河南理工大學計算機圖形學2章-1 圖形系統(tǒng)

二、計算機圖形學的基本任務對象表示編輯轉換生成輸出對象表示1首先對圖形對象進行形狀分析，對圖形進行參數(shù)化；2建立圖形對象數(shù)據(jù)模型，把圖形信息轉化為數(shù)據(jù)結構模式；3在系統(tǒng)內定義數(shù)據(jù)結構，把對象信息存儲起來。編輯轉換1建立用戶接口模型，實現(xiàn)用戶的信息交互操作；2建立圖形對象觀察模型，把圖形對象數(shù)據(jù)轉換到用戶所需要的空間位置及形態(tài)；3建立編輯模型，實現(xiàn)圖形對象數(shù)據(jù)的編輯。生成輸出1根據(jù)國家標準建立圖形對象變換模型，把三維對象轉化成二維圖形；2建立數(shù)模轉化模型，把矢量圖形轉換成圖像；3實現(xiàn)在對應的圖形輸出設備上輸出圖形?！?.2計算機圖形學研究的內容及相關學科

內容圍繞：圖形處理過程中的軟、硬件技術、表示圖形和圖像的準確性、真實性和實時性。

內容包括：研究內容分為九個方面。

1）基于設備的基本圖形生成算法，如直線、圓弧等；

2）圖形元素的裁剪和幾何變換技術；

3）曲線和曲面的處理技術：插值、擬合、拼接和分解；

4）三維幾何造型技術；

5）三維形體的實時顯示和圖形的并行處理技術；

6）工程的數(shù)字化技術和仿真模擬系統(tǒng)；

7）隨機形體或模糊景物的模擬生成技術；

8）虛擬現(xiàn)實環(huán)境的生成和控制技術；9）三維或高維數(shù)據(jù)場的可視化技術。一）計算機圖形學的內容體系基礎部分對象表達對象繪制交互控制計算機圖形學5二維觀察6三維對象7三維觀察2圖形系統(tǒng)4圖形幾何變換3二維圖形生成8真實感圖形生成9交互技術

1.計算機圖形學是一門研究用計算機將數(shù)據(jù)轉換成圖形，并在專用設備上顯示和處理的學科，它著重研究圖形生成和處理的原理、方法和技術，是一門多學科綜合應用的新技術。其涵蓋圖學理論、應用數(shù)學、計算機科學等學科。2.計算機繪圖計算機繪圖是使用圖形軟件和硬件進行繪圖及有關標注的一種方法和技術，以擺脫繁重的手工繪圖為其主要目標。二）計算機圖形學及相關學科將客觀世界中原來存在的物體影象處理成新的數(shù)字化圖象的相關技術；如CT掃描、X射線探傷等。3、圖象處理

4、模式識別對輸入的圖象進行分析和識別，找出其蘊涵的內在聯(lián)系或抽象模型；如郵政分檢設備、地形地貌識別等。

研究幾何模型和數(shù)據(jù)處理的學科，討論幾何形體的計算機表示、分析和綜合，研究如何方便靈活、有效地建立幾何形體的數(shù)學模型以及在計算機中更好地存貯和管理這些模型數(shù)據(jù)；如飛機、輪船、汽車等外部造型。5、計算幾何參考教材1.陸楓等,計算機圖形學基礎（第二版），電子工業(yè)出版社，2015.2.孔令德，計算機圖形學實踐教程(VC），清華大學出版社，2013.3.李繼芳等,實用計算機圖形學清華大學出版社，2012.4.希爾(美)等,計算機圖形學(OpenGL版)清華大學出版社，2009.5.許志聞等，VisualC++圖形程序設計，機械工業(yè)出版社出版社，2009.6.Samuel著，唐龍等譯，3D計算機圖形學

(OpenGL版)，清華大學出版社,2007.7.孫家廣等，計算機圖形學基礎教程，清華大學出版社，2004.8.李春雨等，計算機圖形學理論與實踐，北京航空航天大學出版社，2004.9.石教英譯(DavidF.Rogers)，計算機圖形學算法基礎，機械工業(yè)出版社，2002.第2章計算機圖形系統(tǒng)本章內容：

§2.1圖形系統(tǒng)概述§2.2圖形系統(tǒng)的硬件設備§2.3圖形系統(tǒng)的體系結構§2.4圖形系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)§2.5圖形程序的編程方法2.1.1系統(tǒng)的組成§2.1圖形系統(tǒng)概述

