第2章计算机图形系统课件

2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)1第二章计算机图形系统(GraphicsSystem)2.1计算机图形系统的组成(GraphicsArchitecture)2.1.1图形系统组成（Graphicssystem）

计算机图形系统由硬件设备及程序软件两部分组成。硬件包括主计算机，图形显示器和一些输入输出装置以及存储设备。软件包括操作系统、高级语言、图形支撑软件和图形应用软件等。

2.1.2图形系统的功能（Thefunctionofthegraphicssystem）

计算机图形系统应至少具有输入、交互、计算、存储、输出等方面的基本功能。

2.1.3图形系统的分类（Theclassificationofthegraphicssystem）大体可分为四类：以大型机为基础的图形系统；以中型机或超级小型机为基础的图形系统；以工程工作站为基础的图形系统和以微型机为基础的图形系统。

2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)22.2计算机图形输入设备(InputDevices)

图形输入设备从逻辑上分为六类，即定位（Locator）、描绘（Stroke）、数值输入（Valuator）、选择（Choice)、拾取（Pick)及字符输入（String），也可称为六种逻辑设备。所谓逻辑设备，是指按逻辑功能定义的设备，并非具体的物理设备。一种逻辑设备对应于一种或一类特定的物理设备，而实际的物理设备可以完成一种或一种以上的逻辑设备功能。

常用的输入设备键盘（keyboard）和鼠标器（Mouse）也是图形输入设备。光笔（lightpen）是一种可以直接在屏幕上绘图的设备，但目前已使用不多了。2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)3

数字化仪和图形输入板（Digitizerandtablets）：是常见的定位设备，其中全电子式坐标数字化仪由于精度高，使用方便，得到普遍应用。这种设备利用电磁感应原理：在台板的X方向上有许多水平方向的平行印刷线，Y方向上是垂直方向的平行印刷线。游标中装有一个线圈，当线圈中通有交流信号时，十字交叉线的中心便产生一个电磁场，当游标在台板上运动时，台板下的印刷线上就会产生感应电流。印刷板周围的多路开关等线路可以检测出最大信号的位置，即十字交叉线中心所在的位置，从而得到该点的坐标值。图形输入板（Tablet）工作原理相同于数字化仪，只是面积较小而已。数字化仪时常用来拾取放在它上面的工程图上的大量点，经数字化后存储起来，以此作为图形输入一种手段。2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)4

操纵杆（controlstick），跟踪球（trackingball）：是将位移量转变成屏幕光标移动的输入设备。

触摸屏（touchscreen）：容许用手指触摸显示的物体或屏幕位置来实现选择，典型应用是对用图符或菜单表示的处理选项进行选择。目前广泛应用于公告查询系统。触摸屏的工作原理分电容、电阻和声波等。

图象扫描仪（Imagescanner）：是直接把视图、图表、彩色和黑白照片扫描输入到计算机中，以像素信息进行存储表示的设备。扫描仪的幅面有A0,A1,A3，A4等。扫描仪的分辨率是指在扫描对象的单位长度（英寸）上取样的点数，单位是dpi（dotperinch)，常用分辨率为300dpi～1000dpi之间。扫描图形分辨率越高，所需的存储空间就越大。2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)5清华紫光扫描仪2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)6

数据手套（dataglove）：通常用于虚拟环境中，可用来抓住“虚拟”对象。手套由一系列检测手和手指运动的传感器构成。发送天线和接收天线之间的电磁耦合，用来提供关于手的位置和方向的信息。发送和接收天线各自由一组三个相互垂直的线圈构成，形成三维笛卡儿坐标系统。来自手套的输入，可用来定位或操纵虚拟环境中的对象。2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)7使用数据手套同计算机交互示图：2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)8

声音系统（audiosystem）：使用语音识别技术，把人们说的话转换成计算机能懂的数字代码。这样的代码能使其可以用于各种各样的应用程序,从口授文本变成字处理的文档、到说话控制计算机的功能。在计算机图形系统中可被用作接收声音命令的输入设备，可用于图形操作或输入数据等。2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)9

摄像头（camera）：可以将摄像直接输入计算机2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)102.3计算机图形输出设备(Output/InputDevices)

图形输出设备主要包括显示器、绘图仪、打印机等。2.3.1计算机图形显示器(Display)

