《计算机图形学》课件第二章

第二章图形系统

2.1视频显示设备2.2光栅扫描系统2.3图形软件

2.1视频显示设备

图形系统一般使用视频显示器作为基本的输出设备。早期大部分视频显示器的操作是基于标准的阴极射线管(CathodeRayTube，CRT)设计的，随着硬件制造技术的不断发展，液晶显示器已取代CRT显示器成为主流显示设备，此外还存在一些基于其他技术设计的视频显示器，如等离子显示器等。2.1.1CRT显示器

CRT显示器由阴极射线管和有关的附加电路如偏转电路、视频放大器等组成，CRT结构图如图2.1所示。图2.1CRT显示器的结构图由灯丝、阴极和控制栅极所组成的电子枪发射出电子束(阴极射线)，通过聚焦系统和偏转系统，射向涂有荧光层的屏幕上的指定位置。在电子束轰击的每个位置，荧光层发出可见光。由于荧光层发出的光亮度随着时间按指数级衰减，因而必须采用某种方法来保持屏幕图像。根据保持屏幕图像方法的不同，CRT显示器可分为存储式显示器和刷新式显示器两大类，而刷新式显示器又可分为光栅扫描显示器和随机扫描显示器两类。

1.存储式CRT显示器

保持屏幕图像的一种方法是把图形信息存储在CRT内，基于此原理的显示器称为存储式CRT显示器，也可称做直视存储管(DVST)。直视存储管通过紧贴屏幕荧光层后的电荷分布来存储图形信息，它使用两支电子枪：一支是基本枪，用来存储图形；另一支是泛流枪，用来保持图形显示。

DVST显示器的优点是显示图形的质量高，即使很复杂的图形都可在极高分辨率下无闪烁显示。DVST系统的缺点是不能显示彩色图形，而且图形不能部分擦除。要擦除图形的一部分，必须擦除整个屏幕，然后重画修改后的图形。擦除和重画过程对于复杂图形来讲，可能需要数秒。由于上述原因，DVST系统已逐渐被光栅系统所代替。

2.刷新式CRT显示器

保持屏幕图像的另一种方法是快速控制电子束反复重画图形，这就是刷新式CRT显示器。根据人类眼睛的生理特征，图像每秒重复30次至60次，人眼就感觉不到画面的闪烁。因此，要想观察到一幅稳定发光的画面，刷新式CRT显示器每秒必须重复执行显示文件30次或更多。采用刷新式显示器可迅速改变画面的内容。通过主机改变显示文件中的某些显示命令，在下一个刷新周期执行后，就可得到修改后的画面。因此，刷新式CRT显示器是实现交互式计算机图形显示和动画显示的重要设备。

1）光栅扫描显示器

在光栅扫描显示器中，电子束依照固定的扫描线和规定的扫描顺序自上而下、从左到右顺次进行扫描。电子束先从屏幕左上角开始，向右扫描一条水平线（称为行），然后迅速回扫到左边偏下一点的位置，再扫描第二行，照此固定的路径及顺序扫描下去，直到最后一行，即完成了整个屏幕的扫描(见图2.2)。图2.2光栅扫描示意图这个扫描过程所产生的图像称为一帧，然后电子束迅速回扫到左上角，开始下一帧的扫描。光栅扫描显示器的刷新周期是按60～80帧每秒的速率进行的，每帧由固定数目的行(扫描线)，每行由固定数目的独立点(像素点)组成，屏幕上呈现出由固定数目扫描线组成的光栅。对光栅扫描来说，当电子束沿每一行移动时，电子束的强度可不断变化，以此来显示图形。因此光栅扫描显

