ahut计算机图形学

计算机图形学

安徽工业大学机械工程学院童宝宏第2章图形系统

计算机图形软件计算机图形输出设备计算机图形输入设备计算机图形显示器计算机图形系统的组成计算机图形系统的结构计算机图形系统的结构2.1计算机图形系统的组成计算机图形系统的功能

图形系统基本功能框图2.1计算机图形系统的组成2.2计算机图形显示器图形显示设备的发展CRT显示器随机扫描的显示器(闪烁，需刷新)存储管式显示器（不能动态显示，不能局部删除）光栅扫描的图形显示器（OK）。平板显示器液晶显示器等离子显示器2.2.1阴极射线管(CRT)CRT（CathodeRayTube）是一种真空器件，它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。1.阴极射线管德国物理学家布劳恩发明(1897)2.2计算机图形显示器从外形上看，CRT为：管颈部分、锥体部分、屏幕部分从结构上看，CRT为：电子枪、偏转系统、荧光屏水平偏转板垂直偏转板灯丝阴极聚焦系统加速系统电平控制器石墨层吸收轰击磷粉涂层后逃逸在荧光屏内的杂撒电子送至第二阳极,形成电流回路。荧光纷（磷粉涂层）电子枪偏转系统荧光屏第一阳极第二阳极

