计算机图形学(第二章计算机图形系统).ppt

《计算机图形学(第二章计算机图形系统).ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机图形学(第二章计算机图形系统).ppt（88页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第第2 2章章 计算机图形系统计算机图形系统目目 录录2.1 2.1 计算机图形系统概述计算机图形系统概述2.2 2.2 图形输入设备图形输入设备2.3 2.3 图形绘制设备图形绘制设备2.4 2.4 图形显示系统图形显示系统2.5 2.5 图形软件标准图形软件标准2.6 Visual C+2.6 Visual C+的图形程序开发方法的图形程序开发方法2.7 OpenGL2.7 OpenGL程序设计基础程序设计基础2.1计算机图形系统概述计算机图形系统概述2.1.1 计算机图形系统的结构2.1.2 计算机图形系统的基本功能2.1.1计算机图形系统的结构计算机图形系统的结构计算机图形系统图形软件

2、系统图形硬件系统 图形应用软件图形支撑软件图形计算机平台图形设备2.1.22.1.2计算机图形系统的基本功能计算机图形系统的基本功能1、处理功能：处理功能：包含形体设计、分析，图形描述，基本几何元素（点、线、包含形体设计、分析，图形描述，基本几何元素（点、线、面等）的表示、求交运算、分类、几何变换，光、色模型的建立和计算，面等）的表示、求交运算、分类、几何变换，光、色模型的建立和计算，干涉检测等。干涉检测等。2、存储功能：存储功能：存储图形数据，包括图形几何数据、拓扑关系及属性信息等。存储图形数据，包括图形几何数据、拓扑关系及属性信息等。3、交互功能：交互功能：通过图形显示器和图形输入设备实现

3、用户与图形系统的人机通过图形显示器和图形输入设备实现用户与图形系统的人机通信。用户通过显示屏幕观察设计的图形，利用交互输入设备对图形进行通信。用户通过显示屏幕观察设计的图形，利用交互输入设备对图形进行在线的操作（增加、删除、修改等）以得到满意的设计结果。在线的操作（增加、删除、修改等）以得到满意的设计结果。4、输入功能：输入功能：将图形的形状、尺寸等有关的图形数据和操作命令输入到计将图形的形状、尺寸等有关的图形数据和操作命令输入到计算机中去。算机中去。5、输出功能：输出功能：把所设计的图形从计算机中输出出来，包括显示输出和硬拷把所设计的图形从计算机中输出出来，包括显示输出和硬拷贝输出两种形式。

4、贝输出两种形式。2.2 2.2 图形输入设备图形输入设备作用：作用：图形输入设备用于输入图形数据或图形操作命令图形输入设备用于输入图形数据或图形操作命令分类：分类：一般应用输入设备类：鼠标、键盘、光笔等一般应用输入设备类：鼠标、键盘、光笔等 特殊用途的图形输入设备：数据手套、触摸板、特殊用途的图形输入设备：数据手套、触摸板、图像扫描仪等图像扫描仪等2.2.1 2.2.1 一般应用图形输入设备一般应用图形输入设备控制光标移动用来输入定位坐标或选择操作的输入设备，它将移动距离及控制光标移动用来输入定位坐标或选择操作的输入设备，它将移动距离及方向的信息变成数字脉冲信息送给计算机，由计算机转换成光标的

5、坐标数方向的信息变成数字脉冲信息送给计算机，由计算机转换成光标的坐标数据，从而达到定位目的。据，从而达到定位目的。根据位移测量方法不同将其根据位移测量方法不同将其分为分为：机电式、光机式和光电式三种：机电式、光机式和光电式三种。最基本的输入设备，具有最基本的输入设备，具有ASCII编码键、命令控制键和功能编码键、命令控制键和功能键，能用来输入图形坐标、选择菜单、选择图形功能等。键，能用来输入图形坐标、选择菜单、选择图形功能等。1 1、键键盘盘2 2、鼠鼠标标光笔是一种检测装置，是光笔是一种检测装置，是“能检测出光的笔能检测出光的笔”。它。它靠检测荧光屏上的发光点来选择屏幕的位置坐标。靠检测荧光

6、屏上的发光点来选择屏幕的位置坐标。3 3、光笔光笔（Ligt Pen）光笔的基本功能光笔的基本功能：定位、拾取和笔划跟踪。拾取是选中显示器：定位、拾取和笔划跟踪。拾取是选中显示器上已显示的图形或文字。笔划跟踪是用光笔拖动光标实现定位上已显示的图形或文字。笔划跟踪是用光笔拖动光标实现定位游戏杆：游戏杆：是有一根手柄的可摇动装置。手柄通过一个球形是有一根手柄的可摇动装置。手柄通过一个球形轴承半固定在底座上，在手柄运动时带动一对电位器或电轴承半固定在底座上，在手柄运动时带动一对电位器或电脉冲产生器产生信号，控制屏幕上的光标的运动。脉冲产生器产生信号，控制屏幕上的光标的运动。跟踪球：跟踪球：跟踪球是一

