计算机图形学cs1-20141

1、1第一章第一章 导论导论计算机图形学的应用领域计算机图形学的应用领域计算机图形学的定义计算机图形学的定义计算机图形学的提出者计算机图形学的提出者图形显示器的工作原理图形显示器的工作原理本章学习目标：本章学习目标：2本章内容本章内容l1.1 1.1 计算机图形学的应用领域计算机图形学的应用领域l1.2 1.2 计算机图形学的概念计算机图形学的概念l1.31.3 计算机图形学的相关学科计算机图形学的相关学科l1.41.4 计算机图形学的确立和发展计算机图形学的确立和发展l1.51.5 图形显示器的发展及其工作原理图形显示器的发展及其工作原理l1.6 1.6 图形软件标准的形成图形软件标准的形成l1

2、.71.7 计算机图形学的最新技术计算机图形学的最新技术l1.81.8 本章小结本章小结31.1计算机图形学的应用领域计算机图形学的应用领域lCGCG： 计算机图形学（计算机图形学（Computer GraphicsComputer Graphics）。利用计）。利用计算机技术进行视觉设计和生产的领域统称算机技术进行视觉设计和生产的领域统称CGCG。l计算机图形学的发展水平代表一个国家计算机工业的计算机图形学的发展水平代表一个国家计算机工业的发展水平。发展水平。l计算机图形学是计算机技术与电视技术、图形图像处计算机图形学是计算机技术与电视技术、图形图像处理技术相互融合的结果。理技术相互融合的结

3、果。l近年来，计算机图形学已经在科学、艺术、电影、商近年来，计算机图形学已经在科学、艺术、电影、商业、广告、教学和培训等领域获得广泛的应用。业、广告、教学和培训等领域获得广泛的应用。4l1.1.1 计算机辅助设计和制造计算机辅助设计和制造(CAD/CAM)l1.1.2 计算机艺术（计算机艺术（CA）l1.1.3 虚拟现实（虚拟现实（VR）l1.1.4 计算机辅助教学（计算机辅助教学（CAI）51.1.1 计算机辅助设计和制造计算机辅助设计和制造(CAD/CAM) 计算机辅助设计（计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）和计算机辅助制造（和计算机辅助制造（Comput

4、er Aided Manufacture，CAM）是计算机图形学）是计算机图形学最早最早应用的领域，也是当前计算应用的领域，也是当前计算机图形学机图形学最成熟最成熟的应用领域，典型的代表产品为的应用领域，典型的代表产品为AutoCAD系统软件。现在建筑、机械、飞机、汽车、轮系统软件。现在建筑、机械、飞机、汽车、轮船、电子器件等产品的开发几乎都使用船、电子器件等产品的开发几乎都使用AutoCAD进行设进行设计。计。6AutoCAD 提供了多窗提供了多窗口环境，不口环境，不同的窗口用同的窗口用于显示不同于显示不同的视图。的视图。 图图1-1 1-1 旋耕刀辊设计图旋耕刀辊设计图7奥迪的效果图和线框

5、图奥迪的效果图和线框图8用用AutoCAD软件制作三维实体模型软件制作三维实体模型(学学生作品生作品)9用用AutoCAD软件制作三维实体模型软件制作三维实体模型103DS MAXl另外一个常用的设计软件是另外一个常用的设计软件是3DS MAX。侏罗纪侏罗纪公园公园、玩具总动员玩具总动员等影片均是典型的等影片均是典型的3DS技术产品。技术产品。lAutoCAD对二维图形和三维实体有强大的创建和对二维图形和三维实体有强大的创建和修改能力。修改能力。l较之较之3DS MAX，它精于二维图形的创建和修改，它精于二维图形的创建和修改，而三维实体的创建及修改和渲染能力不如而三维实体的创建及修改和渲染能力

6、不如3DS MAX强大。强大。l故在模型制作过程中，通常用故在模型制作过程中，通常用AutoCAD完成图纸完成图纸的绘制，再输入的绘制，再输入3DSMAX中进行三维模型的创建，中进行三维模型的创建，从而达到快速、准确的目的。从而达到快速、准确的目的。 11办公室效果图办公室效果图12学生宿舍学生宿舍13家装家装14卧室卧室151.1.2 计算机艺术（计算机艺术（CA） 计算机图形学广泛应用于美术设计计算机图形学广泛应用于美术设计中，称为计算机艺术（中，称为计算机艺术（Computer Art，CA），），动画设计动画设计是其典型代表。目前是其典型代表。目前,计计算机动画已经广泛应用于影视特技、