示器可以表现具有多级明暗度(灰度)或多种颜色的画面。由于这种扫描方式和电视类似，故光栅扫描又被称为电视扫描。显然，光栅扫描显示器的扫描线越多，每条扫描线上的像素点越多，则显示的图形质量就越高。衡量光栅扫描显示器质量高低的一个技术指标是分辨率，它通常用屏幕上扫描线数和每一扫描线上的像素点数来定义，一般采用256×300到1280×1024不等。高质量的显示器用到更高的分辨率，高分辨率系统常常称为高清晰度系统(HDS)。电子束在每一像素点的强度范围依赖于光栅系统的功能。在简单的黑白系统中，每个像素点或亮或暗，因此每个像素点只需一位(bit)来控制其亮度。作为二值系统，值1表示该像素点处的电子束开通，而值0表明电子束关闭。要显示彩色并且强度可变，就需附加更多位。在高质量系统中，表示每个像素的强度值可多达24位。有些光栅扫描显示器采用了电视系统的隔行扫描方式。隔行扫描把一帧完整的画面分为两场显示，第一场沿偶数扫描线扫描，第二场沿奇数扫描线扫描。这种方式的好处在于用逐行扫描所需时间的一半就可看到整个画面。隔行扫描技术主要用于刷新率较慢的显示器。例如，对一个较老的、30帧每秒的非隔行扫描显示器，可看到其他画面的闪烁。但是，采用隔行扫描，两场中的每一场可以以1/60秒完成，也就是说，刷新率接近60帧每秒。这是避免闪烁的有效技术。

2）随机扫描显示器

在随机扫描显示器中，电子束像一支快速移动的画笔，实际勾画出要显示的图形。电子束根据需要可在屏幕任意方向上连续扫描，没有固定的扫描线和规定扫描顺序的限制，故称为随机扫描。由于随机扫描显示器绘制的图形只能是单线条图形，不能显示逼真的有阴影的场景，因此随机扫描显示器也称为向量显示器或笔迹显示器。随机扫描显示器的刷新率取决于被显示的线数，一般设计成每秒画出图形中所有线条的次数为30～60次。高性能的随机扫描系统以这样的刷新率能处理大约100000条短线条。

3）彩色CRT显示器

刷新式CRT利用能发射不同颜色光的荧光层的组合来显示彩色图形。组合不同荧光层的发射光，便能生成一定范围的彩色。用CRT产生彩色显示的两种基本技术是电子束穿透法和荫罩法。随机扫描显示器采用电子束穿透法显示彩色图形。通常将一红一绿两层荧光层涂在CRT屏幕内层。显示的颜色取决于电子束穿透荧光层的深度，慢的电子束只激活外层的红色层。非常快的电子束穿透红色层并激活里面的绿色层，中速的电子束通过红、绿发光的组合，生成另外两种颜色——橙色和黄色。电子束穿透法是随机扫描显示器生成彩色的廉价途径，但只有四种颜色且图形的质量较低。光栅扫描显示器利用荫罩法显示彩色。因为它能生成的彩色范围比电子束穿透法宽得多，所以被广泛采用。在每个像素位置，荫罩CRT有三个荧光彩色点(构成一个点三角形)：一个荧光点发射红光(R)，另一个发射绿光(G)，第三个发射蓝光(B)。这种CRT有三支电子枪，与三个彩色点一一对应，而紧靠荧光涂层的荫罩上分布着一系列孔，它们与荧光点对齐。当三支电子束通过荫罩上的孔激活一个点三角时，便在屏幕上显示一个小的彩色亮点。这样的彩色系统称为RGB显示器，如图2.3所示。图2.3RGB显示器工作原理由于荫罩式显示器的固有缺点，如荧光屏是球面的，几何失真大，而且三角形的荧光点排列即使很密也不会特别清晰，所以近几年荫栅式显示器越来越流行，它的工作原理如图2.4所示。图2.4荫栅式显示器工作原理从原理上来说，荫罩式和荫栅式显像管的区别只是射线的选择方式和荧光点的排列不同，但两者的显示效果区别却是很明显的，荫栅式显像管的亮度更高、色彩更艳丽。常用的荫栅式显像管有索尼公司的特丽珑管（Trinitron）和三菱公司的钻石珑管（Diamondtron），两者稍有不同。采用荫栅式显像管的显示器有柱面显示器和平面显示器，柱面显示器的表面在水平方向略微凸起，但垂直方向上却是平坦的，呈圆柱状，故称之为“柱面管”。柱面管由于在垂直方向上平坦，因此，与球面管相比，它的几何失真更小，而且能够将屏幕上方的光线反射到下方而不是直接射入人眼，因而大大减少了眩光。平面显示器的荧光屏为完全平面，大大提高了图形显示质量。当然，由于玻璃的折射，屏幕会产生内凹的现象，但是通过一定的补偿技术能产生真正平面的感觉。由于平面显示器的高清晰度、低失真以及对人眼的低伤害的特点，因此越来越得到人们的喜爱。

