計算機圖形學(xué) 第2章ppt課件

1、第二章第二章 計算機圖形系統(tǒng)計算機圖形系統(tǒng) 與一般計算機系統(tǒng)一樣，計算機圖形系統(tǒng)也是由硬件和軟件兩部分組成。硬件包括主機、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。輸入設(shè)備通常為鍵盤、鼠標(biāo)、數(shù)字化儀、掃描儀和光筆等。輸出設(shè)備則為圖形顯示器、繪圖儀和打印機。這里主要介紹圖形輸出設(shè)備，而圖形輸入設(shè)備的內(nèi)容放在交互技術(shù)那一章去介紹。 而輸出設(shè)備主要為顯示設(shè)備和硬拷貝設(shè)備。2.1 圖形硬件設(shè)備2.1.1 顯示設(shè)備2.1.2 硬拷貝設(shè)備2.2 圖形軟件系統(tǒng)主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：2.1 圖形硬件設(shè)備圖形硬件設(shè)備 圖形系統(tǒng)一般使用視頻顯示器作為基本的輸出設(shè)備，目前大部分視頻顯示器的操作是基于標(biāo)準(zhǔn)的陰極射線管CRT：Cathode

2、Ray Tube設(shè)計的。此外，還有液晶顯示器和等離子板顯示器等，它們體積小，功耗少，主要用于便攜式電腦上。 2.1.1 顯示設(shè)備顯示設(shè)備CRT顯示器經(jīng)歷了多個發(fā)展階段，出現(xiàn)過各種不同類型的CRT顯示器，如存儲式顯示器、隨機掃描顯示器，但是這些顯示器有明顯的缺點，圖形表現(xiàn)能力也很弱。20世紀(jì)70年代開始出現(xiàn)的刷新式光柵掃描顯示技術(shù)走向成熟的一個標(biāo)志。尤其是彩色光柵掃描顯示器的出現(xiàn)，將人們帶入一個多彩的世界。 是一種真空器件，它利用電磁場產(chǎn)生高速的、經(jīng)過聚焦的電子束，偏轉(zhuǎn)到屏幕的不同位置轟擊屏幕表面的熒光材料而產(chǎn)生可見圖形。CRT由五部分組成：電子槍、加速電極、聚焦系統(tǒng)、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏，這五部分

3、都封裝在真空管內(nèi)，其構(gòu)造見下圖。一一 CRT顯示器工作原理顯示器工作原理l陰極射線管陰極射線管(CRT)l組成：包括電子槍、聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、熒光屏組成：包括電子槍、聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、熒光屏l工作原理：電子槍發(fā)射電子束，經(jīng)過聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏工作原理：電子槍發(fā)射電子束，經(jīng)過聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏l轉(zhuǎn)系統(tǒng)，轟擊到熒光屏的不同部位，被其內(nèi)表面的轉(zhuǎn)系統(tǒng)，轟擊到熒光屏的不同部位，被其內(nèi)表面的l熒光物質(zhì)吸收，發(fā)光產(chǎn)生可見的圖形。熒光物質(zhì)吸收，發(fā)光產(chǎn)生可見的圖形。l構(gòu)造構(gòu)造熒光屏熒光屏 熒光物質(zhì)：吸收電子束而發(fā)光熒光物質(zhì)：吸收電子束而發(fā)光余輝時間：持續(xù)發(fā)光時間，電子束離開某點后

4、，該點的亮度值衰減到初始值余輝時間：持續(xù)發(fā)光時間，電子束離開某點后，該點的亮度值衰減到初始值刷新頻率：每秒鐘重繪屏幕的次數(shù)刷新頻率：每秒鐘重繪屏幕的次數(shù)像素像素(Pixel)：構(gòu)成屏幕圖像的最小元素：構(gòu)成屏幕圖像的最小元素分辨率分辨率(Resolution)：在假定：在假定 屏幕尺寸一定的情況下，可用整個屏幕所能容納的屏幕尺寸一定的情況下，可用整個屏幕所能容納的 像素個數(shù)描述，如像素個數(shù)描述，如640*480，800*600，1024*768， 1280*1024等等等等某種某種CRT產(chǎn)生穩(wěn)定圖像所需要的最小刷新頻率產(chǎn)生穩(wěn)定圖像所需要的最小刷新頻率=1秒秒/熒光物質(zhì)的持續(xù)發(fā)光時間熒光物質(zhì)的持續(xù)

