计算机图形学chp2

1、Graphics Lab.PKU12.1 视频显示设备视频显示设备2.2 光栅扫描系统光栅扫描系统2.3 图形工作站和观察系统图形工作站和观察系统2.4 输入设备输入设备2.5 硬拷贝设备硬拷贝设备2.6 图形网络图形网络2.7 因特网上的图形因特网上的图形2.8 图形软件图形软件Graphics Lab.PKU2v 2.1.1 刷新式刷新式CRTv 2.1.2 光栅扫描显示器光栅扫描显示器 v 2.1.3 随机扫描显示器随机扫描显示器v 2.1.4 彩色彩色CRTCRT监视器监视器v 2.1.5 平板显示器平板显示器v 2.1.7 三维观察设备三维观察设备v 2.1.8 立体感和虚拟现实立体

2、感和虚拟现实 图形系统一般使用视频显示器作为基本的输出图形系统一般使用视频显示器作为基本的输出设备，大部分视频监视器的操作是基于标准的阴设备，大部分视频监视器的操作是基于标准的阴极射线管极射线管( (CRT) )。Graphics Lab.PKU3阴极射线管阴极射线管( (CRT) )由电子枪、聚焦系统、加速电极、由电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏偏转系统、荧光屏组成。组成。工作原理：电子枪发射电子束，经过聚焦系统、加速电极、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位，被其内偏转系统，轰击到荧光屏的不同部位，被其内 表面的荧光物质吸收，发

3、光产生可见的图形。表面的荧光物质吸收，发光产生可见的图形。 CRT结构如下结构如下: :Graphics Lab.PKU4 由电灯丝、阴极和控制栅组成。由电灯丝、阴极和控制栅组成。v阴极：由灯丝加热发出电子束。阴极：由灯丝加热发出电子束。 v控制栅：加上负电压后，能够控制通过其中小控制栅：加上负电压后，能够控制通过其中小孔的带负电的电子束的强弱。通过调节负电压孔的带负电的电子束的强弱。通过调节负电压高低来控制电子数量，即控制荧光屏上相应点高低来控制电子数量，即控制荧光屏上相应点的亮度。的亮度。Graphics Lab.PKU5通过电场和磁场通过电场和磁场控制电子束，控制电子束，“变细变细”，保

4、证亮点足够小，提高分保证亮点足够小，提高分辩率。辩率。加正的高压电（几万伏），加正的高压电（几万伏），使电子束高速运动。使电子束高速运动。 Graphics Lab.PKU6控制电子束，静电场或磁场，产生偏控制电子束，静电场或磁场，产生偏转；最大偏转角是衡量系统性能的最重要的指转；最大偏转角是衡量系统性能的最重要的指标，显示器长短与此有关。标，显示器长短与此有关。Graphics Lab.PKU7 通过荧光物质收集电子束而发光。通过荧光物质收集电子束而发光。l持续发光时间：持续发光时间：电子束离开某点后，该点的亮度值衰减电子束离开某点后，该点的亮度值衰减到初始值到初始值1/101/10所需的时

5、间所需的时间l刷新刷新( (Refresh)Refresh)：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l刷新频率：刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数每秒钟重绘屏幕的次数l像素像素( (Pixel:Picture Cell)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l分辨率分辨率( (Resolution)Resolution)：CRTCRT在水平或竖直方向单位长度上在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大像素个数，单位通常为能识别的最大像素个数，单位通常为dpidpi（dots per inch)dots per inch

6、)。在假定屏幕尺寸一定的情况下，也可用整个屏幕所能容纳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，如的像素个数描述，如640640* *480480，800800* *600600，10241024* *768768，12801280* *10241024等等等等某种某种CRTCRT产生稳定图像所需要的最小刷新频率产生稳定图像所需要的最小刷新频率=1=1秒秒/ /荧光物质的持续发光时间荧光物质的持续发光时间（例如）（例如）=1000=1000/40=25Hz/40=25HzGraphics Lab.PKU8特点：光栅扫描特点：光栅扫描(raster-scan)(raste

