计算机图形学课程教学课件全册教学课件汇总

1、授课人：XX XX 计算机图形学XX学院 XX 专业【全套课件】2022/8/3湖北大学 数计学院2主要参考书谢步瀛，计算机绘图教程，上海同济大学出版社，1995倪明田、吴良芝，计算机图形学，北京大学出版社，1999.11陈传波，陆枫，计算机图形学基础，电子工业出版社，2002 （教材）Donald Hearn, M. Pauline Baker. “Computer Graphics: C version”. Prentice-Hall Inc, 1997James D. Foley, etc. “Introduction to Computer Graphics”. Addison-Wes

2、ley publishing Company, 1996计算机辅助设计与图形学学报2022/8/3湖北大学 数计学院3平时与考试要求：不迟到上课不说话多提问题与建议课下多讨论，理论联系实际考试（成绩分布）：1、期末考试-40%2、平 时-30%3、上机作业-30%2022/8/3湖北大学 数计学院4第一章 绪论什么是计算机图形学？计算机图形学是利用计算机研究图形的表示、生成、处理、显示的学科。计算机图形学计算机科学中，最为活跃、得到广泛应用的分支之一2022/8/3湖北大学 数计学院51.1 计算机图形学的研究内容如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法

3、，构成了计算机图形学的主要研究内容。图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。2022/8/3湖北大学 数计学院6图形：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象（广义的概念）包括自然景物、拍摄到的图片、用数学方法描述的图形等等图形的要素几何要素：刻画形状的点、线、面、体等几何要素非几何要素：反映物体表面属性或材质的明暗,灰度,色彩等2022/8/3湖北大学 数计学院7研究的对象计算机中表示图形的方法a11a12a13a14a15a21a22a23a24a2

4、5a31a32a33a34a35a41a42a43a44a45a51a52a53a54a55灰度或颜色信息55图象0 xy直线的参数方程：ax+by+c=0计算机图形学所研究图形的定义：从客观世界中抽象出来的带有颜色及形状信息的图和形。参数表示形状参数+属性参数简称为图形或叫矢量图形或参数图形点阵表示枚举出图形中所有的点简称为图像（数字图像）或叫点阵图或位图图像2022/8/3湖北大学 数计学院8图形与图象图象纯指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息。图形含有几何属性，更强调场景的几何表示，是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成的。图形主要分为两类基于线条信息表示明暗图(Sha

5、ding)2022/8/3湖北大学 数计学院9数字图像数据模型图像生成（计算机图形学）模型（特征）提取（计算机视觉，模式识别）模型变换（计算几何）图像变换（图像处理）与相关学科的关系图形学：研究模型及数据的建立和由模型生成图像的过程和方法；计算机视觉：研究如何用计算机来模拟生物外显或宏观视觉功能图像处理：研究客观世界中的各种数字化图像的采集、去噪、压缩、增强、锐化、复原及重建等；计算几何：在数据和模型域中研究几何形体的计算机表示和分析的综合技术；模式识别：研究如何从图形中提取数据及模型，是图形学研究的逆过程；2022/8/3湖北大学 数计学院101.2 计算机图形学的发展1、发展历程开创阶段（

6、50年代60年代）1950年，MIT采用原理类似于示波器阴极射线管（CRT）作为旋风一号的图形显示器。1958年，滚筒式绘图仪和平板式绘图仪研制成功。50年代末，SAGE空中防御指挥系统采用光笔作为输入设备，标志着交互式图形技术的诞生。2022/8/3湖北大学 数计学院11迅速发展阶段（60年代初60年代末）1962年，MIT林肯实验室的I. E. Sutherland(图形学之父)发表了一篇题为“Sketchpad：一个人机交互通信的图形系统”的博士论文1962年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bzier 提出Bzier曲线、曲面的理论1964年MIT的教授Steven A. Coons

7、提出了超限插值的新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。2022/8/3湖北大学 数计学院12降低成本阶段（60年代末70年代初）存储管显示器出现，大大降低图形硬件系统成本。70年代初，出现一批通用的、可移植的软件系统。2022/8/3湖北大学 数计学院13发展成熟阶段（70年代初80年代初）光栅扫描显示器得到推广。出现许多新型的图形输入设备，如各类图形输入板，坐标数字化仪，跟踪球，鼠标器等。GKS、PHIGS等国际标准的建立。2022/8/3湖北大学 数计学院14光栅图形学迅速发展区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其相应算法纷纷诞生图形软件标准化1974年，ACM SIGGRAPH

8、的与ACM成立图形标准化委员会，制定“核心图形系统”（Core Graphics System）ISO发布CGI、CGM、GKS、PHIGS2022/8/3湖北大学 数计学院15真实感图形学1970年，Bouknight提出了第一个光反射模型1971年Gourand提出“漫反射模型插值”的思想，被称为Gourand明暗处理1975年，Phong提出了著名的简单光照模型- Phong模型实体造型技术英国剑桥大学CAD小组的Build系统美国罗彻斯特大学的PADL-1系统2022/8/3湖北大学 数计学院16 推广应用阶段（80年代中90年代中）图形工作站的出现，如Apollo, Sun, HP等

