计算机图形系统课件

第2章计算机图形系统1第2章计算机图形系统2.1计算机图形系统的组成2.2硬件系统2.2.1图形显示设备2.2.2图形处理器2.2.3图形输入设备2.3相关软件系统2.4图形标准22.1计算机图形系统的组成计算机图形系统是一个由软、硬相互结合的有机整体。数据结构应用程序图形子程序包交互装置主机显示处理器输出通道一般工作过程3第2章计算机图形系统2.1计算机图形系统的组成2.2硬件系统2.2.1图形显示设备2.2.2图形处理器2.2.3图形输入设备2.3相关软件系统2.4图形标准42.2硬件系统2.2.1图形显示设备2.2.2图形处理器2.2.3图形输入设备52.2.1图形显示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。62.2.1图形显示设备图形显示器的发展：CRT随机扫描显示器存储管显示器光栅扫描显示器LCD、PDP三维显示器…72.2.1图形显示设备1.阴极射线管(CRT)2.光栅扫描显示器3.LCD显示器4.等离子显示器5.其它显示设备6.光栅扫描显示系统8灯丝控制栅阴极加速系统偏转系统聚焦系统1.阴极射线管CRT荧光粉涂层9阴极射线管(CRT-CathodeRayTube)组成：包括电子枪(灯丝、阴极)、控制栅、加速结构、聚焦系统、偏转系统、荧光屏工作原理：高速的电子束由电子枪发出，经过聚焦系统、加速系统和偏转系统就会到达荧光屏的特定位置。由于荧光物质在高速电子的轰击下会发生电子跃迁，即电子吸收到能量从低能态变为高能态。由于高能态很不稳定，在很短的时间内荧光物质的电子会从高能态重新回到低能态，这时将发出荧光，屏幕上的那一点就会点亮。1.阴极射线管CRT10控制栅(电平控制器)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。加速系统使电子达到轰击激发荧光屏应有的速度。最后由磁偏转系统来达到指定位置1.阴极射线管CRT11荧光物质：当它被电子轰击时发出亮光。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1/10所需的时间刷新(Refresh)：为了让荧光物质保持一个“稳定”的亮度值，必须不断轰击荧光物质。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显示器的屏幕越大整个显象管就越长。1.阴极射线管CRT12要保持显示一幅稳定的画面，必须不断地发射电子束。刷新频率：每秒重绘次图像的次数。刷新频率高到一定值后，图象才能稳定显示。50-120Hz1.阴极射线管CRT分辨率(Resolution)：CRT在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大光点数，单位通常为dpi(dotsperinch)。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最大光点个数描述，如640*480，1024*768等。像素(Pixel:PictureCell)：构成屏幕(图像)的最小元素。132.光栅扫描显示器光栅扫描：电子束按固定的扫描顺序从左到右，自上而下进行扫描。几个概念：扫描线、帧、水平回扫期、垂直回扫期…水平回扫垂直回扫扫描线电子束扫描过程示意图14几个概念：行频、帧频：

水平扫描频率为行频。垂直扫描频率为帧频。逐行扫描、隔行扫描：

隔行扫描方式是先扫偶数行扫描线，再扫奇数行扫描线。像素： 构成屏幕(图像)的最小元素。整个屏幕被扫描线分成n行，每行有m个点，每个点为一个象素，则整个屏幕有m×n个象素。2.光栅扫描显示器15几个概念：分辨率：