5、發(fā)光時間Hz）二二 彩色彩色CRT顯示器顯示器 CRT顯示器利用能發(fā)射不同顏色的熒光物質(zhì)的組合來顯示彩色圖形。組合不同熒光物質(zhì)的發(fā)射光，便能生成一定范圍的彩色。用CRT產(chǎn)生彩色顯示的兩種基本技術(shù)是電子束穿透法和蔭罩法。 電子束穿透法用于隨機掃描顯示器。兩層熒光層，通常是一紅一綠，涂覆在CRT屏幕的內(nèi)層，而顯示的顏色取決于電子束穿透進熒光層的深淺。慢速的電子束只激活外面的紅色層，快速的電子束穿過紅色層并激活里面的綠色層。而中速的電子束，通過紅、綠光發(fā)射的組合，來生成另外的兩種顏色：橙色和黃色。電子束穿透法是隨機掃描顯示器生成彩色的廉價途徑，但只可能有四色，而且圖形質(zhì)量不如其它方法。 1、電子束穿

6、透法、電子束穿透法原理：兩層熒光涂層，紅色光和綠色光原理：兩層熒光涂層，紅色光和綠色光兩種發(fā)光物質(zhì)，不同速度電子束穿透兩種發(fā)光物質(zhì)，不同速度電子束穿透熒光層的深淺，決定所產(chǎn)生的顏色熒光層的深淺，決定所產(chǎn)生的顏色運用：主要用于畫線顯示器運用：主要用于畫線顯示器優(yōu)點：成本低優(yōu)點：成本低缺陷：只能產(chǎn)生有限幾種顏色缺陷：只能產(chǎn)生有限幾種顏色 根據(jù)屏幕上熒光點的排列不同，控制柵也就不一樣。普通的顯示器一般用三角的排列方式，這種顯像管被稱為蔭罩式顯像管。蔭罩法常用于光柵掃描系統(tǒng)，因為它能產(chǎn)生的彩色范圍比電子束穿透法寬廣得多。2、蔭罩式、蔭罩式能顯示16兆種顏色的顯示系統(tǒng)叫做真彩色顯示系統(tǒng)3、蔭柵式、蔭柵式

7、 普通的顯象管采用的都是蔭罩式顯象管，顯象管的表面呈略微凸起的球面狀，故稱之為“球面管”。蔭罩式球面顯示器幾何失真大，而且三角形的熒光點排列造成即使點很密很細也不會特別清晰，所以近幾年蔭柵式顯示器逐漸流行起來。 采用蔭柵式顯像管的顯示器有柱面顯示和平面顯示器。柱面顯示它的表面在水平方向仍然略微凸起，但是在垂直方向上卻是筆直的，可將屏幕上方的光線反射到下方，減弱眩光。平面顯示器，屏幕完全平面，大大提高質(zhì)量。R G B紅綠蘭蔭柵熒光屏蔭柵式彩色CRT顯色原理這種條狀蔭柵由固定在一個拉力極大的鐵框中的，互相平行的垂直鐵線陣列組成。這種柵欄從屏幕頂一直通到屏幕底，而不是單獨的熒光點。通過電子槍射出電子

8、束，穿過柵條打在熒光條上使其發(fā)光。這種結(jié)構(gòu)因消除了縱向間距，透光率比蔭罩式顯示器高30%，加之垂直的熒光粉條，所以亮度更高，色彩比其它的顯像管系統(tǒng)亮麗細致。 蔭柵式與蔭罩式顯像管的區(qū)別主要表現(xiàn)在選色板及熒光粉的排列方式。蔭罩式顯像管的選色板為孔狀金屬板，熒光粉為點狀排列，點距是0.28；蔭柵式顯像管的選色板采用垂直金屬線組成，熒光粉的排列為R、G、B三色熒光粉條，點距是0.25，透光率更強，因而顯示色彩更豐富亮麗。蔭柵式顯像管在垂直方向不存在弧度，所以垂直方向無失真。 R GG BB0.25mmd=0.28mm0.22mm0.31mmR GBG點距為. 2 5 的 柱面顯示器點距為. 2 8

9、的 球面顯示器柱面和球面顯示器點距定義示意圖三、隨機掃描的圖形顯示器三、隨機掃描的圖形顯示器 隨機掃描顯示器又稱矢量顯示器、筆劃顯示器，隨機掃描顯示器電子束的定位和偏轉(zhuǎn)具有隨機性，只在需要的地方掃描，而不必全屏掃描。隨機掃描顯示器特點由計算機加工成為顯示器的顯示文件。顯示文件經(jīng)接口電路送到顯示器的緩沖存儲器，而固定存儲器中則存放各種常用字符、數(shù)字等顯示指令。DPU取出緩沖存儲器或固定存儲器中的顯示指令，依次執(zhí)行，再由控制電路使電子束以所需的亮度偏轉(zhuǎn)到所需的位置。 1.無多余掃描、速度快、圖象清晰、比光柵系統(tǒng)更高的分辨率、生成光滑線條。2.不能顯示逼真場景、驅(qū)動系統(tǒng)也較復(fù)雜。3.不能顯示太復(fù)雜的