9、。2022/8/3湖北大学 数计学院17算法方面1980年Whitted提出了一个光透视模型-Whitted模型，并第一次给出光线跟踪算法的范例，实现Whitted模型1984年，美国Cornell大学和日本广岛大学的学者分别将热辐射工程中的辐射度方法引入到计算机图形学中Greenberg - Nishita图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展2022/8/3湖北大学 数计学院18 目前（九十年代中至今）微机和软件系统的普及使得图形学的应用领域日益广泛。图形学已经同模式识别、人工智能、数据库等众多领域结合，形成一些交叉学科，如工程数据库、多媒体等。2022/8/3湖北大学 数计学院19小结五

10、十年代MIT 旋风一号，计算机驱动CRT+照相机，SAGE(交互式图形技术诞生)六十年代随机扫描显示器，图形学之父六十年代至七十年代初存储管显示器，应用的软件包光栅扫描显示器，新型的图形输入设备，图形语言标准八十年代至九十年代初图形工作站(Apollo,Sun,Hp)时间特 征九十年代至今微机，交叉学科（多媒体等）六十年代至七十年代初2022/8/3湖北大学 数计学院20 图形显示设备的发展随机扫描显示器存储管式显示器刷新式光栅扫描显示器2、硬设备的发展2022/8/3湖北大学 数计学院21图形输入设备的发展第一阶段：控制开关、穿孔纸等等第二阶段：键盘第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、图形

11、输入板、触摸屏等等，语音第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据手套、数据衣），用户的手势、表情等等第五阶段：用户的思维2022/8/3湖北大学 数计学院222022/8/3湖北大学 数计学院233、图形软件的发展图形软件的发展及软件标准的形成发展历程诸侯割据标准讨论标准形成两类标准官方标准（标准组织制定的标准）：GKS(Graphical Kernel System)，PHIGS(Programmers Hierarchical Interactive Graphics System)工业标准（事实上的标准）：SGI等公司的OpenGL，微软公司的DirectX，X财团的Xlib，Adobe公

12、司的PostScript等等2022/8/3湖北大学 数计学院241、管理、科学技术绘制数学、物理以及经济函数的二维及三维图形：直方图、线条图、扇形图、进程图. 特点：简洁、直观 数据的模型和趋势。1.3 计算机图形学的应用2022/8/3湖北大学 数计学院252、计算机辅助设计Computer-Aided Design应用领域：飞机、轮船、汽车外形，大规模集成电路，建筑，服装，玩具优点：设计周期短，成本低，质量高2022/8/3湖北大学 数计学院263、制图学以高精度的地理或其他自然现象的图形 纸或胶片上。包括地图、地质图、油层图、海图、气象、人口密度图.2022/8/3湖北大学 数计学院2

13、74、动画制作用计算机可以产生完整的动画效果，可用于艺术创作，模拟真实的环境，或进行飞机、驾驶等训练。2022/8/3湖北大学 数计学院285、模拟数学图形科学现象的数学模型(液体流动、相对论、核反应、化学反应、生理系统与器官以及有负载时结构的变形等)DNA柱体皮肤结构：真皮， 上皮及附属结构2022/8/3湖北大学 数计学院296、过程控制利用交互式图形生成技术形成的人机交互系统，实现人与控制或管理对象之间的相互作用。如工厂中的设备、工序控制，机场与铁路的调度等。2022/8/3湖北大学 数计学院307、艺术与教育教学活动蝉（线框图）2022/8/3湖北大学 数计学院318、办公自动化在办公

14、室中，用图形方式显示并交换文件、报表、图例和其它信息，并在输出设备上输出、保存起来。2022/8/3湖北大学 数计学院321.4 计算机图形系统1、一般工作过程计算机图形系统是一个由软、硬相互结合的有机整体。系统在工作时，由主机执行应用程序，通过图形输入设备、数据库或交互装置读取数据，按一定数据结构组织起来，不断调用事先存储好的图形显示子程序，将处理后得到的数据送往显示处理器，从图形显示器或其它输出设备输出图形。2022/8/3湖北大学 数计学院332、基本任务计算机图形学的基本任务：研究如何用计算机来处理图形1、如何用适当的硬件来实现图形处理功能；2、如何设计好的图形软件；3、图形处理所需的

15、数学处理方法和算法；4、如何解决实际应用中的图形处理问题。计算机图形系统：计算机硬件+图形输入输出设备 +计算机系统软件+图形软件2022/8/3湖北大学 数计学院343、基本组成系统硬件显示处理器：重复解释、执行D.F. 刷新处理器：存放显示文件 交互装置：人机交互工具 硬拷贝装置：实现图形永久性输出的装置 本地计算机: 生成显示文件 图形互换 主机:语言的解释或编译，数据库管理等2022/8/3湖北大学 数计学院35系统硬件示意图基本组成交互装置显示器显示处理器本地计算机主机硬拷贝装置刷新存储器2022/8/3湖北大学 数计学院36基本组成系统软件应用程序: 需要执行的指令序列 应用数据结

16、构/模型:全面描述对象的特点 图形系统: 完成实际功能,是与硬件的接口 2022/8/3湖北大学 数计学院37数据结构/模型应用程序图形系统输入数据提取数据子程序调用描述物体的机和特征基本组成系统软件示意图2022/8/3湖北大学 数计学院384、计算机图形系统的功能图形输出设备输出计算输入图形输入设备交互存贮显示器数据库2022/8/3湖北大学 数计学院39第二章 图形设备提出问题：计算机图形学包括哪些外部设备?图形输入设备：概念、特点图形显示设备：概念、结构原理、工作方式、特点*图形硬拷贝设备：概念、特点2022/8/3湖北大学 数计学院402.1 图形输入设备1、键盘（Keyboard）