荫栅式与荫罩式荧光屏的点排列如图2.5所示，其中距离d就是人们常说的点距。图2.5荫栅式与荫罩式显示器2.1.2平板显示器

虽然多数图形显示器采用CRT构造，但随着硬件显示技术的不断完善，平板显示器(FlatPanelDisplay)已替代CRT显示器逐渐成为视频显示的主流设备。平板显示器是一类比CRT轻薄并降低能耗的视频设备。平板显示器的应用包括小型TV监视器、手提电脑、航空坐椅扶手上的电影屏幕、电子广告牌等。平板显示器可分为两类：发射显示器和非发射显示器。发射显示器是将电能变换为光的设备，如等离子体显示板(气体放电显示器)、薄片光电显示器以及发光二极管等都是发射显示器的实例。非发射显示器利用光学效应，将太阳能或来自其他光源的光转换为图形，液晶显示器是非发射显示器中极其重要的例子。液晶显示器虽然在显示效果上和传统的CRT显示器相比有一定的差距，但是它有很多的优点：第一，它的外观轻巧精致，当前生产的LCD厚度只有1cm~5cm，与CRT那个庞然大物实在是不可同日而语；第二，液晶像素总是发光，只有加上不发光的电压时该像素点才变黑，所以不会产生CRT那样的因为刷新频率低而出现的闪烁现象；第三，它的工作电压低、功耗小，节约能源；第四，它没有电磁辐射，对人体健康没有任何危害。液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质，它同时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，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，从而产生色彩。液晶屏幕背后有一个背光源，该光源发出的光先穿过第一层偏光板，再射到液晶上。当光线透过液晶体时，光线的色泽会发生改变。从液晶体射出的光线，还必须经过一块彩色滤光片以及第二块偏光板。两块偏光板的偏振方向成90°角，再加上变化的电压和一些其他装置，液晶显示器就能显示需要的颜色了。液晶显示有主动式和被动式两种，这两种的成像原理大同小异，只是它们各自背光源和偏光板的设计和方向有所不同。主动式液晶显示器使用了场效晶体管（FieldEffectTransistor,FET）以及共通电极，这样可以让液晶体在下一次的电压改变前一直保持电位状态，同时不会产生在被动式液晶显示器中常见的鬼影或画面延迟的残像等。现在最流行的主动式液晶显示器使用了薄膜晶体管（ThinFilmTransistor,TFT）。被动式液晶显示器有超扭曲向列（SuperTN,STN）和双层超扭曲向列（DoublelayerSuperTN,DSTN）液晶显示器等。液晶显示器的技术指标有以下两个：

（1）可视角度。由于液晶的成像原理是通过光的折射而不是像CRT那样由荧光点直接发光，所以在不同的角度看液晶显示屏必然会有不同的效果。当视线与屏幕中心法向成一定角度时，人们就不能清晰地看到屏幕图像，可以看到清晰图像的最大角被称为可视角度。一般所说的可视角度是指将左右两边可清晰地看到图像的最大角度相加得到的角度。工业界用CR（ContrastRatio）10和CR5两种标

准来判断液晶显示器的可视角度。（2）点距和分辨率。液晶屏幕的点距就是两液晶颗粒之间的距离。点距一般为0.28~0.32mm就能达到较好的显示效果。分辨率在液晶显示器中的含义和在CRT中的不完全一样。通常所说的液晶显示器的分辨率是指其真实分辨率，比如1024×768的含义就是指该液晶显示器含有1024×768个液晶颗粒。只有在真实分辨率下液晶显示器才能得到最佳的显示效果，其他较低的分辨率只能通过缩放来显示，效果并不好。而CRT显示器如果在1024×768

的分辨率下能清晰显示，那么在其他分辨率下都能很好地显示。2.1.3三维观察设备

显示三维场景的图形监视器的设计，采用了从振动着的柔性镜面反射CRT图像的技术。当变焦距镜振动时，改变焦距长度，这些振动同CRT上的对象显示是同步的。因此，该对象上的每一点从镜面反射成距离为该点到给定观察位置的距离的空间位置。这就允许我们围绕一对象或场景行走，并从不同的角度来观察。2.1.4立体感和虚拟现实系统

