很小并充分靠近--〉像素） • 三支电子枪
交互式计算机图形学的发展和应用前景
交互式计算机图形学的发展和应用前景计算机图形学是计算机科学中非常重要的一部分，它涉及到计算机图像、图形处理、三维建模、图形渲染、图形系统等方面。
而交互式计算机图形学是指在计算机图形学中利用人机交互的手段，实现人类对计算机图形的操作、控制和生成。
交互式计算机图形学被广泛应用于计算机游戏、虚拟现实、建筑设计、制造业等领域。
随着计算机技术的不断发展，交互式计算机图形学的应用前景将变得越来越广泛和深入。
交互式计算机图形学的发展交互式计算机图形学的历史可以追溯到20世纪60年代，当时出现了第一个计算机图形学的研究机构，随后又出现了形式化计算机图形学和计算机几何学等研究领域。
然而，由于当时计算机的性能和图形学技术的不足，导致交互式计算机图形学的发展受到很大的限制。
直到20世纪80年代，随着图形学软件、图形卡的出现，交互式计算机图形学得到了快速发展。
在此基础上，OpenGL、DirectX、WebGL等图形编程接口不断推陈出新，使得交互式计算机图形学的应用更加广泛。
交互式计算机图形学的应用前景1. 游戏游戏是交互式计算机图形学最广泛、最深入的应用领域之一。
随着计算机游戏的快速发展，交互式计算机图形学在游戏中的应用也越来越广泛。
从开放式世界的非线性剧情、高精度的人物模型和场景设计到逼真的物理引擎和粒子效果，交互式计算机图形学为游戏提供了更丰富的可玩性和视觉体验，为游戏产业的发展带来了新的动力。
2. 虚拟现实虚拟现实是一种计算机生成的仿真世界，它能够通过交互式计算机图形学实现真实感受，从而提供更加逼真的体验。
目前，虚拟现实已经被应用于火车驾驶模拟、房屋装修、室内设计等领域。
而未来，随着虚拟现实技术的不断完善，交互式计算机图形学在虚拟现实领域的应用将会更加广泛和深入。
3. 建筑设计交互式计算机图形学在建筑设计领域的应用也备受瞩目。
通过使用计算机软件和图形接口，建筑师可以轻松地创建和修改建筑设计。
同时，通过交互式计算机图形学还可以实现3D建筑模型的交互式漫游，让客户更加直观地了解设计方案和效果。
计算机图形学第6章-人机交互绘图技术
人机交互绘图技术提高了图形绘制的 效率和精度，降低了图形设计的难度 和成本，促进了计算机图形学及相关 领域的发展。
相关术语解析
人机交互
指人与计算机之间的信息交换和通信 过程，涉及输入、输出设备以及相应 的软件和技术。
图形用户界面（GUI）
一种基于图形的用户界面，通过窗口、 图标、菜单、指针等图形元素来实现 用户与计算机的交互。
语音交互技术
利用自然语言处理技术，使用户能够通过语音命令进行图形操作，提高交互的自然性和便捷性。
手势识别技术
通过计算机视觉技术识别用户手势，实现手势控制图形操作，提供更加直观自然的交互方式。
智能化、个性化发展趋势
智能化绘图技术
利用机器学习和深度学习技术，使计算机能够自动理解用户需求， 提供智能化的绘图建议和帮助。
THANKS
感谢您的观看
智能手表
通过手表上的触控屏幕和语音识 别技术，实现对手机的远程控制 和信息查看。
语音识别与手势识别
语音识别
通过麦克风接收用户语音输入，经过语音识别算法处理，将语音转换为计算机 可识别的文本或命令。
手势识别
通过摄像头捕捉用户手部动作和手势，经过图像处理和计算机视觉算法处理， 识别出用户的手势意图并转换为相应的计算机操作。
消隐处理
消除被遮挡的线和面，确保绘制的三维图形 具有真实感。
投影变换
采用正交投影或透视投影，将三维模型从世 界坐标系投影到二维屏幕坐标系。
光照和材质处理
模拟光线照射在物体表面的效果，增强三维 图形的立体感和真实感。
05
人机交互绘图技术
应用案例
CAD/CAM系统中的应用
机械设计
CAD系统允许设计师通过交互式绘图工具进行复杂机械零件的设计，如齿轮、轴承等，实现高精度、高效率的设计流 程。
计算机图形学_ 计算机图形学概论_13 交互式计算机图形处理系统_
iphone，Ipad
▪ 声波触摸屏
5、操纵杆( joystick)
操纵杆是由一根小的垂直杠杆组成的可摇动装置 ，该杠杆装配在一个其四周可移动的底座上用来 控制屏幕光标。
6、数据手套(data glove)
数据手套是一种戴在手上的传感器，它能给出用户所有手指 关节的角度变化，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。
交互式计算机图形处理系统
交互式 = Computer + 人
高质量的计算机图形离不开高性能的计算机图形硬件 设备。一个图形系统通常由图形处理器、图形输入设 备和输出设备构成
一、图形输入设备的发展
第一阶段：控制开关、穿孔纸等 第二阶段：键盘、光笔
第三阶段：二维定位设备，如鼠标、数字化仪、跟踪球、 触摸屏、操纵杆、扫描仪等
