計(jì)算機(jī)圖形學(xué) 第二章

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)第二章第一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五

本章重點(diǎn)1.圖形系統(tǒng)的組成（硬件、軟件）及功能。2.目前常見的幾類圖形系統(tǒng)。3.圖形輸入設(shè)備的分類。4.光柵掃描圖形顯示器。第二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五2.1圖形系統(tǒng)的組成及功能主機(jī)硬件圖形外部設(shè)備

計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)操作系統(tǒng)系統(tǒng)軟件網(wǎng)絡(luò)軟件軟件支撐軟件應(yīng)用軟件第三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五圖形系統(tǒng)的基本功能：1.計(jì)算功能實(shí)現(xiàn)圖形處理過程中的計(jì)算、變換和分析。2.存儲(chǔ)功能存儲(chǔ)與圖形有關(guān)的各類信息（幾何、拓?fù)洌?，并能?duì)其進(jìn)行檢索、增、刪等操作。3.輸入功能輸入與圖形生成和操作相關(guān)的各類參數(shù)和命令。4.輸出功能在各類圖形輸出設(shè)備上輸出圖形。5.對(duì)話功能通過各種人-機(jī)交互設(shè)備實(shí)現(xiàn)交互操作。第四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五2.2圖形系統(tǒng)的分類一.PC圖形系統(tǒng)PC機(jī)鍵盤鼠標(biāo)打印機(jī)繪圖儀彩色圖形顯示器圖形適配卡特點(diǎn)：1.價(jià)格低廉，易于使用。

2.圖形處理主要靠軟件和CPU來完成，較難承受三維圖形實(shí)時(shí)處理時(shí)的計(jì)算量。改進(jìn)：配置高檔圖形卡，如Leadtek

Quadro6000。

第五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五Leadtek

Quadro6000第六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五名稱：LeadtekQuadro6000接口：PCIExpress2.0顯存：6144MB(G)DDR5顯存位寬：384bit

核心頻率：

575MHz顯存頻率：3000MHz顯存帶寬：144GB/s

流處理器：448個(gè)統(tǒng)一渲染單元，工作頻率1150MHz價(jià)格：39999元

第七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五二.工作站(Workstation)

主要特點(diǎn)：

1.運(yùn)算速度高采用64位的CPU

采用RISC技術(shù)采用多處理器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)并行處理

2.圖形處理功能強(qiáng)配有專用的圖形處理硬件子系統(tǒng)。例如幾何處理器GE(GeometryEngines)、圖形處理機(jī)。顯示分辨率高，色彩豐富。

3.存儲(chǔ)量大

4.操作方式多任務(wù)、多進(jìn)程配備UNIX和窗口管理系統(tǒng)(X-window、Motif、OpenLook)

普遍采用了超標(biāo)量、超流水線、超長(zhǎng)指令字等先進(jìn)技術(shù)。

5.價(jià)格較高。主要的廠商：SUN、SGI、IBM、COMPAQ/DEC、HP等。第八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五MIPSR1200300MHz,1MBL2cache,128MBto1GBSynchronousDRAMResolutionupto1600x1024第九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五第十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五第十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五三．虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)----VR(VirtualReality)

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)又稱之為虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，是指由計(jì)算機(jī)生成的一個(gè)實(shí)時(shí)三維空間。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要研究交互式實(shí)時(shí)三維圖形在計(jì)算機(jī)環(huán)境模擬方面的應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)除了具有常規(guī)的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件外，還必須對(duì)下列關(guān)鍵技術(shù)提供強(qiáng)有力的支持：

1．能以實(shí)時(shí)的速度生成具有高度逼真感的景物圖形；

2．能高精度地實(shí)時(shí)跟蹤用戶的頭和手；

3．頭帶顯示器能產(chǎn)生高分辨率圖像并有較大的視角；

4．能對(duì)用戶的動(dòng)作產(chǎn)生力學(xué)反饋。還需配備有三維輸入設(shè)備：例如控制球、指套、操縱盒、數(shù)據(jù)手套等。第十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五第十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五第十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五2.3圖形外部設(shè)備一.圖形輸入設(shè)備按邏輯功能可分為六類：

