第1章 计算机图形学概述 - 副本

计算机图形学概论

2021/5/91第1章本章内容本章将介绍计算机图形学的研究内容、发展历史、应用和图形学前沿的发展方向，同时介绍一些图形硬件的基本原理，使读者对图形学的有关内容有个概括性的了解。作为面向计算机专业本科生的课程，着重讨论与图形的裁减及几何变换、二维图形生成技术、三维图形生成技术、曲线曲面造型相关的原理与算法。第1章计算机图形学概述2021/5/92第1章1.1引言1.2计算机图形系统1.3图形输入输出设备1.4计算机图形学研究热点2021/5/93第1章1.1

引言1.1.1计算机图形学的地位1.1.2什么叫计算机图形学1.1.3计算机图形学的应用1.1.4计算机图形学的发展2021/5/94第1章1.1.1计算机图形学地位计算机科学最活跃的分支之一。图形学的应用从某种意义上标志着计算机软、硬件的发展水平。计算机图形学来源于生活、科学、工程技术、艺术、音乐、舞蹈、电影制作等，同时又促进了这些领域的技术发展。2021/5/95第1章ComputerGraphicsisaboutanimation(films)动画2021/5/96第1章GamesareveryimportantinComputerGraphics游戏2021/5/97第1章MedicalImagingisanotherdrivingforce

医学影像2021/5/98第1章ComputerAidedDesigntoo

计算机辅助设计2021/5/99第1章ScientificVisualisation

科学可视化2021/5/910第1章1.1.2什么是计算机图形学什么是图形构成图形的要素表示图形的方法计算机图形学的定义计算机图形学的主要研究内容与图形学密切相关的学科容易混淆的几个概念2021/5/911第1章什么是图形能够在人的视觉系统中形成印象的客观对象统称为图形。图形的具体应用范围很广，但是从基本的处理技术看只有两类：一类是线条，如工程图、地图、曲线图表等；另一类是明暗图，与照片相似，如自然界的景物，照片，也就是通常所说的真实感图形

为了生成图形，首先要有原始数据或数学模型，如工程人员构思的草图，地形航测的判读数据，飞机的总体方案模型，企业经营的月统计资料等等。这些数字经过计算机处理后变成图形输出。2021/5/912第1章构成图形的要素几何要素：点、线、面、体等，用以刻画对象的轮廓、形状等。非几何要素：反映物体表面属性或材质的灰度、色彩、线型、线宽等。2021/5/913第1章表示图形的方法点阵法枚举出图形中所有的点，强调图形由哪些点构成，颜色是什么。点阵法描述的图形称为像素图（简称图像）参数法由图形的形状参数（方程或分析表达式的系数、线段的端点坐标等）+属性参数（颜色、线型等）来表示图形参数法描述的图形叫做参数图（简称图形）但本课程所说的计算机图形，实际上是图形的广义概念，即包括了图形和图像。2021/5/914第1章计算机图形学定义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。计算机图形学的主要研究内容是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.2021/5/915第1章计算机图形学的主要研究内容图形的输入：如何开发利用图形输入设备及软件，如何完整的将图形输入到计算机。图形的处理：进行变换（几何变换、投影变换等）和运算（如图型的并、交、差运算）处理图形的生成和输出：将图形的表示形式转换成图型输出系统便于接受的表示形式，并通过显示屏或打印机等输出设备呈现出来。2021/5/916第1章与图形学密切相关的学科计算机图形：用计算机生成、处理和显示图形的学科；由几何数据和几何模型，利用计算机进行显示并存储，并可以进行修改、完善以及有关操作的过程；图像处理：将客观世界中原来存在的物体影像处理成新的数字化图像的相关技术；如CT扫描、X射线探伤等；将连续的图像，进行采样、量化产生数字图像，并进行变换、压缩等处理。2021/5/917第1章模式识别：对所输入的图像进行分析和识别，找出其中蕴涵的信息或抽象模型；如手写汉字的识别。机器人视觉系统。它是图形学的逆过程。计算几何：研究几何模型和数据处理的学科，讨论几何形体的计算机表示、分析和综合方法。研究如何方便灵活、有效地建立几何形体的数学模型以及在计算机中更好地存贮和管理这些模型数据；如曲线曲面的表示生成、三维立体造型等等。2021/5/918第1章1.1.3计算机图形学的应用

