吉林大學圖形學課件第1章計算機圖形學簡介.ppt

1、2020/8/24,1,計算機圖形學,郭曉新 計算機科學與技術學院,2020/8/24,2,第一章 計算機圖形學簡介,第一節(jié) 計算機圖形學 第二節(jié) 計算機圖形學的起源 第三節(jié) 計算機圖形學的應用及發(fā)展動向 第四節(jié) 圖形系統(tǒng)的硬件 第五節(jié) 計算機圖形標準,2020/8/24,3,圖形的基本概念,對象：客觀存在的實體。 可以是各種具體的、實在的物體，如家具、機械零件、房屋建筑等，也可以是抽象的、假想的事物，如天氣形勢、人口分布、經(jīng)濟增長趨勢等等。,2020/8/24,4,圖形的基本概念,模型：能夠正確地表達出一個對象性質、結構和行為的描述信息。 建模是計算機圖形學的首要工作。模型，由點、線、圓、曲

2、線、曲面、體元等各種幾何元素以及他們的組合構造。,2020/8/24,5,圖形的基本概念,圖形基元：（簡稱“圖元”Primitives）是基本的圖形元素，指點、線、圓/弧等，其信息包含圖元的幾何信息與屬性信息（顏色、線型、線寬等顯式屬性和層次等隱式屬性）。 像素：（Pixel）或圖像單元（Pels，picture elements）最基本的圖元，其信息包括點坐標與它的屬性信息（顏色、灰度、亮度等）。,2020/8/24,6,圖形的基本概念,圖形（Graphics）：從客觀世界物體中抽象出來的帶有顏色及形狀信息的表示。以矢量形式呈現(xiàn)。計算機中由場景的幾何模型和景物的物理屬性表示的圖形，它更強調場

3、景的幾何表示，記錄圖形的形狀參數(shù)與屬性參數(shù)。 例如，工程圖紙（Drawing）。,2020/8/24,7,圖形的基本概念,圖像（Image or Picture）：以點陣形式呈現(xiàn)。計算機中以具有顏色信息的點陣來表示的圖形，它強調圖形由哪些點組成，記錄點及它的灰度或色彩。 例如，照片、掃描圖片和由計算機產生的真實感和非真實感圖形等。,2020/8/24,8,圖形的基本概念,抽象圖形的本質可以概括地說： 圖形=圖元+屬性,2020/8/24,9,圖形的基本概念,簡單來說，計算機圖形學是指用計算機產生對象圖形的輸出的技術。 確切地說，計算機圖形學是研究通過計算機將數(shù)據(jù)轉換為圖形，并在專門顯示設備上顯

4、示的原理、方法和技術的學科。它綜合了應用數(shù)學、計算機科學等多方面的知識。,2020/8/24,10,圖形的基本概念,計算機生成圖形的過程：對象模型圖形 本質上，計算機圖形學研究兩個問題：如何在計算機中“建模（表示）”和“顯示（繪制）”出多彩的客觀世 界： （1）建模（表示）：建立對象的模型，即對該對象作出所需的正確的信息描述。通俗地講，是如何將客觀世界（幾何）“放到”計算機中去幾何建模； （2）顯示（繪制）：利用計算機對這個模型進行各種必要的處理，從無到有地產生出能正確反映對象的某種性質的圖形輸出。通俗地講，是如何將計算機中抽象的“幾何”用一種形象的（靜態(tài)或動態(tài)的圖形，含圖像）方式表現(xiàn)出來幾何

5、的視覺實現(xiàn)。,2020/8/24,11,計算機圖形學定義,對象 點 線（直線、曲線） 面（平面、曲面） 體（多面體、曲面體）,圖形 點：幾何（坐標） 屬性：可見性、顏色（亮度、色調、色飽和度）等,模型 基本幾何 點、線、圓/圓弧 拓撲信息 數(shù)據(jù)結構,建模,繪制,2020/8/24,12,計算機圖形學定義,瑞士計算機科學家Wirth在1976 年對“程序”給出了如下定義： 算法+數(shù)據(jù)結構=程序。 對計算機圖形學給出如下定義： 計算機圖形學=幾何+繪制,2020/8/24,13,構成圖形的要素,構成圖形的要素 幾何要素：刻畫對象的輪廓、形狀等 非幾何要素：刻畫對象的顏色、紋理等,2020/8/24

