计算机图形学 2、计算机图形系统

1、1第二章 计算机图形系统2.1 计算机图形系统的组成2.2 图形硬件系统2.3 图形软件系统2.4 图形软件标准22.1 计算机图形系统的组成一、图形系统的结构二、图形系统的基本功能三、图形系统的分类3一、图形系统的结构计算机图形系统主要由两部分组成：1、硬件设备硬件系统：计算机主机； 交互设备：图形显示器、鼠标器、键盘； 输入输出设备：图形数字化板、绘图仪、图形打印设备； 存贮设备：磁带、磁盘；42、软件系统操作系统高级语言图形软件应用软件 计算机图形系统与一般计算机系统的最主要的区别： 具有图形的输入、输出设备、以及必要的交互设备； 对主机的运行速度、存储容量要求高。 5二、图形系统的基本

2、功能 图形系统至少要包括：计算存储输入 输出对话 等五项基本功能。 6 1、计算功能： 包括计算、变换、分析等。如直线、曲线、曲面的生成，坐标几何变换，线段、形体之间的求交、裁剪计算以及点的包含性检查等。 2、存储功能： 包括各种形体的几何数据及形体之间的相互关系，可实现对有关数据的实时检索以及保存对图形的删除、增加、修改等信息。 3、输入功能： 包括对所设计的形体的几何参数（例如大小、位置等）以及各种命令的输入。 7 4、输出功能： 在显示屏上显示、在打印机、绘图仪等硬设备上输出。 5、对话功能： 通过人机交互设备直接进行人机通信。包括：定位、拾取、输入各种参数、命令，实现增、删、改等操作。

3、 8三、图形系统的分类 1、以大型机为基础的图形系统 超大容量的存储器，极强的计算功能，大量的显示终端，高精度、大幅面的硬拷贝设备，功能齐全的应用软件。 2、以中型机或超级小型机为基础的图形系统 较大容量的内存和外存，极强的计算功能，大量的显示终端，高精度、大幅面的输入输出设备，较强功能的图形支撑软件和应用软件。 93、以工作站为基础的图形系统 高速的科学计算，丰富的图形处理，灵活的窗口，网络管理功能，交互式计算机系统。 4、以微机为基础的图形系统 高档微机，中、低分辨率的图形显示器，交互设备，廉价的绘图仪及打印机。 102.2 图形硬件设备一、图形显示设备 二、图形输入设备三、图形输出设备1

4、1一、图形显示器A、显示器1、阴极射线管2、彩色阴极射线管B、扫描方式1、随机扫描显示系统2、光栅扫描系统见第一章第一页控制电子束在水平，垂直方向上移动，以电子束为画笔，在CRT屏幕上作画只能画简单的图形，如示波器上的李萨如图形控制电子束依次在水平，垂直方向移动扫描到每一个点，形成光栅，每一个点的亮度，色彩用大小不等的电压表示，形成图形阴极射线管原理（1）以阴极射线管（CRT，模拟电视机屏幕就是）为显示设备 CRT原理：电子束轰击CRT屏幕可以形成一个亮点阴极射线管原理（3）nCRT各部分的作用：n阴极：灯丝加热，产生大量游离电子n栅极：对游离电子进行会聚，形成电子束n阳极：对电子束进行加速，

5、时期能够以高速打到荧光屏的一个点上n偏转线圈：对高速电子束调整偏转角度，使其打到荧光屏指定位置n荧光屏：涂有大量荧粉，在电子束轰击下发出荧光亮点14v点状影孔板工作原理n红、绿、兰三基色n三色荧光点（很小并充分靠近-像素）n三支电子枪电子枪、影孔板中的一个小孔和荧光点呈一直线；每个小孔与一个像素（即三个荧光点）对应15影孔板法n原理：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外层玻璃外层玻璃荧光涂层荧光涂层影孔板影孔板1、随机扫描的显示系统n特点：电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分。ttVxVyX方向偏转电压y方向偏转电压ttVxVyttVxVy16172、光栅扫描的显示系统