按应用领域分类

按生成图的类型分类2021/5/919第1章

按应用领域分类管理科学制图学动画技术计算机辅助设计（CAD）VirtualReality（虚拟现实、灵境）图形实时绘制与自然景物仿真

过程控制艺术办公自动化应用2021/5/920第1章管理科学绘制数学、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。应用2021/5/921第1章测绘与制图学产生高精度的地理或其他自然现象的图形。包括地形图、地质图、油层图、海图、旅游图、交通图、气象图、人口密度图...应用2021/5/922第1章动画技术应用计算机动画是计算机应用的重要领域之一，它综合了计算机图形、人工智能、美术和电影技术，借助计算机生成一系列可供动态实时演播的连续图象。事实上计算机动画也只是生成一幅幅静态的图象，但是每一幅都是对前一幅做一小部分修改（如何修改便是计算机动画的研究内容），这样，当这些画面连续播放时，整个场景就动起来了。2021/5/923第1章动画技术早期的计算机动画灵感来源于传统的卡通片，在生成几幅被称做“关键帧”的画面后，由计算机对两幅关键帧进行插值生成若干“中间帧”，连续播放时两个关键帧就被有机地结合起来了。近年来转向基于物理模型的计算机动画生成方法，运用弹性力学和流体力学的方程进行计算，力求使动画过程体现出最适合真实世界的运动规律。

2021/5/924第1章2021/5/925第1章计算机辅助设计（CAD）CAD/CAM是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域。计算机图形学被用来进行土建工程、机械结构和产品的设计，包括设计飞机、汽车、船舶的外形和发电厂、化工厂等的布局以及电子线路、电子器件等。在电子工业中，计算机图形学应用到集成电路、印刷电路板、电子线路和网络分析等方面的优势是十分明显的。CAD领域另一个非常重要的研究内容，就是基于工程图纸的三维形体重建。三维形体重建就是从二维信息中提取三维信息，通过对这些信息进行分类、综合等一系列处理，在三维空间中重新构造出二维信息所对应的三维形体，恢复形体的点、线、面及其拓扑关系，从而实现形体的重建。2021/5/926第1章奥迪效果图和线框图应用2021/5/927第1章2021/5/928第1章VirtualReality（虚拟现实、灵境）VirtualReality或称虚拟环境（VirtualEnvironment)是用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察。输入输出设备是关键2021/5/929第1章图形实时绘制和自然图形仿真在计算机中重现真实世界的场景叫做真实感绘制。真实感绘制的主要任务是模拟真实物体的物理属性，简单的说就是物体的形状、光学性质、表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位置、遮挡关系等等。另外，真实感绘制已经从最初绘制简单的室内场景发展到现在大量模拟野外自然景物，比如绘制山、水、云、树、火等等。2021/5/930第1章图形实时绘制和自然图形仿真人们提出了多种方法来绘制这些自然景物，比如绘制火和草的粒子系统(ParticleSystem)，基于生理模阿型的绘制植物的方法。近年来出现了一些自然景物仿真绘制的综合平台，如德国Lintermann和Deussen的绘制植物的平台Xforg，日本YoshinoriDobashi等人绘制的真实感云（Siggraph’2000,SpecialInterestGrouponComputerGraphics,美国计算机协会计算机绘图专业组),以及清华大学自主开发的自然景物设计平台。2021/5/931第1章日本YoshinoriDobashi等人绘制的真实感云2021/5/932第1章由清华大学自然景物平台生成的野外场景2021/5/933第1章Xfrog3.0生成的挪威云杉2021/5/934第1章过程控制应用将计算机和现实世界中的其他设备连成一个系统.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。2021/5/935第1章艺术

可用于美术创作的软件很多，如二维平面的画笔程序（如CorelDraw，Photoshop，PaintShop）、专门的图表绘制软件（如Visio）、三维建模和渲染软件包（如3DMAX，Maya，GoogleSketchUP）、以及一些专门生成动画的软件（如Alias，Softimage）等，可以说是数不胜数。这些软件不仅提供多种风格的画笔画刷，而且提供多种多样的纹理贴图，甚至能对图象进行雾化，变形等操作。其中大部分功能是传统的绘画艺术家无法实现也不可想象的。应用2021/5/936第1章艺术模拟艺术效果的非真实感绘制（NPRNon-PhotorealisticRendering）也在逐渐发展。钢笔素描是非真实感绘制的一个重要内容，由于钢笔素描与传统的图形学绘制方法差别很大，所以研究起来难度也颇大以下是华盛顿大学的MichaelP.Salisbury在Siggraph会议上发表的高水平的论文中的作品。2021/5/937第1章GeorgesWinkenb1ach绘制的壶和碗(Siggraph’96)2021/5/938第1章Salisbury绘制的茶壶(Siggraph’97)2021/5/939第1章Salisbury绘制的熊(Siggraph’97)2021/5/940第1章OliverDeussen绘制的素描树(Siggraph’2000)2021/5/941第1章2021/5/942第1章办公自动化应用在办公室中，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。2021/5/943第1章

