计算机图形学计算机图形系统及硬

1、第2章 计算机图形系统及硬件基础,2.1 概述,2.1.1 计算机系统中的图形设备 计算机图形系统用来生成、处理和显示图形，通常由以下三部分构成： 中央处理器：图形计算及有效的存储； 图形输入设备：键盘和鼠标、跟踪球、空间球、光笔、数字化仪、触摸板、扫描仪、手写输入板、语音输入、数据手套等； 图形输出设备：包括图形显示设备（显示器）和图形绘制设备（打印机、绘图仪,2.1.2 图形系统的基本功能,一个计算机图形系统至少应具有计算、存储、输入、输出、交互等基本功能。 计算功能： 1） 图形的描述、分析和设计； 2） 点、线、面的表示及其求交、分类； 3） 图形的平移、旋转、投影、透视等几何变换；

2、4） 曲线、曲面的生成； 5） 图形的交点、交线和交面的计算； 6） 光、色模型的建立和计算； 7） 图形之间相互关系的检测等,存储功能： 图形数据库可以存放各种图形的几何数据及图形之间的相互关系以及各种属性信息，并能快速方便地实现对图形的删除、增加、修改等操作。 输入功能： 通过图形输入设备将基本的图形数据（如点、线等），必要的参数和各种绘图命令输入到计算机中，从而构造更复杂的几何图形,输出功能： 图形数据经过计算后可在显示器上显示当前的状态以及经过图形编辑后的结果，同时还能通过绘图仪、打印机等设备实现硬拷贝输出，以便长期保存。 交互功能： 设计人员可通过显示器或其他人机交互设备直接进行人机

3、通信，对计算结果和图形利用定位、拾取等手段进行修改，同时对设计者或操作员输入的错误给以必要的提示和帮助,图形的基本处理流程,图形输入设备,输入,计算,输出,图形输出设备,存储,交互,显示器,数据库,2.2 图形显示设备,图形显示设备主要有以下三种： 阴极射线管显示器（Cathode Ray Tube CRT） 液晶显示器（Liquid Crystal Display LCD） 等离子体平板显示器（Palsma Display Panel PDP,2.2.1 CRT显示器,1.CRT显示器显示原理 CRT显示器主要由阴极、电平控制器（即控制极）、聚焦系统、加速系统、偏转系统和阳极荧光粉涂层组成，

4、这六部分都在真空管内,CRT显示器原理图,刷新,刷新：刷新一次指电子束从上到下将荧光屏扫描一次。 扫描转换：将图形的几何信息转换成存储在帧缓存中的光栅（点阵）图像并以一定格式的视频图像显示的过程叫扫描转换。 只有刷新频率高到一定值后，图像才能稳定显示。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,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

5、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,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,1,2,3,4,5,6,7,有7条扫描线的隔行扫描,2.彩色CRT显示器的显示原理,颜色模型： 所谓颜色模型就是指某个三维颜色空间中的一个可见光子集，它包含某个颜色域的所有颜色。采用颜色模型的目的是在某个颜色域中方便地制定颜色,RGB模型,由红、绿

6、、蓝三种颜色组成的原色系统称为RGB模型。它是定义于某个红绿蓝颜色坐标系统中的单位立方体。坐标原点代表黑色，坐标点(1,1,1)代表白色。坐标轴上的顶点代表三个基色，余下的顶点则代表每一个基色的补色,电子枪和对应的荧光点必须在一条直线上。为保证每个电子枪都能击中对应颜色的荧光点，在电子枪和荧光屏之间放置一个有孔的金属网格（即荫罩）。调整彩色电子枪的排布方式可让三个电子束都汇聚于荫罩上。这样，某颜色的电子束通过荫罩后，就可避免和另外两种颜色的荧光点相交，而只能与自己对应颜色的荧光点相交,彩色CRT电子枪和荫罩的排布,绿枪电子束,蓝枪电子束,红枪电子束,荫罩,屏幕,红,绿,蓝,荧光点,如果每一个电

7、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,1)荫罩显示器,彩色CRT光栅扫描显示器有三个电子枪（最早是三枪三束，现在有一枪三束，即三个阴极），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或水平排列，与CRT屏幕上的三角形红、绿、蓝荧光点相对应,电子枪水平排列,孔状荫罩,沟槽状荫罩,2）荫栅显示器 荫栅式显示器其工作原理如下图所示,荫栅工作原理原理示意图,如果我们说某个品牌的显示器的分辨率为80DPI，是指在显示器的有效显示范围内，显示器的的显像设备可以在每英寸荧光屏上产生80个光点。举个例子来说，一