是指CRT在水平或垂直方向的单位长度上能分辨出的最大象素数，分为水平分辨率和垂直分辨率。通常用屏幕上象素的数目来表示。比如上述的n行，每行m点的屏幕分辨率为m×n。 分辨率越高，相邻象素点之间的距离越小，显示的字符或图像也就越清晰。 分辨率受显示器生产工艺、扫描频率以及显示存储器容量的限制。2.光栅扫描显示器16几个概念：显示速度： 指显示字符、图形特别是动态图像的速度。与显示器的分辨率及扫描频率有关。可用最大带宽（水平象素数×垂直象素数×最大帧频）来表示。色彩与亮度等级： 亮度等级又称灰度级，主要指单色显示器的亮度变化。色彩包括可选择显示器颜色的数目以及一帧画面可同时显示的颜色数，与荧光屏的质量有关，并受显示存储器VRAM容量的影响。2.光栅扫描显示器17几个概念：图像刷新：由于CRT内侧的荧光粉在接受电子束的轰击时，只能维持短暂的发光，根据人眼视觉暂留的特性，需要不断进行刷新才能有稳定的视觉效果。 因此刷新是指以每秒30帧以上的频率反复扫描，不断地显示每一帧图像。图像的刷新频率等于帧扫描的频率（帧频），用每秒刷新的帧数表示。目前刷新频率标准为每秒50~120帧。2.光栅扫描显示器182.光栅扫描显示器优点：成本低；色彩丰富；画点设备，刷新频率一定，与图形的复杂程度无关，易于修改图形。CRT固有的物理结构限制了它的发展(缺点)：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，在制造、使用的时候就会受到限制；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。192.光栅扫描显示器产生彩色的常用方法：射线穿透法影孔板法202.光栅扫描显示器射线穿透法原理：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优点：成本低缺点：只能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212.光栅扫描显示器外层玻璃荧光涂层影孔板影孔板法原理：彩色CRT显示器的荧光屏上涂有三种荧光物质，它们分别能发红、绿、蓝三种颜色的光。而电子枪(三支)也发出三束电子束来激发这三种物质，中间通过一个控制栅格(影孔板、荫罩)来决定三束电子到达的位置。荫罩荧光点222.光栅扫描显示器三束电子经过荫罩的选择，分别到达三个荧光点的位置。通过控制三个电子束的强弱就能控制屏幕上点的颜色。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荫罩荧光点23点状影孔板工作原理：红、绿、蓝三色荧光点：三角形排列，很小并充分靠近→形成一个像素；三支电子枪：调节各电子枪发生的电子束强度，即可控制各色光点亮度；2.光栅扫描显示器电子枪、影孔板中的一个小孔和荧光点呈一直线；每个小孔与一个像素（即三个荧光点）对应。显示器能同时显示的颜色个数：如果每支电子枪发出的电子束的强度有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。24影孔板的类型(与荧光点排列有关):点状影孔板(荫罩式)代表：大多数球面显像管栅格式影孔板(荫栅式)代表：Sony的Trinitron与Mitsubishi的Diamondtron显像管沟槽式影孔板代表：LG的Flatron显像管2.光栅扫描显示器25荫栅式彩色CRT显色原理RGB红绿蓝荫栅荧光屏26柱面和球面显示器点距定义示意图RGGBB0.25mmRGBG点距为.25的柱面显示器d=0.28mm0.22mm0.31mm点距为.28的球面显示器2.光栅扫描显示器273.LCD显示器LCD(LiquidCrystalDisplay)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，而产生不同色彩。283.LCD显示器液晶显示器LCD(LiquidCrystalDisplay)通常是由六层薄板组成的平板式显示器。反射层水平极板水平网格线液晶层垂直网格线垂直极板观察方向293.LCD显示器LCD显示器的基本指标：可视角度；点距(两个液晶颗粒（光点）之间的距离)、分辨率；响应时间；可视角度303.LCD显示器LCD显示器的优点：外观小巧；不存在刷新的问题。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。缺点：寿命短、怕震动、温度敏感；分辨率相对较低，色彩不够鲜艳，视角窄，且价格偏高。随着工艺的进步，缺点已逐步得到克服，目前已成为计算机的首选配置314.等离子显示器PDP等离子显示器是一种利用气体放电的显示装置。这种屏幕采用了等离子管作为发光元件。大量的等离子管排列在一起构成屏幕。每个等离子管对应的小室内充有惰性气体。在等离子管电极间加上高压后，封在两层玻璃之间的等离子管小室中的气体会产生紫外光，从而激发平板显示器上的红绿蓝三基色荧光粉发出可见光。水平网格线（Y向地址）玻璃极板单元(灯泡阵列)垂直网格线（X向地址）观察方向高电压点亮(不同电压，不同灰度)，低电压维持。324.等离子显示器特点

：无需“刷新”