目前显示器分为四种：CRT 显示器、LCD 显示器、LED 显示器、等离子 体显示器、3D 显示器等
CRT显示器
是一种使用阴极射线管的显示器，阴极射线管主要有五部分组成，分别是电子枪， 偏转线圈，荫罩，荧光粉层及玻璃外壳。它曾经是应用最广泛的显示器之一
电子枪
控制栅
加速电极
偏转系统
荧光粉层 导电涂层
7、数字化仪(digitizer)
它能将各种图形，根据坐标值，准确地输入电脑，并能 通过屏幕显示出来
8、图象扫描仪(scaner)
图象扫描仪可直接把图纸、图表、照片、广告画等输入到计 算机中，在将它们传过一个光学扫描机构时，灰度或彩色等 级被记录下来，并按图象方式进行存储。
9、 声频输入系统
也称为声音输入系统，在某些图形工作站中，采用话音识 别器作为输入设备，以接收操作者的命令。
第二章计算机图形学交互技术
3 图形输出设备
荧光屏
✓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
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
✓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
第二章计算机图形学交互技术
3 图形输出设备
图形处理器
✓ 这是实体图形输入的一个颠峰之作 第二章计算机图形学交互技术
2 图形输入设备
图形输入设备（5）
✓ 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
第二章计算机图形学交互技术
2 图形输入设备
✓ 美国斯坦福大学计算机系的著名图 形学专家Marc Levoy曾经带领30人 工作小组于1998～1999年对文艺复 兴时代的雕刻大师米开朗基罗的众 多艺术品进行扫描，保存其形状和 面片信息，为此专门设计了一套硬 件和软件系统
✓ 扫描数据量惊人，光大卫像就有20 亿个多边形和7000张彩色图像，总 共需要72G的磁盘容量
图形输入设备（2）
✓ 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
计算机图形学名词解释
*计算机图形学是指用计算机产生对象图形的输出的技术。
更确切的说，计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形，并在专门显示设备上显示的原理、方法和技术的学科。
*图形学的主要研究内容：图形的生成和表示技术；图形的操作和处理方法；图形输出设备与输出技术的研究；图形输入设备、交互技术和用户接口技术的研究；图形信息的数据结构及存储、检索方法；几何模型构造技术；动画技术；图形软硬件的系列化、模块化和标准化的研究；科学计算的可视化*能够正确地表达出一个对象性质、结构和行为的描述信息，成为这个对象的模型。
*图像处理是指用计算机来改善图像质量的数字技术。
*模式识别是指用计算机对输入图形进行识别的技术。
*计算几何学是研究几何模型和数据处理的学科。
*交互式计算机图形学是指用计算机交互式地产生图形的技术。
*计算机图形系统的硬件包括五部分：计算机、显示处理器、图形显示器、输入设备、硬拷贝设备。
*CRT图形显示器工作方式有两种：随机扫描方式和光栅扫描方式。
*随机扫描方式的图形显示器通过画出一系列线段来画出图形。
*一帧：扫描过程所产生的图像。
*像素：在光栅扫描图形显示器中，屏幕上可以点亮或熄灭的最小单位。
*分辨率：显示屏上像素的总数。
*帧存储器：二维矩阵，帧存储大小=分辨率*单元字节，存储屏幕上每个像素对应的颜色或亮度值。
*屏幕上每个像素对应的颜色或亮度值要存储在帧存储器中。
*将图形描述转换成用像素矩阵表示的过程称为扫描转换。
*在光栅扫描显示方式中像素坐标是行和列的位置值，只能取整数。
*图形基元（输出图形元素）：图形系统能产生的最基本图形。
*区域是指光栅网络上的一组像素。
*区域填充是把某确定的像素值送入到区域内部的所有像素中。
*区域填充方法：一类方法是把区域看做是由多边形围成的，区域事实上由多边形的顶点序列来定义，相应的技术称为是以多边形为基础的；另一类方法是通过像素的值来定义区域的内部，这时可以定义出任意复杂形状的区域。
交互式图形系统的设计与实现
交互式图形系统的设计与实现Interact Design and Implementation of Graphic Systems引言随着计算机科学技术的发展，交互式图形系统的设计与实现逐渐成为了计算机科学领域中不可或缺的一部分。
交互式图形系统的设计与实现涉及到了图形学、计算机视觉、计算机图形学、图像处理等多个方面的知识，而如何将这些知识融合在一起，设计并实现交互式图形系统，是一个值得深入探讨的问题。
交互式图形系统的基本原理交互式图形系统的基本原理是通过计算机的硬件和软件技术，将人类的视觉感知和计算机的图形处理能力结合在一起。