1.定位（locator）基本功能：輸入一個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)。典型物理設(shè)備：數(shù)字化儀（digitizer）圖形輸入板（teblet）、鼠標(biāo)器（mouse）、操縱桿（joystick）、跟蹤球（trackball）

2.筆劃（stroke）基本功能：輸入一系列點(diǎn)坐標(biāo)。典型物理設(shè)備：數(shù)字化儀（digitizer）、鼠標(biāo)器（mouse）圖形輸入板（teblet）

第十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五美國(guó)CALCOMP公司生產(chǎn)的數(shù)字化儀第十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五第十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五CALCOMPUltraSlate繪圖板（圖形輸入板）第十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五第十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五臺(tái)灣Logitech公司生產(chǎn)的操縱桿第二十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五臺(tái)灣Logitech公司生產(chǎn)的跟蹤球（無線和有線）第二十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五

3.數(shù)值（valuator）基本功能：輸入一個(gè)數(shù)據(jù)（整數(shù)或?qū)崝?shù)）。典型物理設(shè)備：鍵盤（keyboard）。

4.選擇（choice）基本功能：給應(yīng)用程序返回一個(gè)整數(shù)值，實(shí)現(xiàn)某種選擇。典型物理設(shè)備：功能鍵。

5.拾?。╬ick）基本功能：拾取一個(gè)顯示著的圖元。典型物理設(shè)備：光筆（通常采用軟件的方法來模擬）。

6.字符串（string）基本功能：輸入一串字符。典型物理設(shè)備：鍵盤第二十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五二.圖形輸出設(shè)備1.硬拷貝設(shè)備

筆式繪圖儀（滾筒式、平板式）噴墨繪圖儀數(shù)碼相機(jī)第二十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五日?qǐng)DMP5000系列繪圖幅面A3繪圖筆數(shù)8筆繪圖精度0.005mm第二十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五HPDesignJet5500PS最高分辨率(dpi)：600×1200

打印速度(m2/hr)：17.6

最大打印寬度(mm)：1520參考報(bào)價(jià)：142000元第二十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五CALCOMP寬幅噴墨繪圖機(jī)第二十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五理光DCR10采用1030萬像素的原色CCD，具有3英寸LCD顯示屏、28-200mm廣角，3648×2736最高圖像分辨率，7.1倍光學(xué)變焦鏡頭，1cm超微距，光學(xué)防抖，168g。優(yōu)點(diǎn)：1）開機(jī)迅速2）1cm微距拍攝3）焦距范圍大

4）CCD防抖效果明顯5）成像色彩飽和

6）實(shí)用的電子水平儀第二十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五第二十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五第二十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五第三十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五第三十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五第三十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五尼康D1H，數(shù)碼相機(jī)之經(jīng)典機(jī)型第三十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五D1H最重要的性能是具有高速快門和連拍功能,快門速度達(dá)到了1/16000秒,每秒高達(dá)5張。第三十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五

尼康D3X第三十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五

尼康D3X第三十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五

尼康D3X產(chǎn)品類型：全畫幅數(shù)碼單反相機(jī)

感光器件：CMOS

最大像素?cái)?shù)（萬個(gè)）：2572

最高分辨率（像素）：6048×4032

顯示屏尺寸（英寸）：3快門速度：30秒-1/8000秒連拍模式：最高達(dá)每秒11張續(xù)航能力：4400張重量：1220克（無電池）第三十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五第三十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五第三十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五第四十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五第四十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五第四十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五第四十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五單電相機(jī)索尼Nex7第四十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五傳感器類型ExmorAPSHDCMOS最大象素?cái)?shù)：2470萬像素有效像素2430萬最高分辨率：6000×4000快門速度：30-1/4000秒連拍：速度優(yōu)先連續(xù)拍攝模式，最高10張/秒鏡頭說明：索尼E卡口鏡頭顯示屏：3英寸，可旋轉(zhuǎn)重量：291g（僅機(jī)身）第四十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五第四十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五第四十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五第四十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五第四十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五第五十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五第五十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五第五十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五2.顯示設(shè)備

