计算机图形学(计算机图形系统及硬件基础)

第2章计算机图形系统及硬件基础本章内容计算机图形系统的组成1计算机图形系统的功能2图形显示设备3图形绘制设备和输入设备*42009-2010-2:CG:SCUEC2计算机图形系统的组成计算机图形系统是指用来生成、处理和显示图形的一整套硬件和软件。2009-2010-2:CG:SCUEC3中央处理机完成对图形的描述、建立、修改等各种计算，并对图形实现有效的存储。许多外部设备增加了固化的图形处理功能（如显卡、绘图机等），可以接受更高级的绘图命令，不但能实现图形的缓冲，而且能完成大部分图形函数的功能，从而大大减轻了中央处理机的负担，提高了输出速度。中央处理机（CPU）2009-2010-2:CG:SCUEC4图形输入设备图形输入设备将用户的图形数据、各种命令等转换成电信号送给计算机设备名称典型设备定位设备鼠标、操作杆、数字化仪笔画设备数字化仪、图形输入板选择设备功能键、光笔拾取设备鼠标、触摸屏数值设备数值键盘字符串设备字符键盘常用图形输入设备及其分类2009-2010-2:CG:SCUEC5图形输出设备图形输出设备将计算机处理好的结果转换成可见的图形常用图形输出设备及其分类设备类型设备名称典型设备图形显示设备CRT显示器光栅扫描显示器、随机扫描显示器、直视存储管显示器平板显示器液晶显示器(LiquidCrystalDisplay)等离子显示器(PalsmaDisplayPanel)图形绘制设备绘图仪平板绘图仪、滚筒式绘图仪打印机点阵式打印机、喷墨打印机、激光打印机2009-2010-2:CG:SCUEC6

一个计算机图形系统至少应具有计算、存储、输入、输出和交互等基本功能，各功能之间的关系如下：输入计算输出存储交互图形输入设备图形输出设备显示器数据库计算机图形系统的功能2009-2010-2:CG:SCUEC71)图形的描述、分析和设计；2)点、线（包括直线和曲线）、面（包括平面和曲面）的表示及其求交、分类（用于图形的集合运算）；3)图形的平移、旋转、投影、透视等几何变换；4)曲线、曲面的生成；5)图形的交点、交线、交面的计算；6)光、色模型的建立和计算；

7)图形之间相互关系的检测等。计算机图形系统的功能计算功能2009-2010-2:CG:SCUEC8在计算机的内存、外存中能存放各种图形数据，尤其是各种图形的几何数据及图形之间的相互关系和各种属性信息，并可基于设计人员的要求快速方便地实现对有关信息的实时检索和对图形的删除、增加、修改等操作。通过图形输入设备将基本的图形数据（如点、线等），图形的形状、尺寸，必要的参数和各种绘图命令输入到计算机中，从而构造更复杂的几何图形。其中约束条件、属性参数都是必不可少的。存储功能计算机图形系统的功能输入功能2009-2010-2:CG:SCUEC9图形系统应具有文字、图形、图像信息的输出功能，以方便长期保存分析计算的结果或交互需要的图形和非图形信息。根据对输出结果的精度、形式和时间等的不同要求，相应的有多种不同的输出设备。设计人员可通过显示器或其他人机交互设备直接进行人机通信，通过观察屏幕上显示的计算结果和图形，利用选择、定位等手段对不满意的部分进行修改。另外，可以由系统追溯到以前的工作步骤，跟踪检索出出错的地方，同时对设计者或操作员输入的错误给以必要的提示和帮助。输出功能交互功能计算机图形系统的功能2009-2010-2:CG:SCUEC10主要介绍CRT(CathodeRayTube)显示器：CRT的组成图形显示设备CRT的显示原理彩色CRT的显示原理随机扫描CRT光栅扫描CRT直视存储管CRT2009-2010-2:CG:SCUEC11CRT显示器主要由阴极、电平控制器（即控制极）、聚焦系统、加速系统、偏转系统和阳极荧光粉涂层组成，这6部分都在真空管内。CRT显示器的组成2009-2010-2:CG:SCUEC12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CRT的显示原理2009-2010-2:CG:SCUEC13隔行扫描（见下图）将扫描分成两场，先扫描奇数行1、3、5、7…，再扫描偶数行0、2、4、6…，顺序从顶部扫描到底部

。隔行扫描技术1234567水平回扫（消隐）奇数场垂直回扫（消隐）隔行扫描只需用逐行扫描一半的时间就能看见整个屏幕显示，因此隔行扫描技术用于较慢的刷新频率。例如刷新频率为30帧/秒，如采用逐行扫描显示，可注意到图形在闪烁，但采用隔行扫描，扫描一帧的时间只用了原来一半，也就是说刷新频率接近60帧/秒，这时图形显示质量提高，不再闪烁。2009-2010-2:CG:SCUEC14

