گرافيک کامپيوتري فصل اول : مقدمه ای بر گرافیک کامپیوتری (A Survey of Computer Graphics) فصل دوم: مروری بر سیستم های گرافیکی (Overview of graphic systems) فصل سوم : مبناهای خروجی گرافیک (Output Primitives) فصل چهارم: ویژگیهای مبناهای گرافیکی (Attributes of Output Primitives) فصل پنجم : تبديلات هندسي (Geometric Transformation) فصل ششم : ديد دو بعدي (Two-Dimensional Viewing) فصل هفتم: ديد سه‌بعدي (Three-Dimensional Viewing) فصل هشتم: نمايش اجسام سه بعدي(Three-Dimensional Object Representation) فصل نهم: کتابخانه گرافيکي OpenGL Open Graphics Library))

مقدمه ای بر گرافیک کامپیوتری فصل اول مقدمه ای بر گرافیک کامپیوتری (A Survey of Computer Graphics)

کاربردها : زمینه های گوناگونی چون علوم، هنر، مهندسی، تجارت، صنعت، پزشکی، مدیریت، سرگرمی، تبلیغات و آموزش نمودارها طراحی روشهای طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) ترسیم و طراحی به کمک کامپیوتر(CADD-computer-aided design and drafting) محیط های واقعیت مجازی در آن کاربر می تواند با اشیاء سه بعدی در تعامل باشد

بصری سازی داده ها(Visualization): بصری سازی علمی: آماده سازی برای ارائه مطالب گرافیکی برای مجموعه داده ها و فرایندهای علمی، مهندسی و پزشکی بصری سازی تجاری: در رابطه با مجموعه داده های مربوط به بازرگانی، صنعتی و دیگر زمینه های غیرعلمی بکار می رود آموزش و کارآموزی: مدلهای کامپیوتری تولید شده از سیستمهای فیزیکی، مالی، سیاسی، اجتماعی، اقتصادی و غیره اغلب بعنوان ابزارهای کمک آموزشی بکار می روند. انواع شبيه سازهاي هواپيما، کشتي، خودرو را نيز مي توان نام برد

پردازش تصویر : تعبیر یا تفسیر تصاویر موجود، بهبود کيفيت تصاوير، تحليل تصاوير و شناسايي الگوهاي بينايي اختلاف گرافيک کامپيوتري و پردازش تصوير: در گرافیک کامپیوتری، از کامپیوتر برای خلق یک تصویر استفاده می شود حال آنکه روشهای پردازش تصویر برای بهبود کیفیت تصاویر، تحلیل تصاویر و شناسایی الگوهای بینایی برای کاربردهای مختلف بکار می روند. روشهای پردازش تصویر اغلب در گرافیک کامپیوتری بکار برده می شوند. فاصلهای گرافیکی کاربر (GUI): فراهم کردن یک فاصل گرافیکی کاربر برای کاربردهای نرم افزاری بسیار رایج است یکی از مؤلفه های عمده یک فاصل گرافیکی، مدیریت پنجره هاست که به کاربر اجازه نمایش چندین پنجره که هر یک حاوی اطلاعات گرافیکی یا غیرگرافیکی می باشد را می دهد

مروری بر سیستم های گرافیکی فصل دوم مروری بر سیستم های گرافیکی (Overview of graphic systems)

بررسي اجزای سخت افزارهاي گرافیکی دستگاههای نمایش ویدئویی (Video Display Devices) اکثر دستگاه ها نمايش بر پایه فناوری لامپ خلأ تلویزیون (CRT) می باشند لامپ های خلأ رفرش (CRT – Cathod Ray Tube)

پرتوی از تفنگ الکترونی ساطع شده از تقویت کننده و صفحات انحراف دهنده عبور کرده و به مکانی خاص از صفحه فسفری برخورد می کند . یک نقطه نورانی در محل برخورد پرتو در صفحه فسفری ایجاد می شود این نور به سرعت کم رنگ و خاموش می شود برای بقاء تصویر نیاز است پرتو الکترونی به صورت مداوم و سریع به صفحه فسفری برخورد کند .

