Class-2-计算机图形学基础-20180504

第二章计算机图形系统及硬件基础信息科学与工程学院牛冬梅12J904

ise_niudm@回顾第一章绪论1.1计算机图形学及其相关概念1.2计算机图形学的发展1.3计算机图形学的应用图形？图形分类？构成图形的要素？表示图形的方法？计算机图形学的定义?图形学的核心问题？图形学之父？显示器的三个发展阶段？举例说明回顾

1.1计算机图形学及其相关概念

什么是图形？图形定义：图形分类：图形是图与形的总称，是能在人视觉中形成印象的对象。1自然图形（景物、照片等）；2描述图形（数学方法描述的图形）。构成图形的要素1.几何要素2.非几何要素表示图形的方法1.点阵表示2.参数表示回顾1.1计算机图形学及其相关概念

：刻画对象的轮廓、形状等：刻画对象的颜色、纹理等：是用具有颜色信息的点阵来表示图形：图形的形状参数与属性参数来表示图形广义的计算机图形包括图像和图形。图像以点阵图形式呈现，它更强调整体形式，记录点及它的灰度或色彩。例如照片、扫描图片和由计算机产生的真实感和非真实感图形等。图形以矢量图形式呈现，计算机中由景物的几何模型与物理属性表示的图形。能体现几何个体，记录体元的形状参数与属性参数。如图纸。回顾1.1计算机图形学及其相关概念

(Image/Picture)(Graphics)计算机图形学计算机图形学是研究怎样利用计算机来生成、处理和显示图形的原理、方法和技术的一门学科。

IEEE:InstituteofElectricalandElectronicsEngineers

(电气和电子工程师协会)回顾1.1计算机图形学及其相关概念

(Computer

Graphics)Computergraphicsistheartorscienceofproducinggraphicalimageswiththeaidofcomputer.

(IEEE给出的定义)计算机图形学产生真实感图形的过程回顾1.1计算机图形学及其相关概念

绘制处理建模建立对物体完整的几何描述对物体做一系列的变换，以反映观察者和物体的位置关系通过绘制过程生成物体的真实感图形与计算机图形学相关的一些学科回顾1.1计算机图形学及其相关概念

像像像试图从非图像形式的数据描述来生成图像。对图像进行各种加工以改善图像的视觉效果。模拟生物外显或宏观视觉功能。计算机图形学的两个核心问题1.如何在计算机中构造一个客观世界：几何建模2.如何将计算机中的虚拟世界展现出来：几何的视觉实现回顾1.1计算机图形学及其相关概念

（建模）（绘制）建模CSG（ConstructiveSolidGeometry）NURBS（Non-UniformRationalB-Splines）细分曲面基于扫描点云的建模基于草图交互方式的三维建模方法…回顾1.1计算机图形学及其相关概念

绘制（也称为渲染，Rendering)局部光照模型(LocalIlluminationModel)光线跟踪算法(RayTracing)辐射度算法(Radiosity)双向反射分布函数（BRDF）…回顾1.1计算机图形学及其相关概念

顶点的颜色=环境光+漫反射光+镜面光+发射光通过跟踪与光学表面发生交互作用的光线从而得到光线经过路径的模型。是一种全局光照算法，模拟光在一个场景里的多次反射。它描述了入射光线经过某个表面反射后如何在各个出射方向上分布。回顾第一章绪论1.1计算机图形学及其相关概念1.2计算机图形学的发展1.3计算机图形学的应用1.2.1

计算机图形学的确立1.2.2计算机图形学硬件设备的发展1.2.3

图形软件的发展及软件标准的形成回顾1.2计算机图形学的发展酝酿期（50年代）1952年，美国MIT成功研制了世界上第一台图形显示器；1959年，美国Calcomp公司根据打印机原理研制了世界上第一台滚筒式绘图机；

整个50年代，计算机图形学处于准备和酝酿时期，称之为“被动”的图形学。萌芽期(60年代)60年代初，美国MIT林肯实验室中基于旋风计算机开发的北美空中防御系统SAGE具有了指挥和控制图形对象的功能。