操作系統(tǒng)圖形系統(tǒng)用戶接口應用程序計算機圖形系統(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)應用系統(tǒng)圖形輸入設備圖形輸出設備輸入驅動輸出驅動接受命令顯示處理應用操作應用數(shù)據(jù)圖形輸入圖形輸出硬件系統(tǒng)：中央主機、圖形輸入設備、圖形輸出設備。

鍵盤鼠標通用光筆、數(shù)字化儀等專用外儲設備文件顯示器繪圖機、打印機外儲設備圖形系統(tǒng)硬件設備計算機圖形系統(tǒng)硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)輸入設備中央處理機輸出設備外存儲器通用設備專用設備CPU內存儲器圖形系統(tǒng)的硬件結構2.1.2圖形系統(tǒng)的種類1.大型機圖形系統(tǒng)

大型計算機，存儲器容量龐大、計算功能極強、顯示終端大精度高等。適用于巨大型計算。

2.中型機或超級小型機圖形系統(tǒng)

32位超級小型機為處理機，內存和外存容量較大，輸入輸出設備精度高、幅面大。價格較貴，目前大多已被淘汰。3.微工作站圖形系統(tǒng)

微型工作站為處理機，豐富圖形處理、靈活窗口、網(wǎng)絡管理、交互式計算機系統(tǒng)。4.微型機圖形系統(tǒng)

高檔微型機為基礎，圖形系統(tǒng)日益得到廣泛應用。依據(jù)中央主機的類型核心功能

2.1.3圖形系統(tǒng)的基本功能輸出設備顯示器數(shù)據(jù)庫輸入設備輸出計算輸入交互存儲1.計算功能：元素生成、坐標變換、求交、剪裁計算。

2.存儲功能：存儲數(shù)據(jù):形體的集合數(shù)據(jù)、形體間相互關系、數(shù)據(jù)的實時檢索、保存圖形的編輯等信息。

3.輸入功能：輸入信息:數(shù)據(jù)、圖形信息、圖像信息、命令關鍵字、操作信息等輸入。

4.輸出功能：輸出信息:圖形信息、文件信息；靜態(tài)圖形、動態(tài)圖形。

5.交互功能：人─機交互:拾取對象、輸入?yún)?shù)；接收命令、數(shù)據(jù)等。

2.2.1圖形顯示設備2.2.2圖形繪制設備2.2.3圖形輸入設備§2.2圖形系統(tǒng)的硬件設備2.2.1圖形顯示設備

1.顯示器種類

陰極射線管、隨機掃描、存儲管式、光柵掃描、等離子和液晶顯示器。應用程序顯示文件存儲器控制器CRT顯示器工作原理CRT平板式2.彩色光柵掃描顯示器

★產生彩色的方法：有兩種：一是射線穿透法，二是蔭罩板法

★蔭罩板法應用廣泛。

★屏幕的內部涂有很多組呈三角形的熒光粉，每一組有三個熒光點，當某組熒光粉被激勵時，分別發(fā)出紅、綠、藍三種基色。有三個電子槍，分別與三基色對應。

★有影孔板柵網(wǎng)，上面有很多小孔，與屏幕上的三元組一一對應。

★三束電子經(jīng)偏轉聚焦成一組射線，穿過影孔板上的孔，激活屏幕上的一個三元組，出現(xiàn)一個彩色亮點。

★熒光點以三角形排列，并使每支電子束，通過蔭罩時，只能激活與之對應的彩色點。3液晶顯示器

(1)基本原理

①液晶基本性質液晶是一種介于液體和固體之間的特殊物質，當液晶受到電壓的影響時，會改變它的物理性質而發(fā)生形變，通過它的光的折射角度就會發(fā)生變化，而產生色彩。

觀察方向垂直極板垂直網(wǎng)格線液晶層水平網(wǎng)格線水平極板反射層

②液晶顯示器基本結構

★光源先穿過第一層偏光板(縱向)，來到液晶體上；

★光線透過液晶體時，產生光線的色澤改變；

★光線再經(jīng)過第二層偏光板（橫向）；

★加上電壓的變化和一些其他裝置，用于控制。

③工作原理

④顯示器種類

液晶顯示器：主動式和被動式現(xiàn)在流行的主動式液晶顯示器。觀察方向垂直網(wǎng)格線液晶層水平極板反射層4.光柵掃描過程計算機接口控制器幀緩存固定存儲器光柵掃描CRT

