第1章+图形设备、系统和应用

1、计算机图形学武汉大学国际软件学院 周松涛S2022-2-201图形设备、系统和应用Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-202主要内容主要内容n计算机图形学的基本概念计算机图形学的基本概念n计算机图形学的发展计算机图形学的发展n计算机图形学的应用及发展方向计算机图形学的应用及发展方向n图形输入设备及输出设备图形输入设备及输出设备n图形系统图形系统n虚拟现实系统简介虚拟现实系统简介Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-203基本概念基本概念n计算机图形学研究的内容计

2、算机图形学研究的内容l怎样用计算机生成、处理和显示图形的学科怎样用计算机生成、处理和显示图形的学科l图形的输入图形的输入 u如何开发利用图形输入设备及软件将图形输入到计如何开发利用图形输入设备及软件将图形输入到计算机中去，以便作各种处理。算机中去，以便作各种处理。l图形的处理图形的处理u包括对图形进行变换包括对图形进行变换(几何变换，投影变换几何变换，投影变换)和运算和运算（集合运算）（集合运算）,裁减，着色，形变等裁减，着色，形变等l图形的输出图形的输出u 如何将图形特定的表示形式转换成图形输出系统便如何将图形特定的表示形式转换成图形输出系统便于接受的表示形式，并将图形在显示屏或打印机等于接

3、受的表示形式，并将图形在显示屏或打印机等输出设备上输出，或以文件的形式保存在磁盘上。输出设备上输出，或以文件的形式保存在磁盘上。Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-204n相关的概念相关的概念l图形：图形：计算机图形学的研究对象，能在计算机图形学的研究对象，能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象，包括自然景物、拍摄到的图片、象，包括自然景物、拍摄到的图片、用用数学方法描述的图形数学方法描述的图形等等等等l构成图形的要素构成图形的要素u几何要素：刻画对象的轮廓、形状等几何要素：刻画对象的轮廓、

4、形状等u非几何要素：刻画对象的颜色、材质等非几何要素：刻画对象的颜色、材质等Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-205l计算机中表示图形的方法计算机中表示图形的方法u点阵表示点阵表示枚举出图形中所有的点枚举出图形中所有的点(强调图形由点构强调图形由点构成成)简称为简称为图像（数字图像）图像（数字图像）u参数表示参数表示由图形的形状参数由图形的形状参数(方程或分析表达式的方程或分析表达式的系数，线段的端点坐标等系数，线段的端点坐标等)以及属性参数以及属性参数(颜色、线型等颜色、线型等)来表示图形来表示图形简称为简称为图形图形Co

5、mputer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-206n数字图像处理与图形学的关系数字图像处理与图形学的关系数数字字图图像像数数据据模模型型图像生成图像生成（计算机图形学）（计算机图形学）图象理解图象理解（模式识别，机器视觉）（模式识别，机器视觉）模型变换模型变换（CAGD）图像处理图像处理 CAGD（Computer Aided Geometric Design）是研究几何形体在计算机中的表示，分析、研究怎样灵活方便地建立几何形体的数学模型，提高算法效率，在计算机内更好地存储和管理这些模型等。研究曲线、曲面的表示、生成、拼接、数据拟合。 C

6、omputer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-207 数字图像处理数字图像处理针对图像进行各种加工以改善图像的效果,为图像分析做准备。研究的内容包括图像增强与去噪、图像分割与边缘检测、图像的几何变换、频域处理、数学形态学及其应用、图像特征与理解、图像编码压缩以及图像恢复等内容。 图象理解（模式识别）图象理解（模式识别）可以看作是图形学的逆过程，分析和识别数字图像并从中提取二维或三维的数据模型（特征），比如生产线上的零件自动识别，车牌号的自动识别，扫描文稿的识别，通过航空拍摄的地表影像提取地形图等。Computer GraphicsComp