1962年，美国MIT林肯实验室的Ivan.E.Sutherland发表了一篇题为《Sketchpad：一个人机通信的图形系统》的博士论文，其中首次使用了“ComputerGraphics”这个术语，从而确立了计算机图形学的学科地位。Bezier曲线、曲面的理论；Coons曲面回顾1.2.1计算机图形学的确立发展期（70年代）60年代末、70年代初，萌芽了光栅图形学算法（连续函数离散化）因通用与设备无关的图形软件的发展，图形软件功能的标准化问题被提了出来，产生了一些实用的CAD图形系统，比如：洛克希德公司的CADAM

(computer-augmenteddesignandmanufacturing)

计算机图形处理技术进入实用化阶段，但由于图形设备昂贵、功能简单、基于图形的应用软件缺乏等原因，计算机图形学还是一个较小的学科领域。回顾1.2.1

计算机图形学的确立普及期（80年代）1980年光线跟踪算法1984年辐射度方法计算机图形硬件飞速发展(运算能力增强，处理速度加快)由于出现了带有光栅图形显示器的个人计算机和工作站，以及大量简单易用、价格便宜的基于图形的应用软件，计算机图形学进入了社会生活的各个领域。回顾1.2.1

计算机图形学的确立标志着真实感图形的显示算法正逐渐成熟提高增强器（90年代）计算机图形学向着标准化、集成化和智能化方向发展。产生了很多与计算机图形学相关的学科，比如：多媒体技术、人工智能、科学计算可视化、虚拟现实等三维造型技术飞速发展21世纪，图形学呈现两大特点：更加快速，更加真实回顾1.2.1

计算机图形学的确立1.2.1

计算机图形学的确立1.2.2计算机图形学硬件设备的发展1.2.3

图形软件的发展及软件标准的形成回顾1.2计算机图形学的发展回顾1.2.2计算机图形学硬件设备的发展

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：键盘第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏等第四阶段：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（体感游戏机）第五阶段：用户的思维/post/330354/

回顾1.2.2计算机图形学硬件设备的发展

输出设备（图形绘制设备）图形绘制设备，又称图形硬拷贝设备，分为打印机和绘图仪两种。

回顾1.2.2计算机图形学硬件设备的发展

1.2.1

计算机图形学的确立1.2.2计算机图形学硬件设备的发展1.2.3

图形软件的发展及软件标准的形成回顾1.2计算机图形学的发展图形软件标准的形成是为了推动图形技术的发展以及图形硬件设备的推广普及，提高应用软件的可移植性，使得图形软件与设备无关、与应用无关，并且具有较高的性能。回顾1.2.3图形软件的发展及标准的形成诸侯割据标准讨论标准形成1974年，美国国家标准化局（ANSI）在ACMSiggraph上的一个“与机器无关的图形技术”工作会议中提出制定有关标准的基本规则。回顾第一章绪论1.1计算机图形学及其相关概念1.2计算机图形学的发展1.3计算机图形学的应用计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）科学计算可视化真实感图形实时绘制与自然景物仿真地理信息系统（GIS）虚拟现实（VirtualReality）计算机动画回顾1.3计算机图形学的应用第一章绪论1.1计算机图形学及其相关概念1.2计算机图形学的发展1.3计算机图形学的应用1.4计算机图形系统计算机图形系统的定义：计算机图形系统用来生成、处理和显示图形，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。基本任务：具体包含以下任务：如何用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1.4计算机图形系统研究如何利用计算机来生成、处理和显示图形。