6、n光栅扫描显示系统特点：光栅扫描扫描线帧（扫一遍叫一帧扫一遍叫一帧）水平回扫期垂直回扫期182、光栅扫描的显示系统ttVxVyX方向偏转电压y方向偏转电压19绘图过程没有点时，基本不加电压，使之呈现背景色有点时，扫到这来CRT会突然加一个大电压使之生成一个点。n随机扫描方式：控制电子束在水平、垂直方向上移动，以电子束为画笔，在CRT屏幕作画。只能画简单的图形，如示波器上的李萨玉图形。难以画出象照片那样的图象，每个点都要画到n光栅扫描方式：控制电子束依次在水平、垂直方向上移动，扫描到每一个点，形成光栅，每个点的亮度、色彩用大小不等的电压控制,呈现不同的亮度、色彩，形成图像。两种扫描方式的区别和各

7、种的特点：n在光栅控制信号作用下，电子束在荧光屏上依次扫描每个像素。从左上角第一个像素开始，到右下角最后一个像素结束，一帧完整的光栅就形成了。n电视信号在每个像素被扫描时，根据像素的亮暗程度给出高低不同的电压信号，使不同的像素发出不同的亮度。随著光栅的随著光栅的形成，形成，一帧图像一帧图像就完成了。就完成了。22电子束按固定的扫描顺序进行扫描电子束按固定的扫描顺序进行扫描N N条扫描线，每条条扫描线，每条扫描线有扫描线有MM个像素，个像素，M M * * N N显示器的分辨率。显示器的分辨率。如如10241024* *769769显示器的分辨率23逻辑部件n帧缓冲存储器（Frame Buffe

8、r)n视频控制器（Video Controller)n显示处理器（Display Processor）n显示器24帧缓冲存储器n作用：存储屏幕上像素的颜色值作用：存储屏幕上像素的颜色值n简称帧缓冲器，俗称显存，出现在数字信号时代25n帧缓存中单元数目与显示器上像素的数目相同，单元与像素一一对应，各单元的数值决定了其对应像素的颜色。n显示颜色和亮度与帧缓存中每个存储的数据有关。n帧缓存是数字设备，光栅显示器是模拟设备，帧缓存是数字设备，光栅显示器是模拟设备，两者要数模转换（由视频控制器完成）两者要数模转换（由视频控制器完成）。n原理：帧缓存用二进制数表示，一个缓存单元中的数被翻译成灰度等级。亮度

9、等级经数模转换器（DAC）变成驱动显示器电子束的模拟电压。 26n若每个单元有24位（每种基色占8位）即显示系统可同时产生224种颜色（24位真彩色）。n分辨率分辨率M*N、颜色个数颜色个数K与显存大小与显存大小V的关系的关系n3个位面分辩率是10241024的显示器，需要310241024（3145728）位的存储器。若存储器位长固定，则屏幕分辩率与同时可用的颜色种数成反比关系。1兆字节的帧缓存，若设分辩率为640480，则帧缓存每个单元可有24位，可能同时显示224种颜色，若设分辩率为1024768，则每个单元分得的位数仅略多于8，只能工作于256色显示模式下。彩显KNMV2log2k表示

10、每个像素需要的字节数27彩显显存问题n一是高分辨率和真彩要求有大的显存；n二是要求视频控制器对帧缓存有较快的存取速率。解决方法：n采用查色表(Lookup Table）或称彩色表(Color Table)1024*768真彩模式需要真彩模式需要3M字节显存字节显存28彩色表（color table）顺序是蓝，绿，红n又称查色表（look up Table）n是一维线性表，其每一项的内容对应一种颜色，它的长度由帧缓存单元的位数决定，例如：每单元有8位，则查色表的长度为28256n目的：在帧缓存单元的位数不增加的情况下，具有大范围内挑选颜色的能力。2930313233存放方式n颜色信息在帧缓存中两