偏转线圈

高压入口经石墨层接第二阳极

用于磁偏转系统用于静电偏转系统荧光屏偏转的电子束2.彩色阴极射线管三基色原则:红(Red,R),绿(Green,G),蓝(Blue,B)⑴荫罩式彩色显象管主要结构：三色荧光屏、三支电子枪、荫罩板彩色CRT光栅扫描显示器有三个电子枪，它的荧光屏上涂有三种荧光物质，分别能发红、绿、蓝三种颜色的光。电子枪通常成三角形排列，与CRT屏幕上的三角形红、绿、蓝荧光点相对应。2.2计算机图形显示器三色荧光屏荫罩及彩色显象管上荧光小点的排列荫罩板RGBRGBRGBRGBRGBRRGBGRBRBGBRGBRGBRGBRGBRGBRB荫罩三色荧光屏RGBRRGBRGBGBRGBRRGBGRBRBGBGBR三支电子枪荫罩式彩色显象管原理2.2.2CRT图形显示器1.随机扫描的图形显示器也称向量（vector）显示器、笔划（Strokewriting）显示器。随机扫描（random-scan）的图形显示器中电子束的定位和偏转具有随机性，即电子束的扫描轨迹随显示内容而变化，只在需要的地方扫描，而不必全屏扫描。2.2计算机图形显示器随机扫描显示器的基本工作过程图特点：无冗余扫描、速度快、图象清晰、比光栅系统更高的分辨率、生成光滑线条不能显示逼真场景、和电视标准不一致、驱动系统也较复杂2.2计算机图形显示器 直视存储管DVST（direct-viewstoragetube）从表面上看直视存储管的特性极象一个有长余辉的荧光屏，一条线一旦画在屏幕上，在一小时之内都将是可见的。2.直视存储管图形显示器2.2计算机图形显示器存储管显示器结构示意图存储管显示器特点：无需刷新很复杂的图形都可以在极高的分辨率下无闪烁地显示、成本较低不能显示彩色不能局部修改擦除和重画过程对复杂图形来讲，可能要几秒钟2.2计算机图形显示器3.光栅扫描的图形显示器在光栅扫描系统中，电子束横向扫描屏幕，一次一行，从顶到底顺次进行。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。只有刷新频率高到一定值后，图象才能稳定显示。大约达到每秒60帧即60Hz时，人眼才能感觉到屏幕不闪烁，要使人眼觉得舒服，一般必须有85Hz以上的刷新频率。2.2计算机图形显示器逐行扫描技术隔行扫描技术每一帧分为两个场显示，每个场只包含一半画面。两个场是交错的，一个场包含所有的奇数扫描行，另一个场包含所有的偶数扫描行，两个场以1/60秒的时间间隔交替显示。扫描从奇数场左上角开始，每一行都是自左向右。电子束在横向扫描的同时以一个较低的速率向下移动，当扫描线到达屏幕右端时，就将其隐去并迅速返回屏幕左端。这个过程称为水平回扫。接着下一奇数行重复这一过程。2.2计算机图形显示器当整场扫描完毕时，扫描线正好停在底部的中央。接着扫描线迅速回到屏幕顶部中央，这就是奇数场垂直回扫。接着进行偶数场扫描，偶数场扫描结束于屏幕右下角，垂直回归后电子束返回屏幕左上角。奇数场从第一行开始，水平回扫用虚线表示1234567有7条扫描线的隔行扫描2.2计算机图形显示器光栅扫描图形显示器特点是画点设备，可看成一个点阵单元发生器，并可控制每个点阵单元的亮度。发出的电于束的偏转方式是固定的，自上而下，从左到右扫描在荧光屏上形成光栅形状。图形是通过电子束扫描到光栅上的图形象素点时呈现的亮度或颜色与光栅背景的亮度或颜色不同而衬托出的，可形成多级灰度或颜色的实面积自然图像。2.2计算机图形显示器由于图像是由像素阵列组成，显示一幅图像所需要的时间等于显示整个光栅所需的时间，而与图像的复杂程度无关。 综上，可把光栅图形显示器看做许多离散点组成的矩阵，每个点都可以发光。除非特殊情况，一般在矩阵中是不能直接从一个点到另一个点（或一个像素到另一个像素）画一条笔直的直线，但可以用一系列的点（或像素）来近似地表示这条直线。2.2计算机图形显示器光栅扫描图形显示器特点显然，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(如下图所示)。采用反走样技术可适当减轻阶梯效果。光栅化的直线(a)ABCD图像元素或象素可寻址点B(b)A光栅扫描显示器的主要性能参数分辨率指显示器在屏幕水平(垂直)方向可显示多少像素分辨率越高，显示的字符或图像越清晰亮度等级数目和色彩指单种颜色亮度可变化的数目亮度等级范围的提升可使图像看上去更柔和自然点距指相邻像素点之间的距离（即像素的直径）显示速度指显示字符、图形，特别是动态图像的速度2.2计算机图形显示器2.2.3平板显示器（flat-paneldisplay）低电压、轻小型、数字化显示器件平板显示器（flat-paneldisplay）非发射显示器（none-missivedisplay）发射显示器（emissivedisplay）2.2计算机图形显示器液晶显示器（LiquidCrystalDisplay）2.2计算机图形显示器液晶：即液态晶体，具有线状结晶结构的分子，可象液体那样流动。把它加热时它会呈现透明的液体状态，把它冷却时它则会出现结晶颗粒的混浊固体状态。液晶的电光效应：当液晶分子受电场、磁场、温度、应力等外部条件作用时会从某种排列状态变为另一种排列状态。一种排列光线容易通过，而另一种排列阻止光线通过。液晶显示的机理: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。2.2计算机图形显示器单色液晶显示器原理:1.将液晶置于两片导电玻璃之间，靠两个电极间电场的驱动，引起液晶分子扭曲向列的电场效应，以控制光源透射或遮蔽功能，在电源关开之间产生明暗而将影像显示出来，若加上彩色滤光片，则可显示彩色影像。2.如下图所示，两个极化滤光器互相垂直，穿过第一个极化滤光器的光线，经过扭曲的液晶后，光线被扭曲90°，正好可以穿过第二个极化滤光器。光线方向光线穿透示意图2.2计算机图形显示器3.如果为液晶加一个电压，液晶分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，将被第二个滤光器挡住。如下图所示光线阻断示意图总之，加电光线将被阻断，不加电光线将射出。2.2计算机图形显示器彩色液晶显示器原理:彩色LCD要具备专门处理彩色显示的色彩过滤层。彩色LCD面板中的每一个像素由3个液晶单元格构成，每一个单元格前面都分别有红色、绿色或蓝色的过滤器。这样，通过不同单元格的光线可在屏幕上显示出不同的颜色。液晶显示器的特点:优点：工作电压低、功耗小；无辐射，对人体健康无损害；完全平面，无闪烁、失真，可视面积大，又薄又轻；抗干扰能力比CRT显示器强得多。缺点：视角太小、亮度和对比度不够大。2.2计算机图形显示器