按生成图的类型分类从处理技术上来看，图形主要分为两类，一类是基于线条信息表示的，如工程图、等高线地图、曲面的线框图等，另一类是明暗图(Shanding)，也就是通常所说的真实感图形。1.线图：二维或三维（没有图的概念，只有线）,三维带隐生线2.二维多色图形，带有灰度色彩的图形3.实体：有真实感的图形(三维实体图)应用2021/5/944第1章线图和二维多彩图形应用2021/5/945第1章线图和三维实体图应用2021/5/946第1章PerspectiveView

透视图2021/5/947第1章DepthCue

深度线画2021/5/948第1章HiddenLineRemoval–addcolour

隐线消除-增添色彩

2021/5/949第1章ConstantShading–Ambient

恒底纹-环境

2021/5/950第1章FacetedShading–Flat

分面底纹-平面2021/5/951第1章Gouraudshading,nospecularhighlights

高氏着色，无镜面高光

2021/5/952第1章Specularhighlightsadded

加高光2021/5/953第1章Phongshading普郎阴影2021/5/954第1章Texturemapping纹理映射

2021/5/955第1章完整的视频效果2021/5/956第1章1.1.4计算机图形学的发展

开创阶段（50年代~60年代）迅速发展阶段（60年代初~60年代末）降低成本阶段（60年代末~70年代初）发展成熟阶段（70年代初~80年代初）推广应用阶段（80年代中~90年代中）目前（九十年代中至今）硬件发展图形软件发展及软件标准形成2021/5/957第1章发展开创阶段（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，美国Calcomp公司由联机的数字记录仪发展成滚筒式绘图仪和平板式绘图仪。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。2021/5/958第1章迅速发展阶段

（60年代初~60年代末）大公司纷纷开展图形学科学研究，出现各种系统软件和应用软件。60年代中期出现随机扫描显示器。1962年，MIT林肯实验室的IvanE.Sutherland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，他在论文中首次使用了计算机图形学“ComputerGraphics”这个术语，证明了交互计算机图形学是一个可行的、有用的研究领域（提出基本交互技术、图元分层表示概念及数据结构…)

，从而确定了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的独立地位。因此，他被后人尊称为图形学之父。发展图形学之父Ivan.E.Sutherland2021/5/959第1章迅速发展阶段

（60年代初~60年代末）1964年MIT的教授StevenA.Coons提出了被后人称为超限插值的新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。同在60年代早期，法国雷诺汽车公司的工程师PierreBézier发展了一套被后人称为Bézier曲线、曲面的理论，成功地用于几何外形设计，并开发了用于汽车外形设计的UNISURF系统。值得一提的是，计算机图形学的最高奖是以Coons的名字命名的，而获得第一届（1983）和第二届(1985)StevenA.Coons奖的，恰好是IvanE.Sutherland和PierreBézier。2021/5/960第1章降低成本阶段

（60年代末~70年代初）发展存储管显示器出现，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。存储管显示器的结构2021/5/961第1章发展成熟阶段

（70年代初~80年代初）发展－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，并开始出现实用的CAD图形系统。－图形软件标准化1974年，ACMSIGGRAPH的与“与机器无关的图形技术”的工作会议ACM成立图形标准化委员会，制定“核心图形系统”（CoreGraphicsSystem）ISO发布CGI、CGM、GKS、PHIGS计算机图形核心系统GKS(GraphicsKernelsystem)、面向程序员的层次交互图形标准PHIGS(ProgrammersHierarchicalInteractiveGraphicsStandard)等国际标准的建立。光学跟踪球2021/5/962第1章－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－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。

－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系统发展成熟阶段

（70年代初~80年代初）2021/5/963第1章推广应用阶段

（80年代中~90年代中）发展图形工作站的出现，如Apollo,Sun,HP等。SGI

图形工作站2021/5/964第1章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。图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展。推广应用阶段

（80年代中~90年代中）2021/5/965第1章目前（九十年代中至今）发展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。2021/5/966第1章计算机图形学发展历程汇总表时代阶段特征50年代开创阶段MIT旋风一号，计算机驱动CRT+照相机，SAGE(交互式图形技术诞生)60年代初至60年代末迅速发展阶段随机扫描显示器，图形学之父60年代末至70年代初降低成本阶段存储管显示器，应用软件包70年代初至80年代初发展成熟阶段光栅扫描显示器，新型的图形输入设备，图形语言标准化80年代初子90年代中推广应用阶段图形工作站(Apollo,Sun,Hp)90年代至今微机，交叉学科（多媒体等）2021/5/967第1章

硬件发展图形显示器是计算机图形学中关键的设备

画线显示器（矢量显示器/随机扫描显示器）存储管式显示器刷新式光栅扫描显示器2021/5/968第1章图形输出设备的发展60年代中期：画线显示器（亦称矢量显示器）需要刷新。设备昂贵，限制普及60年代后期：存储管式显示器不需刷新，价格较低，缺点是不具有动态修改图形功能，不适合交互式。70年代初：刷新式光栅扫描显示器推动了交互式图形技术的发展。它是以点阵形式表示图形，使用专用的缓冲区存放点阵，由视频控制器负责刷新扫描。