7、商算机动画已经广泛应用于影视特技、商业广告、游戏等领域。业广告、游戏等领域。16 许多商业广告中还用到变形许多商业广告中还用到变形（Morph）的图形处理方法，可以将一）的图形处理方法，可以将一个人的脸变成另一个人的脸。个人的脸变成另一个人的脸。 变形软件截图变形软件截图17 作者的变脸作者的变脸18192021分形艺术分形艺术l分形几何学和计算机图形学相结合的一门边缘学分形几何学和计算机图形学相结合的一门边缘学科。科。l分形分形通过通过递归递归实现复杂的图形结构，主要用于描实现复杂的图形结构，主要用于描述述欧几里德几何学欧几里德几何学无法描述的自然世界，诸如：无法描述的自然世界，诸如：起伏蜿

8、蜒的山脉、坑坑洼洼的地面、曲曲折折的起伏蜿蜒的山脉、坑坑洼洼的地面、曲曲折折的海岸线、层层分叉的树枝、撕裂夜空的闪电、闪海岸线、层层分叉的树枝、撕裂夜空的闪电、闪烁跳跃的火焰、以及金属和非金属材料的断面、烁跳跃的火焰、以及金属和非金属材料的断面、生物的大分子结构等等。生物的大分子结构等等。 221.1.2 - 分形艺术举例分形艺术举例l谢尔宾斯基（谢尔宾斯基（Sierpinski）海绵的生成原）海绵的生成原理为：将一个立方体沿其各个面等分为理为：将一个立方体沿其各个面等分为27个小立方体，舍弃位于立方体面心的六个个小立方体，舍弃位于立方体面心的六个小立方体，以及位于体心的一个小立方体。小立方体

9、，以及位于体心的一个小立方体。对余下的对余下的20个立方体按相同的方法逐步递个立方体按相同的方法逐步递归归 .23谢尔宾斯基海绵谢尔宾斯基海绵 241.1.3 虚拟现实（虚拟现实（VR）Virtual Reality 用计算机生成一种虚拟环境，用户用计算机生成一种虚拟环境，用户“沉浸沉浸”到该环境中，并可通过一些特殊设备与该环境到该环境中，并可通过一些特殊设备与该环境直接进行交互的技术。在虚拟现实中，看到的直接进行交互的技术。在虚拟现实中，看到的是全彩色的景象，听到的是虚拟环境中的声响，是全彩色的景象，听到的是虚拟环境中的声响，感受到的是虚拟环境设备反馈的作用力，从而感受到的是虚拟环境设备反馈

10、的作用力，从而产生身临其境的感觉。产生身临其境的感觉。251.1.3 - 视景仿真（虚拟漫游）视景仿真（虚拟漫游） 是虚拟现实技术最重要的表现形式，是虚拟现实技术最重要的表现形式，已经在城市规划仿真、大型工程项目仿已经在城市规划仿真、大型工程项目仿真等许多领域得到广泛运用。真等许多领域得到广泛运用。26 “家居花园三维视景仿真系统截图家居花园三维视景仿真系统截图”家居花园外景家居花园外景 27 卧室卧室 居室漫游居室漫游28军事模拟电子对抗仿真项目截图军事模拟电子对抗仿真项目截图 29博创研究所视景仿真系统截图博创研究所视景仿真系统截图 301.1.4 计算机辅助教学（计算机辅助教学（CAI）

11、lComputer Aided Instruction是利用计算机图形是利用计算机图形学技术展示学技术展示抽象原理抽象原理或或不可见过程不可见过程的一种新的教的一种新的教学方法。学方法。l在多媒体教室，教师使用集图、文、声、像为一在多媒体教室，教师使用集图、文、声、像为一体的体的多媒体课件多媒体课件，形象、生动地进行教学，有助，形象、生动地进行教学，有助于学生理解和接受深奥枯燥的理论。同时在网络于学生理解和接受深奥枯燥的理论。同时在网络化学习（化学习（E-Learning）时代，网络多媒体课件使）时代，网络多媒体课件使得受教育者不必进入传统的课堂也能接受到优质得受教育者不必进入传统的课堂也能接

12、受到优质的培训，分享全世界范围内的优质教育资源。的培训，分享全世界范围内的优质教育资源。 31教学课件教学课件321.2 - 什么是计算机图形学什么是计算机图形学l国际标准化组织国际标准化组织(ISO)的定义：的定义： 计算机图形学是研究通过计算机计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形将数据转换为图形，并并在专门显示设备上显示在专门显示设备上显示的原理、方法和技术的学科。的原理、方法和技术的学科。简单地说，计算机图形学是研究如何在计算机中表简单地说，计算机图形学是研究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

13、法。显示的相关原理与算法。331.2.1 - 计算机图形学中图形的分类计算机图形学中图形的分类图形：计算机图形学的研究对象图形：计算机图形学的研究对象通常意义上的图形通常意义上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，包括自然景物、拍摄到的图片、用数学方法为图形，包括自然景物、拍摄到的图片、用数学方法描述的图形等等描述的图形等等计算机图形学中的图形计算机图形学中的图形从客观世界物体中抽象出来的从客观世界物体中抽象出来的带有颜色及形状信息的带有颜色及形状信息的可见图形可见图形以及以及不可见的数学不可见的数学/几何描述几何描述。 34

