计算机图形学课件一

1、计算机图形学1第2章 图形系统综述杨新宇计算机图形学2主要内容1. 视频显示设备2. 光栅扫描系统3. 随机扫描系统4. 图形监视器与工作站5. 输入设备6. 硬拷贝设备7. 图形软件计算机图形学3视频显示设备w图形系统一般使用视频显示器作为基本的输出设备(如图)，主要的视频显示器设备有：1.刷新式CRT（ Cathode-Ray Tubes，阴极射线管）2.光栅扫描显示器3.随机扫描显示器4.彩色CRT监视器5.直视存储管6.平板显示器7.三维观察设备8.立体感和虚拟现实系统计算机图形学4刷新式CRTw CRT的基本工作原理：图 2-2计算机图形学5刷新式CRT图 2-3计算机图形学6刷新式

2、CRTCRT显示器的两个性能指标：w 分辨率（分辨率（Resolution）nCRT无重叠显示的最多点数被称作分辨率。nCRT的分辨率取决于荧光层的类型、显示的亮度、聚焦系统和偏转系统。w 纵横比（纵横比（Aspect ratio）n这个数给出了为在屏幕上的两个方向生成同等长度的线段所需的垂直点数对水平点数的比值。n纵横比为 则表示在垂直线上画三点的长度与在水平线上画四点的长度相等。计算机图形学7光栅扫描显示器w 使用CRT的普通图形监视器是基于电视技术的光栅扫描显示器。w 在光栅扫描系统中，电子束横向扫描屏幕，一次一行，从顶到底依次进行。当电子束横向沿每一行移动时，电子束的强度不断变化，从而

3、建立亮点的可显示模式。w 图形定义保存在称为刷新缓冲器（refresh buffer ）或帧缓冲器（ frame buffer ）的存储器中。该存储器保存一组对应屏幕所有点的强度值。然后再从刷新缓冲器取出存储的强度值，并在屏幕上逐行（扫描行）画出。计算机图形学8光栅扫描显示器w 水平回扫(horizontal retrace)：在每条扫描线末端，电子束返回到屏幕的左边，然后又开始显示下一条扫描线。刷新每条扫描线后，电子束返回到屏幕左端，这称为电子束的水平回扫（horizontal retrace ）。w 垂直回扫(vertical retrace)：在每帧的终止处，电子束返回（垂直回扫vert

4、ical retrace) 到屏幕的左上角，开始显示下一帧。w 隔行(interlaced)刷新方式：在某些光栅扫描系统中，采用了隔行（interlaced）刷新方式分两次显示每帧。这种方式的隔行扫描使得在逐行扫描所需时间的一半时，就能看到整个屏幕显示。这是避免闪烁且提供相邻扫描线包含类似的显示信息的有效技术。计算机图形学9随机扫描显示器w 当使用随机扫描（ random-scan ）显示器时, CRT的电子束只在屏幕的图形部分移动。随机扫描显示器一次只绘制图形中的一条线，因此也称为向量（vector ）显示器或笔划（ stroke-writing ）显示器或笔迹（ calligraphic

5、）显示器。图形的组成线条由随机扫描系统按任意指定的顺序绘制并刷新。w 随机扫描系统的刷新速率依赖于显示的线数。这时图形的定义是存放在称为刷新显示文件存储区的一组画线命令。为了显示指定的图形，系统周期地按显示文件中的一组命令，依次画出其组成线条。当所有画线命令处理完后，系统周期地返回到该列表的第一条画线命令。计算机图形学10随机扫描显示器 随机扫描系统 光栅扫描系统图 2-7图 2-9计算机图形学11彩色CRT监视器w 用CRT产生彩色显示的两种基本技术是电子束穿透法电子束穿透法和荫罩法荫罩法。w 为显示彩色图形的电子束穿透法电子束穿透法用于随机扫描监视器。电子束穿透法是随机扫描监视器生成彩色图

6、形的廉价途径，但只可能有四种颜色，而且图形质量不及其他方法。计算机图形学12彩色CRT监视器w 荫罩法荫罩法常用于光栅扫描系统。图 2-10计算机图形学13彩色CRT监视器w 改变三支电子束的强度等级，可以改变荫罩CRT显示的颜色。w 可以将图形系统的彩色CRT设计成RGB监视器。计算机图形学14直视存储管w 直视存储管直视存储管DVST （direct-view storage tube ）通过紧贴在屏幕荧光层后的电荷分布来存储图形信息。 DVST使用两支电子枪： 基本枪，用来存储图形图案; 泛流枪，用来保持图形显示。w DVST的优点：很复杂的图形都可以在极高的分辨率下无闪烁地显示。 w

