计算机图形学PPT重点

1、2021-10-31湖北大学 数计学院1计算机图形学计算机图形学余敦辉余敦辉湖北大学湖北大学 数计学院数计学院2021-10-31湖北大学 数计学院2清华大学计算机系列教材清华大学计算机系列教材 孙广家孙广家 等编著等编著计算机图形学计算机图形学（第三版）（第三版）2021-10-31湖北大学 数计学院3主要参考书主要参考书谢步瀛，计算机绘图教程，上海同济大学出版社，谢步瀛，计算机绘图教程，上海同济大学出版社，1995 倪明田、吴良芝，计算机图形学，北京大学出版社，倪明田、吴良芝，计算机图形学，北京大学出版社，1999.11陈传波，陆枫，计算机图形学基础，电子工业出版社，陈传波，陆枫，计算机图

2、形学基础，电子工业出版社，2002 2002 （教材）（教材） Donald Hearn, M. Pauline Baker. “Computer Graphics: C version”. Prentice-Hall Inc, 1997 James D. Foley, etc. “Introduction to Computer Graphics”. Addison-Wesley publishing Company, 1996 计算机辅助设计与图形学学报计算机辅助设计与图形学学报2021-10-31湖北大学 数计学院4平时与考试平时与考试要求：要求：不迟到不迟到上课不说话上课不说话多提问题

3、与建议多提问题与建议课下多讨论，理论联系实际课下多讨论，理论联系实际考试（成绩分布）：考试（成绩分布）：1、期末考试、期末考试-40%2、平、平 时时-30%3、上机作业、上机作业-30%2021-10-31湖北大学 数计学院5第一章第一章 绪论绪论o什么是计算机图形学？什么是计算机图形学？n计算机图形学计算机图形学是利用计算机研究图形的表示、是利用计算机研究图形的表示、生成、处理、显示的学科。生成、处理、显示的学科。n计算机图形学计算机图形学计算机科学中，最为活跃、得到计算机科学中，最为活跃、得到广泛应用的分支之一广泛应用的分支之一2021-10-31湖北大学 数计学院61.1 计算机图形学

4、的研究内容计算机图形学的研究内容o如何在计算机中表示图形、以及利用计算机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。算法，构成了计算机图形学的主要研究内容。n图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图图形硬件、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，以及科学计算可视化、感图形计算与显示算法，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。2021-1

5、0-31湖北大学 数计学院7o图形：计算机图形学的研究对象计算机图形学的研究对象n能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象对象（广义的概念）n包括自然景物、拍摄到的图片、用数学方包括自然景物、拍摄到的图片、用数学方法描述的图形等等法描述的图形等等o图形的要素图形的要素几何要素：几何要素：刻画形状的点、线、面、体等几何要素刻画形状的点、线、面、体等几何要素非几何要素：非几何要素：反映物体表面属性或材质的明暗反映物体表面属性或材质的明暗,灰度灰度,色彩等色彩等2021-10-31湖北大学 数计学院8研究的对象研究的对象o计算机中表示图形的方法a11a12a13a

6、14a15a21a22a23a24a25a31a32a33a34a35a41a42a43a44a45a51a52a53a54a55灰度或颜色信息55图象0 xy直线的参数方程：ax+by+c=0计算机图形学所研究图形的定义：从客观世界中抽象计算机图形学所研究图形的定义：从客观世界中抽象出来的带有颜色及形状信息的图和形。出来的带有颜色及形状信息的图和形。参数表示参数表示形状参数形状参数+属性参数属性参数简称为图形简称为图形或叫矢量图形或参数图形或叫矢量图形或参数图形点阵表示点阵表示枚举出图形中所有的点枚举出图形中所有的点简称为图像（数字图像）简称为图像（数字图像）或叫点阵图或位图图像或叫点阵图或

7、位图图像2021-10-31湖北大学 数计学院9o图形与图象图形与图象n图象纯指计算机内以位图图象纯指计算机内以位图(Bitmap)形式存在形式存在的灰度信息。的灰度信息。n图形含有几何属性，更强调场景的几何表示，图形含有几何属性，更强调场景的几何表示，是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成的。成的。n图形主要分为两类图形主要分为两类o基于线条信息表示基于线条信息表示o明暗图明暗图(Shading)2021-10-31湖北大学 数计学院10数字图像数据模型图像生成（计算机图形学）图像生成（计算机图形学）模型（特征）提取模型（特征）提取（计算机视觉，模

8、式识别）（计算机视觉，模式识别）模型变换模型变换（计算几何）（计算几何）图像变换图像变换（图像处理）（图像处理）与相关学科的关系与相关学科的关系图形学：研究模型及数据的建立和由模型生成图像的过程和方法；计算机视觉：研究如何用计算机来模拟生物外显或宏观视觉功能图像处理：研究客观世界中的各种数字化图像的采集、去噪、压缩、增强、锐化、复原及重建等；计算几何：在数据和模型域中研究几何形体的计算机表示和分析的综合技术；模式识别：研究如何从图形中提取数据及模型，是图形学研究的逆过程；2021-10-31湖北大学 数计学院111.2 计算机图形学的发展1、发展历程、发展历程v开创阶段（开创阶段（5050年代

