圖形學(xué)CG第2章電子教案

2023/2/41第二章計算機(jī)圖形系統(tǒng)本章將介紹計算機(jī)圖形系統(tǒng)，包括圖形系統(tǒng)概述、圖形設(shè)備、圖形標(biāo)準(zhǔn)2023/2/422.1計算機(jī)圖形系統(tǒng)概述2.1.1計算機(jī)圖形系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2023/2/43

1、圖形軟件系統(tǒng)圖形應(yīng)用軟件和圖形支撐軟件兩大類。（1）圖形應(yīng)用軟件幾何造型平臺、CAD/CAM軟件、計算機(jī)動畫軟件、科學(xué)計算可視化軟件等。Autodesk的主導(dǎo)產(chǎn)品AutoCAD，二維繪圖軟件。Unigraphics（UG），Pro/Engineer，I-DEAS，以及國內(nèi)的高華CAD、CAXA、GS-CAD98等。（2）圖形支撐軟件圖形支撐軟件是支撐程序員開發(fā)圖形應(yīng)用軟件的軟件，包括操作系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動程序、語言系統(tǒng)、圖形標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)等。2023/2/44在某種程序設(shè)計語言中，擴(kuò)充加入了圖形語句或函數(shù)，使其具備圖形生成及處理功能，如TurboC、AutoLisp等。圖形標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)通常是通用編程軟件包或圖形庫的形式，如OpenGL。圖形支撐軟件提供各種圖形的生成、實現(xiàn)圖形的處理和輸入輸出操作、控制和處理各種圖形設(shè)備以及交互過程中的各種事件。2023/2/45

2、圖形硬件系統(tǒng)圖形硬件系統(tǒng)是計算機(jī)圖形系統(tǒng)的硬件平臺，包括圖形計算機(jī)平臺和圖形設(shè)備兩部分。（1）圖形計算機(jī)平臺（2）圖形設(shè)備2023/2/462.1圖形輸入設(shè)備1.輸入設(shè)備常用輸入設(shè)備:

鍵盤（keyboard）,鼠標(biāo)器,光筆(lightpen),觸摸屏(touchscreen),操縱桿(joystick),

新型輸入設(shè)備:數(shù)據(jù)手套(dataglove),數(shù)字化儀(digitizer),圖象掃描儀(scaner)1.繪圖儀

滾筒式,平板式2.打印機(jī)撞擊式（impact）打印機(jī),非撞擊式（Nonimpact）打印機(jī)(噴墨式,激光式)2023/2/472.2圖形繪制設(shè)備2.3圖形顯示設(shè)備顯示設(shè)備分為兩大類:

基于陰極射線管（CRTCathode－RayTube）的監(jiān)視器,平板顯示器.

CRT顯示器的發(fā)展階段:存儲管式顯示器，隨機(jī)掃描顯示器（又稱矢量顯示器），刷新式光柵掃描顯示器.

平板顯示器:液晶顯示器、等離子顯示器、激光顯示器等。在應(yīng)用中，由于液晶顯示器價格的大幅降低，使用日漸增多，大有取代CRT顯示器的趨勢。2023/2/482023/2/49

1.單色陰極射線管

CRT（CathodeRayTube）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。2023/2/410從外形上看，CRT為：管頸部分、錐體部分、屏幕部分從結(jié)構(gòu)上看，CRT為：電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、熒光屏2023/2/4112.彩色陰極射線管產(chǎn)生彩色方法：射線穿透法和影孔板法。射線穿透法:采用兩層熒光涂層，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。射線穿透法:主要用于畫線顯示器，其優(yōu)點(diǎn)是成本低，而缺點(diǎn)是只能產(chǎn)生有限幾種顏色。2023/2/4122023/2/413影孔板法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蔭罩式彩色顯象管主要結(jié)構(gòu)：三色熒光屏、三支電子槍、蔭罩板2023/2/4142023/2/415三色熒光屏蔭罩板2023/2/416三支電子槍2023/2/4173.光柵掃描的圖形顯示器