6、,14,點陣表示 枚舉出圖形中所有的點(強調圖形由點構成) 簡稱為圖像（數(shù)字圖像） 參數(shù)表示 由圖形的形狀參數(shù)(方程或分析表達式的系數(shù)，線段的端點坐標等)+屬性參數(shù)(顏色、線型等)來表示圖形 簡稱為圖形：,計算機中表示圖形的方法,2020/8/24,15,從處理技術上來看，圖形主要分為兩類， 基于線條信息表示的，如工程圖、等高線地圖、曲面的線框圖等， 明暗圖(Shanding)，也就是通常所說的真實感圖形。,計算機中表示圖形的方法,2020/8/24,16,計算機圖形學的總體架構,2020/8/24,17,計算機圖形學的總體架構,數(shù)學基礎（Math. Fuandemental），主要是向量與幾

7、何變換，如幾何建模時的三維空間變換，繪制時的三維到二維的投影變換和二維空間的窗口和視圖變換等。 幾 何（Geometry），三維及二維空間的各種幾何模型。可以是解析式表達的簡單形體，或是隱函數(shù)表達的復雜曲線、曲面，也可以是面片表達的任意幾何體等等。,2020/8/24,18,計算機圖形學的總體架構,繪 制（Rendering），幾何的視覺實現(xiàn)（決定幾何的屬性）過程。計算機圖形學典型的反走樣、光照、紋理等理論和算法均可被認為是對幾何的繪制處理。 交互技術（Interaction），交互技術提供圖形通訊手段，成為人機交互的主要工具。,2020/8/24,19,與相關學科的關系,圖像處理(Image

8、 Processing) 模式識別(Pattern Recognition) 計算幾何(Computational Geometry) 交互式計算機圖形學(Interactive Computer Graphics),2020/8/24,20,與相關學科的關系,圖像處理是指用計算機來改善圖像質量的數(shù)字技術。 圖像處理是指用計算機對圖像進行處理，以使其適應于某種特殊的需求的數(shù)字技術。如CT掃描、X射線探傷等。,2020/8/24,21,與相關學科的關系,圖像處理：研究對象為數(shù)字圖像 對一幅連續(xù)圖像采樣、量化以產生數(shù)字圖像， 對數(shù)字圖像做各種變換以方便處理， 如何濾去圖像中無用的噪聲， 如何壓縮圖

9、像數(shù)據(jù)以便存儲和傳輸， 如何提取圖像的物體邊緣， 如何增強圖像的某些特征等。,2020/8/24,22,與相關學科的關系,模式識別是指用計算機對輸入圖形進行識別的技術。 模式識別：是分析和識別輸入的數(shù)字圖像并從中提取二維或三維的數(shù)據(jù)模型（特征）的技術，如手寫漢字識別。,2020/8/24,23,與相關學科的關系,計算幾何學是研究幾何模型和數(shù)據(jù)處理的學科。 計算幾何：研究幾何形體在計算機內的表示、分析和綜合。包括曲線曲面的表示、生成、拼接和造型，三維立體造型，散亂數(shù)據(jù)插值，計算復雜性等。,2020/8/24,24,與相關學科的關系,交互式計算機圖形學：指用計算機交互式地產生圖形的技術。交互式繪圖

10、允許操作人員以對話方式控制和操縱圖形的生成。圖形可以邊生成，邊顯示，邊修改，直到產生符合使用要求的圖形為止。交互式繪圖可以使人的邏輯思維能力、分析能力和計算機準確快速的計算能力結合起來，從而發(fā)揮更大的威力，使人們運用起來更加方便。,2020/8/24,25,與相關學科的關系,2020/8/24,26,數(shù)字圖像,數(shù)據(jù)模型,圖像生成（計算機圖形學）,模型（特征）提取 （計算機視覺，模式識別）,模型變換 （計算幾何）,圖像變換 （圖像處理）,發(fā)展特點: 交叉、界線模糊、相互滲透,與相關學科的關系,2020/8/24,27,第二節(jié) 計算機圖形學的起源,歷史追溯 硬件發(fā)展 圖形顯示器的發(fā)展 圖形輸入設備