7、uter Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-208图形硬件的发展图形硬件的发展n交互式计算机图形学的诞生交互式计算机图形学的诞生（20世纪世纪50年代）年代）l1950年，年，MIT，旋风一号（旋风一号（Whirlwind I ）计）计算机的图形显示器，类似于示波器的算机的图形显示器，类似于示波器的CRT来显来显示简单图形。示简单图形。-CRT的出现为计算机生成和显的出现为计算机生成和显示图形提供了可能。示图形提供了可能。l20世纪世纪50年代末期，年代末期，MIT林肯实验室，在林肯实验室，在Whirlwind上开发上开发SAGE(SemiAutomatic Ground E

8、nvironment)空中防御系统，通过光空中防御系统，通过光笔在屏幕上指点与系统交互。笔在屏幕上指点与系统交互。-标志着交互式标志着交互式图形技术的诞生。图形技术的诞生。Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-209n蓬勃发展时期蓬勃发展时期（20世纪世纪60年代）年代）l1962年年MIT林肯室验室林肯室验室Ivan.E.Sutherland发表了博士发表了博士论文：论文：Sketchpad：一个人机通一个人机通信的图形系统。信的图形系统。-提出基本交互提出基本交互技术、图元分层表示概念及数据技术、图元分层表示概念及数据结构，

9、确定了交互图形学作为一结构，确定了交互图形学作为一个学科分支。个学科分支。l20世纪世纪60年代：年代：MIT、Bell Lab、通用汽车公司、剑通用汽车公司、剑桥大学开展大规模的研究桥大学开展大规模的研究 。Ivan.E.Sutherland博士Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2010n实用化阶段实用化阶段（20世纪世纪70年代以后）年代以后）l交互式图形系统在许多国家得到应用，许多新交互式图形系统在许多国家得到应用，许多新的更加完备的图形系统不断被研制出来。的更加完备的图形系统不断被研制出来。l20世纪世纪80年代初，

10、图形学依然是较小的学科，年代初，图形学依然是较小的学科，主要因为图形硬件设备十分昂贵，且基于图形主要因为图形硬件设备十分昂贵，且基于图形的应用相对较少。的应用相对较少。lPC、图形工作站的出现，图形应用程序的完备，、图形工作站的出现，图形应用程序的完备，以及以及20世纪世纪90年代以来的图形标准化、三维图年代以来的图形标准化、三维图形技术的发展使图形技术在各个领域得到普及。形技术的发展使图形技术在各个领域得到普及。Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2011n显示设备的发展显示设备的发展（显示器是图形学中的关键设备）（显示器是

11、图形学中的关键设备）画线显示器（矢量显示器）（随机扫描显示器）20世纪60年代中期存储管式显示器20世纪60年代后期光栅扫描显示器20世纪70年代中期较高的分辨率、对比度，良好的动态性；需要不断刷新，需要刷新缓冲存储器存放数据和指令，需要图形处理器，价格昂贵。分辨率高、不闪烁，不具有显示动态图形的能力；不能有选择的删、改图形，价格较低。按光栅扫描方式显示图形图象，需要刷新缓冲存储器；促使图形处理和图像处理相互渗透，使生成的图形形象逼真，易于推广应用。Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2012图形软件的发展图形软件的发展n子程

12、序包子程序包lGKS、PHIGS、GL等等l便于移植和推广便于移植和推广l执行速度慢、效率低（？）执行速度慢、效率低（？）n扩展计算机语言扩展计算机语言l计算机语言（开发工具）所附带的子程序库计算机语言（开发工具）所附带的子程序库l直接使用图形函数生成各种图形直接使用图形函数生成各种图形l用这类语言编写的图形软件简洁、紧凑，执行速度快用这类语言编写的图形软件简洁、紧凑，执行速度快n专用的图形系统专用的图形系统lAutoCAD、CorelDraw等等l功能强，执行速度快，效率高功能强，执行速度快，效率高l开发复杂，移植性差开发复杂，移植性差Computer GraphicsComputer Gr

