计算机图形学教程（第5版 微课版）课件 第1、2章 图形学绪论、图形显示设

计算机图形学

绪论教材苏小红、李东、唐好选，《计算机图形学实用教程（第2版）》，人民邮电出版社，2010年9月参考书DavidF.Rogers著，石教英，彭群生等译，ProceduralElementsforComputerGraphics(SecondEdition)计算机图形学的算法基础，机械工业出版社，2002齐东旭，分形及其计算机生成，科学出版社，1994齐东旭，计算机动画原理与应用，科学出版社，1998彭群生，鲍虎军，金小刚，计算机真实感图形学的算法基础，科学出版社，1999鲍虎军金小刚彭群生，《计算机动画的算法基础》，浙江大学出版社，2000年在线教学网站

graphics教学理念教学理念以应用为背景以理论为主线以算法为核心以能力培养和提高学习兴趣为目标思维能力软件编程能力软件应用能力文献检索、综述能力自学能力课程考核方式实验大作业编写算法的实现程序，提交程序源代码，并撰写实验报告制作Flash动画，提交fla和exe文件，撰写实验报告实验报告详细要求见严禁作弊第1章绪论应用领域与相关学科的关系发展简史研究内容什么是计算机图形学交互式计算机图形处理系统什么是计算机图形学

ComputerGraphics(CG)

计算机图形学是研究怎样用计算机生成、处理和显示图形的一门学科。

国际标准化组织(ISO)的定义：

计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形，并在专门显示设备上显示的原理、方法和技术的学科。它是建立在传统的图学理论、应用数学和计算机科学基础上的一门边缘学科。图形的构成要素广义的概念几何要素——几何属性点、线、面、体非几何要素——视觉属性明暗、灰度、色彩、纹理、透明性、线型、线宽图形与图像的区别表示——面向对象（直线、圆、圆弧、多边形、填充区域）的，每个对象都是一个自成一体的实体，它同时具有几何属性和视觉属性来源——由代码（算法）生成（包括图形软件绘制）图形设计软件——Illustrator，记录每个对象的位置、大小、形状、颜色等信息表示——点阵图像，由称作像素的单个点组成的来源——扫描输入，网络下载，数码照相，电脑屏幕抓图，图像软件绘制等图像处理软件——Photoshop，记录各空间位置的颜色信息一般说来，要在计算机上生成一幅表示物体的图形，有三个要素：造型技术：对形状和外观进行数学定义在计算机中建立所要生成图像的物体的模型即给出表示该物体的几何模型/几何数据和拓扑关系绘制技术：按照给定的观察点及观察方向将物体模型在计算机屏幕上显示出来人机交互技术：为造型和绘制这两个过程提供友好的人机界面研究内容

计算机对图形数据处理的硬件和软件围绕着生成、表示物体的图形的

准确性->真实性->实时性算法可大致分为以下几类：

研究内容基于图形设备的基本图形元素的生成算法图形的变换和裁剪自由曲线和曲面——计算几何几何造型技术真实感图形的生成算法自然景物的生成——分形几何颜色科学及其应用计算机动画技术虚拟现实技术——实时交互式三维图形处理与相关学科的关系图像处理计算机图形学模式识别图像计算几何特征数据几何模型CAD/CAM计算机艺术计算机动画计算机视觉视频与图形的融合视频与图形的融合融合的两个需求将交互图形技术应用于图像/视频处理中提高处理的稳定性和实用性利用图像/视频中所蕴含的信息解决场景构造和绘制的复杂性提高真实感和效率视频与图形的融合融合的应用海量视频数据的拼接与整合，实现新视频序列的合成视频序列与虚拟场景的无缝融合，达到真假难辨的视觉效果，增强现实基于视频信号的三维运动驱动，视频场景的几何、运动和属性重建基于视频信号的自然交互技术电影特技、游戏，电视节目直播等发展简史

准备阶段（50年代）1950年，MIT，第一台图形显示器，旋风I号(WhirlwindI)计算机的附件类似于示波器的阴极射线管(CRT)50年代末期，MIT林肯实验室，在“旋风”计算机上开发SAGE空中防御系统光笔，交互式图形生成技术。