硬件发展2021/5/969第1章

硬件发展图形输入设备的发展第一阶段：控制开关、穿孔纸等等第二阶段：键盘第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、图形输入板、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2021/5/970第1章数据手套2021/5/971第1章发展模式诸侯割据标准讨论标准形成

图形软件发展及软件标准的形成标准形成过程：先有应用，由于应用中数据交换、成果共享的需要，导致标准的讨论，最后才形成软件标准。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。2021/5/972第1章图形系统标准分类面向图形设备的接口标准：计算机图形元文件(CGM)，(CRT,Mouse,…)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（3D-)GKS面向图形应用系统工程和产品数据模型及文件格式：基本图形转换规范（IGES）产品数据转换规范（STEP）2021/5/973第1章CGI（ISODP9636)--提供控制图形硬件的一种与设备无关的方法。--也可看作图形设备驱动程序的一种标准。--在用户程序和虚拟设备之间，以一种独立于设备的方式提供图形信息的描述和通信。CGM（ISOIS8632)

--与设备无关的语义、词法定义的图形文件格式。--规定了生成、存储、传送图形信息的格式。--面向系统和系统开发者，和CGI配套提供。--通用性是其关键属性。2021/5/974第1章GKS--提供了在应用程序和图形输入输出设备之间的功能接口。与语言无关。--GKS提供了一个称为元文件的顺序文件接口。--应用程序的所有图形资源由GKS控制（通过GKS元文件-GKSM）--GKSM用于:图形信息存档、系统传送图形信息、在GKS应用程序间传送图形信息、与图形信息相关的非图形信息的存储和复用。PHIGS（ISOIS9592）--向应用程序员提供的控制图形设备的图形系统接口；--图形数据按层次结构组织；--提供动态修改和显示图形数据的手段。是一个高度动态化和交互式图形系统。GL—图形程序库，UNIX下运行。—OpenGL—微机下运行。—分类：基本图素；坐标变换；设置属性和显示方式；I/O处理；真实图形显示。2021/5/975第1章IGES（基本图形转换规范）--InitialGraphicsExchangeSpecification--作用：不同的CAD/CAM系统之间交换数据。--文件格式是ASCII码，五节：开始节，目录入口(DE)，参数(DP)节，整体节和结束节。STEP（产品模型数据转换标准）--StandardfortheExchangeofProductmodelData.--覆盖产品整个生命周期--强调建立能存入数据库中的一个产品模型的完整表示。--克服IGES中的问题和缺点。2021/5/976第1章1.2

计算机图形系统1.2.1计算机图形系统的组成1.2.2一般工作过程1.2.3图形系统应具有的功能1.2.4图形显示处理器2021/5/977第1章1.2.1计算机图形系统的组成图形系统图形硬件基础设备：主机、内存、外存等基本图形设备：图形显示器、图形适配器、键盘等专用图形设备：数字化仪、绘图仪、图形打印机等图形软件图形语言：程序设计语言、数据库管理语言、图形专用语言图形数据库：图形对象库、操作方法库、模型库图形程序：图形系统程序、应用程序、图形工具2021/5/978第1章1.2.2图形系统一般工作过程计算机图形系统是一个由软、硬件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，并按一定结构将数据组织起来，然后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。2021/5/979第1章一般工作过程示意图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2021/5/980第1章1.2.3图形系统应具有的功能计算功能图形设计、分析，坐标变换、曲线曲面的生存、图形交（接）点计算存储功能图形数据的存储，图形数据交互，数据的检索、增加、删除和修改对话功能通过硬件设备进行人机交互，以修改图形输入功能将图形生成、和修改所需的数据输入到计算机输出功能将结果图件显示或打印出来2021/5/981第1章1.2.4图形显示处理器图形显示处理器（Videocard，Graphicscard，俗称显卡），又称为显示适配器（Videoadapter），是图形系统最基本的组成部分之一。显卡的用途是将计算机系统所需要的显示信息进行转换驱动，并向显示器提供行扫描信号，控制显示器的正确显示，是连接显示器和电脑主板的重要元件，是“人机对话”的重要设备之一。因为显卡不单单存储图形，而且还能完成大部分图形函数的运算，这样就大大减轻了CPU的负担，提高了显示能力和显示速度。所以，对于专业图形设计工作来说显卡非常重要。2021/5/982第1章显卡工作原理数据（data）一旦离开CPU，必须通过以下4个步骤，最后才会到达显示屏：