8、台14英寸的显示器（荧光屏对角线长度为14英寸），其点距为0.28mm，那么： 显示器分辨率=25.3995mm/inch0.28mm/Dot90DPI。 （1 inch=25.3995mm）显示器出厂时一般并不标出表征显示器分辨率的DPI值，只给出点距，我们根据上述公式即可算出显示器的分辨率。根据我们算出的DPI值，进而可以推算出显示器支持的最高显示模式,Dpi-每英寸的像素点数,3.光栅扫描式图形显示器,光栅扫描式图形显示器是画点设备，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。 发出的电子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

9、到光栅上的图形像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,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,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

10、梯效果,光栅化的直线,帧缓冲存储器（帧缓存,帧缓冲存储器是一块连续的存储空间。 光栅中的每个像素在帧缓存中至少要有1位（bit）,每个像素1位的存储容量称为位面（bit plane）。画面就是由帧缓存中的这些位信息组成的。 图形在计算机中是一位一位产生的，每一个存储位只有0或1两个状态，因此一个位面的帧缓存只能产生黑白图形,实现光栅CRT图形显示器的最常见方法是使用帧缓存,帧缓存是数字设备，光栅显示器是模拟设备，要把帧缓存中的信息在光栅显示器屏幕上输出必须经过数字/模拟转换，这个工作由DAC（数模转换器 digital/analog convertor）完成,光栅图形显示器中需要有足够的位面和

11、帧缓存结合起来才能反映图形的颜色和灰度等级,如图，显示器上每个像素的亮度由N个位面中对应的每个像素位置的内容共同决定，即每一位的二进制被存入指定的寄存器中,该寄存器中二进制的数被翻译成灰度等级，其范围在02N1之间,为避免帧缓存的增加，可采用颜色查找表来提高灰度级别，如下图所示，帧缓存中的位面号为颜色查找的索引，颜色查找表必须有2N项，每一项具有W位字宽。当W大于N时，可有2W灰度等级，但每次只有2N个不同灰度等级可用。若要使用2N种以外的灰度等级，需改变颜色查找表中的内容（重装颜色查找表,由于只有三种原色，所以可用三个位面实现一个简单的彩色帧缓冲存储器。下图为简单的彩色光栅显示器，由分别对应

12、红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色的三个位面的帧缓存，DAC，三个电子枪和CRT光栅组成,对每个颜色的电子枪可通过增加帧缓存位面来提高颜色种类的灰度等级。如下图，每种原色电子枪有8个位面的帧缓存和8位的DAC，每种原色有28种灰度等级，三种原色的组合有224种颜色。这种显示器称为全色光栅扫描图形显示器，其帧缓存称为全色帧缓存,若各组位面存放的不是直接的颜色值而是颜色查找表的地址索引，则全色帧缓存的颜色还可进一步丰富,1）分辨率 指显示器在屏幕水平(垂直)方向显示多少像素 分辨率越高，显示的字符或图像越清晰 分辨率以像素点为基本单位，表示方法为640480、1024768、12801024等。

13、显示分辨率与显卡上的缓冲存储器的容量有关，容量越大，显示分辨率越高。 2）刷新频率 指屏幕刷新的速度 刷新频率越低，图像闪烁和抖动现象就越严重,光栅扫描显示器的主要性能参数,3）水平扫描频率 水平扫描频率又称为行频，是指电子枪每秒在屏幕上扫描过的水平点数； 4）亮度等级数目和色彩 亮度等级数目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 色彩包括可选择显示颜色的数目以及一帧画面可同时显示的颜色数； 5）点距 “点距”指相邻像素点之间的距离（即像素的直径）“点距”决定了每英寸最多能产生多少个点。 6）显示速度 指显示字符、图形，特别是动态图像的速度，与显示器的分辨率及扫

14、描频率有关 可用最大带宽表示： 水平像素数*垂直像素数*最大刷新率,2.2.2 液晶显示器,1.液晶的物理特性,液晶即液态晶体，是具有线状结晶结构的分子，可象液体那样流动,液晶分子的排列柔软易变形，受电场、磁场、温度、应力等外部条件作用时会重新排列,极化性：当通电和不通电时液晶分子处于两种不同的排列，一种排列光线容易通过，而另一种排列阻止光线通过,2.单色液晶显示器的原理,1)玻璃板：在液晶显示器中，液晶是灌入两个列有细槽的平面之间，也就是两片涂有配向膜（PI，polyimide聚酰亚胺）的玻璃板，用来夹住液晶。液晶分子顺着开槽均匀排列。 2)偏光板：一系列逐步变细的平行线，或称栅栏，用来阻隔