发展简史

发展阶段（60年代）MIT林肯实验室，I.E.Sutherland发表博士论文“Sketchpad:一个人机通信的图形系统”《Sketchpad:AManMachineGraphicalCommunicationSystem》首次使用ComputerGraphics术语计算机图形学之父发展简史

发展阶段（60年代）60年代中期，美国MIT、通用汽车公司、贝尔电话实验室、洛克希德飞机公司、法国雷诺汽车公司、英国剑桥大学随机扫描显示器发展简史

推广应用阶段（70年代）基于电视技术的光栅扫描显示器的出现，图形学进入了第一个兴盛的时期，并开始出现实用的CAD图形系统。众多商品化软件的出现，使图形标准化问题也被提上议程。74年，美国计算机学会成立图形标准化委员会(ACMSIGGRAPH)发展简史

系统实用化阶段（80年代）80年代，超大规模集成电路的发展，奠定了物质基础，工作站的出现，促进了图形学的发展。标准化智能化阶段（90年代）朝着标准化、集成化和智能化的方向发展国际标准化组织（ISO）公布的图形标准也越多、且更加成熟当前流行的有：OpenGL,Direct3D,Java3D图形应用软件具有友好的人机界面Adobe公司的IllustratorMacromedia公司的FreehandCorel公司的Coreldraw图形子程序库图形处理中的最小单元，完成图形元素的生成、表示、变换、显示等被各种图形应用软件调用图形设备驱动程序用来控制图形硬件设备显示驱动程序、打印驱动程序图形应用软件图形子程序库图形设备驱动程序图形硬件设备图形软件发展及软件标准形成

三种类型的计算机图形软件系统：(1)按国际标准或公司标准开发的图形子程序库

如:GKS，PHIGS，OpenGL 便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低(2）各种程序设计语言专用的图形子程序库

简练、紧凑、执行速度快，但不可移植（3）专用图形系统

效率高，但系统开发量大，可移植性差。

通用的、与设备无关的图形标准GKS(GraphicsKernelSystem)(第一个官方标准，1977)PHIGS(Programmer’sHerarchicalIuteractiveGraphicssystem)一些非官方图形软件，广泛应用于工业界，成为事实上的标准DirectX(MS)Xlib(X-Window系统)Adobe公司PostscriptOpenGL(SGI)——画图命令是软件库的一部分，与某种语言邦定——用户界面软件是独立的实体，随系统而不同Direct3DJava3D——与用户界面工具包集成在一起 开放式、高效率的发展趋势开放式的三维图形软件包OpenGLOpenGL是在SGI等多家世界闻名的计算机公司的倡导下，以SGI的GL三维图形库为基础制定的一个通用共享的开放式三维图形标准。目前，包括Microsoft、SGI、IBM、SUN、HP等大公司都采用了OpenGL做为三维图形标准，许多软件厂商也纷纷以OpenGL为基础开发出自己的产品。其中比较著名的产品包括：动画制作软件Softimage和3DStudioMAX、仿真软件OpenInventor、VR软件WorldToolKit、CAM软件ProEngineer、GIS软件ARC/INFO等等。OpenGL的优越性独立于窗口系统和操作系统以它为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植可与VisualC++紧密接口便于实现机械手的有关计算和图形算法，可保证算法的正确性和可靠性；使用简便，效率高OpenGL图形库的功能一共有100多个函数。其中核心函数有115个除了提供基本的点、线、多边形的绘制函数外，还提供了复杂的三维物体（球、锥、多面体、茶壶等）以及复杂曲线和曲面（如Bezier、NURBS等曲线或曲面）绘制函数。基本几何变换和投影变换颜色模式设置光照和材质设置纹理映射功能位图显示和图象增强：反走样(Antialiasing)和雾(fog)的特殊图象效果处理双缓存(DoubleBuffering)动画：双缓存即前台缓存和后台缓存，即后台缓存计算场景、生成画面，前台缓存显示后台缓存已画好的画面。计算机图形学

