图形系统综述PPT演示文稿
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第2章计算机图形系统ppt课件
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3.输入功能
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
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.对话功能
〔如画线、画多边形、
画〕换位将 的 ， 存填基成图显，屏机〔屏映即储充本为〔示这幕每A幕像位器区画相bc存时当次上〔图中itt域 图 应imv储存前只显 放 。Im或命的e为图示容送面a器储正能示入pa写令点P了形，需到能g的区在向)图显a字扫阵eg使能显要监以存样左中分划显一形示）e符描，C持示不视一）储屏右的页分示个点个值位来R等转即续存断器定。器 幕 移 整处成的页T阵元来映对屏地储地，的的只屏个理若页进的素表射应幕进器读使频页能功画干称行:每就示〔屏显上行的出得率面显能面页为读一是灰幕b示的显内并画刷i可示，。，可写t点像度上存m以画用每见操与素或一储a比面户一页作屏值色点器p屏的可p页〔，幕，彩的中i幕一以n存这V像通。光同gi位部看放个s素常栅〕时u图分到一页一用图a技存l大，显幅就一形1术放P～得通示a位称对显：多g1多过存图作应示e由幅2），上储位。活，技若画。这下器二物动点术干面主进理页阵位制中数数每据
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2.CRT彩色显示原理
(1).穿透式彩色CRT
采用了多层不同的荧光粉。提在高绿加色速荧电光压粉后层，上再沉
积一层红色荧光粉。
电子束速度增加，
电子束速度较低时，轰 击荧光屏的能量只能使
穿透绿色荧光层， 显示绿色
表层红色荧光粉受激励
，产生红色亮点
通过改变电子束电压，就可调节电子束穿透荧光粉 层的厚度，从而改变红绿两种发光亮度的比例，合 成不同的颜色，因而，可显示红、橙、黄、绿四种 颜色。
3.输入功能
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
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.对话功能
〔如画线、画多边形、
画〕换位将 的 ， 存填基成图显，屏机〔屏映即储充本为〔示这幕每A幕像位器区画相bc存时当次上〔图中itt域 图 应imv储存前只显 放 。Im或命的e为图示容送面a器储正能示入pa写令点P了形，需到能g的区在向)图显a字扫阵eg使能显要监以存样左中分划显一形示）e符描，C持示不视一）储屏右的页分示个点个值位来R等转即续存断器定。器 幕 移 整处成的页T阵元来映对屏地储地，的的只屏个理若页进的素表射应幕进器读使频页能功画干称行:每就示〔屏显上行的出得率面显能面页为读一是灰幕b示的显内并画刷i可示，。，可写t点像度上存m以画用每见操与素或一储a比面户一页作屏值色点器p屏的可p页〔，幕，彩的中i幕一以n存这V像通。光同gi位部看放个s素常栅〕时u图分到一页一用图a技存l大，显幅就一形1术放P～得通示a位称对显：多g1多过存图作应示e由幅2），上储位。活，技若画。这下器二物动点术干面主进理页阵位制中数数每据
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2.CRT彩色显示原理
(1).穿透式彩色CRT
采用了多层不同的荧光粉。提在高绿加色速荧电光压粉后层，上再沉
积一层红色荧光粉。
电子束速度增加，
电子束速度较低时，轰 击荧光屏的能量只能使
穿透绿色荧光层， 显示绿色
表层红色荧光粉受激励
，产生红色亮点
通过改变电子束电压，就可调节电子束穿透荧光粉 层的厚度，从而改变红绿两种发光亮度的比例，合 成不同的颜色，因而，可显示红、橙、黄、绿四种 颜色。
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。
第二章图形系统 共79页PPT资料
图像刷新 由于CRT内侧的荧光粉在接受电子束的轰击时，
只能维持短暂的发光，根据人眼视觉暂留的特 性，需要不断进行刷新才能有稳定的视觉效果， 因此刷新是指以每秒30帧以上的频率反复扫描 不断地显示每一帧图像。图像的刷新频率等于 帧扫描的频率（帧频），用每秒刷新的帧数表 示。目前刷新频率标准为每秒50~120帧。
柱面和球面显示器点距定义示意图
2019/11/18
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2.1.3 随机扫描的显示系统
特点：电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的 部分。
