第2章 计算机图形系统
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2-计算机图形系统精品PPT课件
3. 数值（valuator） 基本功能：输入一个数据（整数或实数）。 典型物理设备：键盘（keyboard）。
4. 选择（choice） 基本功能：给应用程序返回一个整数值，实现某种选择。 典型物理设备：功能键。
5. 拾取（pick） 基本功能：拾取一个显示着的图元。 典型物理设备：光笔（通常采用软件的方法来模拟）。
虚拟现实系统除了具有常规的高性能计算机系统的硬件和软 件外，还必须对下列关键技术提供强有力的支持：
1．能以实时的速度生成具有高度逼真感的景物图形； 2．能高精度地实时跟踪用户的头和手； 3．头带显示器能产生高分辨率图像并有较大的视角； 4．能对用户的动作产生力学反馈。 还需配备有三维输入设备：例如控制球、指套、操纵盒、数 据手套等。
第二节 计算机图形系统的硬件
一. 图形输入设备 按逻辑功能可分为六类： 1. 定位（locator） 基本功能：输入一个点坐标。 典型物理设备：数字化仪（digitizer） 图形输入板(teblet） 鼠标器（mouse） 操纵杆（joystick） 跟踪球（track ball） 2. 笔划（ stroke ） 基本功能：输入一系列点坐标。 典型物理设备：数字化仪（digitizer） 图形输入板(tablet） 鼠标器（mouse）
特点：1. 价格低廉，易于使用。 2.图形处理主要靠软件和CPU来完成，较难承受三维图形 实时处理时的计算量。
改进：配置高档图形卡，如 3Dlabs (Wildcat 4210---38000元)等。
2、工作站(Workstation)主要特点： （P38） 1）. 运算速度高 采用64位的CPU 采用RISC技术：程序执行时间=I（指令数）＊CPI（每条指
5）.价格较高。主要的厂商：SUN、SGI、IBM、 COMPAQ/DEC、HP等。
计算机图形学 2、计算机图形系统
2、以中型机或超级小型机为基础的图形系统
较大容量的内存和外存，极强的计算功能，大量的 显示终端，高精度、大幅面的输入输出设备，较 强功能的图形支撑软件和应用软件。
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3、以工作站为基础的图形系统
高速的科学计算，丰富的图形处理，灵活的窗 口，网络管理功能，交互式计算机系统。
4、以微机为基础的图形系统
高档微机，中、低分辨率的图形显示器，交互 设备，廉价的绘图仪及打印机。
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逻辑部件
帧缓冲存储器（Frame Buffer) 视频控制器（Video Controller) 显示处理器（Display Processor） 显示器
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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，出现在数字信号时代
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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。 显示颜色和亮度与帧缓存中每个存储的数据有 关。 帧缓存是数字设备，光栅显示器是模拟设备， 两者要数／模转换（由视频控制器完成）。 原理：帧缓存用二进制数表示，一个缓存单元 中的数被翻译成灰度等级。亮度等级经数模转 换器（DAC）变成驱动显示器电子束的模拟 电压。
带宽问题
高分辨率和高的刷新频率要求有高带宽 --依然是个问题！ 解决方法：隔行扫描（现在已经基本不用，主流
显示器都采用逐行扫描方式） 隔行扫描的：把一帧分两场，即奇数场与偶数场 场频：==2*帧频
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视频控制器
作用：建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应，负责刷新 逻辑结构
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彩显
显存问题
一是高分辨率和真彩要求有大的显存； 1024*768真彩模式需要3M字节显存
第2章 计算机图形系统组成
第2章计算机图形系统组成随着计算机图形技术的发展，大量的计算机图形系统应用到了非常多的领域。
本章将探讨计算机图形系统的功能和结构；对部分硬件设备，特别是图形显示设备进行简要介绍；最后，为方便后面章节的讲述。
2.1.计算机图形系统概述2.1.1.计算机图形系统的功能计算机图形系统是由计算机图形硬件和计算机图形软件组成，它的基本任务是研究如何用计算机生成、处理和显示图形。
一个交互式计算机图形系统应具有计算、存储、交互、输入和输出等5中功能。
如图2-1所示。
1）计算功能（Computing）。
应包括形体设计和分析方法的程序库，描述形体的图形数据库。
数据库中应有坐标的平移、旋转、投影、透视等几何变换程序库、曲线、曲面生成和图形相互关系的检测库等。
2）存储功能(Storage)。
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，可实现对有关数据的实时检图2-1 计算机图形系统的基本功能图索以及保存对图形的删除、增加、修改等信息。