9、年代6060年代）年代）o19501950年，年，MITMIT采用原理类似于示波器阴极射线管（采用原理类似于示波器阴极射线管（CRTCRT）作为旋风一号的图形显示器。作为旋风一号的图形显示器。o19581958年，滚筒式绘图仪和平板式绘图仪研制成功。年，滚筒式绘图仪和平板式绘图仪研制成功。o5050年代末，年代末，SAGESAGE空中防御指挥系统采用光笔作为输入空中防御指挥系统采用光笔作为输入设备，标志着交互式图形技术的诞生。设备，标志着交互式图形技术的诞生。2021-10-31湖北大学 数计学院12v迅速发展阶段（60年代初60年代末）n19621962年，年，MITMIT林肯实验室的林肯实

10、验室的I. E. Sutherland(I. E. Sutherland(图图形学之父形学之父) )发表了一篇题为发表了一篇题为“SketchpadSketchpad：一个人：一个人机交互通信的图形系统机交互通信的图形系统”的博士论文的博士论文n19621962年，雷诺汽车公司的工程师年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bzier Pierre Bzier 提出提出BzierBzier曲线、曲面的理论曲线、曲面的理论n19641964年年MITMIT的教授的教授Steven A. CoonsSteven A. Coons提出了超限插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值的新

11、思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。造曲面。2021-10-31湖北大学 数计学院13v降低成本阶段（60年代末70年代初）存储管显示器出现，大大存储管显示器出现，大大降低图形硬件系统成本。降低图形硬件系统成本。7070年代初，出现一批通用年代初，出现一批通用的、可移植的软件系统。的、可移植的软件系统。2021-10-31湖北大学 数计学院14v发展成熟阶段（70年代初80年代初）光栅扫描显示器得到推广。光栅扫描显示器得到推广。出现许多新型的图形输入设备，出现许多新型的图形输入设备，如各类图形输入板，坐标数字化如各类图形输入板，坐标数字化仪，跟踪球，鼠标器等。仪，跟踪球，鼠标器等。GK

12、SGKS、PHIGSPHIGS等国际标准的建立。等国际标准的建立。2021-10-31湖北大学 数计学院15n光栅图形学迅速发展光栅图形学迅速发展o区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其相应区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其相应算法纷纷诞生算法纷纷诞生n图形软件标准化图形软件标准化o1974年，年，ACM SIGGRAPH的与的与ACM成立图形成立图形标准化委员会，制定标准化委员会，制定“核心图形系统核心图形系统”（Core Graphics System）oISO发布发布CGI、CGM、GKS、PHIGS2021-10-31湖北大学 数计学院16n真实感图形学真实感图形学o1970年

13、，年，Bouknight提出了第一个光反射模型提出了第一个光反射模型o1971年年Gourand提出提出“漫反射模型插值漫反射模型插值”的的思想，被称为思想，被称为Gourand明暗处理明暗处理o1975年，年，Phong提出了著名的简单光照模型提出了著名的简单光照模型- Phong模型模型n实体造型技术实体造型技术o英国剑桥大学英国剑桥大学CAD小组的小组的Build系统系统o美国罗彻斯特大学的美国罗彻斯特大学的PADL-1系统系统2021-10-31湖北大学 数计学院17v 推广应用阶段（80年代中90年代中）图形工作站的出现，图形工作站的出现，如如Apollo, Sun, HPApoll

14、o, Sun, HP等。等。2021-10-31湖北大学 数计学院18o算法方面n1980年年Whitted提出了一个光透视模型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，实现模型，并第一次给出光线跟踪算法的范例，实现Whitted模型模型n19841984年，美国年，美国CornellCornell大学和日本广岛大学的学者分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别将热辐射工程中的辐射度方法引入到计算机图形学中中oGreenberg - NishitaGreenberg - Nishitan图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展图

15、形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展2021-10-31湖北大学 数计学院19v 目前（九十年代中至今）微机和软件系统的普及使得微机和软件系统的普及使得图形学的应用领域日益广泛。图形学的应用领域日益广泛。图形学已经同模式识别、人图形学已经同模式识别、人工智能、数据库等众多领域结工智能、数据库等众多领域结合，形成一些交叉学科，如工合，形成一些交叉学科，如工程数据库、多媒体等。程数据库、多媒体等。2021-10-31湖北大学 数计学院20小结五十年代五十年代MIT MIT 旋风一号，计算机驱动旋风一号，计算机驱动CRT+CRT+照相机，照相机，SAGE(SAGE(交互式图形技术诞生交互式图形技术诞

16、生) )六十年代六十年代随机扫描显示器，图形学之父随机扫描显示器，图形学之父六十年代至七十年六十年代至七十年代初代初存储管显示器，应用的软件包存储管显示器，应用的软件包光栅扫描显示器，新型的图形输入设备，光栅扫描显示器，新型的图形输入设备，图形语言标准图形语言标准八十年代至九十年八十年代至九十年代初代初图形工作站图形工作站(Apollo,Sun,Hp)(Apollo,Sun,Hp)时间时间特特 征征九十年代至今九十年代至今微机，交叉学科（多媒体等）微机，交叉学科（多媒体等）六十年代至七十年六十年代至七十年代初代初2021-10-31湖北大学 数计学院21v 图形显示设备的发展随机扫描显示器随机