7、r-scan)基本概念基本概念: :扫描行扫描行帧帧(frame),(frame),帧缓存帧缓存, ,颜色缓存颜色缓存缓存深度缓存深度( (位平面数位平面数) )位图、像素图位图、像素图水平回扫期水平回扫期垂直回扫期垂直回扫期隔行扫描隔行扫描Graphics Lab.PKU9Graphics Lab.PKU10 电子束按固定的扫描顺序进行扫描N条扫描线，每条扫描线有M个像素，则为M * N 。2.1.2 光栅扫描显示器光栅扫描显示器Graphics Lab.PKU11 应用程序发出绘图命令应用程序发出绘图命令显示处理器接显示处理器接受命令格式受命令格式存放在刷新存储器中的显示文件存放在刷新存储

8、器中的显示文件显示处理器负责解释执行显示文件显示处理器负责解释执行显示文件 驱动电子驱动电子枪在屏幕上绘图。枪在屏幕上绘图。l l特点：电子束可随意移动，只扫描荧特点：电子束可随意移动，只扫描荧屏上屏上要显示的部分。要显示的部分。Graphics Lab.PKU12产生彩色的常用方法：射线穿透法、影孔板法产生彩色的常用方法：射线穿透法、影孔板法射线穿透法射线穿透法- 原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光物质，电原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光物质，电子束轰击穿透荧光层的深浅，决定所产生的颜色子束轰击穿透荧光层的深浅，决定所产生的颜色- 应用：主要用于画线显示器应用：主要用于画线

9、显示器- 优点：成本低优点：成本低- 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高速电子束Graphics Lab.PKU13- 原理：影孔板被安装在荧光屏的内表面，用于精原理：影孔板被安装在荧光屏的内表面，用于精确定位像素的位置。确定位像素的位置。外层玻璃外层玻璃荧光涂层荧光涂层影孔板影孔板Graphics Lab.PKU14- 点状影孔板点状影孔板- 代表：大多数球面与柱面显像管代表：大多数球面与柱面显像管- 栅格式影孔板栅格式影孔板- 代表：代表：SonyS

10、ony的的TrinitronTrinitron与与MitsubishiMitsubishi的的 Diamondtron Diamondtron 显像管显像管- 沟槽式影孔板沟槽式影孔板- 代表：代表：LGLG的的FlatronFlatron显像管显像管Graphics Lab.PKU15红、绿、兰三基色红、绿、兰三基色三色荧光点（很小并充分靠近三色荧光点（很小并充分靠近-像素）像素）三支电子枪三支电子枪电子枪、影孔板中的电子枪、影孔板中的一个小孔和荧光点呈一个小孔和荧光点呈一直线；一直线；每个小孔与一个像素每个小孔与一个像素（即三个荧光点（即三个荧光点）对应对应Graphics Lab.PKU

11、16如果每支电子枪发出的电子束的强度有如果每支电子枪发出的电子束的强度有256256个等级，个等级，则显示器能同时显示则显示器能同时显示256256* *256256* *256=16256=16M M种颜色，称种颜色，称为真彩系统为真彩系统Graphics Lab.PKU17 代表一类比代表一类比CRTCRT能减小体积、减轻重量并节能减小体积、减轻重量并节省功耗的视频设备。例如省功耗的视频设备。例如: :液晶显示器等液晶显示器等. . 平板显示器分为平板显示器分为: : 发射显示器发射显示器 非发射显示器非发射显示器 常见的平板显示器有常见的平板显示器有: : 等离子体显示器等离子体显示器

12、液晶显示器液晶显示器Graphics Lab.PKU18立体感视图（立体感视图（3D3D眼镜）：眼镜）：这种方法并不生成真实的三维图这种方法并不生成真实的三维图像而是为观察者的每只眼睛给出不同的视图来提供三维像而是为观察者的每只眼睛给出不同的视图来提供三维效果，从而使场景带有深度效果，从而使场景带有深度. .立体感视图也是虚拟现实系立体感视图也是虚拟现实系统的一个组成部分。统的一个组成部分。场景互动：场景互动：用户可以步入场景，并同环境进行交互。带有用户可以步入场景，并同环境进行交互。带有生成立体感视图的光学系统的头套，通常用来连接交互输生成立体感视图的光学系统的头套，通常用来连接交互输入设备