具体而言，它包括以下几个方面：一、图形显示原理：交互式图形系统的设计与实现是建立在图形学的基础之上的。
图形学是研究如何将二维或三维物体的模型表示在计算机上的技术，包括点、线、面等基本元素的表示方法、坐标系的构建、变换等内容。
而图形显示原理是图形学的一项关键技术，其主要目的是将三维模型转化为二维平面上的图形进行显示。
二、图形处理算法：图形处理算法是实现交互式图形系统的另外一个重要组成部分。
它主要涉及到数学、物理及计算方法等多个领域的知识，如多项式曲线、Bezier曲线、深度缓存技术等等。
这些算法主要用于模拟物理世界中的光照、阴影、反射等等现象。
三、用户界面设计：交互式图形系统的设计与实现中，用户界面设计也是至关重要的一步。
用户界面设计需要遵循用户习惯，简单易用。
它还需要考虑用户的不同需求和背景，设计出适合不同用户的图形界面。
交互式图形系统的设计与实现设计和实现交互式图形系统是需要一定的技术和方法。
以下是实现交互式图形系统的主要步骤：一、选择合适的图形库：选择合适的图形库对于设计和实现交互式图形系统十分重要。
常用的图形库有OpenGL、DirectX等，我们可以根据实际需求选择合适的图形库。
二、数据结构设计：在设计交互式图形系统时，需要合适的数据结构对图形进行存储和处理。
常用的数据结构有线性表、树、图、堆栈等等。
计算机图形学名词解释
*计算机图形学是指用计算机产生对象图形的输出的技术。
更确切的说，计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形，并在专门显示设备上显示的原理、方法和技术的学科。
*图形学的主要研究内容：图形的生成和表示技术；图形的操作和处理方法；图形输出设备与输出技术的研究；图形输入设备、交互技术和用户接口技术的研究；图形信息的数据结构及存储、检索方法；几何模型构造技术；动画技术；图形软硬件的系列化、模块化和标准化的研究；科学计算的可视化*能够正确地表达出一个对象性质、结构和行为的描述信息，成为这个对象的模型。
*图像处理是指用计算机来改善图像质量的数字技术。
*模式识别是指用计算机对输入图形进行识别的技术。
*计算几何学是研究几何模型和数据处理的学科。
*交互式计算机图形学是指用计算机交互式地产生图形的技术。
*计算机图形系统的硬件包括五部分：计算机、显示处理器、图形显示器、输入设备、硬拷贝设备。
*CRT图形显示器工作方式有两种：随机扫描方式和光栅扫描方式。
*随机扫描方式的图形显示器通过画出一系列线段来画出图形。
*一帧：扫描过程所产生的图像。
*像素：在光栅扫描图形显示器中，屏幕上可以点亮或熄灭的最小单位。
*分辨率：显示屏上像素的总数。
*帧存储器：二维矩阵，帧存储大小=分辨率*单元字节，存储屏幕上每个像素对应的颜色或亮度值。
*屏幕上每个像素对应的颜色或亮度值要存储在帧存储器中。
*将图形描述转换成用像素矩阵表示的过程称为扫描转换。
*在光栅扫描显示方式中像素坐标是行和列的位置值，只能取整数。
*图形基元（输出图形元素）：图形系统能产生的最基本图形。
*区域是指光栅网络上的一组像素。
*区域填充是把某确定的像素值送入到区域内部的所有像素中。
*区域填充方法：一类方法是把区域看做是由多边形围成的，区域事实上由多边形的顶点序列来定义，相应的技术称为是以多边形为基础的；另一类方法是通过像素的值来定义区域的内部，这时可以定义出任意复杂形状的区域。
计算机图形学实验报告
实验结果与结论
• 在本次实验中，我们成功地实现了复杂场景的渲染，得到了具有较高真实感和视觉效果的图像。通过对比 实验前后的效果，我们发现光线追踪和着色器的运用对于提高渲染质量和效率具有重要作用。同时，我们 也发现场景图的构建和渲染脚本的编写对于实现复杂场景的渲染至关重要。此次实验不仅提高了我们对计 算机图形学原理的理解和实践能力，也为我们后续深入研究渲染引擎的实现提供了宝贵经验。
2. 通过属性设置和变换操作，实现了对图形的定 制和调整，加深了对图形属性的理解。
4. 实验的不足之处：由于时间限制，实验只涉及 了基本图形的绘制和变换，未涉及更复杂的图形 处理算法和技术，如光照、纹理映射等。需要在 后续实验中进一步学习和探索。
02
实验二：实现动画效果
实验目的
掌握动画的基本原 理和实现方法
04
实验四：渲染复杂场景
实验目的
掌握渲染复杂场景的基本流程和方法 理解光线追踪和着色器在渲染过程中的作用
熟悉渲染引擎的实现原理和技巧 提高解决实际问题的能力
实验步骤