17、2、鼠标（Mouse）3、光笔（Light Pen）4、触摸屏（Touch Screen）5、操纵杆（Joystick）6、跟踪球(Trackball)和空间球(Spaceball)7、数据手套（Data Glove）8、数字化仪（Digitizer）9、图像扫描仪（Scanner）10、声频输入系统11、视频输入系统2022/8/3湖北大学 数计学院41功能：文本串输入、数据输入和命令输入特点：1）便于屏幕坐标输入； 2）便于菜单选择； 3）便于图形操作。光标控制键功能键数字键盘其它类型的光标定位设备：跟踪球 操纵杆 无线键盘 有线键盘1、键盘（Keyboard）2022/8/3湖北大学 数

18、计学院42按测量位移： 鼠标底部的转轮或滚轮记录移动总量和方向 光学感应器检测鼠标运动按使用键数： MS型（Microsoft Mouse Mode）-双键 PC型（Mouse System Mode） -三键基本工作原理： 机械位移-电脉冲-数字信号-控制光标移动安装：连接USB口三键 二键 无线2、鼠标器（Mouse）2022/8/3湖北大学 数计学院43一种检测装置，靠检测荧光屏上的发光点来选择屏幕的位置坐标。功能：定位、拾取、笔划跟踪。3、光笔（Light Pen）2022/8/3湖北大学 数计学院44以手指触摸的方式选择屏幕位置。红外线式触摸屏 光学电阻式触摸屏 电子电容式触摸屏 电

19、子声波（声音探测式）触摸屏 声音4、触摸屏（Touch Screen）2022/8/3湖北大学 数计学院45由一根小的垂直杠杆组成的可摇动装置，装配在四周可移动的底座上用来控制屏幕光标。另：压力检测操纵杆 手柄不可移动， 压力 - 位移5、操纵杆（Joystick）2022/8/3湖北大学 数计学院46跟踪球：二维空间球：三维6、跟踪球(Trackball)和 空间球(Spaceball)2022/8/3湖北大学 数计学院47戴在手上的传感器，可以用来抓住“虚拟对象”可测量出手的位置和形状，从而实现环境中的虚拟手及其对虚拟物体的操纵。数据手套通过手指上的弯曲、扭曲传感器和手掌上的弯度、弧度传感

20、器，确定手及关节的位置和方向。7、数据手套（Data Glove）2022/8/3湖北大学 数计学院48是一种把图形变成一种计算机能接收的数字形式的专用设备。1）工作原理：电磁感应技术；2）性能指标：最大有效幅面；数字化速率；最高分辨率。3）工作方式：点方式、连续方式（流方式）、相对坐标方式8、数字化仪（Digitizer）2022/8/3湖北大学 数计学院49用来在所作的画或对象上扫描，并输入一组坐标位置，相互以直线段连接，以逼近曲线或表面形状。幅面： A0 A1 A4分辨率： 300dpi1000dpi（Dot per Inch）支持颜色（灰度等级）：4、8、24位面颜色评价指标支持的颜色

21、： 单色 彩色固态器件： 电荷耦合 MOS电路 紧贴型扫描宽度和操作方式： 大型 台式 手动分类9、图象扫描仪（Scanner）2022/8/3湖北大学 数计学院50也称声音输入系统，在某些图形工作站中，采用话音识别器作为输入设备，以接收操作者的命令。 例：IBM公司的Viavoice语音识别系统声音词典话音识别器计算机话音频率频率模式匹配匹配结果10、声频输入系统2022/8/3湖北大学 数计学院51电视信号计算机数字信号视频信号采集板视频信号电视天线摄像机录像机视频信号输入卡视频信号处理装置视频信号数据信号处理芯片（DSP）11、视频输入系统2022/8/3湖北大学 数计学院52用于虚拟现

22、实环境的显示器类型头盔式显示器(Head Mounted Display，HMD)空间沉浸式显示器(SID,如洞穴式和园顶式)显示硬件头盔式显示器将观察者的头部位置及运动方向告诉计算机，计算机就可以调整观察者所看到的图景，使得呈现图像更趋于真实感绝大多数头盔式显示器使用两个显示器利用特殊光学设备对图像进行处理，使图像看上去立体感更强把用户的视觉、听觉和其他感觉封装起来，产生一种身在虚拟环境中的错觉。其他图形输入设备2022/8/3湖北大学 数计学院532022/8/3湖北大学 数计学院54数据衣也是虚拟现实系统中用的人机交互设备一件虚拟现实的数据紧身服可使你有在水中或泥沼中游泳的感觉 2022

23、/8/3湖北大学 数计学院552.2 图形显示设备图形输出设备图形输出包括图形的显示和图形的绘制，图形显示指的是在屏幕上输出图形图形绘制通常指把图形画在纸上，也称硬拷贝，打印机和绘图仪是两种最常用的硬拷贝设备2022/8/3湖北大学 数计学院56阴极射线管CRT（Cathode Ray Tube）是一种真空器件，它利用电磁场产生高速的、经过聚焦的电子束，偏转到屏幕的不同位置轰击屏幕表面的荧光材料而产生可见图形。1、阴极射线管2022/8/3湖北大学 数计学院57从外形上看，CRT为：管颈部分、锥体部分、屏幕部分 从结构上看，CRT为：电子枪、偏转系统、荧光屏2022/8/3湖北大学 数计学院5