14、1.2.1 - 计算机图形学中图形的分类计算机图形学中图形的分类l一类是基于线条表示的一类是基于线条表示的几何图形几何图形如线框图、工程制图、等高线地图等如线框图、工程制图、等高线地图等l另一类是基于光照、材质和纹理映射表示的另一类是基于光照、材质和纹理映射表示的真实感图形真实感图形。351.2.2 - 计算机图形学中图形的表示方法计算机图形学中图形的表示方法l 参数法参数法参数法是在参数法是在设计阶段设计阶段采用几何方法建立图形数学模型采用几何方法建立图形数学模型时，用时，用形状参数形状参数和和属性参数属性参数描述图形的一种方法描述图形的一种方法形状参数可以是线段的起始点和终止点等几何参数形

15、状参数可以是线段的起始点和终止点等几何参数属性参数则包括线段的颜色、线型、宽度等非几何参属性参数则包括线段的颜色、线型、宽度等非几何参数数一般用参数法描述的图形依旧称为一般用参数法描述的图形依旧称为图形图形。l点阵法点阵法点阵法是在点阵法是在实现阶段实现阶段用具有颜色信息的像素点阵来表用具有颜色信息的像素点阵来表示图形的一种方法，描述的图形常称为示图形的一种方法，描述的图形常称为图像图像。l计算机图形学就是研究将图形从参数法转换到点计算机图形学就是研究将图形从参数法转换到点阵法的一门学科。阵法的一门学科。36用用直线直线y=kx+b表示表示的图的图形形用用直线直线y=kx+b表表示的图像示的图

16、像37 图形硬件、图形标准、图形交互技术、光图形硬件、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、栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形的生成算法，以及科学计算可视化、真实感图形的生成算法，以及科学计算可视化、计算机动漫、自然景物仿真、虚拟现实等。计算机动漫、自然景物仿真、虚拟现实等。1.2.3 - 计算机图形学的研究方向计算机图形学的研究方向381.3计算机图形学的相关学科计算机图形学的相关学科计算机处理图形信息的方式分为计算机处理图形信息的方式分为:计算机图形学（计算机图形学（CG）图像处理（图像处理（Image Processing,IP）模式识别（模式

17、识别（Pattern Recognition,PR）是研究如何利用计算机把描述图形的数学模型通过指定是研究如何利用计算机把描述图形的数学模型通过指定的算法转化为图像显示的一门学科。的算法转化为图像显示的一门学科。 39l利用计算机对原图像进行处理，然后再现图像利用计算机对原图像进行处理，然后再现图像l主要是指数字图像处理，是对基于点阵图像进主要是指数字图像处理，是对基于点阵图像进行增强、去噪、复原、分割、重建、编码、存行增强、去噪、复原、分割、重建、编码、存储、压缩和恢复等不同处理方法的学科。储、压缩和恢复等不同处理方法的学科。l如如Photoshop就是著名的图像处理软件。就是著名的图像处理

18、软件。 1.3 - 图像处理图像处理（Image Processing，IP）40l计算机对图像信息进行分析扫描和识别，计算机对图像信息进行分析扫描和识别，是从图形（图像）到数据的过程是从图形（图像）到数据的过程l以图像为依据，将图像转换为数据、符号以图像为依据，将图像转换为数据、符号或者抽象的图或者抽象的图l与计算机图形学研究的问题互逆与计算机图形学研究的问题互逆l例如：自动分拣信封上的邮政编码例如：自动分拣信封上的邮政编码l各种手写输入软件，可用于移动设备，各种手写输入软件，可用于移动设备，PC等等。等等。 1.3 - 模式识别模式识别（Pattern Recognition，PR）414

19、2数学模型数学模型图像显示图像显示计算机图形学、模式识别、图像处理计算机图形学、模式识别、图像处理三者的关系三者的关系43l 50年代年代1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院（年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院（MIT）旋风旋风I号（号（Whirlwind I）计算机的附件诞生了。）计算机的附件诞生了。1958年，美国年，美国Calcomp公司由联机的数字记录仪发展成滚筒公司由联机的数字记录仪发展成滚筒式绘图仪，式绘图仪，GerBer公司把数控机床发展成为平板式绘图仪公司把数控机床发展成为平板式绘图仪在整个在整个50年代，计算机图形学处于准备和酝酿时期，并称年代，计算机图形学

20、处于准备和酝酿时期，并称之为：之为：“被动式被动式”图形学图形学 50年代末期，年代末期，MIT的林肯实验室在的林肯实验室在“旋风旋风”计算机上开发计算机上开发SAGE空中防御体系。空中防御体系。第一次使用了具有指挥和控制功能的第一次使用了具有指挥和控制功能的CRT显示器显示器 ，预示着交互式图形学的诞生，预示着交互式图形学的诞生1.4计算机图形学的确立和发展计算机图形学的确立和发展44l 60年代年代1962年，年，MIT林肯实验室的林肯实验室的I. E. Sutherland发表了一篇题为发表了一篇题为“Sketchpad：一个人机交互：一个人机交互通信的图形系统通信的图形系统”的博士论文