1、从总线（bus）进入GPU（图形处理器）：将CPU送来的数据送到北桥（主桥）再送到GPU（图形处理器）里面进行处理。

2、从显卡芯片组显存：将芯片处理完的数据送到显存。

3、从显存进入DigitalAnalogConverter（RAMDAC，随机读写存储模—数转换器）：从显存读取出数据再送到RAMDAC进行数据转换的工作（数字信号转模拟信号）。

4、从DAC进入显示器（Monitor）：将转换完的模拟信号送到显示屏。2021/5/983第1章显卡基本结构GPU（类似于主板的CPU）

GPU全称是GraphicProcessingUnit，中文翻译为“图形处理器”。NVIDIA公司在发布GeForce256图形处理芯片时首先提出的概念。GPU使显卡减少了对CPU的依赖，并进行部分原本CPU的工作，尤其是在3D图形处理时。GPU所采用的核心技术有硬件T&L（几何转换和光照处理）、立方环境材质贴图和顶点混合、纹理压缩和凹凸映射贴图、双重纹理四像素256位渲染引擎等，而硬件T&L技术可以说是GPU的标志。GPU的生产主要由nVidia与ATI两家厂商生产。

2021/5/984第1章显卡基本结构显存（类似于主板的内存）

显存是显示内存的简称。顾名思义，其主要功能就是暂时将储存显示芯片要处理的数据和处理完毕的数据。图形核心的性能愈强，需要的显存也就越多。以前的显存主要是SDR（SDRAM，SynchronousDynamicRandomAccessMemory，同步动态随机存储器)，容量也不大。市面上的显卡大部分采用的是GDDR3（DDR就是SDR二代，加强了传输的代宽，GDDR只不过是电压不同，而且用在显卡上，所以叫GDDR，以示区别）显存，现在最新的显卡则采用了性能更为出色的GDDR4或GDDR5显存。显存主要由传统的内存制造商提供，比如三星、现代、Kingston等。

2021/5/985第1章显卡基本结构显卡BIOS（类似于主板的BIOS）

BIOS是“BasicInputOutputSystem”的缩略语，即“基本输入输出系统”。它的全称应该是ROM－BIOS，意思是只读存储器基本输入输出系统。

显卡BIOS主要用于存放显示芯片与驱动程序之间的控制程序，另外还存有显示卡的型号、规格、生产厂家及出厂时间等信息。打开计算机时，通过显示BIOS内的一段控制程序，将这些信息反馈到屏幕上。早期显示BIOS是固化在ROM中的，不可以修改，而多数显示卡则采用了大容量的EPROM，即所谓的FlashBIOS，可以通过专用的程序进行改写或升级。显卡PCB板（类似于主板的PCB板）就是显卡的电路板，它把显卡上的其它部件连接起来。功能类似主板。2021/5/986第1章显卡的分类集成显卡集成显卡是将显示芯片、显存及其相关电路都做在主板上，与主板融为一体；一些主板集成的显卡也在主板上单独安装了显存，但其容量较小，集成显卡的显示效果与处理性能相对较弱，不能对显卡进行硬件升级，但可以通过CMOS调节频率或刷入新BIOS文件实现软件升级来挖掘显示芯片的潜能。

优点：是功耗低、发热量小、部分集成显卡的性能已经可以媲美入门级的独立显卡，所以不用花费额外的资金购买显卡。

缺点：不能换新显卡，要说必须换，就只能和主板，CPU一次性的换。独立显卡独立显卡是指将显示芯片、显存及其相关电路单独做在一块电路板上，自成一体而作为一块独立的板卡存在，它需占用主板的扩展插槽。

优点：单独配置了显存，一般不占用系统内存，在技术上也较集成显卡先进得多，比集成显卡能够得到更好的显示效果和性能，容易进行显卡的硬件升级。

缺点：系统功耗有所加大，发热量也较大，需额外花费购买显卡的资金。

2021/5/987第1章1.3图形输入输出设备1.3.1图形输出设备1.3.2图形输入设备2021/5/988第1章1.3.1图形显示设备

阴极射线管

彩色阴极射线管

随机扫描显示系统

光栅扫描系统

液晶显示器（LCD）

走向平面的显像管

未来显示器2021/5/989第1章组成：包括电子枪、加速电极、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、加速系统和磁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亮了。

阴极射线管（CRT)刷新频率：要显示一幅稳定的画面，必须不断地发射电子束，以刷新屏幕亮点。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2021/5/990第1章电子枪由灯丝、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。聚焦系统保证电子束在轰击屏幕时，汇聚成很细的点。加速电极正的高压电（几万伏），使电子束高速运动。偏转系统控制电子束，静电场或磁场，使电子产生偏转。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。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。CRT显示器屏幕越大整个显象管就越长。2021/5/991第1章荧光屏荧光物质：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刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数CRT产生稳定图像所需要的最小刷新频率=1/荧光物质的持续发光时间