绪论应用图形用户界面

计算机辅助设计与制造——工业领域CAD/CAM是CG在工业界最广泛、最活跃的应用领域。用三维计算机建模软件包设计出机械零件，再用这些虚拟设计指导生产过程，由计算机控制的生产设备生产出零件飞机、汽车、船舶、机电、轻工、服装的外形设计集成电路、印刷电路板的设计建筑设计基于工程图纸的三维形体重建孙家广，谭建荣Boeing777,无纸设计，无纸制造在飞机工业中，美国波音飞机公司已用有关的CAD系统实现波音777大型客机的整体设计和模拟，其中包括飞机外型、内部零部件的安装和检验。使其设计制造成本下降30%以上。

建筑和环境设计

计算机动画——商业领域广告设计视频游戏（仿真——精确的视频游戏）卡通动画片影视特技应用视频游戏使用复杂的三维模型和绘制算法由世界著名的游戏公司暴雪出品的3D网络游戏《魔兽世界》自其先后在北美、欧洲和韩国上市以来，打破了多项纪录，更被中国游戏玩家公认为“2005年最受期待的游戏”。据悉，在《魔兽世界》限量公开测试报名首日的第一个小时内，就有10万玩家激情参与！狮子王《玩具总动员》美女与野兽精灵鼠小弟卡通动画片影视特效镜头的制作现代电影几乎都用到了数字合成技术，添加背景，生成前景等。产生以假乱真而又惊险的特技效果，如模拟大楼被炸、桥梁坍塌等。影片《珍珠港》剧照。由电脑制作出的灾难景象。侏罗纪公园计算机艺术——艺术领域

“计算机艺术是科学与艺术相结合的一门新兴的交叉学科，是计算机应用的一个崭新、富有时代气息的领域。科学和艺术是不可分割的，就像一枚硬币的两面……”——诺贝尔物理学奖李政道计算机艺术——艺术领域含义很广以计算机为工具，可以完成多种艺术品的制作和设计，如绘画（平面图形）、雕塑（立体图形）、音乐、平面构成、空间结构，还有体操舞蹈设计等等。其中，美术作品占比重最大因此，计算机艺术由主要指计算机美术齐东旭计算机动画，分形艺术潘云鹤智能CAD，纺织CAD计算机艺术——艺术领域计算机平面绘画艺术计算机绘画（ComputerPainting）主要指人们利用鼠标或数字压感光笔直接在屏幕或数字化板上进行的绘画软件包括：CorelPainter或AdobePhotoshop等该类绘画最接近于传统绘画，其画风细腻、形象生动自然。但画幅一般较小，要求绘画者有较高的美术功底。优势为：易于修改、效果丰富、成本较低、但对于电脑设备要求较高。近期广泛应用于手绘动画和漫画创作。计算机艺术——艺术领域计算机平面合成艺术计算机数字图像合成艺术（ComputerImageEditingandMontageArt）主要指利用电脑对扫描或数字相机导入的图像素材进行编辑和合成，以及进行后期特技处理所产生的新视觉作品软件包括：CorelPainter或AdobePhotoshop等。该类作品接近于传统摄影特技，并带有“蒙太奇艺术”的特点，许多合成图像带有荒诞、刺激、搞笑、离奇和超现实主义风格的效果。优势为：易于掌握和普及、效果丰富、成本较低。广泛应用于影视后期和多媒体创作。和应用美术及广告设计的关系十分密切。计算机艺术——艺术领域计算机数字图像合成艺术计算机艺术——艺术领域计算机图形设计艺术

计算机艺术计算机图形设计艺术

计算机艺术——艺术领域工业产品设计

计算机艺术——艺术领域广告设计

计算机艺术——艺术领域纺织品和服装设计

非真实感绘制

NPRNon-PhotorealisticRendering

非真实感图形比真实感图形应用更广泛，如文学读物插图，其中儿童读物插图量最大；用数字方法对传统绘画进行模拟以掌握其规律性的东西；传统动画都是非真实感的，现在需要用计算机技术再现它们钢笔画效果钢笔素描产生于中世纪，从19世纪开始成为一门艺术，然而用计算机模拟钢笔绘画却是20世纪90年代的事情。

