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1、第二章 计算机图形系统综述,2.1 计算机图形系统概述 2.2 图形输入设备 2.3 图形绘制设备2.4 图形显示系统2.5 计算机图形标准 2.6 VC的图形程序开发方法,计算机图形系统由硬件系统和软件系统组成,2.1 计算机图形系统概述,2.1.1 计算机图形系统的结构,1.图形软件系统,（1）图形应用软件 当今流行的几何造型平台主要有两种：ACIS和Parasolid，产品主要有：Autodesk公司的AutoCAD，Unigraphics（UG），Pro/Engineer，I-DEAS软件,（2）图形支撑软件 程序员用来开发图形应用软件的软件 图形标准系统通常是通用编程软件包或图形库的
2、形式，如OpenGL,2.图形硬件系统,（1）图形计算机平台 面向图形应用的计算机系统主要有微型计算机、中小型计算机、工作站以及基于网络的计算机系统。,（2）图形设备,计算机图形系统的基本功能包括：图形输入、图形存储、图形计算、图形交互、图形输出,2.1.2 计算机图形系统的基本功能,（1）处理功能 包含形体设计、分析，图像描述，基本几何元素的相关运算、分类、几何变换、光、色模型的建立和计算等（2）存储功能 存储图形数据（3）交互功能 实现用户与图形系统的人机对话（4）输入功能 把有关图形数据和操作命令输入到计算机中（5）输出功能 把所设计的图形从计算机中输出来，包括显示输出和绘制输出,图形输
3、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、语音等等 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、表情等等 第五阶段：用户的思维,2.2 图形输入设备,2.2.1 一般应用图形输入设备,1.键盘 主要用来录入文本、字符串的设备 可以进行屏幕坐标输入 菜单选择 图形功能选择,2.鼠标 鼠标是给屏幕光标定位的小型手持屏幕图形定位输入设备。早期的鼠标主要用来绘制图形 后来广泛应用于图形用户接口（Windows)的操作。,3.光笔 通过检测来自CRT屏幕上某一点的光来选定屏幕位置。*最早的交互式图形定位输
4、入设备*有定位、拾取及笔画跟踪3个基本功能。,4.游戏杆和跟踪球*游戏杆：主要是通过杆的实际移动来控制屏幕上的光标的移动。*跟踪球：用来进行二维定位的设备，可用手掌或掌心旋转使屏幕光标移动。由附加的电位计量器来测量球的旋转量和方向。,5.触摸屏 用手来触摸显示的物体或屏幕位置实现图形的操作。*光学触摸板*电子触摸板*声学触摸板,2.2.2 特殊应用图形输入设备,1.数字化仪 数字化仪是在物体上进行绘画、着色或交互选择坐标位置的常用设备。数字化仪是用来在所绘制对象上扫描并输入一组随机的坐标位置，相互之间用直线段连接，以逼近曲线或表面形状。,2.图像扫描仪 主要用来对图形、图表、彩色和黑白照片或文
5、本进行扫描，形成一个图像文件，存储到计算机中之后再进行处理。两个重要指标*分辨率：如1200dpi*支持的颜色数或灰度等级：如32位真彩色,4.数据手套 数据手套是用来抓住虚拟对象的操作工具。手套由一系列检测手和手指运动的传感器构成。来自手套的输入，可以用来定位或操作虚拟场景中的对象。场景的二维投影可以在视频监视器上观察，也可以使用头套观察三维投影。,三维立体眼镜,头盔显示器,2.3 图形绘制设备,2.3.1 绘图仪,*笔式绘图仪 滚筒式绘图仪：结构简单、价格较低，精度和速度不高 平板式绘图仪：精度高、速度快、价格较高*喷墨式绘图仪,图形绘制指把图形画在纸上，也称硬拷贝,2.3.2 打印机,*
6、针式打印机 机器本身和耗材便宜，精度太低，质量很差*喷墨打印机 价格居中，可打印彩色图形，速度较慢且耗材昂贵*激光打印机 价格高，高速度、高精度、低噪声、彩色化,2.4 图形显示系统,显示器和显示卡共同构成了显示系统。,2.4.1 显示器,显示器根据外形可分为阴极射线管(CRT）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）。,阴极射线管（CRT）的结构如图所示，主要由电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统和荧光屏5部分组成。,1、阴极射线管（CRT）,电子枪 电灯丝：通电后变热给阴极加热。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
7、。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 加正的高压电（几万伏），使电子束高速运动。,偏转系统 控制电子束，采用静电场或磁场，产生偏转。电子束要到达屏幕的边缘时，所需的偏转角度增大。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,荧光屏 荧光物质：当它被电子轰击时发出亮光,高速的电子束由电子枪发出，经过聚焦系统、加速系统和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，即电子吸收能量从低能
8、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，这时释放能量将发出荧光，在荧光屏上产生足够小的光点，光点称为像素（pixel）。,工作原理,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 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=25Hz,彩色CRT显示器的荧光屏上涂有三种荧光物质，它们分别能发红、绿、蓝三种颜色的光。而电子枪也发出三束电子来激发这三种物质，中间通过一个控制栅格来决