计算机图形系统一般使用视频显示器作为基本的输出设备。

早期曾经出现和使用的随机扫描显示器、存贮管显示器等，目前已不再使用。目前主要是使用光栅扫描显示器。

光栅扫描显示器C工作原理：光栅扫描显示器（Rasterscandisplay）采取按行扫描的工作方式，电子束的运动轨迹是从左到右、自上而下扫描屏幕，产生一幅光栅来建立显示影象。

2.3.1.1阴极射线管显示器（Cathode-RayTube，CRT）

CRT显示器工作原理:

CRT主要由3部分组成：电子枪、偏转系统和荧光屏，其构造见下图。2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)11

一个CRT可以在水平和垂直方向上无重叠显示的最多点数称为分辨率（Resolution），通常简述为每个方向的总点数。这是衡量CRT的重要指标，它取决于所用荧光物质的类型以及聚焦和偏转系统。显然，点数愈多，分辨率愈高，显示的图形也就愈精确。分辨率与光点直径大小有关，但是不可能大于可寻址能力。典型的CRT分辨率如640×480、1024×768、1024×1024、1280×l024、2048×2048等。2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)12CRT显示器的另一性能指标是纵横比（AspectRatio）。它给出在屏幕两个方向生成同等长度的线段所需垂直点数对水平点数的比值。纵横比为3/4意味着垂直线画三点的长度与水平线画四点的长度相同。

光栅扫描显示器的CRT屏面可分为横向和纵向双向扫描线，每一行又可分为N个小点。这样,整个屏面就被分成M×N个小点,称为象素(Pixel,PictureElement的简写)。图形定义存于称为刷新缓冲器(RefreshBuffer)或帧缓冲器(FrameBuffer)的存储器中。显示屏上的每个象素都对应帧缓冲存储器中的若干位，最简单的黑白图象每个象素只需要一位。若该位为0，表示该象素为暗，若该位为1，表示该象素为亮。这样的图象称为二值图象。如果每个象素用i位表示它的灰度，那么就能产生2i级灰度等级或颜色种类。2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)13

计算机将要显示的图形、图象转化为位图，经过接口电路送入帧缓存器，而图形控制器控制电子束横向扫描屏幕，一次一行，从顶到底顺次进行。与此同时，把一帧画面中每个象素的值从帧缓存器中读出。读出时，帧缓存器的地址码的生成要与光栅扫描同步，每读出一个单元，电子束恰好扫过一个象素。读出的值可控制电子束的能量大小，并决定象素的亮度。

象素位置的亮度范围依赖于光栅系统的能力。在简单的黑白系统中，每个屏幕点或亮或暗，因此每个象素只需一位来控制屏幕位置亮度。要能显示彩色并且强度可变，就需附加位。光珊扫描系统对屏幕每一象素都有存储强度信息的能力，使之较好地适用于包含细微阴影和彩色模式的场景的逼真显示。2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)14

数据位数同象素显示强度的关系是，对于黑白图形，如果用n位存储一个象素的数据，则能显示2n个灰度级。比如要能显示256个灰度级，则需要8位数据，也即一个字节。

为了能得到稳定的画面，光栅扫描显示器要不断地刷新屏幕，也即要定时地把一帧画面的每个象素的值从帧缓存器中取出，不管多简单的图形，每次都要扫遍全帧。目前，光栅扫描显示器的刷新是按每秒60到80帧的速率进行的。在每条扫描线末端，电子束返回到屏幕的左边，又开始显示下一条扫描线。每条扫描线扫过后，返回到屏幕左端，称电子束的水平回扫（HorizontalRetrace）。而在每帧的终了，电子束返回到屏幕的左上角,即垂直回扫（VerticalRetrace），开始下一帧。2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)15

计算机用光栅扫描显示器同电视机显示器的工作原理是相同的，电视机的扫描频率是50次/秒。由于计算机光栅扫描显示器是从左上角开始，依次从左到右，从上到下刷新屏幕，所以左上角的坐标是缺省的坐标原点（0，0），向左是x增加的方向，向下是y增加的方向，当要改变坐标原点时，需要通过坐标变换实现。

彩色光栅扫描显示器（Colorrasterscandisplay）

彩色光栅扫描显示器之所以能显示不同颜色的图形是由于使用了能发出不同颜色的荧光粉的结果。产生彩色显示的基本方法有两种：一是射线穿透法，二是荫罩板法。2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)16

