第1章 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述 - 副本課件

2023/1/14第1章1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概論中南大學(xué)國(guó)土測(cè)繪系主講：向南平教授2023/1/14第1章2本章內(nèi)容本章將介紹計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容、發(fā)展歷史、應(yīng)用和圖形學(xué)前沿的發(fā)展方向，同時(shí)介紹一些圖形硬件的基本原理，使讀者對(duì)圖形學(xué)的有關(guān)內(nèi)容有個(gè)概括性的了解。作為面向計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)本科生的課程，著重討論與圖形的裁減及幾何變換、二維圖形生成技術(shù)、三維圖形生成技術(shù)、曲線(xiàn)曲面造型相關(guān)的原理與算法。第1章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述2023/1/14第1章31.1引言1.2計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)1.3圖形輸入輸出設(shè)備1.4計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究熱點(diǎn)2023/1/14第1章41.1

引言1.1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的地位1.1.2什么叫計(jì)算機(jī)圖形學(xué)1.1.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用1.1.4計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展2023/1/14第1章51.1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)地位計(jì)算機(jī)科學(xué)最活躍的分支之一。圖形學(xué)的應(yīng)用從某種意義上標(biāo)志著計(jì)算機(jī)軟、硬件的發(fā)展水平。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)來(lái)源于生活、科學(xué)、工程技術(shù)、藝術(shù)、音樂(lè)、舞蹈、電影制作等，同時(shí)又促進(jìn)了這些領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展。2023/1/14第1章6ComputerGraphicsisaboutanimation(films)動(dòng)畫(huà)2023/1/14第1章7GamesareveryimportantinComputerGraphics游戲2023/1/14第1章8MedicalImagingisanotherdrivingforce

醫(yī)學(xué)影像2023/1/14第1章9ComputerAidedDesigntoo

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)2023/1/14第1章10ScientificVisualisation

科學(xué)可視化2023/1/14第1章111.1.2什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)什么是圖形構(gòu)成圖形的要素表示圖形的方法計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的定義計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容與圖形學(xué)密切相關(guān)的學(xué)科容易混淆的幾個(gè)概念2023/1/14第1章12什么是圖形能夠在人的視覺(jué)系統(tǒng)中形成印象的客觀對(duì)象統(tǒng)稱(chēng)為圖形。圖形的具體應(yīng)用范圍很廣，但是從基本的處理技術(shù)看只有兩類(lèi)：一類(lèi)是線(xiàn)條，如工程圖、地圖、曲線(xiàn)圖表等；另一類(lèi)是明暗圖，與照片相似，如自然界的景物，照片，也就是通常所說(shuō)的真實(shí)感圖形

為了生成圖形，首先要有原始數(shù)據(jù)或數(shù)學(xué)模型，如工程人員構(gòu)思的草圖，地形航測(cè)的判讀數(shù)據(jù)，飛機(jī)的總體方案模型，企業(yè)經(jīng)營(yíng)的月統(tǒng)計(jì)資料等等。這些數(shù)字經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理后變成圖形輸出。2023/1/14第1章13構(gòu)成圖形的要素幾何要素：點(diǎn)、線(xiàn)、面、體等，用以刻畫(huà)對(duì)象的輪廓、形狀等。非幾何要素：反映物體表面屬性或材質(zhì)的灰度、色彩、線(xiàn)型、線(xiàn)寬等。2023/1/14第1章14表示圖形的方法點(diǎn)陣法枚舉出圖形中所有的點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)圖形由哪些點(diǎn)構(gòu)成，顏色是什么。點(diǎn)陣法描述的圖形稱(chēng)為像素圖（簡(jiǎn)稱(chēng)圖像）參數(shù)法由圖形的形狀參數(shù)（方程或分析表達(dá)式的系數(shù)、線(xiàn)段的端點(diǎn)坐標(biāo)等）+屬性參數(shù)（顏色、線(xiàn)型等）來(lái)表示圖形參數(shù)法描述的圖形叫做參數(shù)圖（簡(jiǎn)稱(chēng)圖形）但本課程所說(shuō)的計(jì)算機(jī)圖形，實(shí)際上是圖形的廣義概念，即包括了圖形和圖像。2023/1/14第1章15計(jì)算機(jī)圖形學(xué)定義計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是利用計(jì)算機(jī)研究圖形的表示、生成、處理、顯示的學(xué)科。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容是如何在計(jì)算機(jī)中表示圖形、以及利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形的計(jì)算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法.2023/1/14第1章16計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容圖形的輸入：如何開(kāi)發(fā)利用圖形輸入設(shè)備及軟件，如何完整的將圖形輸入到計(jì)算機(jī)。圖形的處理：進(jìn)行變換（幾何變換、投影變換等）和運(yùn)算（如圖型的并、交、差運(yùn)算）處理圖形的生成和輸出：將圖形的表示形式轉(zhuǎn)換成圖型輸出系統(tǒng)便于接受的表示形式，并通過(guò)顯示屏或打印機(jī)等輸出設(shè)備呈現(xiàn)出來(lái)。2023/1/14第1章17與圖形學(xué)密切相關(guān)的學(xué)科計(jì)算機(jī)圖形：用計(jì)算機(jī)生成、處理和顯示圖形的學(xué)科；由幾何數(shù)據(jù)和幾何模型，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示并存儲(chǔ)，并可以進(jìn)行修改、完善以及有關(guān)操作的過(guò)程；圖像處理：將客觀世界中原來(lái)存在的物體影像處理成新的數(shù)字化圖像的相關(guān)技術(shù)；如CT掃描、X射線(xiàn)探傷等；將連續(xù)的圖像，進(jìn)行采樣、量化產(chǎn)生數(shù)字圖像，并進(jìn)行變換、壓縮等處理。2023/1/14第1章18模式識(shí)別：對(duì)所輸入的圖像進(jìn)行分析和識(shí)別，找出其中蘊(yùn)涵的信息或抽象模型；如手寫(xiě)漢字的識(shí)別。機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)。它是圖形學(xué)的逆過(guò)程。計(jì)算幾何：研究幾何模型和數(shù)據(jù)處理的學(xué)科，討論幾何形體的計(jì)算機(jī)表示、分析和綜合方法。研究如何方便靈活、有效地建立幾何形體的數(shù)學(xué)模型以及在計(jì)算機(jī)中更好地存貯和管理這些模型數(shù)據(jù)；如曲線(xiàn)曲面的表示生成、三維立體造型等等。2023/1/14第1章191.1.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用

按應(yīng)用領(lǐng)域分類(lèi)

按生成圖的類(lèi)型分類(lèi)2023/1/14第1章20

按應(yīng)用領(lǐng)域分類(lèi)管理科學(xué)制圖學(xué)動(dòng)畫(huà)技術(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）VirtualReality（虛擬現(xiàn)實(shí)、靈境）圖形實(shí)時(shí)繪制與自然景物仿真