3）输入功能（Input）。
由图形输入设备将所设计的图形形体的几何参数（例如大小、位置等）和各种绘图命令输入到图形系统中。
4）输出功能（Output）。
图形系统应有文字、图形、图像信息输出功能。
在显示屏幕上显示设计过程当前的状态以及经过图形编辑后的结果。
同时还能通过绘图仪、打印机等设备实现硬拷贝输出，以便长期保存。
5）交互功能（Interactive）。
可通过显示器或其他人－机交互设备直接进行人－机通信，对计算结果和图形，利用定位、拾取等手段进行修改，同时对设计者或操作员执行的错误给予必要的提示和帮助。
以上5种功能是一个图形系统所具备的最基本功能，至于每一功能中具有哪些能力，则因不同的系统而异。
2.1.2.计算机图形系统的结构根据基本功能的要求，一个交互式计算机图形系统的结构如图2-2 所示。
可以看到，它由计算机图形硬件和计算机图形软件两部分组成。
图2-2 计算机图形系统的结构1.图形软件图形软件分为图形应用数据结构、图形应用软件和图形支撑软件三部分。
第2章 计算机图形系统及硬件基础PPT课件
面消除
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3. 存储功能 • 存储功能 图形数据库可以存放各种图形的几何数 据及图形之间的相互关系，并能快速方便 地实现对图形的删除、增加、修改等操作。
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3.输出功能和交互功能
• 输出功能
图形数据经过计算后可在显示器上显示当前的状态以 及经过图形编辑后的结果，同时还能通过绘图仪、打 印机等设备实现硬拷贝输出，以便长期保存。
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• 当整场扫描完毕时，扫描线正好停在底部的中央。接着 扫描线迅速回到屏幕顶部中央，这就是奇数场垂直回扫。
• 接着进行偶数场扫描，偶数场扫描结束于屏幕右下角， 垂直回归后电子束返回屏幕左上角。
1 2 3 4 5 6 7
奇数场从第一行开始，水平回扫用虚线表示
有7条扫描线的隔行扫描
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2. 彩色CRT显示器的显示原理
●只有刷新频率高到一定值后，图像才能稳定显示。 大约达到每秒60帧，即60Hz时，人眼才能感觉 到屏幕不闪烁，要使人眼觉得舒服，一般必须 有85Hz以上的刷新频率。
*1）人的视觉系统要用一定的时间才能识别图像 元素，每帧图像的停留时间长于人眼观察所需 的时间，则人的视觉残留可以消除画面的闪烁 现象。
• 交互功能
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，对计算结果和图形利用定位、拾取等手段 进行修改，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。
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图形的基本处理流程
• 利用各种图形输入设备及软件或其他交互设备将图形 输入到计算机中，以便进行处理；
• 在计算机内部对图形进行各种变换（如几何变换、投 影变换）和运算（如图形的并、交、差运算等）；
• 处理后，将图形转换成图形输出系统便于接受的表示 形式，并在输出设备上输出；
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3. 存储功能 • 存储功能 图形数据库可以存放各种图形的几何数 据及图形之间的相互关系，并能快速方便 地实现对图形的删除、增加、修改等操作。
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3.输出功能和交互功能
• 输出功能
图形数据经过计算后可在显示器上显示当前的状态以 及经过图形编辑后的结果，同时还能通过绘图仪、打 印机等设备实现硬拷贝输出，以便长期保存。
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• 当整场扫描完毕时，扫描线正好停在底部的中央。接着 扫描线迅速回到屏幕顶部中央，这就是奇数场垂直回扫。
• 接着进行偶数场扫描，偶数场扫描结束于屏幕右下角， 垂直回归后电子束返回屏幕左上角。
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奇数场从第一行开始，水平回扫用虚线表示
有7条扫描线的隔行扫描
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2. 彩色CRT显示器的显示原理
●只有刷新频率高到一定值后，图像才能稳定显示。 大约达到每秒60帧，即60Hz时，人眼才能感觉 到屏幕不闪烁，要使人眼觉得舒服，一般必须 有85Hz以上的刷新频率。
*1）人的视觉系统要用一定的时间才能识别图像 元素，每帧图像的停留时间长于人眼观察所需 的时间，则人的视觉残留可以消除画面的闪烁 现象。
• 交互功能
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，对计算结果和图形利用定位、拾取等手段 进行修改，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。
