河南理工大学计算机图形学2章-1 图形系统

1、第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形计算机图形学学第第2 2章章- - 2 2/33/33计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院二二、计算机图形学的基本任务、计算机图形学的基本任务 对象表示对象表示编辑转换编辑转换生成输出生成输出对象表示对象表示1 首先对图形对象进行形状分析，对图形进行参数化；2 建立图形对象数据模型，把图形信息转化为数据结构模式；3 在系统内定义数据结构，把对象信息存储起来。编辑转换编辑转换1 建立用户接口模型，实现用户的信息交互操作；2 建立图形对象观察模型，把图形对象数据转换到用户所需要的空间位置及形态；3 建立编辑模型，实现图形对象数据的编辑。生成输

2、出生成输出1 根据国家标准建立图形对象变换模型，把三维对象转化成二维图形；2 建立数模转化模型，把矢量图形转换成图像；3 实现在对应的图形输出设备上输出图形。第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形计算机图形学学第第2 2章章- - 3 3/33/33计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院1.2 计算机图形学研究的内容及相关学科计算机图形学研究的内容及相关学科 内容围绕：内容围绕：图形处理过程中的软、硬件技术、表示图形和图像的准确性、真实性和实时性。 内容包括：内容包括：研究内容分为九个方面。 1）基于设备的基本图形生成算法，如直线、圆弧等； 2）图形元素的裁剪和几何变换技术；

3、3）曲线和曲面的处理技术：插值、拟合、拼接和分解； 4）三维几何造型技术； 5）三维形体的实时显示和图形的并行处理技术； 6）工程的数字化技术和仿真模拟系统； 7）随机形体或模糊景物的模拟生成技术； 8）虚拟现实环境的生成和控制技术； 9）三维或高维数据场的可视化技术。 第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形计算机图形学学第第2 2章章- - 4 4/33/33计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院一）一） 计算机图形学的内容体系计算机图形学的内容体系 基础部分基础部分对象表达对象表达对象绘制对象绘制交互控制交互控制计算机图形学计算机图形学5 二维观察6 三维对象7 三维观察2

4、 图形系统4 图形几何变换3 二维图形生成8 真实感图形生成9 交互技术第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形计算机图形学学第第2 2章章- - 5 5/33/33计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 1.1.计算机图形学计算机图形学 是一门研究用计算机将数据转换成图形，并在专用设备上显示和处理的学科，它着重研究图形生成和处理的原理、方法和技术，是一门多学科综合应用的新技术。 其涵盖图学理论、应用数学、计算机科学等学科。2.2.计算机绘图计算机绘图 计算机绘图是使用图形软件和硬件进行绘图及有关标注的一种方法和技术，以摆脱繁重的手工绘图为其主要目标。二）计算机图形学及相关学科二

5、）计算机图形学及相关学科第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形计算机图形学学第第2 2章章- - 6 6/33/33计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 将客观世界中原来存在的物体影象处理成新的数字化图象的相关技术；如CT扫描、X射线探伤等。 3 3、图象处理、图象处理 4 4、模式识别、模式识别 对输入的图象进行分析和识别，找出其蕴涵的内在联系或抽象模型；如邮政分检设备、地形地貌识别等。 研究几何模型和数据处理的学科，讨论几何形体的计算机表示、分析和综合，研究如何方便灵活、有效地建立几何形体的数学模型以及在计算机中更好地存贮和管理这些模型数据；如飞机、轮船、汽车等外部造型。

6、5 5、计算几何、计算几何参考教材参考教材1.陆枫等,计算机图形学基础（第二版）， 电子工业出版社，2015.2.孔令德，计算机图形学实践教程(VC）， 清华大学出版社，2013.3.李继芳等,实用计算机图形学 清华大学出版社，2012.4.希尔(美)等,计算机图形学(OpenGL版) 清华大学出版社，2009.5.许志闻等，Visual C+图形程序设计， 机械工业出版社出版社，2009.6. Samuel著，唐龙等译，3D计算机图形学 (OpenGL版)，清华大学出版社, 2007.7.孙家广等，计算机图形学基础教程， 清华大学出版社，2004.8.李春雨等，计算机图形学理论与实践， 北京

7、航空航天大学出版社，2004.9.石教英译(David F.Rogers)，计算机图 形学算法基础，机械工业出版社，2002.第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形计算机图形学学第第2 2章章- - 8 8/33/33计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院第第2 2 章章 计算机图形系统计算机图形系统本章内容：本章内容： 2.1 图形系统概述 2.2 图形系统的硬件设备 2.3 图形系统的体系结构 2.4 图形系统的软件系统 2.5 图形程序的编程方法第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形计算机图形学学第第2 2章章- - 9 9/33/33计算机科学与技术学院计