7、个球，可用手掌或掌心旋转使屏幕光跟踪球是一个球，可用手掌或掌心旋转使屏幕光标移动。附加的电位计量器用来测量球的旋转量和方向。标移动。附加的电位计量器用来测量球的旋转量和方向。4 4、游戏杆、游戏杆（Joy Stick）和跟踪球和跟踪球触摸屏触摸屏是允许用手指触摸的方式选择显示屏幕位置的显示器。是允许用手指触摸的方式选择显示屏幕位置的显示器。根据触点记录方式将触摸屏根据触点记录方式将触摸屏分为分为光学的、电子的和声学。光学的、电子的和声学。5 5、触摸屏（触摸屏（Touch ScreenTouch Screen）2.2.2 2.2.2 特殊应用图形输入设备特殊应用图形输入设备特殊应用图形输入设备

8、是指那些用于专门目的的图特殊应用图形输入设备是指那些用于专门目的的图形输入专门设备。形输入专门设备。这里仅介绍这里仅介绍数字化仪、图象扫描仪、数码相机和数数字化仪、图象扫描仪、数码相机和数据手套。据手套。又称绘图板，是用来给物体作画、着色或交互选择坐标位置又称绘图板，是用来给物体作画、着色或交互选择坐标位置的常用设备。这些设备可输入两维或三维空间的坐标。通常，的常用设备。这些设备可输入两维或三维空间的坐标。通常，数字化仪在所绘制的图或对象上扫描，并输入一组随机的坐数字化仪在所绘制的图或对象上扫描，并输入一组随机的坐标位置，相互之间以直线段连接，以逼近曲线或表面形状。标位置，相互之间以直线段连接

9、，以逼近曲线或表面形状。标准的数字化仪有标准的数字化仪有两个主要部分两个主要部分：（）坚固的、内部布满：（）坚固的、内部布满金属栅格的图板；（）提供位置信息的定位器。金属栅格的图板；（）提供位置信息的定位器。1 1、数字化仪（、数字化仪（DigitizerDigitizer）扫描仪是扫描仪是一种图像输入设备，是直接把图形（工程图纸）和一种图像输入设备，是直接把图形（工程图纸）和图像（照片、广告等）扫描输入到计算机中并以图像形式图像（照片、广告等）扫描输入到计算机中并以图像形式存储表示的设备。存储表示的设备。按扫描仪所支持的颜色可分为单色扫描仪和彩色扫描仪；按按扫描仪所支持的颜色可分为单色扫描仪

10、和彩色扫描仪；按其所采用的固态器件又可分为电荷耦合器件（其所采用的固态器件又可分为电荷耦合器件（CCDCCD）扫描仪、）扫描仪、MOSMOS电路扫描仪和紧贴型扫描仪；按扫描宽度和操作方式可电路扫描仪和紧贴型扫描仪；按扫描宽度和操作方式可以分为大型扫描仪、台式扫描仪和手持式扫描仪。以分为大型扫描仪、台式扫描仪和手持式扫描仪。扫描仪的扫描仪的两个重要指标两个重要指标是分辨率和支持的颜色数或灰度等级，是分辨率和支持的颜色数或灰度等级，如分辨率为如分辨率为1200dpi1200dpi（dots per inchdots per inch），颜色为），颜色为3232位真彩位真彩色。现在大多扫描仪都提供分

11、辨率和颜色、灰度的选择功色。现在大多扫描仪都提供分辨率和颜色、灰度的选择功能。能。2 2、图象扫描仪（图象扫描仪（ImageScannerImageScanner）数码相机是专门用来获取数字化图像的照相机。虽数码相机是专门用来获取数字化图像的照相机。虽然它从外观上看很像一架普通的光学照相机，但内然它从外观上看很像一架普通的光学照相机，但内部结构却大不相同。数码相机利用电耦合器件成像，部结构却大不相同。数码相机利用电耦合器件成像，图像存储在半导体器件上。数码相机作为计算机的图像存储在半导体器件上。数码相机作为计算机的输入设备，将存储在半导体器件上的图像输入到计输入设备，将存储在半导体器件上的图像

12、输入到计算机中，并利用相应的软件进行编辑处理，可用彩算机中，并利用相应的软件进行编辑处理，可用彩色打印机打印输出。色打印机打印输出。另外数据手套也是一种特殊的图形输入设备，主要另外数据手套也是一种特殊的图形输入设备，主要用于对虚拟场景中的对象定位，它与头盔联合使用，用于对虚拟场景中的对象定位，它与头盔联合使用，可直接操纵与观察三维虚拟场景中的对象。可直接操纵与观察三维虚拟场景中的对象。3 3、数码相机、数码相机（Digital Camera）2.3图形绘制设备图形绘制设备图形输出包括图形显示和图形绘制。图形绘图形输出包括图形显示和图形绘制。图形绘制通常指把图形画在纸上，也称硬拷贝。绘制通常指把

