计算机图形学电子教案c2..

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1、1 第2章计算机图形系统 2 第2章计算机图形系统 2 1计算机图形系统的组成2 2硬件系统2 2 1图形显示设备2 2 2图形处理器2 2 3图形输入设备2 3相关软件系统2 4图形标准 3 2 1计算机图形系统的组成 计算机图形系统是一个由软 硬相互结合的有机整体 一般工作过程 4 2 2 1图形显示设备 图形输出包括图形的显示和图形的绘制 图形显示指的是在屏幕上输出图形 图形绘制通常指把图形画在纸上 也称硬拷贝 打印机和绘图仪是两种最常用的硬拷贝设备 5 2 2 1图形显示设备 图形显示器的发展 CRT随机扫描显示器存储管显示器光栅扫描显示器LCD PDP三维显示器 6 1 阴极射线管C

2、RT 7 阴极射线管 CRT CathodeRayTube 组成 包括电子枪 灯丝 阴极 控制栅 加速结构 聚焦系统 偏转系统 荧光屏工作原理 高速的电子束由电子枪发出 经过聚焦系统 加速系统和偏转系统就会到达荧光屏的特定位置 由于荧光物质在高速电子的轰击下会发生电子跃迁 即电子吸收到能量从低能态变为高能态 由于高能态很不稳定 在很短的时间内荧光物质的电子会从高能态重新回到低能态 这时将发出荧光 屏幕上的那一点就会点亮 1 阴极射线管CRT 8 控制栅 电平控制器 是用来控制电子束的强弱的 当加上正电压时 电子束就会大量通过 将会在屏幕上形成较亮的点 当控制电平加上负电压时 依据所加电压的大小

3、 电子束被部分或全部阻截 通过的电子很少 屏幕上的点也就比较暗 聚焦系统是一个电透镜 能使众多的电子聚集于一点 加速系统使电子达到轰击激发荧光屏应有的速度 最后由磁偏转系统来达到指定位置 1 阴极射线管CRT 9 荧光物质 当它被电子轰击时发出亮光 持续发光时间 电子束离开某点后 该点的亮度值衰减到初始值1 10所需的时间刷新 Refresh 为了让荧光物质保持一个 稳定 的亮度值 必须不断轰击荧光物质 电子束要到达屏幕的边缘时 偏转角度就会增大 到达屏幕最边缘的偏转角度被称为最大偏转角 CRT显示器的屏幕越大整个显象管就越长 1 阴极射线管CRT 10 要保持显示一幅稳定的画面 必须不断地发

4、射电子束 刷新频率 每秒重绘次图像的次数 刷新频率高到一定值后 图象才能稳定显示 50 120Hz 1 阴极射线管CRT 分辨率 Resolution CRT在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大光点数 单位通常为dpi dotsperinch 在假定屏幕尺寸一定的情况下 也可用整个屏幕所能容纳的最大光点个数描述 如640 480 1024 768等 像素 Pixel PictureCell 构成屏幕 图像 的最小元素 11 2 光栅扫描显示器 光栅扫描 电子束按固定的扫描顺序从左到右 自上而下进行扫描 几个概念 扫描线 帧 水平回扫期 垂直回扫期 12 几个概念 行频 帧频 水平扫描频率为行

5、频 垂直扫描频率为帧频 逐行扫描 隔行扫描 隔行扫描方式是先扫偶数行扫描线 再扫奇数行扫描线 像素 构成屏幕 图像 的最小元素 整个屏幕被扫描线分成n行 每行有m个点 每个点为一个象素 则整个屏幕有m n个象素 2 光栅扫描显示器 13 几个概念 分辨率 是指CRT在水平或垂直方向的单位长度上能分辨出的最大象素数 分为水平分辨率和垂直分辨率 通常用屏幕上象素的数目来表示 比如上述的n行 每行m点的屏幕分辨率为m n 分辨率越高 相邻象素点之间的距离越小 显示的字符或图像也就越清晰 分辨率受显示器生产工艺 扫描频率以及显示存储器容量的限制 2 光栅扫描显示器 14 2 光栅扫描显示器 优点 成本

6、低 色彩丰富 画点设备 刷新频率一定 与图形的复杂程度无关 易于修改图形 CRT固有的物理结构限制了它的发展 缺点 屏幕的加大必然导致显象管的加长 显示器的体积必然要加大 在制造 使用的时候就会受到限制 CRT显示器是利用电子枪发射电子束来产生图像 容易受电磁波干扰 长期电磁辐射会对人们健康产生不良影响 15 2 光栅扫描显示器 产生彩色的常用方法 射线穿透法影孔板法 16 2 光栅扫描显示器 射线穿透法原理 两层荧光涂层 红色光和绿色光两种发光物质 电子束轰击穿透荧光层的深浅 决定所产生的颜色 应用 主要用于画线显示器优点 成本低缺点 只能产生有限几种颜色 17 2 光栅扫描显示器 影孔板法