8、算机科学与技术学院2.1.1 2.1.1 系统的组成系统的组成 计算机图形系统硬件系统软件系统图形输入设备图形输入设备图形输出设备图形输出设备输入驱动输入驱动输出驱动输出驱动接受命令接受命令显示处理显示处理应用操作应用操作应用数据应用数据图形输入图形输入图形输出图形输出第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形计算机图形学学第第2 2章章- - 1010/33/33计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 硬件系统：中央主机、图形输入设备、图形输出设备。 键盘键盘 鼠标鼠标通用通用光笔、数字化仪等光笔、数字化仪等专用专用外储设备外储设备文件文件显示器显示器绘图机、打印机绘图机、打印机

9、外储设备外储设备图形系统硬件设备图形系统硬件设备计算机图形系统硬件系统硬件系统第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形计算机图形学学第第2 2章章- - 1111/33/33计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院硬件系统硬件系统输入设备输入设备中央处理机中央处理机输出设备输出设备外存储器外存储器通用设备通用设备专用设备专用设备CPUCPU内存储器内存储器图形系统的硬件结构第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形计算机图形学学第第2 2章章- - 1212/33/33计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院2.1.2 2.1.2 图形系统的种类图形系统的种类 1. 大型

10、机图形系统大型机图形系统 大型计算机，存储器容量庞大、计算功能极强、显示终端大精度高等。适用于巨大型计算。 2. 中型机或超级小型机图形系统中型机或超级小型机图形系统 32位超级小型机为处理机，内存和外存容量较大，输入输出设备精度高、幅面大。 价格较贵，目前大多已被淘汰。 3. 微工作站图形系统微工作站图形系统 微型工作站为处理机，丰富图形处理、灵活窗口、网络管理、交互式计算机系统。 4. 微型机图形系统微型机图形系统 高档微型机为基础 ，图形系统日益得到广泛应用。依据中央主机的类型依据中央主机的类型第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形计算机图形学学第第2 2章章- - 131

11、3/33/33计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院核心核心功能功能 2.1.3 2.1.3 图形系统的基本功能图形系统的基本功能输出设备输出设备显示器显示器数据库数据库输入设备输入设备输输 出出计计 算算输输 入入交交 互互存存 储储第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形计算机图形学学第第2 2章章- - 1414/33/33计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 1.计算功能：计算功能：元素生成、坐标变换、求交、剪裁计算。 2.存储功能：存储功能：存储数据:形体的集合数据、形体间相互关 系、数据的实时检索、保存图形的编辑等信息。 3.输入功能：输入功能：输入信息: 数据、

12、图形信息、图像信息、 命令关键字、操作信息等输入。 4.输出功能：输出功能：输出信息: 图形信息、文件信息；静态 图形、动态图形。 5.交互功能：交互功能：人机交互:拾取对象、输入参数；接收 命令、数据等。第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形计算机图形学学第第2 2章章- - 1515/33/33计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 2.2.1 图形显示设备 2.2.2 图形绘制设备 2.2.3 图形输入设备2.2 2.2 图形系统的硬件设备图形系统的硬件设备2.2.1 图形显示设备图形显示设备 1. 显示器种类显示器种类 阴极射线管、随机扫描、存储管式、光栅扫描、等离子和

13、液晶显示器。应用程序应用程序显示文件存储器显示文件存储器控制器控制器CRTCRT显示器工作原理显示器工作原理CRT平板式平板式第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形计算机图形学学第第2 2章章- - 1616/33/33计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院2. 彩色光栅扫描显示器彩色光栅扫描显示器 产生彩色的方法：有两种：一是射线穿透法，二是荫罩板法三支电子抢电子束小孔荫罩三色荧光屏图2-8 荫罩式彩色显象管原理第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形计算机图形学学第第2 2章章- - 1717/33/33计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 荫罩板法应用广泛

14、。 屏幕的内部涂有很多组呈三角形的荧光粉，每一组有三个荧光点，当某组荧光粉被激励时，分别发出红、绿、蓝三种基色。有三个电子枪，分别与三基色对应。 有影孔板栅网，上面有很多小孔，与屏幕上的三元组一一对应。 三束电子经偏转聚焦成一组射线，穿过影孔板上的孔，激活屏幕上的一个三元组，出现一个彩色亮点。 荧光点以三角形排列，并使每支电子束，通过荫罩时，只能激活与之对应的彩色点。第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形计算机图形学学第第2 2章章- - 1818/33/33计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院3 液晶显示器液晶显示器 (1) 基本原理 液晶基本性质 液晶是一种介于液体和固体