13、图形画在纸上，也称硬拷贝。绘图仪和打印机是两种最常用的硬拷贝设备。图仪和打印机是两种最常用的硬拷贝设备。2.3.1绘图仪绘图仪绘图仪分绘图仪分笔式绘图仪笔式绘图仪和和喷墨式绘图仪喷墨式绘图仪两种。喷墨式绘图仪的工作原理两种。喷墨式绘图仪的工作原理是利用电脉冲控制喷墨头，由喷墨头上的喷嘴把墨滴喷到图纸上而形是利用电脉冲控制喷墨头，由喷墨头上的喷嘴把墨滴喷到图纸上而形成图形。笔式绘图仪又分为滚筒式绘图仪和平板式绘图仪两种。成图形。笔式绘图仪又分为滚筒式绘图仪和平板式绘图仪两种。滚筒式绘图仪是把有孔的绘图纸卷在有突针的滚筒上，机架静止，笔滚筒式绘图仪是把有孔的绘图纸卷在有突针的滚筒上，机架静止，笔在

14、托架上运动，绘图纸在滚轮上沿托架前后移动，从而绘制出图形。在托架上运动，绘图纸在滚轮上沿托架前后移动，从而绘制出图形。绘图纸和绘图工具笔的运动是由两只步进电机带动，通过控制两只步绘图纸和绘图工具笔的运动是由两只步进电机带动，通过控制两只步进电机进行绘图。绘图工具可以是笔，也可以是彩色喷墨头。滚筒式进电机进行绘图。绘图工具可以是笔，也可以是彩色喷墨头。滚筒式绘图仪一般结构较简单、价格较低，但精度和速度不高。绘图仪一般结构较简单、价格较低，但精度和速度不高。平板式绘图仪有一块绘图平板，图纸平铺在绘图平板上，横梁和笔架平板式绘图仪有一块绘图平板，图纸平铺在绘图平板上，横梁和笔架运动。这种绘图仪精度高

15、、速度快、但价格也较高。绘图笔的运动有运动。这种绘图仪精度高、速度快、但价格也较高。绘图笔的运动有六种基本动作：、四个方向上的移动和抬笔、六种基本动作：、四个方向上的移动和抬笔、落笔。因此，任何绘图路线都只能由这四个方向的基本运动组成。落笔。因此，任何绘图路线都只能由这四个方向的基本运动组成。2.3.2 2.3.2 打印机打印机打印机可用来输出文本、数据和图形。目前打印机可用来输出文本、数据和图形。目前常用的打印机主要有针式打印机、喷墨打印常用的打印机主要有针式打印机、喷墨打印机和激光打印机。机和激光打印机。1 1、针式打印机、针式打印机针式打印机的打印机头上装有一组打印钢针，在打针式打印机的

16、打印机头上装有一组打印钢针，在打印机和打印头之间装有色带，通过选择打出的某些印机和打印头之间装有色带，通过选择打出的某些钢针撞击色带和纸将点阵图案印在纸上。打印时打钢针撞击色带和纸将点阵图案印在纸上。打印时打印头从左至右移动来打印一行，当打完一行后打印印头从左至右移动来打印一行，当打完一行后打印纸以一定的行距向前移动，以便打印下一行。这种纸以一定的行距向前移动，以便打印下一行。这种打印机因机器本身和耗材的价格便宜而被普遍使用，打印机因机器本身和耗材的价格便宜而被普遍使用，但作为图形输出设备时因其输出精度太低致使图形但作为图形输出设备时因其输出精度太低致使图形质量很差。质量很差。2 2、喷墨打印

17、机、喷墨打印机喷墨打印机的喷墨打印机的基本原理基本原理是通过喷墨头在打印纸上横向移动时将小墨点喷是通过喷墨头在打印纸上横向移动时将小墨点喷射到打印纸上来形成图案的。墨水泵将黄、品红、青射到打印纸上来形成图案的。墨水泵将黄、品红、青3种颜色的墨水分别种颜色的墨水分别注入注入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。喷到纸上。喷墨打印机因其价格较激光打印机便宜，使用彩色墨盒的彩喷可打印彩喷墨打印机因其价格较激光打印机便宜，使用彩色墨盒的彩喷可打印彩色图形，所以是较理想的图形打印设备，但速度较慢且耗财昂贵。色图形，

18、所以是较理想的图形打印设备，但速度较慢且耗财昂贵。3 3、激光打印机、激光打印机激光打印机的基本原理：用激光束在光敏鼓上扫激光打印机的基本原理：用激光束在光敏鼓上扫描，通过控制激光束的开关来控制光敏鼓是否吸描，通过控制激光束的开关来控制光敏鼓是否吸附碳粉。当光敏鼓在纸上滚动时，便能在纸上输附碳粉。当光敏鼓在纸上滚动时，便能在纸上输出图形等信息。出图形等信息。激光打印机有效地利用了激光的定向性、单色性激光打印机有效地利用了激光的定向性、单色性和能量密集性，结合电子扫描技术的高灵敏度和和能量密集性，结合电子扫描技术的高灵敏度和快速存取等特性，使输出图形图像的质量非常高，快速存取等特性，使输出图形图