射线穿透法显示彩色图形已经用于随机扫描显示器中，它是在屏幕上涂有两层荧光粉,一般是红色和绿色，所显示的颜色取决于射线穿透荧光层的深浅。速度低的电子只能激励外层的红色荧光粉，高速电子可以穿透红色层而激励内层的绿色荧光粉，中速电子则可以使所激发出的红光和绿光组合而产生两种附加的颜色，即橙色和黄色。因此，电子的速度决定了屏幕上某点的颜色，这可以由射线的加速电压来控制。射线穿透法是一种廉价的产生颜色的方法，但它只能产生四种颜色，而且图形的质量也不及其它方法好。2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)17

荫罩板法广泛用于光栅扫描系统中，它能产生比射线穿透法范围宽得多的色彩。这种CRT屏幕的内部涂有很多组呈三角形的荧光粉，每一组有三个荧光点，当某组荧光粉被激励时，分别发出红、绿、蓝三个基色。这种类型的CRT有三个电子枪，分别与三基色相对应。紧挨屏幕后面放有影孔板栅网，上面有很多小孔，与屏幕上的三元组一一对应。三束电子经偏转聚焦成一组射线，穿过影孔板上的孔，激活屏幕上的一个三元组，出现一个彩色亮点。荧光点以三角形排列，并使每支电子束，通过荫罩时，只能激活与之对应的彩色点。其原理如下图。2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)182023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)19

这样，每一电子束的电子数目就控制着三元组所产生的红、绿、蓝三种光的亮度。改变三支电子束的强度等级，可改变荫罩CRT的显示彩色。比如关掉红枪和绿枪，只能得到来自蓝荧光点的颜色。在每个象素位置的电子束强度的组合，产生一个不同的小亮点，因为人们的眼睛趋于使三个颜色合并为一个组合色，所见到的彩色，取决于红、绿、蓝荧光层激活的总量。白色或灰色区域是以同等强度激励所有三点的结果，黄色仅仅有绿点和红点的结果，品红色由蓝点和红点产生，而当蓝点和绿点被同等激励时，显现青色。红、绿、蓝的简单组合能产生8种颜色，其颜色代码与保存在帧缓存器中的颜色值的对应关系如下图所示。这里，每个象素点用3个二进制位表示其颜色，每一位分别控制红、绿、蓝电子枪。2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)202023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)21

目前，高质量CRT的每个象素点对应24位，每支电子枪允许256级电压设置。每个象素具有24个存储位的RGB彩色系统通常称为全彩色系统或真彩色系统。当每个象素点对应24位，每个象素有224=16777216种彩色选择，即多于1千6百万种彩色选择。

显示卡中VRAM同显示系统的关系：用于显示器屏幕刷新的数据存储在显示卡的VRAM

中，因此相应于显示器屏幕的分辨率必须有足够的VRAM存储显示数据。2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)22

例如：如果屏幕的分辨率是640×480，则如果是一个只能显示黑白图形的显示器，则需要VRAM的大小为：

（640×480）/8=38400bytes≈3.8Kb

如果是一个每个象素显示256个灰度级的图形显示器，则每个象素需要8位存储单元，需要VRAM的大小为：

640×480=307200bytes≈307Kb

如果是一个彩色显示器，且每种基色均显示256个亮度级，则每个象素需要24位存储单元，需要VRAM的大小为：

640×480×3=921600bytes≈921Kb

如果屏幕的分辨率是1024×1024的彩色显示器，且每种基色均显示256个亮度级，需要VRAM的大小为：

1024×1024×3=3145728bytes≈3Mb2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)232.3.1.2液晶显示器（Liquid－CrystalDisplay，LCD）目前，已经有不少其它类型的视频显示设备被使用。平板显示器（Flat－PanelDisplay）代表一类能比CRT减小体积、减轻重量并节省功耗的视频设备。液晶显示器是其中之一。液晶显示器生成图形的机理是通过能阻塞或传递光的液晶材料，传递来自周围的或内部光源的偏振光。液晶显示器原理上由六层组成，如下图所示：2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)242023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)25

彩色液晶显示可用不同材料或染料，并在每个像素上放置三个薄膜晶体管。晶体管用来控制象素位置的电压，并阻止液晶单元慢性漏电。这些设备称为有源矩阵（Active－Matrix）显示器。液晶显示器外观如右图2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)262.3.1.3等离子显示器（Plasmapaneldisplay）等离子体显示（PlasmaPanel），其结构为用通常包括氖气的混合气体充入两块玻璃板之间的区域。一块玻璃板上放置一系列垂直导电带，而另一玻璃板上构造一组水平带,如下图所示。2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)27