24、8 电子枪功能：要求：结构：a.具有足够的电流强度。b.电流的大小和有无必须是可控的。c.具有很高的速度。d.在荧光屏上应能聚焦很小的光亮，以保证显示器有足够的分辨率。阴极栅极（调制极，控制极）阳极（加速极、聚焦极）产生一个沿管轴（Z轴）方向前进的细电子束轰击荧光屏2022/8/3湖北大学 数计学院59控制栅：是用来控制电子束的强弱的，当加上正电压时，电子束就会大量通过，将会在屏幕上形成较亮的点，当控制电平加上负电压时，依据所加电压的大小，电子束被部分或全部阻截，通过的电子很少，屏幕上的点也就比较暗聚焦系统：是一个电透镜，能使众多的电子聚集于一点加速阳极：使电子达到轰击激发荧光屏应有的速度。最

25、后由磁偏转系统来达到指定位置2022/8/3湖北大学 数计学院60 偏转系统：控制静电场或磁场，使电子束产生偏转，最终能到达屏幕的任意位置电偏转磁偏转失真问题？2022/8/3湖北大学 数计学院61电子束要到达屏幕的边缘时，偏转角度就会增大。到达屏幕最边缘的偏转角度被称为最大偏转角CRT显示器屏幕越大整个显象管就越长刷新频率刷新一次是指电子束从上到下扫描一次的过程刷新频率高到一定值后，图象才能稳定显示隔行扫描与逐行扫描2022/8/3湖北大学 数计学院62 荧光屏对荧光粉的性能要求是：发光颜色满足标准白色、发光效率高、余辉时间合适以及寿命长等。 CRT荧光屏（Phosphor Screen）是

26、用荧光粉涂敷在玻璃底壁上制成的，常用沉积法涂敷荧光粉。玻璃底壁要求无气泡，表面光学抛光。2022/8/3湖北大学 数计学院63 荧光物质：吸收电子束而发光余辉时间：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刷新(Refresh)：为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数像素(Pixel)：构成屏幕（图像）的最小元素分辨率(Resolution)：CRT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dpi（dots per inch)。 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640*480，800*600，1024*

27、768，1280*1024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）=1000/40=25Hz2022/8/3湖北大学 数计学院64技术指标：1、分辨率：一个阴极射线管在水平和垂直方向单位长度上能识别的最大光点数。取决：1）CRT荧光屏所用荧光物质的类型、聚焦和偏转系统；2）表示象素位置的计算机字长；3）存储象素信息的介质；4）模数转换的精度和速度。2、显示速度：每秒显示矢量线段的条数。取决：1）偏转系统的速度；2）CRT矢量发生器的速度；3）计算机发送显示命令的速度。2022/8/3湖北大学 数计学院65彩色阴极射线管产生彩色的常用方法：射线穿透法、

28、影孔板法射线穿透法原理应用：画线显示器优点：成本低缺点：只等产生有限几种颜色电子束荧光涂层产生颜色低速电子束较低速电子束较高速电子束高速电子束2、彩色阴极射线管当图形彩色转换速度很快时，相应的高压转换速度亦迅速，这要求： 转换速度 精度 功耗2022/8/3湖北大学 数计学院66影孔板法原理：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外层玻璃荧光涂层影孔板2022/8/3湖北大学 数计学院67影孔板的类型点状影孔板（荫罩式） 代表：球面显像管栅格式影孔板（荫栅式） 代表：柱面显像管 日本索尼公司的特丽珑管（Trinitron） 三菱公司的钻石珑管（Diamondtron） 沟槽式影孔

29、板 代表：LG的Flatron显像管2022/8/3湖北大学 数计学院68点状影孔板（荫罩法）工作原理红、绿、兰三基色三色荧光点三个电子枪如果每个电子枪有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2022/8/3湖北大学 数计学院69荫罩式显示器的缺点：球面荧光屏，几何失真大三角形的荧光点排列造成即使点很密很细也不会特别清晰最近几年荫栅式显示器逐渐流行起来 2022/8/3湖北大学 数计学院70原理的区别 光线的选择方式和荧光点的排列不同 荫栅式显象管的优点亮度更高，色彩也更鲜艳 柱面和平面显示器 2022/8/3湖北大学 数计学院713、CRT图形显示

30、器随机扫描的图形显示器直视存储管图形显示器光栅扫描的图形显示器2022/8/3湖北大学 数计学院72随机扫描的图形显示器向量（vector）显示器笔划（Stroke writing）显示器特点数据表示：矢量表示，只有端点信息，无线段中间点扫描方式：电子束像一支快速移动的画笔，可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分，与示波器工作原理类似显示图形：几何属性(geometric attribute)为主，线架图优点：扫描速度快，分辨率高，线条质量好，易修改，交互性好，动态性能好缺点：价格贵，只能显示线画图形，应用于军事、CAD领域；不能显示逼真场景、和电视标准不一致、驱动系统也较复杂2022/8/3湖

