第1章+图形设备、系统和应用

图形设备、系统

和应用2023/2/21主要内容计算机图形学的基本概念计算机图形学的发展计算机图形学的应用及发展方向图形输入设备及输出设备图形系统虚拟现实系统简介2023/2/22图形设备、系统和应用基本概念计算机图形学研究的内容怎样用计算机生成、处理和显示图形的学科图形的输入

如何开发利用图形输入设备及软件将图形输入到计算机中去，以便作各种处理。图形的处理包括对图形进行变换(几何变换，投影变换)和运算（集合运算）,裁减，着色，形变等……图形的输出

如何将图形特定的表示形式转换成图形输出系统便于接受的表示形式，并将图形在显示屏或打印机等输出设备上输出，或以文件的形式保存在磁盘上。2023/2/23图形设备、系统和应用相关的概念图形：计算机图形学的研究对象，能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象，包括自然景物、拍摄到的图片、用数学方法描述的图形等等构成图形的要素几何要素：刻画对象的轮廓、形状等非几何要素：刻画对象的颜色、材质等2023/2/24图形设备、系统和应用计算机中表示图形的方法点阵表示枚举出图形中所有的点(强调图形由点构成)简称为图像（数字图像）参数表示由图形的形状参数(方程或分析表达式的系数，线段的端点坐标等)以及属性参数(颜色、线型等)来表示图形简称为图形2023/2/25图形设备、系统和应用数字图像处理与图形学的关系数字图像数据模型图像生成（计算机图形学）图象理解（模式识别，机器视觉）模型变换（CAGD）图像处理CAGD（ComputerAidedGeometricDesign）是研究几何形体在计算机中的表示，分析、研究怎样灵活方便地建立几何形体的数学模型，提高算法效率，在计算机内更好地存储和管理这些模型等。研究曲线、曲面的表示、生成、拼接、数据拟合。

2023/2/26图形设备、系统和应用数字图像处理针对图像进行各种加工以改善图像的效果,为图像分析做准备。研究的内容包括图像增强与去噪、图像分割与边缘检测、图像的几何变换、频域处理、数学形态学及其应用、图像特征与理解、图像编码压缩以及图像恢复等内容。图象理解（模式识别）可以看作是图形学的逆过程，分析和识别数字图像并从中提取二维或三维的数据模型（特征），比如生产线上的零件自动识别，车牌号的自动识别，扫描文稿的识别，通过航空拍摄的地表影像提取地形图等。2023/2/27图形设备、系统和应用图形硬件的发展交互式计算机图形学的诞生（20世纪50年代）1950年，MIT，旋风一号（WhirlwindI）计算机的图形显示器，类似于示波器的CRT来显示简单图形。--CRT的出现为计算机生成和显示图形提供了可能。20世纪50年代末期，MIT林肯实验室，在Whirlwind上开发SAGE(Semi－AutomaticGroundEnvironment)空中防御系统，通过光笔在屏幕上指点与系统交互。--标志着交互式图形技术的诞生。2023/2/28图形设备、系统和应用蓬勃发展时期（20世纪60年代）1962年MIT林肯室验室Ivan.E.Sutherland发表了博士论文：Sketchpad：一个人机通信的图形系统。--提出基本交互技术、图元分层表示概念及数据结构，确定了交互图形学作为一个学科分支。20世纪60年代：MIT、BellLab、通用汽车公司、剑桥大学开展大规模的研究。Ivan.E.Sutherland博士2023/2/29图形设备、系统和应用实用化阶段（20世纪70年代以后）交互式图形系统在许多国家得到应用，许多新的更加完备的图形系统不断被研制出来。20世纪80年代初，图形学依然是较小的学科，主要因为图形硬件设备十分昂贵，且基于图形的应用相对较少。PC、图形工作站的出现，图形应用程序的完备，以及20世纪90年代以来的图形标准化、三维图形技术的发展使图形技术在各个领域得到普及。2023/2/210图形设备、系统和应用显示设备的发展（显示器是图形学中的关键设备）画线显示器（矢量显示器）（随机扫描显示器）20世纪60年代中期存储管式显示器20世纪60年代后期光栅扫描显示器20世纪70年代中期较高的分辨率、对比度，良好的动态性；需要不断刷新，需要刷新缓冲存储器存放数据和指令，需要图形处理器，价格昂贵。分辨率高、不闪烁，不具有显示动态图形的能力；不能有选择的删、改图形，价格较低。按光栅扫描方式显示图形图象，需要刷新缓冲存储器；促使图形处理和图像处理相互渗透，使生成的图形形象逼真，易于推广应用。2023/2/211图形设备、系统和应用图形软件的发展子程序包GKS、PHIGS、GL等便于移植和推广执行速度慢、效率低（？？？）扩展计算机语言计算机语言（开发工具）所附带的子程序库直接使用图形函数生成各种图形用这类语言编写的图形软件简洁、紧凑，执行速度快专用的图形系统AutoCAD、CorelDraw等功能强，执行速度快，效率高开发复杂，移植性差2023/2/212图形设备、系统和应用应用举例图形用户接口（GUI）早期的指示灯、穿孔纸带命令行交互形式的字符界面图形用户界面2023/2/213图形设备、系统和应用WindowsVista