19、像的质量非常高，是理想的图形输出设备。激光打印机正朝着高速是理想的图形输出设备。激光打印机正朝着高速度、高精度、低噪音、彩色化的方向发展。度、高精度、低噪音、彩色化的方向发展。2.4图形显示系统图形显示系统图形显示指的是在显示器屏幕上输出图形，图形显示指的是在显示器屏幕上输出图形，显示器通过显示卡接到系统总线上，显示器显示器通过显示卡接到系统总线上，显示器和显示卡共同构成了显示系统。和显示卡共同构成了显示系统。2.4.1显示器显示器显示器是显示图形的设备。根据显示器外形显示器是显示图形的设备。根据显示器外形可将其分为两种类型：阴极射线管式可将其分为两种类型：阴极射线管式（CRT）显示器和平板显

20、示器（液晶显示器、）显示器和平板显示器（液晶显示器、等离子显示器、激光显示器等）。在应用中，等离子显示器、激光显示器等）。在应用中，以前是以以前是以CRT显示器为主；目前，由于液晶显示器为主；目前，由于液晶显示器价格的大幅降低，使用日渐增多，大显示器价格的大幅降低，使用日渐增多，大有取代有取代CRT显示器的趋势。显示器的趋势。1、阴极射线管（、阴极射线管（CRT）阴极射线管（阴极射线管（CRT，CathodeRayTube）是）是CRT显示器的主要组成部分。根据阴极射线显示器的主要组成部分。根据阴极射线管的可显示颜色数可分为单色阴极射线管和管的可显示颜色数可分为单色阴极射线管和彩色阴极射线管两

21、种。彩色阴极射线管两种。（1）单色阴极射线管）单色阴极射线管CRT是一种真空器件，利用电磁场产生高速是一种真空器件，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位置轰击屏幕表面的荧光材料而产生可见图形。形。阴极射线管的各组成部分及其功能：阴极射线管的各组成部分及其功能：电灯丝：电灯丝：通电后变热以给阴极加热。通电后变热以给阴极加热。阴极：阴极：由灯丝加热后释放自由电子，在其周围形成电子云。由灯丝加热后释放自由电子，在其周围形成电子云。控制栅：控制栅：加上负电压后，能够控制通过其中小孔的带负电加上负电压后，能

22、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，的电子束的强弱。通过调节负电压高低来控制电子数量，来控制荧光屏上相应点的亮度。来控制荧光屏上相应点的亮度。聚焦系统：聚焦系统：保证电子束在轰击屏幕时，汇聚成很细的点。保证电子束在轰击屏幕时，汇聚成很细的点。加速电极：加速电极：对电子束加速，用于产生高速电子束。对电子束加速，用于产生高速电子束。偏转系统：偏转系统：控制电子束的偏转路径，以轰击屏幕的特定位控制电子束的偏转路径，以轰击屏幕的特定位置。置。屏幕：屏幕：内壁涂有荧光粉，常称作荧光屏，是内壁涂有荧光粉，常称作荧光屏，是CRT显示图形显示图形的表面。的表面。（2）彩

23、色阴极射线管彩色阴极射线管如果显示屏上只涂一种荧光粉，则只能发出一种光色，这如果显示屏上只涂一种荧光粉，则只能发出一种光色，这种显示器称作单色显示器，色彩单调。彩色显示器利用能种显示器称作单色显示器，色彩单调。彩色显示器利用能发出不同光色的荧光粉的光色组合来显示彩色图形。最常发出不同光色的荧光粉的光色组合来显示彩色图形。最常用的用的CRT彩色显示器采用的是荫罩式彩色显像管。彩色显示器采用的是荫罩式彩色显像管。根据影孔板孔的形状可将影孔板分为三类：根据影孔板孔的形状可将影孔板分为三类：点状影孔板：点状影孔板：大多数球面与柱面显像管采用此类影孔板。大多数球面与柱面显像管采用此类影孔板。由于太多电子

24、无法穿过荫罩孔而直接打在荫罩上，导致长时由于太多电子无法穿过荫罩孔而直接打在荫罩上，导致长时间工作后，荫罩容易出现过热导致变形，影响屏幕的局部色间工作后，荫罩容易出现过热导致变形，影响屏幕的局部色纯。但其抗震性好。纯。但其抗震性好。栅格式影孔板：栅格式影孔板：这种并行排列的方式容易对齐，调出的颜这种并行排列的方式容易对齐，调出的颜色也较鲜艳，常用于高分辨率的彩色色也较鲜艳，常用于高分辨率的彩色CRT显示器。如，显示器。如，Sony的的Trinitron与与Mitsubishi的的Diamondtron显像管采用此类影孔显像管采用此类影孔板。板。沟槽式影孔板：沟槽式影孔板：长形板孔在保证荫罩强度