過(guò)程控制藝術(shù)辦公自動(dòng)化應(yīng)用2023/1/14第1章21管理科學(xué)繪制數(shù)學(xué)、物理以及經(jīng)濟(jì)函數(shù)的二維及三維圖形：直方圖、線(xiàn)條圖、扇形圖、進(jìn)程圖...特點(diǎn)：簡(jiǎn)潔、直觀——>數(shù)據(jù)的模型和趨勢(shì)。應(yīng)用2023/1/14第1章22測(cè)繪與制圖學(xué)產(chǎn)生高精度的地理或其他自然現(xiàn)象的圖形。包括地形圖、地質(zhì)圖、油層圖、海圖、旅游圖、交通圖、氣象圖、人口密度圖...應(yīng)用2023/1/14第1章23動(dòng)畫(huà)技術(shù)應(yīng)用計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一，它綜合了計(jì)算機(jī)圖形、人工智能、美術(shù)和電影技術(shù)，借助計(jì)算機(jī)生成一系列可供動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)演播的連續(xù)圖象。事實(shí)上計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)也只是生成一幅幅靜態(tài)的圖象，但是每一幅都是對(duì)前一幅做一小部分修改（如何修改便是計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)的研究?jī)?nèi)容），這樣，當(dāng)這些畫(huà)面連續(xù)播放時(shí)，整個(gè)場(chǎng)景就動(dòng)起來(lái)了。2023/1/14第1章24動(dòng)畫(huà)技術(shù)早期的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)靈感來(lái)源于傳統(tǒng)的卡通片，在生成幾幅被稱(chēng)做“關(guān)鍵幀”的畫(huà)面后，由計(jì)算機(jī)對(duì)兩幅關(guān)鍵幀進(jìn)行插值生成若干“中間幀”，連續(xù)播放時(shí)兩個(gè)關(guān)鍵幀就被有機(jī)地結(jié)合起來(lái)了。近年來(lái)轉(zhuǎn)向基于物理模型的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)生成方法，運(yùn)用彈性力學(xué)和流體力學(xué)的方程進(jìn)行計(jì)算，力求使動(dòng)畫(huà)過(guò)程體現(xiàn)出最適合真實(shí)世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2023/1/14第1章252023/1/14第1章26計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）CAD/CAM是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)被用來(lái)進(jìn)行土建工程、機(jī)械結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)飛機(jī)、汽車(chē)、船舶的外形和發(fā)電廠、化工廠等的布局以及電子線(xiàn)路、電子器件等。在電子工業(yè)中，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用到集成電路、印刷電路板、電子線(xiàn)路和網(wǎng)絡(luò)分析等方面的優(yōu)勢(shì)是十分明顯的。CAD領(lǐng)域另一個(gè)非常重要的研究?jī)?nèi)容，就是基于工程圖紙的三維形體重建。三維形體重建就是從二維信息中提取三維信息，通過(guò)對(duì)這些信息進(jìn)行分類(lèi)、綜合等一系列處理，在三維空間中重新構(gòu)造出二維信息所對(duì)應(yīng)的三維形體，恢復(fù)形體的點(diǎn)、線(xiàn)、面及其拓?fù)潢P(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)形體的重建。2023/1/14第1章27奧迪效果圖和線(xiàn)框圖應(yīng)用2023/1/14第1章282023/1/14第1章29VirtualReality（虛擬現(xiàn)實(shí)、靈境）VirtualReality或稱(chēng)虛擬環(huán)境（VirtualEnvironment)是用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)生成一個(gè)逼真的三維視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)或嗅覺(jué)等感覺(jué)世界，讓用戶(hù)可以從自己的視點(diǎn)出發(fā)，利用自然的技能和某些設(shè)備對(duì)這一生成的虛擬世界客體進(jìn)行瀏覽和交互考察。輸入輸出設(shè)備是關(guān)鍵2023/1/14第1章30圖形實(shí)時(shí)繪制和自然圖形仿真在計(jì)算機(jī)中重現(xiàn)真實(shí)世界的場(chǎng)景叫做真實(shí)感繪制。真實(shí)感繪制的主要任務(wù)是模擬真實(shí)物體的物理屬性，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是物體的形狀、光學(xué)性質(zhì)、表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對(duì)位置、遮擋關(guān)系等等。另外，真實(shí)感繪制已經(jīng)從最初繪制簡(jiǎn)單的室內(nèi)場(chǎng)景發(fā)展到現(xiàn)在大量模擬野外自然景物，比如繪制山、水、云、樹(shù)、火等等。2023/1/14第1章31圖形實(shí)時(shí)繪制和自然圖形仿真人們提出了多種方法來(lái)繪制這些自然景物，比如繪制火和草的粒子系統(tǒng)(ParticleSystem)，基于生理模阿型的繪制植物的方法。近年來(lái)出現(xiàn)了一些自然景物仿真繪制的綜合平臺(tái)，如德國(guó)Lintermann和Deussen的繪制植物的平臺(tái)Xforg，日本YoshinoriDobashi等人繪制的真實(shí)感云（Siggraph’2000,SpecialInterestGrouponComputerGraphics,美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)計(jì)算機(jī)繪圖專(zhuān)業(yè)組),以及清華大學(xué)自主開(kāi)發(fā)的自然景物設(shè)計(jì)平臺(tái)。2023/1/14第1章32日本YoshinoriDobashi等人繪制的真實(shí)感云2023/1/14第1章33由清華大學(xué)自然景物平臺(tái)生成的野外場(chǎng)景2023/1/14第1章34Xfrog3.0生成的挪威云杉2023/1/14第1章35過(guò)程控制應(yīng)用將計(jì)算機(jī)和現(xiàn)實(shí)世界中的其他設(shè)備連成一個(gè)系統(tǒng).利用交互式圖形生成技術(shù)形成的人機(jī)交互系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人與控制或管理對(duì)象之間的相互作用。如工廠中的設(shè)備、工序控制，機(jī)場(chǎng)與鐵路的調(diào)度等。2023/1/14第1章36藝術(shù)

可用于美術(shù)創(chuàng)作的軟件很多，如二維平面的畫(huà)筆程序（如CorelDraw，Photoshop，PaintShop）、專(zhuān)門(mén)的圖表繪制軟件（如Visio）、三維建模和渲染軟件包（如3DMAX，Maya，GoogleSketchUP）、以及一些專(zhuān)門(mén)生成動(dòng)畫(huà)的軟件（如Alias，Softimage）等，可以說(shuō)是數(shù)不勝數(shù)。這些軟件不僅提供多種風(fēng)格的畫(huà)筆畫(huà)刷，而且提供多種多樣的紋理貼圖，甚至能對(duì)圖象進(jìn)行霧化，變形等操作。其中大部分功能是傳統(tǒng)的繪畫(huà)藝術(shù)家無(wú)法實(shí)現(xiàn)也不可想象的。應(yīng)用2023/1/14第1章37藝術(shù)模擬藝術(shù)效果的非真實(shí)感繪制（NPRNon-PhotorealisticRendering）也在逐漸發(fā)展。鋼筆素描是非真實(shí)感繪制的一個(gè)重要內(nèi)容，由于鋼筆素描與傳統(tǒng)的圖形學(xué)繪制方法差別很大，所以研究起來(lái)難度也頗大以下是華盛頓大學(xué)的MichaelP.Salisbury在Siggraph會(huì)議上發(fā)表的高水平的論文中的作品。2023/1/14第1章38GeorgesWinkenb1ach繪制的壺和碗(Siggraph’96)2023/1/14第1章39Salisbury繪制的茶壺(Siggraph’97)2023/1/14第1章40Salisbury繪制的熊(Siggraph’97)2023/1/14第1章41OliverDeussen繪制的素描樹(shù)(Siggraph’2000)2023/1/14第1章422023/1/14第1章43辦公自動(dòng)化應(yīng)用在辦公室中，用圖形方式顯示并交換文件、報(bào)表、圖例和其它信息，并在輸出設(shè)備上輸出、保存起來(lái)。2023/1/14第1章44

按生成圖的類(lèi)型分類(lèi)從處理技術(shù)上來(lái)看，圖形主要分為兩類(lèi)，一類(lèi)是基于線(xiàn)條信息表示的，如工程圖、等高線(xiàn)地圖、曲面的線(xiàn)框圖等，另一類(lèi)是明暗圖(Shanding)，也就是通常所說(shuō)的真實(shí)感圖形。1.線(xiàn)圖：二維或三維（沒(méi)有圖的概念，只有線(xiàn)）,三維帶隱生線(xiàn)2.二維多色圖形，帶有灰度色彩的圖形3.實(shí)體：有真實(shí)感的圖形(三維實(shí)體圖)應(yīng)用2023/1/14第1章45線(xiàn)圖和二維多彩圖形應(yīng)用2023/1/14第1章46線(xiàn)圖和三維實(shí)體圖應(yīng)用2023/1/14第1章47PerspectiveView

透視圖2023/1/14第1章48DepthCue

深度線(xiàn)畫(huà)2023/1/14第1章49HiddenLineRemoval–addcolour

隱線(xiàn)消除-增添色彩

2023/1/14第1章50ConstantShading–Ambient

恒底紋-環(huán)境

2023/1/14第1章51FacetedShading–Flat

分面底紋-平面2023/1/14第1章52Gouraudshading,nospecularhighlights

高氏著色，無(wú)鏡面高光

2023/1/14第1章53Specularhighlightsadded

加高光2023/1/14第1章54Phongshading普郎陰影2023/1/14第1章55Texturemapping紋理映射

2023/1/14第1章56完整的視頻效果2023/1/14第1章571.1.4計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展