21、的博士论文奠定了交互奠定了交互式图形学作为一个学科的基础（提出计算机式图形学作为一个学科的基础（提出计算机图形学、基本交互技术、图元分层表示等术图形学、基本交互技术、图元分层表示等术语及数据结构语及数据结构)。1962年，雷诺汽车公司的工程师年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bzier 提出提出Bzier曲线、曲面的理论。曲线、曲面的理论。1964年年MIT的教授的教授Steven A. Coons提出了超提出了超限插值的新思想，通过插值四条任意的边界限插值的新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。曲线来构造曲面。1.4计算机图形学的确立和发展计算机图形学的确立和发展Ivan E.S

22、utherland45l 70年代年代光栅图形学迅速发展（光栅显示器和数字化仪）光栅图形学迅速发展（光栅显示器和数字化仪）区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其相应算法纷纷诞生相应算法纷纷诞生图形软件标准化图形软件标准化1974年，美国国家标准化局（年，美国国家标准化局（ANSI）在一个）在一个与与“与机器无关的图形技术与机器无关的图形技术”的工作会议上，的工作会议上，提出了制定有关标准的基本规则提出了制定有关标准的基本规则 ACM成立成立图形标准化委员会图形标准化委员会，制定，制定“核心图核心图形系统形系统”CGS（Core Graphics Sys

23、tem）1.ISO发布发布CGI、CGM、GKS、PHIGS1.4计算机图形学的确立和发展计算机图形学的确立和发展46l真实感图形学真实感图形学1970年，年，Bouknight提出了第一个光反射提出了第一个光反射模型模型1971年年Gourand提出提出“漫反射模型插漫反射模型插值值”的思想，被称为的思想，被称为Gourand明暗处理明暗处理1975年，年，Phong提出了著名的简单光照模提出了著名的简单光照模型型- Phong模型模型l实体造型技术实体造型技术英国剑桥大学英国剑桥大学CAD小组的小组的Build系统系统美国罗彻斯特大学的美国罗彻斯特大学的PADL-1系统系统1.4计算机图形

24、学的确立和发展计算机图形学的确立和发展47l80年代年代1980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模型，并第一次给出光线跟踪算法的范例，实现范例，实现Whitted模型模型1984年，美国年，美国Cornell大学和日本广岛大学的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到计算机图形学中图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展1.4计算机图形学的确立和发展计算机图形学的确立和发展48l90年代：微机和软件系统的普及使得

25、图形学的应年代：微机和软件系统的普及使得图形学的应用领域日益广泛用领域日益广泛 标准化、集成化、智能化标准化、集成化、智能化多媒体技术、人工智能、科学计算可视化、多媒体技术、人工智能、科学计算可视化、虚拟现实和三维造型技术虚拟现实和三维造型技术l2000年以来：图形学发展日新月异，在各领域出年以来：图形学发展日新月异，在各领域出现了新的突破现了新的突破1.4计算机图形学的确立和发展计算机图形学的确立和发展491.5 图形显示器的发展及其图形显示器的发展及其工作原理工作原理1.5.1 阴极射线管阴极射线管CRT1.5.2 随机扫描显示器随机扫描显示器1.5.3 直视存储管显示器直视存储管显示器1

26、.5.4 光栅扫描显示器光栅扫描显示器1.5.5 液晶显示器液晶显示器1.5.6 等离子显示器等离子显示器1.5.7 三维显示器三维显示器50一个典型的交互式计算机图形系统一个典型的交互式计算机图形系统人人输入设备输入设备键键 盘盘鼠鼠 标标数字化仪数字化仪光光 笔笔输出设备输出设备显示器显示器绘图仪绘图仪打印机打印机图形软件图形软件数据库数据库高级语言高级语言应用程序应用程序主机主机 软件部分软件部分 交互式图形系统组成交互式图形系统组成 硬件部分硬件部分51lCRT（Cathode Ray Tube），是光栅扫描），是光栅扫描显示器的显示器的显示显示部件，其功能与电视机的部件，其功能与电视

27、机的显像显像管管类似。类似。l单色单色CRT组成：包括电子枪、加速结构、聚组成：包括电子枪、加速结构、聚焦系统、偏转系统、荧光屏焦系统、偏转系统、荧光屏l单色单色CRT中只有一支电子枪。中只有一支电子枪。l彩色彩色CRT中有红绿蓝三支电子枪。中有红绿蓝三支电子枪。1.5.1 阴极射线管阴极射线管CRT52电子枪电子枪l灯丝，阴极和控制栅组成。灯丝，阴极和控制栅组成。灯丝：用于加电灯丝：用于加电阴极：在灯丝加热下发出电子流阴极：在灯丝加热下发出电子流 控制栅：控制电子束的强弱。通过调节电压高低来控制控制栅：控制电子束的强弱。通过调节电压高低来控制电子数量，即控制荧光屏上相应点的亮度。电子数量，即