• 准备场景文件 • 使用3D建模软件（如Blender）创建或导入场景模型，导出为常用的3D格式（如.obj或.fbx）。 • 导入场景文件 • 在渲染引擎（如Unity或Unreal Engine）中导入准备好的场景文件。 • 构建场景图 • 根据场景的层次结构和光照需求，构建场景图（Scene Graph）。 • 设置光照和材质属性 • 为场景中的物体设置光照和材质属性（如漫反射、镜面反射、透明度等）。 • 编写渲染脚本 • 使用编程语言（如C或JavaScript）编写渲染脚本，控制场景中物体的渲染顺序和逻辑。 • 运行渲染程序 • 运行渲染程序，观察渲染结果。根据效果调整光照、材质和渲染逻辑。 • 导出渲染图像 • 将渲染结果导出为图像文件（如JPEG或PNG），进行后续分析和展示。
计算机图形学版(陆枫)课后习题答案部分
y 轴方向投影
1
0
0
0
0
00
0
0
0
1
0
0
0
0
1
4 阶三维变换矩阵
10
0
0
00
-1
0
00
0
0
0 0 -z0 1
z 轴方向投影
绕 x 轴旋转 -90 度
1
00
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0 cos(- 90°) sin( - 90°) 0
0
0
0
0
0
0
0
1
0 -sin(- 90°) cos( - 90°)0
第三章 交互式技术 什么是输入模式的问题，有哪几种输入模式。
第四章 图形的表示与数据结构 自学，建议至少阅读一遍
第五章 基本图形生成算法 概念：点阵字符和矢量字符； 直线和圆的扫描转换算法； 多边形的扫描转换：有效边表算法；
1 / 21
区域填充： 4／ 8 连通的边界／泛填充算法； 内外测试：奇偶规则，非零环绕数规则； 反走样：反走样和走样的概念，过取样和区域取样。
1) 平移：将点 P(5,4) 平移至原点 (0,0) ， 2) 旋转：图形绕原点（ 0 点）旋转 45 度， 3) 反平移：将 P 点移回原处 (5,4) ， 4) 变换矩阵：平移—旋转—反平移
8 / 21
5) 变换过程：四边形 ABCD 的规范化齐次坐标 (x,y,1) * 3 阶二维变换矩阵
计算机图形学第二版（陆枫）课后习题集 第一章 绪论 概念：计算机图形学、图形、图像、点阵法、参数法、 图形的几何要素、非几何要素、数字图像处理； 计算机图形学和计算机视觉的概念及三者之间的关系； 计算机图形系统的功能、计算机图形系统的总体结构。
计算机图形学02：交互式图形
§2.1.2 MFC类库简介
CView : public CWnd
1) 显示 打印的处理 OnDraw() 显示/打印的处理 2) 与用户进行交互操作 鼠标 键盘 与用户进行交互操作(鼠标 键盘) 鼠标/键盘 OnLButtonDown/OnLButtonUp OnKeyDown … … 3) 系统重画 Invalidate(); UpdateWindow(); // 可省略
§2.2.1 绘图工具选择
选择库存绘图工具
virtual CGdiObject* SelectStockObject(int index);
例：选择白色画笔和深灰色画刷
pDC->SelectStockObject(WHITE_PEN); pDC->SelectStockObject(DKGRAY_BRUSH);
}
图形学论坛
请上教学平台获取VC6安装程序 以后作业需交到教学平台上。 有问题可发邮件到truepin@ （请注明计算机图形学的学生）
DC（device context ）（设备上下文）是 （ ）（设备上下文 设备上下文） 绘图图形函数的集合。 绘图图形函数的集合。 CDC类包含了绘图所需要的所有成员函数。 类包含了绘图所需要的所有成员函数。 类包含了绘图所需要的所有成员函数
§2.1.2 MFC类库简介
CDC类的派生类
派生类名称 CClientDC 说明 提供对窗口客户区域的图形访问
§2.1.2 MFC类库简介
GDI（图形设备接口） （图形设备接口）
GDI是一个可执行程序 是一个可执行程序 GDI是一个抽象的绘图程序接口，程序通过它访 是一个抽象的绘图程序接口， 是一个抽象的绘图程序接口 问图形设备驱动
DC :（Windows提供的一种 （ 提供的一种GDI类） 提供的一种 类
计算机图形学课件第六章-交互式绘图技术
21
形式：
①以程序库的形式向用户提供基本的窗口管理库函数， 这种类型的系统功能较简单，图形技术应用较少。
②以集成操作环境为特点的窗口系统。这种操作系统就 是以窗口形式进行各种操作，它具有统一的用户界面，并 有一套完整的软件开发工具。
无法对图形进行操作和控制。
如C语言绘图
2
在被动式绘图中，程序和图形具有相对固定的联系，
程序的直接运行结果就是某个预定的图形，操作员不 能对运行中的程序进行干预，要想改变图形必须从修 改源程序做起。即重新编辑、编译、连接、运行……。
这种工作方式对于某些方面可能是不方便的，例如 在总体设计、造型设计、外观设计以及建筑设计等场 合下，往往需要凭借直观边作设计边调整，这就需要 采用交互式绘图进行工作。