油画效果水彩画效果铜版画效果雕塑艺术中国画与书法艺术Brushes应用

过程控制石油化工、金属冶炼、电网控制的工作人员根据设备关键部位的传感器送来得图像和数据，对设备运行过程进行监控机场、铁路的调度人员通过计算机产生运行状态信息来调整空中交通和铁路运输系统环境模拟飞行模拟舱、飞行仿真器——模拟飞机的飞行过程，用光栅扫描器产生驾驶员在驾驶舱中预期所能看到的景象，对飞行员进行单飞前的地面训练和飞机格斗训练等电力机车模拟装置视景系统应用

事务和商务数据的图形显示绘制表示经济信息的各类二、三维统计管理图表信息可视化:信息流量，商业统计数据，股市行情应用

地形地貌和自然资源的图形显示地理信息系统（GIS）数字地球，地形数据作为载体，（70％）全球信息化.军事，政府决策，旅游，资源调查。地理图、地形图、矿藏分布图、气象气流图、植物分布图环境监测地球资源勘探

科学计算的可视化不同于可视化计算科学计算可视化是将科学计算过程中的数据及结果数据转换为图像实际上也包括了工程计算可视化和测量数据可视化其核心是三维数据场的可视化。可应用于气象预报、（CT）医学图象重建、流场、湍流、激波、石油地质勘探、环境保护、核爆炸模拟、计算流体力学、天体物理、分子生物学、有限元分析、等许多领域。虚拟手术仿真台湾pcexpert公司研制的LSVR系统逼真地模拟了腹腔手术，进行过程教学、手术成果检验等

腹腔虚拟手术系统由解放军总医院承担与国防科技大学计算机学院协作，历时两年研究开发的虚拟鼻内窥镜手术仿真系统图1-2鼻内窥镜虚拟手术系统

多媒体应用CAI教学娱乐身临其境地看电视视景仿真虚拟数字博物馆第2章

交互式计算机图形处理系统

63交互式计算机图形处理系统Computer+人=交互式64PersonelComputer图形处理系统workstation图形处理系统要求主机性能更高（强大的浮点运算能力），速度更快，存储容量更大，外设种类更齐全图形加速卡，大屏幕显示器硬件发展图形输入设备的发展第一阶段：控制开关、穿孔纸等第二阶段：键盘、光笔第三阶段：二维定位设备，如鼠标、坐标数字化仪、跟踪球、触摸屏、操纵杆、扫描仪等第四阶段：三维输入设备（如三维鼠标、空间球、数据手套、数据衣）智能人机接口：用户的手势、表情、语音等656自由度三维鼠标

可控制虚拟场景做自由漫游，或控制场景中某物体的空间位置及其方向，一般与数据手套,立体眼镜配合使用,也可用于CAD/CAM软件中与普通鼠标配合使用，可显著提高制作效率

66根据球在不同方向受到的推或拉的压力来实现定位和选择

图形输入设备（1/14）图形输入设备（2/14）67数据手套(Dataglove)

可测量出手的位置和形状，从而实现环境中的虚拟手及其对虚拟物体的操纵。数据手套通过手指上的弯曲、扭曲传感器和手掌上的弯度、弧度传感器，确定手及关节的位置和方向。图形输入设备（3/14）用于虚拟现实环境的显示器类型头盔式显示器(HeadMountedDisplay，HMD)空间沉浸式显示器(SID,如洞穴式和园顶式)显示硬件头盔式显示器将观察者的头部位置及运动方向告诉计算机，计算机就可以调整观察者所看到的图景，使得呈现图像更趋于真实感绝大多数头盔式显示器使用两个显示器利用特殊光学设备对图像进行处理，使图像看上去立体感更强把用户的视觉、听觉和其他感觉封装起来，产生一种身在虚拟环境中的错觉。68图形输入设备（5/14）数据衣也是虚拟现实系统中用的人机交互设备一件虚拟现实的数据紧身服可使你有在水中或泥沼中游泳的感觉69图形输入设备（6/14）70扫描仪常用类型滚筒式由电子分色机发展而来，用光电倍增管作为颜色感受器，将光信号转换为电信号扫描图像质量相对较高，可扫描幅面更大平板式采用电荷耦合器件CCD