開(kāi)創(chuàng)階段（50年代~60年代）迅速發(fā)展階段（60年代初~60年代末）降低成本階段（60年代末~70年代初）發(fā)展成熟階段（70年代初~80年代初）推廣應(yīng)用階段（80年代中~90年代中）目前（九十年代中至今）硬件發(fā)展圖形軟件發(fā)展及軟件標(biāo)準(zhǔn)形成2023/1/14第1章58發(fā)展開(kāi)創(chuàng)階段（50年代~60年代）1950年，MIT采用原理類(lèi)似于示波器陰極射線(xiàn)管（CRT）作為旋風(fēng)一號(hào)的圖形顯示器。1958年，美國(guó)Calcomp公司由聯(lián)機(jī)的數(shù)字記錄儀發(fā)展成滾筒式繪圖儀和平板式繪圖儀。50年代末，SAGE空中防御指揮系統(tǒng)采用光筆作為輸入設(shè)備，標(biāo)志著交互式圖形技術(shù)的誕生。2023/1/14第1章59迅速發(fā)展階段

（60年代初~60年代末）大公司紛紛開(kāi)展圖形學(xué)科學(xué)研究，出現(xiàn)各種系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。60年代中期出現(xiàn)隨機(jī)掃描顯示器。1962年，MIT林肯實(shí)驗(yàn)室的IvanE.Sutherland發(fā)表了一篇題為“Sketchpad：一個(gè)人機(jī)交互通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文，他在論文中首次使用了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)“ComputerGraphics”這個(gè)術(shù)語(yǔ)，證明了交互計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一個(gè)可行的、有用的研究領(lǐng)域（提出基本交互技術(shù)、圖元分層表示概念及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)…)

，從而確定了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為一個(gè)嶄新的科學(xué)分支的獨(dú)立地位。因此，他被后人尊稱(chēng)為圖形學(xué)之父。發(fā)展圖形學(xué)之父Ivan.E.Sutherland2023/1/14第1章60迅速發(fā)展階段

（60年代初~60年代末）1964年MIT的教授StevenA.Coons提出了被后人稱(chēng)為超限插值的新思想，通過(guò)插值四條任意的邊界曲線(xiàn)來(lái)構(gòu)造曲面。同在60年代早期，法國(guó)雷諾汽車(chē)公司的工程師PierreBézier發(fā)展了一套被后人稱(chēng)為Bézier曲線(xiàn)、曲面的理論，成功地用于幾何外形設(shè)計(jì)，并開(kāi)發(fā)了用于汽車(chē)外形設(shè)計(jì)的UNISURF系統(tǒng)。值得一提的是，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的最高獎(jiǎng)是以Coons的名字命名的，而獲得第一屆（1983）和第二屆(1985)StevenA.Coons獎(jiǎng)的，恰好是IvanE.Sutherland和PierreBézier。2023/1/14第1章61降低成本階段

（60年代末~70年代初）發(fā)展存儲(chǔ)管顯示器出現(xiàn)，大大降低圖形硬件系統(tǒng)成本。70年代初，出現(xiàn)一批通用的、可移植的軟件系統(tǒng)。存儲(chǔ)管顯示器的結(jié)構(gòu)2023/1/14第1章62發(fā)展成熟階段

（70年代初~80年代初）發(fā)展－光柵圖形學(xué)迅速發(fā)展區(qū)域填充、裁剪、消隱等基本圖形概念、及其相應(yīng)算法紛紛誕生，并開(kāi)始出現(xiàn)實(shí)用的CAD圖形系統(tǒng)。－圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化1974年，ACMSIGGRAPH的與“與機(jī)器無(wú)關(guān)的圖形技術(shù)”的工作會(huì)議ACM成立圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)，制定“核心圖形系統(tǒng)”（CoreGraphicsSystem）ISO發(fā)布CGI、CGM、GKS、PHIGS計(jì)算機(jī)圖形核心系統(tǒng)GKS(GraphicsKernelsystem)、面向程序員的層次交互圖形標(biāo)準(zhǔn)PHIGS(ProgrammersHierarchicalInteractiveGraphicsStandard)等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的建立。光學(xué)跟蹤球2023/1/14第1章63－真實(shí)感圖形學(xué)1970年，Bouknight提出了第一個(gè)光反射模型1971年，Gourand提出“漫反射模型＋插值”的思想，被稱(chēng)為Gourand明暗處理1975年，Phong提出了著名的簡(jiǎn)單光照模型-Phong模型－新型的圖形輸入設(shè)備

.如各類(lèi)圖形輸入板，坐標(biāo)數(shù)字化儀，跟蹤球，鼠標(biāo)器等。

－實(shí)體造型技術(shù)英國(guó)劍橋大學(xué)CAD小組的Build系統(tǒng)美國(guó)羅徹斯特大學(xué)的PADL-1系統(tǒng)發(fā)展成熟階段

（70年代初~80年代初）2023/1/14第1章64推廣應(yīng)用階段

（80年代中~90年代中）發(fā)展圖形工作站的出現(xiàn)，如Apollo,Sun,HP等。SGI

圖形工作站2023/1/14第1章651980年Whitted提出了一個(gè)光透視模型-Whitted模型，并第一次給出光線(xiàn)跟蹤算法的范例，實(shí)現(xiàn)Whitted模型。1984年，美國(guó)Cornell大學(xué)和日本廣島大學(xué)的學(xué)者分別將熱輻射工程中的輻射度方法引入到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中。圖形硬件和各個(gè)分支均在這個(gè)時(shí)期飛速發(fā)展。推廣應(yīng)用階段

（80年代中~90年代中）2023/1/14第1章66目前（九十年代中至今）發(fā)展微機(jī)和軟件系統(tǒng)的普及使得圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。圖形學(xué)已經(jīng)同模式識(shí)別、人工智能、數(shù)據(jù)庫(kù)等眾多領(lǐng)域結(jié)合，形成一些交叉學(xué)科，如工程數(shù)據(jù)庫(kù)、多媒體等。2023/1/14第1章67計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展歷程匯總表時(shí)代階段特征50年代開(kāi)創(chuàng)階段MIT旋風(fēng)一號(hào)，計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)CRT+照相機(jī)，SAGE(交互式圖形技術(shù)誕生)60年代初至60年代末迅速發(fā)展階段隨機(jī)掃描顯示器，圖形學(xué)之父60年代末至70年代初降低成本階段存儲(chǔ)管顯示器，應(yīng)用軟件包70年代初至80年代初發(fā)展成熟階段光柵掃描顯示器，新型的圖形輸入設(shè)備，圖形語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)化80年代初子90年代中推廣應(yīng)用階段圖形工作站(Apollo,Sun,Hp)90年代至今微機(jī)，交叉學(xué)科（多媒體等）2023/1/14第1章68

硬件發(fā)展圖形顯示器是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中關(guān)鍵的設(shè)備

畫(huà)線(xiàn)顯示器（矢量顯示器/隨機(jī)掃描顯示器）存儲(chǔ)管式顯示器刷新式光柵掃描顯示器2023/1/14第1章69圖形輸出設(shè)備的發(fā)展60年代中期：畫(huà)線(xiàn)顯示器（亦稱(chēng)矢量顯示器）需要刷新。設(shè)備昂貴，限制普及60年代后期：存儲(chǔ)管式顯示器不需刷新，價(jià)格較低，缺點(diǎn)是不具有動(dòng)態(tài)修改圖形功能，不適合交互式。70年代初：刷新式光柵掃描顯示器推動(dòng)了交互式圖形技術(shù)的發(fā)展。它是以點(diǎn)陣形式表示圖形，使用專(zhuān)用的緩沖區(qū)存放點(diǎn)陣，由視頻控制器負(fù)責(zé)刷新掃描。

硬件發(fā)展2023/1/14第1章70

硬件發(fā)展圖形輸入設(shè)備的發(fā)展第一階段：控制開(kāi)關(guān)、穿孔紙等等第二階段：鍵盤(pán)第三階段：二維定位設(shè)備，如鼠標(biāo)、光筆、圖形輸入板、觸摸屏等等，語(yǔ)音第四階段：三維輸入設(shè)備（如空間球、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣），用戶(hù)的手勢(shì)、表情等等第五階段：用戶(hù)的思維2023/1/14第1章71數(shù)據(jù)手套2023/1/14第1章72發(fā)展模式諸侯割據(jù)標(biāo)準(zhǔn)討論標(biāo)準(zhǔn)形成