2、交互式绘图系统硬件： 除主机外，主要对的图形交互式设备就是图形输入
设备和输出设备，如键盘、鼠标、数字化仪等
7
6.3.1 构图技术
构图技术是指建立或修改物体的几何模型的技术， 它可以通过选择作图命令和指定一系列定位点进行作图。
常用构图技术有： 1、定位法：
用定位设备来确定要显示物体或字符串位置 2、约束法：
④屏幕显示和布局应美观、清楚、合理；
⑤合理安排信息在屏幕上显示顺序；
⑥显示方式一致性；
⑦合理选择文本方式和图形方式显示；
⑧使用图形、多窗口方式显示。
18
（2）屏幕显示技术
①文本式屏幕显示一般格式
a．标题引。
标题
屏幕号
b．屏幕主体
d．状态和提示行。
状态、提示行
②问答式屏幕设计
计算机图形学CG03交互
（6）用户界面的设计：包括菜单的定义和选择，对话框 的定义和选择、命令行的参数输入和执行，提示、出错信 息的输出和处理等。
用户接口的常用形式----子程序库
• 子程序的优点在于：其接口形式使用方便、 便于扩充；便于用户将自已编写的源程序 或目标代码加入相应的子程序事件中，并 且可充分利用高级程序设计语言本身具有 的功能，实现用户希望产生的图形和交互 处理。
交互式用户接口是用户与应用系统的核心功能模 块之间的界面
应用系统与用户接口
用户接 口的常 用形式
| |
交
互
命 令
对交互设备的评价可分三层
• 第一是设备层，它较多关注设备的硬件性能。
• 第二是任务层，它用不同的交互设备完成相同的任务， 比较交互技术的效果
• 第三是对话层，它对一系列的交互任务进行比较，而 不是对单个任务进行比较。
• 其缺点在于：对用户的要求或每一个作业 需要编写较长的源程序，修改程序麻烦， 不形象直观。
用户接口的常用形式----专用语言
• 解释执行的专用语言
扫描专用语言的每一条语句，解释并执行之
• 编译型
类似于用高级语言编写的程序,经编译、装配连接
• PS(PostScript)是一种解释型的专用语言
用户接口的常用形式----交互命令
• 用户接口模型
• 表示部分负责用户接口的物理表示，即用 户接口的外部特性
用户接口的常用形式----交互命令
• 对话控制部分负责处理用户与计算机之间 的对话，包括用户使用的命令和对话结构
• 应用接口部分规定用户接口本身与应用程 序之间的连接，如何进行子程序的选择和 调用。
交互式计算机图形学技术的研究与应用
交互式计算机图形学技术的研究与应用随着计算技术和图形学技术的不断发展，交互式计算机图形学技术得到了越来越广泛的应用和深入的研究。
这一领域涉及到多个方面的技术和知识，包括数字图像处理、计算机视觉、人机交互、图形学算法等等。
本文将从多个方面分析交互式计算机图形学技术的研究与应用。
一、数字图像处理技术在交互式计算机图形学中的应用数字图像处理是交互式计算机图形学中非常重要的一部分。
它主要是用来对图像进行数字化处理，包括图像的增强、压缩、去噪音等等。
在交互式计算机图形学中，数字图像处理可以用来对图像进行修复和处理，使之更加清晰明了，同时也可以提高图像识别和表现的效果。
比如，在虚拟现实技术中，数字图像处理可以用来对虚拟场景进行处理和优化，使用户体验更好，实现更加真实的感觉。
二、计算机视觉技术在交互式计算机图形学中的应用计算机视觉技术主要是针对计算机的视觉系统进行研究和应用。
它可以用来对图像进行识别和分类，提高交互式计算机图形学技术的效果。
在计算机视觉技术的应用中，常常会用到图像识别、模式匹配等技术。
例如，在图像识别方面，可以将图像中的对象与模板进行匹配，从而实现目标物体的识别和定位。
三、人机交互技术在交互式计算机图形学中的应用人机交互技术在交互式计算机图形学中起着至关重要的作用。
它可以用来打造更具人性化的交互式界面，提高用户的使用体验。
在人机交互技术的应用中，常常会用到手势识别、语音识别等技术。
例如，在虚拟现实技术中，可以通过语音识别来控制场景和角色，从而使交互更加便捷和自然。
四、图形学算法在交互式计算机图形学中的应用图形学算法是交互式计算机图形学不可或缺的一部分。
它可以用来实现计算机对图像的处理和生成。
在图形学算法的应用中，常常会用到光线追踪、立体成像、纹理映射等技术。
例如，在虚拟现实技术中，可以通过图形学算法来实现对虚拟场景的渲染和生成，从而使虚拟场景更加真实和逼真。
总结：交互式计算机图形学技术的研究和应用涉及到多个方面的技术和知识。
《计算机图形学》第2章 图形显示设备2
两个液晶颗粒（光点）之间的距离
– 分辨率
指其真实分辨率 比如1024×768的含义就是指该液晶显示器含有 1024×768个液晶颗粒
30
LCD显示器（6/6）
显示效果有差距 但有后来居上之势
– 外观小巧精致，厚度只有6.5~8cm左右 – 响应速度快、无闪烁、无干扰 – 工作电压低，功耗小，省电 – 没有电磁辐射，对人体健康没有任何影响
