計(jì)算機(jī)圖形學(xué) 第2章 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)武漢科技大學(xué)第2章計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)交互式計(jì)算機(jī)圖形處理系統(tǒng)Computer+人=交互式2PersonelComputer圖形處理系統(tǒng)workstation圖形處理系統(tǒng)要求主機(jī)性能更高（強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算能力），速度更快，存儲(chǔ)容量更大，外設(shè)種類更齊全圖形加速卡，大屏幕顯示器硬件發(fā)展圖形輸入設(shè)備的發(fā)展第一階段：控制開(kāi)關(guān)、穿孔紙等第二階段：鍵盤、光筆第三階段：二維定位設(shè)備，如鼠標(biāo)、坐標(biāo)數(shù)字化儀、跟蹤球、觸摸屏、操縱桿、掃描儀等第四階段：三維輸入設(shè)備（如三維鼠標(biāo)、空間球、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣）智能人機(jī)接口：用戶的手勢(shì)、表情、語(yǔ)音等3三維鼠標(biāo)4空間球根據(jù)球在不同方向受到的推或拉的壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)定位和選擇

圖形輸入設(shè)備（1/13）圖形輸入設(shè)備（2/13）5數(shù)據(jù)手套(Dataglove)

可測(cè)量出手的位置和形狀，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境中的虛擬手及其對(duì)虛擬物體的操縱。數(shù)據(jù)手套通過(guò)手指上的彎曲、扭曲傳感器和手掌上的彎度、弧度傳感器，確定手及關(guān)節(jié)的位置和方向。圖形輸入設(shè)備（3/13）用于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的顯示器類型頭盔式顯示器(HeadMountedDisplay，HMD)空間沉浸式顯示器(SID,如洞穴式和園頂式)顯示硬件頭盔式顯示器將觀察者的頭部位置及運(yùn)動(dòng)方向告訴計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)就可以調(diào)整觀察者所看到的圖景，使得呈現(xiàn)圖像更趨于真實(shí)感絕大多數(shù)頭盔式顯示器使用兩個(gè)顯示器利用特殊光學(xué)設(shè)備對(duì)圖像進(jìn)行處理，使圖像看上去立體感更強(qiáng)把用戶的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和其他感覺(jué)封裝起來(lái)，產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的錯(cuò)覺(jué)。6圖形輸入設(shè)備（4/13）7圖形輸入設(shè)備（5/13）數(shù)據(jù)衣也是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中用的人機(jī)交互設(shè)備一件虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)據(jù)緊身服可使你有在水中或泥沼中游泳的感覺(jué)8圖形輸入設(shè)備（6/13）9掃描儀常用類型滾筒式由電子分色機(jī)發(fā)展而來(lái)，用光電倍增管作為顏色感受器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)掃描圖像質(zhì)量相對(duì)較高，可掃描幅面更大平板式采用電荷耦合器件CCD（ChargeCoupledDevice）圖形輸入設(shè)備（7/13）10掃描儀工作原理用光源照射原稿投射光線經(jīng)過(guò)一組光學(xué)鏡頭射到CCD器件上，得到元件的顏色信息再經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，圖象數(shù)據(jù)暫存器等最終輸入到計(jì)算機(jī)圖形輸入設(shè)備（8/13）11指標(biāo)分辨率光學(xué)分辨率：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度上能采樣信息點(diǎn)數(shù)插值分辨率：驅(qū)動(dòng)軟件插值計(jì)算得到的分辨率掃描分辨率：掃描時(shí)的實(shí)際輸入分辨率能放置原稿的原稿尺寸原稿放大倍數(shù)如光學(xué)分辨率為6000dpi，所需圖像分辨率為300dpi，則可放大20倍位深度、色深度決定可以獲取圖像的最大灰度級(jí)數(shù)、最多顏色數(shù)圖形輸入設(shè)備（9/13）12數(shù)碼相機(jī)采用的攝像感應(yīng)器有兩種CCDCMOS：便宜，但質(zhì)量相對(duì)較差圖形輸入設(shè)備（10/13）圖形輸入的一個(gè)特殊領(lǐng)域真實(shí)物體的三維信息的輸入