10、圖形，因為顯示文件會太長，重復(fù)掃描圖形會閃爍。特點：特點：四、存儲管式的圖形顯示器四、存儲管式的圖形顯示器 是20世紀(jì)60年代后期開始出現(xiàn)的圖形顯示器，最大特點在于它的熒光粉能夠在足夠長的時間內(nèi)以小時計保持圖形而不需要刷新，因此價格低廉，可以不閃爍地顯示任意多的線條和字符，而且相當(dāng)清晰。致命弱點在于圖形的修改和刪除方面，它只能一次擦除整屏的圖形，而且擦除時間長達數(shù)秒，若想有選擇地擦除某一部分圖形則是不可能的。這樣，就限制了它在動態(tài)作圖和交互修改作圖方面的應(yīng)用。表達。 顯示圖形的方式和隨機掃描顯示器一樣，電子束在屏幕上隨機繪出圖形，同樣它也只能畫線圖，不能進行實面積填充。存儲管式顯示器特點1、無

11、需刷新、很復(fù)雜的圖形都可以在極高的分辨率下無閃爍地顯示。2、成本較低，不需要太大內(nèi)存。3、不能顯示彩色、不能局部修改、動畫效果不好。五、光柵掃描式圖形顯示器五、光柵掃描式圖形顯示器 在光柵掃描系統(tǒng)中，電子束橫向掃描屏幕，一次一行，從頂?shù)降醉槾芜M行。當(dāng)電子束橫向沿每一行移動時，電子束的強度隨幀緩存器中的值而變化，從而在屏幕上建立亮點的圖案。 可顯示真實感圖形 圖形的動畫效果較好 顯示斜線時有階梯效應(yīng)光柵掃描顯示器的特點光柵掃描顯示器的特點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，就流態(tài)

12、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，就會改變它的物理性質(zhì)而發(fā)生形變，此時通過它的光的折射角會改變它的物理性質(zhì)而發(fā)生形變，此時通過它的光的折射角度就會發(fā)生變化，而產(chǎn)生色彩，生成圖形的機理是通過能阻度就會發(fā)生變化，而產(chǎn)生色彩，生成圖形的機理是通過能阻塞或傳遞光的液晶材料，傳遞來自周圍的或內(nèi)部光源的偏振塞或傳遞光的液晶材料，傳遞來自周圍的或內(nèi)部光源的偏振光。光。六六 液晶顯示器液晶顯示器液晶顯示器由六層組成，如下圖所示。等離子體顯示Plasma Panel），其結(jié)構(gòu)為用通常包括氖氣的混合氣體充入兩塊玻璃板之間的區(qū)域。一塊玻璃板上放置一系列垂直導(dǎo)電帶，而另一玻璃板上構(gòu)造一組水平帶,如下圖所示

13、。七七 等離子顯示器等離子顯示器 在成對的水平和垂直導(dǎo)電帶上施以點火電壓，導(dǎo)致兩導(dǎo)電帶交叉點處的氣體進入輝光放電的等離子區(qū)。圖形的定義被存儲在刷新緩沖器，點火電壓以每秒60次的速率，用于刷新象素位置導(dǎo)電帶的交叉處），使用交變電流方法快速提供點火電壓，可得到較亮的顯示。等離子體顯示技術(shù)適合于制造較大屏幕的顯示器。 圖形顯示器用于觀察、修改圖形，但是屏幕上的圖形不可能長久地保存下來，在工程界還需要變成圖紙或膠片用于生產(chǎn)，因此在計算機圖形系統(tǒng)中還應(yīng)該有繪圖機這樣的圖形硬拷貝輸出設(shè)備。象顯示器一樣，圖形硬拷貝輸出設(shè)備的發(fā)展也非常迅速，且種類繁多，它的發(fā)展動向正朝著高速度、高精度、高性能、大面積、低成本

14、的方向發(fā)展。 2.1.2 硬拷貝設(shè)備硬拷貝設(shè)備一、打印機一、打印機 打印機以兩種方式：擊打式或非擊打式產(chǎn)生輸出。擊打式打印機隔著色帶將某種格式的字符打在紙上。行式打印機是擊打設(shè)備的例子，其字體裝在帶上、鏈上、鼓上或輪上。非擊打式打印機和繪圖儀用激光技術(shù)、噴墨技術(shù)、復(fù)印技術(shù)照相拷貝）、靜電方式和電熱方式，把圖像印在紙上。 字符擊打式打印機常常有一個點陣打印頭，其中包含有一組矩形陣列結(jié)構(gòu)金屬針，針的總數(shù)決定著打印機的質(zhì)量，單個字符或圖案可用縮回某些針而讓余下的針來打印。激光打印機結(jié)構(gòu)圖二、激光設(shè)備二、激光設(shè)備在激光設(shè)備里，激光束把要打印的圖形寫在感光鼓上，鼓再把這一圖形轉(zhuǎn)移到紙上。激光打印機的主要

