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计算机图形学第二章计算机图形学第二章现在学习的是第1页，共41页l图形输入设备：二维：鼠标、图形输入板、跟踪球、光笔、触摸 屏、操纵杆、扫描仪 三维：空间球、数据手套 l图形输出(显示、打印）系统：阴极射线管显示器，液晶显示器，等离子显示器，绘图仪,打印机，第二章第二章 图形设备与系统图形设备与系统现在学习的是第2页，共41页2.1 图形显示器图形显示器2.1.1 阴极射线管2.1.2 彩色阴极射线管 射线穿透法 影孔板法2.1.3 随机扫描显示系统2.1.4 光栅扫描系统现在学习的是第3页，共41页l阴极射线管阴极射线管(CRT)组成：包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏组成：包括电子枪、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、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。荧光物质吸收，发光产生可见的图形。结构结构2.1.1 阴极射线管阴极射线管现在学习的是第4页，共41页电子枪电子枪n n电灯丝，阴极和控制栅组成。电灯丝，阴极和控制栅组成。n n阴极：由灯丝加热发出电子束，阴极：由灯丝加热发出电子束，n n控控制制栅栅：加加上上负负电电压压后后，能能够够控控制制通通过过其其中中小小孔孔的的带带负负电电的的电电子子束束的的强强弱弱。通通过过调调节节负负电电压压高高低低来来控控制电子数量，即控制荧光屏上相应点的亮度。制电子数量，即控制荧光屏上相应点的亮度。2.1.1 阴极射线管阴极射线管现在学习的是第5页，共41页聚焦系统聚焦系统n n通过电场和磁场控制通过电场和磁场控制电子束，电子束，“变细变细”，保证，保证亮点足够小，提高分辩率亮点足够小，提高分辩率加速电极 加正的高压电（几万伏），加正的高压电（几万伏），使电子束高速运动。使电子束高速运动。2.1.1 阴极射线管阴极射线管现在学习的是第6页，共41页偏转系统偏转系统n n控控制制电电子子束束，静静电电场场或或磁磁场场，产产生生偏偏转转，最最大大偏偏转转角角是是衡衡量量系系统统性性能能的的最最重重要要的的指指标标，显显示示器器长长短与此有关。短与此有关。2.1.1 阴极射线管阴极射线管现在学习的是第7页，共41页荧荧光光屏屏 荧光物质：吸收电子束而发光荧光物质：吸收电子束而发光l 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1/101/10所需的时间所需的时间l 刷新刷新(Refresh)(Refresh)：为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值：为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值l 刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数l像素像素(Pixel:Picture Cell)(Pixel:Picture Cell)：构成屏幕（图像）的最小元素：构成屏幕（图像）的最小元素l 分辨率分辨率(Resolution)(Resolution)：CRTCRT在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大像素个数，单位通常为像素个数，单位通常为dpidpi（dots per inch)dots per inch)。在假定屏幕尺寸一定的情。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，如况下，也可用整个屏幕所能容纳的像素个数描述，如640*480640*480，800*600800*600，1024*7681024*768，1280*10241280*1024等等等等某种CRT产生稳定图像所需要的最小刷新频率=1秒/荧光物质的持续发光时间（例如）=1000/40=25Hz2.1.1 阴极射线管阴极射线管现在学习的是第8页，共41页n n产生彩色的常用方法：射线穿透法、影孔板法产生彩色的常用方法：射线穿透法、影孔板法n n射线穿透法射线穿透法n n原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光物质，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，决定所产生的颜色电子束轰击穿透荧光层的深浅，决定所产生的颜色n