；色彩丰富；视角大；大尺寸…缺点：光点大，分辨率只能达到中等水平；气体发光和熄灭的过渡时间太长，限制图形的生成速度。335.其它显示设备硬拷贝设备打印机绘图仪…三维显示设备东芝3D显示器ActualitySystems的3D显示器

345.其它显示设备356.光栅扫描显示系统光栅扫描显示器可以看作是一个像素的矩阵(画点设备)。所显示的图形实际上是一些具有各种属性(颜色)的像素的集合。36普通显卡（早期）6.光栅扫描显示系统视频控制器：建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应，负责 刷新。帧缓冲器：存储用于刷新的图像信息的存储器。可以是专用 的存储器，也可以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BusCPU系统内存帧缓冲器视频控制器Disp376.光栅扫描显示系统帧缓冲器以黑白二值显示器为例386.光栅扫描显示系统帧缓存中的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。帧缓冲存储器的分辨率：通常用X方向（行）和Y方向（列）可寻址的地址数的乘积来表示。显示颜色的种类与帧缓存中每个单元的位数有关。39显存问题高分辨率和真彩要求有大的帧缓存；曾经是个问题！解决方法：采用查色表(LookupTable）6.光栅扫描显示系统406.光栅扫描显示系统优点：易于绘制填充图形；色彩丰富；与图形的复杂程度无关；易于修改图形。缺点：需要扫描转换；会产生混淆(走样)。41第2章计算机图形系统2.1计算机图形系统的组成2.2硬件系统2.2.1图形显示设备2.2.2图形处理器2.2.3图形输入设备2.3相关软件系统2.4图形标准422.2.2图形处理器图形处理器图形处理器是图形系统结构的重要元件，是连接计算机和显示终端的纽带。早期的图形处理器只包含简单的视频控制器和帧缓冲区，它们实际上只起了一个图形的存储和传递作用，一切操作都必须有CPU来控制。现在的图形处理器不单单存储图形，而且能完成大部分图形函数，专业的图形卡已经具有很强的3D处理能力，大大减轻了CPU的负担，提高了显示质量和显示速度。432.2.2图形处理器图形处理器的组成显示主芯片：显卡的核心，俗称GPU，它的主要任务是对系统输入的视频信息进行构建和渲染(Rending)；GPURAMDAC显存主机控制信号模拟信号输出显示缓存：用来存储将要显示的图形信息以及保存图形运算的中间数据；显存的大小和速度直接影响着主芯片性能的发挥。数字模拟转换器（RAMDAC）：它的作用就是把二进制的数字转换成为和显示器相适应的模拟信号。显卡简单示意图44第2章计算机图形系统2.1计算机图形系统的组成2.2硬件系统2.2.1图形显示设备2.2.2图形处理器2.2.3图形输入设备2.3相关软件系统2.4图形标准452.2.3图形输入设备常用的图形输入设备分为两种：向量型图形输入设备它采取跟踪轨迹、记录坐标点的方法输入图形。常用的有数字化仪（绘图板）、鼠标器、光笔等。光栅扫描型图形输入设备它采取逐行扫描、按一定密度采样的方式输入图形。常用的有扫描仪和摄像机等。462.2.3图形输入设备三维扫描键盘鼠标操纵杆跟踪球、空间球绘图板(数字化仪)触摸屏47第2章计算机图形系统2.1计算机图形系统的组成2.2硬件系统2.2.1图形显示设备2.2.2图形处理器2.2.3图形输入设备2.3相关软件系统2.4图形标准482.3软件系统计算机图形软件可分为两大类：通用编程软件包

提供一个可用于高级程序语言的图形功能扩展集。常常是函数库，提供了生成各种图形、实现图形的处理和输入输出操作、控制和处理各种图形设备以及交互过程中的各种事件。(如，OpenGL，Directx等)专用应用软件包