圖形軟件發(fā)展及軟件標(biāo)準(zhǔn)的形成標(biāo)準(zhǔn)形成過(guò)程：先有應(yīng)用，由于應(yīng)用中數(shù)據(jù)交換、成果共享的需要，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)的討論，最后才形成軟件標(biāo)準(zhǔn)。圖形標(biāo)準(zhǔn)：圖形系統(tǒng)及其相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)中各界面之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和通信的接口標(biāo)準(zhǔn)，以及供圖形應(yīng)用程序調(diào)用的子程序功能及其格式標(biāo)準(zhǔn)，前者稱(chēng)為數(shù)據(jù)及文件格式標(biāo)準(zhǔn)，后者稱(chēng)為子程序界面標(biāo)準(zhǔn)。2023/1/14第1章73圖形系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)面向圖形設(shè)備的接口標(biāo)準(zhǔn)：計(jì)算機(jī)圖形元文件(CGM)，(CRT,Mouse,…)計(jì)算機(jī)圖形接口(CGI)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。面向應(yīng)用軟件的標(biāo)準(zhǔn)：程序員層次交互式圖形系統(tǒng)（PHIGS）,GL(圖形程序包)（三維）圖形核心系統(tǒng)（3D-)GKS面向圖形應(yīng)用系統(tǒng)工程和產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型及文件格式：基本圖形轉(zhuǎn)換規(guī)范（IGES）產(chǎn)品數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)范（STEP）2023/1/14第1章74CGI（ISODP9636)--提供控制圖形硬件的一種與設(shè)備無(wú)關(guān)的方法。--也可看作圖形設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的一種標(biāo)準(zhǔn)。--在用戶(hù)程序和虛擬設(shè)備之間，以一種獨(dú)立于設(shè)備的方式提供圖形信息的描述和通信。CGM（ISOIS8632)

--與設(shè)備無(wú)關(guān)的語(yǔ)義、詞法定義的圖形文件格式。--規(guī)定了生成、存儲(chǔ)、傳送圖形信息的格式。--面向系統(tǒng)和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者，和CGI配套提供。--通用性是其關(guān)鍵屬性。2023/1/14第1章75GKS--提供了在應(yīng)用程序和圖形輸入輸出設(shè)備之間的功能接口。與語(yǔ)言無(wú)關(guān)。--GKS提供了一個(gè)稱(chēng)為元文件的順序文件接口。--應(yīng)用程序的所有圖形資源由GKS控制（通過(guò)GKS元文件-GKSM）--GKSM用于:圖形信息存檔、系統(tǒng)傳送圖形信息、在GKS應(yīng)用程序間傳送圖形信息、與圖形信息相關(guān)的非圖形信息的存儲(chǔ)和復(fù)用。PHIGS（ISOIS9592）--向應(yīng)用程序員提供的控制圖形設(shè)備的圖形系統(tǒng)接口；--圖形數(shù)據(jù)按層次結(jié)構(gòu)組織；--提供動(dòng)態(tài)修改和顯示圖形數(shù)據(jù)的手段。是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)化和交互式圖形系統(tǒng)。GL—圖形程序庫(kù)，UNIX下運(yùn)行?！狾penGL—微機(jī)下運(yùn)行?！诸?lèi)：基本圖素；坐標(biāo)變換；設(shè)置屬性和顯示方式；I/O處理；真實(shí)圖形顯示。2023/1/14第1章76IGES（基本圖形轉(zhuǎn)換規(guī)范）--InitialGraphicsExchangeSpecification--作用：不同的CAD/CAM系統(tǒng)之間交換數(shù)據(jù)。--文件格式是ASCII碼，五節(jié)：開(kāi)始節(jié)，目錄入口(DE)，參數(shù)(DP)節(jié)，整體節(jié)和結(jié)束節(jié)。STEP（產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)）--StandardfortheExchangeofProductmodelData.--覆蓋產(chǎn)品整個(gè)生命周期--強(qiáng)調(diào)建立能存入數(shù)據(jù)庫(kù)中的一個(gè)產(chǎn)品模型的完整表示。--克服IGES中的問(wèn)題和缺點(diǎn)。2023/1/14第1章771.2

計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)1.2.1計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成1.2.2一般工作過(guò)程1.2.3圖形系統(tǒng)應(yīng)具有的功能1.2.4圖形顯示處理器2023/1/14第1章781.2.1計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成圖形系統(tǒng)圖形硬件基礎(chǔ)設(shè)備：主機(jī)、內(nèi)存、外存等基本圖形設(shè)備：圖形顯示器、圖形適配器、鍵盤(pán)等專(zhuān)用圖形設(shè)備：數(shù)字化儀、繪圖儀、圖形打印機(jī)等圖形軟件圖形語(yǔ)言：程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、數(shù)據(jù)庫(kù)管理語(yǔ)言、圖形專(zhuān)用語(yǔ)言圖形數(shù)據(jù)庫(kù)：圖形對(duì)象庫(kù)、操作方法庫(kù)、模型庫(kù)圖形程序：圖形系統(tǒng)程序、應(yīng)用程序、圖形工具2023/1/14第1章791.2.2圖形系統(tǒng)一般工作過(guò)程計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)是一個(gè)由軟、硬件相互結(jié)合的有機(jī)整體。系統(tǒng)在工作時(shí)，由主機(jī)執(zhí)行應(yīng)用程序，通過(guò)圖形輸入設(shè)備、數(shù)據(jù)庫(kù)或交互裝置讀取數(shù)據(jù)，并按一定結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)組織起來(lái)，然后調(diào)用事先存儲(chǔ)好的圖形顯示子程序，將處理后得到的數(shù)據(jù)送往顯示處理器，從圖形顯示器或其它輸出設(shè)備輸出圖形。2023/1/14第1章80一般工作過(guò)程示意圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用程序圖形子程序包交互裝置主機(jī)顯示處理器輸出通道2023/1/14第1章811.2.3圖形系統(tǒng)應(yīng)具有的功能計(jì)算功能圖形設(shè)計(jì)、分析，坐標(biāo)變換、曲線(xiàn)曲面的生存、圖形交（接）點(diǎn)計(jì)算存儲(chǔ)功能圖形數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，圖形數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)的檢索、增加、刪除和修改對(duì)話(huà)功能通過(guò)硬件設(shè)備進(jìn)行人機(jī)交互，以修改圖形輸入功能將圖形生成、和修改所需的數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)輸出功能將結(jié)果圖件顯示或打印出來(lái)2023/1/14第1章821.2.4圖形顯示處理器圖形顯示處理器（Videocard，Graphicscard，俗稱(chēng)顯卡），又稱(chēng)為顯示適配器（Videoadapter），是圖形系統(tǒng)最基本的組成部分之一。顯卡的用途是將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所需要的顯示信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)，并向顯示器提供行掃描信號(hào)，控制顯示器的正確顯示，是連接顯示器和電腦主板的重要元件，是“人機(jī)對(duì)話(huà)”的重要設(shè)備之一。因?yàn)轱@卡不單單存儲(chǔ)圖形，而且還能完成大部分圖形函數(shù)的運(yùn)算，這樣就大大減輕了CPU的負(fù)擔(dān)，提高了顯示能力和顯示速度。所以，對(duì)于專(zhuān)業(yè)圖形設(shè)計(jì)工作來(lái)說(shuō)顯卡非常重要。2023/1/14第1章83顯卡工作原理數(shù)據(jù)（data）一旦離開(kāi)CPU，必須通過(guò)以下4個(gè)步驟，最后才會(huì)到達(dá)顯示屏：

1、從總線(xiàn)（bus）進(jìn)入GPU（圖形處理器）：將CPU送來(lái)的數(shù)據(jù)送到北橋（主橋）再送到GPU（圖形處理器）里面進(jìn)行處理。

2、從顯卡芯片組顯存：將芯片處理完的數(shù)據(jù)送到顯存。

3、從顯存進(jìn)入DigitalAnalogConverter（RAMDAC，隨機(jī)讀寫(xiě)存儲(chǔ)?！獢?shù)轉(zhuǎn)換器）：從顯存讀取出數(shù)據(jù)再送到RAMDAC進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的工作（數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)模擬信號(hào)）。

4、從DAC進(jìn)入顯示器（Monitor）：將轉(zhuǎn)換完的模擬信號(hào)送到顯示屏。2023/1/14第1章84顯卡基本結(jié)構(gòu)GPU（類(lèi)似于主板的CPU）