7、DVST系统的缺点：不显示彩色，而且图形的所选择部分不能擦除。计算机图形学15平板显示器w 平板显示器分为两类：发射显示器（emissive displays）和非发射显示器（ nonemissive displays ）。n发射显示器：是将电能转换为光能的设备。n非发射显示器：利用光学效应，将太阳光或来自其他光源的光转换为图形模式。计算机图形学16平板显示器w 一些典型的平板显示器设备n等离子显示板等离子显示板（plasma panel），也称气体放电显示器（gas-discharge diaplays），通过将通常包含氖气的混合气体冲入两块玻璃板之间的区域而构成。等离子显示板的一个缺点是，

8、它是一种严格的单色设备，但现在已开发出能显示彩色和灰度等级的等离子显示器。计算机图形学17平板显示器n薄膜光电显示器薄膜光电显示器（Thin-film electroluminescent displays）：具有与等离子体显示板类似的结构。不同之处在于，在玻璃板之间的区域充以荧光物，诸如硫化锌与锰的胶状物，而不再是气体。光电显示器比等离子显示板需要更多的功耗，而且好的颜色和灰度等级显示是难以达到的。计算机图形学18平板显示器n第三类发射设备是发光二极管（发光二极管（LED，light-emitting diode）。二级管以矩阵排列形成显示器的像素位置，并且图形的定义存储在刷新缓冲器中。 计

9、算机图形学19平板显示器n液晶显示器液晶显示器LCD (Liquid-crystal displays)：通常用于小型系统。这些非发射设备生成图形的原理是，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。计算机图形学20三维观察设备w 显示三维场景的图形监视器的设计，采用了从振动着的柔性镜面反射CRT图像的技术。图 2-17计算机图形学21立体感和虚拟现实系统w 表示三维对象的另一种技术是显示具有立体感的视图。 计算机图形学22立体感和虚拟现实系统w 为得到具有立体感的投影，首先需要得到从相对于每只眼睛（左眼和右眼）的观察方向上产生的有关场景的两个视图。w 当我们同时用左眼得到

10、左视图，右眼得到右视图时，则两个视图合成为单个图像，并感觉到场景有深度。计算机图形学23立体感和虚拟现实系统w 产生立体感效果的途径之一是使用光栅系统，在不同的刷新周期交替显示两种视图。计算机图形学24立体感和虚拟现实系统w 立体感视图也是虚拟现实系统的一个组成部分。用户可以步入场景，并同环境进行交互。计算机图形学25立体感和虚拟现实系统w 交互虚拟现实环境也可以不用头套，而用立体眼镜和视频监视器观察，这提供了一种廉价的虚拟现实系统。计算机图形学26光栅扫描系统w 交互式光栅图形系统通常使用几个处理部件。除了中央处理器（CPU）以外，还使用了一个视频控制器（ video controller

11、）或显示控制器（ display controller ）来控制显示设备的操作。简单光栅系统的组织如下图所示：图 2-25计算机图形学27视频控制器w 该图给出了常用的光栅系统组织。帧缓冲器使用系统存储器的固定区域且由视频控制器直接访问。图 2-26计算机图形学28视频控制器w 帧缓冲器的位置以及相应的屏幕位置均使用笛卡儿坐标。许多图形监视器将坐标原点定义在屏幕的左下角。屏幕表面则表示二维系统的第一象限，正x的值向右递增，正y的值从下到上递增。计算机图形学29视频控制器w 视频控制器的基本刷新操作如下图所示：计算机图形学30光栅扫描显示处理器w 下图给出了建立光栅系统的一种方法，其中包含独立的

12、显示处理器(display processor)。图 2-29计算机图形学31光栅扫描显示处理器w 为了减少光栅系统中对存储量的需求，使用了将帧缓冲器组织成链表且对强度信息编码的方法。n一种实现方法是将每行扫描线作为一组整数对来存储，每对中一个整数指示强度值，另一个整数设定该扫描线上具有此强度的相邻像素数。n另一种方法是将光栅按一块块矩形区域编码 (单元编码，cell encoding）。）。计算机图形学32随机扫描系统w 应用程序的图形命令由图形软件包翻译成显示文件并存入系统存储器。然后，由显示处理器访问这个显示文件，从而刷新屏幕。在每个刷新周期内，显示处理器对显示文件程序中的每条命令都处理

13、一次。w 在随机扫描系统中，以沿着图形的组成线条导向电子束的方式来绘制图形的图案。线段由其端点坐标值定义，并且将这些输入坐标值转换为x和y偏转电压。然后，通过在指定端点之间的线段上定位并移动电子束来实现场景绘制。计算机图形学33图形监视器与工作站w 目前，大多数图形监视器以光栅扫描显示的方式工作。图 2-33Figure 2-34计算机图形学34图形监视器与工作站w 图2-35给出了一个应用于空中交通控制、医学成像处理及CAD等领域的高级图形监视器。 w 一种称为MediaWall的多屏幕系统如图2.36所示。图 2-35计算机图形学35输入设备w 有多种设备用于图形工作站的数据输入：键盘鼠标