具有图形处理能力的交互式图形软件系统，为非程序员提供的而且往往应用于某些领域。不关心图形操作的具体过程。(如，AutoCAD、3DSMAX等)492.3.1通用编程软件包OpenGL：OpenGL是OpenGraphicsLib的缩写，是一套三维图形处理库，也是该领域的工业标准。OpenGL源于SGI公司为其图形工作站开发的IRISGL，在跨平台移植过程中发展成为OpenGL。OpenGL实际上是一个开放的三维图形软件包，它独立于窗口系统和操作系统，以它为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植；OpenGL与C/C++紧密接合，便于实现图形的相关算法，并可保证算法的正确性和可靠性；OpenGL使用简便，效率高。502.3.1通用编程软件包Microsoft、SGI、IBM、DEC、SUN、HP等大公司都采用了OpenGL作为三维图形标准。许多软件厂商也纷纷以OpenGL为基础开发出自己的产品，包括动画制作软件SoftImage和3DStudioMAX、仿真软件OpenInventor、VR软件WorldToolKit、CAD软件Pro/Engineer、GIS软件ARC/INFO等等。512.3.1通用编程软件包ACIS是美国SpatialTechnology公司推出的三维几何造型引擎，为各种3D造型应用的开发提供了几何造型平台。ACIS能够安装在多种平台上，包括Windows、Linux、Unix、Solaris、AIX等。ACIS采用了软件组件技术，用C++技术构造，它包含一整套的C++类和函数，开发人员可以使用这些类和函数构造一个面向终端用户的2/3维软件系统。ACIS是一个基于边界表示法的造型引擎，集线框、曲面和实体造型于一体，并允许这三种表示共存于统一的数据结构中。522.3.1通用编程软件包DirectX是一种图形应用程序接口（API），它是一个提高系统性能的加速软件，由微软公司创建开发，微软将其定义为“硬件设备无关性”。DirectX就是一系列的DLL(DynamicLinkLib)，通过这些DLL，程序员可以在无视于设备差异的情况下访问底层的硬件。DirectX并不是一个单纯的图形API，它是一个用途广泛的API，它包含有DirectGraphics(Direct3D+DirectDraw)、DirectInput、DirectPlay、DirectSound、DirectShow、DirectSetup和DirectMediaObjects等多个组件，它提供了一整套的多媒体接口方案。DirectX主要应用于游戏软件的开发。微软公司给众多的软、硬件商家提供一个共同开发的标准平台(就是DirectX)，大家都遵循这个标准，硬件制造商按照此标准研发制造更好的产品，游戏程序员根据这套标准开发游戏。532.3.1通用编程软件包Java3DAPI是Sun定义的用于实现3D显示的接口。3D技术是底层的显示技术，Java3D提供了基于Java的上层接口。Java3D把OpenGL和DirectX这些底层技术包装在Java接口中。这种全新的设计使3D技术变得不再繁琐并且可以加入到J2SE、J2EE的整套架构，这些特性保证了Java3D技术强大的扩展性。Java3D是一个独立的可选组件，可以单独下载。542.3.1通用编程软件包与以上四种图形API不同，VRML(VirtualRealityModelingLanguage)是一种标记语言，而不是一种API开发包。它使用VRML浏览器能读懂的ASCⅡ文本格式来描述世界和链接。VRML的设计是从在Web上欣赏实时的3D图像开始的。VRML既可以用来建立真实世界场景的模型，也可以建立虚构的三维世界，就像许多游戏那样。552.3.2专用应用软件包AutoCADPhotoShop3DSMAXMAYA…56第2章计算机图形系统2.1计算机图形系统的组成2.2硬件系统2.2.1图形显示设备2.2.2图形处理器2.2.3图形输入设备2.3相关软件系统2.4图形标准572.4图形系统标准图形标准：图形系统及其相关应用系统中各界面之间进行数据传送和通信的接口标准，以及供图形应用程序调用的子程序功能及其格式标准，前者称为数据及文件格式标准，后者称为子程序界面标准。图形标准的制定是为了在不同的计算机系统和外设之间进行图形应用软件的移植。582.4图形系统标准面向图形设备的接口标准：计算机图形元文件(CGM)计算机图形接口(CGI)。(设备驱动程序)面向应用软件的标准：程序员层次交互式图形系统（PHIGS），GL(图形程序包)三维图形核心系统GKS-3D面向图形应用系统中工程和产品数据模型及其文件格式：基本图形转换规范（IGES）产品数据转换规范（STEP）592.4图形系统标准图形DBAPAP图形程序包……图形程序包设备驱动程序设备驱动程序