انحراف اشعه الکترونی نیز می تواند بوسیله میدانهای مغناطیسی یا میدانهای الکتریکی کنترل شود. در حال حاضر، CRT ها بصورت متداول از سیم پیچهای منحرف کننده مغناطیسی استفاده می کنند که بر پوشش خارجی CRT مطابق شکل سوار شده اند.

سیستم متمرکز کننده (Focusing System): در یک CRT اشعه الکترونی را وادار می‌کند تا هنگام برخورد با صفحه فسفر اندود به نقطه ای کوچک همگرا شود در غیر اینصورت، الکترونها همدیگر را دفع مي‌کنند. متمرکزکننده الکترواستاتيکي(عدسي الکترو استاتيکي): يک استوانه فلزي با بار مثبت مي‌باشد. اشعه الکتروني در طول محور استوانه در وضعيت متعادلي قرار مي‌گيرد و عبور مي‌کند

شبکه کنترل (Grid Control) : تنظيم شدت اشعه الکترونی با اعمال ترازهای ولتاژ(بار منفي) انجام مي‌دهد. میزان درخشندگی یک پیکسل در صفحه نمایش را با تغییر ولتاژ در شبکه کنترل، می‌توان کنترل کرد.

تفنگ الکترونی: کاتد و شبکه کنترل، اجزای اصلی تشکیل دهنده تفنگ الکترونی در CRT اند. گرما با عبور دادن جریان الکتریکی از داخل سیم پیچ واقع در داخل ساختار کاتدی استوانه ای به کاتد اعمال می شود. این عمل باعث غلیان الکترونها بر روی سطح کاتد می شود.

ماندگاری (persistence) علاوه بر رنگ، اختلاف عمده فسفرها در ماندگاری آنهاست ماندگاری : مدت زمان لازم برای اینکه شدت نور ساطع شده از صفحه فسفر اندود به یک دهم شدت اولیه آن برسد ماندگاری کم  در حدود 10 الی 60 میکروثانیه  نیاز به رفرش بالا  برای پویا نمایی ماندگاری زیاد  بیشتر از 1 ثانیه  نیاز به رفرش پايين  برای تصاویر پیچیده و ايستا

تفکيک پذيري (Resolution) بیشترین نقاطی که می توان بدون همپوشانی بر روی صفحه مانیتور نمایش داد تعداد نقاط قابل نمایش در یک سانتی متر بصورت افقی و عمودی تعداد کل نقاط قابل نمایش در دو جهت تفکیک پذیری به نوع فسفر، شدت نمایش و سیستمهای منحرف کننده و متمرکز کننده بستگی دارد سیستمهای با کیفیت  1280×1024 نمایشهای پویش رستری (Raster Scan) اساس کار آنها فناوری تلویزیونی است اشعه الکترونی، صفحه نمایش را سطر به سطر با شروع از بالاترین سطر جارو میکند هر سطر را یک خط پویش می نامیم (Scan Line) زمانی که اشعه الکترونی در طول یک خط پویش حرکت می کند شدت آن برای ایجاد الگویی از نقاط درخشنده، خاموش یا روشن می شود

تعریف تصویر در ناحیه ای از حافظه به نام Refresh buffer (یا Frame buffer) ذخیره میشود . مقادیر رنگ ها در آن وجود دارد که شدت اشعه را کنترل می کند. (بافر رنگ) هر نقطه نوری که بتواند بوسیله اشعه الکترونی روشن شود یک پیکسل یا Pel نامیده می شود برگشت افقی (Horizontal retrace) = رفتن از انتها به ابتدای خط پویش دیگر برگشت عمودی (Vertical retrace) = در پایان هر فرم اشعه به گوشه بالا چپ برمی گردد