（ChargeCoupledDevice）平板式扫描仪图形输入设备（7/14）71扫描仪工作原理用光源照射原稿投射光线经过一组光学镜头，分解为三束光分别通过红、绿、蓝滤色片，完成颜色分解光线被聚焦到CCD器件上，产生强弱不同的电压信号经模/数转换器，转换为数字颜色信息输入到计算机存储分色，光电转换，数字化图形输入设备（8/14）72指标分辨率光学分辨率：单位长度能采样信息点数，由CCD阵列的分布密度决定插值分辨率：驱动软件插值计算得到的，增加了像素，不增加细节扫描分辨率：扫描时的实际输入分辨率，由最终输出分辨率、原稿放大尺寸、扫描光学分辨率等因素决定能放置原稿的原稿的最大尺寸原稿放大倍数如光学分辨率为6000dpi，所需图像分辨率为300dpi，则可放大20倍位深度、色深度决定可以获取图像的最大灰度级数、最多颜色数密度范围决定图像的高调和暗调层次，即图像细节，越宽越好色调灵敏度制造商不公开图形输入设备（9/14）73数码相机突破了传统相机光学摄影100年来暗房处理和使用感光胶片的束缚以存储器件记录信息替代了感光材料记录信息对印前系统而言，省去了相片扫描数字化工序实现了图像获取的所见即所得。采用的摄像感应器有两种CCDCMOS：便宜，但质量相对较差图形输入设备（9/14）74数码相机工作原理影像→镜头→光圈→快门→滤色片分色→CCD（感光晶片,非胶片,光电转换，产生不同的电压）→经A/D转换，变成数字信号→记录在可转换的硬卡（存储器）上分解颜色，捕获三原色信号图形输入设备（10/14）图形输入的一个特殊领域真实物体的三维信息的输入

零件进行大规模生产必须在计算机中生成三维实体模型这个模型有时要通过已有的实物零件得到采集实物表面各个点的位置信息扫描保存古代名贵的雕塑和其它艺术品的三维信息在计算机中产生这些艺术品的三维模型75图形输入设备（11/14）美国斯坦福大学计算机系的著名图形学专家MarcLevoy曾经带领他的30人工作小组（包括美国斯坦福大学及美国华盛顿大学的教师和学生）于1998～1999学年在意大利，专门对文艺复兴时代的雕刻大师米开朗基罗的众多艺术品进行扫描，保存其形状和面片信息专门设计了一套硬件和软件系统数据量惊人，光大卫像就有20亿个多边形和7000张彩色图象，总共需要72G的磁盘容量实体图形输入的一个颠峰之作76图形输入设备（12/14）三维数字化仪工作原理电磁感应技术由一块数据板和一根触笔组成数据板中布满了金属栅格，当触笔在数据板上移动时，其正下方的金属栅格上就会产生相应的感应电流根据已产生电流的金属栅格的位置，就可以判断出触笔当前的几何位置许多数字化仪提供了多种压感电流，用不同的压力就会有不同的信息传向计算机77图形输入设备（14/14）78美术家数字化仪（带压力传感器，无绳触笔）通过控制笔的压力绘制不同风格的画现在非常流行的汉字手写系统就是一种数字化仪电脑艺术图形输入设备（12/13）“威力手”（MicroDcribeG2）美国Immersion公司研制生产的三维数字化仪，用于建立精确细致的三维电脑模型。由三段碳纤维臂构成，体积小，方便携带，臂与臂之间由球形连接器相连，内置高精度位置和方向传感器，以感知探头所处位置是产品设计工程师、机械工程师、动画制作设计人员、游戏开发人员和科研工作者理想的三维数字化仪。79可在任何形状、尺寸和材料的物体表面采集数据，只要沿着物体轮廓进行描绘，几分钟内就可建立复杂的三维数据集。

80图形输出(显示、打印）设备：阴极射线管显示器（CRT），液晶显示器（LCD）等绘图仪，打印机，双监视器图形工作站MediaWall多屏幕系统——监视器阵列交易展示、大型会议、博物馆、旅客候机厅等