31、北大学 数计学院73直视存储管图形显示器从表面上看直视存储管的特性极象一个有长余辉的荧光屏，一条线一旦画在屏幕上，在一小时之内都将是可见的。特点：无需刷新很复杂的图形都可以在极高的分辨率下无闪烁地显示成本较低不能显示彩色不能局部修改擦除和重画过程对复杂图形来讲，可能要几秒钟DVST（direct-view storage tube）简单，便宜，分辨率高，失真小，慢速显示，难于局部刷新。2022/8/3湖北大学 数计学院74工作原理：写电子枪：将图形信息“写在”存储栅的栅格上；读出电子枪：发出连续电子流将存储栅网格上的图形“重写”在屏幕上；存储栅：由细网栅格组成，栅格上涂有绝缘材料，栅网装在靠近

32、屏幕的后方，其上有由电子枪画出的正电荷图形；收集栅：使读出的电子流均匀，并以垂直方向接近屏幕。在有图形的地方，这些低速电子受存储栅上正电荷的吸引，从而加速穿过存储栅并轰击屏幕上的荧光材料而发光。2022/8/3湖北大学 数计学院75光栅扫描的图形显示器电子束横向扫描屏幕，一次一行，从顶到底顺次进行。当电子束横向沿每一行移动时，电子束的强度不断变化来建立亮点的图案。 技术指标：刷新速率： 每秒60到80帧，即60Hz或80Hz。水平回扫（horizontal retrace），行扫描垂直回扫（verticle retrace），场扫描逐行扫描和隔行（interlaced）扫描： 隔行扫描技术主要

33、用于较慢的刷新速率，以避免闪烁2022/8/3湖北大学 数计学院76场频= 帧频 * 2一帧130秒，一场160秒帧频30HZ ，场频60HZ一帧完整的画面分成两场，即奇数场与偶数场优点：降低了闪烁效应；只需逐行的一半时间即可显示一屏画面，降低了对扫描频率的要求，也降低了成本；帧缓存中数据量比逐行扫描少一半，降低了视频控制器存取帧缓存的速度及传输带宽的要求。 隔行扫描（Interlaced scan）工作原理2022/8/3湖北大学 数计学院77工作原理光栅扫描是控制电子束按某种光栅形状进行的顺序扫描，而字符、图象是靠Z轴信号控制辉亮来形成的。2022/8/3湖北大学 数计学院78绘图仪pri

34、nterComputerDPU输入设备视频控制器display显示处理器控制图形的显示逻辑部件：帧缓冲存储器（Frame Buffer)视频控制器（Video Controller)显示处理器（Display Processing Uuit，简称DPU）CRT计算机图形处理系统2022/8/3湖北大学 数计学院79工作原理应用程序发出绘图命令，解析成显示处理器可接受命令格式，存放在刷新存储器中。刷新存储器中所有的绘图命令组成一个显示文件，由显示处理器负责解释执行(刷新)， 驱动电子枪在屏幕上绘图。修改图形，实际是修改显示文件中的某些绘图命令。 2022/8/3湖北大学 数计学院80特点： 刷新

35、缓冲存储器（refresh buffer）或称帧缓冲存储器（frame buffer） 象素（pixel或pel，是picture element的简写） 象素信息从应用程序转换并放入帧缓冲区的过程称之为扫描转换过程走样 画点设备，画线是近似的，有阶梯效果，线的亮度不均匀； 需大容量帧存； 便于表现实体图形2022/8/3湖北大学 数计学院81CRT固有的物理结构限制了它向更广的显示领域发展屏幕的加大必然导致显象管的加长，显示器的体积必然要加大，在使用时候就会受到空间的限制CRT显示器是利用电子枪发射电子束来产生图像，容易受电磁波干扰长期电磁辐射会对人们健康产生不良影响2022/8/3湖北大学

36、 数计学院824、 平板显示器平板显示器特点：低电压、轻小型、数字化非发射显示器： 液晶显示器发射显示器： 等离子体显示器 薄片光电显示器 发光二极管显示器 激光显示器2022/8/3湖北大学 数计学院83非发射显示器：液晶显示器x1y1-v+v根据液晶显示器件所显示的光的类型:1、透射型LCD:光源位于液晶显示板之后；2、反射型LCD:光源位于液晶显示板之前；3、投影型LCD:将液晶显示板作为幻灯片。反射层水平网格线水平极板液晶层垂直网格线垂直极板x1-vy1+v2022/8/3湖北大学 数计学院84LCD显示器基本原理液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质，它具有液体的流态性质和固体的光学

37、性质。当液晶受到电压的影响时，就会改变它的物理性质而发生形变，此时通过它的光的折射角度就会发生变化，而产生色彩液晶屏幕后面有一个背光，这个光源先穿过第一层偏光板，再来到液晶体上，而当光线透过液晶体时，就会产生光线的色泽改变，从液晶体射出来的光线，还得必须经过一块彩色滤光片以及第二块偏光板由于两块偏光板的偏振方向成90度，再加上电压的变化和一些其他装置，就能显示我们想要的颜色了2022/8/3湖北大学 数计学院85LCD显示器的优点外观小巧精致，厚度只有6.58cm左右。不会产生CRT那样的因为刷新频率低而出现的闪烁现象工作电压低，功耗小，节约能源没有电磁辐射，对人体健康没有任何影响2022/8