GPU全稱(chēng)是GraphicProcessingUnit，中文翻譯為“圖形處理器”。NVIDIA公司在發(fā)布GeForce256圖形處理芯片時(shí)首先提出的概念。GPU使顯卡減少了對(duì)CPU的依賴(lài)，并進(jìn)行部分原本CPU的工作，尤其是在3D圖形處理時(shí)。GPU所采用的核心技術(shù)有硬件T&L（幾何轉(zhuǎn)換和光照處理）、立方環(huán)境材質(zhì)貼圖和頂點(diǎn)混合、紋理壓縮和凹凸映射貼圖、雙重紋理四像素256位渲染引擎等，而硬件T&L技術(shù)可以說(shuō)是GPU的標(biāo)志。GPU的生產(chǎn)主要由nVidia與ATI兩家廠商生產(chǎn)。

2023/1/14第1章85顯卡基本結(jié)構(gòu)顯存（類(lèi)似于主板的內(nèi)存）

顯存是顯示內(nèi)存的簡(jiǎn)稱(chēng)。顧名思義，其主要功能就是暫時(shí)將儲(chǔ)存顯示芯片要處理的數(shù)據(jù)和處理完畢的數(shù)據(jù)。圖形核心的性能愈強(qiáng)，需要的顯存也就越多。以前的顯存主要是SDR（SDRAM，SynchronousDynamicRandomAccessMemory，同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器)，容量也不大。市面上的顯卡大部分采用的是GDDR3（DDR就是SDR二代，加強(qiáng)了傳輸?shù)拇鷮?，GDDR只不過(guò)是電壓不同，而且用在顯卡上，所以叫GDDR，以示區(qū)別）顯存，現(xiàn)在最新的顯卡則采用了性能更為出色的GDDR4或GDDR5顯存。顯存主要由傳統(tǒng)的內(nèi)存制造商提供，比如三星、現(xiàn)代、Kingston等。

2023/1/14第1章86顯卡基本結(jié)構(gòu)顯卡BIOS（類(lèi)似于主板的BIOS）

BIOS是“BasicInputOutputSystem”的縮略語(yǔ)，即“基本輸入輸出系統(tǒng)”。它的全稱(chēng)應(yīng)該是ROM－BIOS，意思是只讀存儲(chǔ)器基本輸入輸出系統(tǒng)。

顯卡BIOS主要用于存放顯示芯片與驅(qū)動(dòng)程序之間的控制程序，另外還存有顯示卡的型號(hào)、規(guī)格、生產(chǎn)廠家及出廠時(shí)間等信息。打開(kāi)計(jì)算機(jī)時(shí)，通過(guò)顯示BIOS內(nèi)的一段控制程序，將這些信息反饋到屏幕上。早期顯示BIOS是固化在ROM中的，不可以修改，而多數(shù)顯示卡則采用了大容量的EPROM，即所謂的FlashBIOS，可以通過(guò)專(zhuān)用的程序進(jìn)行改寫(xiě)或升級(jí)。顯卡PCB板（類(lèi)似于主板的PCB板）就是顯卡的電路板，它把顯卡上的其它部件連接起來(lái)。功能類(lèi)似主板。2023/1/14第1章87顯卡的分類(lèi)集成顯卡集成顯卡是將顯示芯片、顯存及其相關(guān)電路都做在主板上，與主板融為一體；一些主板集成的顯卡也在主板上單獨(dú)安裝了顯存，但其容量較小，集成顯卡的顯示效果與處理性能相對(duì)較弱，不能對(duì)顯卡進(jìn)行硬件升級(jí)，但可以通過(guò)CMOS調(diào)節(jié)頻率或刷入新BIOS文件實(shí)現(xiàn)軟件升級(jí)來(lái)挖掘顯示芯片的潛能。

優(yōu)點(diǎn)：是功耗低、發(fā)熱量小、部分集成顯卡的性能已經(jīng)可以媲美入門(mén)級(jí)的獨(dú)立顯卡，所以不用花費(fèi)額外的資金購(gòu)買(mǎi)顯卡。

缺點(diǎn)：不能換新顯卡，要說(shuō)必須換，就只能和主板，CPU一次性的換。獨(dú)立顯卡獨(dú)立顯卡是指將顯示芯片、顯存及其相關(guān)電路單獨(dú)做在一塊電路板上，自成一體而作為一塊獨(dú)立的板卡存在，它需占用主板的擴(kuò)展插槽。

優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)为?dú)配置了顯存，一般不占用系統(tǒng)內(nèi)存，在技術(shù)上也較集成顯卡先進(jìn)得多，比集成顯卡能夠得到更好的顯示效果和性能，容易進(jìn)行顯卡的硬件升級(jí)。

缺點(diǎn)：系統(tǒng)功耗有所加大，發(fā)熱量也較大，需額外花費(fèi)購(gòu)買(mǎi)顯卡的資金。

2023/1/14第1章881.3圖形輸入輸出設(shè)備1.3.1圖形輸出設(shè)備1.3.2圖形輸入設(shè)備2023/1/14第1章891.3.1圖形顯示設(shè)備

陰極射線(xiàn)管

彩色陰極射線(xiàn)管

隨機(jī)掃描顯示系統(tǒng)

光柵掃描系統(tǒng)

液晶顯示器（LCD）

走向平面的顯像管

未來(lái)顯示器2023/1/14第1章90組成：包括電子槍、加速電極、聚焦系統(tǒng)、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、熒光屏工作原理：高速的電子束由電子槍發(fā)出，經(jīng)過(guò)聚焦系統(tǒng)、加速系統(tǒng)和磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)就會(huì)到達(dá)熒光屏的特定位置。由于熒光物質(zhì)在高速電子的轟擊下會(huì)發(fā)生電子躍遷，即電子吸收到能量從低能態(tài)變?yōu)楦吣軕B(tài)。由于高能態(tài)很不穩(wěn)定，在很短的時(shí)間內(nèi)熒光物質(zhì)的電子會(huì)從高能態(tài)重新回到低能態(tài)，這時(shí)將發(fā)出熒光，屏幕上的那一點(diǎn)就會(huì)亮了。

陰極射線(xiàn)管（CRT)刷新頻率：要顯示一幅穩(wěn)定的畫(huà)面，必須不斷地發(fā)射電子束，以刷新屏幕亮點(diǎn)。刷新一次是指電子束從上到下掃描一次的過(guò)程。刷新頻率高到一定值后，圖象才能穩(wěn)定顯示2023/1/14第1章91電子槍由燈絲、陰極和控制柵組成。陰極：由燈絲加熱發(fā)出電子束控制柵：加上負(fù)電壓后，能夠控制通過(guò)其中小孔的帶負(fù)電的電子束的強(qiáng)弱。通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)電壓高低來(lái)控制電子數(shù)量，即控制熒光屏上相應(yīng)點(diǎn)的亮度。聚焦系統(tǒng)保證電子束在轟擊屏幕時(shí)，匯聚成很細(xì)的點(diǎn)。加速電極正的高壓電（幾萬(wàn)伏），使電子束高速運(yùn)動(dòng)。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制電子束，靜電場(chǎng)或磁場(chǎng)，使電子產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。電子束要到達(dá)屏幕的邊緣時(shí)，偏轉(zhuǎn)角度就會(huì)增大。到達(dá)屏幕最邊緣的偏轉(zhuǎn)角度被稱(chēng)為最大偏轉(zhuǎn)角。最大偏轉(zhuǎn)角是衡量系統(tǒng)性能的最重要的指標(biāo)，顯示器長(zhǎng)短與此有關(guān)。CRT顯示器屏幕越大整個(gè)顯象管就越長(zhǎng)。2023/1/14第1章92熒光屏熒光物質(zhì)：當(dāng)它被電子轟擊時(shí)發(fā)出亮光持續(xù)發(fā)光時(shí)間：電子束離開(kāi)某點(diǎn)后，該點(diǎn)的亮度值衰減到初始值1/10所需的時(shí)間刷新(Refresh)：為了讓熒光物質(zhì)保持一個(gè)穩(wěn)定的亮度值刷新頻率：每秒鐘重繪屏幕的次數(shù)CRT產(chǎn)生穩(wěn)定圖像所需要的最小刷新頻率=1/熒光物質(zhì)的持續(xù)發(fā)光時(shí)間

1/0.04(秒）=25Hz（也即人眼看到穩(wěn)定圖形的最小刷新頻率）像素(Pixel:PictureCell)：構(gòu)成屏幕（圖像）的最小元素分辨率(Resolution)：CRT在水平或豎直方向單位長(zhǎng)度上能識(shí)別的最大像素個(gè)數(shù)，單位通常為dpi（dotsperinch)。在假定屏幕尺寸一定的情況下，也可用整個(gè)屏幕所能容納的像素個(gè)數(shù)描述，如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等。2023/1/14第1章93產(chǎn)生彩色的常用方法：射線(xiàn)穿透法影孔板法

