广工数媒计算机图形学之2计算机图形系统

计算机图形学的基本任务是研究如何利用计算机来处理图形。计算机图形系统必须包含以下几个方面的任务：如何用适当的硬件来实现图形处理功能；如何设计好的图形软件；图形处理所需要的数学处理方法和算法；如何解决实际应用中的图形处理问题；因此，计算机图形系统是计算机硬件、图形输入输出设备、计算机系统软件和图形软件的集合。广东工业大学机电学院图学与数字媒体工程系计算机图形系统基本功能框架图显示器交互计算存储输出输入图形输入设备图形输出设备数据库计算机图形系统的功能一个交互式计算机图形系统应该具有计算、存储、对话、输入和输出等五个方面的功能。1.计算功能应包括形体的设计、分析的方法的程序库和有关描述形体的图形数据库。数据库中应有坐标的几何变换，曲线、曲面的生成，图形交点的计算以及性能检验等功能。2.存储功能在计算机的内存、外存中要存放图形数据，尤其是要存放图形数据之间的相互关系。可根据用户的要求实现信息的实时检索，图形的变更、增添和删除等处理。3.交互功能用户通过图形显示器和图形输入设备进行人机通信的方式。用户通过显示屏观察设计结果，通过鼠标、键盘等输入设备编辑、修改图形，等等4.输入功能将设计过程中图形的形状、大小和颜色属性等必要的参数和命令输入到计算机中。5.输出功能包括显示输出和打印输出图形、数据，还包括将设计文件保存到外存储器中。计算机图形系统的功能1.图形软件图形软件分为图形应用数据结构、图形应用软件和图形支撑软件三部分。三部分都处于计算机系统之内并与外部的图形设备进行接口。三部分互相联系、互相调用、互相支持，形成图形系统的软件部分。计算机图形系统的结构根据基本功能的要求，一个交互式计算机图形系统应包括图形软件和图形硬件两大部分。计算机图形系统的结构——图形软件图形应用数据结构：图形应用数据结构对应一组图形数据文件，其中存放将要生成的图形对象的全部描述信息。包括确定物体形状、位置、大小的几何信息；与图形构成有关的拓扑信息（如点、线、面之间的相互关系）；与图形显示有关的属性信息（如颜色、线型、明暗、纹理等）……计算机图形系统的结构——图形软件图形应用软件：图形应用软件是解决某种应用问题的图形软件，是图形系统的核心部分，包括各种图形生成技术，是图形技术在各种不同应用的抽象。如AutoCAD、Photoshop、CorelDRAW

、3DSMax、Flash等计算机图形系统的结构——图形软件图形支撑软件：图形支撑软件是由一组公用的图形子程序组成的。图形支撑软件可以被看成是计算机操作系统在图形处理功能上的扩展，是计算机高级语言在图形处理语句功能上的扩展。标准图形支撑软件在操作系统上建立了面向图形的输入、输出、生成、修改等功能命令，对用户透明，与采用的图形设备无关（方便应用软件在不同系统间移植）。具有高级语言接口，支持高级语言程序设计。采用标准图形支撑软件降低了软件研制的费用和难度。常用的图形支撑软件包括：OpenGL，ACIS，DirectX。ACIS是用C++构造的图形系统开发平台，它包括一系列的C++函数和类（包括数据成员和方法）。开发者可以利用这些功能开发面向终端用户的三维造型系统。

DirectX，（DirecteXtension）是由微软公司创建的多媒体编程接口，由C++编程语言实现。DirectX具有加强3d图形和声音效果的功能，并提供设计人员一个共同的硬件驱动标准，让游戏开发者不必为每一品牌的硬件来写不同的驱动程序，也降低用户安装及设置硬件的复杂度。

计算机图形系统的结构——图形软件平台实现层次语言应用领域OpenGL底层（显卡）C/C++三维设计软件ACIS底层（操作系统）C/C++三维造型和显示DirectX底层（操作系统）C++三维游戏计算机图形系统的结构——图形软件常用图形开发平台的比较计算机图形系统的结构——图形硬件计算机图形硬件包括具有高性能、高速度、大存储量的计算机系统，常规外围设备，以及图形输入输出设备。图形输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪、触摸屏、光笔、数据手套等。输出设备包括图形显示器、图形硬拷贝设备（打印机、绘图仪等）。广东工业大学机电学院图学与数字媒体工程系图形显示设备的发展：