13、aphics计 算 机 图 形 学2022-2-2013应用举例应用举例n图形用户接口（图形用户接口（GUI）早期的指示灯、穿孔纸带命令行交互形式的字符界面图形用户界面Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2014Windows Vista 三维图形用户接口三维图形用户接口Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2015n计算机辅助设计与制造计算机辅助设计与制造l图形学的主要应用领域图形学的主要应用领域之一之一l应用领域应用领域：飞机、轮船、：飞机、轮船、汽车外形，

14、大规模集成汽车外形，大规模集成电路，建筑，服装，玩电路，建筑，服装，玩具具Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2016波音777客机全部采用计算机辅助设计Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2017图示图形学（信息可视化）图示图形学（信息可视化）n用二、三维图表表达各种数据用二、三维图表表达各种数据n能形象的表达各种数据的变化趋势能形象的表达各种数据的变化趋势n辅助决策支持辅助决策支持Computer GraphicsComputer Graphics计 算

15、机 图 形 学2022-2-2018 Google的趋势搜索功能以图示的方式表达一段时间内某些搜索关键词的使用频率。参见：http:/Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2019勘探、测量勘探、测量n地理空间信息可视化应用地理空间信息可视化应用n地理信息系统（地理信息系统（GIS）n数字摄影测量系统数字摄影测量系统Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2020计算机艺术计算机艺术n艺术品的设计艺术品的设计l工艺品的图案、花纹等工艺品的图案、花纹等的设计的设计l书

16、法艺术书法艺术景观图用分形算法绘制的树Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2021n计算机动画、电影制作等计算机动画、电影制作等l传统动画：费时费力，质量差传统动画：费时费力，质量差u大闹天宫大闹天宫，90*60*24=129，600张胶片，几十位动画工作张胶片，几十位动画工作者近两年的时间者近两年的时间l计算机动画计算机动画:效率高，质量高效率高，质量高uDisney的一系列动画片的一系列动画片u侏罗纪公园侏罗纪公园、泰坦尼克号泰坦尼克号u广告艺术等广告艺术等l计算机动画创作工具：计算机动画创作工具：3D MAX, MAYA

17、等等等等u大型的动画片、电影制作一般采用图形工作站组成的网络集群大型的动画片、电影制作一般采用图形工作站组成的网络集群u特殊的动画效果需要开发专门的图形程序特殊的动画效果需要开发专门的图形程序u可利用脚本语言进行控制可利用脚本语言进行控制Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2022三维FFD（Free Form Deformers）得到鱼的变形 变脸技术，图象处理与图形学相结合的应用Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2023猫变虎Computer Graph

18、icsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2024冰河世纪动画片：Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2025Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2026数字娱乐数字娱乐n电脑游戏电脑游戏l反映了当前图形学的先进技术反映了当前图形学的先进技术l真实感图形应用的主要领域真实感图形应用的主要领域l向实时化、网络化方向发展向实时化、网络化方向发展l当前研究热点：图形处理器，三维当前研究热点：图形处理器，三维游戏引擎游戏引擎l硬件产品

19、：硬件产品：Nvidia，ATI(AMD)，XBox360，PS3，WiiComputer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2027Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2028HDR （High-Dynamic Range）高动态范围渲）高动态范围渲染染 Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2029NO HDRWITH HDRComputer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图

20、 形 学2022-2-2030NO HDRWITH HDRComputer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2031真实世界虚拟世界Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2032科学计算的可视化科学计算的可视化n空间信息的可视化。空间信息的可视化。l应用领域：流体力学、应用领域：流体力学、有限元分析、医学、天有限元分析、医学、天气预报、海洋和空间探气预报、海洋和空间探测等。测等。l从海量的计算数据和测从海量的计算数据和测量数据中发掘其蕴含的量数据中发掘其蕴含的自然、物理现象和

