计算机图形学讲义

第一章计算机图形学概述李健陕西科技大学电信学院计算机系lijianjsj@

2/4/20231本讲的主要内容1.1计算机图形学的基本概念1.2计算机图形学的发展历史1.3计算机图形学的应用1.4计算机图形学的热点技术1.5图形设备1.6关于该课程的学习2/4/20232计算机图形学是研究怎样利用计算机来显示、生成和处理图形的原理、方法和技术的一门学科。IEEE定义：Computergraphicsistheartorscienceofproducinggraphicalimageswiththeaidofcomputer.计算机图形学是计算机科学中最为活跃、得到广泛应用的分支之一。什么是计算机图形学？2/4/20233图形：计算机图形学的研究对象通常意义下的图形：能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象都称为图形。如：

(1)自然景物

(2)照片和图片

(3)工程图、设计图和方框图

(4)人工美术绘画、雕塑品

(5)用数学方法描述的图形（包括几何图形、代数方程、分析表达式或列表所确定的图形）2/4/20234图形：计算机图形学的研究对象计算机图形学中的图形概念:是指由点、线、面、体等几何要素和明暗、灰度（亮度）、色彩等非几何要素构成的，从现实世界中抽象出来的带有灰度、色彩及形状的图或形。2/4/20235图形：计算机图形学的研究对象两类图形要素：

1.几何要素：点，线，面，体等；

2.非几何要素：明暗，灰度，色彩等计算机图形学中所研究的图形：从客观世界物体中抽象出来的带有颜色及形状信息的图和形。2/4/20236计算机中表示图形的方法图形的两种表示方法：点阵法是用具有颜色信息的点阵来表示图形的一种方法，它强调图形由哪些点组成，并具有什么灰度或色彩。参数法是以计算机中所记录图形的形状参数与属性参数来表示图形的一种方法。图形（Graphics）通常把参数法描述的图形图象（Image）把点阵法描述的图形叫做点阵表示2/4/20237

计算机图形学的研究内容如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法，构成了计算机图形学的主要研究内容。包括：图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法，科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。2/4/20238归纳为：图形的输入如何开发利用图形输入设备及软件将图形输入到计算机中去，以便作各种处理。图形的处理包括对图形进行变换(几何变换，投影变换)和运算（集合运算），着色，形变等……图形的输出如何将图形特定的表示形式转换成图形输出系统便于接受的表示形式，并将图形在显示屏、打印机绘图机等输出设备上输出。2/4/20239本课程不会讲到…任何软件的应用，包括Photoshop,CorelDraw,Flash,etc3DSMAX,Maya,etcAutoCAD,etc艺术设计游戏设计OpenGL&DirectX的开发图像、视频处理2/4/202310计算机图形学与相关学科数字图像数据模型图像生成（计算机图形学）模型（特征）提取（计算机视觉，模式识别）图像变换（图像处理）模型变换（计算几何）计算几何：研究几何形体在计算机中的表示；分析、研究怎样建立几何形体的数学模型；研究曲线、曲面的表示、生成、拼接。图像处理：研究如何对数字图像做各种变换以方便处理；如何滤波；如何压缩图像数据；图像边缘提取，特征增强。计算机视觉：图形学的逆过程，分析和识别输入的图像并从中提取二维或三维的数据模型（特征）。如手写体识别、机器视觉。发展特点:交叉、界线模糊、相互渗透2/4/202311计算机图形学2/4/202312图像处理原图片2/4/202313计算几何2/4/202314计算机视觉2/4/202315浙江大学工程及计算机图学所与计算机图形学相关的学科

图像信号CG计算机视觉和模式识别特征数据、结构数据数字图象处理试图从非图象形式的数据描述来生成（逼真的）图象旨在对图象进行各种加工以改善图象的视觉效果研究用计算机来模拟生物外显或宏观视觉功能的科学和技术分析、研究怎样灵活方便地建立几何形体的数学模型，提高算法效率，在计算机内更好地存储和管理这些模型等。研究曲线、曲面的表示、生成、拼接、数据拟合CAD/CAGD…2/4/2023161.2

计算机图形学的发展历史50年代1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院（MIT）旋风I号（WhirlwindI）计算机的附件诞生了，它类似于示波器的CRT来显示简单图形。--CRT的出现为计算机生成和显示图形提供了可能1958年，美国Calcomp公司由联机的数字记录仪发展成滚筒式绘图仪，GerBer公司把数控机床发展成为平板式绘图仪50年代末期，MIT的林肯实验室在“旋风”计算机上开发SAGE空中防御体系，通过光笔在屏幕上指点与系统交互。--标志着交互式图形技术的诞生2/4/20231760年代1962年，雷诺汽车公司的工程师PierreBézier