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图形的基本处理流程
• 利用各种图形输入设备及软件或其他交互设备将图形 输入到计算机中，以便进行处理；
• 在计算机内部对图形进行各种变换（如几何变换、投 影变换）和运算（如图形的并、交、差运算等）；
• 处理后，将图形转换成图形输出系统便于接受的表示 形式，并在输出设备上输出；
第2章-图形系统的组成
触摸输入有光学的（红外线式）、电子的（电阻式和电容式）和 声学的（声表面波式）。精度最高的属声学的。
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2.2 图形输入设备
4.坐标数字化仪
是一种把图形转变成计算机能接收的数字形式专用设备。 基本工作原理：
采用电磁感应技术，通常在一块布满金 属栅格的绝缘平面板上放置一个可移动 的定位设备，当有电流通过该定位设备 上的电感线圈，便会产生相应的磁场， 从而使其正下方的金属栅格上产生相应 的感应电流。根据已产生电流的金属栅 格的位置，就可以判断出定位设备当前 所处的几何位置。将这种位置信息，以 坐标的形式传送给计算机，就实现了数 字化的功能。
当移动鼠标器时，它把移动距离及方向的信息变成脉冲送给计算机， 计算机再把脉冲转换成鼠标器光标的坐标数据，从而达到指示位置 的目的。 鼠标分类：
可分为光电式、光机式和机械式三种
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2.2 图形输入设备
2.光笔
由光笔检测到屏幕的光信号，然后传输给计算机，从而达到输入 的目的。
3.触摸屏
是一种对于物体触摸能产生反应的屏幕。当人的手指或其他物体 触摸到屏幕不同位置时，计算机能接收到触摸信号并按照软件要 求进行相应的处理。
3.输入功能 能将所设计形体的几何参数以及各种命令输入到系统中去。
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2.1 图形系统的组成
二、系统的基本功能
4.输出功能
能在显示屏幕上显示出设计过程当前的状态，经过删、增、改 后的结果，且能通过绘图仪、打印机等设备实现拷贝输出。
5.对话功能
应能通过图形显示器及其他人－机交互设备直接进行人－机通 信。利用定位、拾取等手段，输入或获取各种参数，同时应能 领会人的意图，接收各种命令，实现删、增、改等操作，并能 观察设计结果。
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2.2 图形输入设备
4.坐标数字化仪
是一种把图形转变成计算机能接收的数字形式专用设备。 基本工作原理：
采用电磁感应技术，通常在一块布满金 属栅格的绝缘平面板上放置一个可移动 的定位设备，当有电流通过该定位设备 上的电感线圈，便会产生相应的磁场， 从而使其正下方的金属栅格上产生相应 的感应电流。根据已产生电流的金属栅 格的位置，就可以判断出定位设备当前 所处的几何位置。将这种位置信息，以 坐标的形式传送给计算机，就实现了数 字化的功能。
当移动鼠标器时，它把移动距离及方向的信息变成脉冲送给计算机， 计算机再把脉冲转换成鼠标器光标的坐标数据，从而达到指示位置 的目的。 鼠标分类：
可分为光电式、光机式和机械式三种
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2.2 图形输入设备
2.光笔
由光笔检测到屏幕的光信号，然后传输给计算机，从而达到输入 的目的。
3.触摸屏
是一种对于物体触摸能产生反应的屏幕。当人的手指或其他物体 触摸到屏幕不同位置时，计算机能接收到触摸信号并按照软件要 求进行相应的处理。
3.输入功能 能将所设计形体的几何参数以及各种命令输入到系统中去。
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2.1 图形系统的组成
二、系统的基本功能
4.输出功能
能在显示屏幕上显示出设计过程当前的状态，经过删、增、改 后的结果，且能通过绘图仪、打印机等设备实现拷贝输出。
5.对话功能
应能通过图形显示器及其他人－机交互设备直接进行人－机通 信。利用定位、拾取等手段，输入或获取各种参数，同时应能 领会人的意图，接收各种命令，实现删、增、改等操作，并能 观察设计结果。
计算机图形学第二章计算机图形系统
（2） 彩色阴极射线管
• 如果显示屏上只涂一种荧光粉，则只能发出一种光色，这 种显示器称作单色显示器，色彩单调。彩色显示器利用能 发出不同光色的荧光粉的光色组合来显示彩色图形。最常 用的CRT彩色显示器采用的是荫罩式彩色显像管。
根据影孔板孔的形状可将影孔板分为三类： ①点状影孔板：大多数球面与柱面显像管采用此类影孔板。 由于太多电子无法穿过荫罩孔而直接打在荫罩上，导致长时 间工作后，荫罩容易出现过热导致变形，影响屏幕的局部色 纯。但其抗震性好。 ②栅格式影孔板：这种并行排列的方式容易对齐，调出的颜 色也较鲜艳，常用于高分辨率的彩色CRT显示器。如，Sony 的Trinitron与Mitsubishi的Diamondtron显像管采用此类影 孔板。 ③沟槽式影孔板：长形板孔在保证荫罩强度的前提下，提高 了电子透过率。LG的Flatron显像管采用此类影孔板。
（2）直视存储管图形显示器
直视存储管DVST（direct-view storage tube）通过紧贴在屏 幕荧光层后的电荷分布（存储栅）来存储图形信息。从表面 上看直视存储管的特性极象一个有长余辉的荧光屏，一条线 一旦画在屏幕上，在一小时之内都将是可见的。