60年代中期，随机扫描显示器

60年代后期，存储管式显示器

70年代中期，光栅扫描图形显示器。目前常用的图形显示器有：CRT（阴极射线管）显示器、液晶显示器、等离子显示器和激光显示器。计算机图形系统的结构——图形显示设备广东工业大学机电学院图学与数字媒体工程系CRT（阴极射线管CathodeRayTube）显示器工作原理CRT是一种真空器件，它由电子枪内的电磁场产生阴极射线，通过聚焦系统，使射线汇聚成电子束；通过偏转系统改变电子束的方向，使其射向涂有荧光层的显示屏幕上的指定位置，在该位置上产生一个亮点。计算机图形系统的结构——图形显示设备彩色CRT显示器工作原理CRT显示器利用能发射不同颜色光的荧光层的组合来显示彩色图形。任何一幅彩色图形都是由红（R）、绿（G）、蓝（B）三基色组合而成。三基色决定于涂覆在显象管屏幕上的三种荧光粉在电子束的轰击下发出的色光。彩色显象管分为三枪三束和单枪单束两大类，最常用的是三枪三束荫罩式彩色显象管，它由三只独立的电子枪发出三束电子束，同时轰击屏幕上的一个点三角形，在屏幕上显示出一个彩色亮点。计算机图形系统的结构——图形显示设备彩色CRT显示器在位于荧光涂层之后有一个荫罩栅格，栅格上有一系列与屏幕上的荧光点对齐的小孔。位于荫罩后方、整个显象管的尾部的三支独立的电子枪排列成一等边三角形。工作时，三支电子枪按照控制信号，分别发出强弱不等的红、绿、蓝三原色电子束，三支电子束交汇穿过荫罩的一个小孔后，激活屏幕上一个磁化荧光点三角形，由于点三角形中的三原色点非常小，人的眼睛趋于点三角合并为一个组合色，于是在屏幕上看到一个彩色亮点。彩色CRT显示器工作原理计算机图形系统的结构——图形显示设备广东工业大学机电学院图学与数字媒体工程系彩色CRT显示器主要组成部分：三色荧光屏三支电子枪荫罩板彩色CRT显像管工作原理示意图彩色CRT显示器工作原理计算机图形系统的结构——图形显示设备广东工业大学机电学院图学与数字媒体工程系彩色CRT显像管工作原理示意图彩色CRT显示器工作原理计算机图形系统的结构——图形显示设备每一种原色都有256个强度等级，改变三支电子束的强度，可以改变屏幕亮点的颜色。例如通过控制信号关掉红枪和绿枪，那么在屏幕上将看到一个蓝色的亮点，此时该点的颜色值为R=0，G＝0，B＝255。彩色CRT显示器工作原理计算机图形系统的结构——图形显示设备为使颜色正确，图形图像的影像轮廓清晰，对荫罩式彩色显示器有色纯、会聚和白平衡三方面的技术要求。色纯——三支电子枪必须准确击中各自对应的荧光点，不能误击，以保证屏幕上显示出来的光点色彩纯正。会聚——不论电子束扫描到哪一个位置，三支电子束都应准确地通过同一个荫罩小孔，并准确地轰击同一个点三角形。会聚性越好，三色重叠越好，影像越清晰。白平衡——白色和灰色的正确重现，称为白平衡。白平衡是保证色彩重现的先决条件。彩色CRT显示器技术评定指标计算机图形系统的结构——图形显示设备平板显示器与CRT相比较一个显著的优势是轻和薄，其它的特点是低电压、数字化。平板显示器一般分两大类：非发射显示器和发射显示器。非发射显示器利用光学效应，将太阳或来自其他光源的光转换为图形图案，典型设备是液晶显示器。发射显示器是将电能转换为光能，最终显示出图形图案，典型设备是等离子显示器、薄膜光电显示器以及发光二极管等。平板显示器（Flat_PanelDisplay）：计算机图形系统的结构——图形显示设备液晶是一类有机化合物，在一定的温度下不但有象液体那样的流动性，而且具有象晶体那样的各向异性。液晶于1888年被发现，1963年制成液晶温度计；此后以液晶光电效应为原理的液晶显示器迅速发展，目前液晶显示器已经得到非常广泛地应用。液晶显示的机理是通过能阻塞或传递光的液晶材料，传递来自环境的或系统内部光源的偏振光。