新-第2章-计算机图形系统

计算机图形学ComputerGraphics主讲教师：孙海军sunhaijun80@163.com天津商业大学信息工程学院《计算机图形学》王汝传等编著人民邮电出版社第二章计算机图形系统

2.1计算机图形系统的组成

2.2计算机图形显示器

2.3计算机图形输入设备

2.4计算机图形输出设备

2.5计算机图形系统软件

2.1.1图形系统的结构

由硬件和软件两部分组成

2.1计算机图形系统的组成2.1.2

图形系统的基本功能及其硬件性能要求

一、计算机图形系统的基本功能1.计算功能图形的平移、旋转、投影、透视等几何变换；曲线、曲面生成和图形相互关系的检测。2.存储功能

在计算机内存储器和外存储器中，应能存放各种形体的几何数据及形体之间相互关系，以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

图形形体的几何参数（例如大小、位置等）和各种绘图命令的输入。4.输出功能文字、图形、图像信息输出功能；显示设计过程当前的状态以及图形编辑后的结果；通过绘图仪、打印机等设备实现硬拷贝输出。5.对话功能可通过人－机交互设备进行对话；对计算结果和图形进行修改；对设计者或操作员出现的错误给予必要的提示和帮助。二、图形系统的硬件性能要求计算机图形系统与一般计算机系统相比，要求主机性能更高，速度更快，存储容量更大，外设种类更齐全。1.处理速度一般计算机系统的应用侧重于整数运算，浮点运算较少，CPU的浮点运算能力要求较低。图形运算要求CPU有强大的浮点运算能力2.图形显示一般计算机系统的应用主要侧重于字符显示，不需要专业图形加速卡和大屏幕显示器。图形显示要求有功能强大的显示能力，包括要配备专业3D图形加速卡和大屏幕显示器图形加速卡目前已发展成为可与中央处理器（CPU）相提并论的图形处理器（GPU）。GPU的出现使得CPU的负担大大减轻，显示速度和质量明显提高。3.存储容量硬盘、光盘、U盘外存内存CPU容量小、成本高容量大、成本低速度高速度低速度极高2.2计算机图形显示器

显示器是图形系统中必备的输出设备，目前，阴极射线管（CRT--CathodeRayTube）显示器已经渐渐退出竞争，但是其工作原理仍然值得讨论。此外，还有液晶显示器和等离子板显示器等。一.CRT显示器

CRT显示器分辨率好，可靠性高，速度快。为了不影响主机的数据处理能力，CRT显示器作为计算机的外围设备而独立存在，它有自己的控制电路，专门负责屏幕编辑功能，并有标准的串行接口与主机连接。CRT显示器的组成其主要组成部分如下：⑴阴极当它被加热时，发射电子⑵控制栅控制电子束偏转的方向和运动速度⑶加速结构用以产生高速的电子束⑷聚焦系统保证电子束在轰击屏幕时，汇聚成点⑸偏转系统控制电子束在屏幕上的运动轨迹⑹荧光屏当它被电子轰击时，发出亮光所有部件都封闭在一个真空的圆锥形玻璃壳内CRT单色显示原理

灯丝加热阴极，阴极发射电子，控制栅控制电子的通过电子流被加速、聚焦成很窄的电子束偏转电场（或磁场）使电子束左右、上下偏转在指定时刻、指定位置上产生亮点余辉时间电子束离开光点后光点保持的时间。屏幕刷新荧光亮度随着时间迅速衰减，为了使人们看到一个稳定而不闪烁的图形，整个画面必须在每一秒钟内重复显示许多次。要保持一幅画面的稳定性，若余辉时间越短，则所需的屏幕刷新率越高。液晶显示器的光点可以一直保持原来的色彩和亮度，恒定发光，所以刷新率可以相对低一些。

CRT单色显示原理

余辉时间、画面切换和刷新频率三者之间的关系电视（刷新率低）由于影片播放时画面经常切换，一般采用短余辉的荧光粉若采用长余辉的荧光粉，会使上一帧图像余辉保留时间过长而出现拖尾和马赛克现象电脑（刷新率高）由于电脑画面一般较为稳定，同一帧画面停留时间较长，所以采用长余辉的荧光粉如果一帧画面停留时间很长，那么需要一定的刷新频率才能使该画面不闪烁、不变暗为什么在电视上看的电脑屏幕会闪当物体在人眼前消失后，人眼仍能继续保留其0.1-0.4秒左右的图像，这种现象被称为视觉暂留现象。电脑上的画面是靠快速的刷新形成的，由于视觉暂留现象人的眼睛看不出图像的更替。而电视是靠摄像机快速连续的摄像而形成，所以它可以拍到电脑的刷新状况。电视（摄像机)的频率一般是50Hz，电脑CRT屏幕一般是75Hz，二者刷新频率不同，之间也没有倍数关系。如果电视里的电脑是液晶显示器的话就不会闪了。液晶(Liquid-Crystal)于1888年被被奥地利的植物学家FriedrichReinitzer所发现二、液晶显示器(Liquid－CrystalDisplay,简称LCD)