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(jìn)行。當(dāng)電子束橫向沿每一行移動時，電子束的強(qiáng)度不斷變化來建立亮點(diǎn)的圖案。2023/2/4182023/2/419(1)幾個概念刷新速率：每秒60到80幀，即60Hz或80Hz。水平回掃（horizontalretrace），行掃描垂直回掃（verticleretrace），場掃描逐行掃描和隔行（interlaced）掃描：隔行掃描技術(shù)主要用于較慢的刷新速率，以避免閃爍2023/2/420刷新緩沖存儲器（refreshbuffer）或稱幀緩沖存儲器（framebuffer）象素:若將整個屏幕掃描線分成n行，而每行有m個點(diǎn)，每個點(diǎn)為一個像素，則整個屏幕有m×n個像素.掃描轉(zhuǎn)換過程:象素信息是從應(yīng)用程序轉(zhuǎn)換并放入幀緩沖區(qū)的過程屏幕分辨率:是指CRT在水平或垂直方向的單位長度上能分辨出的最大光點(diǎn)（像素）數(shù)。特點(diǎn):分辨率越高，相鄰像素點(diǎn)之間的距離越小，顯示的字符或圖像也就越清晰。

顯示分辨率:是顯示控制器所能提供的顯示模式分辨率.如640*480，800*600，1024*768，2800*1024等。存儲分辨率:是指幀緩沖區(qū)的大小，一般用緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù)表示.不僅與顯示分辨率有關(guān)，還與像素點(diǎn)的色彩有關(guān).2023/2/4212023/2/422亮度等級又稱灰度:主要指單色顯示器的亮度變化。色彩:包括顯示器可選擇顏色的數(shù)目以及一幀畫面可同時顯示的顏色數(shù)，與熒光屏的質(zhì)量有關(guān)，并受顯示存儲器VRAM容量的影響。2023/2/423走樣2023/2/4243平板顯示器（flat-paneldisplay）低電壓、輕小型、數(shù)字化顯示器件平板顯示器（flat-paneldisplay）非發(fā)射顯示器（none-missivedisplay）發(fā)射顯示器（emissivedisplay）2023/2/4251.液晶顯示器（LiquidCrystalDisplay）液晶的電光效應(yīng)：當(dāng)液晶分子的某種排列狀態(tài)在電場作用下變?yōu)榱硪环N排列狀態(tài)時，液晶的光學(xué)性質(zhì)隨之改變。液晶顯示的機(jī)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)部光源的偏振光。2023/2/4262顯示卡簡單的光柵圖形顯示子系統(tǒng)2023/2/427常用的光柵圖形顯示子系統(tǒng)2023/2/428發(fā)展的光柵圖形顯示子系統(tǒng)2023/2/4293相關(guān)概念1.分辨率光點(diǎn)一般是指電子束打在顯示器的熒光屏上，顯示器能夠顯示的最小的發(fā)光點(diǎn)象素點(diǎn)是指圖形顯示在屏幕上時候，按當(dāng)前的圖形顯示分辨率所能提供的最小元素點(diǎn)。2023/2/430

三種分辨率：屏幕分辨率:也稱為光柵分辨率，它決定了顯示系統(tǒng)最大可能的分辨率，任何顯示控制器所提供的分辨率也不能超過這個物理分辨率通常用水平方向上的光點(diǎn)數(shù)與垂直方向上的光點(diǎn)數(shù)的乘積來表示。2023/2/431