三维图形用户接口2023/2/214图形设备、系统和应用计算机辅助设计与制造图形学的主要应用领域之一应用领域：飞机、轮船、汽车外形，大规模集成电路，建筑，服装，玩具2023/2/215图形设备、系统和应用波音777客机全部采用计算机辅助设计2023/2/216图形设备、系统和应用图示图形学（信息可视化）用二、三维图表表达各种数据能形象的表达各种数据的变化趋势辅助决策支持2023/2/217图形设备、系统和应用

Google的趋势搜索功能以图示的方式表达一段时间内某些搜索关键词的使用频率。参见：2023/2/218图形设备、系统和应用勘探、测量地理空间信息可视化应用地理信息系统（GIS）数字摄影测量系统2023/2/219图形设备、系统和应用计算机艺术艺术品的设计工艺品的图案、花纹等的设计书法艺术景观图用分形算法绘制的树2023/2/220图形设备、系统和应用计算机动画、电影制作等传统动画：费时费力，质量差《大闹天宫》，90*60*24=129，600张胶片，几十位动画工作者近两年的时间计算机动画:效率高，质量高Disney的一系列动画片…《侏罗纪公园》、《泰坦尼克号》…广告艺术等计算机动画创作工具：3DMAX,MAYA等等大型的动画片、电影制作一般采用图形工作站组成的网络集群特殊的动画效果需要开发专门的图形程序可利用脚本语言进行控制2023/2/221图形设备、系统和应用三维FFD（FreeFormDeformers）得到鱼的变形

变脸技术，图象处理与图形学相结合的应用2023/2/222图形设备、系统和应用猫变虎2023/2/223图形设备、系统和应用《冰河世纪》动画片：2023/2/224图形设备、系统和应用2023/2/225图形设备、系统和应用数字娱乐电脑游戏反映了当前图形学的先进技术真实感图形应用的主要领域向实时化、网络化方向发展当前研究热点：图形处理器，三维游戏引擎硬件产品：Nvidia，ATI(AMD)，XBox360，PS3，Wii2023/2/226图形设备、系统和应用2023/2/227图形设备、系统和应用HDR（High-DynamicRange）高动态范围渲染2023/2/228图形设备、系统和应用NOHDRWITHHDR2023/2/229图形设备、系统和应用NOHDRWITHHDR2023/2/230图形设备、系统和应用真实世界虚拟世界2023/2/231图形设备、系统和应用科学计算的可视化空间信息的可视化。应用领域：流体力学、有限元分析、医学、天气预报、海洋和空间探测等。从海量的计算数据和测量数据中发掘其蕴含的自然、物理现象和规律的新的通用手段。气象数据的三维可视化分形研究的例子2023/2/232图形设备、系统和应用工业模拟较大的应用领域机械、现象等的动态、静态模拟机械装配、飞机制造(风洞试验)、核试验、汽车安全检测有限元分析分析静态或动态的物体或物理系统物体或系统被分解为由多个相互联结的、简单、独立的点组成的几何模型常用于分析物体或系统中的压力和变形2023/2/233图形设备、系统和应用2023/2/234图形设备、系统和应用计算机辅助教学采用计算机程序进行教学图形方式表达知识更容易被人们所理解多媒体化、智能化、网络化仪器应用仿真软件幼儿多媒体教学2023/2/235图形设备、系统和应用图形学应用发展方向真实化实时化网络化普及化2023/2/236图形设备、系统和应用输入设备鼠标光电式、光机式、机械式有线、无线光笔2023/2/237图形设备、系统和应用触摸屏电阻式、电容式定位精度高，但成本也高红外线式实现方式简单，精度低表面声波式常用于政府、电信、学校、医院、金融等部门目前，一些消费电子产品也采用触摸屏设计2023/2/238图形设备、系统和应用坐标数字化仪将图形转换成计算机能够接收的数据扫描仪将图形、图像转换成计算机能够接受的位图2023/2/239图形设备、系统和应用图形显示设备阴极射线管(CRT)组成：包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏工作原理：电子枪发射电子束，经过聚焦系统、加速电极、偏转系统，轰击到荧光屏的不同部位，被其内表面的荧光物质吸收，发光产生可见的图形。2023/2/240图形设备、系统和应用CRT原理图水平偏转板垂直偏转板灯丝阴极聚焦系统加速系统电平控制器石墨层吸收轰击磷粉涂层后逃逸在荧光屏内的杂撒电子送至第二阳极,形成电流回路。荧光纷（磷粉涂层）电子枪偏转系统荧光屏第一阳极第二阳极