15、掉不与栅栏平行的光线,偏光板的光透过图,液晶显示器依靠偏光板(极化滤光片)影响光线穿过液晶。自然光线是朝所有方向随机发散的。只有两个偏光板的线完全平行，或者通过第一个偏光板的光线本身已扭转到与第二个偏光板相匹配，光线才得以穿过第二个偏光板。如下图所示，两个偏光板互相垂直，穿过第一个偏光板的光线，经过扭曲的液晶后，光线被扭曲90，正好可以穿过第二个偏光板,但若为液晶加一个电压，液晶分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，将被第二个偏光板挡住。总之，加电光线将被阻断，不加电光线将射出，如下图所示,3)电极：玻璃板和液晶材料之间是透明电极，电极分为行电极 和列电极，在行和列的交叉点上，通过改变电

16、压而改变液晶的 旋光状态，从而改变屏幕上相应像素的亮度,综上可得像素点亮过程： 背光板发出的光线穿过第一层偏振过滤层后进入液晶层。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。 通过电极上电压的改变， 改变液晶的扭转状态， 相应改变光线的行进方 向，从而决定相应像素 的亮度。液晶材料在这 里作用类似一个小的光阀,4)背光板：由荧光物质组成，可以发射光线，提供一个高亮度，且亮度分布均匀的光源。由显示屏两边作为光源的灯管，反射板，导光板等等组成,3. 彩色液晶显示器的工作原理,彩色LCD要具备专门处理彩色显示的色彩过滤层（滤光板）。 彩色LCD面板中的每一

17、个像素由3个液晶单元格构成，其中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,液晶的分类,液晶显示器（LCD）依驱动方式分为静态驱动、单纯 矩阵驱动和主动矩阵驱动3种。 液晶显示的驱动就是用来调整加在液晶显示器件电极上的电位信号的相位，峰值等，建立驱动电场，以实现液晶器件的显示效果。 单纯驱动分为：扭转式向列型（Twisted Nematic, TN）和超扭转式向列型（Super Twisted Nematic, STN ） 主动矩阵驱动分为：薄膜晶体管液晶显示器（ TFTLCD，Thinfilmtransistorliquidcrys

18、taldisplay) 和二端子二级管型（metal/insulator/metal, MIM,TFT液晶显示器的构造,4. 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，能大量节省空间； 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,2.2.3 等离子显示器,等离子显示器是新一代显示设备，它采用了近几年来高速发展的等离子平面屏幕技术,1.等离子显示器的工作原理,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(氖或氖氩混合气体)。 在高电压作用下，气体会电离解。电

19、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橙红色辉光,等离子显示器有交流(AC)激发的、直流(DC)激发的、交直流(AC/DC)混合激发的三种类型。直流激发的等离子显示器的基本结构如下图所示,工作过程：要点亮某个地址的气泡，开始要在相应行上加较高的电压，气泡点亮后，可用低电压维持气泡的亮度。关掉某个气泡，只要将相应的电压降低。改变控制电压，可使等离子板显示不同灰度的图形,彩色等离子显示器,PDP成像过程是：利用惰性气体放电产生紫外线来激发彩色荧光粉发光，再转换成人眼可见的光。采用等离子管

20、作为发光元件，大量的等离子管排列在一起构成屏幕(如图所示)，每个等离子对应的每个小室内都充有氖氙气体。在等离子管电极间加上高压后，封在两层玻璃之间的等离子管小室中的气体会产生紫外光，并激励平板显示屏上的红绿蓝三基色荧光粉发出可见光。每个等离子管作为一个像素，由这些像素的明暗和颜色变化组合使之产生各种灰度和色彩的图像，类似显像管发光,2.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,2.2.4 3种显示技术的比较,2.3

21、绘图设备,2.3.1 喷墨打印机,喷墨打印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,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。打印机的墨水泵将黄、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,喷墨打印机的分辨率取决于墨滴也就是喷嘴的大小。 某些喷墨打印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,2.3.2 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

22、板式,滚筒式绘图机,平板式绘图机,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,2.平板式绘图机,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,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，下面的平