采用的是RGB模型R绿(0,1,0)黄(1,1,0)白(1,1,1)品红(1,0,1)青(0,1,1)黑(0,0,0)蓝(0,0,1)红(1,0,0)GBRGB颜色立方体

由红、绿、蓝三种颜色组成的原色系统称为RGB模型。它是定义于某个红绿蓝颜色坐标系统中的单位立方体。彩色CRT的显示原理彩色CRT的荧光屏上涂有分别能发红、绿、蓝三种颜色的荧光粉，同时彩色CRT装有三个电子枪能分别发出电子束来激发这三种物质。荧光粉受到不同强度的电子束激发使发出的色光产生混合，从而形成彩色图形。根据三色荧光粉在荧光屏上的排列方式不同，彩色CRT可分为荫罩式CRT和荫栅式CRT2009-2010-2:CG:SCUEC15荫罩式CRT的荧光屏上涂满了成百万个能够分别发出红、绿、蓝三色光的荧光小点，每个荧光小点的三色荧光粉成等边三角形排列，同时三支电子枪安装成“品”字形，与荧光屏上的三角形红、绿、蓝三色荧光点相对应。RBGRBGRBGRBGBRBGRGRBGRBGRBGRBGRBGRBGRBGBRBGRG荫罩式CRT荧光点的排布方案荫罩式CRT2009-2010-2:CG:SCUEC16为保证每个电子枪都能击中对应颜色的荧光点，在电子枪和荧光屏之间放置一个有孔的金属控制网格（即荫罩）。控制网格与荧光点排列成相同的三角形或直线型。调整彩色电子枪的排布方式可让三个电子束都汇聚于荫罩上。这样，某颜色的电子束通过荫罩后，就可避免和另外两种颜色的荧光点相交，而只与自己对应颜色的荧光点相交。彩色CRT电子枪和荫罩的排布绿枪电子束蓝枪电子束红枪电子束荫罩屏幕红绿蓝荧光点荫罩式CRT2009-2010-2:CG:SCUEC17荫栅式显象管的红、绿、蓝三色荧光点在屏幕上呈垂直条形排列，并将荫罩网改为条状荫栅，这种条状荫栅由固定在一个拉力极大的铁框中的互相平行的垂直铁线阵列组成，且整个栅栏从屏幕顶一直通到屏幕底。电子枪发出的三个电子束穿过栅条打在荧光条上使其发光。荫栅式CRT工作原理图荫栅荧光屏BGR蓝绿红荫栅式CRT2009-2010-2:CG:SCUEC18从原理来说，荫罩式显示器和荫栅式显示器只是射线的选择方式和荧光点的排列不同而已。从显示效果来说，荫栅式显示器的荫栅可以透过更多的光线，从而可以达到更高的亮度和对比度，令图像色彩更加鲜艳、逼真和自然；另外，其栅距经过长时间使用也不会改变，就算使用多年也不会出现画质的下降。荫罩式与荫栅式的区别2009-2010-2:CG:SCUEC19随机扫描显示器

特点：电子束扫描没有固定的扫描路径和顺序，即电子束的扫描轨迹随显示内容而变化，只扫描屏幕上要显示的部分，故此得名电子束形成的轨迹是由短矢量（类似于笔划）组成，又称为矢量式或笔划式图形显示器

随机扫描显示器的逻辑图如下2009-2010-2:CG:SCUEC20随机扫描显示器工作原理：应用程序发出绘图命令→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成一个显示文件，由显示处理器负责解释执行(刷新)→驱动电子枪在屏幕上绘图优点：扫描速度快，分辨率高，线条质量好，易修改缺点：不能显示色彩逼真图形，有时会出现满屏闪烁，价格昂贵2009-2010-2:CG:SCUEC21结构组成及工作原理直视存储管显示器直视存储管图形显示器的结构图2009-2010-2:CG:SCUEC22直视存储管显示器优点：无需刷新；很复杂的图形都可以在极高的分辨率下无闪烁地显示；成本较低；缺点：不能显示彩色；不能局部修改；擦除和重画过程可能持续较长时间。2009-2010-2:CG:SCUEC23光栅扫描显示器水平扫描（显示）水平回扫（消隐）垂直回扫（消隐）是画点设备，屏幕可看成一个像素阵列，并可控制每个点像素的亮度。发出的电于束的偏转方式是固定的，自上而下，从左到右扫描在荧光屏上形成光栅形状。2009-2010-2:CG:SCUEC24图形是通过电子束扫描到光栅上的图形象素点时呈现的亮度或颜色与光栅背景的亮度或颜色不同而衬托出的，可形成多级灰度或颜色的实面积自然图像。光栅扫描显示器光栅扫描显示器的逻辑部件及工作原理2009-2010-2:CG:SCUEC25帧缓存是一块连续的存储空间。光栅中的每个像素在帧缓存中至少要有1位(bit),每个像素1位的存储容量称为位面(bitplane)。画面就是由帧缓存中的这些位信息组成的。图形在计算机中是一位一位产生的，每一个存储位只有0或1两个状态，则一个位面的帧缓存只能产生黑白图形。帧缓冲存储器（帧缓存）实现光栅CRT图形显示器的最常见方法是使用帧缓存。光栅扫描显示器2009-2010-2:CG:SCUEC26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。单个位面黑白帧缓存组成的光栅CRT图形显示器帧缓冲存储器CRT光栅电子枪寄存器1DAC光栅扫描显示器2009-2010-2:CG:SCUEC27N00帧缓冲存储器1N=32N级1004