偏转线圈高压入口经石墨层接第二阳极用于磁偏转系统用于静电偏转系统荧光屏偏转的电子束2023/2/241图形设备、系统和应用荧光物质：吸收电子束而发光持续发光时间：电子束离开某点后，该点的亮度值衰减到初始值1/10所需的时间刷新(Refresh)：为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数像素(Pixel:PictureCell)：构成屏幕（图像）的最小元素分辨率(Resolution)：CRT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dpi（dotsperinch)。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640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等

某种CRT产生稳定图像所需要的最小刷新频率=1秒/荧光物质的持续发光时间（例如）=1000/20=50Hz相关概念2023/2/242图形设备、系统和应用射线穿透法彩色CRT应用：画线显示器（随机扫描显示器）优点：成本低缺点：只等产生有限几种颜色电子束荧光涂层产生颜色低速电子束较低速电子束较高速电子束高速电子束射线穿透法彩色CRT原理图2023/2/243图形设备、系统和应用常用彩色CRT显示器显示彩色的原理（影孔板法）彩色CRT显示器的荧光屏上涂有三种荧光物质，它们分别能发红、绿、兰三种颜色的光。而电子枪也发出三束电子束来激发这三种物质，中间通过一个控制栅格来决定三束电子到达的位置。三束电子经过影孔板的选择，分别到达三个荧光点的位置。通过控制三个电子束的强弱就能控制屏幕上点的颜色。2023/2/244图形设备、系统和应用如果每个电子枪有256个等级，则显示器能同时显示256*256*256=16M种颜色，称为真彩系统彩色CRT原理图2023/2/245图形设备、系统和应用CRT显示器点距示意图2023/2/246图形设备、系统和应用影孔板的类型点状影孔板（多数的球面显示器）大多数球面与柱面显像管栅格式影孔板Sony的Trinitron（特丽珑）Mitsubishi的Diamondtron（钻石珑）显像管沟槽式影孔板LG的Flatron（未来窗）显像管2023/2/247图形设备、系统和应用随即扫描显示器电子束在任意方向上自由移动逻辑部件：刷新存储器(RefreshingBuffer)，显示处理器(DPU:DisplayProcessingUnit)2023/2/248图形设备、系统和应用光栅扫描式图形显示器画点设备，用点阵表示图形光栅扫描帧和场：一帧等于两场逐行扫描与隔行扫描2023/2/249图形设备、系统和应用光栅扫描显示器图形绘制过程2023/2/250图形设备、系统和应用具有1位帧缓存的黑白光栅显示器结构图帧缓冲存储器CRT光栅电子枪寄存器1DAC帧缓冲存储器作用：存储屏幕上像素的颜色值简称帧缓冲器，俗称显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）完成2023/2/251图形设备、系统和应用N00帧缓冲存储器1N=32N级1004

2N

DAC寄存器N电子枪CRT光栅具有N位帧缓存的黑白灰度光栅显示器结构图光栅图形显示器中需要有足够的位面和帧缓存结合起来才能反映图形的颜色和灰度等级。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，其范围在0～2N－1之间。2023/2/252图形设备、系统和应用