تعداد بیتها برای هر Pixel در فرم بافر  عمق فرم بافر دامنه رنگها یا سطوح خاکستری که در سیستم پویش رستری به نوع فسفرهای بکار رفته در CRT وهم به تعداد بیتهای قابل دسترس برای هر پیکسل در فریم بافر، بستگی دارد. تعداد بیتها برای هر Pixel در فرم بافر  عمق فرم بافر نقش پیکسلی (Pix map) = عمق فرم بافر بیش از یک بیت نقش بیتی (Bitmap) = فرم بافر با 1 بیت بر pixel در سیستم ساده تک رنگ، هر پیکسل یا روشن است یا خاموش  عمق فرم بافر يک مانیتور رنگی با کیفیت خوب  24 بیت برای هر خانه فرم بافر مثال: اندازه فرم بافر با عمق24 بیت و رزولوشن 1024 1024  210*210*3 = 220*3=3 MB

Refresh Rate يا نرخ تازه کردن : تعداد دفعاتي که تصوير در يک ثانيه بر روي صفحه مانيتور توليد مي‌شود. 60 تا 80 هرتز حتی تا 120 Hz مثال : برای کاربرد های استرئوسکوپی دو دید از یک صحنه (یک دید از موقعیت هر چشم ) باید به صورت متناوب و بدون چشمک زدن به نمایش در آید که نرخ رفرش بالا مناسب است . زیر 24 فریم در ثانیه، معمولاً احساس گسستگی بین تصاویر متوالی و تصویر بصورت چشمک زن فیلمهای صامت قدیمی نرخ 16 فریم در ثانیه

رفرش درهم‌ديسي (Interlaced Refresh) : مانیتورهایی که سرعت رفرش پایین دارند کار Scan را در 2 فاز انجام می دهند یکبار تمام خطوط فرد و بار دوم تمام خطوط زوج رفرش می شود این عمل باعث وضوح بیشتر می شود مثال : مانیتور 30Hz تبدیل به مانیتور 60Hz می شود . 30HZ يعني در هر 1/30s يکبار کل صفحه رفرش مي‌شود.در درهم‌ديسي يک مانيتور 30HZ : 1/60s  تمام خطوط فرد در 1/60s دوم  تمام خطوط زوج تقريبا يک مانيتور 60HZ بدست مي‌آيد در تصاوير فرمت png که در وب استفاده مي‌شوند نيز از براي سرعت Load بهتر از اين تکنيک استفاده مي‌شود.

نمایش های پویش تصادفی : (Random Scan display) : اشعه الکترونی فقط به قسمت هایی از تصویر که باید رسم شود برخورد می کند یعنی خط های تشکیل دهنده تصویر را رسم می کند نمایش های برداری (Random vector) یا نمایش های تحریرضربه ای (strock writhing) یا نمایش‌های خوشنویسی (calligraphic) تعریف تصویر بصورت مجموعه ای از دستورهای ترسیم خط، در قسمتی از حافظه به نام فهرست نمایش (Display List) یا فایل بردار(Vector File) ذخیره می شود نرخ رفرش : 30 تا 60 بار در ثانیه با حداکثر 100000 قطعه خط کوچک بر ثانیه Display List B A A A to B B to C C to A C C B B A A

مقایسه Random با Raster: کاربردهای ترسیم خط مثل طرحهای مهندسی و معماری نمی توان صحنه های سایه زده شده واقع گرایانه ای را نمایش داد. درجه تفکیک پذیری بالاتری دارند -خطوط صاف و همواره دقیق Raster : ذخیره سازی اطلاعات دیگر برای تک تک نقاط صفحه نمایش ، نمایش واقع گرایانه، سایه زنی های ظریف، خطوط پله پله (jagged line) صفحه نمایش های CRT رنگی : Color CRT Monitors با ترکیب فسفرهایی که نورهای متفاوتی منتشر می کنند . 1- روش نفوذ اشعه (Beam penetration) : صفحه نمایش با لایه هایی از فسفر قرمز و سبز می پوشانند رنگی منتشر شده به شدت نفوذ اشعه الکترونی در لایه ها بستگی دارد. (در مانيتورهاي Random استفاده مي‌شود) لایه خارجی  فسفر قرمز  اشعه با الکترون کند در آن نفوذ می کند رنگ قرمز لایه داخلی  فسفر سبز  اشعه با الکترون خیلی سریع نفوذ می کند  رنگ سبز سرعت های میانی ترکیب این دو رنگ (زرد و نارنجی) روش پرهزینه – محدوده کم رنگ – کیفیت کم