28、控制荧光屏上相应点的亮度。53聚焦系统聚焦系统l电透镜。作用：电子枪发射出来的分散的电子聚电透镜。作用：电子枪发射出来的分散的电子聚集于一点集于一点。加速结构加速结构l聚集后的电子束达到轰击激发荧光屏应有的速度聚集后的电子束达到轰击激发荧光屏应有的速度 l加正的高压电（几万伏），使电子束高速运动。加正的高压电（几万伏），使电子束高速运动。 54偏转系统偏转系统l控制电子束，产生偏转，使电子束能轰击荧光屏控制电子束，产生偏转，使电子束能轰击荧光屏的任意一点。的任意一点。l分静电场偏转或磁偏转两种。分静电场偏转或磁偏转两种。l电子束要到达屏幕的边缘时，电子束要到达屏幕的边缘时，偏转角度偏转角度就会

29、增大。就会增大。到达屏幕最边缘的偏转角度被称为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。l灵敏度灵敏度:反映了偏转信号所能产生的偏转角度的大反映了偏转信号所能产生的偏转角度的大小。小。 灵敏度和偏转板的长度成正比。灵敏度和偏转板的长度成正比。 CRTCRT显示器显示器屏幕越大屏幕越大CRT越长。越长。l大多数大多数CRT通常选用磁偏转系统。通常选用磁偏转系统。 55荧光屏荧光屏lCRT荧光屏（荧光屏（Phosphor Screen）是用荧光物质涂敷）是用荧光物质涂敷在玻璃底壁上制成的在玻璃底壁上制成的 l荧光物质：当它被电子束轰击时发出亮光，当电子束荧光物质：当它被电子束轰击时发出

30、亮光，当电子束离开该点后，亮光随时间呈指数规律衰减离开该点后，亮光随时间呈指数规律衰减余辉时间余辉时间：电子束离开某点后，该点的亮度值衰减到初始值：电子束离开某点后，该点的亮度值衰减到初始值1/101/10所需的时间所需的时间刷新刷新(Refresh)(Refresh)：为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值，电：为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值，电子束必须不断的重复描绘出原来的图形子束必须不断的重复描绘出原来的图形 刷新频率刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数（次：每秒钟重绘屏幕的次数（次/ /秒、秒、HZ)HZ) 刷新一次是指电子束从上到下扫描一次的过程刷新一次是指电子束从上到下扫描一次的过程 刷

31、新频率高到一定值后，图像才能稳定显示刷新频率高到一定值后，图像才能稳定显示（60HZ)(85HZ)60HZ)(85HZ)余辉时间是决定产生不闪烁图形所需刷新速率的主要因素余辉时间是决定产生不闪烁图形所需刷新速率的主要因素某种某种CRTCRT产生图像所需要的最小刷新频率产生图像所需要的最小刷新频率=1=1秒秒/ /荧光物质的持续发光时间（余辉时间）荧光物质的持续发光时间（余辉时间）（例如）（例如）=1000/40=25Hz=1000/40=25Hz561.5.1- 阴极射线管阴极射线管l 单色单色CRT的工作原理：的工作原理：通电后灯丝发热，阴极被激发射出电子，电子受到控制通电后灯丝发热，阴极被

32、激发射出电子，电子受到控制栅的调节形成电子束。电子束经聚焦系统聚焦后以高速栅的调节形成电子束。电子束经聚焦系统聚焦后以高速轰击到荧光屏上，荧光粉层被激发后发出辉光形成一个轰击到荧光屏上，荧光粉层被激发后发出辉光形成一个光点。光点。整个荧光屏依次扫描完毕后，图像显示完成。整个荧光屏依次扫描完毕后，图像显示完成。由于荧光粉具有余辉特性，为了得到亮度稳定的图像，由于荧光粉具有余辉特性，为了得到亮度稳定的图像，电子枪需要不断反复重绘同一幅图像，即不断刷新屏幕。电子枪需要不断反复重绘同一幅图像，即不断刷新屏幕。57（2）彩色阴极射线管）彩色阴极射线管l产生彩色的常用方法产生彩色的常用方法： 射线穿透法射

