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（4）

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
5 用户界面设计
5 用户界面设计
6 OpenGL简介
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


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


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、坐标数字化仪、跟踪球、触摸屏、 操纵杆、扫描仪等 第四阶段 三维输入设备（如三维鼠标、空间球、数据手套等） 智能人机接口：用户的手势、表情、语音等
4 交互方式
操作柄技术

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。
4 交互方式
菜单技术
4 交互方式
动画技术

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。
3 图形输出设备
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

液晶显示器 LCD（Liquid Crystal Display） 原理 液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质 它具有液体的流态性质和固体的光学性质 当液晶受到电压的影响时，就会改变它的物理性质而发 生形变 此时通过它的光的折射角度就会发生变化，而产生色彩
5 用户界面设计
信息输入中需注意的原则





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；
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2 图形输入设备
图形输入设备（1）
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
空间球
三维鼠标
2 图形输入设备
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
共需要72G的磁盘容量

这是实体图形输入的一个颠峰之作
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

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
3 图形输出设备
图形处理器

图形处理器：俗称显卡 CGA EGA VGA TVGA SVGA XGA SXGA
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 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 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
计算机图形学基础
Computer Graphics
第二章 图形交互系统
赵东保 华北水利水电学院 2011.9
1 概述
交互式计算机图形系统的组成
图形输入设备
通 用 外 部 设 备
计算机
图形输出设备
图 形 显 示 终 端
1 概述
交互式计算机图形处理系统

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
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

4 交互方式
约束技术
采用约束技术可以方便地画出水平线、垂直线，这 种技术在绘制管网图或地籍图时非常有用。 除了画水平线和垂直线外，约束技术还可以用于画 具有特殊角度（如 30°、 45°）的线段，并且这种 思想也可以用于画其它图形，如圆、正方形等。

4 交互方式
网格技术

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。
对话框
4 交互方式
橡皮筋技术
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。

机中产生这些艺术品的三维模型
2 图形输入设备
图形输入设备（6）

三维数字化仪

电磁感应原理 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 许多数字化仪提供了多种压感电流，用不 同压力就会有不同的信息传向计算机



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
未来显示器

发光聚合物技术 坚不可摧；柔韧性好，可以卷起来； 显示画面具有无与伦比的清晰度； 真正的平面直角
3 图形输出设备
5 用户界面设计
信息显示中需注意的原则






Biblioteka Baidu
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；
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
2 图形输入设备
图形输入设备（3）

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
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


2 图形输入设备
图形输入设备（7）
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
3 图形输出设备
图形输出设备
阴极射线管显示器（CRT：
Cathode Ray Tube ）
单色CRT
彩色CRT 液晶显示器（LCD） 绘图仪，打印机 双监视器图形工作站 MediaWall多屏幕系统——监视器阵列
4 交互方式
拖曳技术
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。

4 交互方式
操作柄技术

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。
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；
4 交互方式
动画技术
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
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


显存



RAMDAC

3 图形输出设备
帧缓冲存储器（Frame Buffer）

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 帧缓存可以是专用的存储器 也可是系统内存中的一块固定 区域
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