计算机图形学 第2章 计算机图形系统

计算机图形学武汉科技大学第2章计算机图形系统交互式计算机图形处理系统Computer+人=交互式2PersonelComputer图形处理系统workstation图形处理系统要求主机性能更高（强大的浮点运算能力），速度更快，存储容量更大，外设种类更齐全图形加速卡，大屏幕显示器硬件发展图形输入设备的发展第一阶段：控制开关、穿孔纸等第二阶段：键盘、光笔第三阶段：二维定位设备，如鼠标、坐标数字化仪、跟踪球、触摸屏、操纵杆、扫描仪等第四阶段：三维输入设备（如三维鼠标、空间球、数据手套、数据衣）智能人机接口：用户的手势、表情、语音等3三维鼠标4空间球根据球在不同方向受到的推或拉的压力来实现定位和选择

图形输入设备（1/13）图形输入设备（2/13）5数据手套(Dataglove)

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、弧度传感器，确定手及关节的位置和方向。图形输入设备（3/13）用于虚拟现实环境的显示器类型头盔式显示器(HeadMountedDisplay，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。6图形输入设备（4/13）7图形输入设备（5/13）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8图形输入设备（6/13）9扫描仪常用类型滚筒式由电子分色机发展而来，用光电倍增管作为颜色感受器，将光信号转换为电信号扫描图像质量相对较高，可扫描幅面更大平板式采用电荷耦合器件CCD（ChargeCoupledDevice）图形输入设备（7/13）10扫描仪工作原理用光源照射原稿投射光线经过一组光学镜头射到CCD器件上，得到元件的颜色信息再经过模/数转换器，图象数据暂存器等最终输入到计算机图形输入设备（8/13）11指标分辨率光学分辨率：单位长度上能采样信息点数插值分辨率：驱动软件插值计算得到的分辨率扫描分辨率：扫描时的实际输入分辨率能放置原稿的原稿尺寸原稿放大倍数如光学分辨率为6000dpi，所需图像分辨率为300dpi，则可放大20倍位深度、色深度决定可以获取图像的最大灰度级数、最多颜色数图形输入设备（9/13）12数码相机采用的摄像感应器有两种CCDCMOS：便宜，但质量相对较差图形输入设备（10/13）图形输入的一个特殊领域真实物体的三维信息的输入

零件进行大规模生产必须在计算机中生成三维实体模型这个模型有时要通过已有的实物零件得到采集实物表面各个点的位置信息扫描保存古代名贵的雕塑和其它艺术品的三维信息在计算机中产生这些艺术品的三维模型13图形输入设备（11/13）美国斯坦福大学计算机系的著名图形学专家MarcLevoy曾经带领他的30人工作小组（包括美国斯坦福大学及美国华盛顿大学的教师和学生）于1998～1999学年在意大利，专门对文艺复兴时代的雕刻大师米开朗基罗的众多艺术品进行扫描，保存其形状和面片信息专门设计了一套硬件和软件系统数据量惊人，光大卫像就有20亿个多边形和7000张彩色图象，总共需要72G的磁盘容量实体图形输入的一个颠峰之作14图形输入设备（12/13）三维数字化仪二维数字化仪工作原理电磁感应技术由一块数据板和一根触笔组成数据板中布满了金属栅格，当触笔在数据板上移动时，其正下方的金属栅格上就会产生相应的感应电流根据已产生电流的金属栅格的位置，就可以判断出触笔当前的几何位置许多数字化仪提供了多种压感电流，用不同的压力就会有不同的信息传向计算机15图形输入设备（13/13）16美术家数字化仪（带压力传感器，无绳触笔）通过控制笔的压力绘制不同风格的画现在非常流行的汉字手写系统就是一种数字化仪图形输出设备：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图形输出设备CRT(cathoderaytube):1．随机扫描显示器2．光栅扫描显示器（最普遍使用的CRT）平板显示器

1.发射：

等离子显示器(plasmapanel)，发光二级管（LEDlightemittingdiode）

2.非发射:

液晶显示器LCD（liquidcrystaldisplay）图形显示设备

组成：电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏

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，被其内表面的荧光物质吸收，发光产生可见的图形。结构阴极射线管(CRT)电子枪由电灯丝，阴极和控制栅组成。阴极：由灯丝加热发出电子束，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。通过调节负电压高低来控制电子数量，即控制荧光屏上相应点的亮度。聚焦系统通过电场和磁场控制电子束，“变细”，保证亮点足够小，提高分辩率

加速电极 加正的高压电（几万伏），使电子束高速运动。偏转系统控制电子束，产生偏转，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。荧光屏