在成对的水平和垂直导电带上施以点火电压，导致两导电带交叉点处的气体进入辉光放电的等离子区。图形的定义被存储在刷新缓冲器，点火电压一般以每秒60次的速率，用于刷新象素位置（导电带的交叉处），使用交变电流方法快速提供点火电压，可得到较亮的显示。等离子体显示技术适合于制造较大屏幕的显示器。2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)28等离子体显示器图例2.3.2绘图仪(Graphicplotter)

主要有笔绘式、喷墨式和静电式三类。笔绘式绘图仪可分为平台式、滚筒式、平面电机式以及小型式四种。2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)302.3.3打印机(Printer)根据打印机制式的不同，打印机有点阵式打印机和激光打印机两种。点阵式打印机又分为针打点阵打印机、静电点阵打印机、喷墨点阵打印机、热转换打印机等。针打点阵打印机2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)31喷墨打印机2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)32大幅面打印机2.3.43D技术（3Dtechnology）

3D(ThreeDimensions，3D)是指三维，即具有长、宽、高的立体，是相对于只有长和宽的平面2D(TwoDimensions，2D)而言。现实世界中的物体都是三维立体的，但由于技术条件的限制，人们为了表达和传递对世界的认识和创造，发明了平面投影和透视等方法，并一直使用基于纸张平面形成的2D平面文明体系来描述三维世界。

2.3.4.13D影视(3DmovieandTV)人类视觉系统3D成像基本原理(Thebasicprinciplesofthehumanvisualsystem3Dimaging)

人的立体视觉就是视觉系统对三维空间的知觉，也就是辨别物体的距离，物体间的前后位置、方向等的能力。人的立体视觉可分为单眼立体视觉和双眼立体视觉两大类。2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)332023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)34

单眼立体视觉来源于以下四个方面：

第一，当景物高度或宽度确定时，根据它所对应的视角大小，来判断它的远近，即透视效果，视角大的感觉近，视角小的感觉远；

第二，根据物体之间的遮挡关系和照明光形成的阴影也能判断物体之间的相对位置；

第三，根据对物体细节的分辨程度和空气的透明度也能产生一定的深度感觉；

第四，根据眼睛调节的程度，即眼肌收缩的紧张程度，也能判断物体的远近，但一般只在近距离范围内。2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)35

双眼立体视觉的来源，除了上述的四个因素以外，还要加上两个因素：

第一，人们在注视某一物体时，两眼的视轴就自动对向该物体，即汇聚于此物体。物体的距离越近，两视轴之间的夹角越大，反之则越小。根据视轴转动时眼肌紧张程度的不同，可以判别物体的远近；

第二，由于人两眼瞳孔中心间水平距离的存在，平均大约为6.4厘米，同一物体形成于左右两眼视网膜上的两个影像有一定差异，这一对具有一定水平视差的影像通过两眼的视神经汇合到人的大脑中形成单一印象,产生具有一定深度感的三维影像。研究和试验均证明：双眼立体视觉比单眼立体视觉敏锐得多，也正确得多。事实上，人们更多地利用双眼视觉来观察空间物体。

3D影视品原理(Theprincipleof3Dproducts)

当前流行的3D影视品，其制作和观看都是以双目立体视觉为基础而实现的。由于两只眼睛看东西时，两眼的角度通常不会相同。当物体映像经视网膜传到大脑时，脑子利用这微小的差距，产生远近的深度，从而产生立体感。根据这一原理，如果把同一景物，用两只眼睛视角的差距制造出两个影象，然后让两只眼睛一边一个，各看到自己一边的影象，透过视网膜就可以使大脑产生景深的立体感了。各式各样的立体演示技术，正是运用这一原理。2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)363D立体影视的制作有多种形式，其中较为广泛采用的是偏光眼镜法。例如，可以利用两台并列安置的影视摄影机，分别代表人的左、右眼，同步拍摄出两条略带水平视差的影视画面。放映时，将两条影视影片分别装入左、右电影放映机，并在放映镜头前分别装置两个偏振轴互成90°的偏振镜。两台放映机需同步运转，同时将画面投放在银幕上，形成左像右像双影。当观众戴上特制的偏光眼镜时，由于左、右两片偏光镜的偏振轴互相垂直，并与放映镜头前的偏振轴相一致；致使观众的左眼只能看到左像、右眼只能看到右像，通过双眼汇聚功能将左、右像叠和在视网膜上，由大脑神经产生三维立体的视觉效果。展现出一幅幅连贯的立体画面，使观众感受到身临其境的三维空间视景感觉。