11、的發(fā)展 圖形軟件及軟件標準的發(fā)展,2020/8/24,28,50年代 1950年，第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學院(MIT)旋風I號(Whirlwind I)計算機的附件誕生了。 該顯示器用一個類似于示波器的陰極射線管(CRT)來顯示一些簡單的圖形， 主要用于圖形輸出， 沒有交互功能。,歷史追溯,2020/8/24,29,2020/8/24,30,50年代 1958年美國Calcomp公司由聯(lián)機的數(shù)字記錄儀發(fā)展成滾筒式繪圖儀，GerBer公司把數(shù)控機床發(fā)展成為平板式繪圖儀。,歷史追溯,2020/8/24,31,50年代 在整個50年代， 只有電子管計算機， 用機器語言編程， 主要應用于科學

12、計算， 為這些計算機配置的圖形設備僅具有輸出功能。 計算機圖形學處于準備和醞釀時期，并稱之為：“被動式”圖形學。,歷史追溯,2020/8/24,32,50年代 到50年代末期，MIT的林肯實驗室在“旋風”計算機上開發(fā)SAGE空中防御體系，第一次使用了具有指揮和控制功能的CRT顯示器，操作者可以用筆在屏幕上指出被確定的目標。與此同時，類似的技術在設計和生產過程中也陸續(xù)得到了應用，它預示著交互式計算機圖形學的誕生。,歷史追溯,2020/8/24,33,歷史追溯,60年代 1963年，MIT林肯實驗室的Ivan E. Sutherland發(fā)表了一篇題為“Sketchpad：一個人機交互通信的圖形系統(tǒng)

13、”的博士論文， 他在論文中首次使用了計算機圖形學“Computer Graphics”這個術語，證明了交互計算機圖形學是一個可行的、有用的研究領域，從而確定了計算機圖形學作為一個嶄新的科學分支的獨立地位，他也被人們稱為“圖形學之父”。 他在論文中所提出的一些基本概念和技術，如交互技術、分層存儲符號的數(shù)據(jù)結構等至今還在廣為應用。,2020/8/24,34,第二節(jié) 計算機圖形學的起源,2020/8/24,35,歷史追溯,60年代 1964年MIT的教授Steven A. Coons提出了被后人稱為超限插值的新思想，通過插值四條任意的邊界曲線來構造曲面。 同在60年代早期，法國雷諾汽車公司的工程師P

14、ierre Bzier發(fā)展了一套被后人稱為Bzier曲線、曲面的理論，成功地用于幾何外形設計，并開發(fā)了用于汽車外形設計的UNISURF系統(tǒng)。 Coons方法和Bzier方法是CAGD最早的開創(chuàng)性工作。,2020/8/24,36,歷史追溯,60年代 值得一提的是，計算機圖形學的最高獎是以Coons的名字命名的，而獲得第一屆（1983）和第二屆(1985) Steven A. Coons 獎的，恰好是Ivan E. Sutherland和Pierre Bzier，這也算是計算機圖形學的一段佳話。,2020/8/24,37,歷史追溯,60年代 60年代，CAD/CAM在計算機、汽車以及航空工業(yè)領域被

15、發(fā)展起來，出現(xiàn)了例如美國通用汽車公司的輔助汽車設計的實用CAD系統(tǒng)，但總的說，由于圖形硬件設備非常昂貴，實用技術也少，圖形學還是一個很小的專業(yè)化學科。,2020/8/24,38,歷史追溯,70年代 70年代是計算機圖形學發(fā)展過程中一個重要的歷史時期。由于光柵顯示器的產生，在60年代就已萌芽的光柵圖形學算法，迅速發(fā)展起來，區(qū)域填充、裁剪、消隱等基本圖形概念、及其相應算法紛紛誕生，圖形學進入了第一個興盛的時期。由于大規(guī)模集成電路技術的快速發(fā)展，計算機硬件性能不斷提高，體積縮小，價格降低，特別是廉價的圖形輸入輸出和大容量存儲介質的出現(xiàn)，使得以小型機為基礎的圖形系統(tǒng)進入市場并成為主流。,2020/8/

16、24,39,歷史追溯,70年代 圖形軟件標準化 1974年，ACM SIGGRAPH的“與機器無關的圖形技術”的工作會議 ACM成立圖形標準化委員會，制定“核心圖形系統(tǒng)”（Core Graphics System） ISO發(fā)布CGI、CGM、GKS、PHIGS,2020/8/24,40,真實感圖形學 1970年，Bouknight提出了第一個光反射模型 1971年Gourand提出“漫反射模型插值”的思想，被稱為Gourand明暗處理 1975年，Phong提出了著名的簡單光照模型- Phong模型 實體造型技術 英國劍橋大學CAD小組的Build系統(tǒng) 美國羅徹斯特大學的PADL-1系統(tǒng),歷史