5
视频控制器（显示控制器）
作用：控制图形的显示，建立帧缓存与屏幕像素之间的一一 对应关系，负责按固定刷新频率和扫描顺序刷新屏幕图形 逻辑结构
工作原理
– 刷新周期开始，光栅扫描发生器置X地址寄存器为0，置Y地址寄存器 为N-1，首先取出对应像素（0，N-1）的帧缓存单元的数值, 放入像素 值寄存器，用来控制像素的颜色，然后X的地址寄存器的地址加一，如 此重复，直到该扫描线上的最后一个像素。
第2章 交互式计算机图形处理系统
1
计算机图形处理系统
绘图仪
Computer
DPU
显示处理器
视频控制器 display
printer
控制图形的显示
输入设备
–应用程序发出绘图命令，解析成显示处理器可接受命令格式
–帧缓冲存储器（Frame Buffer)
–存放所有的绘图信息
–视频控制器（Video Controller)
单显
– 查色表固化
彩显
– 可修改、创建查色表
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查色表（LUT）工作原理
是一维线性表，其每一项的内容对应一种颜色 它的长度由帧缓存单元的位数决定
– 例如：每单元有8位，则查色表的长度为28＝256
目的
– 在帧缓存单元的位数不增加的情况下
交互式计算机图形学的新方法和技术
交互式计算机图形学的新方法和技术随着计算机图形学的不断发展，人们对于图像生成的要求也越来越高。
之前的计算机图形学在渲染出图像后，用户是无法进行任何交互的，而现在的计算机图形学则能够支持对图像进行实时的交互，让用户更好地了解和控制图像。
这种能够实时交互的计算机图形学称之为交互式计算机图形学。
交互式计算机图形学的出现，不仅直接提升了用户对图像的感知质量，还解决了之前存在的瓶颈，让用户可以更加顺畅地对图像进行操作和控制。
下面我们就来探讨交互式计算机图形学的新方法和技术。
一、物理引擎技术交互式计算机图形学的核心是实时交互，而物理引擎技术可以让用户在交互时感受到更真实的质感。
常见的物理引擎技术包括仿真重力、碰撞检测、弹性算法等。
通过这些物理引擎技术,用户能够感受到更加真实的世界运动学。
例如，在游戏设计领域，借助物理引擎技术可以更好地模拟游戏场景的真实感，从而提升玩家的游戏体验。
二、虚拟现实技术虚拟现实技术是交互式计算机图形学的核心，通过虚拟现实技术,用户可以感知到更加真实的世界，例如，虚拟现实游戏让用户可以非常真实地感受到游戏的乐趣。
当前虚拟现实技术正以前所未有的方式迅猛发展，未来有望嵌入到更多应用领域。
例如，在军事和医疗方面，可以使用虚拟现实技术进行模拟仿真，更加安全高效的完成实际任务。
虚拟现实技术可以模拟现实的环境感，更好的向用户展现产品细节和表现能力。
三、光线跟踪技术光线跟踪技术可以让计算机更好地模拟真实的光线动态，从而让图像看起来更加真实、自然，而不是像之前一样过分平滑、简单。
通过光线跟踪技术,计算机可以更加准确地模拟出光线的运动轨迹，从而更加真正地描述实际环境。
例如，使用场景中千变万化的光线来模拟太阳光，用户可以更好地感受到太阳的辐射。
光线跟踪技术还可以模拟多样化的反光、折射、透明等光学效应，在视觉上有更好的表现力。
总结本文讨论了交互式计算机图形学的新方法和技术，包括物理引擎技术、虚拟现实技术和光线跟踪技术。
精品课件-计算机图形学-第2章 交互式图形系统
第 2 章 交互式图形系统
图 2.9 数据手套
第 2 章 交互式图形系统
9. 扫描仪 从专业工具变为家用电脑外设的最典型代表, 要数图形扫描仪。 图形扫描仪是直接把图形和图像扫描 到计算机中以像素信息进行存储的设备。 现在市面上能 见到的一般是36位或48位真彩色扫描仪, 绝大多数采用 的 固 态 器 件 是 电 荷 耦 合 器 件 (CCD-Charge Coupled Device)。 图2.10是常用图形扫描仪的模块框图。
常见的触摸屏有以下四种类型: (1) 电阻触摸屏。 (2) 光学触摸屏。 (3) 声学触摸屏。 (4) 电容触摸屏。
第 2 章 交互式图形系统
5. 数字化仪 数字化仪是一种把图形转变成计算机能接收 的数字形式的专用设备, 其基本工作原理是采用电磁感 应技术。 它通常由一块数据板和一根触笔组成。 数据 板中布满了金属栅格, 当触笔在数据板上移动时, 其正 下方的金属栅格上就会产生相应的感应电流。 根据已产 生电流的金属栅格的位置, 就可以判断出触笔当前的几 何位置。 图2.6所示的是几种常见的数字化仪。
第 2 章 交互式图形系统
图 2.2 鼠标器
第 2 章 交互式图形系统
鼠标器按其测量位移的方式可分为三大类: 1) 光电式鼠标 2) 光机式鼠标 3) 机械式鼠标
第 2 章 交互式图形系统