计算机图形系统的功能1.4计算机图形系统涉及各种图形计算，目的是建立形体设计、分析的方法程序库和有关描述形体的图形数据库在计算机内、外存中存放图形数据，主要存放图形数据之间的相互关系允许用户实时地、直接地对系统的命令、工具、程序及其对话框等内容进行调节和控制图形数据进入计算机的过程，主要指把设计过程中图形的形状、尺寸等必要的参数和命令输入到计算机中去将图形特定的表示形式转换成输出设备能够接受的形式的过程，便于长期保存计算结果1.4计算机图形系统图形的基本处理流程利用各种图形输入设备及软件或其他交互设备将图形输入到计算机中，以便进行处理；在计算机内部对图形进行各种变换（如几何变换、投影变换）和运算（如图形的并、交、差运算等）；将图形转换成图形输出系统便于接受的表示形式，并在输出设备上输出。计算机图形系统的结构1.4计算机图形系统软件图形系统硬件图形计算机平台图形输入输出设备图形应用数据结构图形支撑软件图形应用软件计算机图形系统的结构图形软件计算机系统软件1.4计算机图形系统–

图形应用数据结构其中存放着将要生成的图形对象的全部描述信息（包括：定义物体的所有组成部分的形状和大小的几何信息；与图形相关的拓扑信息；与这个物体图形显示有关的所有属性信息；非几何数据信息）；这些数据以图形文件的形式存放于计算机中，根据不同的系统硬件和结构，组织成不同的数据结构，或者形成一种通用的或专用的数据集；计算机图形系统根据这类信息的详细描述生成对应的图形，并完成这些图形的操作和处理

；应用数据结构是生成图形的数据基础。图形数据文件图形基元模型字模字体库图案模型几何描述数据1.4计算机图形系统–

图形应用软件图形处理软件图形生成软件图形用户接口图形辅助控制图形工具软件解决问题的软件集合，是图形系统的核心部分；包括各种图形生成和处理技术；包括若干辅助操作，如性能模拟、分析计算、后处理、用户接口、系统维护、菜单提示以及维护等，从而构成一个功能完整的图形软件系统环境；图形应用软件从图形应用数据结构中获取物体几何模型和属性等，按照应用要求进行各种处理，然后根据从图形输入设备经图形支撑软件送来的命令、控制信息、参数和数据，完成命令分析、处理和交互式操作，构成和修改被处理物体的模型，形成更新后的图形数据文件并保存。1.4计算机图形系统–图形支撑软件由一组公用的图形子程序组成，是对原计算机OS在图形处理功能上的扩展；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、系统调用和定义标准，对用户透明，与所采用的图形设备无关，同时具有高级语言的接口。OS图形扩展软件图形BIOS程序语言图形语句图形子程序库图形软件包1.4计算机图形系统解决某种应用问题的图形软件图形应用软件由一组公用的图形子程序组成的。它扩展了系统中原有高级语言和操作系统的图形处理功能。图形支撑软件一组图形数据文件，其中存放着欲生成的图形对象的全部描述信息。图形应用数据结构2.1图形输入设备2.2图形显示设备2.3图形显示子系统2.4其它概念2.图形硬件设备2.1图形输入设备2.2图形显示设备2.3图形显示子系统2.4其它概念2.图形硬件设备鼠标和键盘光笔触摸屏操纵杆跟踪球和空间球数据手套数字化仪图像扫描仪声频、视频输入系统2.1图形输入设备最常用的计算机输入设备就是鼠标和键盘鼠标按测量位移可分为：用鼠标底部的转轮或滚轮来记录移动的总量和方向。采用光学感应器来检测鼠标运动。鼠标的工作原理：当推动鼠标在平面上移动时，鼠标将记录移动的方向和距离。这个方向和距离被传送给计算机，转换成对应的光标的位移。附加了特殊功能的鼠标2.1.1鼠标和键盘Mouse

&

Keyboard滚轮鼠标/机械鼠标光电鼠标光笔是一种检测装置，它靠检测荧光屏上的发光点来选择屏幕的位置坐标。2.1.2光笔Light

pen光笔的结构光笔的功能定位拾取跟踪缺点：手和光笔遮挡屏幕；手腕疲劳；光笔无法检测黑暗区域的位置，所以需要把屏幕像素设置为非零亮度；光笔会因房间背景光的影响产生误读现象。2.1.2光笔Light

pen：用光笔拖动光标实现定位，可用于图形编辑。触摸屏是一种定位设备，它通过手指触摸屏幕显示物体或位置来实现选择的操作。分类：红外线式触摸屏电阻式触摸屏电容式触摸屏声波触摸屏2.1.3触摸屏Touch

screen操纵杆的基本原理是将塑料杆的运动转换成计算机能够处理的电子信息。2.1.4操纵杆Joystick跟踪球和空间球都是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。2.1.5跟踪球和空间球Trackball