CRT显示器分类阴极射线管（CRT）CathodeRayTube单色CRT彩色CRT8182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结构电子枪电灯丝的组成阴极由灯丝加热发出电子束控制栅加上负电压后，能够控制通过其中小孔的带负电的电子束的强弱通过调节负电压高低来控制电子数量即控制荧光屏上相应点的亮度83聚焦系统通过电场和磁场控制电子束变细，保证亮点足够小，提高分辩率

加速电极加正的高压电（几万伏）

使电子束高速运动

84

控制静电场或磁场，使电子束产生偏转，最大偏转角是衡量系统性能的最重要的指标，显示器长短与此有关。偏转系统85荧光屏

荧光物质：吸收电子束而发光余辉时间：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 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，显示器对图像进行更新的速率

60~120Hz之间（低于72Hz普遍会有闪烁感）视频电子标准协会(VESA)对显示器的时序进行了规范例如，75Hz时1280*1024分辨率显示的VESA标准是屏幕每13.33ms更新一次像素(Pixel)：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彩色阴极射线管彩色CRT渗透型常用于随机扫描显示器射线穿透法多枪型常用于光栅扫描显示器影孔板法86射线穿透法（beampenetration）原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光物质，不同速度电子束穿透荧光层的深浅，决定所产生的颜色87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应用：主要用于画线显示器优点：成本低缺点：只能产生有限几种颜色影孔板法原理：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88外层玻璃荧光涂层影孔板影孔板的类型点阵式荫罩（影孔板）代表：球面显像管栅线式荫罩（影孔板）代表：柱面显像管

日本索尼公司的特丽珑管（Trinitron）三菱公司的钻石珑管（Diamondtron）

栅格式（沟槽式）影孔板代表：LG的Flatron显像管89点阵式荫罩（影孔板）工作原理红、绿、兰三基色三色荧光点（很小并充分靠近--〉像素）三支电子枪90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）对应显示器能同时显示的颜色个数91如果每支电子枪发出的电子束的强度有256个等级，则显示器能同时显示256*256*256=16M种颜色，称为真彩色系统调节各电子枪发射电子束中所含电子的数目，可控制各色光点亮度栅线式荫罩的优点原理的区别光线的选择方式和荧光点的排列不同点阵式的缺点球面荧光屏，几何失真大三角形的荧光点排列即使点很密很细也不会特别清晰栅线式的优点亮度更高，色彩也更鲜艳柱面和平面显示器电子束通过率有很大提高92荫罩式显示器的固有缺陷由合金钢板制成的荫罩易磁化受热受冲击时易变形显像管内射向荧光屏的电子束中有75％以上被荫罩阻挡，转变成热量浪费了屏幕尺寸越大或清晰度越高，就越难制造，生产成本高，成品率偏低，价格过高制约彩色显像管清晰度提高的技术瓶颈是彩色显像管中的荫罩93新技术取消荫罩单枪单束利用时分复用技术依序轮流调制单个电子束的电流，只需一支电子束就能完成现有技术用三枪三束或单枪三束才能完成的任务电子束按同步顺序扫过G、R、B三色荧光粉条94CRT显示器分类直视存储管式（Direct-ViewStorageTubes）利用管子本身存储信息，类似于一个长余辉的CRT，不必刷新刷新式随机扫描式（Random-Scan）光栅扫描式（Raster-Scan）95随机扫描的显示系统96特点数据表示：矢量表示，只有端点信息，无线段中间点扫描方式：电子束像一支快速移动的画笔，可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分，与示波器工作原理类似显示图形：几何属性（geometricattribute）为主，线架图优点：扫描速度快，分辨率高，线条质量好，易修改，交互性好，动态性能好缺点：价格贵，只能显示线画图形，应用于军事、CAD领域光栅扫描的显示系统特点：数据表示：像素矩阵，像素数组扫描方式：从上到下，从左到右，与电视工作原理类似显示图形：几何属性+视觉属性（Visualattribute），真实感图形9798显示器的分辨率电子束按固定的扫描顺序扫描N条扫描线每条扫描线有M个像素显示器的分辨率M*N