零件進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)必須在計(jì)算機(jī)中生成三維實(shí)體模型這個(gè)模型有時(shí)要通過(guò)已有的實(shí)物零件得到采集實(shí)物表面各個(gè)點(diǎn)的位置信息掃描保存古代名貴的雕塑和其它藝術(shù)品的三維信息在計(jì)算機(jī)中產(chǎn)生這些藝術(shù)品的三維模型13圖形輸入設(shè)備（11/13）美國(guó)斯坦福大學(xué)計(jì)算機(jī)系的著名圖形學(xué)專家MarcLevoy曾經(jīng)帶領(lǐng)他的30人工作小組（包括美國(guó)斯坦福大學(xué)及美國(guó)華盛頓大學(xué)的教師和學(xué)生）于1998～1999學(xué)年在意大利，專門對(duì)文藝復(fù)興時(shí)代的雕刻大師米開(kāi)朗基羅的眾多藝術(shù)品進(jìn)行掃描，保存其形狀和面片信息專門設(shè)計(jì)了一套硬件和軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)量驚人，光大衛(wèi)像就有20億個(gè)多邊形和7000張彩色圖象，總共需要72G的磁盤容量實(shí)體圖形輸入的一個(gè)顛峰之作14圖形輸入設(shè)備（12/13）三維數(shù)字化儀二維數(shù)字化儀工作原理電磁感應(yīng)技術(shù)由一塊數(shù)據(jù)板和一根觸筆組成數(shù)據(jù)板中布滿了金屬柵格，當(dāng)觸筆在數(shù)據(jù)板上移動(dòng)時(shí)，其正下方的金屬柵格上就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流根據(jù)已產(chǎn)生電流的金屬柵格的位置，就可以判斷出觸筆當(dāng)前的幾何位置許多數(shù)字化儀提供了多種壓感電流，用不同的壓力就會(huì)有不同的信息傳向計(jì)算機(jī)15圖形輸入設(shè)備（13/13）16美術(shù)家數(shù)字化儀（帶壓力傳感器，無(wú)繩觸筆）通過(guò)控制筆的壓力繪制不同風(fēng)格的畫現(xiàn)在非常流行的漢字手寫系統(tǒng)就是一種數(shù)字化儀圖形輸出設(shè)備：圖形輸出包括圖形的顯示和圖形的繪制圖形顯示指的是在屏幕上輸出圖形圖形繪制通常指把圖形畫在紙上，也稱硬拷貝，打印機(jī)和繪圖儀是兩種最常用的硬拷貝設(shè)備圖形輸出設(shè)備CRT(cathoderaytube):1．隨機(jī)掃描顯示器2．光柵掃描顯示器（最普遍使用的CRT）平板顯示器

1.發(fā)射：

等離子顯示器(plasmapanel)，發(fā)光二級(jí)管（LEDlightemittingdiode）

2.非發(fā)射:

液晶顯示器LCD（liquidcrystaldisplay）圖形顯示設(shè)備

組成：電子槍、聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、熒光屏

工作原理：電子槍發(fā)射電子束，經(jīng)過(guò)聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，轟擊到熒光屏的不同部位，被其內(nèi)表面的熒光物質(zhì)吸收，發(fā)光產(chǎn)生可見(jiàn)的圖形。結(jié)構(gòu)陰極射線管(CRT)電子槍由電燈絲，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)通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)控制電子束，“變細(xì)”，保證亮點(diǎn)足夠小，提高分辯率

加速電極 加正的高壓電（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，產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，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)。熒光屏

熒光物質(zhì)的持續(xù)發(fā)光時(shí)間/余輝(persistence)：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)72dpi144dpi像素(Pixel)：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)度上能最大可分辨的像素?cái)?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等產(chǎn)生彩色的常用方法：射線穿透法影孔板法彩色陰極射線管原理：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：主要用于畫線顯示器優(yōu)點(diǎn)：成本低缺點(diǎn)：只等產(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射線穿透法影孔板法外層玻璃熒光涂層影孔板原理：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點(diǎn)狀影孔板點(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）三支電子槍顯示器能同時(shí)顯示的顏色個(gè)數(shù)調(diào)節(jié)各電子槍發(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。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，稱為真彩系統(tǒng)電子槍、影孔板中的一個(gè)小孔和熒光點(diǎn)呈一直線；每個(gè)小孔與一個(gè)像素（即三個(gè)熒光點(diǎn)）對(duì)應(yīng)點(diǎn)狀影孔板工作原理隨機(jī)掃描顯示系統(tǒng)電子束可隨意移動(dòng)，只掃描熒屏上要顯示的部分。三個(gè)邏輯部件：刷新存儲(chǔ)器(RefreshingBuffer),顯示處理器（DPU:DisplayProcessingUnit）和CRT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，它由顯示控制器負(fù)責(zé)解釋執(zhí)行，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。光柵掃描顯示系統(tǒng)光柵掃描顯示系統(tǒng)特點(diǎn)：光柵掃描掃描線幀水平回掃期垂直回掃期繪圖過(guò)程幀緩沖存儲(chǔ)器作用：存儲(chǔ)屏幕上像素的顏色值簡(jiǎn)稱幀緩沖器，俗稱顯存幀緩存中單元數(shù)目與顯示器上像素的數(shù)目相同，單元與像素一一對(duì)應(yīng)，各單元的數(shù)值決定了其對(duì)應(yīng)像素的顏色。顯示顏色的種類與幀緩存中每個(gè)單元的位數(shù)有關(guān)（圖示幀緩沖器的每個(gè)單元只有一位）。色深(ColorDepth)Pixel=picture+elementResolution=pixelsperinchordotsperinch(dpi)bit-depth=numberofcoloursperpixel:

色深(ColorDepth)色深也叫做位深度(bitdepth)，表示顯示緩存中記錄屏幕上一個(gè)像素的位（bit)數(shù)（幀緩存位面數(shù)），也即顯示器可以顯示的色彩數(shù)。

1:B&W二值圖像

8:256colours24:16millionsofcoloursHigherbit-depth(morecoloursperpixel),16色增強(qiáng)色（16位）顯示分辨率M*N、色深K位與最小顯存大小V的關(guān)系V≥M×N×K（位）問(wèn)題：8個(gè)位面，分辯率是1024×768的顯示器，需要至少？位的存儲(chǔ)器。查色表（lookupTable）或稱彩色表（colortable）是一維線性表，其每一項(xiàng)的內(nèi)容對(duì)應(yīng)一種顏色，它的長(zhǎng)度由幀緩存單元的位數(shù)決定，例如：每單元有8位，則查色表的長(zhǎng)度為28＝256目的：在幀緩存單元的位數(shù)不增加的情況下，具有大范圍內(nèi)挑選顏色的能力：光柵掃描顯示器與隨機(jī)掃描顯示系統(tǒng)比較光柵顯示器的主要優(yōu)點(diǎn)造價(jià)低和具有對(duì)顯示區(qū)域填充顏色或圖案的能力。刷新過(guò)程與圖像的復(fù)雜性(多邊形的數(shù)目等)無(wú)關(guān)。光柵顯示器的主要缺點(diǎn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示所需的計(jì)算量比向量顯示器要大得多。走樣

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，容易受電磁波干擾長(zhǎng)期電磁輻射會(huì)對(duì)人們健康產(chǎn)生不良影響液晶顯示器LCD（liquidcrystaldisplay）液晶顯示器LCD（liquidcrystaldisplay）

液晶的發(fā)明與發(fā)現(xiàn)1877

年

OttoLehmann運(yùn)用偏極化的顯微鏡首次觀測(cè)到了液晶化的現(xiàn)象

1888年奧地利的植物學(xué)家

FriedrichReinitzer發(fā)現(xiàn)了螺旋性甲苯酸鹽的化合物的特殊性質(zhì)。1963年美國(guó)RCA公司的威廉發(fā)現(xiàn)了液晶會(huì)受到電器的影響而產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，也發(fā)現(xiàn)光線射入到液晶中會(huì)產(chǎn)生折射。

RCA的開(kāi)發(fā)部門發(fā)表了全球首臺(tái)利用液晶特性來(lái)顯示畫面的螢?zāi)弧?976年

日本SHARP液晶顯示器的產(chǎn)品正式量產(chǎn)出貨，

液晶的物理性質(zhì)1.扭曲排列的液晶具有旋光性質(zhì)

2.當(dāng)液晶分子受到外加電場(chǎng)的作用，便很容易的被極化產(chǎn)生感應(yīng)偶極性（induceddipolar）液晶本身并不能發(fā)光，它主要是通過(guò)因?yàn)殡妷旱母漠a(chǎn)生電場(chǎng)而使液晶分子排列產(chǎn)生變化來(lái)顯示圖像。液晶顯示器LCD（續(xù)）液晶顯示器LCD（續(xù)）

液晶顯示器的顯示原理

LCD指標(biāo)1.亮度

2.對(duì)比度3.最大顯示顏色數(shù)4.液晶顯示器的響應(yīng)時(shí)間5.分辨率6.點(diǎn)距（DotPitch）7.尺寸8.可視角度液晶顯示器LCD（續(xù)）圖形軟件發(fā)展及軟件標(biāo)準(zhǔn)形成

三種類型的計(jì)算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)：(1)用某種語(yǔ)言寫成的子程序包如:GKS(GraphicsKernelSystem)PHIGS(Programmer’sHerarchicalIuteractiveGraphicssystem)GL 便于移植和推廣、但執(zhí)行速度相對(duì)較慢，效率低(2）擴(kuò)充計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，使其具有圖形生成和處理的功能

如：TurboC，AutoLisp等。

簡(jiǎn)練、緊湊、執(zhí)行速度快，但不可移植（3）專用圖形系統(tǒng)：效率高，但系統(tǒng)開(kāi)發(fā)量大，可移植性差。 4647通用的、與設(shè)備無(wú)關(guān)的圖形標(biāo)準(zhǔn)GKS(GraphicsKernelSystem)(第一個(gè)官方標(biāo)準(zhǔn)，1977)PHIGS(Programmer’sHerarchicalIuteractiveGraphicssystem)一些非官方圖形軟件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)界，成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)DirectX(MS)Xlib(X-Window系統(tǒng))OpenGL(SGI)Adobe公司Postscript 開(kāi)放式、高效率的發(fā)展趨勢(shì)開(kāi)放式的三維圖形軟件包OpenGLOpenGL是在SGI等多家世界聞名的計(jì)算機(jī)公司的倡導(dǎo)下，以SGI的GL三維圖形庫(kù)為基礎(chǔ)制定的一個(gè)通用共