表示三维对象的另一种技术是显示具有立体感的图像，这种方法并不生成真实的三维图像，而是给观察者的每只眼睛提供不同的视图来达到三维效果，致使场景带有深度。简单地说，虚拟现实技术就是利用计算机生成一个逼真的三维虚拟环境。与传统的模拟技术不同，虚拟现实技术是将模拟环境、视景系统和仿真系统合在一起，利用头盔显示器、图形眼镜、数据服、立体声耳机、数据手套及脚踏板等传感装置，把操作者与计算机生成的三维虚拟环境连接在一起。例如，为得到立体感的投影，首先需要得到从对应每只眼睛观察方向产生的对应场景的两个视图。这可通过指定不同观察位置并由计算机生成的场景来获得这两个视图，或者用一对立体照相机拍摄某些对象或场景来获得这两个视图。当我们同时用左眼观察左视图，右眼观察右视图时，两个视图则合成为单个视图，并能感觉到场景带有深度。产生立体感效果的途径之一是使用光栅系统，在不同刷新周期交替显示两种视图。通过眼镜观察屏幕，将每个透镜设计成高速交替的快门，它能同步地封锁另一视图。立体感视图也是虚拟现实系统的一个组成部分，在此，用户可步入场景，并同环境进行交互。虚拟现实系统包含生成立体感视图的光学系统的头套，通常用来连接交互输入设备，定位并操纵场景中的对象。头套内的传感系统跟踪观察者的位置，以便在观察者“走进”并同显示交互时，能看对象的正面和背面。

2.2光栅扫描系统

光栅扫描系统以其显示的图形色彩丰富、真实感强的优点，已成为主流的显示设备，因此有必要对光栅扫描系统的组成、工作原理进行详细的讨论。2.2.1结构与原理

光栅扫描显示器的图形是由像素(Pixel)组成的，每个像素可呈现不同的灰度或颜色，通常用数值来表示这些灰度与颜色。因此，在显示一幅图形时，必须计算出每个像素的亮度值。为了使显示的图形不断更新，必须存储这些亮度值。用来存储每个像素亮度值的存储器称为帧缓冲器。帧缓冲器的单元个数和显示器的像素总数相同，每一单元的位数决定了一帧图形中能够允许显示的不同灰度等级的数目或颜色的种类。例如，每个单元是8位，则可在一帧图中出现28=256种灰度或颜色，不过人眼在一幅图像中大概只能区别出100种灰度值，图2.6显示了不同比特位数对应的灰度颜色。图2.6不同比特位能够显示的灰度范围光栅扫描系统通常由图像生成器、帧缓冲器、彩色表、视频控制器和监视器五部分组成，其结构如图2.7所示。

更复杂的光栅扫描系统还有其他的协处理器和加速器。图2.7光栅扫描系统的组成在这五部分中，帧缓冲器是整个光栅扫描系统的核心，它存放着需要在屏幕上显示出来的图形的影像。准确地说，帧缓冲器中存放了与屏幕画面上的每一像素一一对应的一个矩阵，矩阵中每一个元素的值就是像素值，该矩阵称为位图(Bitmap)。因此，帧缓冲器也叫影像存储器(VideoRAM)、位图存储器或显示存储器。彩色表用来定义像素的颜色，它根据像素值(称为颜色号)从表中查出颜色的定义，然后对CRT的三原色RGB的亮度进行控制，从而生成各种不同的颜色。光栅扫描系统的工作原理如下：

（1）图像生成器根据主机发送的画图命令把图画在帧缓冲器中，即在帧缓冲器中生成要显示的图形的位图。

（2）视频控制器一方面产生水平(X-地址)和垂直(Y-地址)同步信号送到监视器，使CRT的电子束不断地自上而下、从左到右进行扫描，形成光栅(Raster)；另一方面又根据电子束在屏幕上的行、列位置，自动计算并生成相应帧缓冲器的相应地址，不断地读出帧缓冲器中的位图数据。（3）从帧缓冲器中读出的数据(像素值)经过查找彩色表后，转换成RGB三原色的亮度值。对于无彩色表的光栅扫描系统，像素值直接就是三原色的亮度值。