15、構(gòu)成部分有感光鼓、炭粉、打底電暈絲和轉(zhuǎn)移電暈絲。噴繪儀實物圖三、噴墨設(shè)備三、噴墨設(shè)備噴墨法產(chǎn)生的輸出，是沿包裹在鼓上的紙卷逐行噴墨水來實現(xiàn)的。在高壓下墨水形成墨霧，充電荷的墨霧在電場控制下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，將墨霧噴印到紙上。靜電繪圖儀結(jié)構(gòu)圖 四、靜電設(shè)備四、靜電設(shè)備 靜電設(shè)備沿紙的寬度方向一次一整行地置負電荷于紙上，爾后，面對調(diào)色劑曝光。調(diào)色劑充以正電，被吸引到充以負電的區(qū)域，從而產(chǎn)生指定的輸出。 靜電繪圖儀分辨率可達200dpi，其速度比筆繪儀高，運行可靠，噪聲小，但用紙?zhí)厥舛鴥r格昂貴。熱升華打印機 五、電熱式設(shè)備五、電熱式設(shè)備電熱式利用點陣打印頭的熱度，在熱感應(yīng)紙上輸出圖案。平面電機式繪圖儀結(jié)構(gòu)圖

16、 機械傳動式繪圖儀結(jié)構(gòu)圖 六、筆繪儀六、筆繪儀筆繪儀有一支或多支筆安裝在橫跨紙的筆架或滑桿上，各種彩色和不同粗細的筆用來繪制各種陰影和線型。與前面幾種點陣硬拷貝設(shè)備不同，筆繪儀屬于隨機畫線硬拷貝設(shè)備。 筆繪儀的繪圖速度取決于繪圖筆移動的速度和加速度。這里，加速度和筆繪儀筆頭的質(zhì)量有關(guān)。2.2 圖形軟件系統(tǒng)圖形軟件系統(tǒng) 硬件是實現(xiàn)繪圖的必要條件，但要保證具有良好的信息處理能力、較高的繪圖速度與精度、清晰美觀的圖形、操作使用方便，則必須有足夠先進的軟件支持系統(tǒng)。圖形軟件系統(tǒng)涉及：圖形應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、圖形應(yīng)用程序、圖形軟件包及圖形接口等內(nèi)容。 一、圖形應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一、圖形應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 圖形應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

17、實際上是一組圖形數(shù)據(jù)文件，其中存儲了欲生成圖形對象的全部描述信息。 這些信息包括對象的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，對象的顏色、線型實線、虛線、點劃線等）、紋理等屬性，以及對象各部分之間連接關(guān)系的數(shù)據(jù)，有時還可能包括對象的某些專業(yè)屬性，如：比重、價錢、資料、高程、植被等。 在計算機圖形學(xué)中，根據(jù)這類信息的詳細描述，生成對應(yīng)的圖形，并完成對這些圖形的操作和處理。所以，圖形應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是生成圖形的基礎(chǔ)。二、圖形應(yīng)用程序二、圖形應(yīng)用程序圖形應(yīng)用程序在整個圖形軟件系統(tǒng)中起著主控的作用。 它一方面根據(jù)應(yīng)用問題的要求，從應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中提取數(shù)據(jù)，調(diào)用圖形包的相關(guān)子程序，完成作圖或?qū)D形進行各種處理；另一方面，它又接受操作員的輸入信息，作出相應(yīng)的反應(yīng)如修改或增刪數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)項，改變作圖模式，重新作圖等）； 此外，它還包括用戶界面的一些操作：菜單提示、文件存取、圖形設(shè)備接口的調(diào)用、圖形圖像格式的轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)維護、信息提示、幫助等等，從而構(gòu)成一個功能完整的圖形軟件系統(tǒng)環(huán)境。三、圖形軟件包三、圖形軟件包 圖形軟件包是圖形軟件的核心，它實際上是由許多圖形子程序所組成。 圖形軟件包在操作系統(tǒng)上建立了面向圖形的輸入、輸出、生成、坐標(biāo)變換、修改等功能命令，以及系統(tǒng)調(diào)用和定義標(biāo)準(zhǔn)，而且要求對用戶透明，與所采用的圖形設(shè)備無關(guān)