提出Bézier曲线、曲面的理论1963年，MIT林肯实验室的IvanSutherland发表了题为“Sketchpad：一个人机交互通信的图形系统”的博士论文，提出了基本交互技术、图元分层表示概念及数据结构。确定了交互图形学作为一个学科分支的地位。Sutherland本人也被公认为图形学之父。

1964年MIT的教授StevenA.Coons提出了超限插值的新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。2/4/20231870年代光栅图形学迅速发展区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其相应算法纷纷诞生图形软件标准化1974年，ACMSIGGRAPH的与“与机器无关的图形技术”的工作会议ACM成立图形标准化委员会，制定“核心图形系统”（CoreGraphicsSystem）ISO发布CGI、CGM、GKS、PHIGS等标准。2/4/202319真实感图形学1970年，Bouknight提出了第一个光反射模型1971年Gourand提出“漫反射模型＋插值”的思想，被称为Gourand明暗处理1975年，Phong提出了著名的简单光照模型-Phong模型实体造型技术英国剑桥大学CAD小组的Build系统美国罗彻斯特大学的PADL-1系统2/4/20232080年代1980年Whitted提出了一个光透视模型-Whitted模型，并第一次给出光线跟踪算法的范例。1984年，美国Cornell大学和日本广岛大学的学者分别将热辐射工程中的辐射度方法引入到计算机图形学中，提出基于辐射度的图形绘制方法。图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展2/4/202321提高增强期（90年代）

90年代：微机和软件系统的普及使得图形学的应用领域日益广泛。标准化、集成化、智能化多媒体技术、人工智能、科学计算可视化、虚拟现实三维造型技术总体特征：技术发展、需求驱动2/4/202322小知识：IvanSutherland1938年5月16日，出生于美国内布拉斯加州。在MIT导师Shannon的指导下，进行了图形编程的开发，作为他博士研究的一部分。作为著名的科学家，ClaudeShannon以前是不会和一个研究生共同工作的。Sutherland的计算机编程，被称为Sketchpad，是第一个可以在显示屏幕上直接构造图形图像的系统，不用再通过键盘向计算机输入代码和公式。1964年成为ARPA的信息处理技术办公室主任。1966年到哈佛大学担任电子工程专业的副教授。在哈佛，Sutherland开始研究通过把用户放入计算机生成的三维世界中进一步集成人脑与计算机的可能性。这一方案的实现是通过在戴在用户头上的双目眼镜内的小计算机屏幕上放映图像而完成的——这就是第一台头盔式显示器。2/4/202323小知识：IvanSutherland1968年，犹他大学电子工程教授。同时创立了Evans&Sutherland，如今已成为业内的主导设计者和制造商。1975年，离开犹他大学和Evans&Sutherland，返回加州理工学院担任计算机科学系的系主任。1980年离开加州理工，建立了Sutherland,Sproull,andAssociates，一个顾问和资本投资公司，即现今Sun微系统实验室的五家伙伴公司之一。1988年获得A.M.图灵奖（A.M.TuringAward）。Sketchpad，1963

头盔式显示器，1967“达摩克利斯之剑”2/4/202324ACMSIGGRAPH会议小知识全称：美国计算机协会图形学专业委员会，“theSpecialInterestGrouponComputerGraphicsandInteractiveTechniques”60年代中期，由Brown大学的教授AndriesvanDam(Andy)和IBM公司的SamMatsa发起1974年，在Colorado大学召开了第一届SIGGRAPH年会，并取得了巨大的成功每年只录取大约80篇论文，而参加人数达几万人开设大量的相关课程，进行研究和应用培训2/4/202325硬件的发展图形显示器的发展60年代中期：画线显示器（亦称矢量显示器）。需要不停的刷新，设备昂贵，限制普及。60年代末，存储管式显示器70年代初，刷新式光栅扫描显示器出现，大大地推动了交互式图形技术的发展。以点阵形式表示图形，使用专用的缓冲区存放点阵，由视频控制器负责刷新扫描2/4/202326硬件的发展