彩色陰極射線(xiàn)管2023/1/14第1章94射線(xiàn)穿透法原理：兩層熒光涂層，紅色光和綠色光兩種發(fā)光物質(zhì)，電子束轟擊穿透熒光層的深淺，決定所產(chǎn)生的顏色。應(yīng)用：主要用于畫(huà)線(xiàn)顯示器優(yōu)點(diǎn)：成本低缺點(diǎn)：只能產(chǎn)生有限幾種顏色電子束熒光涂層產(chǎn)生顏色低速電子束較低速電子束較高速電子束高速電子束2023/1/14第1章95影孔板法原理：影孔板被安裝在熒光屏的內(nèi)表面，用于精確定位像素的位置外層玻璃熒光涂層影孔板2023/1/14第1章96影孔板的類(lèi)型點(diǎn)狀影孔板代表：大多數(shù)球面與柱面顯像管柵格式影孔板代表：Sony的Trinitron（特麗?。┡cMitsubishi（三菱）的Diamondtron（鉆石特?。喜凼接翱装宕恚篖G的Flatron顯像管2023/1/14第1章97點(diǎn)狀影孔板工作原理紅、綠、蘭三基色三色熒光點(diǎn)（很小并充分靠近--〉像素）三支電子槍電子槍、影孔板中的一個(gè)小孔和熒光點(diǎn)呈一直線(xiàn)；每個(gè)小孔與一個(gè)像素（即三個(gè)熒光點(diǎn)）對(duì)應(yīng)2023/1/14第1章98顯示器能同時(shí)顯示的顏色個(gè)數(shù)

如果每支電子槍發(fā)出的電子束的強(qiáng)度有256個(gè)等級(jí)，則顯示器能同時(shí)顯示256*256*256=16M種顏色，稱(chēng)為真彩系統(tǒng)。調(diào)節(jié)電子槍發(fā)生的電子束中所含電子的數(shù)目，即可控制各色光點(diǎn)亮度。2023/1/14第1章99

隨機(jī)掃描的顯示系統(tǒng)特點(diǎn)：電子束可隨意移動(dòng)，只掃描熒屏上要顯示的部分。邏輯部件：刷新存儲(chǔ)器(RefreshingBuffer),顯示處理器（DPU:DisplayProcessingUuit）和CRT2023/1/14第1章100工作原理

應(yīng)用程序發(fā)出繪圖命令，→解析成顯示處理器可接受的命令格式，存放在刷新存儲(chǔ)器中。刷新存儲(chǔ)器中所有的繪圖命令組成一個(gè)顯示文件，由顯示處理器負(fù)責(zé)解釋執(zhí)行(刷新)，→驅(qū)動(dòng)電子槍在屏幕上繪圖。修改圖形，實(shí)際是修改顯示文件中的某些繪圖命令。

2023/1/14第1章101

光柵掃描的顯示系統(tǒng)特點(diǎn)：光柵掃描掃描線(xiàn)幀水平回掃期垂直回掃期2023/1/14第1章102光柵掃描顯示系統(tǒng)的幾個(gè)概念行頻、幀頻水平掃描頻率為行頻。垂直掃描頻率為幀頻。逐行掃描、隔行掃描隔行掃描方式是先掃奇數(shù)行掃描線(xiàn)，再掃偶數(shù)行掃描線(xiàn)。象素整個(gè)屏幕被掃描線(xiàn)分成n行，每行有m個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)為一個(gè)象素。整個(gè)屏幕有m×n個(gè)象素。分辨率是指CRT在水平或垂直方向的單位長(zhǎng)度上能分辨出的最大光點(diǎn)（象素）數(shù)，分為水平分辨率和垂直分辨率。通常用屏幕上象素的數(shù)目來(lái)表示。比如上述的n行，每行m點(diǎn)的屏幕分辨率為m×n。分辨率越高，相鄰象素點(diǎn)之間的距離越小，顯示的字符或圖像也就越清晰。分辨率受顯示器生產(chǎn)工藝、掃描頻率以及顯示存儲(chǔ)器容量的限制。2023/1/14第1章103點(diǎn)距相鄰象素點(diǎn)之間的距離，與分辨率指標(biāo)相關(guān)。顯示速度指顯示字符、圖形特別是動(dòng)態(tài)圖像的速度，與顯示器的分辨率及掃描頻率有關(guān)。可用最大帶寬（水平象素?cái)?shù)×垂直象素?cái)?shù)×最大幀頻）來(lái)表示。色彩與亮度等級(jí)亮度等級(jí)又稱(chēng)灰度，主要指單色顯示器的亮度變化。色彩包括可選擇顯示器顏色的數(shù)目以及一幀畫(huà)面可同時(shí)顯示的顏色數(shù)，與熒光屏的質(zhì)量有關(guān)，并受顯示存儲(chǔ)器VRAM容量的影響。圖像刷新由于CRT內(nèi)側(cè)的熒光粉在接受電子束的轟擊時(shí)，只能維持短暫的發(fā)光，根據(jù)人眼視覺(jué)暫留的特性，需要不斷進(jìn)行刷新才能有穩(wěn)定的視覺(jué)效果，圖像刷新是指以每秒30幀以上的頻率反復(fù)掃描不斷地顯示每一幀圖像。圖像的刷新頻率等于幀掃描的頻率（幀頻），用每秒刷新的幀數(shù)表示。目前刷新頻率標(biāo)準(zhǔn)為每秒50~120幀。光柵掃描顯示系統(tǒng)的幾個(gè)概念2023/1/14第1章104黑白光柵掃描顯示器黑白光柵顯示器的邏輯框圖如上：其中幀緩存是一塊連續(xù)的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器。對(duì)于黑白單灰度顯示器每一象素需要一位存儲(chǔ)器，對(duì)一個(gè)1024×1024象素組成的黑白單灰度顯示器所需要的最小緩存為220，并在一個(gè)位面上。一個(gè)位面的緩存只能存儲(chǔ)黑白圖形，幀緩存是數(shù)字設(shè)備，光柵顯示器是模擬設(shè)備，因而還需要數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。2023/1/14第1章105黑白灰度光柵掃描顯示器在光柵圖形顯示器中需要足夠的位面和幀緩存結(jié)合起來(lái)才能反映圖形的顏色和灰度等級(jí)。如下圖是一個(gè)具有N位面灰度等級(jí)的幀緩存。顯示器上每個(gè)象素的亮度是由N位面中對(duì)應(yīng)的每個(gè)象素位置的內(nèi)容控制的。該存儲(chǔ)器中的二進(jìn)制的數(shù)被翻譯成灰度等級(jí)，范圍是0到2N-1之間。2023/1/14第1章106彩色光柵掃描顯示器下圖是彩色光柵顯示器的邏輯圖，對(duì)于紅、綠、藍(lán)三原色有三個(gè)位面的幀緩存和三個(gè)電子槍。2023/1/14第1章107彩色光柵掃描顯示器每個(gè)顏色的電子槍可以通過(guò)增加幀緩存位面來(lái)提高顏色種類(lèi)的灰度等級(jí)。如上圖，每種原色電子槍有8個(gè)位位面的幀緩存和8位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，每種原色可有256種灰度，三種原色的組合將是(28)3=224（即所謂的24位真彩）。2023/1/14第1章108彩色光柵掃描顯示器若每個(gè)單元有24位（每種基色占8位）即顯示系統(tǒng)可同時(shí)產(chǎn)生224種顏色（24位真彩色）。分辨率M*N、顏色個(gè)數(shù)K與顯存大小V的關(guān)系

3個(gè)位面分辯率是1024×1024的顯示器，需要3×1024×1024（3145728）位的存儲(chǔ)器。若存儲(chǔ)器位長(zhǎng)固定，則屏幕分辯率與同時(shí)可用的顏色種數(shù)成反比關(guān)系。1兆字節(jié)的幀緩存，若設(shè)分辯率為640×480，則幀緩存每個(gè)單元可有24位，可能同時(shí)顯示224種顏色，若設(shè)分辯率為1024×768，則每個(gè)單元分得的位數(shù)僅略多于8，只能工作于256色顯示模式下。