23、板称为绘图台板； 两块平板之间是电机动子，画笔装在电机动子的下部，画笔之下是绘图台板,2.3.3 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,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,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,打印机处理器将打印数据转换成可以驱动打印引擎动作的信号组(类似数据表)，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

24、度，将激光点反射到感光鼓上，如图（c）所示,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,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,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

25、质量非常高，分辨率可达300600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 图形输入设备,各种图形模型的建立、操作和修改都离不开图形输入设备。 常用的图形输入设备有： 键盘、鼠标 光笔、数字化仪 触摸板、图形扫描仪、手写输入板 语音输入、数据手套 空间球、操纵杆、拨号盘、按钮盒,2.4.1 键盘,字母数字键：输入文本、数值 光标控制键：选择、定位 功能键：输入常用的操作,可水洗的键盘,标准多夫拉克(Dvorak )键盘的设计,微软人体工学键盘 Natural Keyboard,爱国者人体工学键盘,05年罗技无线键盘,苹果公司内置触摸板的键盘， 可以作为鼠标定位，可以作 为

26、手写笔输入设备，还可以 把它当成一个小绘图板使用,折叠键盘,罗技TypeAway折叠键盘,折叠键盘,键盘折叠后仅仅 比一般PDA宽一点点,西门子虚拟键盘,2.4.2 鼠标,光标定位：相对设备 机械鼠：滑轮的移动 光电鼠：光线的反射,光电鼠标,1968年，鼠标的原型诞生，道格恩 格尔巴特。Apple公司 Lisa计算机， 第一台使用鼠标的系统，之后是苹果 个人PC系列,最早的机械鼠标,机械鼠标内部结构,罗技劲貂,无线电式鼠标的学名叫DRF （Digital radio frequency， 数字无线电频率,最新式蓝牙鼠标,3维鼠标,2.4.3 光笔,光笔有选图和跟踪两种基本功能。 选图（又称标定

27、或指点）是对显示器,上已显示的图形或字符进行加工处理,跟踪是用光笔拖动光标实现定位，可用于图形编辑,光笔的形状和普通钢笔相似，它由透镜、光导纤维、光电元件、放大整形电路和接触开关组成（如下图,光笔结构示意图,光笔的优缺点,优点 不需要特殊的显示屏幕，与触摸屏的设备相比较，价格便宜许多； 在一些不适宜使用鼠标的地方，可起到替代作用。 缺点 手和笔迹可能将遮挡屏幕图像的一部分； 会造成手腕的疲劳； 光笔不能检测黑暗区域内的位置； 会因房间背景光的影响产生误读现象,2.4.4 数字化仪,数字化仪是一种把图形转变为计算机能接受的数字形式的专用设备，它可以采样几何图形上的关键数据点，然后由程序进行处理,

28、数字化仪的工作原理,采用电磁感应技术，在一块布满金属栅格的绝缘平面板上放置一个可移动的定位设备； 当电流通过定位设备上的电感线圈时，产生相应的磁场，从而使其正下方的金属栅格上产生相应的感应电流； 根据已产生电流的金属栅格的位置，判断出定位设备当前所处的坐标位置。将这种位置信息传送给计算机，就实现了图形的数字化,数字化仪的主要技术指标,最大有效幅面 指能够有效地进行数字化操作的最大面积，一般按照工程图纸的规格来划分。 数字化的速率 每秒几点到几百点，多采用可变方式，由用户选择。 最高分辨率 指输出坐标显示值增加1的最小可能距离，一般每毫米几十线到几百线。最高分辨率取决于电磁技术,2.4.5 手写

29、输入板,手写输入板是最常见的定位设备，工作原理与数字化仪基本相同，不同之处是前者的台面较小，分辨率也低；而后者的台面较大，分辨率和精度也高,兰亭玲珑1000,经典普通2000,手写平板电脑,2.4.6 图形扫描仪,图形扫描仪是直接把图形（如工程图纸）和图像（如照片、广告画等）扫描并输入到计算机中，以像素信息进行存储表示的设备,图形扫描仪的模块框图,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,2.4.7 触摸屏,触摸屏是一种定位设备，它通过手指触摸屏幕显示的物

30、体或位置来实现选择的操作。根据采用的技术不同分为电子式、光学式和声学式触摸屏,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. 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,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,2.4.8 新的输入设备,数字墨水是一种新的以人为中心的人机界面技术，它充分利用了书写的自然性和墨水丰富的