21、规律自然、物理现象和规律的新的通用手段。的新的通用手段。气象数据的三维可视化Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2033工业模拟工业模拟n较大的应用领域较大的应用领域n机械、现象等的动态、静态模拟机械、现象等的动态、静态模拟l机械装配、飞机制造机械装配、飞机制造(风洞试验风洞试验)、核试验、汽、核试验、汽车安全检测车安全检测n有限元分析有限元分析l分析静态或动态的物体或物理系统分析静态或动态的物体或物理系统l物体或系统被分解为由多个相互联结的、简单、物体或系统被分解为由多个相互联结的、简单、独立的点组成的几何模型独立的点组成的

22、几何模型l常用于分析物体或系统中的压力和变形常用于分析物体或系统中的压力和变形Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2034Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2035计算机辅助教学计算机辅助教学n采用计算机程序进行教学采用计算机程序进行教学n图形方式表达知识更容易被人们所理解图形方式表达知识更容易被人们所理解n多媒体化、智能化、网络化多媒体化、智能化、网络化 仪器应用仿真软件幼儿多媒体教学Computer GraphicsComputer Graphics计

23、算 机 图 形 学2022-2-2036图形学应用发展方向图形学应用发展方向Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2037输入设备输入设备n鼠标鼠标l光电式、光机式、机械式光电式、光机式、机械式l有线、无线有线、无线n光笔光笔输出信号光导纤维透镜组导线笔体光孔触钮开关光电转换放大整形开关电路Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2038n触摸屏触摸屏l电阻式、电容式电阻式、电容式u定位精度高，但成本也高定位精度高，但成本也高l红外线式红外线式u实现方式简单，精度低

24、实现方式简单，精度低l表面声波式表面声波式l常用于政府、电信、学校、常用于政府、电信、学校、医院、金融等部门医院、金融等部门l目前，一些消费电子产品也目前，一些消费电子产品也采用触摸屏设计采用触摸屏设计Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2039n坐标数字化仪坐标数字化仪l将图形转换成计算机能将图形转换成计算机能够接收的数据够接收的数据n扫描仪扫描仪l将图形、图像转换成计将图形、图像转换成计算机能够接受的位图算机能够接受的位图Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2

25、-2040图形显示设备图形显示设备n阴极射线管阴极射线管(CRT)l组成：包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏组成：包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏转系统、荧光屏l工作原理：电子枪发射电子束，经过聚焦系统、工作原理：电子枪发射电子束，经过聚焦系统、加速电极、偏转系统，轰击到荧光屏的不同部加速电极、偏转系统，轰击到荧光屏的不同部位，被其内表面的荧光物质吸收，发光产生可位，被其内表面的荧光物质吸收，发光产生可见的图形。见的图形。Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2041CRT原理图水平偏转板垂直偏转板灯丝阴极聚焦系

26、统加速系统电平控制器石墨层吸收轰击磷粉涂层后逃逸在荧光屏内的杂撒电子送至第二阳极,形成电流回路。 荧光纷（磷粉涂层） 电子枪 偏转系统 荧光屏第一阳极第一阳极 第二阳极第二阳极 偏转线圈 高压入口经石墨层接第二阳极 用于磁偏转系统 用于静电偏转系统荧光屏偏转的电子束Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2042p荧光物质：吸收电子束而发光荧光物质：吸收电子束而发光p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1/10所需的时间所需的时间p刷新刷新(Refresh

27、)：为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值p刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数p像素像素(Pixel:Picture Cell)：构成屏幕（图像）的最小元素构成屏幕（图像）的最小元素p分辨率分辨率(Resolution)：CRT在水平或竖直方向单位长度上能识别在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大像素个数，单位通常为的最大像素个数，单位通常为dpi（dots per inch)。在假定屏幕尺在假定屏幕尺寸一定的情况下，也可用整个屏幕所能容纳的像素个数描述，如寸一定的情况下，也可用整个屏幕所能容纳的像素个数描述，如640*480，800*6