n应用：主要用于画线显示器应用：主要用于画线显示器n n优点：成本低优点：成本低n n缺点：只能产生有限几种颜色缺点：只能产生有限几种颜色电子束电子束荧光涂层荧光涂层产生颜色产生颜色低速电子束低速电子束较低速电子束较低速电子束较高速电子束较高速电子束高速电子束高速电子束2.1.2 2.1.2 彩色阴极射线管彩色阴极射线管现在学习的是第9页，共41页n n影孔板法影孔板法影孔板法影孔板法n n原理：影孔板被安装在荧光屏的内表面，用于精原理：影孔板被安装在荧光屏的内表面，用于精原理：影孔板被安装在荧光屏的内表面，用于精原理：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确定位像素的位置确定位像素的位置确定位像素的位置外层玻璃荧光涂层影孔板影孔板2.1.2 彩色阴极射线管彩色阴极射线管现在学习的是第10页，共41页n n影孔板的类型影孔板的类型影孔板的类型影孔板的类型n n点状影孔板点状影孔板点状影孔板点状影孔板代表：大多数球面与柱面显像管代表：大多数球面与柱面显像管代表：大多数球面与柱面显像管代表：大多数球面与柱面显像管n n栅格式影孔板栅格式影孔板栅格式影孔板栅格式影孔板代表：代表：代表：代表：SonySonySonySony的的的的TrinitronTrinitronTrinitronTrinitron与与与与MitsubishiMitsubishiMitsubishiMitsubishi的的的的DiamondtronDiamondtronDiamondtronDiamondtron显像管显像管显像管显像管n n沟槽式影孔板沟槽式影孔板沟槽式影孔板沟槽式影孔板代表：代表：代表：代表：LGLGLGLG的的的的FlatronFlatronFlatronFlatron显像管显像管显像管显像管2.1.2 彩色阴极射线管彩色阴极射线管现在学习的是第11页，共41页n n点状影孔板工作原理点状影孔板工作原理点状影孔板工作原理点状影孔板工作原理n n红、绿、兰三基色红、绿、兰三基色红、绿、兰三基色红、绿、兰三基色n n三色荧光点（很小并充分靠近三色荧光点（很小并充分靠近三色荧光点（很小并充分靠近三色荧光点（很小并充分靠近-像素）像素）像素）像素）n n三支电子枪三支电子枪三支电子枪三支电子枪电子枪、影孔板中的一个小孔和荧光点荧光点呈一直线；每个小孔与一个像素（即三个荧光点荧光点）对应2.1.2 彩色阴极射线管彩色阴极射线管现在学习的是第12页，共41页n n显示器能同时显示的颜色个数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l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。2.1.2 彩色阴极射线管彩色阴极射线管现在学习的是第13页，共41页*纯平显示器纯平显示器*n n走向平面的显像管走向平面的显像管n n球面显象管：球面显象管：n n表面：球面的一部分表面：球面的一部分 时间：时间：9090年代初年代初n n柱面显象管：柱面显象管：n n表面：柱面的一部分，垂直方向上平直，水平方向上有弯曲表面：柱面的一部分，垂直方向上平直，水平方向上有弯曲n n时间：时间：9090年代中期年代中期n n代表：代表：SonySony公司的公司的TrinitronTrinitron，MitsubishiMitsubishi公司的公司的DiamondtronDiamondtronn n平面直角显象管平面直角显象管n n表面：球面的一部分，类似于平面表面：球面的一部分，类似于平面 时间：时间：9090年代中后期年代中后期n n现在市场上的主流显象管现在市场上的主流显象管n n纯平显象管纯平显象管n n表面：纯平面表面：纯平面 时间：时间：9090年代后期年代后期n n代表：代表：SonySony公司的公司的FD TrinitronFD Trinitron，MitsubishiMitsubishi公司的公司的DiamondtronDiamondtron，SamsungSamsung公司的公司的DanyFlatDanyFlat，LGLG公司的公司的FlatronFlatronn n今后的主流显象管今后的主流显象管现在学习的是第14页，共41页*LCD显示器显示器*n n采用空气等离子体技术，n n空气等离子体可想象成一个个微型霓虹灯，红绿蓝三种不同颜色的像素。n n显示屏薄，挂在墙上。n n发光聚合物技术，坚不可摧；柔韧性好，可以卷起来；显示画面具有无与伦比的清晰度。