17、追溯,2020/8/24,41,80年代 1980年Whitted提出了一個光透視模型-Whitted模型，并第一次給出光線跟蹤算法的范例，實現(xiàn)Whitted模型 1984年，美國Cornell大學和日本廣島大學的學者分別將熱輻射工程中的輻射度方法引入到計算機圖形學中 圖形硬件和各個分支均在這個時期飛速發(fā)展,歷史追溯,2020/8/24,42,90年代：微機和軟件系統(tǒng)的普及使得圖形學的應用領域日益廣泛。 標準化、集成化、智能化 多媒體技術、人工智能、科學計算可視化、虛擬現(xiàn)實 三維造型技術,歷史追溯,2020/8/24,43,ACM SIGGRAPH會議 全稱 “the Special Inte

18、rest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques” 60年代中期，由Brown 大學的教授Andries van Dam (Andy) 和IBM公司的Sam Matsa發(fā)起 1974年，在Colorado大學召開了第一屆SIGGRAPH 年會，并取得了巨大的成功 每年只錄取大約50篇論文,圖形學有關學術會議的發(fā)展,2020/8/24,44,圖形顯示器的發(fā)展 圖形顯示器是計算機圖形學中關鍵的設備 60年代中期：畫線顯示器（亦稱矢量顯示器） 需要刷新。設備昂貴，普及受到限制。 60年代后期：存儲管式顯示器 不需刷新，價格較低，缺點

19、是不具有動態(tài)修改 圖形功能，不適合交互式。,硬件發(fā)展,2020/8/24,45,70年代初，刷新式光柵掃描顯示器出現(xiàn)，大大地推動了交互式圖形技術的發(fā)展。 以點陣形式表示圖形，使用專用的緩沖區(qū)存放點陣，由視頻控制器負責刷新掃描。,硬件發(fā)展,2020/8/24,46,圖形輸入設備的發(fā)展 第一階段：控制開關、穿孔紙等等 第二階段：鍵盤 第三階段：二維定位設備，如鼠標、光筆、圖形輸入板、觸摸屏等等，語音 第四階段：三維輸入設備（如空間球、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣）， 第五階段：用戶的手勢、表情等等,硬件發(fā)展,2020/8/24,47,2020/8/24,48,第三節(jié) 計算機圖形學的應用及發(fā)展動向,計算機圖形學

20、的主要應用領域 1. 計算機輔助設計與制造(CAD/CAM) 2. 可視化 3. 圖形實時繪制與自然景物仿真 4. 計算機動畫 5. 用戶接口 6. 計算機藝術,2020/8/24,49,計算機輔助設計與制造(CAD/CAM),計算機圖形學被用來進行土建工程、機械結構和產品的設計，包括設計飛機、汽車、船舶的外形和發(fā)電廠、化工廠等的布局以及電子線路、電子器件等。有時，著眼于產生工程和產品相應結構的精確圖形，然而更常用的是對所設計的系統(tǒng)、產品和工程的相關圖形進行人-機交互設計和修改，經(jīng)過反復的迭代設計，便可利用結果數(shù)據(jù)輸出零件表、材料單、加工流程和工藝卡，或者數(shù)據(jù)加工代碼的指令。 應用領域：飛機、

21、輪船、汽車外形，大規(guī)模集成電路，建筑，服裝，玩具 優(yōu)點：設計周期短，成本低，質量高,2020/8/24,50,可視化,科學計算可視化：將數(shù)據(jù)用圖形的形式表示出來，找到數(shù)據(jù)的變化規(guī)律和發(fā)展趨勢 ，提取最本質的特征。 目標：用圖形表現(xiàn)抽象的數(shù)據(jù) 應用領域：醫(yī)學，遙感，流場等等,2020/8/24,51,可視化,1986年，美國科學基金會（NSF）專門召開了一次研討會，會上提出了“科學計算可視化（Visualization in Scientific Computing）”。第二年，美國計算機成像專業(yè)委員會向NSF提交了“科學計算可視化的研究報告”后，VISC就迅速發(fā)展起來了。 目前科學計算可視化廣