打印设备的发展EpsonLX-800(1980s)EPSONStylusPhoto950(2005)1959年，美国Calcomp公司研制出的世界上第一台滚筒式绘图机，使计算机辅助绘图仪开始代替人工绘图。PloterHP3500CP2/4/202327图形输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、语音表情等等第五阶段：用户的思维？？？（萌芽已经产生了！！）2/4/202328计算机图形学的发展硬设备的发展2/4/202329硬件的发展

“大脑芯片”解码意念信号美国布朗大学在一名严重瘫痪的男子的大脑中植入了一枚电子芯片，当他想要移动他的胳膊的时候，芯片就把信号转送给电脑，电脑就在显示屏上移动光标。试验中，从颈部以下完全瘫痪的这名病人能够做一些简单的事情，比如控制电视无需将芯片植入大脑感应帽便可读出人的思想美国纽约大学的研究人员发明“感应帽”，即在一个头盔上安装64个电极，这些电极可以从大脑皮层灵敏地捕捉到大脑发出的信号。已有4名试验者在经过一段时间训练后可以通过思想来操纵电脑显示器的光标。2/4/202330图形软件发展及软件标准形成

三种类型的计算机图形软件系统：用某种语言写成的子程序包(图形库)GKS(GraphicsKernelSystem)PHIGS(Programmer’sHierarchicalInteractiveGraphicssystem)GL，DirectXDraw&DirectX3D便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低

扩充计算机语言，使其具有图形生成和处理的功能TurboPascal、TurboC，AutoLisp等。简练、紧凑、执行速度快，但不可移植专用图形系统：效率高，但系统开发量大，可移植性差2/4/202331通用的、与设备无关的图形包，图形标准GKS(GraphicsKernelSystem)，第一个官方标准，1977PHIGS(Programmer’s

HerarchicalInteractiveGraphicssystem),1988一些非官方图形软件，广泛应用于工业界，成为事实上的标准DirectX(MS)OpenGL(SGI)Xlib(X-Window系统)Adobe公司Postscript趋势:开放式、高效率2/4/2023321.3计算机图形学的应用计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）CAD/CAM是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域飞机、汽车、船舶的外形的设计发电厂、化工厂等的布局土木工程、建筑物的设计电子线路、电子器件的设计2/4/202333波音公司的CAD案例波音飞机的设计：庞大的波音777飞机有300万个部件，其设计过程却没有使用过一张图纸，也没有做任何1比1模型，全部都在电脑系统中模拟完成。专业人员可在计算机网络上进行三维模拟设计。利用数字软件，波音777的300万个零部件的尺寸和形状数据在工作开始时就被存入了数据库。设计人员在需要时，可随时从部件数据库中寻找匹配的部件，无需重新设计。据计算，应用这样的方法可使飞机设计效率提高约3倍。2/4/202334图形用户界面人机界面（HCI）：介于人与计算机之间，人与机器的通信。用户接口是人们使用计算机的第一观感。一个友好的图形化的用户界面能够大大提高软件的易用性发展：由指示灯和机械开关组成的操纵界面由终端和键盘组成的字符界面（80年代）由多种输入设备和光栅图形显示设备构

成的图形用户界面（90年代）VR技术（发展方向）2/4/202335图形学已经全面融入HCI的方方面面，很多软件几乎可以不看任何说明书，而根据它的图形、或动画界面的指示进行操作，现代计算机界面是建立在以前的计算机图形学研究基础上的。目前几个大的软件公司都在研究下一代用户界面，开发面向主流应用的、自然、高效多通道的用户界面。研究多通道语义模型、多通道整合算法及其软件结构和界面范式是当前用户界面和接口方面研究的主流方向，而图形学在其中起主导作用。2/4/202336地理信息系统（GIS）建立在地理图形之上的关于各种资源的综合信息管理系统1998年，美国前副总统戈尔提出数字地球概念。以地形数据作为载体，全球信息化.军事，政府决策，旅游，资源调查2/4/202337美国UCLA城市仿真小组：虚拟洛杉矶深圳规划国土局：虚拟深圳2/4/202338VRSystemGISInternetDigitalEarthGISdatabaseTexturefileDEMserverCADsystem模型导入