1/0.04(秒）=25Hz（也即人眼看到稳定图形的最小刷新频率）像素(Pixel:PictureCell)：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（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*768，1280*1024等等。2021/5/992第1章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2021/5/993第1章射线穿透法原理：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2021/5/994第1章影孔板法原理：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2021/5/995第1章影孔板的类型点状影孔板代表：大多数球面与柱面显像管栅格式影孔板代表：Sony的Trinitron（特丽隆）与Mitsubishi（三菱）的Diamondtron（钻石特隆）沟槽式影孔板代表：LG的Flatron显像管2021/5/996第1章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2021/5/997第1章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。调节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。2021/5/998第1章

随机扫描的显示系统特点：电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分。逻辑部件：刷新存储器(RefreshingBuffer),显示处理器（DPU:DisplayProcessingUuit）和CRT2021/5/999第1章工作原理

应用程序发出绘图命令，→解析成显示处理器可接受的命令格式，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。

2021/5/9100第1章

光栅扫描的显示系统特点：光栅扫描扫描线帧水平回扫期垂直回扫期2021/5/9101第1章光栅扫描显示系统的几个概念行频、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奇数行扫描线，再扫偶数行扫描线。象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。整个屏幕有m×n个象素。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光点（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。2021/5/9102第1章点距相邻象素点之间的距离，与分辨率指标相关。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，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。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，图像刷新是指以每秒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。光栅扫描显示系统的几个概念2021/5/9103第1章黑白光栅扫描显示器黑白光栅显示器的逻辑框图如上：其中帧缓存是一块连续的计算机存储器。对于黑白单灰度显示器每一象素需要一位存储器，对一个1024×1024象素组成的黑白单灰度显示器所需要的最小缓存为220，并在一个位面上。一个位面的缓存只能存储黑白图形，帧缓存是数字设备，光栅显示器是模拟设备，因而还需要数模转换器(DAC)。2021/5/9104第1章黑白灰度光栅扫描显示器在光栅图形显示器中需要足够的位面和帧缓存结合起来才能反映图形的颜色和灰度等级。如下图是一个具有N位面灰度等级的帧缓存。显示器上每个象素的亮度是由N位面中对应的每个象素位置的内容控制的。该存储器中的二进制的数被翻译成灰度等级，范围是0到2N-1之间。2021/5/9105第1章彩色光栅扫描显示器下图是彩色光栅显示器的逻辑图，对于红、绿、蓝三原色有三个位面的帧缓存和三个电子枪。2021/5/9106第1章彩色光栅扫描显示器每个颜色的电子枪可以通过增加帧缓存位面来提高颜色种类的灰度等级。如上图，每种原色电子枪有8个位位面的帧缓存和8位的数模转换器，每种原色可有256种灰度，三种原色的组合将是(28)3=224（即所谓的24位真彩）。2021/5/9107第1章彩色光栅扫描显示器若每个单元有24位（每种基色占8位）即显示系统可同时产生224种颜色（24位真彩色）。分辨率M*N、颜色个数K与显存大小V的关系

3个位面分辩率是1024×1024的显示器，需要3×1024×1024（3145728）位的存储器。若存储器位长固定，则屏幕分辩率与同时可用的颜色种数成反比关系。1兆字节的帧缓存，若设分辩率为640×480，则帧缓存每个单元可有24位，可能同时显示224种颜色，若设分辩率为1024×768，则每个单元分得的位数仅略多于8，只能工作于256色显示模式下。

2021/5/9108第1章带宽T与分辨率、帧频F的关系带宽问题

高分辨率和高的刷新频率要求有高带宽（依然是个问题！）解决方法：隔行扫描（现在已经基本不用，主流显示器都采用逐行扫描方式）隔行扫描的：把一帧分两场，即奇数场与偶数场场频：==2×帧频隔行扫描工作原理：

一帧完整的画面分成两场。一场1／60秒（场频60HZ，帧频30HZ）。画面更新频率仍为60HZ，降低了闪烁效应，每一场1／60秒内，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。彩色光栅扫描显示器2021/5/9109第1章

液晶显示器（LCD）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，甚至出现磁化现象。长期电磁辐射会对人们健康产生不良影响。LCD(LiquidCrystalDisplay)显示器的优点外观小巧精致，厚度只有6.5～8cm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，对人体健康没有影响。2021/5/9110第1章液晶显示器的构成

LCD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LCD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，还必须经过一块彩色滤光片以及第二块偏光板。2021/5/9111第1章LCD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。我们将能看到清晰图象的最大角度称为可视角度。一般所说的可视角度是指左右两边的最大角度相加。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0.28～0.32mm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LCD显示器的缺点寿命短、怕震动、温度敏感分辨率相对较低，色彩不够鲜艳，且价格偏高。2021/5/9112第1章