真正的平面直角。现在学习的是第15页，共41页2.1.3 随机扫描的显示系统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。特点：电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分。逻逻 辑辑 部部 件件：刷刷 新新 存存 储储 器器(Refreshing(Refreshing Buffer),Buffer),显显 示示 处处 理理 器器（DPU:Display Processing UuitDPU:Display Processing Uuit）和）和CRTCRT现在学习的是第16页，共41页l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，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。2.1.3 随机扫描的显示系统随机扫描的显示系统现在学习的是第17页，共41页2.1.4 光栅扫描的显示系统光栅扫描的显示系统n n光栅扫描显示系统光栅扫描显示系统光栅扫描显示系统光栅扫描显示系统n n特点：光栅扫描特点：光栅扫描特点：光栅扫描特点：光栅扫描n n扫描线扫描线扫描线扫描线n n帧帧帧帧n n水平回扫期水平回扫期水平回扫期水平回扫期n n垂直回扫期垂直回扫期垂直回扫期垂直回扫期现在学习的是第18页，共41页n n绘图过程2.1.4 光栅扫描的显示系统光栅扫描的显示系统现在学习的是第19页，共41页-显示器的分辨率l电子束按固定的扫描顺序进行扫描N条扫描线，每条扫描线有M个像素，M*N显示器的分辨率。2.1.4 光栅扫描的显示系统光栅扫描的显示系统现在学习的是第20页，共41页n n逻辑部件：帧缓冲存储器（逻辑部件：帧缓冲存储器（Frame Buffer)Frame Buffer)，视频控制（，视频控制（Video Video Controller)Controller)，显示处理器（，显示处理器（Display ProcessorDisplay Processor），），CRTCRTn n帧缓冲存储器简称帧缓冲器，俗称显存帧缓冲存储器简称帧缓冲器，俗称显存n n作用：存储屏幕上像素的颜色值作用：存储屏幕上像素的颜色值l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。l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）。2.1.4 光栅扫描的显示系统光栅扫描的显示系统现在学习的是第21页，共41页彩显：彩显：n n若若每每个个单单元元有有2424位位（每每种种基基色色占占8 8位位）即即显显示示系系统统可可同同时时产产生生2 22424种种颜颜色色（2424位真彩色）位真彩色）n n分辨率分辨率M*NM*N、颜色个数、颜色个数K K与显存大小与显存大小V V的关系的关系3 3个位面分辩率是个位面分辩率是1024102410241024的显示器，需要的显示器，需要310241024310241024（31457283145728）位的存储器。若）位的存储器。若存储器位长固定，则屏幕分辩率与同存储器位长固定，则屏幕分辩率与同时可用的颜色种数成反比关系。时可用的颜色种数成反比关系。1 1兆字节的帧缓存，若设分辩率兆字节的帧缓存，若设分辩率为为640480640480，则帧缓存每个单元可有，则帧缓存每个单元可有2424位，可能同时显示位，可能同时显示2 22424种种颜色，若设分辩率为颜色，若设分辩率为10247681024768，则每个单元分得的位数仅略多，则每个单元分得的位数仅略多于于8 8，只能工作于，只能工作于256256色显示模式下。色显示模式下。2.1.4 光栅扫描的显示系统光栅扫描的显示系统现在学习的是第22页，共41页彩显：彩显：n n显存问题显存问题n n高分辨率和真彩要求有大的显存；高分辨率和真彩要求有大的显存；n n曾经是个问题！曾经是个问题！n n解决方法：采用查色表(Lookup Table）或称彩色表）或称彩色表(Color Table)(Color Table)n n查色表工作原理查色表工作原理1024*768真彩模式需要真彩模式需要3M字节显存字节显存2.1.4 光栅扫描的显示系统光栅扫描的显示系统现在学习的是第23页，共41页查色表（look up Table）或称（color table）n n是是一一维维线线性性表表，其其每每一一项项的的内内容容对对应应一一种种颜颜色色，它它的的长长度度由由帧帧缓缓存存单单元元的的位位数数决决定定，例例如如：每每单单元元有有8 8位位，则则查查色色表表的的长长度度为为2 28 8256256n n目目的的：在在帧帧缓缓存存单单元元的的位位数数不不增增加加的的情情况况下下，具具有有大大范范围围内内挑选颜色的能力：挑选颜色的能力：2.1.4 光栅扫描的显示系统光栅扫描的显示系统现在学习的是第24页，共41页存放方式存放方式n n颜色信息在帧缓存中两种存放方式：一是颜色值直接存颜色信息在帧缓存中两种存放方式：一是颜色值直接存储在帧缓存中。