28、00，1024*768，1280*1024等等等等某种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（例如）=1000/20=50 Hz相相 关关 概概 念念Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2043n射线穿透法彩色射线穿透法彩色CRTl应用：画线显示器（随机扫描显示器）应用：画线显示器（随机扫描显示器）l优点：成本低优点：成本低l缺点：只等产生有限几种颜色缺点：只等产生有限几种颜色电子束电子束荧光涂层荧光涂层产生颜色产生颜色低速电子束低速电子束较低速电子束较低速电子束较高速电子束较高速电子束高速电子束

29、高速电子束射线穿透法彩色CRT原理图Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2044n常用彩色常用彩色CRT显示器显示彩色的原理（影显示器显示彩色的原理（影孔板法）孔板法）l彩色彩色CRT显示器的荧光屏上涂有三种荧光物质，显示器的荧光屏上涂有三种荧光物质，它们分别能发红、绿、兰三种颜色的光。而电它们分别能发红、绿、兰三种颜色的光。而电子枪也发出三束电子束来激发这三种物质，中子枪也发出三束电子束来激发这三种物质，中间通过一个控制栅格来决定三束电子到达的位间通过一个控制栅格来决定三束电子到达的位置。置。l三束电子经过影孔板的选择，分别

30、到达三个荧三束电子经过影孔板的选择，分别到达三个荧光点的位置。通过控制三个电子束的强弱就能光点的位置。通过控制三个电子束的强弱就能控制屏幕上点的颜色。控制屏幕上点的颜色。Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2045如果每个电子枪有256个等级，则显示器能同时显示256*256*256=16M种颜色，称为真彩系统彩色CRT原理图Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2046CRT显示器点距示意图Computer GraphicsComputer Graphics计

31、 算 机 图 形 学2022-2-2047n影孔板的类型影孔板的类型l点状影孔板（多数的球面显示点状影孔板（多数的球面显示器）器）u大多数球面与柱面显像管大多数球面与柱面显像管l栅格式影孔板栅格式影孔板uSony的的Trinitron（特丽珑）（特丽珑）uMitsubishi的的Diamondtron（钻（钻石珑）显像管石珑）显像管l沟槽式影孔板沟槽式影孔板uLG的的Flatron（未来窗）显像管（未来窗）显像管Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2048n随即扫描显示器随即扫描显示器l电子束在任意方向上自由移动电子束在任意方

32、向上自由移动l逻辑部件：刷新存储器逻辑部件：刷新存储器(Refreshing Buffer)，显示处理器，显示处理器(DPU:Display Processing Unit)Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2049n光栅扫描式图形显示器光栅扫描式图形显示器l画点设备，用点阵表示图形画点设备，用点阵表示图形l光栅扫描光栅扫描l帧和场：一帧等于两场帧和场：一帧等于两场l逐行扫描与隔行扫描逐行扫描与隔行扫描Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2050光栅扫描显示

33、器图形绘制过程Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2051具有1位帧缓存的黑白光栅显示器结构图帧缓冲存储器CRT光栅电子枪寄存器1DACl帧缓冲存储器帧缓冲存储器u作用：存储屏幕上像素的颜色值作用：存储屏幕上像素的颜色值u简称帧缓冲器，俗称显存简称帧缓冲器，俗称显存u帧缓存是数字设备，光栅显示器是模拟设备，帧缓存是数字设备，光栅显示器是模拟设备，要把帧缓存中的信息在光栅显示器屏幕上输出要把帧缓存中的信息在光栅显示器屏幕上输出必须经过必须经过数字数字/模拟模拟转换，这个工作由转换，这个工作由DAC（数模转换器）完成（数模转换器）