22、泛應用于醫(yī)學、流體力學、有限元分析、氣象分析當中。,2020/8/24,52,圖形實時繪制與自然景物仿真,在計算機中重現(xiàn)真實世界的場景叫做真實感繪制。真實感繪制的主要任務是模擬真實物體的物理屬性，簡單的說就是物體的形狀、光學性質、表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對位置、遮擋關系等等。這其中光照和表面屬性是最難模擬的。實時的真實感繪制已經(jīng)成為當前真實感繪制的研究熱點，而當前真實感圖形實時繪制的兩個熱點問題則是物體網(wǎng)格模型的面片簡化和基于圖像的繪制（IBR Image Based Rendering）。,2020/8/24,53,計算機動畫,計算機動畫是是通過使用計算機制作動畫的藝術。它是計算

23、機圖形學和動畫的子領域。 計算機動畫生成一幅幅靜態(tài)的圖像，但是每一幅都是對前一幅做一小部分修改（如何修改便是計算機動畫的研究內容），這樣，當這些畫面連續(xù)播放時，整個場景就動起來了。 電影，廣告設計，電腦游戲也頻頻運用計算機動畫。計算機動畫也因這些商業(yè)應用的大力推動而有了極大的發(fā)展。,2020/8/24,54,計算機動畫,早期的計算機動畫，在生成幾幅被稱做“關鍵幀”的畫面后，由計算機對兩幅關鍵幀進行插值生成若干“中間幀”，連續(xù)播放時兩個關鍵幀就被有機地結合起來了。 近年來人們普遍將注意力轉向基于物理模型的計算機動畫生成方法。該方法大量運用彈性力學和流體力學的方程進行計算，力求使動畫過程體現(xiàn)出最適

24、合真實世界的運動規(guī)律,2020/8/24,55,用戶接口,用戶接口是介于使用者與硬件而設計彼此之間互動溝通相關軟件，目的在使得使用者能夠方便有效率地去操作硬件以達成雙向之互動，完成所希望借助硬件完成之工作，用戶接口包含了人機交互與圖形用戶接口，凡參與人類與機械的信息交流的領域都存在著用戶接口。,2020/8/24,56,用戶接口,用戶接口是人們使用計算機的第一觀感。一個友好的圖形化的用戶界面能夠大大提高軟件的易用性。 在任何一臺普通計算機上都可以看到圖形學在用戶接口方面的應用。操作系統(tǒng)和應用軟件中的圖形、動畫比比皆是，程序直觀易用。很多軟件幾乎可以不看任何說明書，而根據(jù)它的圖形、或動畫界面的指

25、示進行操作。 目前幾個大的軟件公司都在研究下一代用戶界面，開發(fā)面向主流應用的自然、高效多通道的用戶界面。圖形學在其中起主導作用。,2020/8/24,57,計算機藝術,在真實感圖形學發(fā)展的同時，模擬藝術效果的非真實感繪制（NPR Non-Photorealistic Rendering）也在逐漸發(fā)展。 優(yōu)點： 提供多種風格的畫筆畫刷 提供多種多樣的紋理貼圖，甚至能對圖像進行霧化，變形等操作 可以任意修改，取消敗筆 不足： 無法達到傳統(tǒng)繪畫中風格化的 藝術效果 很難得到有素描效果、油畫效果的藝術品,2020/8/24,58,圖形學主要研究內容,1、圖形的生成和表示技術。 圖形基元的顯示 消隱算法

26、 真實感圖形的繪制 2、圖形的操作與處理方法。 圖形變換 圖形運算,2020/8/24,59,圖形學主要研究內容,3、圖形輸出設備與輸出技術的研究。 圖形顯示器及其技術的研究 圖形顯示卡及其技術的研究 4、圖形輸入設備、交互技術及用戶接口技術的研究。 圖形輸入設備及其技術的研究 圖形用戶界面的基本元素和交互對話技術的研究,2020/8/24,60,圖形學主要研究內容,5、圖形信息的數(shù)據(jù)結構及存儲、檢索方法。 圖形信息的各種機內表示方法，組織形式，存取技術。 圖形數(shù)據(jù)庫的管理。 圖形信息的通訊。,2020/8/24,61,圖形學主要研究內容,6、幾何模型構造技術。 刻畫被處理對象幾何性質的描述信