二是把颜色码放在一个独立的表中，帧储在帧缓存中。二是把颜色码放在一个独立的表中，帧缓存存放的是颜色表中各项的索引值，颜色范围扩充了。缓存存放的是颜色表中各项的索引值，颜色范围扩充了。n n单色系统：查色表固化n n彩显：可修改、创建查色表。彩显：可修改、创建查色表。2.1.4 光栅扫描的显示系统光栅扫描的显示系统现在学习的是第25页，共41页带宽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*帧频彩显：2.1.4 光栅扫描的显示系统光栅扫描的显示系统现在学习的是第26页，共41页隔行扫描隔行扫描工作原理n n一帧完整的画面分成两场。n n一场160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160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。2.1.4 光栅扫描的显示系统光栅扫描的显示系统现在学习的是第27页，共41页n n简单的光栅扫描图形显示系统的结构简单的光栅扫描图形显示系统的结构n n较为典型的光栅扫描图形显示系统的结构较为典型的光栅扫描图形显示系统的结构其中，帧缓存为系统内存任一块区域，视频控制器能够直接存取该区域以刷新屏幕。其中，帧缓存可以是专用的存储器，也可以是系统内存中的一块固定区域。2.1.4 光栅扫描的显示系统光栅扫描的显示系统现在学习的是第28页，共41页视频控制器n n作用：作用：作用：作用：建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应，负责建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应，负责刷新刷新刷新刷新n n逻辑结构逻辑结构逻辑结构逻辑结构n n工作原理工作原理工作原理工作原理刷新周期开始，光栅扫描发生器置刷新周期开始，光栅扫描发生器置X X地址寄存地址寄存器为器为0 0，置，置Y Y地址寄存器为地址寄存器为N-1N-1，首先取出对应像素（，首先取出对应像素（0 0，N-N-1 1）的帧缓存单元的数值）的帧缓存单元的数值,放入像素值寄存器，用来控制放入像素值寄存器，用来控制像素的颜色，然后像素的颜色，然后X X的地址寄存器的地址加一，如此重复，的地址寄存器的地址加一，如此重复，直到该扫描线上的最后一个像素。直到该扫描线上的最后一个像素。双缓冲机制（双缓冲机制（双缓冲机制（双缓冲机制（Double Buffer)Double Buffer)Double Buffer)Double Buffer)普通显卡=视频控制器+显存2.1.4 光栅扫描的显示系统光栅扫描的显示系统现在学习的是第29页，共41页显示处理器n n作用：代替作用：代替CPUCPU完成部分图形处理功能，扫描转换、几何变完成部分图形处理功能，扫描转换、几何变换、裁剪、光栅操作、纹理映射等等换、裁剪、光栅操作、纹理映射等等n n具有专用显示处理器的光栅显示系统的结构具有专用显示处理器的光栅显示系统的结构图形加速卡=视频控制器+显存+显示处理器2.1.4 光栅扫描的显示系统光栅扫描的显示系统现在学习的是第30页，共41页n n光栅显示系统的特点光栅显示系统的特点n n优点：优点：n n成本低成本低n n易于绘制填充图形易于绘制填充图形n n色彩丰富色彩丰富n n刷新频率一定，与图形的复杂程度无关刷新频率一定，与图形的复杂程度无关n n易于修改图形易于修改图形n n缺点：缺点：n n需要扫描转换需要扫描转换n n会产生混淆会产生混淆缺点正在被克服优点使其占据了市场主流2.1.4 光栅扫描的显示系统光栅扫描的显示系统现在学习的是第31页，共41页2.2 图形系统及其标准图形系统及其标准n n硬件，图形硬件，图形 I/O I/O 设备，系统软件，图形软件。设备，系统软件，图形软件。n n图形软件：通用编程软件包，专用应用软件包。