17、扫描显示器存储管式显示器存储管式显示器刷新式光栅扫描显示器刷新式光栅扫描显示器2、硬设备的发展2021-10-31湖北大学 数计学院22v图形输入设备的发展n第一阶段：控制开关、穿孔纸等等第一阶段：控制开关、穿孔纸等等n第二阶段：键盘第二阶段：键盘n第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏等等，语音笔、图形输入板、触摸屏等等，语音n第四阶段：三维输入设备（如空间球、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、表数据手套、数据衣），用户的手势、表情等等情等等n第五阶段：第五阶段：用户的思维用户的思维2021-10-31湖北大

18、学 数计学院232021-10-31湖北大学 数计学院243、图形软件的发展o图形软件的发展及软件标准的形成n发展历程发展历程诸侯割据诸侯割据标准讨论标准讨论标准形成标准形成两类标准两类标准官方标准（标准组织制定的标准）：官方标准（标准组织制定的标准）：GKS(Graphical Kernel System)，PHIGS(Programmers Hierarchical Interactive Graphics System)工业标准（事实上的标准）：工业标准（事实上的标准）：SGI等公司的等公司的OpenGL，微软公司的微软公司的DirectX，X财团的财团的Xlib，Adobe公司的公司的

19、PostScript等等等等2021-10-31湖北大学 数计学院251、管理、科学技术、管理、科学技术o绘制数学、物理以绘制数学、物理以及经济函数的二维及经济函数的二维及三维图形：直方及三维图形：直方图、线条图、扇形图、线条图、扇形图、进程图图、进程图. . o特点：简洁、直特点：简洁、直观观 数据的模数据的模型和趋势型和趋势。1.3 计算机图形学的应用计算机图形学的应用2021-10-31湖北大学 数计学院262、计算机辅助设计、计算机辅助设计nComputer-Aided Designn应用领域：飞机、轮应用领域：飞机、轮船、汽车外形，大规船、汽车外形，大规模集成电路，建筑，模集成电路，

20、建筑，服装，玩具服装，玩具n优点：设计周期短，优点：设计周期短，成本低，质量高成本低，质量高2021-10-31湖北大学 数计学院273、制图学、制图学o以高精度的地理或以高精度的地理或其他自然现象的图其他自然现象的图形形 纸或胶片上。纸或胶片上。包括地图、地质图、包括地图、地质图、油层图、海图、气油层图、海图、气象、人口密度图象、人口密度图.2021-10-31湖北大学 数计学院284、动画制作、动画制作o用计算机可以产生用计算机可以产生完整的动画效果，完整的动画效果，可用于艺术创作，可用于艺术创作，模拟真实的环境，模拟真实的环境，或进行飞机、驾驶或进行飞机、驾驶等训练。等训练。2021-1

21、0-31湖北大学 数计学院29o5、模拟、模拟o数学图形数学图形科学现象的数学模型科学现象的数学模型( (液体流动、相对论、核反应、化学液体流动、相对论、核反应、化学反应、生理系统与器官以及有负载反应、生理系统与器官以及有负载时结构的变形等时结构的变形等) )2021-10-31湖北大学 数计学院306、过程控制、过程控制利用交互式图形生成利用交互式图形生成技术形成的人机交互技术形成的人机交互系统，实现人与控制系统，实现人与控制或管理对象之间的相或管理对象之间的相互作用。如工厂中的互作用。如工厂中的设备、工序控制，机设备、工序控制，机场与铁路的调度等。场与铁路的调度等。2021-10-31湖北

22、大学 数计学院317、艺术与教育、艺术与教育教学活动教学活动2021-10-31湖北大学 数计学院328、办公自动化、办公自动化o在办公室中，用图形方式显示并交换文件、在办公室中，用图形方式显示并交换文件、报表、图例和其它信息，并在输出设备上输报表、图例和其它信息，并在输出设备上输出、保存起来出、保存起来。2021-10-31湖北大学 数计学院331.4 计算机图形系统计算机图形系统1、一般工作过程、一般工作过程o计算机图形系统是一个由计算机图形系统是一个由软、硬相互结合软、硬相互结合的有机整体。的有机整体。系统在工作时，由系统在工作时，由主机主机执行应用程序，通过执行应用程序，通过图形输入图

23、形输入设备设备、数据库或交互装置、数据库或交互装置读取数据读取数据，按一定数据结构，按一定数据结构组织起来，不断调用事先存储好的组织起来，不断调用事先存储好的图形显示子程序图形显示子程序，将处理后得到的数据将处理后得到的数据送往送往显示处理器，从图形显示器显示处理器，从图形显示器或其它输出设备或其它输出设备输出图形输出图形。2021-10-31湖北大学 数计学院342、基本任务、基本任务计算机图形学的基本任务：研究如何用计算机来处理图形1 1、如何用适当的硬件来实现图形处理功能；、如何用适当的硬件来实现图形处理功能；2 2、如何设计好的图形软件；、如何设计好的图形软件；3 3、图形处理所需的数

24、学处理方法和算法；、图形处理所需的数学处理方法和算法；4 4、如何解决实际应用中的图形处理问题。、如何解决实际应用中的图形处理问题。计算机图形系统：计算机图形系统：计算机硬件计算机硬件+图形输入输出设备图形输入输出设备 +计算机系统软件计算机系统软件+图形软件图形软件2021-10-31湖北大学 数计学院353、基本组成、基本组成v系统硬件o显示处理器：重复解释、执行D.F. o刷新处理器：存放显示文件 o交互装置：人机交互工具 o硬拷贝装置：实现图形永久性输出的装置 o本地计算机: 生成显示文件 图形互换 o主机:语言的解释或编译，数据库管理等2021-10-31湖北大学 数计学院36系统硬