DVST的特点有：无需刷新，很复杂的图形也可以在极高的分辨率下无闪烁地显 示，成本较低；不能显示彩色，不能局部修改，擦除和重画过程对复杂图形来 讲可能需要几秒钟。
第2章 计算机图形系统
目
2.2 图形输入设备 2.3 图形绘制设备 2.4 图形显示系统 2.5 图形软件标准
录
2.1 计算机图形系统概述
2.6 Visual C++的图形程序开发方法
2.7 OpenGL程序设计基础
2.1 计算机图形系统概述
2.1.1 计算机图形系统的结构
第2章计算机图形系统
第2章计算机图形系统学习目的和要求了解计算机图形外部设备；了解计算机图形软件；掌握图形标准；掌握阴极射线管的结构及工作原理；掌握彩色阴极射线管的工作原理；掌握Windows图形环境及在Windows环境下开发OpenGL绘图程序。
学习重难点重点：阴极射线管的结构及工作原理；彩色阴极射线管的工作原理；持续发光时间；刷新、像素、分辨率的概念；计算机图形软件和图形标准。
难点：位平面概念的理解和掌握。
教学活动的组织形式本章内容以讲授为主，辅助以课堂程序演示。
课内外教学安排课内讲授注意突出重点内容，课外完成本章作业和相关实验。
教学方法与手段以集中讲授方式为主，再加以一定数量的实验，辅助以课堂幻灯片，程序、动画演示。
教学过程的时间分配本章占用学时。
教学过程2.1 计算机图形系统概述一、计算机图形外部设备图形输入设备计算机图形外部设备图形输出设备：图形显示设备是基本输出设备1．图形显示设备基于阴极射线管(CRT)的刷新光栅扫描显示器是显示器市场的主流。
①阴极射线管阴极射线管(CRT)的结构如图所示，主要由电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统和荧光屏五部分组成。
偏转系统聚焦系统阴极射线管(CRT)的结构电子枪：由灯丝、阴极和控制栅组成。
如果对阴极(带负电的一极)加热，电子就会“沸腾”并形成发散的电子云(电子之间由于带有同种电荷而互相排斥)。
在CRT表面的内侧有一层荧光粉。
电子受到带有很多电荷的阳极的吸引，如果不加控制，将漫射整个荧光屏，形成明亮的白光。
但是，在电子透镜的聚焦作用下，电子云会聚成很细的电子束，并在CRT的中心形成一个单一的亮点，该亮点称为像素（Pixel）。
如果使用水平方向和垂直方向的偏转放大器，就可以将电子束精确定位在屏幕的任意位置上。
控制栅是靠近阴极的前方，是一个柱状的金属杆，加上负电压后，能够控制通过其中间小孔的带负电的电子束的强弱。
由于电子束轰击荧光屏所产生的发光点的亮度决定于该电子束中电子的数量，所以通过调节控制栅上负电压的高低，可以控制通过的电子的数量，即控制荧光屏上相应点的亮度。
2-计算机图形系统
1. 基本图形交换规范 IGES 定义了一套表示图形系统中常用的几何和非几何数据的格
式以及相应的文件结构，解决不同图形系统间的数据传送问题。 2.图形核心系统 GKS 定义了一个独立于语言的图形系统核心，提供了在应用程
序和图形输入输出设备之间的标准功能接口。 3.程序员级层次结构图形系统 PHIGS 为应用程序员提供的控制图形设备的子程序接口标准。便
4. 输出功能 在各类图形输出设备上输出图形。能把处理产生 的各种信息以图形显示、图形硬拷贝及文字和数字的形式输出。
5. 对话功能 通过各种人-机交互设备实现人与计算机的交互 操作（人机通信）。
四、 图形系统的分类
1、 PC图形系统（P35）
打印机 绘图仪
PC 机
键盘 鼠标
彩色图形显示器 图形适配卡
8
N 8
01001011 D/A
8 帧缓冲存储器
10101100
D/A 蓝
00001010 寄存器
绿 D/A
红 彩色电子枪
CRT光栅
问题 ： 若光栅扫描式显示器的分辨率为 1024× 768 要使屏幕上可显示的色彩总数达到 224种 帧缓冲存储器的容量至少应该多大？
答案：
1024 × 768 × 3B = 2304 KB = 2.25MB
显示器
扫描仪
三、图形系统的基本功能：(P34)
1. 计算功能 实现图形处理过程中的计算、变换和分析。能对 所描述的图形坐标进行几何变换、曲线和曲面生成、图形的交切 计算和集合运算。
2. 存储功能 存储与图形有关的各类信息（几何、拓扑），并 能对其进行检索、增删和插入等处理。
3. 输入功能 输入与图形生成和操作相关的各类参数和命令。 能把有关对象的模型或其图形、指令和数据等信息输入到计算机 中。
式以及相应的文件结构，解决不同图形系统间的数据传送问题。 2.图形核心系统 GKS 定义了一个独立于语言的图形系统核心，提供了在应用程
序和图形输入输出设备之间的标准功能接口。 3.程序员级层次结构图形系统 PHIGS 为应用程序员提供的控制图形设备的子程序接口标准。便
4. 输出功能 在各类图形输出设备上输出图形。能把处理产生 的各种信息以图形显示、图形硬拷贝及文字和数字的形式输出。
5. 对话功能 通过各种人-机交互设备实现人与计算机的交互 操作（人机通信）。
四、 图形系统的分类
1、 PC图形系统（P35）
打印机 绘图仪
PC 机
键盘 鼠标
彩色图形显示器 图形适配卡
8
N 8
01001011 D/A
8 帧缓冲存储器
10101100
D/A 蓝
00001010 寄存器
绿 D/A
红 彩色电子枪
CRT光栅
问题 ： 若光栅扫描式显示器的分辨率为 1024× 768 要使屏幕上可显示的色彩总数达到 224种 帧缓冲存储器的容量至少应该多大？
答案：
1024 × 768 × 3B = 2304 KB = 2.25MB
显示器
扫描仪