ODBC

格式转化文件访问ISAPI大坝水系纹理地形

DataSourcesConnectorLayer2/4/202339计算机艺术二维交互式绘图：Coreldraw,Photoshop相片真实感模拟与自然物体仿真技术三维建模和渲染软件包：3DSMAX,Maya分形艺术2/4/202340早期：简单的二维交互式绘图(PhotoShop,Flash,CorelDraw)优点：提供多种风格的画笔画刷提供多种多样的纹理贴图，甚至能对图象进行雾化，变形等操作可以任意修改，取消败笔不足：无法达到传统绘画中风格化的艺术效果很难得到有素描效果、油画效果的艺术品2/4/202341非真实感绘制（NPR，Non-PhotorealisticRendering）用于模拟艺术效果，研究方法有别于真实感图形学钢笔素描的生成钢笔素描产生于中世纪，从19世纪开始成为一门艺术，20世纪90年代开始研究用计算机模拟。GeorgesWinkenbach绘制的壶和碗(Siggraph’96)Salisbury绘制的茶壶(Siggraph’97)2/4/202342Salisbury绘制的熊(Siggraph’97)OliverDeussen绘制的素描树(Siggraph’2000)2/4/202343中国国画与书法的生成2/4/202344科学计算可视化海量的数据使得人们对数据的分析和处理变得越来越难，用图形来表示数据的迫切性与日俱增1986年，美国科学基金会（NSF）专门召开了一次研讨会，会上提出了“科学计算可视化（VisualizationinScientificComputing）”科学计算可视化广泛应用于医学、流体力学、有限元分析、气象分析当中。2/4/202345在医学领域，可视化有着广阔的发展前途是机械手术和远程手术的基础将医用CT扫描的数据转化为三维图象，帮助医生判别病人体内的患处由CT数据产生在人体内漫游的图象可视化的前沿与难点可视化硬件的研究实时的三维体绘制体内组织的识别分割——Segmentation2/4/202346VirtualReality（虚拟现实、灵境）用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察。2/4/202347在线虚拟现实VRMLQuickTimeVR2/4/2023481.4计算机图形学的热点技术真实感图形实时绘制自然景物仿真计算机动画造型技术2/4/202349真实感图形实时绘制计算机中重现真实世界的场景叫做真实感绘制。真实感绘制的主要任务是模拟真实物体的物理属性，简单的说就是物体的形状，光学性质，表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位置，遮挡关系等等。研究内容：光照模型：简单光照模型；局部光照模型；整体光照模型绘制方法：光线跟踪；辐射度2/4/202350物体网格模型的面片简化：对网格面片表示的模型，在一定误差的精度范围内，删除点、边、面，从而简化所绘制场景的复杂层度，加快图形绘制速度基于图象的绘制(IBR，ImageBasedRendering)：完全摒弃传统的先建模，然后确定光源的绘制的方法。它直接从一系列已知的图象中生成未知视角的图象，适用于野外极其复杂场景的生成和漫游。真实感图形实时绘制2/4/202351自然景物的模拟野外场景远远复杂于室内场景，绘制难度更大，方法更趋多样化主要绘制山、水、云、树、草、火等等绘制火的粒子系统（ParticleSystem），基于生理模型的绘制植物的方法，绘制云的细胞自动机方法等2/4/202352由清华大学自然景物平台生成的野外场景日本YoshinoriDobashi等人绘制的真实感云2/4/202353Xfrog3.0生成的挪威云杉2/4/202354计算机动画计算机动画近十多年来取得了很大的发展，已渗透到人们生活的各个角落商业广告、影视特技/片头、动画片教育、军事、飞行模拟等分类二维动画 图象变形形状混合三维动画关键帧动画变形物体的动画过程动画关节动画与人体动画2/4/202355基于特征的图象变形2/4/202356Pixal3DBirdTheIncredibles2/4/202357造型技术规则形体：欧氏几何方法不规则形体：分形几何方法粒子系统纹理映射实体造型基于物理的造型基于图像的造型2/4/2023582/4/2023592/4/2023602/4/2023611.5 图形设备图形显示设备图形输出包括图形的显示和图形的绘制，图形显示指的是在屏幕上输出图形图形绘制通常指把图形画在纸上，也称硬拷贝，打印机和绘图仪是两种最常用的硬拷贝设备2/4/202362彩色CRT显示器CRT（CRTCathode－RayTube，阴极射线管）组成电子枪聚焦系统加速系统磁偏转系统2/4/202363CRT显示器的简易结构图灯丝(加热)阴极(产生电子束)控制栅(调整强度)聚焦系统加速电极(高压包)偏转板水平偏转垂直偏转电子束荧光图层2/4/202364显示器工作原理高速的电子束由电子枪发出，经过聚焦系统、加速系统和磁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，即电子吸收到能量从低能态变为高能态。