34、完成Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2052N00帧缓冲存储器1N=3 2N级1004 2N DAC寄存器N电子枪CRT光栅具有N位帧缓存的黑白灰度光栅显示器结构图n光栅图形显示器中需要有足够的位面和帧缓存结合起来才能反映图形的颜色和灰度等级。n显示器上每个像素的亮度由N个位面中对应的每个像素位置的内容共同决定，即每一位的二进制被存入指定的寄存器中,该寄存器中二进制的数被翻译成灰度等，其范围在02N1之间。Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2053 具有

35、N位帧缓存和W位颜色查找表的光栅显示器结构图N=3 2N表项N00帧缓冲存储器11004寄存器N2N为总颜色数2W为每次可显示 颜色数电子枪11W查找表 2W DAC1011W=4CRT光栅n为避免帧缓存的增加，采用颜色查找表来提高灰度级别。帧缓存中数据为颜色查找的索引，颜色查找表必须有2N项，每一项具有W位字宽。当W大于N时，可有2W灰度等级，但每次只有2N个不同灰度等级可用。若要使用2N种以外的灰度等级，需改变颜色查找表中的内容。Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2054n由于只有三种原色，所以可用三个位面实现一个简单的

36、彩色帧缓冲存储器。下图为简单的彩色光栅显示器，由分别对应红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色的三个位面的帧缓存，DAC，三个电子枪和CRT光栅组成。CRT光栅300帧缓冲存储器1寄存器彩色电子枪0DAC蓝0DAC绿1DAC红一个简单的彩色帧缓冲存储器Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2055彩色电子枪蓝8位DAC8位DAC8位DAC绿红8寄存器蓝8绿 1200011000帧缓冲存储器8红 3600010001CRT光栅一个具有24位面的彩色帧缓冲存储器n对每个颜色的电子枪可通过增加帧缓存位面来提高颜色

37、种类的灰度等级。如下图，每种原色电子枪有8个位面的帧缓存和8位的DAC，每种原色有28种灰度等级，三种原色的组合有224种颜色。这种显示器称为全色光栅扫描图形显示器，其帧缓存称为全色帧缓存。Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2056n液晶显示器液晶显示器(LCD, Liquid Crystal Display )l物理特性物理特性u液晶即液态晶体，具有线状结晶结构的分子，可象液晶即液态晶体，具有线状结晶结构的分子，可象液体那样流动。液体那样流动。u液晶分子的排列柔软易变形，受电场、磁场、温度、液晶分子的排列柔软易变形，受电场

38、、磁场、温度、应力等外部条件作用时会重新排列。应力等外部条件作用时会重新排列。u当通电和不通电时液晶分子处于两种不同的排列，当通电和不通电时液晶分子处于两种不同的排列，一种排列光线容易通过，而另一种排列阻止光线通一种排列光线容易通过，而另一种排列阻止光线通过过Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2057光线方向未通电：光线穿透Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2058通电：光线阻断Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机

39、 图 形 学2022-2-2059n液晶材料本身不发光，所以显示屏两边设有作液晶材料本身不发光，所以显示屏两边设有作为光源的灯管。为光源的灯管。n液晶显示屏背面有一块背光板和反光膜，背光液晶显示屏背面有一块背光板和反光膜，背光板由荧光物质组成，可以发射光线，提供均匀板由荧光物质组成，可以发射光线，提供均匀的背景光源。的背景光源。 n背光板发出的光线穿过第一层偏振过滤层后进背光板发出的光线穿过第一层偏振过滤层后进入液晶层。液晶层中的水晶液滴都被包含在细入液晶层。液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。幕上的一个

40、像素。 n玻璃板与液晶材料之间的透明电极分为行和列，玻璃板与液晶材料之间的透明电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，从而改变屏幕上相应像素的亮晶的旋光状态，从而改变屏幕上相应像素的亮度。度。Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2060l彩色液晶显示器的工作原理彩色液晶显示器的工作原理u彩色彩色LCD要具备专门处理彩色显示的色彩过要具备专门处理彩色显示的色彩过滤层。滤层。u彩色彩色LCD面板中的每一个像素由面板中的每一个像素由3个液晶单个液晶单元格构成，每一