2.等离子体显示板（气体放电显示器）2.2计算机图形显示器等离子体显示原理：等离子显示器由密封在玻璃膜夹层中的晶格矩阵（光栅）组成，每个晶格充有低压气体。在高电压作用下，气体会电离解。电离解后的气体称为等离子体，所以这种显示器称为等离子显示器。当电子又重新与原子结合在一起时，能量就会以光子的形式释放出来，这时气体就会释放出具有特征的辉光。2.2计算机图形显示器基本构造:1.三块平板玻璃:中间称为孔板，紧贴着夹在两侧的二块玻璃中间．2.孔板中的小孔被抽成真空，再装入一定压强的气体(比如氖和氮的混合气体)．3.两侧玻璃板的外表面都有平行透明的导电电极．一块玻璃上的电极与另一块上的电极相垂直，并且都正好盖在小孔上面．因而每个充气小孔与两边的电极一起构成一个放电单元．等离子显示器的特点:优点：重量较轻、完全无X射线辐射；屏幕亮度非常均匀，不存在明显的亮区和暗区；不存在某些区域聚焦不良或散焦的毛病；屏幕更平展，观察视角更大。缺点：价格较高；显示屏上的玻璃较薄使屏幕较脆弱。2.2计算机图形显示器它常用于设计大型的室内室外的显示屏。结构原理： 二极管以矩阵排列形成显示器的象素位置特点： 暖色效应3.发光二极管显示器（Liquid-EmittingDiode）2.2计算机图形显示器2.2.43种显示技术的比较性质CRT显示器液晶显示器等离子显示器功耗大小中屏幕大小大厚度大小小平面度一般好好亮度好适中好分辨率中一般好对比度中差好灰度等级好差好视角大小大色彩丰富中丰富价格低中高2.2计算机图形显示器2.3.1

键盘（keyboard）2.3计算机图形输入设备2.3.2

鼠标器(mouse)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。2.3计算机图形输入设备2.3.3光笔(lightpen)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。2.3计算机图形输入设备2.3.4触摸屏(touchscreen)这种装置以手指触摸的方式选择屏幕位置。红外线式触摸屏(光学式)电阻式触摸屏(电子式)电容式触摸屏(电子式)声波触摸屏(声学式)常见的几种触摸屏：2.3计算机图形输入设备1.电子触摸屏将一个两层导电和高透明度的物质做的薄膜涂层涂在玻璃或塑料表面上，再装到屏幕上，或直接涂到屏幕上。两个透明涂层之间约有0.0025mm的距离，当手指触到屏幕时，在接触点产生一个电接触，使该点处的电阻发生变化。通过测得电阻的改变量就能确定触摸的位置。2.3.4触摸屏(touchscreen)2.3计算机图形输入设备1.电子触摸屏2.3.4触摸屏(touchscreen)2.3计算机图形输入设备2.光学触摸屏利用红外线和光电转换原理制成。与屏幕尺寸相仿的框架的水平和垂直边框上各安装均匀密布的红外线发送器和接收器。使用时把框架安装在屏幕四周，用手指在屏幕上点一下，在指点处障碍物挡住了一条垂直红外线和一条水平红外线，相应的两个红外线接收器发出电信号，根据发出信号的接收器所在位置可知障碍物所在点坐标，将坐标值送入计算机进行处理。2.3.4触摸屏(touchscreen)2.3计算机图形输入设备2.光学触摸屏2.3.4触摸屏(touchscreen)2.3计算机图形输入设备3.声学触摸屏由发射器、反射器和触摸屏等组成，其中发射器和反射器一起工作。声源发射器沿玻璃板的水平和垂直方向交替地发射高频声波脉冲，当用手指触摸屏幕时，有一部分声波被反射回声源处，通过计算声波脉冲从发射到反射回声源发射器的时间间隔，来确定手指的位置。2.3.4触摸屏(touchscreen)2.3计算机图形输入设备3.声学触摸屏2.3.4触摸屏(touchscreen)2.3计算机图形输入设备2.3.5操纵杆(joystick)2.3计算机图形输入设备空间球(三维鼠标或3DMouse）提供6个自由度(宽度、深度、高度、俯仰角、转动角、偏转角)2.3.6跟踪球（trackball）和空间球（spacegall）跟踪球用作两维定位设备2.3计算机图形输入设备2.3.7数据手套(dataglove)