顯示分辨率:是計算機(jī)顯示控制器所能夠提供的顯示模式分辨率，實際應(yīng)用中簡稱為顯示模式。對于文本顯示方式，顯示分辨率用水平和垂直方向上所能顯示的字符總數(shù)的乘積表示。對于圖形顯示方式，則用水平和垂直方向上所能顯示的象素點(diǎn)總數(shù)的乘積表示。顯示分辨率不同，它所對應(yīng)的象素點(diǎn)大小也不同。2023/2/432圖形的存儲分辨率:是指幀緩沖區(qū)的大小，一般用緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù)表示。存儲分辨率不僅與顯示分辨率有關(guān)，還與象素點(diǎn)的色彩有關(guān)。幀緩存大小的計算：

x方向的象素點(diǎn)數(shù)*y方向的象素點(diǎn)數(shù)*log2n/8其中：n為顏色數(shù)或灰度等級數(shù)2023/2/433屏幕分辨率決定了所能顯示的最高分辨率。顯示分辨率和存儲分辨率對所能顯示的圖形分辨率也有控制作用。2.象素與幀緩存屏幕上一個象素點(diǎn)就對應(yīng)幀緩存中的一組信息。組合象素法（PackedPixelMethod）顏色位面法（ColorPlaneMethod）2023/2/434

組合象素法:一個圖形象素點(diǎn)的全部信息被編碼成一個數(shù)據(jù)字節(jié)，按照一定方式存儲到幀緩存中，編碼字節(jié)的長度與點(diǎn)的屬性（如顏色、灰度等）有關(guān)。2023/2/435

顏色位面法:幀緩存被分成若干獨(dú)立的存儲區(qū)域，每一個區(qū)域稱為一個位面（BitPlane），每個位面控制一種顏色或者灰度，每一個圖形象素點(diǎn)在每個位面中占一位，通過幾個位面中的同一位組合成一個象素。2023/2/4362023/2/4373.顏色查找表

顏色查找表(也稱調(diào)色板):是由高速的隨機(jī)存儲器組成，用來儲存表達(dá)象素色彩的代碼。此時幀緩沖存儲器中每一象素對應(yīng)單元的代碼不再代表該象素的色彩值，而是作為查色表的地址索引。2023/2/4382023/2/4392023/2/4404.顯示長寬比

顯示長寬比，即水平點(diǎn)數(shù)與垂直點(diǎn)數(shù)之比。要求在屏幕兩個方向上相同象素點(diǎn)數(shù)產(chǎn)生同樣長度的線段，以使圖形不至發(fā)生畸變。2023/2/4415.屏幕坐標(biāo)系2023/2/4422.3.3PC圖形顯示卡（自學(xué)）2023/2/4431.MDA（MonochromeDisplayAdapter）2.CGA（ColorGraphicsAdapter）3. EGA（ExtendedGraphicsArray）/VGA（VideoGraphicsArray）顯示模式4.高性能圖形顯示卡SVAG、AVGA、TVGA、顯示存儲器的帶寬刷新帶寬2023/2/4442.5圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)

圖形標(biāo)準(zhǔn)是指系統(tǒng)中各界面之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口標(biāo)準(zhǔn)、語言連接規(guī)范和應(yīng)用程序接口API標(biāo)準(zhǔn)等。圖形標(biāo)準(zhǔn)的制定是為了在不同的計算機(jī)系統(tǒng)和圖形設(shè)備之間進(jìn)行圖形應(yīng)用軟件的移植。計算機(jī)圖形標(biāo)準(zhǔn)有GKS標(biāo)準(zhǔn)、CGM標(biāo)準(zhǔn)、CGI標(biāo)準(zhǔn)、IGES標(biāo)準(zhǔn)、DXF標(biāo)準(zhǔn)、STEP標(biāo)準(zhǔn)、OpenGL標(biāo)準(zhǔn)。

2023/2/445OpenGL（OpenGrepgicsLibrary）

OpenGL（OpenGrepgicsLibrary）是在SGI等多家世界聞名的計算機(jī)公司的倡導(dǎo)下制定的一個通用共享的開放式的三維圖形標(biāo)準(zhǔn)。它提供了一個標(biāo)準(zhǔn)的計算機(jī)圖形學(xué)所使用的數(shù)學(xué)模型到顯示的接口，并獨(dú)立于硬件設(shè)備和操作系統(tǒng)。以它為基礎(chǔ)