具有N位帧缓存和W位颜色查找表的光栅显示器结构图N=32N表项N00帧缓冲存储器11004寄存器N2N为总颜色数2W为每次可显示颜色数电子枪11W查找表

2WDAC1011W=4CRT光栅为避免帧缓存的增加，采用颜色查找表来提高灰度级别。帧缓存中数据为颜色查找的索引，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。2023/2/253图形设备、系统和应用由于只有三种原色，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。CRT光栅300帧缓冲存储器1寄存器彩色电子枪0DAC蓝0DAC绿1DAC红一个简单的彩色帧缓冲存储器2023/2/254图形设备、系统和应用彩色电子枪蓝8位DAC8位DAC8位DAC绿红8寄存器8绿1200011000帧缓冲存储器8红3600010001CRT光栅一个具有24位面的彩色帧缓冲存储器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。2023/2/255图形设备、系统和应用液晶显示器(LCD,LiquidCrystalDisplay)物理特性液晶即液态晶体，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。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2023/2/256图形设备、系统和应用光线方向未通电：光线穿透2023/2/257图形设备、系统和应用通电：光线阻断2023/2/258图形设备、系统和应用液晶材料本身不发光，所以显示屏两边设有作为光源的灯管。液晶显示屏背面有一块背光板和反光膜，背光板由荧光物质组成，可以发射光线，提供均匀的背景光源。

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。玻璃板与液晶材料之间的透明电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电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。2023/2/259图形设备、系统和应用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。彩色LCD面板中的每一个像素由3个液晶单元格构成，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。2023/2/260图形设备、系统和应用优点：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：视角小、亮度和对比度不够大

2023/2/261图形设备、系统和应用目前液晶产品的种类薄膜晶体管型（TFT，ThinFilmTransistor）类面板可视角度高亮度、对比度较低响应时间长垂直配向技术（VA，VerticalAlignment）类面板高端应用16.7M色亮度好，对比度高响应时间较长可视角度范围大（178度）扭曲向列（TN，TwistedNematic）类面板目前应用的主流入门级和中端26万色抖动后得到16.2M色响应时间短（轻易达到8ms以上）可视角度范围小价格便宜2023/2/262图形设备、系统和应用等离子显示器阴极玻璃电介质隔板透明阳极玻璃气泡原理图2023/2/263图形设备、系统和应用优点：重量较轻、无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2023/2/264图形设备、系统和应用图形绘制设备喷墨打印机，绘图仪喷墨绘图设备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按喷头分类：压电式，气泡式，静电式，固体式分辨率的高低取决于墨滴的大小

喷墨绘图机的结构绘图机控制部件墨水泵滚筒喷笔笔架丝杠电机步进电机纸或胶片2023/2/265图形设备、系统和应用激光打印机组成：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激光打印机的组成滚筒转移电晕丝打印纸打底电晕丝感光鼓碳粉2023/2/266图形设备、系统和应用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激光打印机开始工作打底电晕丝+++++++++++鼓表面未带电荷感光鼓旋转方向鼓表面带电荷2023/2/267图形设备、系统和应用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类似数据表的信号组，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，不断变换角度，将激光点反射到感光鼓上感光多棱反射镜激光发射器2023/2/268图形设备、系统和应用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由电荷组成的影像。感光鼓旋转到上粉盒，其表面带电荷的点将吸附碳粉，从而在感光鼓上形成将要打印的碳粉图像成像碳粉滚筒感光鼓旋转方向2023/2/269图形设备、系统和应用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电荷，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，产生永久图像转印感光鼓碳粉转移电晕丝2023/2/270图形设备、系统和应用笔式绘图仪滚筒式：笔和纸都做运动X方向（纸）Y方向（笔）平板式：绘图笔沿X和Y两个方向运动，图纸静止不动滚筒式绘图机结构Y方向步进电机X笔架落笔抬笔+X+Y平板式绘图机结构X方向步进电机Y方向步进电机+Y抬笔落笔+X2023/2/271图形设备、系统和应用世界上第一台滚筒绘图仪2023/2/272图形设备、系统和应用图形卡(显示适配器）作用：根据CPU提供的指令和有关数据将程序运行过程和结果进行相应的处理、并转换成显示器能够接受的文字和图形显示信号，通过屏幕显示出来。显示器必须依靠显卡提供的显示信号才能显示出各种字符和图像图形卡的逻辑组成2023/2/273图形设备、系统和应用图形系统计算机磁带机硬盘其他存储设备鼠标器其他图形输入设备图形显示终端绘图仪其他硬拷贝设备2023/2/274图形设备、系统和应用特征PC机工作站处理器总线虚拟存储网络操作系统整数处理速度(MIPS)尺寸图形价格CISC,C/RRISCAT,EISASBUS,MBUS

无有选择