5顯示器的技術指標及有關名詞行頻、幀頻

水平掃描頻率為行頻。垂直掃描頻率為幀頻。隔行掃描

隔行掃描：先掃偶數(shù)行掃描線，再掃奇數(shù)行掃描線。象素

屏幕被掃描線分成n行，每行有m個點，每個點為一個象素。整個屏幕有m×n個象素。分辨率

是指CRT單位長度上能分辨出的最大光點(象素)數(shù)。分為水平分辨率和垂直分辨率。常用屏幕上象素的數(shù)目來表示。如n行，每行m點的屏幕分辨率為m×n。分辨率越高，象距離越小，顯示字符或圖像越清晰。顯示速度

顯示字符、圖形、圖像的速度。幀緩存

幀緩存是一塊連續(xù)的計算機存儲器，用來存儲動態(tài)刷新的圖形圖像信息。數(shù)字/模擬轉換點距：LCD的點距是兩個液晶顆粒之間的距離，液晶面板的寬或高除以水平像素數(shù)或垂直像素數(shù)。刷新率：LCD中每個像素都在一定的信號（電壓）下持續(xù)不斷的發(fā)光，直到另一個信號（電壓）來到時才會改變發(fā)光強度，所以其實LCD不存在刷新率的問題。

視角：可視角度。當你坐在顯示器的左右兩方各60度時都能看清畫面，超過60度則無法看清，則水平可視角度就是120度。也有垂直可視角度。目前主流LCD顯示器普遍具備160度以上的水平可視角度。發(fā)展趨勢，該指標將逐漸失去意義。

響應時間：響應時間過長將導致畫面快速變化時出現(xiàn)殘影。CRT響應時間僅為1ms，一般忽略不計。LCD的響應時間要遠大于CRT顯示器。但目前主流LCD都在5ms以上。

亮度：亮度指畫面的明亮程度，最大亮度通常由背光源來決定。一般為170～350流明（cd/m2）。桌面LCD顯示器的亮度必須大于200流明才有較好的顯示畫面。

對比度：指屏幕上同一點最亮時（白色）與最暗時（黑色）的亮度的比值。高對比度意味著有相對較高的亮度和艷麗程度。6圖形處理器(俗稱顯卡)

★種類：CGAEGAVGATVGASVGAXGASXGA

★工作原理

顯卡工作原理6圖形處理器(俗稱顯卡)★顯示主芯片，俗稱GPU

代替CPU完成部分圖形處理功能，掃描轉換、幾何變換、裁剪、光柵操作、紋理映射等等；各圖形函數(shù)基本上都集成在這里

★

顯存存儲將要顯示的圖形信息

保存圖形運算的中間數(shù)據(jù)；它與顯示主芯片的關系，就像計算機的內存之于CPU一樣

★

RAMDAC數(shù)字模擬轉換器

在視頻處理中，把二進制的數(shù)字轉換成為和顯示器相適應的模擬信號。

2.2.2圖形繪制設備

輸出可視化且能長期保存圖形的輸出設備。

1)繪圖儀筆式繪圖儀靜電繪圖儀2)打印機針式打印機噴墨打印機激光打印機

3)攝像機

1.圖形繪制設備的種類

2繪圖機繪圖機按工作原理：筆式繪圖和非筆式繪圖。

筆式繪圖機：平臺式、滾筒式、平面電機式。非筆式繪圖機：靜電式、噴墨式、熱敏式。平臺式滾筒式

2.2.3圖形輸入設備按物理結構分為六類：

1)鍵盤和鼠標

2)數(shù)字化儀

3)光筆

4)跟蹤球和控制桿

5)觸摸板

6)掃描儀

7)攝像設備1.圖形繪制設備的種類在國際圖形標準中按照邏輯功能分為六類。

(1)定位設備：實現(xiàn)定位功能，即輸入一個點的坐標，包括光筆、數(shù)字化儀、鼠標、鍵盤的數(shù)字鍵等。(2)筆劃設備：實現(xiàn)描劃功能，輸入一系列點的坐標，包括的物理設備和定位設備一致。(3)數(shù)值設備：實現(xiàn)定值功能，包括旋鈕、數(shù)字鍵、方向鍵、編程功能鍵等。(4)選擇設備：根據(jù)一個正整數(shù)得到某一種選擇，包括光筆、觸摸板、數(shù)字化儀、鼠標等。(5)拾取設備：實現(xiàn)拾取功能，即識別一個顯示的圖形元素，包括各種定位設備、編程功能鍵、字符串輸入設備。(6)字符串設備：實現(xiàn)字符串輸入，包括鍵盤、光筆、聲音識別儀等。2.圖形輸入的邏輯設備