13、，从而定位并操纵场景中的对象。头套内的传感系入设备，从而定位并操纵场景中的对象。头套内的传感系统跟踪观察者的位置，以便在观察者统跟踪观察者的位置，以便在观察者“走进走进”并同显示交并同显示交互时，能看见对象的正面和背面。互时，能看见对象的正面和背面。 Graphics Lab.PKU192.1 视频显示设备视频显示设备2.2 光栅扫描系统光栅扫描系统2.3 图形工作站和观察系统图形工作站和观察系统2.4 输入设备输入设备2.5 硬拷贝设备硬拷贝设备2.6 图形网络图形网络2.7 因特网上的图形因特网上的图形2.8 图形软件图形软件Graphics Lab.PKU20光栅显示系统的特点光栅显示系

14、统的特点- 优点：优点： 成本低成本低 易于绘制填充图形易于绘制填充图形 色彩丰富色彩丰富 刷新频率一定，与图形的复杂程度无关刷新频率一定，与图形的复杂程度无关 易于修改图形易于修改图形- 缺点：缺点： 需要扫描转换需要扫描转换 会产生混淆（走样）会产生混淆（走样）缺点正在被克服缺点正在被克服优点使其占据了市场主流优点使其占据了市场主流Graphics Lab.PKU21帧缓存为系统内存任一块帧缓存为系统内存任一块区域，视频控制器能够直区域，视频控制器能够直接存取该区域以刷新屏幕。接存取该区域以刷新屏幕。帧缓存可以是系统内存中帧缓存可以是系统内存中的一块固定区域，也的一块固定区域，也可以可以是

15、专用的存储器。（显存）是专用的存储器。（显存）Graphics Lab.PKU22建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应，建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应， 负责刷新负责刷新 普通显卡普通显卡= =视频控制器视频控制器+ +缓存（显存）缓存（显存）Graphics Lab.PKU23作用作用：代替：代替CPUCPU完成部分图形处理功能，扫描转换、完成部分图形处理功能，扫描转换、 几何变换、裁剪、光栅操作、纹理映射等等几何变换、裁剪、光栅操作、纹理映射等等 具有专用显示处理器的光栅显示系统的结构具有专用显示处理器的光栅显示系统的结构图形加速卡图形加速卡= =视频控制器视频控制器+ +显存显存+ +

16、显示处理器（显示处理器（GPUGPU）Graphics Lab.PKU242.1 视频显示设备视频显示设备2.2 光栅扫描系统光栅扫描系统2.3 图形工作站和观察系统图形工作站和观察系统2.4 输入设备输入设备2.5 硬拷贝设备硬拷贝设备2.6 图形网络图形网络2.7 因特网上的图形因特网上的图形2.8 图形软件图形软件Graphics Lab.PKU25高性能的图形处理高性能的图形处理高分辨率、多屏幕系统高分辨率、多屏幕系统 Graphics Lab.PKU262.1 视频显示设备视频显示设备2.2 光栅扫描系统光栅扫描系统2.3 图形工作站和观察系统图形工作站和观察系统2.4 输入设备输入

17、设备2.5 硬拷贝设备硬拷贝设备2.6 图形网络图形网络2.7 因特网上的图形因特网上的图形2.8 图形软件图形软件2.9 OpenGLOpenGL简介简介 Graphics Lab.PKU27l图形输入设备：图形输入设备：二维：鼠标、坐标数字化仪、跟踪球、光笔、二维：鼠标、坐标数字化仪、跟踪球、光笔、 触摸屏、操纵杆、扫描仪触摸屏、操纵杆、扫描仪 三维：空间球、数据手套三维：空间球、数据手套 Graphics Lab.PKU282.1 视频显示设备视频显示设备2.2 光栅扫描系统光栅扫描系统2.3 图形工作站和观察系统图形工作站和观察系统2.4 输入设备输入设备2.5 硬拷贝设备硬拷贝设备2

18、.6 图形网络图形网络2.7 因特网上的图形因特网上的图形2.8 图形软件图形软件Graphics Lab.PKU29v 要想长期保存图形要想长期保存图形, ,可以将图形输出可以将图形输出到硬拷贝设备到硬拷贝设备v 例例: :绘图仪绘图仪, ,打印机打印机Graphics Lab.PKU302.1 视频显示设备视频显示设备2.2 光栅扫描系统光栅扫描系统2.3 图形工作站和观察系统图形工作站和观察系统2.4 输入设备输入设备2.5 硬拷贝设备硬拷贝设备2.6 图形网络图形网络2.7 因特网上的图形因特网上的图形2.8 图形软件图形软件Graphics Lab.PKU31 多用户环境和计算机网络