逻辑部件：刷新存储器(Refreshing Buffer),显示处 理器（DPU:Display Processing Uuit）和CRT
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荧光屏
荧光物质：当它被电子轰击时发出亮光
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
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）=1000/40=25Hz
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几个概念
帧缓冲存储器（显示存储器） 存储用于刷新的图像信息的存储器。帧缓冲存 储器的大小通常用X方向（行）和Y方向（列） 可寻址的地址数的乘积来表示，称为帧缓冲存 储器的分辨率。
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- 显示器的分辨率 电子束按固定的扫描顺序进行扫描N条扫描线，每条 扫描线有M个像素，M * N显示器的分辨率。
高速电子束
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彩色阴极射线管-射线穿透法
《计算机图形系统》PPT课件
1. 计算功能 应包括形体的设计、分析的方法的程序库和有关描述形体的图形数据库。数据 库中应有坐标的几何变换，曲线、曲面的生成，图形交点的计算以及性能检 验等功能。
2. 存储功能 在计算机的内存、外存中要存放图形数据，尤其是要存放图形数据之间的相互 关系。可根据用户的要求实现信息的实时检索，图形的变更、形应用软件是解决某种应用问题的图形软件，是图形系统的核心部分， 包括各种图形生成技术，是图形技术在各种不同应用的抽象。 如AutoCAD、Photoshop、 CorelDRAW 、3DSMax、Flash等
计算机图形系统的结构 ——图形软件
图形支撑软件：
图形支撑软件是由一组公用的图形子程序组成的。图形支撑软件可以被看成 是计算机操作系统在图形处理功能上的扩展，是计算机高级语言在图形处理 语句功能上的扩展。
计算机图形系统的结构 ——图形软件
图形应用数据结构： 图形应用数据结构对应一组图形数据文件，其中存放将要生成的图形对象 的全部描述信息。 包括确定物体形状、位置、大小的几何信息；与图形构成有关的拓扑信息 （如点、线、面之间的相互关系）；与图形显示有关的属性信息（如颜色、 线型、明暗、纹理等）……
计算机图形系统的结构 ——图形软件
标准图形支撑软件在操作系统上建立了面向图形的输入、输出、生成、修改 等功能命令，对用户透明，与采用的图形设备无关（方便应用软件在不同系 统间移植）。具有高级语言接口，支持高级语言程序设计。采用标准图形支 撑软件降低了软件研制的费用和难度。
计算机图形系统的结构 ——图形软件
常用的图形支撑软件包括：OpenGL，ACIS，DirectX。
计算机图形系统的功能
3.交互功能 用户通过图形显示器和图形输入设备进行人机通信的方式。用户通过显示屏观 察设计结果，通过鼠标、键盘等输入设备编辑、修改图形，等等
2. 存储功能 在计算机的内存、外存中要存放图形数据，尤其是要存放图形数据之间的相互 关系。可根据用户的要求实现信息的实时检索，图形的变更、形应用软件是解决某种应用问题的图形软件，是图形系统的核心部分， 包括各种图形生成技术，是图形技术在各种不同应用的抽象。 如AutoCAD、Photoshop、 CorelDRAW 、3DSMax、Flash等
计算机图形系统的结构 ——图形软件
图形支撑软件：
图形支撑软件是由一组公用的图形子程序组成的。图形支撑软件可以被看成 是计算机操作系统在图形处理功能上的扩展，是计算机高级语言在图形处理 语句功能上的扩展。
计算机图形系统的结构 ——图形软件
图形应用数据结构： 图形应用数据结构对应一组图形数据文件，其中存放将要生成的图形对象 的全部描述信息。 包括确定物体形状、位置、大小的几何信息；与图形构成有关的拓扑信息 （如点、线、面之间的相互关系）；与图形显示有关的属性信息（如颜色、 线型、明暗、纹理等）……
计算机图形系统的结构 ——图形软件
标准图形支撑软件在操作系统上建立了面向图形的输入、输出、生成、修改 等功能命令，对用户透明，与采用的图形设备无关（方便应用软件在不同系 统间移植）。具有高级语言接口，支持高级语言程序设计。采用标准图形支 撑软件降低了软件研制的费用和难度。
计算机图形系统的结构 ——图形软件
常用的图形支撑软件包括：OpenGL，ACIS，DirectX。
计算机图形系统的功能
3.交互功能 用户通过图形显示器和图形输入设备进行人机通信的方式。用户通过显示屏观 察设计结果，通过鼠标、键盘等输入设备编辑、修改图形，等等
计算机图形学课件-02_图形系统