25、件示意图系统硬件示意图基本组成基本组成2021-10-31湖北大学 数计学院37基本组成基本组成系统软件系统软件应用程序应用程序: : 需要执行的指令序列需要执行的指令序列 应用数据结构应用数据结构/ /模型模型: :全面描述对象的特点全面描述对象的特点 图形系统图形系统: : 完成实际功能完成实际功能, ,是与硬件的接口是与硬件的接口 2021-10-31湖北大学 数计学院38基本组成基本组成系统软件示意图系统软件示意图2021-10-31湖北大学 数计学院39o4、计算机图形系统的功能图形输出设备输出计算输入图形输入设备交互存贮显示器数据库2021-10-31湖北大学 数计学院40第二章第

26、二章 图形设备图形设备提出问题：提出问题：计算机图形学包括哪些外部设备计算机图形学包括哪些外部设备?o图形输入设备：概念、特点图形输入设备：概念、特点o图形显示设备：概念、结构原理、工作方图形显示设备：概念、结构原理、工作方式、特点式、特点*o图形硬拷贝设备：概念、特点图形硬拷贝设备：概念、特点2021-10-31湖北大学 数计学院412.1 图形输入设备1、键盘（Keyboard）2、鼠标（Mouse）3、光笔（Light Pen）4、触摸屏（Touch Screen）5、操纵杆（Joystick）6、跟踪球(Trackball)和空间球(Spaceball)7、数据手套（、数据手套（Dat

27、a Glove）8、数字化仪（、数字化仪（Digitizer）9、图像扫描仪（、图像扫描仪（Scanner）10、声频输入系统、声频输入系统11、视频输入系统、视频输入系统2021-10-31湖北大学 数计学院42n功能：文本串输入、数据输入和命令输入功能：文本串输入、数据输入和命令输入n特点：特点：1）便于屏幕坐标输入；）便于屏幕坐标输入；n 2）便于菜单选择；）便于菜单选择；n 3）便于图形操作。）便于图形操作。n光标控制键光标控制键n功能键功能键n数字键盘数字键盘n其它类型的光标定位设备：跟踪球其它类型的光标定位设备：跟踪球 操纵杆操纵杆 无线键盘 有线键盘1、键盘（、键盘（Keyboa

28、rd）2021-10-31湖北大学 数计学院43n按测量位移：按测量位移： 鼠标底部的转轮或滚轮记录移动总量和方向鼠标底部的转轮或滚轮记录移动总量和方向 光学感应器检测鼠标运动光学感应器检测鼠标运动n按使用键数：按使用键数： MS型（型（Microsoft Mouse Mode）-双键双键 PC型（型（Mouse System Mode） -三键三键n基本工作原理：基本工作原理： 机械位移机械位移-电脉冲电脉冲-数字信号数字信号-控制光标移动控制光标移动n安装：安装：连接连接USB口口三键 二键 无线2、鼠标器（、鼠标器（Mouse）2021-10-31湖北大学 数计学院44一种检测装置，靠检

29、测荧光屏上的发光点来选择屏幕一种检测装置，靠检测荧光屏上的发光点来选择屏幕的位置坐标。的位置坐标。功能：功能：定位、拾取、笔划跟踪。定位、拾取、笔划跟踪。光孔透镜组笔体触钮开关光导纤维导线图2-2 光笔的结构3、光笔（、光笔（Light Pen）2021-10-31湖北大学 数计学院45以手指触摸的方式选择屏幕位置。以手指触摸的方式选择屏幕位置。红外线式触摸屏红外线式触摸屏 光学光学电阻式触摸屏电阻式触摸屏 电子电子电容式触摸屏电容式触摸屏 电子电子声波（声音探测式）触摸屏声波（声音探测式）触摸屏 声音声音4、触摸屏（、触摸屏（Touch Screen）2021-10-31湖北大学 数计学院4

30、6由一根小的垂直杠杆组成的可摇动装置，装配在由一根小的垂直杠杆组成的可摇动装置，装配在四周可移动的底座上用来控制屏幕光标。四周可移动的底座上用来控制屏幕光标。另：压力检测操纵杆另：压力检测操纵杆 手柄不可移动，手柄不可移动， 压力压力 - - 位移位移5、操纵杆（、操纵杆（Joystick）2021-10-31湖北大学 数计学院47跟踪球：二维跟踪球：二维空间球：三维空间球：三维6、跟踪球、跟踪球(Trackball)和和 空间球空间球(Spaceball)2021-10-31湖北大学 数计学院48戴在手上的传感器，可以用来抓住戴在手上的传感器，可以用来抓住“虚拟对象虚拟对象”7、数据手套（、