三、图形系统的基本功能：(P34)
1. 计算功能 实现图形处理过程中的计算、变换和分析。能对 所描述的图形坐标进行几何变换、曲线和曲面生成、图形的交切 计算和集合运算。
2. 存储功能 存储与图形有关的各类信息（几何、拓扑），并 能对其进行检索、增删和插入等处理。
3. 输入功能 输入与图形生成和操作相关的各类参数和命令。 能把有关对象的模型或其图形、指令和数据等信息输入到计算机 中。
第2章 计算机图形系统
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(3).中、小型计算机
一般在特定的部门、单位和应用领域中采用此类环境 。它是大型信息系统建立的重要环境，这种环境中信息 和数据的处理量是很大的，要求机器有极高的处理速度 和极大的存储容量。 (4).大型机
以大型计算机为基础，具有容量庞大的存储器和极强 的计算功能,大量的显示终端及高精度、大幅面的硬拷贝 设备。还往往拥有自行开发的、功能齐全的应用软件系 统。例如，美国第三大汽车公司（CHRYSLER汽车公司 ）就拥有庞大的计算机系统来进行计算机辅助设计、实 体造型、结构分析、运动模拟、工程和科学计算、项目 管理、生产过程控制等。
由管头控制电路使 要显示的图形由计 图形控制器取出缓 电子束以按所要的 算机处理成为显示 冲存储器或固定存 亮度偏转到指定位 器的显示指令（或 储器中的显示指令 称显示文件）置，从而得到图形 ，依次执行
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为了获得稳定的画面，必须不断地重复扫描显示文件 （即刷新），速度通常为每秒重复扫描25～50次，即 每秒25～50帧左右
显示画面速度慢，不适宜动态修改，交互性差。
图形复杂度受到限制。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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★3.光栅扫描式显示器 随机扫描式显示器、存储管式显示器： 画线设备，在屏幕上显示一条直线是从屏幕上 一个可编地址点直接画到另一个可编地址点。 光栅扫描式显示器： 画点设备，可以看作是一个点阵单元发生器， 并可控制每个点阵单元亮度，可以生成多种灰度和 颜色，色彩连续变化具有真实感的图形
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所以显示存储器又 （1）光栅扫描式显示器组成 叫位存储器，通常 称之为帧缓冲器（ Frame Buffer）
把计算机送来的画图形 （如画线、画多边形、 画填充区域或写字符等 为了使CRT屏幕上的图 将屏幕上显示图形 点阵的每一点与屏幕像素一一对应，点阵中每 ）基本画图命令扫描转 形能持续地进行显示 显示存储器的分页处理:显示存储器中同时存放多幅画面 的映像（Image） 存储器的页面可以比屏幕位图大得多，这 个元素就是像素值，通常用1～12位二进制数 换成为相应的点阵，即 ，显示存储器的内容 ，这时存储区划分成若干页，每一页存放一幅位图。物理 ，即位图放入显示 值来表示灰度或色彩。 位图（bitmap) 样屏幕只能显示画面的一部分，通过上下 需要不断地读出并送 屏幕当前正在显示的页称为可见页（Visual Page）。主 存储器中。 左右移屏功能，用户可以看到显示存储器 到监视器，使得画面 mapping）技术：由若干位数据 机每次只能向一个页进行读写操作，这个页就称作活动页 位映射（bit 中的整个画面。 能以一定的频率刷新 （Active Page）。 来对应屏幕上一点的光栅图形显示技术
第2章 计算机图形系统
5. 使用CRT为什么要不断地刷新？刷新频率取决于什么？有 哪两类刷新扫描方式？
6. 黑白CRT与彩色CRT在结构上有何不同？彩色CRT主要分 为哪两种？两者显示彩色的原理和方法有何不同？
7. 象素点是什么？分辨率是什么？光栅图形显示器的分 辨率如何计算？提高分辨率受哪些因素制约？
8. 什么是位平面？什么是颜色深度？什么是帧缓存？位 图与位平面有何关系？
第二章 计算机图形系统
图形系统的组成 光栅图形显示器 图形输入设备 图形硬拷贝设备 图形软件系统 图形软件标准
§2.1 图形系统的组成
1. 图形系统的一般结构
1．软件 1）应用程序 2）图形 软件3）高级语言 4）操作 系统 2．硬件 1）主机 2）输入设备：键盘、 鼠标、光笔、扫描仪、数 字化仪、视频输入 3）输出设备：显示器、 打印机、绘图机 3．人
本讲思考题
1. 计算机图形系统与一般的计算机系统的重要区别在哪里？ 什么叫交互式图形系统？
2. 组成计算机图形系统有哪两部分组成？它们各自又有哪些 组成？
3. 图形系统一般具有哪些功能？图形系统分为哪几类？目前 最重要的是哪一类？为什么？
4. 目前普遍采用的图形显示器件有哪些？使用最普遍是哪一 个？为什么？
9. 光栅图形显示器有哪两种扫描方式？其中哪一种方式 效果好？为什么？
10. 在光栅图形显示系统中DPU 起什么作用？在有独立 的DPU的系统中存在哪两个存储器？各有什么作用？
11. 什么是“彩色查找表”技术？当初为什么使用这个 技术？现在在什么情况下使用这个技术？调色板是一个 什么样的概念？
THE END
位平面: 与显示的屏幕象素点一一对应 的存储1个bit信息的存储器
帧缓存: 位平面的集合 颜色深度: 位平面的个数
6. 黑白CRT与彩色CRT在结构上有何不同？彩色CRT主要分 为哪两种？两者显示彩色的原理和方法有何不同？