2N

DAC寄存器N电子枪CRT光栅由N个位面组成的灰度帧缓冲存储器显示器上每个像素的亮度由它在各个位面中对应的值共同决定，把各个位面上与当前像素对应的0，1值读入寄存器相应的位,最终得到的二进制数就是像素的灰度等级，其范围在0～2N－1之间。如果增加帧缓存的位面数，光栅显示器可以表示彩色或不同的灰度等级。光栅扫描显示器2009-2010-2:CG:SCUEC28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为总光强等级2W为每次可显示

光强等级电子枪11W查找表

2WDAC1011W=4CRT光栅颜色查找表必须有2N

项，每一项具有W位字宽。当W大于N时，可以有2W个灰度等级，但一次只能同时使用其中的2N个。如果要使用2N种以外的灰度等级，需要改变颜色查找表中的内容。下图中，W=4，N=3,通过设置颜色查找表可以产生16种灰度。

带颜色查找表的光栅扫描显示器2009-2010-2:CG:SCUEC29由于只有三种原色，所以可以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红一个简单的彩色光栅显示器彩色光栅扫描显示器2009-2010-2:CG:SCUEC30可通过增加每个颜色的电子枪所对应的帧缓存位面，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。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个位面的彩色帧缓存彩色光栅扫描显示器2009-2010-2:CG:SCUEC31若各组位面存放的不是直接的颜色值而是颜色查找表的地址索引，则全色帧缓存的颜色还可进一步丰富。彩色电子枪8N8寄存器帧缓冲存储器8W位DAC红W位DAC绿W位DAC蓝CRT光栅2N表项颜色查找表W=10一个具有24个位面的彩色帧缓存和10位颜色查找表的结构图带颜色查找表的彩色光栅扫描显示器2009-2010-2:CG:SCUEC32工作于高分辨率和真彩色模式下的光栅系统显示的图形精度高、质量好，但也带来两个问题