➢应用程序阶段 ➢几何处理阶段
应用程序 阶段
图元
几何处理 阶段
二维屏 幕坐标
像素处理 阶段
➢像素处理阶段
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第二章 图形系统
三、图形系统体系结构 ➢应用程序阶段
• 把数据以图元的形式提供给图形硬件，例如 用来描述三维几何模型的点、线或多边形， 同时也提供用于表面纹理映射的图像或者位 图。
• 由于应用程序阶段是通过软件方式实现的， 因此开发者能够对该阶段发生的情况进行完 全控制，可以通过改变实现方法来改变实际 性能。
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第二章 图形系统
三、图形系统体系结构 ➢几何处理阶段
• 以每个顶点为基础对几何图元进行处理，并 从三维坐标变换为二维屏幕坐标的过程。
• 该阶段又可以划分为下面几个功能阶段
模型与视 点变换
光照
投影
裁剪
屏幕影射
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第二章 图形系统
三、图形系统体系结构 ➢像素处理阶段
• 屏幕对象先是被传送到像素处理器进行光栅 化，再对每个像素进行着色，然后再输出到 帧缓冲器中，最后输出到显示器。
• 图形支撑软件：由一组公用的图 形子程序组成的。它扩展了系统 中原有高级语言和操作系统的图 形处理功能。
• 图形应用数据结构：一组图形数 据文件，其中存放着欲生成的图 形对象的全部描述信息。
图形应用程序 图形支撑软件 图形应用数据结构
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第二章 图形系统
二、图形系统分类
➢用于图形工作站的图形系统
• 工作站指具有完整人机交互界面，集高性能 的计算和图形于一身，可配置大容量的内存 和硬盘，I/O功能完善，使用多任务、多用户 操作系统的小型通用个人化的计算机系统
glColor3f (1.0f, 0.0f, 0.0f); glVertex2f (-0.4f, -0.4f);
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。
第1讲计算机图形系统概述
电子枪
灯丝，阴极和控制栅组成
灯丝：产生热量 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
聚焦系统及加速电极
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， 提高分辨率
电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分 对应的显示器为画线设备
逻辑部件
刷新存储器(Refreshing Buffer) 显示处理器（DPU:Display Processing Unit）
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
观 察 方 向
液晶显示器（LCD）
液晶显示器（LCD）
液晶显示器（LCD）
眼镜型液晶显示屏☺
计算机图形系统的组成 图形硬件设备
输入设备 输出设备
图形硬件显示系统
图形软件系统
图形显示系统
组成（光栅式）
显示设备：显示器 显示处理器
图形处理功能
视频控制器：
控制显示设备 通过访问帧缓冲来刷新屏幕
平板型显示器：液晶、等离子
特点：器件薄，适合便携 缺点：亮度和对比度相对较低、色彩不够鲜艳，
价格偏高
阴极射线管（CRT）
工作原理
一种真空器件，它利用电磁场产生高速的、经过聚 焦的电子束，偏转到屏幕的不同位置，轰击屏幕表面的 荧光材料，从而产生可见图形
主要组成部分
电子枪 聚焦系统 加速电极 偏转系统 荧光屏
加速电极
加正的高压电（几万伏） 使电子束高速运动
偏转系统及荧光屏
偏转系统
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Focusing system & Deflection System
聚焦系统作用？ 偏转系统作用？
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Phosphor-coated screen（荧光屏）
荧光质两种状态: 受激态和基本态
Persistence(余辉): 定义为荧光质从发光开始到 衰减到最大亮度的10%的这段时间。
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Persistence(余辉):is defined as the time it takes the emitted light from the screen to decay to one-tenth of its original intensity.