隔行扫描（Interlacedscan）工作原理场频=帧频*2一帧1／30秒，一场1／60秒帧频30HZ，场频60HZ99一帧完整的画面分成两场，即奇数场与偶数场优点：降低了闪烁效应；只需逐行的一半时间即可显示一屏画面，降低了对扫描频率的要求，也降低了成本；帧缓存中数据量比逐行扫描少一半，降低了视频控制器存取帧缓存的速度及传输带宽的要求。第2章

交互式计算机图形处理系统

100计算机图形处理系统101绘图仪printerComputerDPU输入设备视频控制器display显示处理器控制图形的显示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帧缓冲存储器（FrameBuffer)存放所有的绘图信息视频控制器（VideoController)对颜色缓冲器进行逐行扫描，控制驱动电子枪在屏幕上绘图显示处理器（DisplayProcessingUuit，简称DPU）负责解释执行(刷新)CRT图形处理器俗称显卡CGAEGAVGATVGASVGAXGASXGA现在开发新型显卡把注意力都集中在散热上，同时寻找散热性能更好的材料显示主芯片显卡的心脏，俗称GPU

代替CPU完成部分图形处理功能，扫描转换、几何变换、裁剪、光栅操作、纹理映射等等各图形函数基本上都集成在这里102早期没有RAMDAC视频存储数字模拟转换器在视频处理中，把二进制的数字转换成为和显示器相适应的模拟信号显存存储将要显示的图形信息保存图形运算的中间数据它与显示主芯片的关系，就像计算机的内存之于CPU一样103帧缓冲存储器（FrameBuffer)作用：存储屏幕上像素的颜色值也称刷新存储器(RefreshingBuffer)简称帧缓冲器，俗称显存104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显示颜色的种类与帧缓存中每个单元的位数有关视频控制器（显示控制器）作用：控制图形的显示，建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应关系，负责按固定刷新频率和扫描顺序刷新屏幕图形逻辑结构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一，如此重复，直到该扫描线上的最后一个像素。105位面技术（1/3）显存分成若干颜色的位平面（bitplane）各平面上相同位置的每一位和屏幕上的一个像素对应同一像素点在各位面占同一地址不同位面上同一像素地址中的内容决定像素的颜色106色平面越多，可表达的色彩越丰富增加一个位面，色彩就增加一倍而存储器写操作程序无需重新计算新地址程序兼容性好位面技术（2/3）107N位寄存器电子枪CRT光栅有N个位面的帧缓存2NDAC0100010~2N-1灰度等级寄存器蓝色枪帧缓存DAC0001CRT光栅01DACDAC红色枪绿色枪位面技术（3/3）若有24个位面（每种基色8个位面）可同时显示(28)3=224=16777216种颜色（24位真彩色）红绿蓝Black000Blue001Green010Cyan011Red100Magenta101Yellow110White111108红绿蓝三个位面，组合成8种颜色增加一个亮度位面，形成16种颜色显存容量分辨率M*N、颜色个数K与显存容量V的关系3个位面分辩率是1024×1024的显示器需要3×1024×1024（3145728）位的存储器109显存容量若存储器位长固定，则屏幕分辩率与同时可用的颜色种数成反比1兆字节的帧缓存若设分辩率为640×480，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1024×768，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1101024*768真彩模式需要3M字节显存高分辨率和真彩要求有大的显存解决方法采用查色表(Look-upTable）或称彩色表(ColorTable)颜色信息的存放方式两种存放方式：颜色值直接存储在帧缓存中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，索引色单显查色表固化彩显可修改、创建查色表111查色表（LUT）工作原理是一维线性表，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28＝256112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颜色缓冲器真彩色模式每个颜色通道，一个字节RGB，24bit，16777216（约1.68千万）色RGBA，32bit，用于加速目的剩下的8位存储alpha通道，描述给定像素处的物体透明度，1.0表示物体不透明，0表示像素不会被任何物体遮挡。利用over操作实现像素颜色与像素处物体颜色的线性混合。高彩色模式113颜色缓冲器真彩色模式高彩色模式一个像素，两个字节，16bit，65536色5-6-5分割方式，绿色使用更高的颜色分辨率5-5-5-1分割方式，剩下的一位不用或做为alpha通道114常用缓冲技术单缓冲技术双缓冲技术应用于绘制区域更新频繁时前缓冲（FrontBuffer）：显示绘制完成的场景离屏后缓冲（BackBuffer）：保存当前正在绘制的场景图形驱动器控制对其进行交换，避免图像撕裂（Tearing）现象115常用缓冲技术三缓冲技术等待缓冲器：对缓冲器进行清除并开始绘制116前前前前单缓冲缓冲器0帧0帧1帧2帧3前后前后后前后前双缓冲缓冲器0缓冲器1帧0帧1帧2帧3等待后等待等待前等待后前后前等待后三缓冲缓冲器0缓冲器1缓冲器2帧0帧1帧2帧3DirectX支持，但OpenGL不支持其他缓冲器Z缓冲器（深度缓冲器）解决可见性问题累计缓冲器生成一些特殊效果，如景深、反走样、运动模糊等117立体缓冲器立体视觉（StereoVision）绘制两幅视图（对应左眼和右眼），获得深度信息立体影像（Stereopsis）一幅为红色，一幅为绿色（或青色分别绘制到蓝色和绿色通道）使用红绿眼镜观看合成结果使用快门眼镜，每次仅允许一只眼睛看到屏幕，双眼快速交替，同时和显示器同步118带宽T与分辨率、帧频（刷新频率）F的关系带宽问题高分辨率和高刷新频率要求高带宽解决方法：隔行扫描（现在已基本不用，主流显示器都用逐行扫描）对Z缓冲器内容进行压缩和快速清除电视机仍采用隔行扫描，将计算机动画用于电视机并不容易带宽问题光栅显示系统的特点优点：成本低易于绘制填充图形灰度和色彩丰富，图像逼真可以和电视机兼容刷新频率一定，与图形的复杂程度无关缺点：需要扫描转换扫描转换速度偏低，交互操作响应慢分辨率偏低，有阶梯效应119衡量CRT的指标屏幕尺寸大小显像管种类点距分辨率画面刷新频率带宽