数据手套是一种戴在手上的传感器，它能给出用户所有手指关节的角度变化，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。2.3计算机图形输入设备2.3.8数字化仪(digitizer)数字化仪用来在所作的画或对象上扫描，并输入一组坐标位置，相互以直线段连接，以逼近曲线或表面形状。2.3计算机图形输入设备2.3.9图象扫描仪(scanner)图象扫描仪可直接把图纸、图表、照片、广告画等输入到计算机中，在将它们传过一个光学扫描机构时，灰度或彩色等级被记录下来，并按图象方式进行存储。2.3计算机图形输入设备图象扫描仪的模块框图220V+5V-5V+12V-12V透镜荧光灯被扫描的材料步进电机计算机打印机或绘图仪荧光灯电源CCD驱动器电源信号处理器步进电机驱动控制器输出接口存储器微机系统2.3计算机图形输入设备电荷耦合器件(CCD)扫描仪的工作原理用光源照射被扫描的材料，投射光线经过一组光学镜头射到CCD器件上，再经模/数转换器，图像数据暂存器等，最终输入到计算机或图形/文字输出设备中。为了使投射在被扫描材料上的光线分布均匀，扫描仪中使用的是长条形光源。

2.3计算机图形输入设备2.3.11视频输入系统视频信号采集板（卡）、视频信号输入卡、视频信号处理装置视霸卡（videoblunster）2.3.10声频输入系统也称为声音输入系统，在某些图形工作站中，采用话音识别器作为输入设备，以接收操作者的命令。2.3计算机图形输入设备打印机撞击式打印机非撞击式打印设备绘图仪喷墨、笔式绘图仪笔式绘图仪又分为平板式绘图仪和滚筒式绘图仪。2.4计算机图形输出设备2.4.1激光打印机激光打印机是一种既可用于打印字符又可用于绘图的设备。2.4计算机图形输出设备激光打印机的工作原理激光打印机主要由感光鼓、粉盒、打底电晕丝和转移电晕丝等组成，如图（a）所示。滚筒转移电晕丝打印纸打底电晕丝感光鼓碳粉(a)2.4计算机图形输出设备激光打印机开始工作时，感光鼓旋转通过打底电晕丝，使整个感光鼓的表面带上电荷，如图（b）所示。

打底电晕丝(b)+++++++++++鼓表面未带电荷感光鼓旋转方向鼓表面带电荷2.4计算机图形输出设备打印机处理器将打印数据转换成可以驱动打印引擎动作的类似数据表的信号组，并送至激光发射器。发射器发射的激光照射在多棱反射镜上，反射镜的旋转和激光的发射同时进行，依照打印数据来决定激光的发射或停止。每个光点打在反射镜上，随着反射镜的转动，不断变换角度，将激光点反射到感光鼓上，如图（c）所示。(c)多棱反射镜激光发射器2.4计算机图形输出设备感光鼓上被激光照到的点将失去电荷，在感光鼓表面形成一幅肉眼看不到的磁化现象。感光鼓旋转到上粉盒，其表面被磁化的点将吸附碳粉，从而在感光鼓上形成将要打印的碳粉图像，如图（d）所示。(d)碳粉滚筒感光鼓旋转方向2.4计算机图形输出设备打印纸从感光鼓和转移电晕丝之间通过，转移电晕丝将产生比感光鼓上更强的磁场，碳粉受吸引从感光鼓上脱离，向转移电晕丝方向移动，结果是在不断向前运动的打印纸上形成碳粉图像。打印纸继续向前运动，通过高温的溶凝部件，定型在打印纸上，产生永久图像，如图（e）所示。(e)感光鼓碳粉转移电晕丝2.4计算机图形输出设备激光打印机的优点有效利用了激光定向性、单色性和能量密集性，并结合了电子扫描技术的高灵敏度和快速存取等特性。输出图形图像的质量非常高，分辨率可达300～600点/英寸。图形及文本质量非常高，可直接作为制版的原稿。2.4计算机图形输出设备2.4.2喷墨绘图机喷墨绘图机是一种光栅类型的图形输出设备，基本原理是将小墨点喷射到介质上。2.4计算机图形输出设备如下图所示，喷墨装置多数情况安装在类似打印机的机头上，纸绕在滚筒上快速旋转，喷墨头则在滚筒上缓慢水平运动。绘图机的墨水泵将黄、品红、青三种颜色的墨水分别注入3支很细的喷笔中。在高压下，墨水通过喷笔内细而长的玻璃毛细管喷到纸上。