15、之间的特殊物质，当液晶受到电压的影响时，会改变它的物理性质而发生形变，通过它的光的折射角度就会发生变化，而产生色彩。 观察方向观察方向垂直极板垂直极板垂直网格线垂直网格线液晶层液晶层水平网格线水平网格线水平极板水平极板反射层反射层 液晶显示器基本结构第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形计算机图形学学第第2 2章章- - 1919/33/33计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 光源先穿过第一层偏光板(纵向)，来到液晶体上； 光线透过液晶体时，产生光线的色泽改变； 光线再经过第二层偏光板（横向）； 加上电压的变化和一些其他装置，用于控制。 工作原理 显示器种类 液晶显示器：主

16、动式和被动式 现在流行的主动式液晶显示器。观察方向观察方向垂直网格线垂直网格线液晶层液晶层水平极板水平极板反射层反射层第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形计算机图形学学第第2 2章章- - 2020/33/33计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院4. 光栅扫描过程光栅扫描过程计计算算机机接接 口口 控控制制器器帧缓存帧缓存固定存储器固定存储器光栅扫描光栅扫描CRTCRT第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形计算机图形学学第第2 2章章- - 2121/33/33计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 5 显示器的技术指标及有关名词显示器的技术指标及有关名词行

17、频、帧频行频、帧频 水平扫描频率为行频。垂直扫描频率为帧频。隔行扫描隔行扫描 隔行扫描：先扫偶数行扫描线，再扫奇数行扫描线。象素象素 屏幕被扫描线分成 n 行，每行有 m 个点，每个点为一个象素。整个屏幕有 m n 个象素。分辨率分辨率 是指CRT单位长度上能分辨出的最大光点(象素)数。 分为水平分辨率和垂直分辨率。 常用屏幕上象素的数目来表示。 如 n 行，每行 m 点的屏幕分辨率为 m n 。 分辨率越高，象距离越小，显示字符或图像越清晰。第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形计算机图形学学第第2 2章章- - 2222/33/33计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院显示

18、速度显示速度 显示字符、图形、图像的速度。帧缓存帧缓存 帧缓存是一块连续的计算机存储器，用来存储动态刷新的图形图像信息。数字数字/ /模拟转换模拟转换第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形计算机图形学学第第2 2章章- - 2323/33/33计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院点距：点距：LCD的点距是两个液晶颗粒之间的距离，液晶面板的宽或高除以水平像素数或垂直像素数。刷新率：刷新率：LCD中每个像素都在一定的信号（电压）下持续不断的发光，直到另一个信号（电压）来到时才会改变发光强度，所以其实LCD不存在刷新率的问题。 视角：视角：可视角度。当你坐在显示器的左右两方各60度

19、时都能看清画面，超过60度则无法看清，则水平可视角度就是120度。也有垂直可视角度。目前主流LCD显示器普遍具备160度以上的水平可视角度。发展趋势，该指标将逐渐失去意义。 第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形计算机图形学学第第2 2章章- - 2424/33/33计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 响应时间：响应时间：响应时间过长将导致画面快速变化时出现残影。CRT响应时间仅为1ms，一般忽略不计。LCD的响应时间要远大于CRT显示器。但目前主流LCD都在5ms以上。 亮度：亮度：亮度指画面的明亮程度，最大亮度通常由背光源来决定。一般为170350流明（cd/m2）。桌

20、面LCD显示器的亮度必须大于200流明才有较好的显示画面。 对比度：对比度：指屏幕上同一点最亮时（白色）与最暗时（黑色）的亮度的比值。高对比度意味着有相对较高的亮度和艳丽程度。第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形计算机图形学学第第2 2章章- - 2525/33/33计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院6 图形处理器图形处理器(俗称显卡俗称显卡) 种类：种类：CGA EGA VGA TVGA CGA EGA VGA TVGA SVGA XGA SXGA SVGA XGA SXGA 工作原理工作原理 显卡工作原理显卡工作原理第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形

21、计算机图形学学第第2 2章章- - 2626/33/33计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院6 图形处理器图形处理器(俗称显卡俗称显卡) 显示主芯片显示主芯片，俗称，俗称GPUGPU 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 显存显存 存储将要显示的图形信息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，就像计算机的内存之于CPU一样 RAMDAC RAMDAC 数字模拟转换器数字模拟转换器 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。第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算

22、机图形计算机图形学学第第2 2章章- - 2727/33/33计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 2.2.2 图形绘制设备图形绘制设备 输出可视化且能长期保存图形的输出设备。 1) 绘图仪 笔式绘图仪 静电绘图仪 2) 打印机 针式打印机 喷墨打印机 激光打印机 3) 摄像机 1. 图形绘制设备的种类图形绘制设备的种类第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形计算机图形学学第第2 2章章- - 2828/33/33计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 2 绘图机绘图机 绘图机按工作原理：笔式绘图和非笔式绘图。 笔式绘图机：平台式、滚筒式、平面电机式。 非笔式绘图机：静电式、