120走向平面和高清晰度的显像管球面显象管表面：球面的一部分时间：~90年代初柱面显象管表面：柱面的一部分，垂直方向上平直，水平方向上有弯曲时间：90年代中期平面直角显象管表面：球面的一部分，接近于平面，曲率相对比球面柱状管小，反光及四角失真现象减少时间：90年代中后期纯平显象管表面：纯平面，水平和垂直方向平面如镜，色彩和亮度对比鲜明适合影像处理、多媒体展示、影片欣赏时间：90年代后期市场上的主流显象管121CRT显示器的缺点屏幕的加大导致显象管的加长，体积加大，使用时受到空间的限制利用电子枪发射电子束来产生图像，产生辐射与电磁波干扰，长期使用对健康不利122节省防置空间的短管平板显示器的优点平板显示器的重量仅为CRT的1／6耗电量约为CRT的1/3色彩清晰，图像失真小不受磁场影响等123平板显示器主动发光显示器显示媒质本身发光等离子显示器（PDP）真空荧光显示器（VFD）场发射显示器（FED）电致发光显示器（LED）有机发光二极管显示器（OLED）被动发光显示器本身不发光，利用显示媒质被电信号调制后，其光学特性发生变化，对环境光和外加光源（背光源、投影光源）发出的光进行调制，在显示屏上进行显示液晶显示器（LCD）微机电系统显示器（DMD）电子油墨（EL）显示器124LCD显示器（1/6）

液晶显示器LCD（LiquidCrystalDisplay）原理液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质它具有液体的流态性质和固体的光学性质当液晶受到电压的影响时，就会改变它的物理性质而发生形变此时通过它的光的折射角度就会发生变化，而产生色彩125LCD显示器（2/6）分类：DSTN（dual-scantwistednematic）双扫描交错液晶显示——被动矩阵（无源矩阵）TFT（thinfilmtransistor）薄膜晶体管显示——主动矩阵（有源矩阵）彩色液晶显示可用不同材料或染料，并在每个像素上放置三个薄膜晶体管。晶体管用来控制象素位置的电压，并阻止液晶单元慢性漏电。TFT-LCD特点：屏幕反应速度快