走向平面的显像管球面显象管：表面：球面的一部分时间：90年代初期柱面显象管：表面：柱面的一部分，垂直方向上平直，水平方向上有弯曲时间：90年代中期代表：Sony公司的Trinitron，Mitsubishi公司的Diamondtron平面直角显象管表面：球面的一部分，类似于平面时间：90年代中后期现在市场上的主流显象管纯平显象管表面：纯平面时间：90年代后期代表：Sony公司的FDTrinitron，Mitsubishi公司的Diamondtron，Samsung公司的DanyFlat，LG公司的Flatron今后的主流显象管2021/5/9113第1章

等离子显示屏—发展趋势所谓等离子是迄今为止发现的第四种物质状态，即气，固，液和等离子。等离子电视是一种利用气体放电的显示技术，其工作原理与日光灯很相似。它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整个全屏幕。每个等离子管作为一个像素，每个像素由三种不同颜色的发光体组成----红、绿、蓝。由这些像素的明暗和颜色组合变化产生各种灰度和色彩的图像，这与CRT的原理很相似。等离子显示器的特点是厚度极薄，分辨率佳。可以作为壁挂电视使用，占用极少的空间，代表了未来显示器的发展趋势。等离子体显示技术之所以令人激动，主要出于以下两个原因：1、可以制造出超大尺寸的平面显示器（50英寸甚至更大）；2、与阴极射线管显示器不同，它没有弯曲的视觉表面，从而使视角扩大到了160度以上。另外，等离子显示器的分辨率等于甚至超过传统的显示器，所显示图像的色彩也更亮丽，更鲜艳，更清晰。2021/5/9114第1章显示屏上排列有密封的小低压气体室（一般都是氙气和氖气的混合物），利用高压放电使惰性气体Ne、He、Xe等产生紫外线照在彩色荧光粉后,激发出红,绿,蓝可见光,再配合驱动电路的设计与处理将三种颜色的光混合,形成各式各样的彩色画面.

由于不需要用电子枪，因而其厚度会变得很薄，并且屏幕可以做的很大。适用于候车室等需要大屏幕的地方。但时耗电量大，价格昂贵。换句话说，是利用惰性气体放电时所产生的紫外光来激发彩色荧光粉发光，然后将这种光转换成人眼可见的光。从工作原理上讲，等离子体技术同其它显示方式相比存在明显的差别，在结构和组成方面领先一步。其工作原理类似普通日光灯和电视彩色图像，由各个独立的荧光粉像素发光组合而成，因此图像鲜艳、明亮、干净而清晰。另外，等离子体显示设备最突出的特点是可做到超薄，可轻易做到40英寸以上的完全平面大屏幕，而厚度不到100毫米（实际上这也是它的一个弱点：即不能做得较小。目前成品最小只有42英寸，只能面向大屏幕需求的用户和家庭影院等方面）。等离子显示屏的基本原理2021/5/9115第1章等离子显示屏的特点等离子显示器具有体积小、重量轻、无X射线辐射的特点，由于各个发光单元的结构完全相同，因此不会出现CRT显像管常见的图像几何畸变。等离子显示器屏幕亮度非常均匀，没有亮区和暗区，不像显像管的亮度——屏幕中心比四周亮度要高一些，而且，等离子显示器不会受磁场的影响，具有更好的环境适应能力。等离子显示器屏幕也不存在聚焦的问题，不会产生色彩漂移现象，而表面平直也使大屏幕边角处的失真和色纯度变化得到彻底改善。与LCD液晶显示器相比，等离子显示器有亮度高、色彩还原性好、灰度丰富、对快速变化的画面响应速度快等优点。由于屏幕亮度很高,因此可以在明亮的环境下使用。当然，等离子显示器的也有一些缺点。比如由于等离子体显示是平面设计，其显示屏上的玻璃极薄，所以它的表面不能承受太大或太小的大气压力，更不能承受意外的重压。等离子显示器的每一个像素都是独立地自行发光，相比显示器使用的电子枪而言，耗电量自然大增。一般等离子显示器的耗电量高于300瓦。2021/5/9116第1章1.3.2图形输入设备键盘、鼠标坐标数字化仪光笔触摸屏图形扫描仪2021/5/9117第1章图形输入设备

键盘、鼠标：

是微型计算机的标准配置之一，也是用户与计算机交互的主要工具。键盘是通过键盘阵列将按键信息传输给主机。鼠标则是通过中断调用来传输位置和按键信息的。触摸屏：是一种对物体触摸产生反应的屏幕。当人的手指或其它物体接触到屏幕时，计算机根据触摸的位置接收到触摸信号，并按软件要求进行相应处理。2021/5/9118第1章图形输入设备