液晶显示器显示原理将液晶置于两片导电玻璃之间靠两个电极间电场的驱动，引起液晶分子做旋转排列产生透光度的差别，用以控制光源透射或遮蔽进而产生明暗、颜色，将影像显示出来。LCD性能参数响应时间:指LCD显示器对于输入信号的反应速度，也就是液晶由暗转亮或者由亮转暗的反应时间。通常都是以毫秒(ms)来计算，响应时间越小越好。

坏点:是指在液晶面板上不能正常显示的像素点，包括：坏点、亮点与暗点。坏点是判断LCD显示器优劣的主要依据，坏点越少越好。关于LCD显示器坏点有A、B、C三级标准，A级质量最好。如我国的标准是3个坏点以下为A级。几个性能参数显示器的尺寸：LCD显示器的尺寸就是它实际的屏幕尺寸，也就是最大的可视尺寸。如果同是一台17英寸的显示器，CRT显示器的显示区域为15.35英寸，而液晶显示器的则为17英寸。分辨率：对于CRT显示器而言，只要调整电子束的偏转电压，就可以改变不同的分辨率。LCD显示器由于像素间距已经固定，所以支持的显示模式不多。LCD显示器的最佳分辨率也叫最大分辨率，在该分辨率下，液晶显示器才能显示最佳效果。三、等离子显示器(PlasmaDisplayPanel,简称PDP)

等离子显示器是在两张超薄的玻璃板之间注入混合气体，并施加电压，利用荧光粉发光成像。与CRT相比：PDP具有分辨率高、屏幕大、超薄、色彩丰富、鲜艳的特点。与LCD相比：PDP具有亮度高、对比度高、可视角度大、响应时间快、颜色鲜艳和接口丰富等特点。等离子显示器PDP与液晶显示器LCD之间的比较

PK等离子电视(PDP)和液晶电视(LCD)都属于平板电视，它们就像双胞胎，虽然表面上相像，但本质却有很大差别。其中两者的最大的区别在于使用的面板不同，也就是说它们的成像原理不一样。等离子电视依靠高电压来激活显像单元中的特殊气体，使它产生紫外线来激发磷光物质发光LCD通过电流改变晶体管内晶体的结构，使它显像1.等离子电视在视角方面要好于液晶电视，当然等离子电视也不是“没有视角问题”。2.对于客厅、卧房用的电视机，很少会在超过120度的角度去看电视，所以从这个角度来说，关于视角的问题并不重要。PK关于视角

关于制造成本LCD与PDP生产制造工艺有迥然不同的差异

LCD面板的制造至少需要65～70道制程，而且成品的合格率较低；生产线更新较快，使整个产业在成本竞争上相当激烈。

PDP面板的生产仅需约25～30道制程，且成品合格率较高。

PDP由于采用高压制程，面板须承受高压负载，在设计上要求较高。

几种显示技术的比较如表所示:

性质阴极射线管等离子显示器液晶显示器性质阴极射线管等离子显示器液晶显示器功耗大小中对比度中好差屏幕小大中灰度等级好差差厚度大小小视角大中小平面度一般中好色彩中丰富中亮度好好适中价格低高中分辨率中好一般

2.3计算机图形输入设备常用的图形输入设备：键盘鼠标光笔触摸屏电阻式和电容式、红外线式、声表面波式等扫描仪:扫描仪通过光电转换、点阵采样的方式，将一幅画面变为数字图像。2.4计算机图形输出设备显示器、绘图仪、打印机把由计算机生成的图形输出到图纸（或其它介质）上的硬拷贝设备。笔绘式喷墨式静电式平台式滚筒式平面电机式小型式绘图仪3D打印机是一种快速成形的机器，它能根据计算机里的3D模型，用粉末状金属或塑料等可粘合材料进行多层叠加，通过“打印”一层层的粘合材料来制造三维的物体。在飞机、核电等行业使用的高端精密机械装备上，传统的焊接和零部件加固的方法使部件之间的连接并不牢固，但使用3D打印技术，生产出来的产品是自然无缝连接，结构之间的稳固性和连接强度要远高于传统方法。在太空、航天等领域有特殊的应用价值。2.5计算机图形系统软件