23、喷墨式、热敏式。第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形计算机图形学学第第2 2章章- - 2929/33/33计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 2.2.3 图形输入设备图形输入设备 按物理结构分为六类： 1) 键盘和鼠标 2) 数字化仪 3) 光笔 4) 跟踪球和控制杆 5) 触摸板 6) 扫描仪 7)摄像设备1. 图形绘制设备的种类图形绘制设备的种类第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形计算机图形学学第第2 2章章- - 3030/33/33计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院在国际图形标准中按照逻辑功能分为六类。 (1)定位设备：实现定位功能，即输入

24、一个点的坐标，包括光笔、数字化仪、鼠标、键盘的数字键等。 (2)笔划设备：实现描划功能，输入一系列点的坐标，包括的物理设备和定位设备一致。 (3)数值设备：实现定值功能，包括旋钮、数字键、方向键、编程功能键等。 (4)选择设备：根据一个正整数得到某一种选择，包括光笔、触摸板、数字化仪、鼠标等。 (5)拾取设备：实现拾取功能，即识别一个显示的图形元素，包括各种定位设备、编程功能键、字符串输入设备。 (6)字符串设备：实现字符串输入，包括键盘、光笔、声音识别仪等。2. 图形输入的逻辑设备图形输入的逻辑设备第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形计算机图形学学第第2 2章章- - 313

25、1/33/33计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 在图形系统中，有一个特别的软硬件子系统，能高效绘出透视图中的三维图元，也称为图形流水线。2.3 2.3 图形系统的体系结构图形系统的体系结构2.3.1 2.3.1 对象表达处理阶段对象表达处理阶段 1.对象表达处理是通过软件方式实现； 2.对图形进行参数化，建立模型，实现对象的表达； 3.阶段处理末端需将几何体输入到绘制管线阶段；对象表达对象表达几何处理几何处理像素处理像素处理第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形计算机图形学学第第2 2章章- - 3232/33/33计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院2.3.2 2.

26、3.2 几何处理阶段几何处理阶段 1.建立图形处理的几何模型，将图形转换成数据； 2.对数据进行后处理；几何模型几何模型投影转换投影转换屏幕映射屏幕映射2.3.3 2.3.3 光栅阶段光栅阶段 1.处理对象送到像素处理器进行光栅化处理； 2.输出到显示器；第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形计算机图形学学第第2 2章章- - 3333/33/33计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院软件系统软件系统系统软件系统软件应用软件应用软件操作系统操作系统主语言系统主语言系统系统接口系统接口基本软件基本软件功能软件功能软件应用软件应用软件软件系统的结构计算机计算机图形系统图形系统硬件系

27、统硬件系统软件系统软件系统输入设备输入设备中央处理机中央处理机输出设备输出设备系统软件系统软件应用软件应用软件外存储器外存储器通用设备通用设备专用设备专用设备CPUCPU内存储器内存储器操作系统操作系统主语言系统主语言系统系统接口系统接口基本软件基本软件功能软件功能软件应用软件应用软件计算机图形系统的结构第二章第二章 计算机图形系统计算机图形系统计算机图形计算机图形学学第第2 2章章- - 3535/33/33计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 1.认真阅读课文内容 2.计算机图形系统由哪几部分组成，各自实现什么功能？ 3.常用的图形输入、输出设备有哪些？各有何特点？ 4.熟悉光栅扫描显

28、示系统的结构。 5.了解分辨率、帧缓存、像素、像距等常用词语的含义。 1 图形系统的组成 2 图形系统的硬件设备 3 图形的软件系统 LED显显示示器器成成像像原原理理荫罩板法彩色光栅扫描显示器荫罩板法彩色光栅扫描显示器 工作原理工作原理 1.1.键键盘盘: :最基本的输入设备，它包括： 1）字母数字键盘：文本输入、菜单选择或图形功能选择。 2）数字键盘：完成坐标的输入。 3）光标控制键：选择被显示的对象或通过定位屏幕光标来确定坐 标位置。 4）功能键：允许用户以单一击键输入常用的操作。 2.2.鼠标鼠标: :1968年12月9日，鼠标诞生于美国加州斯坦福大学。控制光标移动用来输入定位坐标或选择操作的输入设备，它将移动距离及方向的信息变成数字脉冲信息送给计算机，由计算机转换成光标的坐标数据，从而达到定位目的。 按结构分为机械式、半光电式、光电式、轨迹球式、网鼠等 按照鼠标的接口分，可分为三种，PS/2口、USB口和无线； 除此之外一般可分为两键和三键： 两键鼠标是微软的标准，一般称为MS MOUSE； 三键鼠标是IBM的标准，称为PC MOUSE。 1 1.光笔光笔: :光笔是一种检测装置，是“能检测出光的笔”。它靠检测荧光屏上的发光点来