33、线穿透法影孔板（影孔板（荫罩板）荫罩板）法法582 彩色阴极射线管彩色阴极射线管-影孔板（荫罩板法）影孔板（荫罩板法）l与单色与单色CRT的结构区别的结构区别1、在荧光屏的内表面安装一个影孔板，用于精确定位像、在荧光屏的内表面安装一个影孔板，用于精确定位像素的位置素的位置外层玻璃荧光涂层影孔板影孔板59与单色与单色CRT的结构区别的结构区别2 CRT屏幕内部涂有很多组屏幕内部涂有很多组呈三角形的荧光粉，每一呈三角形的荧光粉，每一组由三个荧光点，三色荧组由三个荧光点，三色荧光点由红、绿、蓝三基色光点由红、绿、蓝三基色组成（一组荧光点对应一组成（一组荧光点对应一个像素）个像素）3 三支电子枪三支电

34、子枪, 分别与三基色分别与三基色相对应相对应 l影孔板中的一个小孔和一影孔板中的一个小孔和一组荧光点一一对应直线；组荧光点一一对应直线；每个小孔与一个像素（即每个小孔与一个像素（即三个荧光点）对应三个荧光点）对应 （图（图1-23三枪三束）三枪三束）60图图1-2461影孔板（影孔板（荫罩板）荫罩板）工作原理工作原理l工作原理：三把电子枪发出的工作原理：三把电子枪发出的 三束电子经偏转聚焦成三束电子经偏转聚焦成为一组射线，穿过影孔板上面的孔，激活屏幕上的一为一组射线，穿过影孔板上面的孔，激活屏幕上的一个三元组，三元组中三个荧光点激发的颜色混合起来，个三元组，三元组中三个荧光点激发的颜色混合起来

35、，就是我们在屏幕上看见的色点。就是我们在屏幕上看见的色点。l调节各电子枪发生的电子束中所含电子的数目，即可调节各电子枪发生的电子束中所含电子的数目，即可控制屏幕上像素点的颜色控制屏幕上像素点的颜色l如果每支电子枪发出的电子束的强度有如果每支电子枪发出的电子束的强度有256个等级，个等级，则显示器能同时显示则显示器能同时显示256*256*256=16M种颜色，称为种颜色，称为真彩色系统真彩色系统l优点：颜色丰富；缺点：影孔板影响了显示器的亮度优点：颜色丰富；缺点：影孔板影响了显示器的亮度62第一代：随机扫描显示器第一代：随机扫描显示器第二代：直视存储管显示器第二代：直视存储管显示器第三代：光栅

36、扫描显示器第三代：光栅扫描显示器 图形显示器的更新换代图形显示器的更新换代631.5.2随机扫描的显示器随机扫描的显示器特点：电子束可随意移动，只扫描荧屏特点：电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分。上要显示的部分。优缺点：优缺点：无冗余扫描、速度快、图像清晰、比光栅无冗余扫描、速度快、图像清晰、比光栅系统更高的分辨率、生成光滑线条系统更高的分辨率、生成光滑线条不能显示逼真场景、和电视标准不一致、驱动系统不能显示逼真场景、和电视标准不一致、驱动系统也较复杂，价格贵，没有得到广泛普及也较复杂，价格贵，没有得到广泛普及64读枪写枪玻面荧光层存储栅收集栅存储栅1.5.31.5.3直视型存贮管直视

37、型存贮管DVSTDVST （Direct-View Storage TubeDirect-View Storage Tube）651.5.31.5.3直视型存储管直视型存储管DVSTDVSTl这种设备具有一次写入，长时间显示的特点，这种设备具有一次写入，长时间显示的特点，能在能在1小时内显示不闪烁的复杂图形小时内显示不闪烁的复杂图形 。l优点：这种显示器组成的系统不需显示内存，优点：这种显示器组成的系统不需显示内存，因而价格低。因而价格低。l缺点缺点:不能做选择性修改，因而难以实现动态显不能做选择性修改，因而难以实现动态显示。不能交互。示。不能交互。66l光栅扫描显示器是画点设备，可看作是一光

38、栅扫描显示器是画点设备，可看作是一个个点阵单元发生器点阵单元发生器，并可控制每个点阵单，并可控制每个点阵单元的亮度，这些点阵单元被称为像素元的亮度，这些点阵单元被称为像素（Picture Element，Pixel）1.5.4 光栅扫描显示器光栅扫描显示器像素67光栅扫描显示器光栅扫描显示器-画点设备画点设备l光栅扫描显示器是画点设备，画线的时候不能光栅扫描显示器是画点设备，画线的时候不能直接从屏幕上的一个像素直接画到另一个像素，直接从屏幕上的一个像素直接画到另一个像素，只能用尽可能靠近这条直线的像素来近似的表只能用尽可能靠近这条直线的像素来近似的表示这条直线，示这条直线，68l在绘制水平，垂