19、是目前许多图形应用多用户环境和计算机网络是目前许多图形应用的普遍特点。处理器、打印机、绘图仪和数据文的普遍特点。处理器、打印机、绘图仪和数据文件等许多资源都分布在网络中并为多个用户所共件等许多资源都分布在网络中并为多个用户所共享。享。 组成组成: : 图形服务器图形服务器 客户客户Graphics Lab.PKU322.1 视频显示设备视频显示设备2.2 光栅扫描系统光栅扫描系统2.3 图形工作站和观察系统图形工作站和观察系统2.4 输入设备输入设备2.5 硬拷贝设备硬拷贝设备2.6 图形网络图形网络2.7 因特网上的图形因特网上的图形2.8 图形软件图形软件Graphics Lab.PKU3

20、32.1 视频显示设备视频显示设备2.2 光栅扫描系统光栅扫描系统2.3 图形工作站和观察系统图形工作站和观察系统2.4 输入设备输入设备2.5 硬拷贝设备硬拷贝设备2.6 图形网络图形网络2.7 因特网上的图形因特网上的图形2.8 图形软件图形软件Graphics Lab.PKU34v完整的图形系统包括：完整的图形系统包括： 硬件、图形硬件、图形 I/O I/O 设备、系统软件、图形软件设备、系统软件、图形软件.v图形软件：通用编程软件包、专用应用软件包。图形软件：通用编程软件包、专用应用软件包。 通用类：提供一个可用于高级程序语言的图形功能通用类：提供一个可用于高级程序语言的图形功能 扩展

21、集扩展集( (比如，比如，OpenGL)OpenGL) 基本功能：图元生成、属性设置（颜色，基本功能：图元生成、属性设置（颜色，.） 几何、建模、观察变换、输入函数等。几何、建模、观察变换、输入函数等。 专用类：不关心图形操作过程（比如，专用类：不关心图形操作过程（比如，CADCAD系统）系统）Graphics Lab.PKU35 通用图形软件包是用通用图形软件包是用进行设计的。如果一个进行设计的。如果一个图形的坐标值是在某个其它参照系中指定的图形的坐标值是在某个其它参照系中指定的, ,那么它们可以那么它们可以在输入图形软件之前在输入图形软件之前, ,转换为笛卡尔坐标。转换为笛卡尔坐标。 专用

22、图形软件包允许采用对该应用合适的其它坐标系。专用图形软件包允许采用对该应用合适的其它坐标系。 通常通常, ,用几个不同的笛卡尔坐标系用来构造和显示场景，用几个不同的笛卡尔坐标系用来构造和显示场景，它们是：它们是：- 建模坐标系建模坐标系( (局部坐标系局部坐标系) )- 世界坐标系世界坐标系- 设备坐标系或屏幕坐标系设备坐标系或屏幕坐标系 Graphics Lab.PKU36Graphics Lab.PKU37 通用图形软件包为用户提供建立和管理图形的各种通用图形软件包为用户提供建立和管理图形的各种功能功能. .这些子程序可以按照它们是否处理输出、输入、属这些子程序可以按照它们是否处理输出、输

23、入、属性、变换、观察或通用控制而进行分类性、变换、观察或通用控制而进行分类. . 图形的基本构造块称为图形的基本构造块称为输出图元输出图元. . 属性属性是输出图元的特性是输出图元的特性. . 可以使用可以使用几何变换几何变换改变场景中一个对象的大小、位改变场景中一个对象的大小、位置或方向置或方向. . 建模变换建模变换利用建模坐标给出的对象描述来构成场景利用建模坐标给出的对象描述来构成场景. . 观察变换观察变换用来指定将要显示的视图用来指定将要显示的视图, ,以及在输出显示以及在输出显示区域出现的范围区域出现的范围. .Graphics Lab.PKU38 建模(Modeling) 几何处理(Geometric Processing) 光栅化(Rasterization) 片元处理(Fragment Processing)Graphics Lab.PKU39v图形系统的主要任务l 建模输出几何对象的顶点数据集，它工作在对象坐标系。Graphics Lab.PKU40v图形系统的主要任务l 几何处理的对象是顶点，目标是确定显示在屏幕上的几何对象，并确定这些对象顶点的明暗值或颜色