&

Spaceball数据手套是一种戴在手上的传感器，通过传感器和天线来获得和发送手指的位置和方向的信息。这来自手套的输入，可用来给虚拟场景中的对象定位或操纵该场景。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。2.1.6数据手套Data

glove

数字化仪对所作的画或模型进行扫描，得到画或对象的一组坐标位置。2.1.7数字化仪Digitizer三维数字化仪图像扫描仪是直接把视图、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。2.1.8图像扫描仪Scanner

声频输入系统也称为声音输入系统，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。常用的视频输入设备包括视频信号采集板、视频信号输入卡、视频信号处理装置。2.1.9声频、视频输入系统测试2.1图形输入设备2.2图形显示设备2.3图形显示子系统2.4其它概念2.图形硬件设备图形显示设备2.2图形显示设备CRT平板显示器(Cathode

Ray

Tube)随机扫描的图形显示器存储管式的图形显示器光栅扫描的图形显示器液晶显示器等离子显示器(LiquidCrystalDisplay)(PlasmaDisplayPanel)未来显示器(Flat

Panel

Display)阴极射线管的基本原理彩色阴极射线管CRT图形显示器分类2.2.1阴极射线管CRT工作原理：一种真空器件，利用电磁场产生高速的、经过聚焦的电子束，偏转到屏幕的不同位置轰击屏幕表面的荧光材料而产生可见图形。阴极射线管的基本原理CRT主要由电子枪（包含灯丝、阴极、控制栅（电平控制器/控制极）、聚焦系统、加速电极（加速系统））、偏转系统、阳极荧光粉涂层组成。电子枪功能：是产生一个沿管轴方向(Z轴)前进的细电子束轰击荧光屏。电子束应满足下列要求：具有足够的电流强度；电流的大小和有无必须是可控的；具有很高的速度；在荧光屏上应能聚焦很小的光亮，以保证足够分辨率。阴极射线管的基本原理–电子枪磁偏转系统是利用磁场使电子束产生偏转，扫描荧光屏产生字符或图形。偏转线圈的匝数一定时，偏转电流与偏转角的正弦成正比阴极射线管的基本原理–偏转系统荧光屏是用荧光粉涂敷在玻璃底壁上制成的，常用沉积法涂敷荧光粉。荧光粉的余辉特性：电子束轰击荧光粉时，荧光粉的分子受激而发光，当电子束的轰击停止后，荧光粉的光亮并非立即消失，而是按指数规律衰减。余辉时间：从电子束停止轰击到发光亮度下降到初始值的1％所经历的时间。对荧光粉的性能要求：阴极射线管的基本原理–荧光屏发光颜色满足标准白色、发光效率高、余辉时间合适以及寿命长等。三基色原则：任何颜色都是由R、G、B三种荧光粉发出的色光相混而得。

按电子枪和电子束数目分，彩色阴极射线管可分为：三枪三束（荫罩式彩色显像管）单枪单束（穿透式彩色显像管）彩色阴极射线管结构：三色荧光屏、三支电子枪、荫罩板彩色阴极射线管-荫罩式彩色显像管外层玻璃荧光涂层荫罩板彩色阴极射线管-荫罩式彩色显像管荫罩板电子枪、荫罩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。调节各电子枪的电流强度就可改变相应颜色荧光点的亮度，即合成色所占的比例。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。原理：采用了多层不同的荧光粉，在绿色荧光粉层上再沉积一层红色荧光粉。当电子束速度较低时，轰击荧光屏的能量只能使表层红粉受撞击，产生红色亮点；加速电压后，轰击的电子束能穿透绿色荧光层，增加显示亮点中绿色成分。通过电子束轰击穿透荧光层的深浅，决定所产生的颜色。彩色阴极射线管–穿透式彩色显像管（了解）彩色阴极射线管–穿透式彩色显像管（了解）电子束低速电子束较低速电子束较高速电子束高速电子束穿透式彩色CRT示意图应用：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种随机扫描的图形显示器（随机扫描显示器）存储管式的图形显示器光栅扫描的图形显示器