（4）颜色亮度也称为位图信号或视频信号，它控制着CRT电子束的通、断、强、弱，从而在屏幕上形成一帧与帧缓冲器中所存储映像相对应的可见画面。2.2.2视频控制器

图2.8为视频控制器的基本刷新操作流程，其两个寄存器用来存放屏幕像素的坐标。开始时，X寄存器置为0，Y寄存器置为ymax

。存储在帧缓冲器中该像素对应位置的值被取出，并用来设置CRT电子束的强度值，然后，X寄存器加1。图2.8视频控制器的基本刷新操作流程然后，依次处理沿该扫描线的各像素，而且这样的过程对每条后继的扫描线重复执行。当最底行扫描线(y=0)的所有像素被处理后，视频控制器复位寄存器为最高行扫描线上的第一个像素位置，刷新过程重复开始。除了基本刷新操作外，视频控制器还能执行一些其他操作。对于多类应用，视频控制器在不同刷新周期内可从不同存储区取出像素值。例如，在高性能系统中，常常提供两个帧缓冲器，一个缓冲器用来刷新，另一个以强度值填充。同样，视频控制器可完成某些变换。在一个刷新周期内，屏幕区域可以放大、缩小或从一个位置移向另

一处。2.2.3帧缓冲器

帧缓冲器（又称显存）存放着被显示图形的位图，可见显示分辨率越高，所需要的存储容量就越大。此外，

由于视频控制器需要不断地访问帧缓冲器并读出其中的内容，使CRT屏幕上的画面以一定的频率进行刷新，所以

帧缓冲器的工作速度比较高，且随着屏幕分辨率和帧频率变化。又因为刷新CRT的同时，图像生成器随时可能向帧缓冲器写入新的显示内容或读出帧缓冲器的内容。因此，从原理上说，帧缓冲器是一个大容量、高速度的双端口的随机读写存储器。为了符合多种实际应用的要求，帧缓冲器的逻辑结构有各种不同的形式和变化。（1）图形模式与文本模式的显示存储器。图形显示器显示字符信息有两种方式。一种是图形模式，此时每一个字符的点阵表示(位图)均直接存放在显示存储器中，因而字符的显示位置可以以像素为单位在屏幕上任意定位，也可以随意改变单个字符的大小、方向或字符串的走向，但编辑修改操作比较麻烦。另一种是文本模式，此时显示存储器中存放的是字符的编码(ASCII码或汉字码)及其属性(加亮、闪烁、下横线等)，其字形的点阵信息一般存放在只读存储器中(称为字符发生器或字库)。显示器工作时，通过从显存读出字符代码和视频控制器提供的扫描线号码，并从字符发生器中读出字形信息送CRT显示。这种方式显示存储器中的信息比较紧凑整齐，编辑修改操作能高速进行，但格式死板，字符属性太少。（2）单色与彩色的显示存储器。单色显示时，每个像素一般只用一位来表示，屏幕上整个画面的位图信息集中存放在显示存储器的一个体(Bank)中。彩色显示或单色多灰度显示时，每个像素需要使用多个二进位表示。此时，显存有两种组织方法(见图2.9)：一种称为组合像素结构，即画面上每个像素的所有位均集中存放在单个存储体中；另一种称为位平面(BitPlane)结构，即像素的每一位各自存放在不同的存储体(位平面)中。由于使用了多个存储体，它们可以一次读出更多的像素信息，降低了对显存工作速度的要求，所以位平面方式的显存结构在中、高性能的图形显示器中得到了广泛的采用。图2.9组合像素结构与位平面结构（3）显示存储器的分页。显示存储器的容量往往设计得比屏幕画面的位图大得多，也就是说，显存中可以同时存放多幅画面的位图。这时，显存区域将划分成若干页面，每个页面存放一幅位图。由于物理屏幕只有一个，一次只能显示其中某一个页面(通过视频控制器的分屏功能，有时屏幕上可同时显示两个以上页面)。正在显示的页面称为工作页面或活动页面，其他页面为非工作页面。通过视频控制器的控制，工作页面与非工作页面可以进行快速的切换。另外，页面的大小可以划分得比屏幕位图大得多，甚至可以是整个显示存储器。这样，从程序

员的角度来看，可输出显示的画面将远大于实际的物理屏幕，此时物理屏幕仅仅是一个窗口，它显示出来的不过是全部画面的一部分。通过视频控制器的上、下滚行和左、右移屏功能，用户可以看到显示存储器中的整个画面。2.2.4彩色表的结构与使用