41、个单元格前面都分别有红色、元格构成，每一个单元格前面都分别有红色、绿色或蓝色的过滤器。这样，通过不同单元绿色或蓝色的过滤器。这样，通过不同单元格的光线可在屏幕上显示出不同的颜色。格的光线可在屏幕上显示出不同的颜色。 Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2061l优点：优点：u工作电压低、功耗小；工作电压低、功耗小；u无辐射，对人体健康无损害；无辐射，对人体健康无损害；u完全平面，无闪烁、失真，可视面积大，又完全平面，无闪烁、失真，可视面积大，又薄又轻，能大量节省空间；薄又轻，能大量节省空间；u抗干扰能力比抗干扰能力比CRT显示

42、器强得多。显示器强得多。 l缺点：缺点：u视角小、亮度和对比度不够大视角小、亮度和对比度不够大 Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2062n目前液晶产品的种类目前液晶产品的种类l薄膜晶体管型（薄膜晶体管型（TFT，Thin Film Transistor）类面板）类面板u可视角度高可视角度高u亮度、对比度较低亮度、对比度较低u响应时间长响应时间长l垂直配向技术（垂直配向技术（VA，Vertical Alignment）类面板）类面板u高端应用高端应用u16.7M色色u亮度好，对比度高亮度好，对比度高u响应时间较长响应时间较长

43、u可视角度范围大（可视角度范围大（178度）度）l扭曲向列（扭曲向列（TN，Twisted Nematic）类面板）类面板u目前应用的主流目前应用的主流u入门级和中端入门级和中端u26万色抖动后得到万色抖动后得到16.2M色色u响应时间短（轻易达到响应时间短（轻易达到8ms以上）以上）u可视角度范围小可视角度范围小u价格便宜价格便宜Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2063n等离子显示器等离子显示器阴极阴极玻璃玻璃电介质隔板电介质隔板透明阳极透明阳极玻璃玻璃气泡气泡原理图Computer GraphicsComputer G

44、raphics计 算 机 图 形 学2022-2-2064l优点：优点：u重量较轻、无辐射重量较轻、无辐射u屏幕亮度非常均匀，不存在明显的亮区和暗区屏幕亮度非常均匀，不存在明显的亮区和暗区u不不存在某些区域聚焦不良或散焦的毛病存在某些区域聚焦不良或散焦的毛病u屏幕更平展，观察视角屏幕更平展，观察视角更大更大 l缺点：缺点：u价格较高价格较高u显示屏上的玻璃较薄使屏幕较脆弱显示屏上的玻璃较薄使屏幕较脆弱Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2065n图形绘制设备图形绘制设备l喷墨打印机，绘图仪喷墨打印机，绘图仪u喷墨绘图设备是一种

45、喷墨绘图设备是一种光栅类型的图形输出光栅类型的图形输出设备，基本原理是将设备，基本原理是将小墨点喷射到介质上小墨点喷射到介质上u按喷头分类：压电式，按喷头分类：压电式，气泡式，静电式，固气泡式，静电式，固体式体式u分辨率的高低取决于分辨率的高低取决于墨滴的大小墨滴的大小 喷墨绘图机的结构绘图机控制部件墨水泵滚筒喷笔笔架丝杠电机步进电机纸或胶片Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2066n激光打印机激光打印机l组成：激光打印组成：激光打印机主要由感光鼓、机主要由感光鼓、粉盒、打底电晕粉盒、打底电晕丝和转移电晕丝丝和转移电晕丝等组

46、成等组成激光打印机的组成滚筒转移电晕丝打印纸打 底 电 晕 丝感光鼓碳粉Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2067l激光打印机开激光打印机开始工作时，感始工作时，感光鼓旋转通过光鼓旋转通过打底电晕丝，打底电晕丝，使整个感光鼓使整个感光鼓的表面带上电的表面带上电荷荷激光打印机开始工作打底电晕丝+鼓表面未带电荷感光鼓旋转方向鼓表面带电荷Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2068l打印机处理器将打印数打印机处理器将打印数据转换成可以驱动打印据转换成可以驱动打印引