27、息就構成它的幾何模型。 研究幾何模型的構造方法及性能分析等。 7、動畫技術。 研究實現(xiàn)高速動畫生成的各種軟硬件方法、開發(fā)工具、動畫語言等。,2020/8/24,62,基于物理模型的計算機動畫生成方法,2020/8/24,63,圖形學主要研究內容,8、圖形軟硬件的系列化、模塊化和標準化的研究 當前主要有兩種圖形API Java的集成方法，圖形與用戶界面工具包被集成在一起。 優(yōu)點：可移植性高，完全標準化，作為語言的一部分得到支持。,2020/8/24,64,圖形學主要研究內容,8、圖形軟硬件的系列化、模塊化和標準化的研究 當前主要有兩種圖形API Direct3D和OpenGL，繪圖命令是軟件庫的

28、一部分，軟件庫與某種語言分離，而用戶界面軟件是獨立的實體，一般隨系統(tǒng)不同而不同。調用時，軟件庫與某種語言（如C+）綁定。 優(yōu)點：軟件庫獨立性好，開發(fā)平臺靈活，繪圖效率高。 缺點：不易編寫可移植代碼。,2020/8/24,65,圖形學主要研究內容,9、科學計算的可視化 指應用計算機圖形生成技術，將科學及工程計算的結果以及測量數(shù)據(jù)等，以圖形的形式在計算機屏幕上顯示出來，使人們能觀察到用常規(guī)手段難以觀察到的自然現(xiàn)象和規(guī)律，實現(xiàn)計算環(huán)境和工具進一步現(xiàn)代化。,2020/8/24,66,科學計算可視化,Airflow inside a Thunder Strom(Bob Wilhelmson, Univ.

29、 of Illinois at Urbana-Champaign),2020/8/24,67,第四節(jié) 圖形系統(tǒng)的硬件,計算機圖形系統(tǒng)： 計算機 顯示處理器(DPU) 目前已被圖形處理器替代(GPU) 圖形顯示器 輸入設備 硬拷貝設備,2020/8/24,68,CPU的圖形處理,軟件模擬，在CPU端完成 執(zhí)行串行工作，不適合圖形渲染的并行處理 大部分晶體管主要用于構建控制電路（如分支預測）和Cache(緩存)，只有少部分的晶體管來完成實際的運算工作，速度上無法達到實時圖形繪制要求 實時生成的三維圖像很粗糙 技術進步正在慢于摩爾定律,2020/8/24,69,GPU的圖形處理,GPU的控制相對簡單

30、，對Cache的需求小，大部分晶體管可以組成各類專用電路、多條流水線。 處理浮點運算的能力強。 技術進步速度超過摩爾定律，每6個月其性能加倍。 。,2020/8/24,70,GPU的圖形處理,GPU與CPU浮點處理能力對比,2020/8/24,71,GPU的圖形處理,第一代GPU(1995年)： 硬件實現(xiàn)深度緩沖區(qū)(z-buffer)和紋理映射(texture mapping)。z-buffer利用象素的深度決定遮擋關系，從而消除隱藏面；利用紋理映射功能則可以十分逼真地表達物體表面細節(jié)。在GPU上執(zhí)行的圖形操作被稱為硬件加速。 3D圖形實時渲染(主要指游戲)的速度、畫質取得了一個飛躍。,202

31、0/8/24,72,GPU的圖形處理,第二代GPU(1999年)： 包括了硬件級的圖形幾何變換與光照計算(transform and lighting簡稱T&L或TnL)。而在此之前T&L都是由CPU完成的。 解決了系統(tǒng)的瓶頸，減輕了CPU的負荷，速度明顯提高。,2020/8/24,73,GPU的圖形處理,第三代GPU： 2001年，引入了可編程 vertex shader(頂點著色器)單元。緊接著在2002年，可編程pixel shader(像素著色器)單元也加入了GPU。 在繪制時， GPU接收CPU以圖元頂點形式發(fā)送的幾何數(shù)據(jù)。 由頂點著色器進行處理，完成幾何變換與頂點屬性計算等功能。