从以上的叙述可以看出，如果要增加显示器的颜色(或灰度等级)的数目，显示存储器的容量就要增加。而在实际应用中对于一幅图画而言，其不同彩色的数目并不大(几

百种或几千种)。但不同应用场合的不同图形，其颜色的变化数目可能相当大(几十万种甚至几百万种)。为了满足这一要求，一般采用彩色表来解决。彩色表是一个大容量的高速存储器，一般用双极性电路做成。采用彩色表时，显示存储器中的像素值不再是直接送到监视器中的颜色信号(颜色值)，而是颜色的编号。此时，显存中读出的颜色号作为彩色表的地址从彩色表中读出RGB三个分量的值(该颜色号的定义值)，然后送到监视器中，其原理图如图2.10所示。图2.10彩色表其中，像素用8位表示，彩色表共有28=256个地址，CRT显示器彩色表的字长为12位，RGB各用4位来定义。因此，该显示器一共有212=4096=4kB种不同的颜色，但每屏画面中不同颜色的种类仅允许256种。实际的高性能图形显示器中，像素由12～24位组成，即12～24个位面，彩色表中RGB各用8位来定义，因此，可显示的颜色数目高达224=16MB之多。彩色表是一个高速随机读写存储器，它的内容可以由软件装入、保存及修改。这不仅方便了颜色的使用，而且使彩色表有许多附加的控制功能，比如为了快速清屏，只要把彩色表内容全部置成背景色即可。彩色表的用途很多，例如它可以用来实现高速动画等。2.2.5图像生成器

图像生成器的主要功能是把画线、画多边形、填充区域、画曲线、写字符串等基本命令——图形输出原语——转换成相应的点阵(位图)，存放在显示存储器中，这个过程称之为扫描转换(ScanConversion)。输出图形原语的一般形式是：

原语名参数(几何参数；属性参数；其他参数)光栅扫描图形显示器常用的图形输出原语有：

画点(点的坐标；颜色)

画直线(起点坐标；终点坐标；颜色；线型；线宽)

画矩形(左下角坐标；右上角坐标；颜色；类型)

填充区域(一组顶点坐标；颜色；填充方式；图案)

写字符串(输出字符串；起点坐标；字符大小；字符间距；字符方向；字体……)

圆/圆弧(圆心坐标；半径；起始角；终止角；颜色)复杂的画图命令可以由上述原语组合而成，画图命令中的几何参数一般以二维屏幕坐标表示。

除了完成几何图形的扫描转换外，图像生成器还必须能把图像输入设备输入的数字图像从主存写入显存，或者把显存中产生的图像保存到主存，进而保存到外存，甚至直接在显存中对图像进行移动，并进行一些逻辑处理，称这些为光栅操作，也可称为成组像素传输操作(BitBlockTransfer，BITBLT)，它的主要功能是：（1）写光栅操作：把一组像素数据从主存储器写入到显示存储器中指定位置和大小的一个矩形区域中。

（2）光栅复制操作：把显存中一个矩形区域内的全部像素数据复制到另一个位置的矩形区域中。

（3）读光栅操作：把显存中指定位置和大小的一个矩形区域中的全部像素数据读出存放到主存储器中。上述光栅操作均涉及显存内容的修改，修改的方式有多种，如替换(新像素数据替换老像素数据)、异或(新老像素数据按位加)、与、或、置常量等。使用这些光栅操作，可对显存中的图形进行平移、叠加、闪烁、清除等，也能保存显存中的图像，并在需要时再进行恢复。

图像生成器有时还具有用于处理图形输入设备的一些功能，如读取定位设备输入的坐标值、设置显示器的显示模式、选择工作页面、修改彩色表等各种辅助功能，在此不再一一详述了。图像生成器的逻辑结构在概念上由两部分组成，它们是显示处理器(DPU)和工作存储器。显示处理器是专门用于显示图形的处理器，是一种具有专门用途的CPU。工作存储器中存放着图形系统把几何图形转换成位图信息所必需的全部解释程序，完成扫描转换的各种算法均包涵在这些解释程序中。综上所述，图形显示器是由一个运行扫描转换等程序的处理器(DPU)和两个存储器(DPU的工作存储器和显示存储器)组成。如果再加上运行系统程序和应用程序的中央处理器(CPU)及主存储器，则图形系统在概念上就由二个处理器和三个存储器组成。主存储器和图形显示器之间有一个接口，用以交换各种信息。2.2.6光栅扫描系统的性能参数