25、的前提下，提高长形板孔在保证荫罩强度的前提下，提高了电子透过率。了电子透过率。LG的的Flatron显像管采用此类影孔板。显像管采用此类影孔板。（a）点状影孔板 （b）栅格式影孔板 （c）沟槽式影孔板2 2、CRTCRT图形显示器图形显示器按其扫描方式，按其扫描方式，CRT显示器可分为显示器可分为随机扫描随机扫描显示器显示器（又称矢量显示器）、（又称矢量显示器）、直视存储管图直视存储管图形显示器形显示器和和光栅扫描式显示器光栅扫描式显示器三种。它们的三种。它们的原理不同，可显示的图形种类不同，因此用原理不同，可显示的图形种类不同，因此用途也不同。途也不同。（1）随机扫描的图形显示器随机扫描的图

26、形显示器随机扫描图形显示器随机扫描图形显示器，又称向量（，又称向量（vector）显示器、笔划）显示器、笔划（Strokewriting）显示器，是画线设备，其特点是电子束）显示器，是画线设备，其特点是电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分。可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分。优点：优点：扫描速度快，分辨率高，线条质量好，易修改，交扫描速度快，分辨率高，线条质量好，易修改，交互性好，动态性能好。互性好，动态性能好。缺点：缺点：价格贵；只能显示线框图形，并不能显示逼真的有价格贵；只能显示线框图形，并不能显示逼真的有阴影场景。阴影场景。应用领域：应用领域：主要应用于军事、主要应用于军事、CA

27、D领域。领域。（2）直视存储管图形显示器）直视存储管图形显示器直视存储管直视存储管DVST（direct-viewstoragetube）通过紧贴在屏）通过紧贴在屏幕荧光层后的电荷分布（存储栅）来存储图形信息。从表面幕荧光层后的电荷分布（存储栅）来存储图形信息。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。一旦画在屏幕上，在一小时之内都将是可见的。DVST的特点有：无需刷新，很复杂的图形也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

28、能需要几秒钟。（3)光栅扫描式显示器光栅扫描式显示器目前使用最广泛的目前使用最广泛的CRT显示器是基于电视技术的光显示器是基于电视技术的光栅扫描式显示器。在光栅扫描系统中，电子束横向栅扫描式显示器。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。当电子扫描屏幕，一次一行，从顶到底顺次进行。当电子束横向沿一行移动时，电子束的强度不断变化来建束横向沿一行移动时，电子束的强度不断变化来建立亮点的图案。立亮点的图案。关于光栅扫描的几个概念如下：关于光栅扫描的几个概念如下：帧：帧：电子束从左到右、自等至底扫描一遍，对应于一帧。电子束从左到右、自等至底扫描一遍，对应于一帧。水平回扫：水平

29、回扫：每条扫描线末端，电子束返回到屏幕的左端，称每条扫描线末端，电子束返回到屏幕的左端，称为电子束的水平回扫。回扫时关闭电子枪。为电子束的水平回扫。回扫时关闭电子枪。垂直回扫：垂直回扫：在每帧的终了，电子束返回到屏幕的左上角，称在每帧的终了，电子束返回到屏幕的左上角，称为电子束的垂直回扫。回扫时关闭电子枪。为电子束的垂直回扫。回扫时关闭电子枪。行频、帧频：行频、帧频：水平扫描频率为行频，垂直扫描频率为帧频。水平扫描频率为行频，垂直扫描频率为帧频。扫描方式：扫描方式：有逐行扫描和隔行扫描。有逐行扫描和隔行扫描。逐行扫描逐行扫描是从屏幕顶端是从屏幕顶端开始，逐行下扫，直到屏幕底部。开始，逐行下扫，

30、直到屏幕底部。隔行扫描隔行扫描是先扫偶数行扫是先扫偶数行扫描线，再扫奇数行扫描线。隔行扫描技术主要用于刷新速率描线，再扫奇数行扫描线。隔行扫描技术主要用于刷新速率较慢的显示器中，以避免闪烁。较慢的显示器中，以避免闪烁。刷新速率：刷新速率：以多少周期以多少周期/秒或赫兹秒或赫兹/秒为单位来描述。一个周秒为单位来描述。一个周期对应一帧。如每秒期对应一帧。如每秒60帧的刷新速率为帧的刷新速率为60Hz/s。采用一定速。采用一定速率的刷新来保持屏幕显示的图形稳定。率的刷新来保持屏幕显示的图形稳定。3、液晶显示器、液晶显示器LCD（LiquidCrystalDisplay）由于由于CRT显示器体积大、重

31、量重、耗电量高、产生显示器体积大、重量重、耗电量高、产生辐射与电磁波干扰等缺点，而液晶显示器能克服这辐射与电磁波干扰等缺点，而液晶显示器能克服这些不足，应用日益广泛，前景十分广阔。些不足，应用日益广泛，前景十分广阔。液晶显示器是基于液晶电光效应的显示器件。液晶是一种介于液体和固体之间的具有规则性分子排列的有机化合物，分子形状为细长棒形，长宽约1nm10nm。在不同电流电场作用下，液晶分子会做规则旋转90度排列，产生透光度的差别，如此在电源ON/OFF下产生明暗的区别。依此原理控制每个像素，便可构成所需图像。液晶显示器由六层薄板组成：第一层是垂直偏光板，第二层是镀在石英平面上的垂直网格线板，第三