39、直直线及对角线时，像素在绘制水平，垂直直线及对角线时，像素点集在直线路径上的位置是准确的，称为点集在直线路径上的位置是准确的，称为不走样直线不走样直线不走样直线不走样直线69l其他情况下直线都是阶梯状的，形成锯其他情况下直线都是阶梯状的，形成锯齿线，这称为直线的走样齿线，这称为直线的走样走样直线走样直线70走样直线走样直线71反走样直线：为了避免走样，我们采反走样直线：为了避免走样，我们采用各种技术消除或者减少锯齿状，阶用各种技术消除或者减少锯齿状，阶梯状，这叫反走样梯状，这叫反走样72 光栅扫描显示器为了在能整个屏幕光栅扫描显示器为了在能整个屏幕上显示出图形，电子束需要从屏幕上显示出图形，电

40、子束需要从屏幕的左上角开始，沿着水平方向从左的左上角开始，沿着水平方向从左至右匀速地扫描，一直扫描到屏幕至右匀速地扫描，一直扫描到屏幕的右下角，显示出一帧图像。的右下角，显示出一帧图像。1.5.4 光栅扫描显示器光栅扫描显示器-扫描线扫描线731.5.7 - 扫描线扫描线扫描线扫描线像素点像素点Session 2741.5.4 光栅扫描显示器光栅扫描显示器-位面和帧缓存位面和帧缓存帧缓冲存储器帧缓冲存储器简称帧缓存简称帧缓存作用：存储用于刷新的作用：存储用于刷新的图像信息。也就是存储图像信息。也就是存储屏幕上像素的颜色值。屏幕上像素的颜色值。帧缓存用帧缓存用位面位面和屏幕像和屏幕像素一一对应。

41、素一一对应。光栅扫描显示器屏幕上光栅扫描显示器屏幕上有多少个像素，该显示有多少个像素，该显示器的帧缓存的每个位面器的帧缓存的每个位面就有多少个一位存储器。就有多少个一位存储器。 75l黑白光栅扫描显示器每一像素需要一位存储器，黑白光栅扫描显示器每一像素需要一位存储器，对应的帧缓存是一个位面的，每个像素取值对应的帧缓存是一个位面的，每个像素取值0或或者者1（明或者暗）（明或者暗）l对一个对一个10241024像素组成的黑白光栅扫描显像素组成的黑白光栅扫描显示器所需要的存储器为示器所需要的存储器为220，这是，这是最小帧缓存最小帧缓存的的大小大小. （书后习题（书后习题14题）题） 黑白光栅扫描显

42、示器黑白光栅扫描显示器76一位面帧缓冲器（图一位面帧缓冲器（图1-261-26） 1个位面个位面位面位面77l灰度等级又称亮度，主要指单色显示器的亮度变化。灰度等级又称亮度，主要指单色显示器的亮度变化。l在光栅扫描显示器中需要足够的位面的帧缓存才能反映图在光栅扫描显示器中需要足够的位面的帧缓存才能反映图形的灰度等级。形的灰度等级。l如一个具有如一个具有N位面的帧缓存。显示器上每个像素的亮度是位面的帧缓存。显示器上每个像素的亮度是由由N位面帧缓存决定的，位面帧缓存决定的， N位面帧缓存中的二进制的数被位面帧缓存中的二进制的数被翻译成灰度等级，范围是翻译成灰度等级，范围是0到到2N-1之间。也就是

43、每个象素的之间。也就是每个象素的亮度取值范围是亮度取值范围是0到到2N-1之间。之间。黑白多灰度光栅扫描显示器黑白多灰度光栅扫描显示器78 如果每个像素的亮度可以用一个字节如果每个像素的亮度可以用一个字节（Byte）表示，帧缓冲器需要用）表示，帧缓冲器需要用八个位面八个位面，可表示可表示256种灰度。种灰度。 如屏幕分辨率为如屏幕分辨率为1024768，则灰度显示，则灰度显示器的帧缓冲的容量是器的帧缓冲的容量是102476886,291,456位位 8个位面个位面79八位面帧缓冲器（图八位面帧缓冲器（图1-271-27） 8个位面个位面位面位面l灰度等级为灰度等级为2N分辨率为分辨率为1024

44、*1024的黑白多灰度光栅扫描显示器的最小帧缓存？的黑白多灰度光栅扫描显示器的最小帧缓存？80彩色光栅扫描显示器彩色光栅扫描显示器l有三只电子枪，对应三基色。有三只电子枪，对应三基色。l三只电子枪控制屏幕上一个像素点中红、绿、蓝三种颜三只电子枪控制屏幕上一个像素点中红、绿、蓝三种颜色的比例。色的比例。l每个颜色的电子枪可以通过增加帧缓存位面来提高颜色每个颜色的电子枪可以通过增加帧缓存位面来提高颜色种类。种类。l每种原色电子枪有每种原色电子枪有8个位面的帧缓存，个位面的帧缓存，共有二十四个位面。共有二十四个位面。l每种原色可有每种原色可有256种色调，三种原色的组合将是种色调，三种原色的组合将是