31、数据手套（Data Glove）2021-10-31湖北大学 数计学院49是一种把图形变成一种计算机能接收的数字形式的专用设备。是一种把图形变成一种计算机能接收的数字形式的专用设备。1）工作原理：）工作原理：电磁感应技术；电磁感应技术；2）性能指标：）性能指标：最大有效幅面；数字化速率；最高分辨率。最大有效幅面；数字化速率；最高分辨率。3）工作方式：）工作方式：点方式、连续方式（流方式）、相对坐标方式点方式、连续方式（流方式）、相对坐标方式8、数字化仪（、数字化仪（Digitizer）2021-10-31湖北大学 数计学院50用来在所作的画或对象上扫描，并输入用来在所作的画或对象上扫描，并输入

32、一组坐标位置，相互以直线段连接，以一组坐标位置，相互以直线段连接，以逼近曲线或表面形状。逼近曲线或表面形状。幅面：幅面： A0 A1 A4分辨率：分辨率： 300dpi1000dpi（Dot per Inch）支持颜色（灰度等级）：支持颜色（灰度等级）：4、8、24位面颜色位面颜色评价指标评价指标支持的颜色：支持的颜色： 单色单色 彩色彩色固态器件：固态器件： 电荷耦合电荷耦合 MOSMOS电路电路 紧贴型紧贴型扫描宽度和操作方式：扫描宽度和操作方式： 大型大型 台式台式 手动手动分类分类9、图象扫描仪（、图象扫描仪（Scanner）2021-10-31湖北大学 数计学院51也称声音输入系统，

33、在某些图形工作也称声音输入系统，在某些图形工作站中，采用话音识别器作为输入设备，站中，采用话音识别器作为输入设备，以接收操作者的命令。以接收操作者的命令。 例：例：IBMIBM公司的公司的ViavoiceViavoice语音识别系统语音识别系统声音词典声音词典话音识别器话音识别器计算机计算机话音频率话音频率频率模式匹配频率模式匹配匹配结果匹配结果10、声频输入系统、声频输入系统2021-10-31湖北大学 数计学院52电视信号电视信号计算机计算机数字信号数字信号视频信号采集板视频信号采集板视频信号视频信号电视天线电视天线摄像机摄像机录像机录像机视频信号输入卡视频信号输入卡视频信号处理装置视频信

34、号处理装置视频信号视频信号数据信号处理芯片（数据信号处理芯片（DSP）11、视频输入系统、视频输入系统2021-10-31湖北大学 数计学院53o用于虚拟现实环境的显示器类型用于虚拟现实环境的显示器类型n头盔式显示器头盔式显示器(Head Mounted Display(Head Mounted Display，HMD)HMD)n空间沉浸式显示器空间沉浸式显示器(SID,(SID,如洞穴式和园顶式如洞穴式和园顶式) )显示硬件显示硬件o头盔式显示器头盔式显示器n将观察者的头部位置及运动方向告诉计算机，计算机就可以调将观察者的头部位置及运动方向告诉计算机，计算机就可以调整观察者所看到的图景，使得

35、呈现图像更趋于真实感绝大多数整观察者所看到的图景，使得呈现图像更趋于真实感绝大多数头盔式显示器使用两个显示器头盔式显示器使用两个显示器n利用特殊光学设备对图像进行处理，使图像看上去立体感更强利用特殊光学设备对图像进行处理，使图像看上去立体感更强n把用户的视觉、听觉和其他感觉封装起来，产生一种身在虚拟把用户的视觉、听觉和其他感觉封装起来，产生一种身在虚拟环境中的错觉。环境中的错觉。其他图形输入设备其他图形输入设备2021-10-31湖北大学 数计学院542021-10-31湖北大学 数计学院55o数据衣数据衣n也是虚拟现实系统中用的人机交互设备也是虚拟现实系统中用的人机交互设备n一件虚拟现实的数

36、据紧身服一件虚拟现实的数据紧身服n可使你有在水中或泥沼中游泳的感觉可使你有在水中或泥沼中游泳的感觉 2021-10-31湖北大学 数计学院562.2 图形显示设备图形显示设备o图形输出设备图形输出设备n图形输出图形输出包括图形的显示和图形的绘制，包括图形的显示和图形的绘制，n图形显示图形显示指的是在屏幕上输出图形指的是在屏幕上输出图形n图形绘制图形绘制通常指把图形画在纸上，也称硬拷贝，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打印机和绘图仪是两种最常用的硬拷贝设备2021-10-31湖北大学 数计学院57阴极射线管阴极射线管CRT（Cathode Ray Tube

37、）是一种真空器）是一种真空器件，它利用电磁场产生高速的、经过聚焦的电子束，件，它利用电磁场产生高速的、经过聚焦的电子束，偏转到屏幕的不同位置轰击屏幕表面的荧光材料而产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形。生可见图形。1、阴极射线管阴极射线管2021-10-31湖北大学 数计学院58从外形上看，从外形上看，CRT为：管颈部分、锥体部分、屏幕部分为：管颈部分、锥体部分、屏幕部分 从结构上看，从结构上看，CRT为：电子枪、偏转系统、荧光屏为：电子枪、偏转系统、荧光屏2021-10-31湖北大学 数计学院59 电子枪电子枪功能：功能：要求：要求：结构：结构：a.具有足够的电流强度。