（1）显示分辨率。显示分辨率指水平方向可以显示的像素数和垂直方向可显示的扫描线数。

（2）颜色或亮度等级数目。彩色显示器的颜色数目有两个指标：其一是显示器可以显示的所有不同颜色的总数，它取决于彩色表的字长；另一个指标是指同一帧画面中允许显示的不同颜色的最大数目，它由帧缓冲器中单元的位数决定。亮度等级数目指的是单色显示器像素的亮度可以允许的变化种类。（3）画图速度。画图速度指的是图像生成器把基本画图命令变成帧缓冲器中位图的转换速度，一般用每秒可画多少2D向量、3D向量、2D/3D多边形和有明暗的3D多边形来衡量。此外，像素图形的传输率也是一个极为重要的指标，用每秒可传输的像素数来度量。

（4）其他参数。其他参数包括屏幕尺寸、刷新率、纵横比、颜色、余辉长短以及其他一些人机工程方面的

参数。2.3图形软件

图形系统的另外一个重要组成部分是图形软件。图形软件分为两类：通用图形编程软件包和专用应用软件包。通用图形编程软件包提供了一个可用于高级程序语言如C

或FORTRAN的图形功能扩展集，一个典型的例子便是SGI(SiliconGraphics)设备上的OpenGL(GraphicsLibrary)

系统。通用图形编程软件包的基本功能包括生成图元(直线、多边形、圆和其他图形)、设置彩色和强度值、选择观察和实施变换。专用应用图形软件包是为非程序员设计的，因此用户可生成显示而无须担心图形操作是如何进行的。在这些软件包中，与图形子程序的接口容许用户以他们自己熟悉的术语同程序通信，此类应用软件包的典型例子有美术家绘画系统和各种商业、医学和CAD系统等。2.3.1坐标表示

一般情况下，通用图形软件包是用笛卡尔坐标系描述设计的。如果一个图形的坐标值在其他坐标系(极坐标系、球面坐标系)中给出，那么在输入图形软件之前需转换为笛卡尔坐标。专用图形软件包容许采用对该应用合适的其他坐标系。图形软件中涉及以下几个坐标系：①建模坐标系(ModelingCoordinate，MC)或局部坐标系，用于构造场景中的单个对象；②世界坐标系(WorldCoordinate，WC)或用户坐标系，用来构造场景，它允许设置任何方便的浮点坐标或整数坐标，不受特定输出设备的约束；③设备坐

标系(DeviceCoordinate，DC)或屏幕坐标系，显示或输出场景的坐标系，它为非负整数坐标，坐标的单位和特定的设备有关；④规范化设备坐标系(NormalizedDeviceCoordinate，NDC)，它的坐标值范围为0~1，它独立于可能使用的特定的各种输出设备。因此，对于一个具体的应用而言，从建模坐标系到设备坐标系的坐标变换的顺序如下：

(xMC，yMC)→(xWC，yWC)→(xNDC，yNDC)→(xDC，yDC)2.3.2图形功能

通用图形软件包为用户提供了建立和管理图形的各种功能，这些子程序按照它们是否处理输出、输入、属性、变换、观察或通用控制而分类。

（1）图形输出功能(OutputPrimitive)：图形的基本构造模块，包括字符串和几何两种，如直线、曲线、填充区域、由彩色阵列定义的形状，为构造图形提供了基本工具。（2）属性功能(Attribute)：属性是输出图元的特性，即描述一个特定图元是怎样被显示的。它们包括强度和彩色设定、线型、文本类型以及区域填充模式等。

（3）几何变换功能：包括模型变换和视图变换。

（4）观察变换功能：用来指定一种观察和视图在输出显示区域上出现的位置和范围。（5）图形段功能：用于定义图形的逻辑部件，并对其进行操作。

（6）输入功能：用于控制和处理来自交互输入设备的数据流。

（7）通用控制功能：用于事务任务的处理，如清屏、初始化等。2.3.3图形软件包的性质

图形软件包具有以下性质：

（1）简