7. 象素点是什么？分辨率是什么？光栅图形显示器的分 辨率如何计算？提高分辨率受哪些因素制约？
8. 什么是位平面？什么是颜色深度？什么是帧缓存？位 图与位平面有何关系？
第二章 计算机图形系统
图形系统的组成 光栅图形显示器 图形输入设备 图形硬拷贝设备 图形软件系统 图形软件标准
§2.1 图形系统的组成
1. 图形系统的一般结构
1．软件 1）应用程序 2）图形 软件3）高级语言 4）操作 系统 2．硬件 1）主机 2）输入设备：键盘、 鼠标、光笔、扫描仪、数 字化仪、视频输入 3）输出设备：显示器、 打印机、绘图机 3．人
本讲思考题
1. 计算机图形系统与一般的计算机系统的重要区别在哪里？ 什么叫交互式图形系统？
2. 组成计算机图形系统有哪两部分组成？它们各自又有哪些 组成？
3. 图形系统一般具有哪些功能？图形系统分为哪几类？目前 最重要的是哪一类？为什么？
4. 目前普遍采用的图形显示器件有哪些？使用最普遍是哪一 个？为什么？
9. 光栅图形显示器有哪两种扫描方式？其中哪一种方式 效果好？为什么？
10. 在光栅图形显示系统中DPU 起什么作用？在有独立 的DPU的系统中存在哪两个存储器？各有什么作用？
11. 什么是“彩色查找表”技术？当初为什么使用这个 技术？现在在什么情况下使用这个技术？调色板是一个 什么样的概念？
THE END
位平面: 与显示的屏幕象素点一一对应 的存储1个bit信息的存储器
帧缓存: 位平面的集合 颜色深度: 位平面的个数
计算机图形学--计算机图形系统 ppt课件
Ø等离子显示器(Plasma Display Panel,简称PDP)是一种利 用气体放电激发荧光粉发光的显示装置。等离子管作为 等离子显示器的发光元件，大量的等离子管排列在一起 构成屏幕。
平板显示器具有超薄超轻、无辐射、低功耗等优良特性， 近几年来正在逐步普及。
▪ 计算机图形输入设备
Ø计算机图形输入设备是一种交互式输入设备，这些设备包括 键盘、鼠标、轨迹球和触摸屏等，其中键盘和鼠标是我们经常 使用和熟悉的输入设备。
激光打印机
喷墨打印机
台式绘图机
滚筒绘图机
2.1.2 计算机图形软件
通用编程软件包：常常是图形库，提供了生成各种图形、实 现图形的处理和输入输出操作、控制和处理各种图形设备以 及交互过程中的各种事件，如OpenGL。
通用编程软件包：一般由程序员在开发时使用。专用应用图 形软件包是具有图形处理能力的交互式图形软件系统，为非 程序员提供的而且往往应用于某个或某些领域，如AutoCAD、 3DS MAX等。专用应用图形软件包使用范围广，使用人员众 多。
Ø键盘最早从打字机演变而来，在发展的过程中，键盘的按键 构造也不断发展，由开始的机械式到改进为电容式和薄膜式。 随着键盘技术的成熟，还出现了无线键盘，带手写板的键盘等 等。
Ø鼠标是计算机的主要输入设备，它的发展经历了机械式鼠标、 光学机械式鼠标、老式光电式鼠标和新型光电式鼠标阶段。新 型光电式鼠标比起老式光电式鼠标最大的优点是不需要在特殊 的鼠标光电板上操作。现在还出现了利用红外线和无线电技术 进行通讯的无线鼠标，无线鼠标更灵活自由。
在这里，我们对CAD/CAM软件和典型的专用应用图形软件 包做一个简介。
▪ 几何造型平台
Ø两种流行的几何造型平台：ACIS和Parasolid，现今大多数著 名的CAD/CAM软件是基于ACIS或Parasolid开发的。几何造型 平台ACIS和Parasolid最早都源于英国剑桥大学。
平板显示器具有超薄超轻、无辐射、低功耗等优良特性， 近几年来正在逐步普及。
▪ 计算机图形输入设备
Ø计算机图形输入设备是一种交互式输入设备，这些设备包括 键盘、鼠标、轨迹球和触摸屏等，其中键盘和鼠标是我们经常 使用和熟悉的输入设备。
激光打印机
喷墨打印机
台式绘图机
滚筒绘图机
2.1.2 计算机图形软件
通用编程软件包：常常是图形库，提供了生成各种图形、实 现图形的处理和输入输出操作、控制和处理各种图形设备以 及交互过程中的各种事件，如OpenGL。
通用编程软件包：一般由程序员在开发时使用。专用应用图 形软件包是具有图形处理能力的交互式图形软件系统，为非 程序员提供的而且往往应用于某个或某些领域，如AutoCAD、 3DS MAX等。专用应用图形软件包使用范围广，使用人员众 多。
Ø键盘最早从打字机演变而来，在发展的过程中，键盘的按键 构造也不断发展，由开始的机械式到改进为电容式和薄膜式。 随着键盘技术的成熟，还出现了无线键盘，带手写板的键盘等 等。
Ø鼠标是计算机的主要输入设备，它的发展经历了机械式鼠标、 光学机械式鼠标、老式光电式鼠标和新型光电式鼠标阶段。新 型光电式鼠标比起老式光电式鼠标最大的优点是不需要在特殊 的鼠标光电板上操作。现在还出现了利用红外线和无线电技术 进行通讯的无线鼠标，无线鼠标更灵活自由。
在这里，我们对CAD/CAM软件和典型的专用应用图形软件 包做一个简介。
▪ 几何造型平台
Ø两种流行的几何造型平台：ACIS和Parasolid，现今大多数著 名的CAD/CAM软件是基于ACIS或Parasolid开发的。几何造型 平台ACIS和Parasolid最早都源于英国剑桥大学。
计算机图形学第二章计算机图形系统概述
平板显示器___非发射显示器
非发射显示器(Nonemissive displays)
原理：将太阳光或其他光源的光转换为图形 模式，通过能阻塞或传递光的液晶材料，传 递来自周围的或内部光源的偏振光
类型：液晶显示器(LCD)
平板显示器___非发射显示器
立体显示
为观察者的每只眼睛给出不同的视图来 提供三维效果，从而场景带有深度