需要大容量的帧缓存要求视频控制器对帧缓存有较快的存取速度，刷新频率可能跟不上

光栅扫描显示器存在的问题解决办法

针对问题1可采用颜色查找表针对问题2可采用隔行扫描方法

2009-2010-2:CG:SCUEC33光栅扫描CRT与随机扫描CRT的比较光栅扫描CRT的扫描转换过程比较复杂，随机扫描CRT的扫描转换过程比较简单2009-2010-2:CG:SCUEC34光栅扫描CRT是画点设备，随机扫描CRT是画线设备光栅扫描CRT使输出真实感图形成为可能，随机扫描CRT不能显示逼真的有阴影场景光栅扫描CRT扫描一副图形的时间是固定的，随机扫描CRT扫描一副图形的时间不是固定的光栅扫描CRT的扫描方式与电视机相同，价格比较便宜，随机扫描CRT的扫描方式与电视机不同，价格比较昂贵光栅扫描CRT扫描的直线会有锯齿，随机扫描CRT扫描的直线是光滑的12分辨率：指显示器在屏幕水平(垂直)方向可显示多少像素。分辨率越高，显示的字符或图像越清晰。刷新频率：即屏幕刷新的速度。刷新频率越低，图像闪烁和抖动的就越厉害，眼睛疲劳的就越快。过低的刷新频率，会产生令人难受的频闪效应。3水平扫描频率：又称为行频，是指电子枪每秒在屏幕上扫描过的水平点数，以KHz为单位。行频越大越好，至少要达到50KHz。CRT显示器的主要性能参数2009-2010-2:CG:SCUEC35456亮度等级数目和色彩：亮度等级数目主要指单种颜色亮度可变化的数目，亮度等级范围的提升可以使图像看上去更加柔和自然。色彩包括可选择显示颜色的数目以及一帧画面可同时显示的颜色数，与荧光屏的质量有关，并受显示存储器VRAM大小的影响。点距：指同一像素中两个颜色相近的荧光体间的距离，与图像分辨率有关。点距越小，显示出来的图像越细腻，当然其成本也越高。显示速度：显示字符、图形，特别是动态图像的速度，与显示器的分辨率及扫描频率有关。可用最大带宽(即水平像素数×垂直像素数×最大刷新频率)来表示。CRT显示器的主要性能参数2009-2010-2:CG:SCUEC36图形绘制设备绘图仪打印机2009-2010-2:CG:SCUEC37滚筒式绘图机平板式绘图机笔式绘图机是矢量型设备，绘图笔相对纸作随意移动。笔式绘图机分为滚筒式和平板式两种。绘图仪2009-2010-2:CG:SCUEC38是一种光栅设备，特别适合于低开销的彩色打印输出，基本原理是将小墨点喷射到介质上，形成文字和图形。分为连续喷墨和即用即喷两种类型。前者的墨汁是连续喷射的，射速较快，但需要墨水泵和墨水回收装置，结构比较复杂。后者只有在需要写点的时候才喷射墨汁，射速较低，不需墨水瓶和墨水回收装置。喷墨打印机2009-2010-2:CG:SCUEC39 激光打印机是一种光栅扫描设备，既可用于打印字符又可用于绘图。激光打印机2009-2010-2:CG:SCUEC40图形输入设备键盘、鼠标光笔数字化仪手写输入板图形扫描仪触摸屏新的输入设备2009-2010-2:CG:SCUEC41光笔结构示意图光笔的笔尖处开有一个圆孔，荧光屏的光通过这个孔进入光笔。光笔的头部有一个透镜组，把所收集的光聚集至光导纤维的一个端面上，光导纤维再把光引至光笔另一端的光电倍增管，从而将光信号转换成电信号，经过整形后输出一个有合适信噪比的逻辑电平，并作为中断信号送给计算机和显示器的显示控制器。光笔2009-2010-2:CG:SCUEC42数字化仪是在物体上绘画、着色或交互选择坐标位置的常用设备，可用来输入二维或三维空间的坐标值，是一种把图形转变为计算机能接受的数字形式的专用设备。数字化仪2009-2010-2:CG:SCUEC43手写输入板是最常见的定位设备。可以和CRT图形显示器一起使用，也可以单独使用，后者中的输入板就是通常所说的数字化仪。手写输入板2009-2010-2:CG:SCUEC44 图形扫描仪是直接把图形（如工程图纸）和图像（如照片、广告画等）扫描并输入到计算机中，以像素信息进行存储表示的设备。

图形扫描仪2009-2010-2:CG:SCUEC45触摸屏允许用手指触摸屏幕显示的物体或位置来实现选择操作。一般有一个与屏幕尺寸相仿的框架，在水平和垂直边框上安装了许多发光器和光检测器。任何东西，如手指，只要隔断了两根垂直光线就会产生一对X,Y坐标。触摸屏的典型应用是对用图形符号表示的处理选项进行选择。触摸屏2009-2010-2:CG:SCUEC46

作为一种新的人机界面技术，是自鼠标问世以来最重大的人机交流模式的转变。它充分利用了书写的自然性和墨水丰富的表达能力，将个人计算机数字墨水强大的计算和处理能力以及纸的易用性结合起来，成为一种以人为中心的技术。新的输入设备2009-2010-2:CG:SCUEC47数据手套数据手套可以测量手指的三维位置和运动，并传送给计算机，复杂的数据手套还可以测量肘和腕的运动。数据手套可包含控制按钮，可作为输出设备，能够指向、握紧或推动物体，可用在虚拟现实系统中。新的输入设备2009-2010-2:CG:SCUEC48三维鼠标三维鼠标（3DMouse）属于三维输入设备，是三维空间控制器的一种。它可以拾取一个对象，使之旋转并按任意方向移动，或者通过三维场景来控制观察位置和方向。三维鼠标产生的空间位置是相对的，多用于虚拟现实系统、CAD和动画中。新的输入设备2009-2010-2:CG:SCUEC49

声音系统声音系统在图形工作站中用于图形操作的初始化或输入数据，工作原理是使输入与预先定义的字和词组的词典相匹配。新的输入设备2009-2010-2:CG:SCUEC50前沿拓展——MIT真实情景融合“第六感”技术机构：美国麻省理工学院MIT媒体实验室

发明人：Pranav

Mistry

工作：实现数字世界和真实世界的无缝连接，主要专注于无限制界面的研究。研发出一种可穿戴计算机系统，这个系统可以把任何表面转换成一个交互显示屏。佩带该系统的人可以随意利用虚拟装置，收集网络数据，然后像驱散烟雾一样驱散它们。

研究目的是为人类创造一种新型数字“第六感”。解释说，在触觉世界里，我们利用我们的五种感觉