9、定三束电子到达的位置。根据屏幕上荧光点的排列不同，控制栅格也就不一样。普通的监视器一般用三角形的排列方式，这种显象管被称为荫罩式显象管。它的工作原理如图2-2所示：,彩色CRT显示器显示彩色的原理,图2-2 荫罩式彩色CRT显色原理示意图,三束电子经过荫罩的选择，分别到达三个荧光点的位置。通过控制三个电子束的强弱就能控制屏幕上点的颜色。如将红、绿两个电子枪关了，屏幕上就只显示蓝色了。如果每一个电子枪都有256级（8位）的强度控制，那么这个显象管所能产生的颜色就是我们平时所说的24位真彩色了。,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Trinitro
10、n与Mitsubishi的Diamondtron显像管*沟槽式影孔板 代表：LG的Flatron显像管,（1）随机扫描显示器 特点：电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分。扫描速度快，分辨率高，线条质量好，易修改，具有良好的交互性和动态性能，但价格较贵。,2、CRT显示器,简称光栅显示器，是画点设备。电子束横向扫描屏幕，一次一行，从顶到底顺次进行。当电子束横向沿一行移动时，电子束的强度不断变化来建立亮点的图案。,（3）光栅扫描显示器,特点：光栅扫描 扫描线 水平回扫期 垂直回扫期 帧,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偶数行扫描线，再扫
11、奇数行扫描线。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。,相关术语,屏幕分辨率 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。点距相邻象素点之间的距离，与分辨率指标相关。,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
12、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，因此刷新是指以每秒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50120帧。,液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display)是由6层薄板组成的平板式显示器。LCD的原理是利用液晶的物理特性，通电时导通，晶体在电场作用下，排列变得有秩序，通过它的光的折射角度会发生变化，使光线容易通过；不通电时
13、，晶体排列变得混乱，光被遮挡，不能通过。,3.液晶显示器(LCD),LCD显示器的优点外观小巧精致，厚度只有6.58cm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。,利用气体放电激发荧光粉发光，用许多小氖气灯泡构成的平板阵列，每个灯泡处于“开”或“关”状态。,4.等离子显示器,几种显示器的比较,2.4.2 显示卡,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，实现将信息从显示器显示输出。,1.显示子系统结构,显示子系统结构的主要任务是：扫描转换待显示的
14、图形。帧缓存：为显示装置提供刷新信息。其中的存储单元与显示屏幕上的像素一一对应，单元中存有与之对应的像素的强度值。,CPU与显示器之间的接口作用，还具有处理图形数据、加速图形显示等作用。,2.显示卡的功能,3.相关概念,（1）光点：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。（2）像素点：屏幕上可以控制的可显示的最小单元，组成图形的基本元素。,（3）分辨率A.屏幕（光栅、物理）分辨率：指CRT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的光点数的乘积来表示。B.显示分辨率：指显示控制器所能提供的显示模式分辨率。显示模式分为文本模式和图
15、形模式。任何显示控制器所提供的分辨率都不能超过屏幕分辨率。C.存储分辨率：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，还与像素点的色彩有关。,（4）像素与帧缓存像素点具有颜色、灰度等属性，它们存储在帧缓存中，对应帧缓存中的一组信息。组合像素法：一个像素点的全部属性信息被编码成一个数据字节，按照一定方式存储到帧缓存中，编码字节的长度与点的属性（如颜色、灰度等）有关。颜色位面法,黑白光栅显示器的逻辑框图如下：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10241024象素组成的黑白单灰度显示器所需要的最小缓存为220(位)，
16、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)。,1）黑白光栅显示器,2）彩色光栅显示器,每种原色电子枪有8个位面的帧缓存和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=224,3）帧缓存容量的计算,假设RGB光栅系统的设计采用8英寸*10英寸的屏幕，每个方向的分辨率为每英寸100个像素，显示灰度等级为256，则至少需要选用多大容量的帧缓存器？,帧缓存容量=显示分辨率*色深,色深：像素点信息的长度，以比特为单位,帧缓存容量=,（5）颜色查找表颜色查找表由高速随机存储器组成，用来存储表达像素色彩的代码。帧缓存中每一像素对应单元的代码作为颜色查找表的地址索引。意义：容量小的帧缓存也能表达出较大的颜色选择范围。注意：颜色的选择范围扩大到2w，但同一屏图形中所使用的颜色数并未增加，仍是2n。,（6）屏幕坐标系在屏幕上定义了屏幕坐标系，有的y轴方向向上，有些则是y轴方向向下。,（7）显示纵横比水平方向单位长度上的像素点数与垂直方向单位长度的像素点数之比。,小 结,计算机图形系统图形外部设备CRT工作原理CRT显示器显示卡,作 业,完成P55页练习题1-9,