38、/3湖北大学 数计学院86LCD显示器的基本指标可视角度视线与屏幕中心法向成一定角度时，人们就不能清晰地看到屏幕图象，而那个能看到清晰图象的最大角度被我们称为可视角度。一般所说的可视角度是指左右两边的最大角度相加。工业上有CR10（Contrast Ratio）、CR5两种标准来判断液晶显示器的可视角度点距与分辨率液晶屏幕的点距就是两个液晶颗粒（光点）之间的距离，一般0.280.32mm就能得到较好的显示效果通常所说的液晶显示器的分辨率是指其真实分辨率，表示水平方向的像素点数与垂直方向的像素点数的乘积2022/8/3湖北大学 数计学院87由一个细小氖泡矩阵组成，由于氖泡有两种状态：开启(点燃)

39、、关闭(熄灭)，且状态可保持。分为1）前层：垂直导线2）中层：细小氖泡3）后层：水平导线水平网格线（Y向地址）玻璃极板单元垂直网格线（X向地址）观察方向空气等离子体显示器2022/8/3湖北大学 数计学院88特点显示屏薄，挂在墙上无锯齿现象，分辨率好无需刷新缓存，重量轻，无辐射价格贵2022/8/3湖北大学 数计学院89薄片光电显示器玻璃板间填充的是荧光物（如锌的硫化物同锰的胶状物）。缺点：功耗大，难以达到好的彩色和灰度等级显示原理：1、足够高的电压加到一对交叉电极；2、交叉电极间的荧光物成为导体；3、锰原子吸收电能；4、锰原子释放能量成为发光点。2022/8/3湖北大学 数计学院90发光二极

40、管显示器采用二极管激发发光来显示图象。缺点：暖色效应由于蓝色光波长很短，蓝色发光管的成本较高2022/8/3湖北大学 数计学院91激光显示器原理：1、利用激光束形成图案；2、通过机电控制的镜面形成反射；3、用另一光源把图象投向屏幕。优点：在非常短的时间显示复杂图象缺点：不能擦除，只能在下一帧重绘2022/8/3湖北大学 数计学院92 行式打印机 撞击式 打印机 点阵式打印机 连续式 压电式机械动作 喷墨打印机 气泡式 非撞击式 随机式 静电式 打印机 固体式（最好） 感光鼓 激光打印机 上粉盒 打底电晕丝 转移电晕丝）1、打印机2.3 图形硬拷贝设备2022/8/3湖北大学 数计学院93(1)

41、 静电绘图仪工作原理：首先在白纸带上那些要上墨的部分加上负电荷，然后在纸的上方流过带正电荷的黑墨，这些微粒将附着在带负电荷的纸上形成图形。分辨率：每英寸800点。2、绘图仪2022/8/3湖北大学 数计学院94（2）笔式绘图仪工作原理：是一种随机的、快速的绘图设备。它可在一张纸上随机的、向量式地移动绘图笔，产生输出图形。当绘制直线时，笔尖首先定位在线段地起点，落笔后自动以直线方式移到线段地终点，然后抬笔并自动移动到另一直线的起点，准备绘制下一条直线。分类：平板式绘图仪：在一块平板上画图，绘图笔分别有x，y两个方向进行移动；滚筒绘图仪：在一块圆筒上作图，画纸在一个方向上（如x方向）滚动，而绘图笔

42、在另一个方向上（如y方向）进行移动；2022/8/3湖北大学 数计学院95主要性能指标：1）最大绘图幅面；2）绘图速度和精度；3）优化绘图；4）绘图所用的语言。2022/8/3湖北大学 数计学院962.4 图形显示子系统简单的光栅扫描图形显示系统的结构帧缓存为系统内存任一块区域视频控制器能直接存取该区域以刷新屏幕帧缓存可以是专用的存储器也可是系统内存中的一块固定区域较为典型的光栅扫描图形显示系统的结构2022/8/3湖北大学 数计学院972022/8/3湖北大学 数计学院98俗称显卡CGA EGA VGA TVGA SVGA XGA SXGA工作原理显示主芯片显卡的核心，俗称GPU 代替CPU

43、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视频存储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 早期没有图形处理器2022/8/3湖北大学 数计学院99PC图形显示卡2022/8/3湖北大学 数计学院100作用：存储屏幕上像素的颜色值也称刷新存储器(Refreshing Buffer)简称帧缓冲器，俗称显存帧缓存中单元数目与显示器上像素的数目相同单元与像素一一对应各单元的数值决定了其对应像素的颜色

44、显示颜色的种类与帧缓存中每个单元的位数有关帧缓冲存储器（Frame Buffer)2022/8/3湖北大学 数计学院101作用：控制图形的显示，建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应关系，负责按固定刷新频率和扫描顺序刷新屏幕图形逻辑结构工作原理刷新周期开始，光栅扫描发生器置X地址寄存器为0，置Y地址寄存器为N-1，首先取出对应像素（0，N-1）的帧缓存单元的数值, 放入像素值寄存器，用来控制像素的颜色，然后X的地址寄存器的地址加一，如此重复，直到该扫描线上的最后一个像素。视频控制器（显示控制器）2022/8/3湖北大学 数计学院102 分辨率 800*600 1024*768 象素与帧缓存 x方向