2023/1/14第1章109帶寬T與分辨率、幀頻F的關(guān)系帶寬問(wèn)題

高分辨率和高的刷新頻率要求有高帶寬（依然是個(gè)問(wèn)題?。┙鉀Q方法：隔行掃描（現(xiàn)在已經(jīng)基本不用，主流顯示器都采用逐行掃描方式）隔行掃描的：把一幀分兩場(chǎng)，即奇數(shù)場(chǎng)與偶數(shù)場(chǎng)場(chǎng)頻：==2×幀頻隔行掃描工作原理：

一幀完整的畫(huà)面分成兩場(chǎng)。一場(chǎng)1／60秒（場(chǎng)頻60HZ，幀頻30HZ）。畫(huà)面更新頻率仍為60HZ，降低了閃爍效應(yīng)，每一場(chǎng)1／60秒內(nèi)，幀緩存中數(shù)據(jù)量比逐行掃描少一半。降低了視頻控制器存取幀緩存的速度及傳輸帶寬的要求。彩色光柵掃描顯示器2023/1/14第1章110

液晶顯示器（LCD）CRT固有的物理結(jié)構(gòu)限制了它向更廣的顯示領(lǐng)域發(fā)展屏幕的加大必然導(dǎo)致顯象管的加長(zhǎng)，顯示器的體積必然要加大，在使用時(shí)候就會(huì)受到空間的限制。CRT顯示器是利用電子槍發(fā)射電子束來(lái)產(chǎn)生圖像，容易受電磁波干擾，甚至出現(xiàn)磁化現(xiàn)象。長(zhǎng)期電磁輻射會(huì)對(duì)人們健康產(chǎn)生不良影響。LCD(LiquidCrystalDisplay)顯示器的優(yōu)點(diǎn)外觀小巧精致，厚度只有6.5～8cm左右。不會(huì)產(chǎn)生CRT那樣的因?yàn)樗⑿骂l率低而出現(xiàn)的閃爍現(xiàn)象。工作電壓低，功耗小，節(jié)約能源。沒(méi)有電磁輻射，對(duì)人體健康沒(méi)有影響。2023/1/14第1章111液晶顯示器的構(gòu)成

LCD是由六層薄板組成的平板式顯示器反射層水平極板水平網(wǎng)格線(xiàn)液晶層垂直網(wǎng)格線(xiàn)垂直極板觀察方向LCD顯示器基本原理

液晶是一種介于液體和固體之間的特殊物質(zhì)，它具有液體的流態(tài)性質(zhì)和固體的光學(xué)性質(zhì)。當(dāng)液晶受到電壓的影響時(shí)，就會(huì)改變它的物理性質(zhì)而發(fā)生形變，此時(shí)通過(guò)它的光的折射角度就會(huì)發(fā)生變化，而產(chǎn)生色彩。液晶屏幕后面有一個(gè)背光，這個(gè)光源先穿過(guò)第一層偏光板，再來(lái)到液晶體上，而當(dāng)光線(xiàn)透過(guò)液晶體時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生光線(xiàn)的色澤改變，從液晶體射出來(lái)的光線(xiàn)，還必須經(jīng)過(guò)一塊彩色濾光片以及第二塊偏光板。2023/1/14第1章112LCD顯示器的基本指標(biāo)可視角度視線(xiàn)與屏幕中心法向成一定角度時(shí)，人們就不能清晰地看到屏幕圖象。我們將能看到清晰圖象的最大角度稱(chēng)為可視角度。一般所說(shuō)的可視角度是指左右兩邊的最大角度相加。點(diǎn)距與分辨率液晶屏幕的點(diǎn)距就是兩個(gè)液晶顆粒（光點(diǎn)）之間的距離，一般0.28～0.32mm就能得到較好的顯示效果通常所說(shuō)的液晶顯示器的分辨率是指其真實(shí)分辨率，表示水平方向的像素點(diǎn)數(shù)與垂直方向的像素點(diǎn)數(shù)的乘積LCD顯示器的缺點(diǎn)壽命短、怕震動(dòng)、溫度敏感分辨率相對(duì)較低，色彩不夠鮮艷，且價(jià)格偏高。2023/1/14第1章113

走向平面的顯像管球面顯象管：表面：球面的一部分時(shí)間：90年代初期柱面顯象管：表面：柱面的一部分，垂直方向上平直，水平方向上有彎曲時(shí)間：90年代中期代表：Sony公司的Trinitron，Mitsubishi公司的Diamondtron平面直角顯象管表面：球面的一部分，類(lèi)似于平面時(shí)間：90年代中后期現(xiàn)在市場(chǎng)上的主流顯象管純平顯象管表面：純平面時(shí)間：90年代后期代表：Sony公司的FDTrinitron，Mitsubishi公司的Diamondtron，Samsung公司的DanyFlat，LG公司的Flatron今后的主流顯象管2023/1/14第1章114

等離子顯示屏—發(fā)展趨勢(shì)所謂等離子是迄今為止發(fā)現(xiàn)的第四種物質(zhì)狀態(tài)，即氣，固，液和等離子。等離子電視是一種利用氣體放電的顯示技術(shù)，其工作原理與日光燈很相似。它采用了等離子管作為發(fā)光元件。大量的等離子管排列在一起構(gòu)成整個(gè)全屏幕。每個(gè)等離子管作為一個(gè)像素，每個(gè)像素由三種不同顏色的發(fā)光體組成----紅、綠、藍(lán)。由這些像素的明暗和顏色組合變化產(chǎn)生各種灰度和色彩的圖像，這與CRT的原理很相似。等離子顯示器的特點(diǎn)是厚度極薄，分辨率佳。可以作為壁掛電視使用，占用極少的空間，代表了未來(lái)顯示器的發(fā)展趨勢(shì)。等離子體顯示技術(shù)之所以令人激動(dòng)，主要出于以下兩個(gè)原因：1、可以制造出超大尺寸的平面顯示器（50英寸甚至更大）；2、與陰極射線(xiàn)管顯示器不同，它沒(méi)有彎曲的視覺(jué)表面，從而使視角擴(kuò)大到了160度以上。另外，等離子顯示器的分辨率等于甚至超過(guò)傳統(tǒng)的顯示器，所顯示圖像的色彩也更亮麗，更鮮艷，更清晰。2023/1/14第1章115顯示屏上排列有密封的小低壓氣體室（一般都是氙氣和氖氣的混合物），利用高壓放電使惰性氣體Ne、He、Xe等產(chǎn)生紫外線(xiàn)照在彩色熒光粉后,激發(fā)出紅,綠,藍(lán)可見(jiàn)光,再配合驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與處理將三種顏色的光混合,形成各式各樣的彩色畫(huà)面.

由于不需要用電子槍?zhuān)蚨浜穸葧?huì)變得很薄，并且屏幕可以做的很大。適用于候車(chē)室等需要大屏幕的地方。但時(shí)耗電量大，價(jià)格昂貴。換句話(huà)說(shuō)，是利用惰性氣體放電時(shí)所產(chǎn)生的紫外光來(lái)激發(fā)彩色熒光粉發(fā)光，然后將這種光轉(zhuǎn)換成人眼可見(jiàn)的光。從工作原理上講，等離子體技術(shù)同其它顯示方式相比存在明顯的差別，在結(jié)構(gòu)和組成方面領(lǐng)先一步。其工作原理類(lèi)似普通日光燈和電視彩色圖像，由各個(gè)獨(dú)立的熒光粉像素發(fā)光組合而成，因此圖像鮮艷、明亮、干凈而清晰。另外，等離子體顯示設(shè)備最突出的特點(diǎn)是可做到超薄，可輕易做到40英寸以上的完全平面大屏幕，而厚度不到100毫米（實(shí)際上這也是它的一個(gè)弱點(diǎn)：即不能做得較小。目前成品最小只有42英寸，只能面向大屏幕需求的用戶(hù)和家庭影院等方面）。等離子顯示屏的基本原理2023/1/14第1章116等離子顯示屏的特點(diǎn)等離子顯示器具有體積小、重量輕、無(wú)X射線(xiàn)輻射的特點(diǎn)，由于各個(gè)發(fā)光單元的結(jié)構(gòu)完全相同，因此不會(huì)出現(xiàn)CRT顯像管常見(jiàn)的圖像幾何畸變。等離子顯示器屏幕亮度非常均勻，沒(méi)有亮區(qū)和暗區(qū)，不像顯像管的亮度——屏幕中心比四周亮度要高一些，而且，等離子顯示器不會(huì)受磁場(chǎng)的影響，具有更好的環(huán)境適應(yīng)能力。等離子顯示器屏幕也不存在聚焦的問(wèn)題，不會(huì)產(chǎn)生色彩漂移現(xiàn)象，而表面平直也使大屏幕邊角處的失真和色純度變化得到徹底改善。與LCD液晶顯示器相比，等離子顯示器有亮度高、色彩還原性好、灰度豐富、對(duì)快速變化的畫(huà)面響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。由于屏幕亮度很高,因此可以在明亮的環(huán)境下使用。當(dāng)然，等離子顯示器的也有一些缺點(diǎn)。比如由于等離子體顯示是平面設(shè)計(jì)，其顯示屏上的玻璃極薄，所以它的表面不能承受太大或太小的大氣壓力，更不能承受意外的重壓。等離子顯示器的每一個(gè)像素都是獨(dú)立地自行發(fā)光，相比顯示器使用的電子槍而言，耗電量自然大增。一般等離子顯示器的耗電量高于300瓦。2023/1/14第1章1171.3.2圖形輸入設(shè)備鍵盤(pán)、鼠標(biāo)坐標(biāo)數(shù)字化儀光筆觸摸屏圖形掃描儀2023/1/14第1章118圖形輸入設(shè)備