n n通用类：提供一个可用于高级程序语言的图形功能扩通用类：提供一个可用于高级程序语言的图形功能扩展集展集(比如，比如，OpenGL).OpenGL).n n基本功能：图元生成，属性设置（颜色，基本功能：图元生成，属性设置（颜色，.）选择观察）选择观察及实施变换等。及实施变换等。n n专用类：不关心图形操作过程（比如，CAD系统。现在学习的是第32页，共41页图形系统标准图形系统标准n n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。现在学习的是第33页，共41页图形系统标准分类图形系统标准分类n n面向图形设备的接口标准：计算机图形元文件计算机图形元文件(CGM)(CGM)，(CRT,Mouse,)(CRT,Mouse,)计算机图形接口计算机图形接口(CGI).(CGI).设备驱动程序。设备驱动程序。n n面向应用软件的标准：程序员层次交互式图形系统（程序员层次交互式图形系统（PHIGSPHIGS）,GL(,GL(图形程序图形程序包包)（三维）图形核心系统（三维）图形核心系统（3D-)GKS3D-)GKSn n面向图形应用系统中工程和产品数据模型及其文件格式：基本图形转换规范（基本图形转换规范（IGESIGES）产品数据转换规范（产品数据转换规范（STEPSTEP）现在学习的是第34页，共41页CGI（ISO DP 9636)n n-提供控制图形硬件的一种与设备无关的方法n n-也可看作图形设备驱动程序的一种标准。n n-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。现在学习的是第35页，共41页CGM(ISO IS8632)CGM(ISO IS8632)-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。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，和面向系统和系统开发者，和CGICGI配套提供。配套提供。-通用性是其关键属性。通用性是其关键属性。现在学习的是第36页，共41页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。与语言无关。-GKS-GKS提供了一个称为元文件的顺序文件接口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应用程序的所有图形资源由GKSGKS控制（通过控制（通过GKSGKS元文件-GKSM-GKSM）-GKSM-GKSM用于用于:图形信息存档；系统传送图形信息；图形信息存档；系统传送图形信息；在在GKSGKS应用程序间传送图形信息；应用程序间传送图形信息；与图形与图形信息相关的非图形信息的存储和复用。信息相关的非图形信息的存储和复用。现在学习的是第37页，共41页PHIGS（ISO IS9592）-向应用程序员提供的控制图形设备的图形系统接口；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；图形数据按层次结构组织；-提供动态修改和绘制显示图形数据的手段。是一个高度动提供动态修改和绘制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。态化和交互式图形系统。现在学习的是第38页，共41页GLn n图形程序库，n nUNIX下运行，n nOpenGL微机，n n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。现在学习的是第39页，共41页IGESIGES（基本图形转换规范）（基本图形转换规范）n n-Initial Graphics Exchange Specification-Initial Graphics Exchange Specificationn n-作用：不同的作用：不同的CAD/CAMCAD/CAM系统之间交换数据。系统之间交换数据。n n-文件格式是文件格式是ASCIIASCII码，五节：开始节，目录入口(DE)(DE)，参数，参数(DP)(DP)节，整体节和结束节。现在学习的是第40页，共41页STEPSTEP（产品模型数据转换标准）（产品模型数据转换标准）n n-Standard for the Exchange of Product model Data.-Standard for the Exchange of Product model Data.n n-覆盖产品整个生命周期n n-强调建立能存入数据库中的一个产品模型的完整表示。n n-克服克服IGESIGES中的问题和缺点。现在学习的是第41页，共41页