视频监视器 绘图仪
其他输出设备
设备坐标系
图形功能
图形的基本构造块称为图形输出图元(graphics output primitives)：包括字符串和几何成分， 如点、直线、曲线、填充区域(多边形、圆等)以 及彩色阵列定义的形状。
属性是输出图元的特性。属性描述一个特定图元 是怎样显示的，包括强度和彩色设定，线型、文 本类型，以及填充模式
立体显示
主动式立体显示系统
立体显示
被动立体显示系统示意图
图形系统的硬件工作平台类型
微机 工作站 中小型机 大型机 计算机网络
IBM Z900大型机1套，价值1500万美金
图形输入输出设备
一、图形输入设备 1、向量型图形输入设备
采取跟踪轨迹，记录坐标点的方法输入图形。主要 输入的数据形式为直线或折线构成的图形构成的图 形学数据。 ➢ 数字化板 ➢ 鼠标器 ➢ 光笔
CRT显示器
• 屏幕的刷新
电子束周期性地回到同一点的方式来保 持图象。
显示器的基本概念及技术指标
显示器的基本概念及技术指标
显示器的扫描频率，也叫刷新率 分为：
➢ 行频 ➢ 场频
显示器的基本概念及技术指标
行频(水平扫描频率)
电子枪每秒在屏幕上扫描过的水平线数
单位: KHz
2-计算机图形系统
件外，还必须对下列关键技术提供强有力的支持：
1．能以实时的速度生成具有高度逼真感的景物图形；
2．能高精度地实时跟踪用户的头和手；
3．头带显示器能产生高分辨率图像并有较大的视角；
4．能对用户的动作产生力学反馈。
还需配备有三维输入设备：例如控制球、指套、操纵盒、数
据手套等。Leabharlann 2021/4/68
第二节 计算机图形系统的硬件
关系，所以帧缓存的单元数至少等于当前分辨率下的屏幕象素 总和。
对于黑白图形只有黑白两级灰度，因此每个像素只需一个bit 表示，通常将其称之为一个位面(plan)。
对于彩色图形，则需要若干个bit来表示每个像素的颜色值， 也就是需要若干个位面。若设位面数为n，那么所能表示的颜色 总数为2的n次方。
2021/4/6
COM202P1/A4/6Q/DEC、HP等。
7
3、虚拟现实系统----VR(Virtual Reality) （P51） 虚拟现实系统又称之为虚拟现实环境，是指由计算机生成的
一个实时三维空间。 虚拟现实技术主要研究交互式实时三维图形在计算机环境模
拟方面的应用。
虚拟现实系统除了具有常规的高性能计算机系统的硬件和软
3. 输入功能 输入与图形生成和操作相关的各类参数和命令。 能把有关对象的模型或其图形、指令和数据等信息输入到计算机 中。
4. 输出功能 在各类图形输出设备上输出图形。能把处理产生 的各种信息以图形显示、图形硬拷贝及文字和数字的形式输出。
5. 对话功能 通过各种人-机交互设备实现人与计算机的交互 操作（人机通信）。
5. 拾取（pick）
基本功能：拾取一个显示着的图元。
典型物理设备：光笔（通常采用软件的方法来模拟）。
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显示原理
通过阻塞或传递 来自周围的或内 部光源的偏振光 形成图案
LCD 基本结构
观察 方向
反射 层
水平 极板
水平 网格
液晶 层
垂直 网格
垂直 极板
开态
关态
立体显示
为观察者的每只眼睛给出不同的视图来提供三维 效果，从而场景带有深度。
视频显示设备
刷新式CRT 光栅扫描 & 随机扫描 光栅扫描系统 彩色CRT 平板显示器
?
STOP
Park
Skyscraper
Hospital
Fire station
（3） 恰当地使用各种表示方法进行选择性信息显示。
2.
反馈：就是动态地显示系统运行中所发生的一些变化， 以便更有效地进行交互作用。
3.
一致性原则：是指在设计系统的各个环节时，应遵从统
一的、简单的规则，保证不出现例外和特殊的情况。按 用户认为最正常、最合乎逻辑的方式去做。
图形显示设备 – 光栅扫描与随机扫描
光栅扫描显示器和随机扫描显示器是最常见 的两种刷新式CRT
电子束扫描方式 图形信息存储 适用范围
光栅扫描
光栅扫描系统中电子束自顶向下全屏扫描, 一次一行。电 子束在每一行中移动时，根据图形定义变换强度，由屏 幕亮点构成图案。
图形信息存储
图形定义为一组屏幕点信息，荧光屏上所有点的 强度值存储在被称作帧缓冲区(Frame Buffer)的 内存区域中，一一对应。 帧缓冲区 显示控制器
Example
e.g. 已知显示分辨率为1024x768, 支持 true color真彩，试问需要预留多大的帧 缓冲区？ 解： 1024x768x24bits=1024x768x3bytes 16 colors? 256 colors? 16位色？ 1024x768x4bits, 1024x768x1bytes, 1024x768x16bits
图形显示设备 – 刷新式CRT
电子枪 聚焦系统 加速系统 磁偏转系统
电子束 加热灯丝 金属阴极 控制栅极 水平偏转板 垂直偏转板 荧光屏
图形显示设备 – 刷新式CRT
电子枪：加热阴极+控制栅极
荧光屏亮度控制？
在控制栅极上施加电压来控制电子束 的强弱。当加上正电压时，电子束就 会大量通过，将会在屏幕上形成较亮 的点，当控制电平加上负电压时，依 据所加电压的大小，电子束被部分或 全部阻截，通过的电子很少，屏幕上 的点也就比较暗。
一类图标是应用图符（application icons)。在图形制作过程
中不可避免地要重复利用各种图形元素，对于重复利用的图形
元素应该把们转化为图符，然后在库中重复调用， 以节约文件 空间。
25 % 50 % 25 %
?
