計算機圖形學(xué) 第二章

第二章圖形系統(tǒng)

本章重點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。2.1圖形系統(tǒng)的組成及功能主機硬件圖形外部設(shè)備

計算機圖形系統(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)用軟件圖形系統(tǒng)的基本功能：1.計算功能實現(xiàn)圖形處理過程中的計算、變換和分析。2.存儲功能存儲與圖形有關(guān)的各類信息（幾何、拓?fù)洌?，并能對其進行檢索、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.對話功能通過各種人-機交互設(shè)備實現(xiàn)交互操作。2.2圖形系統(tǒng)的分類一.PC圖形系統(tǒng)PC機鍵盤鼠標(biāo)打印機繪圖儀彩色圖形顯示器圖形適配卡特點：1.價格低廉，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時處理時的計算量。改進：配置高檔圖形卡，如Leadtek

Quadro6000。

Leadtek

Quadro6000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個統(tǒng)一渲染單元，工作頻率1150MHz價格：39999元

二.工作站(Workstation)

主要特點：

1.運算速度高采用64位的CPU

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

2.圖形處理功能強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。顯示分辨率高，色彩豐富。

3.存儲量大

4.操作方式多任務(wù)、多進程配備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、超長指令字等先進技術(shù)。

5.價格較高。主要的廠商：SUN、SGI、IBM、COMPAQ/DEC、HP等。MIPSR1200300MHz,1MBL2cache,128MBto1GBSynchronousDRAMResolutionupto1600x1024三．虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)----VR(VirtualReality)

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)又稱之為虛擬現(xiàn)實環(huán)境，是指由計算機生成的一個實時三維空間。虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要研究交互式實時三維圖形在計算機環(huán)境模擬方面的應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)除了具有常規(guī)的高性能計算機系統(tǒng)的硬件和軟件外，還必須對下列關(guān)鍵技術(shù)提供強有力的支持：

1．能以實時的速度生成具有高度逼真感的景物圖形；

2．能高精度地實時跟蹤用戶的頭和手；

3．頭帶顯示器能產(chǎn)生高分辨率圖像并有較大的視角；

4．能對用戶的動作產(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。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：輸入一個點坐標(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）

美國CALCOMP公司生產(chǎn)的數(shù)字化儀CALCOMPUltraSlate繪圖板（圖形輸入板）臺灣Logitech公司生產(chǎn)的操縱桿臺灣Logitech公司生產(chǎn)的跟蹤球（無線和有線）

3.數(shù)值（valuator）基本功能：輸入一個數(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)用程序返回一個整數(shù)值，實現(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)碼相機日圖MP5000系列繪圖幅面A3繪圖筆數(shù)8筆繪圖精度0.005mmHPDesignJet5500PS最高分辨率(dpi)：600×1200

打印速度(m2/hr)：17.6

最大打印寬度(mm)：1520參考報價：142000元CALCOMP寬幅噴墨繪圖機理光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：1）開機迅速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）實用的電子水平儀尼康D1H，數(shù)碼相機之經(jīng)典機型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。

尼康D3X

尼康D3X

尼康D3X產(chǎn)品類型：全畫幅數(shù)碼單反相機

感光器件：CMOS

最大像素數(shù)（萬個）：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）單電相機索尼Nex7傳感器類型ExmorAPSHDCMOS最大象素數(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（僅機身）2.顯示設(shè)備

1)光柵掃描顯示器基本結(jié)構(gòu)及工作原理特點：光柵掃描式顯示器是一種畫點設(shè)備，可看作是一個點陣單元發(fā)生器，并可控制每個點陣單元的亮度。每個可尋址的點陣單元稱為一個像素（pixel）。顯示器在水平和垂直方向上能夠?qū)ぶ返南袼財?shù)稱為分辨率。鋸齒現(xiàn)象走樣（aliasing）

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，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度就會發(fā)生變化，而產(chǎn)生色彩。液晶屏幕后面有一個背光，這個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，就會產(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。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。點距：兩個液晶顆粒（光點）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：指其真實分辨率，表示水平方向的像素點數(shù)與垂直方向的像素點數(shù)的乘積

3)幀緩存(framebuffer)

屏幕上的像素點和幀緩存中的存儲單元之間具有一一對應(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。對于黑白圖形只有黑白兩級灰度，因此每個像素只需一個bit表示，通常將其稱之為一個位面(plan)。對于彩色圖形，則需要若干個bit來表示每個像素的顏色值，也就是需要若干個位面。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。D/AD/AD/A紅綠藍(lán)CRT光柵彩色電子槍幀緩沖存儲器888N寄存器問題：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種幀緩沖存儲器的容量至少應(yīng)該多大？答案：

1024×768×3B=2304KB=2.25MB∴幀緩沖存儲器的容量應(yīng)該≥3MB4)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。025567100110100001RGB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)2.4圖形軟件1.圖形軟件的組成1）零級圖形軟件：解決圖形設(shè)備與主機的通訊、接口等問題，又稱設(shè)備驅(qū)動程序。2）一級圖形軟件：包括生成基本圖形元素、對設(shè)備進行管理的各程序模塊，又稱基本子程序。3）二級圖形軟件：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，具有較強的交互功能。也稱功能子程序4）三級圖形軟件：為解決某種應(yīng)用問題的圖形軟件，是整個應(yīng)用軟件的一部分。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、實時輸入處理程序、交互處理程序。2）常見支撐軟件高級語言（擴充了圖形處理子程序包）：TurboC、TurboPascal、NDPFORTRAN、Delphi、VB、VC等交互式圖形軟件（與硬件平臺有關(guān)）微機：AutoCAD、3DSMAX、MicroStation、SoftImage3D等。工作站：Euclid、I—DEAS、Unigraphics、MAYA等。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、圖形文件的存儲和傳送等標(biāo)準(zhǔn)化，便于圖形應(yīng)用程序的開發(fā)和移植。

1.基本圖形交換規(guī)范IGES

定義了一套表示圖形系統(tǒng)中常用的幾何和非幾何數(shù)據(jù)的格式以及相應(yīng)的文件結(jié)構(gòu)，解決不同圖形系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳送問