38、具有足够的电流强度。b.电流的大小和有无必须是可控的。电流的大小和有无必须是可控的。c.具有很高的速度。具有很高的速度。d.在荧光屏上应能聚焦很小的光亮，以保证显示器有足够的分辨率。在荧光屏上应能聚焦很小的光亮，以保证显示器有足够的分辨率。阴极阴极栅极（调制极，控制极）栅极（调制极，控制极）阳极（加速极、聚焦极）阳极（加速极、聚焦极）产生一个沿管轴（产生一个沿管轴（Z轴）方向前进的细电子束轰击荧光屏轴）方向前进的细电子束轰击荧光屏2021-10-31湖北大学 数计学院60o控制栅：控制栅：是用来控制电子束的强弱的，当加上正电压时，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

39、会在屏幕上形成较亮的点，当控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分或全部阻截，通过的电子很少，屏幕上的点也就比较暗o聚焦系统：聚焦系统：是一个电透镜，能使众多的电子聚集于一点是一个电透镜，能使众多的电子聚集于一点o加速阳极：加速阳极：使电子达到轰击激发荧光屏应有的速度。最后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由磁偏转系统来达到指定位置2021-10-31湖北大学 数计学院61 偏转系统：控制静电场或磁场

40、，使电子束产生偏偏转系统：控制静电场或磁场，使电子束产生偏转，最终能到达屏幕的任意位置转，最终能到达屏幕的任意位置电偏转灯丝阴极加速极控制栅聚焦极加速极荧光屏图2-7 CRT的构造（电偏转）水平偏转板垂直偏转板图2-5 显象管中电子束的偏转电子束荧光屏偏转线圈磁场磁偏转失真问题？失真问题？2021-10-31湖北大学 数计学院62o电子束要到达屏幕的边缘时，偏转角度就会增大。到电子束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达屏幕最边缘的偏转角度被称为最大偏转角最大偏转角oCRTCRT显示器屏幕越大整个显象管就越长显示器屏幕越大整个显象管就越长n刷新频率刷新频率o刷新

41、刷新一次是指电子束从上到下扫描一次的过程一次是指电子束从上到下扫描一次的过程o刷新频率高到一定值后，图象才能稳定显示刷新频率高到一定值后，图象才能稳定显示o隔行扫描与逐行扫描隔行扫描与逐行扫描2021-10-31湖北大学 数计学院63 荧光屏荧光屏对荧光粉的性能要求是：对荧光粉的性能要求是：发光颜色满足标准白色、发光效率高、余辉时间合适以发光颜色满足标准白色、发光效率高、余辉时间合适以及寿命长等。及寿命长等。 CRT荧光屏（荧光屏（Phosphor Screen）是用荧光粉涂敷在玻璃）是用荧光粉涂敷在玻璃底壁上制成的，常用沉积法涂敷荧光粉。玻璃底壁要求底壁上制成的，常用沉积法涂敷荧光粉。玻璃底

42、壁要求无气泡，表面光学抛光。无气泡，表面光学抛光。2021-10-31湖北大学 数计学院64 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余辉时间：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余辉时间：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l刷新刷新(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)：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)：CRT在水平或竖直方向单位长度上能识别

43、的最大像素个数在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大像素个数 单位通常为单位通常为dpi（dots per inch)。 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 如如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等等等某种某种CRT产生稳定图像所需要的最小刷新频率产生稳定图像所需要的最小刷新频率=1秒秒/荧光物质的持续发光时间荧光物质的持续发光时间（例如）（例如）=1000/40=25Hz2021-10-31湖北大学 数计学院65技术指标：技术指标：1、分辨率：、分辨率：一个阴极射

44、线管在水一个阴极射线管在水平和垂直方向单位长度上能识平和垂直方向单位长度上能识别的最大光点数。别的最大光点数。取决：取决：1）CRT荧光屏所用荧光物质的类荧光屏所用荧光物质的类型、聚焦和偏转系统；型、聚焦和偏转系统；2）表示象素位置的计算机字长；）表示象素位置的计算机字长；3）存储象素信息的介质；）存储象素信息的介质；4）模数转换的精度和速度。）模数转换的精度和速度。2、显示速度：、显示速度：每秒显示矢量每秒显示矢量线段的条数。线段的条数。取决：取决：1）偏转系统的速度；）偏转系统的速度；2）CRT矢量发生器的速度；矢量发生器的速度；3）计算机发送显示命令的速）计算机发送显示命令的速度。度。2

45、021-10-31湖北大学 数计学院66o彩色阴极射线管彩色阴极射线管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射线穿透法射线穿透法o原理原理o应用：画线显示器应用：画线显示器o优点：成本低优点：成本低o缺点：只等产生有限几种颜色缺点：只等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、彩色、彩色阴极射线管阴极射线管当图形彩色转换速度很快时，相应的高压转换速度亦迅速，这要求： 转换速度 精度 功耗2021-10-31湖北大学 数计学院67o影孔板法影

46、孔板法n原理：原理：n影孔板被安装在荧光屏的内表面，用于精确定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位像素的位置外层玻璃外层玻璃荧光涂层荧光涂层影孔板影孔板2021-10-31湖北大学 数计学院68n影孔板的类型影孔板的类型o点状影孔板（荫罩式）点状影孔板（荫罩式） 代表：球面显像管代表：球面显像管o栅格式影孔板（荫栅式）栅格式影孔板（荫栅式） 代表：柱面显像管代表：柱面显像管 日本索尼公司的特丽珑管（日本索尼公司的特丽珑管（Trinitron） 三菱公司的钻石珑管（三菱公司的钻石珑管（Diamondtron） o沟槽式影孔板沟槽式影孔板 代表：代表：LG的的Flatron显像管