荧光物质的持续发光时间/余辉(persistence)：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刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数72dpi144dpi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最大可分辨的像素数，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像素个数描述，如640*480，800*600，1024*768等产生彩色的常用方法：射线穿透法影孔板法彩色阴极射线管原理：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射线穿透法影孔板法外层玻璃荧光涂层影孔板原理：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点状影孔板点状影孔板工作原理红、绿、兰三基色三色荧光点（很小并充分靠近--〉像素）三支电子枪显示器能同时显示的颜色个数调节各电子枪发生的电子束中所含电子的数目，即可控制各色光点亮度。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）对应点状影孔板工作原理随机扫描显示系统电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分。三个逻辑部件：刷新存储器(RefreshingBuffer),显示处理器（DPU:DisplayProcessingUnit）和CRT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，它由显示控制器负责解释执行，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。光栅扫描显示系统光栅扫描显示系统特点：光栅扫描扫描线帧水平回扫期垂直回扫期绘图过程帧缓冲存储器作用：存储屏幕上像素的颜色值简称帧缓冲器，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。显示颜色的种类与帧缓存中每个单元的位数有关（图示帧缓冲器的每个单元只有一位）。色深(ColorDepth)Pixel=picture+elementResolution=pixelsperinchordotsperinch(dpi)bit-depth=numberofcoloursperpixel:

色深(ColorDepth)色深也叫做位深度(bitdepth)，表示显示缓存中记录屏幕上一个像素的位（bit)数（帧缓存位面数），也即显示器可以显示的色彩数。

1:B&W二值图像

8:256colours24:16millionsofcoloursHigherbit-depth(morecoloursperpixel),16色增强色（16位）显示分辨率M*N、色深K位与最小显存大小V的关系V≥M×N×K（位）问题：8个位面，分辩率是1024×768的显示器，需要至少？位的存储器。查色表（lookupTable）或称彩色表（colortable）是一维线性表，其每一项的内容对应一种颜色，它的长度由帧缓存单元的位数决定，例如：每单元有8位，则查色表的长度为28＝256目的：在帧缓存单元的位数不增加的情况下，具有大范围内挑选颜色的能力：光栅扫描显示器与随机扫描显示系统比较光栅显示器的主要优点造价低和具有对显示区域填充颜色或图案的能力。刷新过程与图像的复杂性(多边形的数目等)无关。光栅显示器的主要缺点实时动态显示所需的计算量比向量显示器要大得多。走样

CRT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液晶显示器LCD（liquidcrystaldisplay）液晶显示器LCD（liquidcrystaldisplay）

液晶的发明与发现1877

年

OttoLehmann运用偏极化的显微镜首次观测到了液晶化的现象

1888年奥地利的植物学家

FriedrichReinitzer发现了螺旋性甲苯酸盐的化合物的特殊性质。1963年美国RCA公司的威廉发现了液晶会受到电器的影响而产生偏转的现象，也发现光线射入到液晶中会产生折射。

RCA的开发部门发表了全球首台利用液晶特性来显示画面的萤幕。1976年

日本SHARP液晶显示器的产品正式量产出货，

液晶的物理性质1.扭曲排列的液晶具有旋光性质

2.当液晶分子受到外加电场的作用，便很容易的被极化产生感应偶极性（induceddipolar）液晶本身并不能发光，它主要是通过因为电压的更改产生电场而使液晶分子排列产生变化来显示图像。液晶显示器LCD（续）液晶显示器LCD（续）

液晶显示器的显示原理

LCD指标1.亮度

2.对比度3.最大显示颜色数4.液晶显示器的响应时间5.分辨率6.点距（DotPitch）7.尺寸8.可视角度液晶显示器LCD（续）图形软件发展及软件标准形成

三种类型的计算机图形软件系统：(1)用某种语言写成的子程序包如:GKS(GraphicsKernelSystem)PHIGS(Programmer’sHerarchicalIuteractiveGraphicssystem)GL 便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低(2）扩充计算机语言，使其具有图形生成和处理的功能

如：TurboC，AutoLisp等。

简练、紧凑、执行速度快，但不可移植（3）专用图形系统：效率高，但系统开发量大，可移植性差。 4647通用的、与设备无关的图形标准GKS(GraphicsKernelSystem)(第一个官方标准，1977)PHIGS(Programmer’sHerarchicalIuteractiveGraphicssystem)一些非官方图形软件，广泛应用于工业界，成为事实上的标准DirectX(MS)Xlib(X-Window系统)OpenGL(SGI)Adobe公司Postscript 开放式、高效率的发展趋势开放式的三维图形软件包OpenGLOpenGL是在SGI等多家世界闻名的计算机公司的倡导下，以SGI的GL三维图形库为基础制定的一个通用共