2- روش ماسک سایه (shadow mask) الگوي مثلثي قرارگيري تفنگ‌ها روش ماسک سايه دلتا-دلتا در تلویزیون های رنگی استفاده می شود و رنگها به صورت ترکیبی از مؤلفه های مدل رنگ RGB ساخته مي‌شوند. سه نقطه فسفری رنگی در هر پیکسل وجود دارد

- سه دسته اشعه به صورت گروهی به طرف ماسک سايه پرتاب مي‌شوند و توسط ماسک سايه منحرف و متمرکز می شوند به طوريکه هر اشعه به رنگدانه مربوطه در پيکسل برخورد کند . - به جای الگوی مثلثی از الگوهای خطی نیز استفاده می شود .

مثال1: اشعه الکترونی در هر تفنگ فقط دو حالت روشن و خاموش : محاسبه تعداد رنگ‌ها بر اساس توانايي تفنگ الکتروني و تعداد بيت‌هاي فرم بافر تغییرات رنگ را می توان با تغییر ترازهای شدت سه اشعه الکترونی بدست آورد. مثال1: اشعه الکترونی در هر تفنگ فقط دو حالت روشن و خاموش : 2*2*2 = 23=8 تعداد رنگ‌ها عمق فرم بافر مورد نياز 3 بيت -مثال2: 256 سطح برای هر تفنگ : 256*256*256 = 28*28*28 = 224 =16777216 (حدود 17ميليون رنگ) عمق فرم بافر مورد نياز 24بيت - سیستم تمام رنگی (Full-Color system) یا سیستم رنگی واقعی (true-color system) 1024*1024 (Resolution) 24 bit for each pixel in frame buffer  256 level for each gun  16777216 color Size of frame buffer = 3MB

مقادیر رنگ ذخیره شده در فریم بافر هشت کد رنگ برای فریم بافری با سه بیت بر پیکسل رنگ نمایش داده شده مقادیر رنگ ذخیره شده در فریم بافر کد رنگ آبی (B) سبز (G) قرمز (R) سیاه 1 2 فیروزه ای 3 4 ارغوانی 5 زرد 6 سفید 7 سبزو آبی و قرمز سفید سبز و قرمز  زرد

صفحات نمایش تخت (Flat Panel Displays) وزن ، حجم و مصرف انرژی کمتری دارند. 1- نمایشگرهای پخشی (emissive Display) : انرژی الکتریکی را به نور تبدیل میکنند. مانند صفحات پلاسما ، صفحات الکترولومینانس فیلم نازک و LED 2- نمایشگرهای ناپخشگر (non emissive) : نور خورشید یا نور بعضی از منابع دیگر را با استفاده از اثرات نوری به الگوهای گرافیکی تبدیل می کنند مانند دستگاه های کریستال مایع (LCD)

صفحات پلاسما (نمایشگرهای تخلیه گاز) فضای بین دو ورق شیشه ای با مخلوطی از گازها که گاز نئون نیز معمولاً یکی از آنهاست، پر می شود گاز واقع بین اشتراک رسانای افقی و عمودی در حین اعمال ولتاژ به پلاسمای تابناکی از الکترون ها و یون ها تشکیل می شود . تعریف تصویر در رفرش بافری ذخیره می شود و برای رفرش کردن مواضع پیکسلهای (محل تلاقی رساناها) نیز ولتاژ احتراق 60 بار در ثانیه اعمال می شود.