32、三維空間的圖元由一個固定功能的光柵生成器轉換為二維屏幕上的像素，每個像素的最終顏色值都通過在像素著色器上的小程序運算而得。,2020/8/24,74,圖形流水線,用戶程序,幾何處理階段,像素處理階段,圖元,二維屏幕坐標,用戶程序,幾何處理階段,像素處理階段,圖元,二維屏幕坐標,頂點著色器,像素著色器,圖形流水線基本運算是把三維頂點位置映射到二維屏幕位置，并對三角形進行明暗處理，使其看起來比較真實且按適當?shù)那昂髮哟物@示。,2020/8/24,75,2.CRT顯示器工作方式,(1)隨機掃描方式 (畫線顯示器,矢量顯示器) (2)光柵掃描方式,隨機掃描 光柵掃描 光柵掃描,2020/8/24,76,

33、隨機掃描方式,隨機掃描又稱為矢量掃描或軌跡掃描。隨機掃描顯示器又成為畫線顯示器。 隨機掃描方式：通過畫出一系列線段來畫出圖形。CRT的電子束沿箭頭指出的路線點亮各線段，就顯示出一個多邊形的輪廓。 優(yōu)點：畫線速度快，產生圖形分辨率高， 缺點：難以產生具有多種灰度、色調能連續(xù)變化的圖形。,2020/8/24,77,光柵掃描方式,光柵掃描又稱為電視掃描。 光柵掃描方式：CRT的電子束從屏的左上角開始由左向右進行正向掃描，當掃到最右位置時迅速回到最左邊位置。電子束同時還進行自上而下的掃描，所以行掃描線略向下傾斜，回掃后電子束到達下一行的左邊位置。當電子束如此逐行掃描到達屏面右下角時，即完成整個屏幕的掃

34、描。 優(yōu)點：能產生相當逼真的圖形顯示，已經(jīng)成為當前最重要的顯示方式。,2020/8/24,78,電子束掃描過程示意圖,2020/8/24,79,基本概念（性能指標）,像素：在光柵掃描圖形顯示器中，屏幕上可以點亮或熄滅的最小單位。 分辨率：顯示屏上像素的總數(shù)， 分辨率=每行的像素數(shù)行數(shù) 分辨率越大，像素的總數(shù)越多，畫面的質量也就越好，與此同時必須在單位時間內完成對圖形的多幀的顯示，以使得圖形不閃爍，因而分辨率的大小對刷新速度有著直接的影響。,2020/8/24,80,基本概念（性能指標）,亮度等級或稱灰度等級數(shù)目：是指單色顯示器像素的亮度可以有多少種不同的變化。 彩色顯示器的顏色數(shù)目分成兩個指標

35、， 顯示器可以顯示所有不同的顏色的總數(shù)； 同一幀畫面允許顯示的不同顏色數(shù)目。,2020/8/24,81,幀存儲器,幀存儲器：二維矩陣 存儲屏幕上每個象素對應的顏色或亮度值。矩陣第i行j列的元素值，決定顯示屏第i行j列位置上像素的顏色或亮度。,2020/8/24,82,幀存儲器,幀存大小=分辨率單元字節(jié) =每行像素數(shù)行數(shù)單元字節(jié) 如果像素有256顏色，則幀存儲器的每一單元至少應為8個bit，對于分辨率為1024768的顯示器，幀存儲器的大?。?幀存大小= 10247681(byte) 1M(byte) 若為真彩色 幀存大小= 10247683(byte) 3M(byte),2020/8/24,8

36、3,顏色系統(tǒng),RGB（紅、綠、藍）、 顏色查詢表（color lookup table）、 CMY（青、品紅、黃）、 HSV（色彩、飽和度、亮度）,2020/8/24,84,x地址和y地址計數(shù)器,圖形顯示時，光柵掃描發(fā)生器中的x地址和y地址計數(shù)器不斷計數(shù)。 數(shù)值通過光柵掃描電路使CRT電子束產生掃描偏轉， 作為地址值讀出幀存儲器中的內容以控制顯示屏上對應像素的顏色或亮度。,2020/8/24,85,第五節(jié) 計算機圖形標準,計算機圖形的標準包括 圖形系統(tǒng)及其相關應用系統(tǒng)中各界面之間進行數(shù)據(jù)傳送和通信的接口標準，是數(shù)據(jù)及文件格式標準。 供圖形應用程序調用的子程序功能及其格式標準，是子程序界面標準。,2020/8/24,86,第五節(jié) 計算機圖形標準,1974年 美國國家標準化局ANSI“與機器無關的圖形技術“會議上