1)光柵掃描顯示器基本結(jié)構(gòu)及工作原理第五十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五特點(diǎn)：光柵掃描式顯示器是一種畫點(diǎn)設(shè)備，可看作是一個(gè)點(diǎn)陣單元發(fā)生器，并可控制每個(gè)點(diǎn)陣單元的亮度。每個(gè)可尋址的點(diǎn)陣單元稱為一個(gè)像素（pixel）。顯示器在水平和垂直方向上能夠?qū)ぶ返南袼財(cái)?shù)稱為分辨率。

鋸齒現(xiàn)象走樣（aliasing）

第五十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五2）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)光源先穿過第一層偏光板，再來到液晶體上，而當(dāng)光線透過液晶體時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生光線的色澤改變，從液晶體射出來的光線，還得必須經(jīng)過一塊彩色濾光片以及第二塊偏光板。第五十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五LCD顯示器的基本指標(biāo)可視角度：能看到清晰圖象的最大角度被我們稱為可視角度。一般所說的可視角度是指左右兩邊的最大角度相加。點(diǎn)距：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分辨率：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)的乘積第五十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五

3)幀緩存(framebuffer)

屏幕上的像素點(diǎn)和幀緩存中的存儲(chǔ)單元之間具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，所以幀緩存的單元數(shù)至少等于當(dāng)前分辨率下的屏幕象素總和。對(duì)于黑白圖形只有黑白兩級(jí)灰度，因此每個(gè)像素只需一個(gè)bit表示，通常將其稱之為一個(gè)位面(plan)。對(duì)于彩色圖形，則需要若干個(gè)bit來表示每個(gè)像素的顏色值，也就是需要若干個(gè)位面。若設(shè)位面數(shù)為n，那么所能表示的顏色總數(shù)為2的n次方。第五十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五000010101010110001001011D/AD/AD/A紅綠藍(lán)CRT光柵彩色電子槍幀緩沖存儲(chǔ)器888N寄存器第五十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五問題：若光柵掃描式顯示器的分辨率為1024×768

要使屏幕上可顯示的色彩總數(shù)達(dá)到224種幀緩沖存儲(chǔ)器的容量至少應(yīng)該多大？答案：

1024×768×3B=2304KB=2.25MB∴幀緩沖存儲(chǔ)器的容量應(yīng)該≥3MB第五十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五4)彩色表技術(shù)目的：以較小的幀緩存來達(dá)到在較大范圍內(nèi)挑選顏色的能力。01000011025567100110100001RGB幀緩存彩色表顯示器5)顯示處理器（GPU）顯示處理器+幀緩存顯卡圖形處理器圖形處理硬件子系統(tǒng)第六十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五2.4圖形軟件1.圖形軟件的組成1）零級(jí)圖形軟件：解決圖形設(shè)備與主機(jī)的通訊、接口等問題，又稱設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。2）一級(jí)圖形軟件：包括生成基本圖形元素、對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理的各程序模塊，又稱基本子程序。3）二級(jí)圖形軟件：建立圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，定義、修改和輸出圖形；以及建立各圖形設(shè)備之間的聯(lián)系，具有較強(qiáng)的交互功能。也稱功能子程序4）三級(jí)圖形軟件：為解決某種應(yīng)用問題的圖形軟件，是整個(gè)應(yīng)用軟件的一部分。第六十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五2.基本圖形軟件（支撐軟件）1）內(nèi)容：系統(tǒng)管理程序、定義和輸出基本圖素和復(fù)合圖素的程序、圖形變換（包括幾何變換、裁剪等）程序、實(shí)時(shí)輸入處理程序、交互處理程序。2）常見支撐軟件高級(jí)語言（擴(kuò)充了圖形處理子程序包）：TurboC、TurboPascal、NDPFORTRAN、Delphi、VB、VC等交互式圖形軟件（與硬件平臺(tái)有關(guān)）微機(jī)：AutoCAD、3DSMAX、MicroStation、SoftImage3D等。工作站：Euclid、I—DEAS、Unigraphics、MAYA等。第六十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期五2.5圖形標(biāo)準(zhǔn)目的：將圖元的繪制、交互操作、圖形設(shè)備的驅(qū)動(dòng)、圖形文件的存儲(chǔ)和傳送等標(biāo)準(zhǔn)化，便于圖形應(yīng)用程序的開發(fā)和移植。

1.基本圖