صفحات نمایش الکترولومینانس فیلم نازک (Thin Film Electroluminescent) : مانند صفحات پلاسما به جای گاز از یک فسفر مثل سولفید روی آغشته به منگنز استفاده می شود. مصرف برق آن زیاد است و تولید رنگ در آن دشوار است. دیود پخش نور LED (Light Emitting Diode) : ماتریسي از دیودهای برای تشکیل مواضع پیکسلهای صفحه نمایش بکار می رود و تعریف تصویر نیز در یک رفرش بافر ذخیره می شود.

نمایشهای کریستال مایع (LCD-Liquid Crystal Displays) ماتریس منفعل Passive-matrix = منبع نور خارجی ماتریس فعال Active-matrix = منبع نور داخلی - تصویر را با عبور دادن نور قطبی شده از منبع نور محیط یا از منبع نور داخلی از میان مواد کریستال مایع تشکیل می دهند. این مواد می توانند به گونه ای ردیف بندی شوند که باعث عبور یا مانع عبور نور شوند.

دستگاههای دید سه بعدی (Three Dimensional Viewing Device) سیستم نمایش سه بعدی با استفاده از آینه ای نوسان پذیراندازه فاصله کانونی را برای هماهنگی با عمق نقاط در صحنه تغییر می دهد.

سیستم نمایش سه بعدی Space Graph با استفاده از آینه ای نوسان پذیر اجسام را سه بعدي نمايش مي‌دهد

ديد برجسته نما(Stereoscopic viewing) - روش توليد: بدست آوردن 2 دید از صحنه با جهت های دید در امتداد خطها از موقعیت هر چشم (چپ و راست) به صحنه ونمایش هر دید در دوره های رفرش متوالی با سرعت بالا - برجسته نماهای جزئی از سیستم های واقعیت مجازی هستند .

سیستمهای واقعیت مجازی (Virtual Reality Systems) روشی برای نمایش اجسام سه بعدی و نمایش دیدهای برجسته نما از جسم است براي مکان يابي از کلاه و دستکش استفاده مي‌شود عينک براي ديد برجسته نما

کنترل گر ویدئویی(Video Controller) پردازشگري تک منظوره براي کنترل عمليات دستگاه نمايش معماری سیستم گرافیک رستری با یک کنترل گر ویدئویی - فرم بافر می تواند در هر جایی از حافظه یا قسمت خاصی از حافظه باشد

-ثبات x از 0 تا xmax و ثبات y از 0تا ymax تغيير مي‌کند وقتي x از 0 تا xmax تغيير کرد y يک واحد کاهش مي‌يابد و مجداد x مقدار 0 مي‌گيرد مقدار ثبات‌هاي x و y به آدرس حافظه frame buffer تبديل مي‌شوند و شدت رنگ پيکسل از frame buffer بدست آمده و تبديل به شدت پرتو مي‌شود مقدار ثبات‌هاي x و y ولتاژ صفحات انحراف دهنده عمودي و افقي را تنظيم مي‌کنند عمليات رفرش يک کنترلگر ويدئويي

پردازشگر نمایش پویش راستر(Raster Scan display processor) -هدف از پردازشگر نمایش، آزادسازی CPU از انجام کارهای گرافیکی است -کار عمده ی آن رقمی کردن تصویر داده شده به مجموعه ای از پیکسل ها - تولید کاراکترها -تولید انواع سبک های خط سطوح رنگی - اعمال تبدیلات هندسی معماری سیستم گرافیکی رستری با یک پردازشگر نمایش

دستگاههای ورودی Keyboard &Mouse Button Box (جعبه دکمه‌ها) TrackBall(گوي چرخان)

Data Glove Joystick (تبلت روميزي) Graphic Tablets (رقمی کننده ها)Digitizer

Scanner (پویشگرهای تصویر) قلم نوری (Touch Panels)صفحات لمسی

دستگاههای نسخه چاپی (Printers) ضربه ای (Impact) : نمای حرف تشکیل شده را بر روی روبانی جوهری یا کاغذ می فشارد . (چاپگرهای خطی – ماتریس نقطه ای) - در چاپگرهای خطی حروف چاپی روی نوار ، استوانه یا چرخ سوار هستند . غیرضربه ای (non-Impact) : از فناوری های لیزری الکتروستاتیکی ، جوهرافشانی ، الکتروترمال برای تولید تصاویر استفاده می شود . جوهرافشان لیزری