平板显示器——液晶显示器（LiquidCrystalDisplay，LCD）计算机图形系统的结构——图形显示设备与普通CRT、发光二极管等显示器件不同，液晶显示器件本身并不发光，而是利用液晶的光电效应，通过施加电压来改变液晶的光学特性，从而造成对入射光的调节，使通过液晶材料的透射光或反射光受所加电压的控制，达到显示图形图像的目的。平板显示器——液晶显示器（LiquidCrystalDisplay，LCD）计算机图形系统的结构——图形显示设备等离子体显示板也称为气体放电显示器。将包含有氖气在内的混合气体充入两块玻璃板之间的区域，其中一块玻璃板上构造有一系列垂直方向的导电带，另一块玻璃板上则构造有一组水平方向的导电带。在成对的水平和垂直导电带上施加点火电压，导致两导电带交叉点处的气体进入电子和离子的辉光放电等离子区。导电带的交叉点就是屏幕显示的象素点。平板显示器——等离子显示器（PlasmaPanel）计算机图形系统的结构——图形显示设备图形的定义存储在刷新缓冲器中，点火电压以每秒60次的速率刷新各个象素位置，象素之间的分割是由导电带的电场提供的。彩色和多灰度等级的等离子显示器是近几年才研制成功的，目前等离子体显示板已能达到2048x2048的高分辨率。等离子体显示板的优点是平板式、透明，工作状况非常稳定。平板显示器——等离子显示器（PlasmaPanel）计算机图形系统的结构——图形显示设备随机扫描显示器工作原理计算机图形系统的结构——图形显示设备随机扫描（random-scan）的图形显示器中电子束的定位和偏转具有随机性，即电子束的扫描轨迹随显示内容而变化，只在需要的地方扫描，而不必全屏扫描。随机扫描显示器工作原理计算机图形系统的结构——图形显示设备随机扫描显示器无冗余扫描、速度快、图像清晰、比光栅系统更高的分辨率、生成光滑线条。随机扫描显示系统是为画线应用设计的，不能显示逼真的有阴影的场景，扫面方式和电视标准不一致，驱动系统也较复杂。广东工业大学机电学院图学与数字媒体工程系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。光栅扫描显示器工作原理计算机图形系统的结构——图形显示设备CRT光栅扫描显示器，电子束横向（X方向）扫描屏幕，每次一行自顶向下（Y方向）进行，称为逐行扫描显示器。当电子束扫描每一行时，根据帧缓存器中存储的信息（通常称为Z轴信号），电子束的亮度和颜色不断变换，从而在屏幕上产生与帧缓存器中存储的信息对应的图形。电子束轰击屏幕时在屏幕上产生的一个点称为一个象素点。光栅扫描显示器工作原理计算机图形系统的结构——图形显示设备光栅扫描显示器将被显示的线段、字符、图形及其背景色都按像素存储在刷新缓冲存储器（RefreshBuffer）或帧缓冲存储器（FrameBuffer）中，存储器中保存的每单位信息对应屏幕上的光栅扫描系统的一个像素点（Pixel，或Pel，Pictureelement）。光栅扫描系统具有存储屏幕上每一个亮点信息的能力，能较好的将包含细微阴影和彩色模式的场景逼真的显示出来。电视机和打印机也是应用光栅扫描方式生成图形的。光栅扫描显示器工作原理计算机图形系统的结构——图形显示设备光栅扫描显示器是以行、列为坐标的画点设备，只有在显示水平、垂直和45°倾斜的直线时，像素点集在直线路径上的位置才是准确的，其它情况下的直线均呈台阶状，即图形走样。采用反走样技术可减轻台阶效果。光栅扫描显示器工作原理计算机图形系统的结构——图形显示设备计算机图形系统的结构——图形显示子系统光栅扫描图形显示子系统的结构如下图所示。各自的功能见课本p37。图形绘制流水线计算机图形系统的结构——图形显示子系统一、应用程序阶段，接收各种图形输入设备的输入，完成各项操作。