45、的象素点数*y方向的象素点数*log2n/8 颜色插找表 显示长宽比 屏幕坐标系相关概念2022/8/3湖北大学 数计学院103 光点： 象素点：屏幕分辨率显示分辨率存储分辨率一般是指电子束打在显示器的荧光屏上，显示器能够显示的最小的发光点。图形显示在屏幕上时候，按当前的图形显示分辨率所能提供的最小元素点。光栅分辨率，它决定了显示系统最大可能的分辨率（物理分辨率）。表示：水平方向上的光点数*垂直方向上的光点数显示控制器能够提供的显示模式分辨率（简称显示模式）。表示：文本显示方式：水平方向的字符总数*垂直方向的字符总数图形显示方式：水平方向的象素点数*垂直方向的象素点数表示：缓冲区的字节数。存储

46、分辨率不仅与显示分辨率有关，还与象素点的色彩有关。计算：x方向的象素点数*y方向的象素点数*log2n/8 （其中：n为颜色数或灰度等级数） 分辨率2022/8/3湖北大学 数计学院104 象素与帧缓存屏幕上一个象素点对应帧缓存中的一组信息。 组合象素法（Packed Pixel Method） 颜色位面法（Color Plane Method）帧缓存被分成若干独立的存储区域，每一个区域称为一个位面（Bit Plane），每个位面控制一种颜色或者灰度，每一个图形象素点在每个位面中占一位，通过几个位面中的同一位组合成一个象素。2022/8/3湖北大学 数计学院105例：如果分辨率为1024*76

47、8，请计算帧缓存，以及能同时显示的颜色数。计算： 帧缓存 = x方向的象素点数*y方向的象素点数*log2n/8 = 1024*768*24/8 颜色数 = 2242022/8/3湖北大学 数计学院106 颜色查找表颜色查找表也称调色板，是由高速的随机存储器组成，用来储存表达象素色彩的代码。此时帧缓冲存储器中每一象素对应单元的代码不再代表该象素的色彩值，而是作为查色表的地址索引。2022/8/3湖北大学 数计学院107例：如果分辨率为1024*768，请计算帧缓存，总的颜色数以及能同时显示的颜色数。2022/8/3湖北大学 数计学院108 显示长宽比要求：在屏幕两个方向上相同象素点数产生同样长

48、度的线段，以使图形不至发生畸变。例如：当屏幕显像管的长宽比等于 4:3 时，（水平方向上的光点数:垂直方向上的光点数）也应尽量满足这个比例。显示长宽比：水平点数与垂直点数之比。2022/8/3湖北大学 数计学院109 屏幕坐标系2022/8/3湖北大学 数计学院110第三章 基本图形生成算法光柵扫描特点： * 数据量大 快的要求 * 显示的离散化 准的要求 * 独立的图形显示处理器 快速，实时硬件处理的扫描转换CPU系统总线显示处理器系统存储器显示处理器存储器帧缓存视频控制器I/O设备监视器1、光栅扫描图形系统的结构2022/8/3湖北大学 数计学院111任务：进行扫描转换(Scan Conv

49、ersion)扫描转换：将应用程序给出的图形定义数字化为一组像素强度值，并放到帧缓存器扫描转换的工作内容：基本图形的生成字符的生成填充、裁剪线型的处理彩色处理某些变换和管理2、图形显示处理器 (加速引擎)2022/8/3湖北大学 数计学院112为描述对象、构造场景或完成图形变换，需要不同的坐标系！1. 建模坐标系定义对象2. 世界坐标系定义对象与外界环境的关系3. 设备坐标系 定义图形显示的位置、大小4. 规范化坐标 为保证互换性（与设备无关）而定义的辅助坐标3、坐标系统2022/8/3湖北大学 数计学院113建模坐标Modeling CoordinateLocal CoordinateMas

50、ter Coordinate世界坐标World Coordinate绘图仪其它输出设备设备坐标Device CoordinateScreen Coordinate111规范化坐标NormalizedCoordinate2022/8/3湖北大学 数计学院1143.1 直线的扫描转换光栅扫描显示下画直线存在的问题：(1) 显示速度问题： 例：分辨率：1024768， 24Bit 彩色， 帧存容量：10247683 2,359,296 Byte 刷新率 85Hz: 85 2,359,296 200,540,160 (Byte / S) 存储器读出时间：5nS(2) 显示质量问题：阶梯状线的粗细不一线

51、的亮度差异2022/8/3湖北大学 数计学院115直线的绘制要求：1.直线要直2.直线的端点要准确，即无定向性和断裂情况3.直线的亮度、色泽要均匀4.画线的速度要快5.要求直线具有不同的色泽、亮度、线型等解决的问题：给定直线两端点P0(x0,y0)和P1(x1,y1)，画出该直线。2022/8/3湖北大学 数计学院1163.1.1 数值微分法(DDA法)直线的微分方程：DDA算法原理： =1/max(|x|,|y|) 2022/8/3湖北大学 数计学院117max(|x|,|y|)=|x|，即|k|1的情况：max(|x|,|y|)=|y|，此时|k|1：2022/8/3湖北大学 数计学院11

52、8注意：round(x)=(int)(x+0.5)2022/8/3湖北大学 数计学院119Void DDAline(int x0,int y0,int x1,int y1) int dx,dy,eps1,k; float x,y,xIncre,yIncre; dx=x1-x0; dy=y1-y0; x=x0; y=y0; If (abs(dx)abs(dy) eps1=abs(dx); else eps1=abs(dy); xIncre=(float)dy/(float)eps1; yIncre=(float)dy/(float)eps1; for (k=0;k=eps1;k+) putpix