2. 键盘 图形学系统中的键盘中有ASCII编码键、 命 令控制键和功能键, 用以实现图形操作的某一特定功能。 字母数字键盘用作录入文本串; 键盘也能用来进行屏幕 坐标的输入、 菜单选择或图形功能选择; 功能键允许用 户以击键方式输入常用的操作命令; 而光标控制键可用 来选择被显示的对象或通过定位屏幕光标来确定坐标位 置; 数字键盘常常用来快速输入数值数据。 另外, 某些键盘上还包含了其它类型的光标定 位设备, 如跟踪球和操纵杆。 常见的标准键盘如图2.3 所示。
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视频控制器（显示控制器）
作用：
制图形的显示，建立帧缓存与屏幕像素之间的一一 对应关系，负责按固定刷新频率和扫描顺序刷新 屏幕图形
显示处理器
显示处理器 Display Processing Unit，简称DPU 作用： 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
帧缓存
红绿蓝三个位面，组合成8种颜色
红
增加一个亮度位面，形成16种颜色
绿
0 0 1 1
蓝
0 1 0 1
Black Blue Green Cyan
0 0 0 0
Red Magenta
Yellow White
1 1
1 1
0 0
1 1
0 1
0 1
若有24个位面（每种基色8个位面）则可同时显示 (28)3 =224=16777216种颜色（24位真彩色）。
§图形显示设备的发展
图形输入设备：
向量型图形输入设备； • 数字化仪、鼠标器、光笔等。 光栅扫描型图形输入设备。 • 扫描仪、摄象机等。
图形输出设备：
向量型图形输出设备； • 绘图机等。 光栅扫描型图形输出设备。 • 显示器、打印机等。
§图形显示设备的发展
图形显示器的发展 图形显示器是计算机图形学中关键的设备 60年代中期：画线显示器（亦称矢量显示器） 需要刷新。设备昂贵，不利于普及 60年代后期：存储管式显示器 不需刷新，价格较低，缺点是不具有动态修改 图形功 能，不适合交互式
荧光屏
荧光物质：吸收电子束而发光 余辉时间：持续发光时间，电子束离开某点后，该点 的亮度值衰减到初始值 刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数
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（Hz）
像素(Pixel)：构成屏幕（图像）的最小元素 分辨率(Resolution)：在假定 屏幕尺寸一定的情况下， 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
显存容量问题
分辨率M*N、颜色个数K与显存容量V的关系
V M N log 2 K
显存容量问题
若存储器位长固定，则屏幕分辩率与同时可用的 颜色种数成反比关系。
高分辨率和真彩要求有大的显存；
1024*768真彩模式需要3M字节显存
解决方法：采用查色表(Look-up Table）
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。
位面（bit plane）技术
把显存分成若干色平面，各平面上相同位置的 每一位和屏幕上的一个像素对应，同一像素点 在各位面占同一地址，不同位面上同一像素地 址中的内容决定像素的颜色。
查色表（LUT）
是一维线性表，其每一项的内容对应一种颜色，它 的长度由帧缓存单元的位数决定
目的：在帧缓存单元的位数不增加的情况下， 具有大范围内挑选颜色的能力。
颜色信息在帧缓存中的两种存放方式： 颜色值直接存储在帧缓存中。 把颜色码放在一个独立的表中，帧缓存存放的是颜色表中各项 的索引值，索引色。 单色系统：查色表固化 彩显：可修改、创建查色表。
DPU
视频控制器 输入设备
display
printer
逻辑部件： –帧缓冲存储器（Frame Buffer) –视频控制器（Video Controller) –显示处理器（Display Processing Uuit，简称DPU） –CRT
帧缓冲存储器（Frame Buffer)
作用：存储屏幕上像素的颜色值 也称刷新存储器(Refreshing Buffer) 简称帧缓冲器，俗称显存
第2讲：交互式图形处理系统
第二章：交互式图形处理系统
交互式图形系统组成 图形输入输出设备 虚拟现实技术 OpenGL图形标准
§1 交互式图形系统组成
Computer + 人 = 交互式
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 Personel Computer图形处理系统 workstation图形处理系统
§2 图形输入设备
图形输入设备的发展
§2 图形输入设备
图形输入设备的发展