▪ Refresh 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。
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显示纵横比Aspect ratio
Def. 在屏幕的两个方向产生相等长度的线 段所需的垂直点数和水平点数之比。 如：3/4表示？
也可以解释为水平点数和垂直点数的比值 如：640X480, 800X600,1024X768
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Raster-Scan Displays 光栅扫描显示设备
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由于荧光屏发射的光会很快衰减，要保持 显示一幅稳定的画面，必须不断地发射电 子束，在某处反复重画图像。在屏幕上重 复画图的这个频率就叫做刷新频率。
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Electron Gun
++++++++++++
荧光屏亮度控制？在控制栅极上施加电压来控制电子束的
强弱的，当加上正电压时，电负电压时，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。
➢图形输入 ➢图形计算 ➢图形交互 ➢图形输出 ➢图形存储
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2.2 Architecture of graphics system
Graphics Application
Graphics Library(图形软件包层)
OS
HAL(硬件抽象层)
Device Drivers
Hardware (I/O devices)
▪水平点数x垂直点数 ▪光点物理直径 ▪DPI（点每英寸） ▪4 影响因素 荧光质类型 、亮度大小以及聚焦和偏转系 统
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Example
e.g. 已知屏幕分辨率为1024x768，光点物 理尺寸ø .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 结果: about 14inch.
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最底层是硬件层；
其次设备驱动程序层；
再上是硬件抽象层（Hardware Abstract Layer）,实现OS的通用性；OS层的图形操作依赖 于HAL层，可做到设备无关； OS层上是图形软件包层，该层以图形库函数的形式 提供给应用程序，它的实现可分别基于OS的图形子 模块、设备驱动程序和硬件实现；
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应用程序层通常直接调用图形软件包提供的函 数实现图形的建立和管理，当然应用程序也可 基于OS提供的图形API实现，或基于驱动程序 提供的基本图形实现函数实现，甚至直接读写 硬件端口、寄存器以及显存实现图形应用。
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2.3.3 Video Display Devices (视频显示设备)
Refresh CRT(刷新式CRT) Refresh CRT Types (类型) Color CRT Monitors DVST（direct-view storge tube）直
视存储管 Flat-panel Displays 平板显示器 Comparison 对比
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光点概念
CRT 屏幕上受激荧 光点的能量分布图
▪Def. 光点
电子束打在显示器的荧光 屏，显示器能够显示的最小 发光点 -- 硬件最小图象点
▪光点物理直径
光点亮度下降到最大亮度 的60%处的直径
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Resolution屏幕分辨率
▪Def. CRT上无覆盖显示的最大光点数 ▪表示方法：
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A. Refresh CRT
CRT -- Cathode - Ray Tube 阴极射线管
Electron gun (heated cathode + control grid)电子枪--加热阴极+控制栅极
Focusing system 聚焦系统 Accelerating system 加速阳极 Deflection system 偏转系统 Phosphor-coated screen 荧光屏
Chapter 2 Overview of Graphics Systems
图形系统构成 体系结构 图形系统硬件平台 图形系统软件平台
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2.1 Component of Graphics Systems
人
图形应用 程序
图形软件包
OS
显示器 主机
绘图仪
键盘、 光笔
硬盘等外 设
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显示原理——电子枪发射的电子束经过聚焦 系统和偏转系统的作用，打在荧光屏上某一位 置，使涂于该处的荧光物质发光形成一个小光 点。
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高速的电子束由电子枪发出，经过聚焦系统、 加速系统和偏转系统就会到达荧光屏的特定 位置。由于荧光物质在高速电子的轰击下会 发生电子跃迁，即电子吸收到能量从低能态 变为高能态。由于高能态很不稳定，在很短 的时间内荧光物质的电子会从高能态重新回 到低能态，
电子束扫描方式 图形信息存储 适用范围
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电子束扫描方式
光栅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。(P.29)
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Refresh Rate刷新率