CRT图形显示器分类随机扫描的图形显示器和存储管式的显示器都是画线设备，在屏幕上显示一条直线是从屏幕上的一个可编址点直接画到另一个可编址点。工作过程：从显示文件存储器中取出画线指令或显示字符指令、方式指令（如高度、线型等），送到显示控制器，由显示控制器控制电子束的偏转，轰击荧光屏上的荧光材料，从而呈现出一条发亮的图形轨迹。随机扫描的图形显示器（简称：随机扫描显示器），其电子束的定位和偏转具有随机性，在某一时刻，显示屏上只有一个光点发光，因而可以画出线很细的图形，因而又称为画线显示器、矢量显示器、向量显示器。.1随机扫描的图形显示器.1随机扫描的图形显示器.1随机扫描的图形显示器t当水平、垂直线圈中分别加上x,y信号时，其在屏幕上合成集合图形。在电子束的轨迹中不需要辉亮的地方，就在z轴上加一个消隐信号，使得光点不辉亮。随机扫描工作原理图优点：电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分无冗余扫描；速度快、图象清晰、分辨率高、可生成较为光滑线条。缺点：是为画线应用设计的，不能显示逼真场景、价格贵、驱动系统也较复杂。.1随机扫描的图形显示器数据表示：像素矩阵。扫描方式：在光栅扫描系统中，电子束横向扫描屏幕，一次一行，从上到下、从左到右顺次进行。当电子束横向沿每一行移动时，电子束的强度不断变化来建立亮点的图案。.2光栅扫描的图形显示器光栅扫描示意图水平扫描（显示）水平回扫（消隐）垂直回扫（消隐）工作原理：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、图像是靠Z轴信号控制辉亮来形成的。.2光栅扫描的图形显示器.2光栅扫描的图形显示器光栅扫描的图形显示器是典型的画点设备。它不能直接从单元阵列中的一个可编址的像素画一条直线到另一个可编址的像素，只可能用尽可能靠近这条直线路径的像素点集来近似地表示这条直线。只有画水平、垂直或正方形的对角线时，才能用点或像素画出一条真正的直线，其他情况下的直线均呈阶梯状，这种现象称为走样或锯齿。.2光栅扫描的图形显示器是一种低电压、轻小型、数字化显示器件。平板显示器分类：非发射显示器发射显示器2.2.2平板显示器Flat