第四阶段：三维输入设备（如三维鼠标、空间球、 数据手套、数据衣），用户的手势、表情等
§3 图形输出设备
图形输出(显示、打印）设备
阴极射线管显示器（CRT） 液晶显示器（LCD） 绘图仪 打印机
CRT显示器分类
刷新式
随机扫描式（Random-Scan） 光栅扫描式（Raster-Scan）
随机扫描的显示系统
特点
数据表示：矢量表示，只有端点信息，无线段中间点 扫描方式：电子束像一支快速移动的画笔，可随意移 动，只扫描荧屏上要显示的部分，与示波器工作原理 类似 显示图形：几何属性（geometric attribute）为主， 线架图 优点：扫描速度快，分辨率高，线条质量好，易修改， 交互性好，动态性能好 缺点：价格贵，只能显示线画图形，应用于军事、 CAD领域
如：Turbo C，AutoLisp等。
简练、紧凑、执行速度快，但不可移植
（3）专用图形系统：效率高，但系统开发量大，可移植 性差。
通用的、与设备无关的图形标准 GKS
(Graphics Kernel System) (第一个官方标准，
1977) PHIGS (Programmer’s Herarchical Iuteractive Graphics system) 一些非官方图形软件，广泛应用于工业界，成为事实 上的标准 DirectX (MS) Xlib (X-Window系统) OpenGL (SGI) Adobe公司Postscript
• 红、绿、兰三基色 • 三色荧光点（很小并充分靠近--〉像素） • 三支电子枪
如果每支电子枪发出的电子束的强度有256个 等级，则显示器能同时显示256*256*256=16M 种颜色，称为真彩色系统
§4 CRT显示器分类
直视存储管式（Direct-View Storage Tubes）
利用管子本身存储信息，类似于一个长余辉的CRT，不必 刷新
光栅扫描的显示系统
特点：
数据表示：像素矩阵 扫描方式：从上到下，从左到右，与电视工作原理 类似 显示图形：几何属性+视觉属性（Visual attribute），真实感图形
显示器的分辨率
电子束按固定的扫描顺序扫描N条扫描
线，每条扫描线有M个像素，M * N显示 器的分辨率。
帧
绘图仪 Computer
色平面越多，可表达的色彩越丰富。 增加一个位面，色彩就增加一倍，而存储器写操作 程序无需重新计算新地址，程序兼容性好。
0
N位寄存器
0 1 0 2NDAC 电子枪 CRT光栅
红色枪 绿色枪 蓝色枪
1
0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ有N个位面的帧缓存
0~2N-1灰度等级
寄存器
0 1 0
0 1 0
DAC DAC DAC
CRT光栅
第五阶段：用户的思维
三种类型的计算机图形软件系统： (1)用某种语言写成的子程序包
如: GKS (Graphics Kernel System)
PHIGS (Programmer’s Herarchical Graphics system ) GL 便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低 Iuteractive
(2）扩充计算机语言，使其具有图形生成和处理的功能
影孔板法
原理：影孔板被安装在荧光屏的内表面，用于精确定位像素 的位置
影孔板的类型
• 点状影孔板 代表：大多数球面与柱面显像管 • 栅格式影孔板 代表：Sony的Trinitron与Mitsubishi的 Diamondtron显像管 沟槽式影孔板 代表：LG的Flatron显像管
点状影孔板工作原理
彩色阴极射线管
彩色CRT
渗透型
• 常用于随机扫描显示器 • 射线穿透法 多枪型 • 常用于光栅扫描显示器 • 影孔板法（阴罩法）
射线穿透法（beam penetration）
原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光 物质，不同速度电子束穿透荧光层的深浅，决定 所产生的颜色
应用：主要用于画线显示器 优点：成本低 缺点：只能产生有限几种颜色
光栅显示系统的特点
优点： • 成本低 • 易于绘制填充图形 • 灰度和色彩丰富，图像逼真 • 可以和电视机兼容 • 刷新频率一定，与图形的复杂程度无关
缺点： • 需要扫描转换 • 扫描转换速度偏低，交互操作响应慢 • 分辨率偏低，有阶梯效应
§光栅显示设备
§矢量输出设备
图形软件发展及软件标准形成
开放式的三维图形软件包OpenGL
OpenGL是近几年发展起来的一个性能卓越的三维图形标准，它 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。
阴极射线管（CRT）（Cathode Ray Tube） 单色CRT 彩色CRT