53、el(int)(x+0.5),(int)(y+0.5); x+=xIncre; y+=yIncre; 2022/8/3湖北大学 数计学院120特点：增量算法直观、易实现缺点：浮点运算、取整废时，且不利于硬件实现。不利于用硬件实现 。2022/8/3湖北大学 数计学院121例：画直线段x int(y+0.5) y+0.5000100.4+0.5210.8+0.5311.2+0.5421.6+0.5522.0+0.5注：网格点表示象素2022/8/3湖北大学 数计学院1223.1.2 中点画线法算法显然可得出如下结论：若M在Q的下方，选Pu，否则选Pd原理：假定直线斜率K1，且已确定点亮象素点P（

54、Xp ,Yp ）M为中点，Q为交点现需确定下一个点亮的象素。2022/8/3湖北大学 数计学院123算法实现： 假设直线的起点、终点分别为：（X0,Y0),(X1,Y1) 该直线方程可表示为： F(x,y)=a*x+b*y+c （1） 其中： a=Y0-Y1, b=X1-X0, c=X0*Y1-X1*Y0 当： F(Xt,Yt) = 0 (Xt,Yt) 在直线上 F(Xt,Yt) 0 (Xt,Yt) 在直线上方2022/8/3湖北大学 数计学院1242022/8/3湖北大学 数计学院125 因此：将中点M坐标代入（1）式，并判断其符号即可确定象素点的选取。构造如下判别式： d = F(M) =

55、F(Xi+1,Yi+0.5) =a(Xi+1)+b(Yi+0.5)+c 由上式可看出，d是x,y线性函数，可推导d的增量公式2022/8/3湖北大学 数计学院126当d 0 时， 取象素Pu，此时再下一个象素的判别式为：d= F(Xi+2,Yi+1.5) = a(Xi+2)+b(Yi+1.5)+c = a(Xi+1)+b(Yi+0.5)+c +a +b = d + a + b;误差项的递推d= 0时，取象素Pd，此时再下一个象素的判别式为：d= F(Xi+2,Yi+0.5) = a(Xi+2)+b(Yi+0.5)+c = a(Xi+1)+b(Yi+0.5)+c +a = d + a;误差项的递

56、推d0：2022/8/3湖北大学 数计学院128d的初始值可按下式计算： d0 = F(X0+1,Y0+0.5) = a(X0+1)+b(Y0+0.5)+c = F(X0,Y0)+a+0.5b = a+0.5b 由于只用d 的符号作判断，为了只包含整数运算, 可取2d代替 d，这样可得如下中点算法程序：2022/8/3湖北大学 数计学院129 MidpointLine(X0,Y0,X1,Y1,Color) int X0,Y0,X1,Y1,Color; int a,b,d1,d2,d,x,y; a=Y0-Y1; b=X1-X0; d=a+a+b; d1=a+a; d2=a+b+a+b; x=X0

57、; y=Y0; drawpixle(x,y,Color); while(xX1) if(d0) x+; y+; d+=d2; 2022/8/3湖北大学 数计学院130 else x+; d += d1; drawpixle(x,y,Color); /*while*/ /*MidPointLine*/ 习题： 按照中点划线算法，确定直线（0，0）（5，3）的点亮象素。列出计算过程，并列出所选象素坐标。 2022/8/3湖北大学 数计学院131例：用中点画线法 ixiyid1001210-33213431-154252022/8/3湖北大学 数计学院1323.1.3 Bresenham画线算法基本

58、原理：(假定直线段的0k1)2022/8/3湖北大学 数计学院133假定直线斜率,0k1 时 d=d-1 ;当d0.5，则(x,y)更新为(x+1,y+1)，同时将d更新为d-1；否则(x,y)更新为(x+1,y)。5.当直线没有画完时，重复步骤3和4。否则结束。2022/8/3湖北大学 数计学院135改进1：令e=d-0.5e初= -0.5，每走一步有e=e+k。if (e0) then e=e-12022/8/3湖北大学 数计学院136算法步骤为：1.输入直线的两端点P0(x0,y0)和P1(x1,y1)。2.计算初始值x、y、e=-0.5、x=x0、y=y0。3.绘制点(x,y)。4.e

59、更新为e+k，判断e的符号。若e0，则(x,y)更新为(x+1,y+1)，同时将e更新为e-1；否则(x,y)更新为(x+1,y)。5.当直线没有画完时，重复步骤3和4。否则结束。2022/8/3湖北大学 数计学院137改进2：用2ex来替换ee初= -x，每走一步有e=e+2y。if (e0) then e=e-2x2022/8/3湖北大学 数计学院138算法步骤：1. 输入直线的两端点P0(x0,y0)和P1(x1,y1)。2. 计算初始值x、y、e=-x、x=x0、y=y0。3. 绘制点(x,y)。4. e更新为e+2y，判断e的符号。若e0，则(x,y)更新为(x+1,y+1)，同时将

60、e更新为e-2x；否则(x,y)更新为(x+1,y)。5. 当直线没有画完时，重复步骤3和4。否则结束。2022/8/3湖北大学 数计学院139程序如下： BresenhamLine(x0,y0,x1,y1,color) int x0,y0,x1,y1,color; int x,y,dx,dy; float k,e; int e; dx = x1-x0; dy = y1-y0; k = dy/dx; e = -0.5; x=x0; y=y0; e = -dx; for( i=0; i=0) y+; e=e-1; e = e - 2*dx; Bresenham 画线例直线端点为(20,10)和（