14、跟踪球和空间球 操纵杆数据手套数字化仪图像扫描仪触摸板光笔声音系统计算机图形学36键盘w 键盘是输入那些与图形显示有关的图片标记等非图形数据的高效设备。w 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。w 光标控制键和功能键是通用键盘的共同特性。计算机图形学37鼠标w 鼠标是给屏幕光标定位的小型手持盒。鼠标底部的转轮或滚轮可用来记录移动的总量和方向。计算机图形学38跟踪球和空间球w如下图，跟踪球（ trackball ）是一个可以通过手指或掌心旋转使得屏幕光标移动的球。附加的电压计量器用来测量球的旋转量和方向。跟踪球通常安装在键盘或其他设备上。w跟踪球是进行二维定位的设备，而空间球（

15、spaceball)则提供了六个自由度。与跟踪球不同的是，空间球实际并不移动。当在不同方向上推拉球时，张力标尺测量施加于空间球的压力，从而提供空间定位和方向的输入。计算机图形学39操纵杆w 操纵杆（ joystick ）是由小的垂直杆安装在一个基座上构成，它用于对屏幕光标的环绕操纵。多数操纵杆以杆的实际移动来选择屏幕位置，而其他操作则对杆上的压力进行响应。n手杆从其中心位置向任意方向移动的距离，对应于屏幕光标向该方向的移动量。安装在操纵杆底部的电压计量器测量移动量，并且在释放手杆时，该手杆跳回到中心位置。n在另一类可移动操纵杆中，手杆用来激活开关，从而引起屏幕光标在选定方向上以恒定速度移动。由

16、张力标尺测量施于手杆的压力，并转换为按指定方向的光标移动量。计算机图形学40数据手套w 数据手套（data glove），可以用来抓住“虚拟”对象。手套由一系列检测手和手指运动的传感器构成。计算机图形学41数字化仪w 数字化仪（digitizer）是在物体上绘画、着色或交互选择坐标位置的常用设备。可用来输入二维或三维空间的坐标值。一般情况下，数字化仪用来在所绘制的画或对象上扫描，并输入一组随机的坐标位置，相互之间以直线段连接，以逼近曲线或表面形状。计算机图形学42数字化仪w 一种类型的数字化仪是图形数据板（graphics tablet，也称数据板），用来在平板表面选定位置时，通过手持光标或触

17、笔激活二维坐标的输入。The microgrid III图 2-49图 2-47计算机图形学43数字化仪w 许多图形数据板是在数据板表面铺设矩形网格线而构成的。w 声学(或声音)的数据板利用声波检测触笔位置。可以使用条式麦克风或点式麦克风检测来自触笔端的电火花发出的声音。触笔的位置由声音到达不同麦克风的时间来计算。计算机图形学44数字化仪w 三维数字化仪使用声音或电磁传播来记录位置。电磁传播的方法之一与数据手套所使用的方法相类似：发送器和接收器之间的耦合用来计算触笔在对象表面移动时的位置。图 2-50计算机图形学45图像扫描仪w 图形、图表、彩色和黑白照片或文本可以使用一个图像扫描仪（ ima

18、ge scanner ）存入计算机并进行进一步处理。计算机图形学46触摸板w触摸板（Touch panels）允许用手指触摸显示的物体或屏幕位置来实现选择操作。触摸输入可以使用光学、电子或声学方法进行记录。n光学触摸板在沿框的一条垂直边和水平边上各使用一行红外线发光二级管 (LED)，而相对的垂直边和水平边分别安装光检测器。 n电子触摸板是由相互间有一较小距离的两块透明板构成的。其中一个板面涂以导电材料，另一板面涂以电阻材料。n在声学触摸板中，沿一块玻璃板的水平方向和垂直方向产生高频电波。计算机图形学47光笔w 下图给出了一类光笔（ light pen）的设计。这些笔型设备通过检测来自CRT屏

19、幕上某一点的光来选定屏幕位置。如果其中的电子束点亮指向屏幕上的点，则生成一个电子脉冲，从而记录该电子束的坐标位置。 计算机图形学48声音系统w 语音识别器在某些图形工作站中是用于接收声音命令的输入设备。w 声 音 系 统 （ v o i c e -system）的输入，可用于图形操作的初始化或输入数据。这些系统的工作原理是使输入与预定义的字和词组的字典相匹配。计算机图形学49硬拷贝设备w 35-mm幻灯片、投影胶片、打印机、绘图仪。 w 打印机以击打式或非击打式产生输出。n击打（Impact）式打印机隔着色带将某种格式的字符压在纸上。n非击打（ Nonimpact ）式打印机和绘图仪使用激光技术、喷墨技术、复印处理、静电方式和电热方式，把图像印在纸上。计算机图形学50图形软件w 图形软件通常分为两类：通用编程软件包和专用应用软件包。n通用图形编程软件包提供一个可用于高级程序语言（如C或 FORTRAN）的图形功能扩展集。n专用应用图