32、层是液晶层，第四层是水平网格线板，第五层是水平偏光板，第六层是反射层。在不加电场的情况下，入射光经过偏光板后通过液晶层，偏光被分子扭转排列的液晶层旋转90度。在离开液晶层时，其偏光方向恰与另一偏光板的方向一致，所以光线能顺利通过，使电极面呈光亮。当加入电场的情况时，每个液晶分子的光轴转向与电场方向一致。液晶层也因此失去了旋光的能力，结果来自入射偏光板的偏光，其方向与另一偏光板的偏光方向成垂直的关系，并无法通过，这样电极面就呈现黑暗的状态。液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。显示图像时，通过对显示信号的AD转换，计算出各像素的通断状态后，直接把信

33、号驱动具体像素，控制该液晶像素对光线的通断，就可以在屏幕上生成图像。反射层 水平偏光板 水平网格线 液晶层 垂直网格线 垂直偏光板图2.18 液晶显示器的六层结构 液晶显示器具有如下液晶显示器具有如下优点优点：体积小，重量轻；体积小，重量轻；功耗低（数十功耗低（数十uW/cm以下），散热小；以下），散热小；精确精确还原画面，文字锐利；还原画面，文字锐利；画面不闪烁；画面不闪烁；幅射小；幅射小；屏幕调节简单方便。屏幕调节简单方便。目前，目前，LCD显示器图像质量还不够完善，色彩表显示器图像质量还不够完善，色彩表现和饱和度不及现和饱和度不及CRT显示器，而且响应时间也比显示器，而且响应时间也比CR

34、T显示器长，当画面更新速度快而剧烈时，画显示器长，当画面更新速度快而剧烈时，画面延迟会产生重影、脱尾等现象。面延迟会产生重影、脱尾等现象。2.4.2显示卡显示卡显示卡将显示器连接到系统总线上，并与显显示卡将显示器连接到系统总线上，并与显示器共同构成计算机的显示系统，实现将信示器共同构成计算机的显示系统，实现将信息从显示器显示输出。息从显示器显示输出。显示子系统结构显示子系统结构常用的光栅图形显示子系统的结构：帧缓存由显示控制器直常用的光栅图形显示子系统的结构：帧缓存由显示控制器直接访问，显示图形时所需的扫描转换工作由接访问，显示图形时所需的扫描转换工作由CPU完成，加重完成，加重了了CPU的负

35、担。高级光栅图形显示子系统，增加了显示处理的负担。高级光栅图形显示子系统，增加了显示处理器又称显示协处理器，把器又称显示协处理器，把CPU从图形显示处理的事务中解脱从图形显示处理的事务中解脱出来。其主要任务是扫描转换待显示的图形，甚至一些基本出来。其主要任务是扫描转换待显示的图形，甚至一些基本图形操作，还有与鼠标等交互输入设备的接口。图形操作，还有与鼠标等交互输入设备的接口。图2.19 常用的光栅扫描显示系统结构 2、显示卡的功能、显示卡的功能在在PC机组成的计算机图形系统中，将显示控制器和帧缓存等机组成的计算机图形系统中，将显示控制器和帧缓存等做在一个板卡上，称为图形适配卡或图形显示卡。它直

36、接插做在一个板卡上，称为图形适配卡或图形显示卡。它直接插在主机板的扩展槽上，显示器通过它与计算机相连。在主机板的扩展槽上，显示器通过它与计算机相连。图2.20 显卡3、相关概念、相关概念（1）分辨率）分辨率（2）象素与帧缓存）象素与帧缓存（3）颜色查找表颜色查找表（4）屏幕坐标系屏幕坐标系（1）分辨率（）分辨率（Resolution）光点光点是指电子束打在显示器的荧光屏上能够显示的最小发光点，一般用直径来表是指电子束打在显示器的荧光屏上能够显示的最小发光点，一般用直径来表明光点的大小。在当前的图形显示模式下，屏幕上可以控制的可显示的最小单元，明光点的大小。在当前的图形显示模式下，屏幕上可以控制

37、的可显示的最小单元，被称作被称作像素点像素点 (pixel)(pixel)，它是组成图形的基本元素。，它是组成图形的基本元素。图形显示系统中的三种分辨率概念：图形显示系统中的三种分辨率概念：屏幕分辨率屏幕分辨率，也称为光栅分辨率或物理分辨率，是指也称为光栅分辨率或物理分辨率，是指CRT显示器显示系统能够显示的显示器显示系统能够显示的最大光点数，通常用水平方向上的光点数与垂直方向上的光点数的乘积来表示。最大光点数，通常用水平方向上的光点数与垂直方向上的光点数的乘积来表示。显示分辨率：显示分辨率：是显示控制器所能提供的显示模式分辨率。显示系统的显示模式分为。是显示控制器所能提供的显示模式分辨率。显