-در چاپ الکتروترمال حرارت به شاخکهای چاپ ماتریس نقطه ای اعمال می شود که برای چاپ الگوها بر روی کاغذهای حسگر حرارتی بکار می رود -دستگاههای غیر ضربه ای برای تولید دامنه ای از رنگها، روشهای مختلفی برای ترکیب سه رنگ مایه (فیروزه ای، سرخابی و زرد) بکار می برند. - دستگاههای لیزری و الکترواستاتیکی، سه رنگ مایه را در سه مرحله جداگانه قرار می دهند. -روشهای جوهر افشان، سه رنگ را بصورت همزمان و در یک مرحله بر روی خط چاپ در صفحه کاغذ می پاشند. رسام قلمی شامل یک یا چند قلم است که بر روی یک نورد یا میله ای که بتواند یک صفحه کاغذ را پوشش دهد، سوار می شود رسام

نرم افزارهای گرافیکی نمایش سیستم مختصات تک منظوره : براي غير برنامه نويس‌ها برنامه‌نويسي عمومي: زبان‌هاي برنامه‌نويسي کتابخانه‌هاي گرافيکي را فراهم مي‌آورند. - java3D, java2D, VRML, OpenGL, GL مثال‌هايي براي بسته‌هاي گرافيکي عمومي هستند. اين بسته‌ها را فاصل برنامه‌نويسي گرافيکي مي‌نامند زيرا يک فاصل برنامه‌نويسي بين زبان برنامه‌نويسي و سخت‌افزار ايجاد مي‌کند.(CG API) نمایش سیستم مختصات بسته های گرافیکی عمومی، مستلزم این هستند که توصیفات مزبور، در یک سیستم مختصات دکارتی استاندارد و راست گرد تعیین شوند

نمایش سیستم مختصات بسته های گرافیکی عمومی، مستلزم این هستند که توصیفات مزبور، در یک سیستم مختصات دکارتی استاندارد و راست گرد تعیین شوند خط لوله دید (Viewing Pipe Line):رشته تبدیلات لازم از سیستم مختصات محلی به سیستم مختصات دستگاه برای صحنه ای سه بعدی (xmc , ymc , zmc)  (xwc , ywc , zwc)  (xvc , yvc , zvc)  (xpc , ypc , zpc)  (xnc , ync , znc)  (xdc , ydc)

هدف نخست استانداردهای نرم افزارهای گرافیکی استاندارد، portability است. استانداردهای نرم افزاری هدف نخست استانداردهای نرم افزارهای گرافیکی استاندارد، portability است. General kernel system (GKS) : اولين استاندارد نرم افزار گرافيکي پذيرفته شده توسط ISO و ANSI بسته گرافیکی دوبعدی به GKS سه بعدی نيز گسترش يافت (Programmer`s Hierarchal Interactive Standard)PHIGS گسترشی از GKS مدلسازی سلسله مراتبی اجسام مشخص کردن رنگها Render کردن سطوح دستکاری تصاویر گسترشی از PHIGS به نام PHIGS+ با قابلیت سایه زنی برای سطوح سه بعدی ارائه شد است

مجموعه ای از روتینهای گرافیکی به نام Graphic liberary (GL) عرضه شدند و GL به یک استاندارد گرافیکی بالفعل تبدیل شد. - در اوایل سال 1990، openGL بعنوان نسخه ای مستقل از سخت افزار GL توسعه داده شد. -اکنون این بسته گرافیکی بوسیله openGL Architecture Review Board که کنسرسیومی شاخص از بسیاری از سازمانها و کمپانیهای گرافیکی است، نگهداری و به روز در می آید Amin Zare aminzare@cse.shirazu.ac.ir amin_zare@pnu.ac.ir 2011/03/08