计算机图形系统的软件包括系统软件和应用软件两方面。系统软件又分为操作系统和程序设计语言。个人计算机的操作系统大多采用底层的DOS和上层的Windows，它们都是Microsoft公司的产品。目前DOS和Windows已合二为一，成为不可分割的一个整体。Windows操作系统的版本从Windows1.0到Windows8，微软历经29年，成为占绝对主导地位的PC操作系统厂商1985Windows1.0微软发布的第一个Windows版本Windows1.0很简单，是一款基于DOS操作系统的软件，是第一代GUI系统。1987Windows2.0引入高速缓存技术Windows2.0修正了部分缺陷，改进了图形功能。28Windows操作系统1988Windows2.1微软加快了Windows的发布速度，在Windows2.0发布次年发布了Windows2.1，仅有一些小改进。1990Windows3.0Windows3.0有重大改进，集成有更好的图形用户界面，以及控制面板、文件管理器。Windows3.0首次推出中文版。1992Windows3.1Windows3.1的功能得到了进一步改进，拥有更好的多任务功能和个性化选项。29Windows操作系统1995Windows95(Windows4.0)Windows95采用全新的开始菜单外观，更好的音质、图形和通信，成为世界上最畅销的软件之一。可以独立引导启动。1998Windows98(Windows4.1)Windows98也是微软最成功和最灵活的Windows版本之一。整合Internet访问技术。30Windows操作系统2000Windows2000(WindowsNT5.0)Windows2000的目的是影响消费者的习惯，但效果不佳。2001WindowsXP(WindowsNT5.1)XP，是英文Experience（体验）的缩写。对用户最友好、图形效果最逼真的版本之一。WindowsXP是在Windows2000基础上开发，90％的源代码与Windows2000相同31Windows操作系统2006WindowsVista(WindowsNT6.0)Vista的中文意思“远景、展望”尽管具有全新的透明外观，但没有受到用户追捧，原因在于缺陷、病毒和其他问题。2009Windows7.0(WindowsNT6.1)是最畅销的Windows版本比Vista更受欢迎微软在Windows7中取得的一个里程碑是向用户提供了专业和经典的外观32Windows操作系统2012Windows8.0(WindowsNT6.2)2012年10月23日，全球首发Windows8在用户界面方面（Metro）已经超越了之前所有的Windows版本。Windows8是首款针对触控设备和平板电脑优化的Windows版本。33Windows操作系统Windows8新特性平板模式Win8兼容移动终端能同时应用于PC和平板电脑触摸界面支持用户使用各种触摸指令来操作系统和应用原生支持USB3.0数据传输速度理论可达5Gbit/s快速启动引入全新开机和关机模式，可做到“瞬间开机”支持人脸识别能够识别计算机用户并为其自动登录系统自带虚拟光驱、支持声控功能34Windows操作系统Windows9Windows9最早会在2014年11月与大家见面正式发布要等到2015年Windows9会是一款革命性的操作系统它将延续Windows8的辉煌，把Metro发挥得淋漓尽致Windows9有可能将和平板与手机整合Windows操作系统命名规则按照年份来命名Windows98、Windows2000。但微软并不是每年都会推出新品，所以这种方法并不合适。采用有内涵的命名方式如WindowsVista，“Vista”的含义就是“令人愉悦的风景”。但是，类似于Vista的命名外行人看不懂，所以现在也放弃了这种命名方法。采用版本号来命名最简单的方法2、程序设计语言（1）机器语言第一代程序设计语言二进制代码形式优点计算机可以直接接收和理解的语言执行速度最快

缺点编序十分繁琐直观性差，易出错，阅读、修改和调试困难可移植性差（2）汇编语言第二代程序设计语言用符号（助记符）来表示机器语言（二进制代码）操作码：反映机器指令的功能和特征操作数：操作数或操作数地址例如MOVAL12DSUBAL5D必须先翻译后执行需要通过汇编程序将源程序翻译成目标程序优点占存储空间小，执行速度较快经常用来编写实时性要求较高的部分缺点汇编语言的语句与机器指令一一对