Panel

Display（光学效应，将光转换为图形图案）液晶显示器（LCD）（电能转化为光能）等离子显示器(Plasma

Panel)薄片光电显示器（Thin-FilmElectroluminescentDisplay）发光二极管显示器(Liquid-EmittingDiode,LED)None-EmissiveDisplayEmissiveDisplay液晶：液晶即液态晶体，具有线状结构的分子，可像液体那样流动。如果把它加热会呈现透明状的液体状态，把它冷却则会呈现结晶颗粒的混浊固体状态，具有液体与晶体的特性，故称之为“液晶”。液晶的电光效应：液晶分子的排列在微弱的外部电场、磁场或者应力、温度变化等作用下非常容易改变。当液晶分子的某种排列状态在电场作用下变为另一种状态时，液晶的光学性质随之改变，这种产生光被电场调制的现象称为液晶的电光效应。即：当通电和不通电时液晶分子处于两种不同的排列，一种排列光线容易通过，另外一种排列阻止光线通过。液晶显示器原理：液晶显示器件本身不发光，而是利用液晶的电光效应，通过施加电压改变液晶的光学特性，从而造成对入射光的调制，使通过液晶的透射光或反射光受所加电压的控制，达到显示的目的。即：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。液晶显示器优点：工作电压低、功耗小；没有辐射，对人体健康无损害；完全平面，无闪烁、无失真、可视面积大，轻薄，能大量节省空间；抗干扰能力比CRT强。缺点：视角太小，亮度和对比度不够大。液晶显示器可视角是指站在始于屏幕法线的某个角度的位置时仍可清晰看见屏幕图像所构成的最大角度，对显示器来说，可视角越大越好。柔性显示屏：采用发光聚合物技术，坚不可摧，柔韧性好，可以卷起来。三维显示器未来显示器OLED:有机发光二极管（OrganicLight-EmittingDiode,OLED）是一种由柯达公司开发并拥有专利的显示技术，这项技术使用有机聚合材料作为发光二极管中的半导体（semiconductor）材料。它具有自发光、结构简单、超轻薄、响应速度快、宽视角、低功耗及可实现柔性显示等特性，被誉为“梦幻显示器”。未来显示器全息投影显示：全息投影是利用光的折射和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像，简单的来说就是一种无需配戴3D眼镜，就可以产生立体效果的一种技术。未来显示器未来显示器2.1图形输入设备2.2图形显示设备2.3图形显示子系统2.4其它概念2.图形硬件设备用计算机做图形处理常常涉及大量的计算和数据处理，为了减轻主机CPU的负担，具有图形处理能力的计算机都配置显卡。显卡主要作用是：根据CPU提供的指令和有关数据将程序运行过程和结果进行相应的处理，并转换成显示器能够接受的文字和图形显示信号，通过屏幕显示出来。2.3图形显示子系统2.3图形显示子系统高级光栅图形显示子系统

显示处理器的功能：

扫描转换待显示的图形；生成各种线型；进行各种光栅操作；执行几何变换、窗口裁剪等2.3图形显示子系统高级光栅图形显示子系统帧缓冲存储器：用来存储像素颜色（灰度）值的存储器。双缓存：一个缓存用来刷新的同时，另一个写入数据信息，尔后这两个缓存可互换角色。这种方式称为双缓存，它可以使得显示的动画流畅而没有滑动感。2.3图形显示子系统高级光栅图形显示子系统帧缓冲存储器：用来存储像素颜色（灰度）值的存储器。双缓存：一个缓存用来刷新的同时，另一个写入数据信息，尔后这两个缓存可互换角色。这种方式称为双缓存，它可以使得显示的动画流畅而没有滑动感。2.3图形显示子系统高级光栅图形显示子系统帧缓冲存储器：用来存储像素颜色（灰度）值的存储器。双缓存：一个缓存用来刷新的同时，另一个写入数据信息，尔后这两个缓存可互换角色。这种方式称为双缓存，它可以使得显示的动画流畅而没有滑动感。2.3图形显示子系统高级光栅图形显示子系统显示控制器（DisplayController），又称视频控制器（VideoController），主要功能是依据设定的显示工作方式，自主地、反复不断地读取帧缓存中的图像点阵（包括图形、字符文本）数据，将它们转换成R、G、B三色信号并配以同步信号送至显示器，即可刷新屏幕。GPU英文全称GraphicProcessingUnit,

是显卡的心脏。与CPU类似，只是GPU是专门为执行复杂的数学和几何计算而设计的。特点：GPU是能够从硬件上支持T&L（TransformandLighting，多边形转换与光源处理）的显示芯片。T&L是3D渲染中的一个重要部分，其作用是计算多边形的3D位置和处理动态光线效果，一个好的T&L单元，可以提供细致的3D物体和高级的光线特效。GPU不只是局限在硬件T&L：在浮点运算、并行计算等部分计算方面，GPU可以提供数十倍乃至于上百倍于CPU的性能。GPU通用计算方面的标准目前有OPENCL、CUDA。2.3图形显示子系统-

GPUCUDA(ComputeUnifiedDeviceArchitecture,统一计算设备架构)，显卡厂商NVIDIA推出的运算平台。CUDA™是一种由