应用程序阶段模型与视点变换光照投影裁剪屏幕映射光栅阶段几何阶段图形绘制流水线的基本结构图形绘制流水线计算机图形系统的结构——图形显示子系统二、几何阶段，实现大部分的多边形和顶点操作，可分为模型与视点变换（图形的几何变换）、光照（真实感图形绘制）、投影（平行投影或中心投影）、裁剪（确定显示范围）和屏幕映射（二维图形坐标空间到屏幕坐标空间的变化）等功能阶段，实现图形对象从定义到屏幕上显示过程所需要的一系列几何变换。三、光栅阶段，实现图形对象的扫描转换，即将几何阶段获得的各种坐标与屏幕像素对应并存入帧缓冲存储区。光栅扫描显示器总是与帧缓存区联系在一起的。帧缓冲区是存储器中一块足够容纳要显示图片的区域。PC机的显卡中有帧缓冲区所需的存储器。显示屏每一个像素对应缓冲区的某一个存储单元，在这个单元中存储着对应像素的色彩信息。当扫描控制器传送地址到帧缓冲区时，该地址对应的单元所存储的色彩信息，经由转换线路被传送到显示屏上的对应位置。完成对一个像素的扫描。帧缓冲区计算机图形系统的结构——图形显示子系统屏幕分辨率——也称为光栅分辨率或物理分辨率，它决定了显示系统最大可能的分辨率，任何显示控制器所提供的分辨率都不能超过物理分辨率。屏幕分辨率与显示器物理屏幕尺寸、物理光点尺有关，例如12英寸显示器有效显示区域为200x160mm2，光点直径为0.31mm，则该屏幕最大物理分辨率为640x480。光点的大小决定了显示器的显示精度。计算机图形系统的结构——相关概念广东工业大学机电学院图学与数字媒体工程系显示分辨率——计算机显示控制器能够提供的不同显示模式下的分辨率，也称为显示模式。对于文本显示方式，显示分辨率用行、列能显示的字符总数的乘积表示；对于图形显示方式，显示分辨率用水平和竖直方向能显示的像素点的总数的乘积表示，如常见的640x480、800x600等。显示分辨率受屏幕分辨率的限制。显示分辨率不同，像素点的大小不同。计算机图形系统的结构——相关概念存储分辨率——指帧缓冲存储区的大小，一般用缓冲区的字节（byte）数表示。对于光栅显示系统，光栅中的像素数目称为缓冲区的分辨率。缓冲区的大小不仅由分辨率决定，还与色彩的位深度有关。对于黑白二值图像，色彩位深度为1，对于256色彩色图形，位深度为8。计算机图形系统的结构——相关概念相关概念举例计算示例一：已知屏幕物理光点直径为0.31mm，屏幕尺寸为17英寸，有效显示区域为345mm*259mm，求屏幕最大显示分辨率是多少？水平方向约排列光点数：竖直方向约排列光点数：该屏幕能设置的最大显示分辨率为1112*835。计算机图形系统的结构——相关概念计算示例二：显示分辨率为640x480，黑白图像，需帧缓冲区大小为：1KB=1024B相关概念举例计算机图形系统的结构——相关概念计算示例三：显示分辨率为1024x1024，颜色位深度为4（每个像素点需要4位二进制数表示色彩信息，称为16色图像）的图像，需帧缓冲区大小为：相关概念举例计算机图形系统的结构——相关概念像素与帧缓存屏幕上一个像素点对应帧缓存中的一组信息（通常是颜色信息），实现这种对应常用组合像素法和颜色位面法。组合像素法——屏幕上一个像素的信息被编码成一个字节，按照一定方式存储在帧缓存中，编码字节的长度与点的属性有关。计算机图形系统的结构——相关概念相关概念——像素与帧缓存颜色位面法——将帧缓存分成若干独立的存储区域，每一个区域成为一个位面，几个位面中的同一位上的颜色信息组合成屏幕上一个像素的信息。如果每一个原色有8个位面的帧缓存，组合在一起后，每一种原色可有256（28

）种颜色，三原色的组合就是224种颜色，即位深度为24。这样的光栅显示器称为全彩色（真彩色）光栅显示器。计算机图形系统的结构——相关概念相关概念—