45、(28)3=224。像素点的颜色有像素点的颜色有224种色调。显示系统是种色调。显示系统是24位真彩色。位真彩色。l如屏幕分辨率为如屏幕分辨率为1024768，则彩色显示器的帧缓冲的，则彩色显示器的帧缓冲的容量是容量是10247688318,874,368位位812424个位面帧缓冲器个位面帧缓冲器 82l为了进一步提高颜色的种类，而避免增加帧缓存为了进一步提高颜色的种类，而避免增加帧缓存l可把帧缓存中的值作为颜色索引表的索引号，为每组原可把帧缓存中的值作为颜色索引表的索引号，为每组原色配置一个颜色索引表，如果每组原色有色配置一个颜色索引表，如果每组原色有8个位面的帧个位面的帧缓存，颜色索引表

46、有缓存，颜色索引表有256项，每一项具有项，每一项具有w位字宽，当位字宽，当w大于大于8时，如时，如w10，可以有，可以有210种亮度等级，但每次只种亮度等级，但每次只能有能有256种不同的亮度等级可用，这种颜色称为索引色。种不同的亮度等级可用，这种颜色称为索引色。l在本书后续的程序中，将使用在本书后续的程序中，将使用COLORREF RGB(BYTE bRed，BYTE bGreen，BYTE bBlue) 函数定义颜色函数定义颜色把位面号作为颜色索引号把位面号作为颜色索引号8384lCRT显示器（显示器（Cathode Ray Tube，CRT）显示器的种类显示器的种类CRT LCD PD

47、Pl等离子显示器（等离子显示器（Plasma Display Panel，PDP）l液晶显示器（液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）85l液晶显示器液晶显示器LCD中的液晶屏中的液晶屏(Liquid Crystal Display)是由六层薄板组成的是由六层薄板组成的平板式显示器平板式显示器液晶显示器液晶显示器86液晶显示器优缺点液晶显示器优缺点lCRT固有的物理结构限制了它向更广的显示领域发展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

48、限制加大，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，容易受电磁波干扰电磁波干扰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lLCD显示器的优点显示器的优点外观小巧精致，厚度只有外观小巧精致，厚度只有6.58cm左右。左右。不会产生不会产生CRT那样的因为刷新频率低而出现的闪烁现象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没有电磁辐射，对人体健康没有任何影响lLCD显示器的缺点显示器的缺点寿命短、怕震动、温

49、度敏感寿命短、怕震动、温度敏感分辨率相对较低，色彩不够鲜艳，且价格偏高分辨率相对较低，色彩不够鲜艳，且价格偏高。87等离子板显示器等离子板显示器l组成：三层玻璃组成：三层玻璃 电导体的线条，中间一层有许多氖泡电导体的线条，中间一层有许多氖泡优点：不要刷新，缺点：分辨率不高，低优点：不要刷新，缺点：分辨率不高，低88l二维显示器上观看三维图像的方法二维显示器上观看三维图像的方法坐标变换方法坐标变换方法这是目前光栅扫描显示器显示三维图像的主流这是目前光栅扫描显示器显示三维图像的主流技术，通过坐标变换可以将三维点（技术，通过坐标变换可以将三维点（x，y，z）变换为屏幕设备坐标点（变换为屏幕设备坐标点

50、（x，y）。这种通过）。这种通过三维坐标系向二维坐标系的投影变换生成的三三维坐标系向二维坐标系的投影变换生成的三维图像称为维图像称为准三维图像准三维图像。1.5.7 三维显示器三维显示器891.5.7 三维显示器三维显示器l二维显示器上观看三维图像的方法二维显示器上观看三维图像的方法三维立体显示方法三维立体显示方法人眼有视差。因此在二维显示器上观看立体图像时，人眼有视差。因此在二维显示器上观看立体图像时，只要将拍摄位置稍微错开的两组图像分别供只要将拍摄位置稍微错开的两组图像分别供“左眼左眼”和和“右眼右眼”同时观看，便可以看到一组具有立体感同时观看，便可以看到一组具有立体感的图像。的图像。 立

51、体眼镜方法立体眼镜方法立体摄影方法立体摄影方法三维立体画方法三维立体画方法2.三维显示器三维显示器90红绿立体红绿立体立体眼镜方法立体眼镜方法 91立体摄影方法立体摄影方法立体照片立体照片9293三维立体画生成原理三维立体画生成原理 三维立体画方法三维立体画方法重复图案的距离决重复图案的距离决定了立体图像的远定了立体图像的远近，生成三维立体近，生成三维立体画的程序就是依据画的程序就是依据三维立体图像的远三维立体图像的远近程度，在显示器近程度，在显示器屏幕上生成不同距屏幕上生成不同距离的重复图案。三离的重复图案。三维立体画需要使用维立体画需要使用特殊的方法才能观特殊的方法才能观赏，这种方法俗称赏，这种方法俗称“对眼对眼”。94“漩涡漩涡”三维立体画三维立体画 1.5.12 - 三维立