47、显像管2021-10-31湖北大学 数计学院69n点状影孔板（荫罩法）工作原理点状影孔板（荫罩法）工作原理o红、绿、兰三基色红、绿、兰三基色o三色荧光点三色荧光点o三个电子枪三个电子枪荫罩兰红绿兰红绿电子枪屏幕荧光点如果每个电子枪有如果每个电子枪有256个等级，则显示器能同时个等级，则显示器能同时显示显示256*256*256=16M种颜色，称为真彩系统种颜色，称为真彩系统2021-10-31湖北大学 数计学院70o荫罩式显示器的缺点：荫罩式显示器的缺点：n球面荧光屏，几何失真大球面荧光屏，几何失真大n三角形的荧光点排列造成即使点三角形的荧光点排列造成即使点很密很细也不会特别清晰很密很细也不会

48、特别清晰o最近几年最近几年n荫栅式显示器逐渐流行起来荫栅式显示器逐渐流行起来 2021-10-31湖北大学 数计学院71o原理的区别原理的区别 n光线的选择方式和荧光点的排列不同光线的选择方式和荧光点的排列不同 o荫栅式显象管的优点荫栅式显象管的优点n亮度更高，色彩也更鲜艳亮度更高，色彩也更鲜艳 n柱面和平面显示器柱面和平面显示器 2021-10-31湖北大学 数计学院723、CRTCRT图形显示器图形显示器n随机扫描的图形显示器随机扫描的图形显示器n直视存储管图形显示器直视存储管图形显示器n光栅扫描的图形显示器光栅扫描的图形显示器2021-10-31湖北大学 数计学院73随机扫描的图形显示器

49、随机扫描的图形显示器向量（向量（vector）显示器）显示器笔划（笔划（Stroke writing）显示器）显示器o特点特点n数据表示：矢量表示，只有端点信息，无线段中间点数据表示：矢量表示，只有端点信息，无线段中间点n扫描方式：电子束像一支快速移动的画笔，可随意移动，只扫扫描方式：电子束像一支快速移动的画笔，可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分，与示波器工作原理类似描荧屏上要显示的部分，与示波器工作原理类似n显示图形：几何属性显示图形：几何属性(geometric attribute)为主，线架图为主，线架图n优点：扫描速度快，分辨率高，线条质量好，易修改，交互性优点：扫描速度快，分辨率高

50、，线条质量好，易修改，交互性好，动态性能好好，动态性能好n缺点：价格贵，只能显示线画图形，应用于军事、缺点：价格贵，只能显示线画图形，应用于军事、CAD领域；领域；不能显示逼真场景、和电视标准不一致、驱动系统也较复杂不能显示逼真场景、和电视标准不一致、驱动系统也较复杂2021-10-31湖北大学 数计学院74直视存储管图形显示器直视存储管图形显示器从表面上看直视存储管的特性极象一个有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长余辉的荧光屏，一条，一条线一旦画在屏幕上，在一小时之内都将是可见的。线一旦画在屏幕上，在一小时之内都将是可见的。特点特点：无需刷新无需刷新很复杂的图形都可以在极很

51、复杂的图形都可以在极高的分辨率下无闪烁地显高的分辨率下无闪烁地显示示成本较低成本较低不能显示彩色不能显示彩色不能局部修改不能局部修改擦除和重画过程对复杂图擦除和重画过程对复杂图形来讲，可能要几秒钟形来讲，可能要几秒钟屏幕存储栅收集栅写电子抢电子流读出电子抢写阴极DVST（direct-view storage tube）2021-10-31湖北大学 数计学院75o工作原理：工作原理：o写电子枪：写电子枪：将图形信息将图形信息“写在写在”存储栅的栅格上；存储栅的栅格上；o读出电子枪：读出电子枪：发出连续电子流将存储栅网格上的图形发出连续电子流将存储栅网格上的图形“重写重写”在屏幕上；在屏幕上；o

52、存储栅：存储栅：由细网栅格组成，栅格上涂有绝缘材料，栅网装在由细网栅格组成，栅格上涂有绝缘材料，栅网装在靠近屏幕的后方，其上有由电子枪画出的正电荷图形；靠近屏幕的后方，其上有由电子枪画出的正电荷图形；o收集栅：收集栅：使读出的电子流均匀，并以垂直方向接近屏幕。在使读出的电子流均匀，并以垂直方向接近屏幕。在有图形的地方，这些低速电子受存储栅上正电荷的吸引，从有图形的地方，这些低速电子受存储栅上正电荷的吸引，从而加速穿过存储栅并轰击屏幕上的荧光材料而发光。而加速穿过存储栅并轰击屏幕上的荧光材料而发光。2021-10-31湖北大学 数计学院76n光栅扫描的图形显示器光栅扫描的图形显示器电子束横向扫描