38、示系统的显示模式分为。对于文本显示方式，显示分辨率用水平和垂直方向上所能显示的字符总数的乘积表示。文对于文本显示方式，显示分辨率用水平和垂直方向上所能显示的字符总数的乘积表示。文本模式和图形模式对于图形显示方式，显示分辨率是指屏幕上所包含像素的个数，通常用本模式和图形模式对于图形显示方式，显示分辨率是指屏幕上所包含像素的个数，通常用水平和垂直方向上所能显示的象素点总数的乘积表示。水平和垂直方向上所能显示的象素点总数的乘积表示。存储分辨率：存储分辨率：是指帧缓冲区的大小，一般用缓冲区的字节数表示。存储分辨率不仅与是指帧缓冲区的大小，一般用缓冲区的字节数表示。存储分辨率不仅与显示分辨率有关，还与象

39、素点的色彩有关。帧缓存的容量等于显示分辨率乘上每个像素对显示分辨率有关，还与象素点的色彩有关。帧缓存的容量等于显示分辨率乘上每个像素对应的字节数。应的字节数。三种分辨率的概念既三种分辨率的概念既有区别又有联系有区别又有联系，对图形的显示都会产生一定的影响。屏幕分辨率，对图形的显示都会产生一定的影响。屏幕分辨率决定了所能显示的最高分辨率；显示分辨率和存储分辨率对所能显示的图形也有控制作用。决定了所能显示的最高分辨率；显示分辨率和存储分辨率对所能显示的图形也有控制作用。（2）象素与帧缓存）象素与帧缓存屏幕上一个象素点具有颜色、灰度等属性，它们存储在帧屏幕上一个象素点具有颜色、灰度等属性，它们存储在

40、帧缓存中，所以，象素点对应帧缓存中的一组信息，其对应缓存中，所以，象素点对应帧缓存中的一组信息，其对应技术有组合象素法（技术有组合象素法（PackedPixelMethod）和颜色位面法）和颜色位面法（ColorPlaneMethod）。）。帧缓冲存储器帧缓冲存储器CRTCRT光栅光栅电子枪电子枪寄存器寄存器1 1DACDAC图2.21 具有24位面彩色帧缓存的显示器（3）颜色查找表颜色查找表（4）屏幕坐标系屏幕坐标系屏幕是显示图形的场所，为了进行定位，在屏幕上定义了一个屏幕坐标屏幕是显示图形的场所，为了进行定位，在屏幕上定义了一个屏幕坐标系。它给出了第一象限的一个平面区域系。它给出了第一象限

41、的一个平面区域0 xXmax，0yYmax（分辨率（分辨率为（为（Xmax+1）*（Ymax+1）。坐标值是正整数，一对（）。坐标值是正整数，一对（X，Y）坐标）坐标对应一个像素点。注意有些显示器的屏幕坐标系的对应一个像素点。注意有些显示器的屏幕坐标系的Y轴方向向上而有的轴方向向上而有的向下。向下。图2.23 两种屏幕坐标系2.5图形软件标准图形软件标准图形标准是指系统中各界面之间进行数据交换的接口标准、语言连接规范和应用程序接口API标准等。图形标准的制定是为了在不同的计算机系统和图形设备之间进行图形应用软件的移植。随着计算机图形学应用领域的不断扩大，各种图形软件日益增多，图形输入输出设备也

42、是种类繁多。如果没有一些软件标准，对应用软件的开发和移植等工作将造成困难。20世纪50年代到70年代初，人们要求图形软件想着通用、高级、与设备无关的方向发展，导致了计算机图形标准的出现。图形标准的研究和制定于20世纪70年代初开始，在80年代进入了大发展时期。1985年，第一个国际计算机图形信息标准及计算机图形核心系统（GKS）正式颁布。之后，三维图形核心系统（GKS-3D）、程序员层次交互式图形系统（PHIGS）、计算机图形原文件（CGM）、计算机图形接口（CGI）、初始图形交换规范（IGES）以及产品数据交换标准（STEP）等相继制订并颁布。除了由官方标准化组织发布的图形标准外，还有一些被

43、工业界使用的已经成为事实上的标准，比较著名的有SGI等公司的OpenGL，微软公司的DirectX等。计算机图形标准的研究和发展，进一步推动了计算机图形学及其应用技术的发展。本节将介绍GKS标准、CGM标准、CGI标准、IGES标准、DXF标准、STEP标准、OpenGL标准。1、GKS标准标准图形核心系统GKS（Graphical Kernel System）是由德国工业标准化组织协会提出的并被许多国家采纳、引用的第一个图形软件国际标准。它是一个子程序软件包，提供了各种物理的图形输入输出设备和应用软件之间的接口。用户通过应用程序调用GKS的功能子程序便可方便的进行图形的输入、输出、变换、组合