一类图标是控制图符（control icons）。活动图中可发送 和接收信号,分别用发送和接收图符表示 。
适用范围
适于画线应用
随机扫描显示器
光栅扫描显示器
电子束扫描方式 电子束只扫向图形所在的 电子束自顶向下全屏扫描 屏幕位置。一次一条线。 逐行扫描/隔行扫描 随机系统的刷新速率依赖 刷新率、闪烁 于显示的线数；30~60HZ； 100,000条 。 图形定义 图形定义为一组画线命令， 图形定义为一组屏幕点信 存储在被称为刷新显示文 息，存储在被称作帧缓冲 件的内存区域。 区的内存区域。 Pixel (Picture element) 像素点 帧缓冲区容量=显示分辨 率x色深 适于画线应用 适于逼真显示包含细微阴 影和色彩模式的场景
图形显示设备 – 刷新式CRT
聚焦系统
作用是使众多的电子到达荧光屏时聚集于一点，否 则由于电子的相互排斥产生散焦现象。聚焦既可以用 电场实现，也可以用磁场实现。 偏转系统
定位作用，决定电子束在荧光屏水平和垂直方向的 位移。分为磁偏转(30us)和静电偏转(3us)两类。
图形显示设备 – 刷新式CRT
荧光屏
荧光质特性: 颜色 、余辉时间。 余辉时间: 定义为荧光质从发光开始到亮度衰减到 最大亮度的10%的这段时间。通常为10~60us。 长余辉荧光层适合显示复杂的静态图形，而短余辉 荧光层适合动画应用。 刷新式CRT: 采用电子束周期性地回到同一点的方式来 保持图象的CRT。
图形显示设备 – 刷新式CRT
输入 图形输入设备
图形系统基本功能框图
2.2 计算机图形硬件设备
图形输入设备（2.2.1） 图形显示设备（2.2.2）
图形输入设备
键盘、鼠标 跟踪球和空间球 操纵杆 数据手套 数字化仪 扫描仪 触摸屏 光笔 声频输入系统
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； 第三阶段：二维定位设备，如鼠标、 光笔、图形输入板、触摸屏、扫描 仪、数字化仪等； 第四阶段：三维输入设备（如空间 球数据手套、数据衣），用户的手 势、表情等； 第五阶段：用户的思维；
帧缓冲区容量计算
色深概念(Color Depth) 像素点信息的长度，以比特(bit)为单位。 例1：简单的黑白光栅系统，像素点只需一个比特 控制屏幕点的亮度， ‘1’表示该点电子束开通， ‘0’表明电子束关闭。此时色深为1bit。 例2：彩色光栅系统支持显示16色，像素点需要 4bits代表不同颜色，例如‘0001’代表蓝色。此时 色深为4bits。 帧缓冲区容量= 显示分辨率x色深
适用范围
光栅扫描系统
构成
帧缓冲存储器(Frame Buffer) 视频控制器(Video Controller) 显示处理器(Display Processor / GPU)
光栅扫描系统
帧缓冲存储器(frame buffer)
图形定义，保存一组对应屏幕所有点的强度值
像素点Pixel ：每个屏幕点;the smallest addressable unit on a display screen or bitmapped image
显示器
适用范围
适于逼真显示包含细微阴影和色彩模 式的场景
随机扫描 在随机扫描系统中电子束只扫向图形所在的屏 幕位置。一次画出图形的一条线。
图形信息存储
图形定义为一组画线命令，存储在被称为刷 新显示文件(Refresh Display File)的内存 区域。
刷新显示 文件 显示控制器
显示器
2.2 计算机图形硬件设备
图形输入设备（2.2.1） 图形显示设备（2.2.2）
图形显示设备
刷新式CRT 光栅扫描 & 随机扫描 光栅扫描系统 彩色CRT 平板显示器
图形显示设备 – 刷新式CRT
CRT - Cathode-ray tube
CRT基本部件
平板显示器
定义
平板显示器代表一类比CRT体积小、重量轻、 低功耗的视频设备。 分类 发射型显示器 -- 转换电能为光, 例如 LED, 等离子板(气体放电显示器), 薄膜光电显示 器 非发射型显示器 --利用光学效应将太阳光 或其他光源转换为图形模式,例如 LCD
等离子板(气体放电显示器)
光栅扫描系统
内存固定区域
CPU不再处理 图形数据，专 用图形处理器 GPU 独立的图形数 据存储区域
帧缓冲区容量计算
显示分辨率 计算机显示控制器所能提供的分辨率，通常称 为显示模式（图形模式、文本模式） 度量方法：像素、字符 表示方法：水平像素数X垂直像素数 xxx色 水平字符数X垂直字符数
4 相关因素
荧光质类型 、亮度大小以及聚焦和偏转系统
Example
e.g. 已知屏幕分辨率为1024x768，光点物 理尺寸0.28mm，需要购买多大的显示器？ 解：1 inch = 2.54cm 屏幕长 ：a=1024*0.28mm=286.72mm 屏幕宽 ：b=768*0.28mm=215.04mm 对角线长：sqrt(a2+b2)=358.4mm Result: about 14inch.
结构 两块带有水平和垂直导电带的 玻璃板 氖气充入两块玻璃板之间的区 域 显示原理 在成对的水平和垂直导电带上施 加点火电压，使导电带交叉点处 的氖气进入辉光放电的等离子区
液晶显示器LCD
液晶的概念 物质的三种状态：固态、液态和气态。固 态物质的分子之间的方向和位置总是保持不变。 而液态物质的分子正好相反。方向和位置总是 不停变换。但是液晶介于液态和固态之间：既 可以象固体中的分子保持方向又可象液体中的 分子自由移动。 液晶是在1888年，由奥地利植物学家 Reinitzer发现的，是一种介于固体与液体之 间，具有规则性分子排列的有机化合物。
CGM
屏幕
磁盘
2.3.2 用户接口设计
用户接口确定用户与计算机如何进行信息交换。 包括用户通过什么途径与图形系统进行联系， 通过什么手段来操作系统的功能实现等。 最重要的就是高效率和对用户的友好性
用户接口的设计包括如下手段：
显示屏幕的有效利用
（1）信息显示的布局合理性。 （2）充分而又正确地使用图符
名称 定位 笔画 数值 选择 拾取 字符串
相应的典型设备 叉丝、拇指轮 图形输入板 数字键盘 功能键、叉丝等 光笔或叉丝触摸 屏幕上已显示的图形 字符键盘
基本功能 输入一个点的坐标 输入一系列点的坐标 输入一个整数或实数 由一个整数得到某种选择 通过一种拾取状态来判别 一个显示着的图形 输入一个字符串
第2章 计算机图形系统
王丰
2.1 计算机图形系统概述