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，这时将发出荧光，屏幕上的那一点就会亮了由于余晖时间有限，所以要保持显示一幅稳定的画面，必须不断地发射电子束。2/4/202365电平控制器(控制栅)是用来控制电子束的强弱的，当加上正电压时，电子束就会大量通过，将会在屏幕上形成较亮的点，当控制电平加上负电压时，依据所加电压的大小，电子束被部分或全部阻截，通过的电子很少，屏幕上的点也就比较暗。聚焦系统是一个电透镜，能使众多的电子聚集于一点。加速电极使电子达到轰击激发荧光屏应有的速度。最后由磁偏转系统来达到指定位置。2/4/202366偏转系统控制电子束，使其在荧光屏的适当位置绘图。要到达屏幕的边缘时，偏转角度就会增大。到达屏幕最边缘的偏转角度被称为最大偏转角CRT显示器屏幕越大，要求最大偏转角越大，则整个显象管就越长刷新频率刷新一次是指电子束从上到下扫描一次的过程刷新频率高到一定值后，图象才能稳定显示2/4/202367电子束扫描过程示意图扫描线垂直回扫2/4/202368隔行扫描与逐行扫描有些扫描速度较慢的显示器，为了能得到好的显示效果，采用一种叫隔行扫描的技术。首先从第0行开始，每隔一行扫描，将偶数行都扫描完毕垂直回扫后，电子束从第1行开始扫描所有奇数行。这样的技术相当于将扫描频率加倍，比如逐行扫描30Hz人们会觉得闪烁，但是同样的扫描频率，如果用隔行扫描技术人们就不会觉得闪烁。扫描线垂直回扫2/4/202369荧光屏是最终显示图形的部件。电子束打在荧光屏上，产生光点。电子束的强弱决定了光点的亮度。CRT在水平方向和垂直方向上能识别的最大光点数称为分辨率。光点也称为像素(Pixel)。常见的分辨率有640×480,1024×768,1024*1024,1280*1024等。2/4/202370彩色CRT显示器早期：射线穿透法影孔板法彩色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、兰三种颜色的光。而电子枪也发出三束电子束来激发这三种物质，中间通过一个控制栅格来决定三束电子到达的位置。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。2/4/202371荫罩式彩色CRT显色原理2/4/202372三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，屏幕上就只显示兰色了。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。VC编程中的颜色控制“0xFF8800”2/4/202373平面显示器荧光屏为完全平面，大大提高了图形的显示质量。由于玻璃的折射，屏幕会产生内凹的现象，但是通过一定的补偿技术，就能产生真正平面的感觉。由于平面显示器的高清晰度、低失真以及对人眼的低伤害，已经越来越得到人们的喜爱。2/4/202374LCD显示器CRT固有的物理结构限制了它向更广的显示领域发展屏幕的加大必然导致显象管的加长，显示器的体积必然要加大，在使用时候就会受到空间的限制CRT显示器是利用电子枪发射电子束来产生图像，容易受电磁波干扰长期电磁辐射会对人们健康产生不良影响LCD显示器的优点外观小巧精致，厚度只有6.5~8cm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，对人体健康没有任何影响2/4/202375两款LCD(SONY)2/4/202376LCD显示器基本原理液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质，它具有液体的流态性质和固体的光学性质。当液晶受到电压的影响时，就会改变它的物理性质而发生形变，此时通过它的光的折射角度就会发生变化，而产生色彩。液晶屏幕后面有一个背光，这个光源先穿过第一层偏光板，再来到液晶体上，而当光线透过液晶体时，就会产生光线的色泽改变，从液晶体射出来的光线，还得必须经过一块彩色滤光片以及第二块偏光板。2/4/202377液晶显示有主动式和被动式两种被动式液晶屏幕有STN（SuperTN超扭曲向列LCD）和DSTN（DoublelayerSuperTN双层超扭曲向列LCD）等最流行的主动式液晶屏幕是TFT（ThinFilmTransistor薄膜晶体管）主动式液晶显示器使用了FET场效晶体管以及共通电极，这样可以让液晶体在下一次的电压改变前一直保持电位状态。