11、种存放方式：一是颜色值直接存储在帧缓存中。二是把颜色码放在一个独立的表中，帧缓存存放的是颜色表中各项的索引值，颜色范围扩充了。n单色系统：查色表固化n彩显：可修改、创建查色表。34FNMT彩显带宽T与分辨率、帧频F的关系n带宽问题高分辨率和高的刷新频率要求有高带宽-依然是个问题！解决方法：隔行扫描（现在已经基本不用，主流 显示器都采用逐行扫描方式）隔行扫描的：把一帧分两场，即奇数场与偶数场场频：=2*帧频35视频控制器n作用：建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应，负责刷新建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应，负责刷新n逻辑结构n工作原理刷新周期开始，光栅扫描发生器置X地址寄存器为0，置Y地址寄存器

12、为N-1，首先取出对应像素（0，N-1）的帧缓存单元的数值, 放入像素值寄存器，用来控制像素的颜色，然后X的地址寄存器的地址加1，如此重复，直到该扫描线上的最后一个像素。n双缓冲机制（Double Buffer)普通显卡=视频控制器+显存36显示处理器n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n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n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n作用：代替代替

13、CPU完成部分图形处理功能，扫描转换、几何变换、裁剪、完成部分图形处理功能，扫描转换、几何变换、裁剪、光栅操作、纹理映射等等光栅操作、纹理映射等等37n图形处理器的组成显示主芯片n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n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n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）n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n像素排列方式为点阵阵列。这样，我们只需选择相应的像素，把颜色值添入，就能显示所需的图形（图像）。计算机图形的绘制方法就是在一个矩形的计算机图形的绘制方

14、法就是在一个矩形的点阵阵列上选择合适的单元，添入合适的点阵阵列上选择合适的单元，添入合适的数值。计算机图形学的所有算法，都是基数值。计算机图形学的所有算法，都是基于此环境。于此环境。39显示器n纯平显示器n液晶显示器n等离子显示器40液晶显示器nCRT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nLCD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

15、耗小，节约能源没有电磁辐射，对人体健康没有任何影响41光栅显示系统的特点n优点：成本低易于绘制填充图形色彩丰富刷新频率一定，与图形的复杂程度无关易于修改图形n缺点：需要扫描转换会产生混淆缺点正在被克服优点使其占据了市场主流422.3 图形软件系统n基本图形软件 基本图形软件的内容 n系统管理程序； n图形变换； n实时输入处理程序； n交互处理程序。 建立基本图形软件的方法 n图形程序包 n修改高级语言 n专用高级图形语言 n图形软件与其它软件资源的联系 高级语言的选择 操作系统的选择 432.4 图形系统标准n什么是图形标准？ 图形系统及其相关应用系统中各界面之间进行数据传送和通信的接口标准

16、，以及供图形应用程序调用的子程序功能及其格式标准，前者称为数据及文件格式标准，后者称为子程序界面标准。n图形软件标准的提出的原因： 如果没有一个软件标准，对应用软件的开发和移植等工作将造成困难。 计算机图形软件向着通用、高级与设备无关的方向发展。44图形系统标准分类n面向图形设备的接口标准：计算机图形元文件(CGM)，(CRT,Mouse,)计算机图形接口(CGI).设备驱动程序。n面向应用软件的标准：程序员层次交互式图形系统（PHIGS）,GL (图形程序包)（三维）图形核心系统（3D-)GKSn面向图形应用系统中工程和产品数据模型及其文件格式：基本图形转换规范（IGES）产品数据转换规范（

17、STEP）45CGI（ISO DP 9636)n提供控制图形硬件的一种与设备无关的方法。n也可看作图形设备驱动程序的一种标准。n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。46CGM（ISO IS8632)n与设备无关的语义、词法定义的图形文件格式。n规定了生成、存储、传送图形信息的格式。n面向系统和系统开发者，和CGI配套提供。n通用性是其关键属性。47GKSn提供了在应用程序和图形输入输出设备之间的功能接口。n与语言无关。nGKS提供了一个称为元文件的顺序文件接口n应用程序的所有图形资源由GKS控制（通过GKS元文件-GKSM）nGKSM用于:图形信息存档；系