44、、装配等交互设计操作。GKS独立与设备和高级语言。它免除了绘图设计和显示指令的繁琐工作，也不需要详细了解各种图形的输入输出设备的控制功能，减轻了设计人员的许多重复性工作。由于GKS使应用软件只与抽象的逻辑设备打交道，略去了物理设备的个性，为应用软件的移植提供了极大的方便，从而使开发的软件具有了设备无关性。为便于应用，GKS提供了与各种流行高级语言的接口，并作为独立于高级语言的通用软件为开发各种应用图形软件服务。GKS是针对二维图形应用的，为满足三维图形应用的需求，在此基础上又制定了GKS-3D。GKS-3D具有三维图素、填充区域图素集、具有视图操作的三维变换、三维输入、消隐处理、边界属性和三维

45、几何属性等功能。GKS-3D是一个完全的三维图形系统，并与GKS（2D）兼容。GKS的应用领域十分广泛，包括科学技术和商业图形的生成、支持地图学、过程控制和CAX等领域的应用。2、CGM标准标准计算机图形元文件CGM(Computer Graphic Metafile)规定了生成与设备无关的图形定义、存取和传递图形数据的格式。它提供了把不同图形系统所产生的图形集成到一起的一种手段，适用于各种设备和应用程序。CGM标准是由一套标准的与设备无关的定义图形的语法和词法元素组成。它分为两部分，第一部分是功能描述，包括元素标志符、语义的说明及参数描述，以抽象的词法描述了相应的文件格式；第二部分描述了3种

46、标准元文件编码形式，即字符、二进制数和正文编码。CGM标准元文件本身并不提供元文件生成和解释的具体方法，而利用上述三种不同的标准数据编码形式来实现元文件的元素功能。3、CGI标准标准计算机图形接口CGI（Computer Graphics Interface）是ISO TC97组提出的图形设备标准。CGI是第一个针对图形设备接口，而不是应用程序接口的交互式计算机图形标准。CGI的目标是使应用程序和图形库直接与各种不同的图形设备相作用，使其在各种图形设备上不经修改就可以运行，即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。CGI规定了发送图形数据到设备的输出和控制功能，

47、从图形设备接收图形数据的输入、查询和控制功能，因CGI是设备级接口，对出错处理和调试只提供了最小支持。CGI提供的功能集包括控制功能集、独立于设备的图形对象输出功能集、图段功能集、输入和应答功能集以及产生、修改、检索和显示以象素数据形式存储的光栅功能集。在二维图形设备中可以找到CGI支持的功能，但没有一个图形设备包含由CGI定义的所有功能，从这个意义上说，CGI定义了与虚拟设备的接口。4、IGES标准标准基本图形交换规范IGES（Initial Graphics Exchange Specification）是CAD/CAM应用最广泛的数据交换标准。它于1980年由美国国家标准局（NBS）主持

48、成立由波音公司和通用电气公司参加的技术委员会制订，并于1981年正式成为美国的国家标准。它适用于CAD/CAM系统间或同一CAD/CAM系统内部不同模块间的图形信息交换。IGES文件由五或六个段组成：标志（flag)段、开始（start）段、全局（global）段、元素索引（directory entry）段、参数数据（paramter data）段、结束（terminate）段组成。其中，标志段仅出现在二进制或压缩的ASCII文件格式中。在IGES文件中表示信息的基本单位是元素，IGES定义了五类元素：曲线和曲面几何元素、构造实体几何CSG元素、边界B-Rep实体元素、标注元素和结构元素。各

49、商用CAD系统几乎都提供了IGES文件前、后置处理程序，实现将传送来的数据格式转换为 IGES文件格式，把IGES文件格式转换为CAD系统内部的数据格式。5、DXF标准标准数据交换格式DXF（Drawing Exchange File）是Autodesk公司首先用于描述AutoCAD图形的文件。每个CAD系统都有自己的数据文件，数据文件分图形数据文件、几何模型文件和产品模型文件几种。数据文件的格式与每个CAD系统自己的内部数据模式密切相关，而每个CAD系统自己内部的数据模式一般是不公开的，也是各不相同的。由于用户使用的需要，就有数据交换文件概念的出现。一个完整的DXF文件是由四个段和一个文件结

50、尾组成的。其顺序如下：（1）标题段，记录AutoCAD系统的所有标题变量的当前值或当前状态。这些标题变量记录了AutoCAD系统的当前工作环境。例如，AutoCAD版本号、插入基点、绘图界限、SNAP捕捉的当前状态、栅格间距、式样、当前图层名、当前线型和当前颜色等；（2）表段，包含了四个表，每个表又包含可变数目的表项。按照这些表在文件中出现的顺序，它们依次为线型表、图层表、字样表和视图表；（3）块段，记录定义每一块时的块名、当前图层名、块的种类、块的插入基点及组成该块的所有成员。块的种类分为图形块、带有属性的块和无名块三种。无名块包括用HATCH命令生成的剖面线和用DIM命令完成的尺寸标注；（