鍵盤(pán)、鼠標(biāo)：

是微型計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置之一，也是用戶(hù)與計(jì)算機(jī)交互的主要工具。鍵盤(pán)是通過(guò)鍵盤(pán)陣列將按鍵信息傳輸給主機(jī)。鼠標(biāo)則是通過(guò)中斷調(diào)用來(lái)傳輸位置和按鍵信息的。觸摸屏：是一種對(duì)物體觸摸產(chǎn)生反應(yīng)的屏幕。當(dāng)人的手指或其它物體接觸到屏幕時(shí)，計(jì)算機(jī)根據(jù)觸摸的位置接收到觸摸信號(hào)，并按軟件要求進(jìn)行相應(yīng)處理。2023/1/14第1章119圖形輸入設(shè)備

光筆：

光筆形如圓珠筆，筆尖處有一園孔，使熒光屏上的光能通過(guò)它進(jìn)入筆內(nèi)；光筆頭部有一組透鏡，將收集到的光聚焦到光導(dǎo)纖維的一個(gè)端面上，光導(dǎo)纖維再把光引到光筆的另一端的光電倍增管，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)整形后輸出一個(gè)合適的邏輯電平以中斷信號(hào)送給計(jì)算機(jī)和顯示器控制部件。2023/1/14第1章120圖形輸入設(shè)備

坐標(biāo)數(shù)字化儀：

這是一種用游標(biāo)來(lái)拾取圖形坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)將用戶(hù)圖形數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)中的設(shè)備。從形式上有機(jī)械式、超聲波式和全電子式等類(lèi)型。數(shù)字化儀大量用于工程中設(shè)計(jì)圖紙的輸入，是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的主要工具。現(xiàn)在，它也用于非鍵盤(pán)方式（手寫(xiě)）輸入漢字。工作原理：定位裝置在數(shù)字板的表面上移動(dòng)時(shí)，通過(guò)電磁、靜電感應(yīng)，將數(shù)字板上的圖形坐標(biāo)信息逐點(diǎn)數(shù)字化（這也就是“數(shù)字化儀”一名的來(lái)歷），并傳送到計(jì)算機(jī)之中，再經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)的處理，就能在屏幕上還原為一副原來(lái)的圖形。這就完成了圖形的數(shù)字化和輸入過(guò)程。2023/1/14第1章121圖形輸入設(shè)備

坐標(biāo)數(shù)字化儀：北京長(zhǎng)地CD-91600￥1.45萬(wàn)幅面：1524mm精度：0.20mm分辨率：2540定標(biāo)器：16鍵鼠標(biāo)式定位器數(shù)據(jù)傳輸：10-200對(duì)/秒接口：RS-232輸出格式：31種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)格式和1種特定格式工作溫度：10~40℃

2023/1/14第1章122圖形輸入設(shè)備

圖形掃描儀：

是一種直接把圖形和照片（如工程圖紙、廣告畫(huà)）掃描輸入到計(jì)算機(jī)中，以象素信息進(jìn)行存儲(chǔ)表示的設(shè)備。掃描儀的分辨率是指在原稿的單位長(zhǎng)度（英寸）上取樣的點(diǎn)數(shù)，單位是dpi，常用的分辨率有300～1000dpi，掃描儀分辨率越高，所需的存儲(chǔ)空間就越大。2023/1/14第1章123圖形輸入設(shè)備

圖形掃描儀：辦公或家用掃描儀：價(jià)格為幾百到幾千元大幅面工程掃描儀：價(jià)格為幾萬(wàn)到近30萬(wàn)元2023/1/14第1章124圖形輸入設(shè)備

圖形掃描儀：大幅面掃描儀和家用（商用掃描儀）所不同的是，大幅面掃描儀所提供的最大光學(xué)分辨率為1200dpi×1200dpi、1200dpi×600dpi、600dpi×600dpi、508dpi×508dpi，也就是說(shuō)目前大幅面掃描儀最高的光學(xué)分辨率為1200dpi×1200dpi。通常在使用或者購(gòu)買(mǎi)大幅面掃描儀的時(shí)候有一個(gè)誤區(qū)，即：看廠家所推薦的或者宣傳的最大分辨率，例如：廠家所宣傳的最大分辨率為3600dpi甚至是9600dpi；其實(shí)這個(gè)分辨率是所謂的插值分辨率，也就是后期用軟件在兩個(gè)相鄰的像素內(nèi)在插入N個(gè)像素；這樣的話(huà)不僅會(huì)破壞原圖的真實(shí)信息；而且給后期的處理帶來(lái)很大的麻煩；同時(shí)我們?cè)趻呙栉募臅r(shí)候根本不可能使用到高于600dpi×600dpi進(jìn)行掃描；假設(shè)一個(gè)A0的圖紙如果使用彩色9600dpi掃描的話(huà)，所得到的文件為442.5G，試想有什么計(jì)算機(jī)和軟件能夠打開(kāi)或者編輯這樣的文件？

2023/1/14第1章1251.4計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究熱點(diǎn)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的一個(gè)獨(dú)立分支已經(jīng)歷了近40年的發(fā)展歷程。一方面，作為一個(gè)學(xué)科，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在圖形基礎(chǔ)算法、圖形軟件與圖形硬件三方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，成為當(dāng)代幾乎所有科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域用來(lái)加強(qiáng)信息理解和傳遞的技術(shù)和工具。另一方面,計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的硬件和軟件本身也已發(fā)展成為一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)。估計(jì)全球年產(chǎn)值已超過(guò)2000億美元。因此，全世界從事計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)的隊(duì)伍十分龐大，這也是為什么每年參加SIG-GRAPH年會(huì)的人數(shù)多達(dá)數(shù)萬(wàn)人的原因。2023/1/14第1章126SIG-GRAPH(SpecialInterestGroupforComputerGRAPHICS,計(jì)算機(jī)圖形圖像特別興趣小組）成立于1967年，一直致力于推廣和發(fā)展計(jì)算機(jī)繪圖和動(dòng)畫(huà)制作的軟硬件技術(shù)。從1974年開(kāi)始，SIGGRAPH每年都會(huì)舉辦一次年會(huì)，而從1981年開(kāi)始每年的年會(huì)還增加了CG展覽。絕大部分計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)軟硬件廠商每年都會(huì)將最新研究成果拿到SIGGRAPH年會(huì)上發(fā)布，大部分游戲的電腦動(dòng)畫(huà)創(chuàng)作者也將他們本年度最杰出的藝術(shù)作品集中在SIGGRAPH上展示。因此，SIGGRAPH在圖形圖像技術(shù)，計(jì)算機(jī)軟硬件以及CG等方面都有著相當(dāng)?shù)挠绊懥?。歷年大會(huì)都有豐富的成果展示，比如現(xiàn)在很流行的象素、圖層、頂點(diǎn)等概念，最初大都是在Sig-graph上發(fā)表的學(xué)術(shù)報(bào)告；而Adobe、Avid、Discreet等廠商也都會(huì)選擇在大會(huì)上宣布軟件更新的一些重要信息。因此，可以說(shuō)，Sig-graph年會(huì)的熱點(diǎn)就是圖形學(xué)研究的熱點(diǎn)。2023/1/14第1章127計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的熱點(diǎn)問(wèn)