18、统传送图形信息；在GKS应用程序间传送图形信息；与图形信息相关的非图形信息的存储和复用。48在系统中的层次应用程序 依赖语言的接口 GKS 操作系统 计算机图形硬件 49几个概念n坐标系用户坐标：规格化设备坐标系：设备坐标系：n图段定义：一组图形元素的集合，该集合成为图形操作的基本单元。作用：1）方便用户的增、栅、改； 2）便于图形模块化的实现 3）节省计算工作量性质：可变性、可见性、醒目性、可检测性、优先级可控性等。操作特性：1）是一个任意的二维操作； 2）为了便于图段在不同的工作站上传送，必须设置实 现图段的插入及相关的操作。50GKS图形的输入与输出n六种输入功能定位笔划取值选择拾取字符

19、串n输出图素的三要素：几何属性：图素的几何大小、形状、方向非几何属性：线型、颜色、线宽标识符：n六种输出元素折线（线）相同符号集文本填充区（面）单元阵列（栅格阵列）一般元素：包括圆、椭圆、曲线及用户自定义的图形。51PHIGS（ISO IS9592）n向应用程序员提供的控制图形设备的图形系统接口；n图形数据按层次结构组织；n提供动态修改和绘制显示图形数据的手段。是一个高度动态化和交互式图形系统。52GLn图形程序库nUNIX下运行nOpenGL微机n分类：基本图素；坐标变换；设置属性和显示方式；I/O 处理；真实图形显示。53IGES（基本图形转换规范）nInitial Graphics Ex

20、change Specificationn作用：不同的CAD/CAM系统之间交换数据。n文件格式是ASCII码，五节：开始节，目录入口(DE)，参数(DP)节，整体节和结束节。54STEP（产品模型数据转换标准）nStandard for the Exchange of Product model Data.n覆盖产品整个生命周期n强调建立能存入数据库中的一个产品模型的完整表示。n克服IGES中的问题和缺点。55OpenGLOpenGL是一个功能强大的图形库，用户可以很方便地利用它开发出有多种特殊视觉效果（如光照，纹理，透明，阴影）的三维图形。OpenGL的前身是SGI公司为其图形工作站设计的

21、一个图形开发软件库IRIS GL（Graphics Library），由于其性能优越，因此受到了用户的一致推崇。SGI公司有针对性地对GL进行了改进，特别是扩展了GL的可移植性，使之成为一个跨平台的开放式图形编程接口，这就是OpenGL。 561992年，OpenGL1.0版正式发布，并立即得到了迅速的应用推广。1995年12月，由OpenGL ARB(Architecture Review Board体系结构评审委员会)批准了OpenGL1.1版本，这一版本的OpenGL性能得到了加强，并引入了一些新特征，其中包括：在增强元文件中包含OpenGL调用，引进打印机支持，通过顶点数组的新特征，提

22、高了顶点位置、法向、颜色及色彩指数、纹理坐标、多边形边缘标志等的传输速度。现在，OpenGL已经成为应用最为广泛的二维和三维图形编程接口。各种平台上利用OpenGL开发的图形应用软件大量地涌现出来。Microsoft起先是把OpenGL集成到Windows NT中,后来又把它集成到新版本的Windows 95 OSR2中，而在Windows98中，OpenGL已经成为标准组成部分之一，其执行性能也得到了相应的优化提高。57VRML1994年，在瑞士日内瓦举行的第一届国际互联网大会上，一些与会者提出为创建三维网络的界面，必须有一种通用的描述性语言，用于在WWW上的超级链接，类似于超文本描述语言（HTML），于是诞生了虚拟现实标识语言（Virtual Reality Makeup Language）。很快，它又被改称为虚拟现实造型语言（Virtual Reality Modeling Language）VRML，因为这个名称更能反映它的目的。由于VRML将要在网络上跨平台传输，所