这样主动式液晶显示器就不会产生在被动式液晶显示器中常见的鬼影、或是画面延迟的残像等2/4/202378LCD显示器的基本指标可视角度视线与屏幕中心法向成一定角度时，人们就不能清晰地看到屏幕图象，而那个能看到清晰图象的最大角度被我们称为可视角度。一般所说的可视角度是指左右两边的最大角度相加。工业上有CR10（ContrastRatio）、CR5两种标准来判断液晶显示器的可视角度。点距与分辨率液晶屏幕的点距就是两个液晶颗粒（光点）之间的距离，一般0.28~0.32mm就能得到较好的显示效果通常所说的液晶显示器的分辨率是指其真实分辨率，表示水平方向的像素点数与垂直方向的像素点数的乘积2/4/202379图形处理器(GPU)图形处理器是图形系统结构的重要元件，是连接计算机和显示终端的纽带。早期的图形处理器只包含简单的存储器和帧缓冲区，它们实际上只起了一个图形的存储和传递作用，一切操作都必须有CPU来控制。现在的图形处理器不单单存储图形，而且能完成大部分图形函数，专业的图形卡已经具有很强的3D处理能力，大大减轻了CPU的负担，提高了显示质量和显示速度。RADEONX800制作工艺：0.13Micron晶体管：160Million2/4/202380图形处理器的组成显示主芯片显卡的核心，俗称GPU，它的主要任务是对系统输入的视频信息进行构建和渲染显示缓存用来存储将要显示的图形信息以及保存图形运算的中间数据显存的大小和速度直接影响着主芯片性能的发挥数字模拟转换器（RAMDAC）它的作用就是把二进制的数字转换成为和显示器相适应的模拟信号2/4/202381帧缓存(!)存储将要显示的图形信息：屏幕每象素的色彩不同的显示器设置，帧缓存不同屏幕帧缓存记录屏幕每象素的色彩周期性读取(按刷新率)计算OS应用程序2/4/202382帧缓存(!)双帧缓存：用于计算密集的情况(如实时三维游戏)2/4/202383图形输入设备最常用的图形输入设备就是基本的计算机输入设备——键盘和鼠标光笔是一种能检测出计算机荧光屏发出荧光的笔式装置，它对电子束打到特定象素点时荧光涂层瞬时发射的突发光敏感。光笔并未消失，但由于其精度低、操作容易疲劳、不能检测屏幕黑暗区域，因此它不再普及。2/4/202384图形输入设备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。数据手套则是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。这几种输入设备在虚拟现实场景的构造和漫游中特别有用。2/4/202385数字化仪是一种把图形转变成计算机能接收的数字形式专用设备基本工作原理是采用电磁感应技术。由一块数据板和一根触笔组成。数据板中布满了金属栅格，当触笔在数据板上移动时，其正下方的金属栅格上就会产生相应的感应电流。根据已产生电流的金属栅格的位置，就可以判断出触笔当前的几何位置。2/4/202386扫描仪图形扫描仪是直接把图形和图象扫描到计算机中以象素信息进行存储的设备绝大多数是采用的固态器件是电荷耦合器件（CCD,ChargeCoupledDevice）工作原理用光源照射原稿，投射光线经过一组光学镜头射到CCD器件上，得到元件的颜色信息，再经过模/数转换器，图象数据暂存器等输入到计算机2/4/202387扫描仪的模块框图2/4/202388真实物体的三维信息的输入在实际的生产过程中，许多零件和样板要进行大规模的生产就必须在计算机中生成三维实体模型，有时这个模型要通过已有的实物零件得到，这时候就需要一种设备来采集实物表面各个点的位置信息一般的方法是通过激光扫描来实现，现在国外已经有许多这样的商业仪器这项技术的一个应用就是扫描保存古代名贵的雕塑和其它艺术品的三维信息2/4/202389美国斯坦福大学计算机系的著名图形学专家MarcLevoy曾经带领他的30人的工作小组（包括美国斯坦福大学及美国华盛顿大学的教师和学生）于1998～1999学年专门在意大利对文艺复兴时代的雕刻大师米开朗基罗的众多艺术品进行扫描，保存其形状和面片信息。采用专门的硬件和软件系统。数据量：大卫像（theDavid）就有20亿个多边形和7000张彩色图象，总共需要72G的磁盘容量。这次工作可以说是实体图形输入的一个颠峰之作。2/4/202390数字化米开朗基罗计划:大型雕塑的三维扫描记录了十个米开朗基罗完成的大型雕塑的三维模型。2/4/202391敦煌佛像雕塑的三维扫描和记录2/4/202392图形学的特点：1.

drivenbyrealrequirement；2.

drivenewapplications；3.

“steal”knowledgefromotherfi