53、屏幕，一次一行，从顶到底顺次进行。当电子束横电子束横向扫描屏幕，一次一行，从顶到底顺次进行。当电子束横向沿每一行移动时，电子束的强度不断变化来建立亮点的图案。向沿每一行移动时，电子束的强度不断变化来建立亮点的图案。 技术指标技术指标：刷新速率刷新速率： 每秒60到80帧，即60Hz或80Hz。水平回扫水平回扫（horizontal retrace），行扫描垂直回扫垂直回扫（verticle retrace），场扫描逐行扫描和隔行（逐行扫描和隔行（interlaced）扫描：）扫描： 隔行扫描技术主要用于较慢的刷新速率，以避免闪烁扫描线0123n水平扫描(显示)水平回扫(消隐)垂直回扫(消隐)图

54、2-16光栅扫描示意图2021-10-31湖北大学 数计学院77o场频场频= 帧频帧频 * 2n一帧一帧130秒，一场秒，一场160秒秒n帧频帧频30HZ ，场频，场频60HZl一帧完整的画面分成一帧完整的画面分成两场两场，即奇数场与偶数场，即奇数场与偶数场o优点优点：n降低了闪烁效应；降低了闪烁效应；n只需逐行的一半时间即可显示一屏只需逐行的一半时间即可显示一屏画面，降低了对扫描频率的要求，画面，降低了对扫描频率的要求，也降低了成本；也降低了成本；n帧缓存中数据量比逐行扫描少一半，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降低了视频控制器存取帧缓存的速度及传输带宽的要求。

55、度及传输带宽的要求。 隔行扫描（隔行扫描（Interlaced scan）工作原理）工作原理2021-10-31湖北大学 数计学院78工作原理工作原理光栅扫描是控制电子束按某种光栅形状进行的顺序扫描，而字符、光栅扫描是控制电子束按某种光栅形状进行的顺序扫描，而字符、图象是靠图象是靠Z Z轴信号控制辉亮来形成的。轴信号控制辉亮来形成的。辉亮放大器视频信号水平同步垂直同步水平振荡垂直振荡水平驱动垂直驱动水平输出垂直输出高压CRTyxz2021-10-31湖北大学 数计学院79绘图仪绘图仪printerComputerDPU输入设备输入设备视频控制器视频控制器display显示处理器显示处理器控制图

56、形的显示控制图形的显示逻辑部件：逻辑部件：帧缓冲存储器（帧缓冲存储器（Frame Buffer)视频控制器（视频控制器（Video Controller)显示处理器（显示处理器（Display Processing Uuit，简称，简称DPU）CRT计算机图形处理系统计算机图形处理系统2021-10-31湖北大学 数计学院80l工作原理工作原理应用程序发出绘图命令，应用程序发出绘图命令，解析成显示处理器可接受命令格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成一个显示

57、文件，由显示处理器负责解释执行(刷新刷新)， 驱驱动电子枪在屏幕上绘图。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。修改图形，实际是修改显示文件中的某些绘图命令。 2021-10-31湖北大学 数计学院81特点： 刷新缓冲存储器刷新缓冲存储器（refresh bufferrefresh buffer）或）或称帧缓冲存储器（称帧缓冲存储器（frame frame bufferbuffer） 象素（象素（pixelpixel或或pelpel，是是picture elementpicture element的简的简写）写） 象素信息从应用程序象素信息从应用程序转换并放入帧缓冲

58、区的转换并放入帧缓冲区的过程称之为扫描转换过过程称之为扫描转换过程程走样走样2021-10-31湖北大学 数计学院82nCRT固有的物理结构限制了它向更广的显示领域固有的物理结构限制了它向更广的显示领域发展发展o屏幕的加大必然导致显象管的加长，显示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，在使用时候就会受器的体积必然要加大，在使用时候就会受到空间的限制到空间的限制oCRT显示器是利用电子枪发射电子束来产显示器是利用电子枪发射电子束来产生图像，容易受电磁波干扰生图像，容易受电磁波干扰o长期电磁辐射会对人们健康产生不良影响长期电磁辐射会对人们健康产生不良影响2021-10-31湖北大

59、学 数计学院834、 平板显示器平板显示器平板显示器平板显示器特点：低电压、轻小型、数字化特点：低电压、轻小型、数字化n非发射显示器：非发射显示器： 液晶显示器液晶显示器n发射显示器：发射显示器： 等离子体显示器等离子体显示器 薄片光电显示器薄片光电显示器 发光二极管显示器发光二极管显示器 激光显示器激光显示器2021-10-31湖北大学 数计学院84n非发射显示器：非发射显示器：液晶显示器液晶显示器CCCCx1y1-v+v根据液晶显示器件所显示的光的类型根据液晶显示器件所显示的光的类型: :1 1、透射型、透射型LCD:LCD:光源位于液晶显示板之后；光源位于液晶显示板之后；2 2、反射型反

60、射型LCD:LCD:光源位于液晶显示板之前光源位于液晶显示板之前；3 3、投影型、投影型LCD:LCD:将液晶显示板作为幻灯片。将液晶显示板作为幻灯片。反射层水平网格线水平极板液晶层垂直网格线 垂直极板x1-vy1+v2021-10-31湖北大学 数计学院85nLCD显示器基本原理显示器基本原理o液晶是一种介于液晶是一种介于液体和固体液体和固体之间的特殊物质，它具有液之间的特殊物质，它具有液体的体的流态流态性质和固体的性质和固体的光学光学性质。当液晶受到电压的影性质。当液晶受到电压的影响时，就会改变它的物理性质而响时，就会改变它的物理性质而发生形变发生形变，此时通过它，此时通过它的光的的光的折