2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)373D影视技术分类(3Dfilmandtelevisiontechnologyclassification)3D显示技术可以三种主要的类型：色差式、偏光式和主动快门式，也就是平常所说的色分法、光分法和时分法。

色差式3D技术

色差式3D技术（Anaglyphic3D），配合使用的是被动式红-蓝（或者红-绿、红-青）滤色3D眼镜。由旋转的滤光轮分出光谱信息，使用不同颜色的滤光片进行画面滤光，使得一个图片能产生出两幅图像，人的每只眼睛都看见不同的图像。这种技术成像原理简单，实现成本相当低廉，但这样的方法容易使画面边缘产生偏色，3D画面效果也较差，因此这种3D技术没有广泛使用。

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偏光式3D技术偏光式3D技术也叫偏振式3D技术（Polarization3D）。偏光式3D技术是利用光线有“振动方向”的原理来分解原始图像的，先通过把图像分为垂直向偏振光和水平向偏振光两组画面，然后3D眼镜左右分别采用不同偏振方向的偏光镜片，这样人的左右眼就能接收两组画面，再经过大脑合成立体影像。

目前，大部分3D电影是使用此技术进行显示。2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)40主动快门式3D技术主动快门式3D技术（ActiveShutter3D），又叫时分法遮光技术或液晶分时技术，主要是靠液晶眼镜来实现的，它的眼镜片实质上是可以分别控制开/关的两片液晶屏，通过红外信号发射器装置，让3D眼镜和屏幕之间实现精确同步。通过把图像按帧一分为二，形成对应左眼和右眼的两组画面，连续交错显示出来，控制3D眼镜的左右镜片开关，使左、右双眼能够在正确的时刻看到相应画面，形成立体视觉效果。这种3D技术在电视和投影机上面应用得较为广泛，资源也相对较多。一般情况下，3D液晶电视屏幕刷新频率达到120Hz以上，也就是让左、右眼均接收到频率在60Hz以上的图像，才能保证用户看到连续而不闪烁的3D图像效果。

2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)41裸眼式3D技术(Nakedeye3Dtechnology)裸眼式3D技术的分类

裸眼式3D技术是利用人眼左、右双目观看影屏时的视角不同，使观众的左、右眼分别看到不同的画幅，从而形成立体视觉效果。从技术角度来看，裸眼式3D技术可分为光屏障式、柱状透镜技术和方向性背光源三种。

光屏障式3D技术

此技术也被称为视差屏障或视差障栅技术。该技术是在LCD液晶面板和背部的发光元件之间添置一个由偏振膜和高分子液晶层构成的“开关”液晶层，“开关”用来控制进光与阻光，进而产生一系列宽几十微米垂直排列的细条栅，在显示立体影像时，液晶屏幕上分别显示左和右眼观看的画面，此时不透明的光栅分别快速遮挡住右眼和左眼的视角画面，将左眼和右眼的可视画面分开，就可以在观看者的大脑中形成立体的显示画面。

2023/7/26计算机图形学演示稿纪玉波制作(C)42柱状透镜3D技术

它的原理是把一层柱状的透镜加在液晶屏幕的前面，可以使透镜的焦平面在LCD的像平面的下面，图像中的每个像素点也都在柱状透镜的下面被分成了分别对应左右眼睛的子像素并汇入到左眼和右眼。通过柱透镜将两眼图像的子像素的光以不同的角度分别折射后汇入左眼和右眼，这样就能在观赏者的大脑形成立体的3D图像。

方向性背光3D技术方向性光源3D技术是采用左右分开的两块LED背光源，在显示3D图像时两块背光源是交替点亮的，是一种可以控制背光照射方向的技术。点亮背光源后由于入射光线的照射角度不同；显示左眼画面时，导光板全反射左组背光源的背光，背光透过透光膜后再折射将图像汇入观看者的左眼，此时右眼无法看到；同理，显示右眼画面时，导光板全反射右组背光源的背光，背光透过透光膜后再折射将图像汇入观看者