光笔：

光笔形如圆珠笔，笔尖处有一园孔，使荧光屏上的光能通过它进入笔内；光笔头部有一组透镜，将收集到的光聚焦到光导纤维的一个端面上，光导纤维再把光引到光笔的另一端的光电倍增管，将光信号转换为电信号，经整形后输出一个合适的逻辑电平以中断信号送给计算机和显示器控制部件。2021/5/9119第1章图形输入设备

坐标数字化仪：

这是一种用游标来拾取图形坐标，实现将用户图形数据输入到计算机中的设备。从形式上有机械式、超声波式和全电子式等类型。数字化仪大量用于工程中设计图纸的输入，是计算机辅助设计的主要工具。现在，它也用于非键盘方式（手写）输入汉字。工作原理：定位装置在数字板的表面上移动时，通过电磁、静电感应，将数字板上的图形坐标信息逐点数字化（这也就是“数字化仪”一名的来历），并传送到计算机之中，再经过计算机的处理，就能在屏幕上还原为一副原来的图形。这就完成了图形的数字化和输入过程。2021/5/9120第1章图形输入设备

坐标数字化仪：北京长地CD-91600￥1.45万幅面：1524mm精度：0.20mm分辨率：2540定标器：16键鼠标式定位器数据传输：10-200对/秒接口：RS-232输出格式：31种工业标准格式和1种特定格式工作温度：10~40℃

2021/5/9121第1章图形输入设备

图形扫描仪：

是一种直接把图形和照片（如工程图纸、广告画）扫描输入到计算机中，以象素信息进行存储表示的设备。扫描仪的分辨率是指在原稿的单位长度（英寸）上取样的点数，单位是dpi，常用的分辨率有300～1000dpi，扫描仪分辨率越高，所需的存储空间就越大。2021/5/9122第1章图形输入设备

图形扫描仪：办公或家用扫描仪：价格为几百到几千元大幅面工程扫描仪：价格为几万到近30万元2021/5/9123第1章图形输入设备

图形扫描仪：大幅面扫描仪和家用（商用扫描仪）所不同的是，大幅面扫描仪所提供的最大光学分辨率为1200dpi×1200dpi、1200dpi×600dpi、600dpi×600dpi、508dpi×508dpi，也就是说目前大幅面扫描仪最高的光学分辨率为1200dpi×1200dpi。通常在使用或者购买大幅面扫描仪的时候有一个误区，即：看厂家所推荐的或者宣传的最大分辨率，例如：厂家所宣传的最大分辨率为3600dpi甚至是9600dpi；其实这个分辨率是所谓的插值分辨率，也就是后期用软件在两个相邻的像素内在插入N个像素；这样的话不仅会破坏原图的真实信息；而且给后期的处理带来很大的麻烦；同时我们在扫描文件的时候根本不可能使用到高于600dpi×600dpi进行扫描；假设一个A0的图纸如果使用彩色9600dpi扫描的话，所得到的文件为442.5G，试想有什么计算机和软件能够打开或者编辑这样的文件？

2021/5/9124第1章1.4计算机图形学研究热点

计算机图形学作为计算机科学与技术学科的一个独立分支已经历了近40年的发展历程。一方面，作为一个学科，计算机图形学在图形基础算法、图形软件与图形硬件三方面取得了长足的进步，成为当代几乎所有科学和工程技术领域用来加强信息理解和传递的技术和工具。另一方面,计算机图形学的硬件和软件本身也已发展成为一个巨大的产业。估计全球年产值已超过2000亿美元。因此，全世界从事计算机图形学研究、应用和产业的队伍十分庞大，这也是为什么每年参加SIG-GRAPH年会的人数多达数万人的原因。2021/5/9125第1章SIG-GRAPH(SpecialInterestGroupforComputerGRAPHICS,计算机图形图像特别兴趣小组）成立于1967年，一直致力于推广和发展计算机绘图和动画制作的软硬件技术。从1974年开始，SIGGRAPH每年都会举办一次年会，而从1981年开始每年的年会还增加了CG展览。绝大部分计算机图形技术软硬件厂商每年都会将最新研究成果拿到SIGGRAPH年会上发布，大部分游戏的电脑动画创作者也将他们本年度最杰出的艺术作品集中在SIGGRAPH上展示。因此，SIGGRAPH在图形图像技术，计算机软硬件以及CG等方面都有着相当的影响力。历年大会都有丰富的成果展示，比如现在很流行的象素、图层、顶点等概念，最初大都是在Sig-graph上发表的学术报告；而Adobe、Avid、Discreet等厂商也都会选择在大会上宣布软件更新的一些重要信息。因此，可以说，Sig-graph年会的热点就是图形学研究的热点。2021/5/9126第1章计算机图形学的热点问题计算机辅助几何设计虚拟现实图形学