47、擎动作的类似数据表引擎动作的类似数据表的信号组，并送至激光的信号组，并送至激光发射器。发射器发射的发射器。发射器发射的激光照射在多棱反射镜激光照射在多棱反射镜上，反射镜的旋转和激上，反射镜的旋转和激光的发射同时进行，依光的发射同时进行，依照打印数据来决定激光照打印数据来决定激光的发射或停止。每个光的发射或停止。每个光点打在反射镜上，随着点打在反射镜上，随着反射镜的转动，不断变反射镜的转动，不断变换角度，将激光点反射换角度，将激光点反射到感光鼓上到感光鼓上感光多棱反射镜激光发射器Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2069l感光

48、鼓上被激光照感光鼓上被激光照到的点将失去电荷，到的点将失去电荷，在感光鼓表面形成在感光鼓表面形成一幅肉眼看不到的一幅肉眼看不到的由电荷组成的影像。由电荷组成的影像。感光鼓旋转到上粉感光鼓旋转到上粉盒，其表面带电荷盒，其表面带电荷的点将吸附碳粉，的点将吸附碳粉，从而在感光鼓上形从而在感光鼓上形成将要打印的碳粉成将要打印的碳粉图像图像成像碳 粉滚筒感 光 鼓旋转方向Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2070l打印纸从感光鼓和转打印纸从感光鼓和转移电晕丝之间通过，移电晕丝之间通过，转移电晕丝将产生比转移电晕丝将产生比感光鼓上更强的

49、电荷，感光鼓上更强的电荷，碳粉受吸引从感光鼓碳粉受吸引从感光鼓上脱离，向转移电晕上脱离，向转移电晕丝方向移动，结果是丝方向移动，结果是在不断向前运动的打在不断向前运动的打印纸上形成碳粉图像。印纸上形成碳粉图像。打印纸继续向前运动，打印纸继续向前运动，通过高温的溶凝部件，通过高温的溶凝部件，定型在打印纸上，产定型在打印纸上，产生永久图像生永久图像转印感光鼓碳粉转移电晕丝Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2071n笔式绘图仪笔式绘图仪l滚筒式：滚筒式：笔和笔和纸都做运动纸都做运动uX X方向（纸）方向（纸）uY Y方向（笔）方向

50、（笔）l平板式：平板式：绘图绘图笔沿笔沿X和和Y两个两个方向运动，图方向运动，图纸静止不动纸静止不动滚筒式绘图机结构Y方向步进电机X笔架落笔抬笔+X+Y平板式绘图机结构X方向步进电机Y方向步进电机+Y抬笔落笔+XComputer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2072世界上第一台滚筒绘图仪Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2073n图形卡图形卡(显示适配器）显示适配器）l作用：作用：根据根据CPU提供提供的指令和有关数据将的指令和有关数据将程序运行过程和结果程序运行过程

51、和结果进行相应的处理、并进行相应的处理、并转换成显示器能够接转换成显示器能够接受的文字和图形显示受的文字和图形显示信号，通过屏幕显示信号，通过屏幕显示出来。出来。l显示器必须依靠显卡显示器必须依靠显卡提供的显示信号才能提供的显示信号才能显示出各种字符和图显示出各种字符和图像像图形卡的逻辑组成Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2074图形系统图形系统计算机磁带机硬盘其他存储设备鼠标器其他图形输入设备图形显示终端绘图仪其他硬拷贝设备Computer GraphicsComputer Graphics计 算 机 图 形 学2022-2-2075特征PC机工作站处理器总 线虚拟存储网 络操作系统整数处理速度(MIPS)尺 寸图 形价 格CISC,C/R RISCAT,EISA SBUS,MBU