在圖形系統(tǒng)中，有一個特別的軟硬件子系統(tǒng)，能高效繪出透視圖中的三維圖元，也稱為圖形流水線?！?.3圖形系統(tǒng)的體系結構2.3.1對象表達處理階段1.對象表達處理是通過軟件方式實現(xiàn)；2.對圖形進行參數(shù)化，建立模型，實現(xiàn)對象的表達；3.階段處理末端需將幾何體輸入到繪制管線階段；對象表達幾何處理像素處理2.3.2幾何處理階段1.建立圖形處理的幾何模型，將圖形轉換成數(shù)據(jù)；2.對數(shù)據(jù)進行后處理；幾何模型投影轉換屏幕映射2.3.3光柵階段1.處理對象送到像素處理器進行光柵化處理；2.輸出到顯示器；軟件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件應用軟件操作系統(tǒng)主語言系統(tǒng)系統(tǒng)接口基本軟件功能軟件應用軟件軟件系統(tǒng)的結構計算機圖形系統(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)輸入設備中央處理機輸出設備系統(tǒng)軟件應用軟件外存儲器通用設備專用設備CPU內存儲器操作系統(tǒng)主語言系統(tǒng)系統(tǒng)接口基本軟件功能軟件應用軟件計算機圖形系統(tǒng)的結構內容回顧：作業(yè)：1.認真閱讀課文內容2.計算機圖形系統(tǒng)由哪幾部分組成，各自實現(xiàn)什么功能？3.常用的圖形輸入、輸出設備有哪些？各有何特點？4.熟悉光柵掃描顯示系統(tǒng)的結構。5.了解分辨率、幀緩存、像素、像距等常用詞語的含義。

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圖形系統(tǒng)的組成2圖形系統(tǒng)的硬件設備3圖形的軟件系統(tǒng)

本次課到此結束謝謝LED顯示器成像原理蔭罩板法彩色光柵掃描顯示器工作原理

1.鍵盤:最基本的輸入設備，它包括：

1）字母數(shù)字鍵盤：文本輸入、菜單選擇或圖形功能選擇。

2）數(shù)字鍵盤：完成坐標的輸入。

3）光標控制鍵：選擇被顯示的對象或通過定位屏幕光標來確定坐標位置。

4）功能鍵：允許用戶以單一擊鍵輸入常用的操作。

2.鼠標:1968年12月9日，鼠標誕生于美國加州斯坦福大學?？刂乒鈽艘苿佑脕磔斎攵ㄎ蛔鴺嘶蜻x擇操作的輸入設備，它將移動距離及方向的信息變成數(shù)字脈沖信息送給計算機，由計算機轉換成光標的坐標數(shù)據(jù)，從而達到定位目的。按結構分為機械式、半光電式、光電式、軌跡球式、網(wǎng)鼠等按照鼠標的接口分，可分為三種，PS/2口、USB口和無線；除此之外一般可分為兩鍵和三鍵：兩鍵鼠標是微軟的標準，一般稱為MSMOUSE；三鍵鼠標是IBM的標準，稱為PCMOUSE。1.光筆:光筆是一種檢測裝置，是“能檢測出光的筆”。它靠檢測熒光屏上的發(fā)光點來選擇屏幕的位置坐標。

基本功能：定位、拾取和筆劃跟蹤。拾取是選中顯示器上已顯示的圖形或文字。筆劃跟蹤是用光筆拖動光標實現(xiàn)定位，可用于圖形編輯。

1962年，Sutherland用光筆屏幕上畫一幅畫，以文件的形式存在電腦中，還可隨意變大縮小。①操縱桿：是有一根手柄的可搖動裝置。手柄通過一個球形軸承半固定在底座上，在手柄運動時帶動一對電位器或電脈沖產生器產生信號，控制屏幕上的光標的運動。②跟蹤球：跟蹤球是一個球，可用手掌或掌心旋轉使屏幕光標移動。附加的電位計量器用來測量球的旋轉量和方向。2.游戲桿和跟蹤球:觸摸屏是允許用手指觸摸的方式選擇顯示屏幕位置的顯示器。根據(jù)觸點記錄方式將觸摸屏分為