喷墨绘图机的结构绘图机控制部件墨水泵滚筒喷笔笔架丝杠电机步进电机纸或胶片2.4计算机图形输出设备喷墨绘图机的分辨率取决于墨滴的大小，也就是喷嘴的大小。某些喷墨绘图机可以接收视频及数字信号，因此可用于光栅显示屏幕的硬拷贝，此时图像分辨率受到视频输入分辨率的限制。2.4计算机图形输出设备2.4.3笔式绘图机笔式绘图机是矢量型设备，在操作过程中，绘图笔相对纸作随意移动。笔式绘图机分为滚筒式和平板式。滚筒式绘图机平板式绘图机2.4计算机图形输出设备1.滚筒式绘图机笔和纸都是运动的。绘图纸卷在滚筒上，步进电机带动链轮作正向和反向旋转，带动图纸作X方向的正向和负向运动，滚筒上方的笔架可存放多支画笔，画笔由另一个步进电机带动作Y方向的正负向往返运动，两种运动的结合使画笔画出各种图形。滚筒式绘图机结构Y方向步进电机X笔架落笔抬笔+X+Y2.4计算机图形输出设备

绘图笔在纸上沿X和Y两个方向运动，图纸通常静止不动，装有笔架的导轨作X方向移动，笔架在导轨上作Y方向移动，两种运动配合画出多种图形。2.平板式绘图机平板式绘图机结构X方向步进电机Y方向步进电机+Y抬笔落笔+X2.4计算机图形输出设备平板式绘图机的分类机械传动驱动装置一般为钢丝绳或齿轮条箱。速度低、精度低、寿命短，价格相对便宜。

平面电机驱动绘图台有两块平板，上面的平板称为滑动导板，即电机定子。画笔装在电机动子的下部，画笔之下是绘图台板。2.4计算机图形输出设备图形软件的发展随着计算机图形显示器从专用设备发展成标准化的人机通信接口，图形显示及应用软件必然应有相应的发展。图形软件的发展早期的绘图软件大都采用线框式图形数据结构，该结构特别适合于图形的几何变换和交互显示，但无法在计算机内完整地定义三维物体。20世纪60年代末期开始研究和发展实体造型技术，如英国剑桥大学的I.C.Braid的BUILD系统、美国罗彻斯特大学的PADL-1系统和日本北海道大学的TIPS-1系统。这些系统都在计算机内提供了对物体的完整的几何定义，可随时提取所需信息。开放式、高效率、标准化、集成化、智能化、学科交叉2.5计算机图形软件

IBM公司的CADAM系统目前国际上应用较广的实体造型系统有IBM公司的CADAM、DassaultSystem公司的CATIA、SDRC公司的Geomod、PT公司的Pro/Engineer、SpatialTechnology公司的ACIS、Solidworks公司的Solidworks等。设计人员可直接在三维空间进行产品的设计、修改、观察，从而使设计活动变得直观、简单、高效。2.5计算机图形软件计算机图形的标准化图形显示软件由底层次的与设备有关的软件包转变为高层次的与设备无关的软件包，就是图形软件的标准化过程。与设备无关、与应用无关，具有较高性能官方标准第一个图形软件标准是由德国提出的图形核心系统GKS(GraphicsKernelSystem)，这是一个二维图形软件包。1988年，GKS的三维扩充GKS-3D成为三维图形软件标准。GKS标准下的图形2.5计算机图形软件1986年，ISO提出程序员分层交互图形系统PHIGS(Programmer'sHierarchicalInteractiveGraphicsSystem)，支持三维图形的层次嵌套结构。PHIGS标准下的图形2.5计算机图形软件近二十年中，国际标准化组织ISO已经批准和正在讨论的与计算机图形有关的标准还有： CGM(ComputerGraphicsMetafile)、 CGI(ComputerGraphicsInterface)、 IGES(InitialGraphicsExchange