7、原理 彩色CRT显示器的荧光屏上涂有三种荧光物质 它们分别能发红 绿 蓝三种颜色的光 而电子枪 三支 也发出三束电子束来激发这三种物质 中间通过一个控制栅格 影孔板 荫罩 来决定三束电子到达的位置 18 2 光栅扫描显示器 三束电子经过荫罩的选择 分别到达三个荧光点的位置 通过控制三个电子束的强弱就能控制屏幕上点的颜色 影孔板被安装在荧光屏的内表面 用于精确定位像素的位置 19 点状影孔板工作原理 红 绿 蓝三色荧光点 三角形排列 很小并充分靠近 形成一个像素 三支电子枪 调节各电子枪发生的电子束强度 即可控制各色光点亮度 2 光栅扫描显示器 电子枪 影孔板中的一个小孔和荧光点呈一直线 每个小

8、孔与一个像素 即三个荧光点 对应 显示器能同时显示的颜色个数 如果每支电子枪发出的电子束的强度有256个等级 则显示器能同时显示256 256 256 16M种颜色 称为真彩系统 20 影孔板的类型 与荧光点排列有关 点状影孔板 荫罩式 代表 大多数球面显像管栅格式影孔板 荫栅式 代表 Sony的Trinitron与Mitsubishi的Diamondtron显像管沟槽式影孔板代表 LG的Flatron显像管 2 光栅扫描显示器 21 3 LCD显示器 LCD LiquidCrystalDisplay 显示器基本原理 液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质 它具有液体的流态性质和固体的光学性质

9、 当液晶受到电压的影响时 就会改变它的物理性质而发生形变 此时通过它的光的折射角度就会发生变化 而产生不同色彩 22 3 LCD显示器 液晶显示器LCD LiquidCrystalDisplay 通常是由六层薄板组成的平板式显示器 23 3 LCD显示器 LCD显示器的基本指标 可视角度 点距 两个液晶颗粒 光点 之间的距离 分辨率 响应时间 24 3 LCD显示器 LCD显示器的优点 外观小巧 不存在刷新的问题 不会产生CRT那样的因为刷新频率低而出现的闪烁现象 工作电压低 功耗小 节约能源 没有电磁辐射 缺点 寿命短 怕震动 温度敏感 分辨率相对较低 色彩不够鲜艳 视角窄 且价格偏高 随着

10、工艺的进步 缺点已逐步得到克服 目前已成为计算机的首选配置 25 4 等离子显示器PDP 等离子显示器是一种利用气体放电的显示装置 这种屏幕采用了等离子管作为发光元件 大量的等离子管排列在一起构成屏幕 每个等离子管对应的小室内充有惰性气体 在等离子管电极间加上高压后 封在两层玻璃之间的等离子管小室中的气体会产生紫外光 从而激发平板显示器上的红绿蓝三基色荧光粉发出可见光 高电压点亮 不同电压 不同灰度 低电压维持 26 4 等离子显示器 特点 无需 刷新 色彩丰富 视角大 大尺寸 缺点 光点大 分辨率只能达到中等水平 气体发光和熄灭的过渡时间太长 限制图形的生成速度 27 5 其它显示设备 硬拷

11、贝设备打印机绘图仪 三维显示设备 东芝3D显示器 ActualitySystems的3D显示器 28 6 光栅扫描显示系统 光栅扫描显示器可以看作是一个像素的矩阵 画点设备 所显示的图形实际上是一些具有各种属性 颜色 的像素的集合 29 6 光栅扫描显示系统 视频控制器 建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应 负责刷新 帧缓冲器 存储用于刷新的图像信息的存储器 可以是专用的存储器 也可以是系统内存中的一块固定区域 30 6 光栅扫描显示系统 帧缓冲器以黑白二值显示器为例 31 黑白光栅显示系统的逻辑框图如上 对于黑白单灰度显示器 每一象素需要一位存储器 对一个1024 1024象素组成的黑白单灰度

12、显示器所需要的最小缓存为220 并在一个位面上 一个位面的缓存只能存储黑白图形 帧缓存是数字设备 光栅显示器是模拟设备 因而还需要数模转换器 DAC 6 光栅扫描显示系统 32 在光栅图形显示系统中需要足够的位面才能反映图形的颜色和灰度等级 如上图是一个具有3个位面灰度等级的帧缓存 显示器上每个象素的亮度是由帧缓存中对应单元的值所控制的 范围是0到2N 1之间 6 光栅扫描显示系统 33 下图是彩色光栅显示器的逻辑图 对于红 绿 蓝三原色各为1bit的位面 因此有三个位面的帧缓存 可显示8种颜色 6 光栅扫描显示系统 34 每个颜色可以通过增加帧缓存位面来提高颜色种类的灰度等级 如下图 每种原

13、色有8个位面的帧缓存和8位的数模转换器 因此 每种原色可有256种灰度 三种原色的组合将是 28 3 224 6 光栅扫描显示系统 24个位面 35 6 光栅扫描显示系统 优点 易于绘制填充图形 色彩丰富 与图形的复杂程度无关 易于修改图形 缺点 需要扫描转换 会产生混淆 走样 36 2 2 2图形处理器 图形处理器图形处理器是图形系统结构的重要元件 是连接计算机和显示终端的纽带 早期的图形处理器只包含简单的视频控制器和帧缓冲区 它们实际上只起了一个图形的存储和传递作用 一切操作都必须有CPU来控制 现在的图形处理器不单单存储图形 而且能完成大部分图形函数 专业的图形卡已经具有很强的3D处理能

14、力 大大减轻了CPU的负担 提高了显示质量和显示速度 37 2 2 2图形处理器 图形处理器的组成显示主芯片 显卡的核心 俗称GPU 它的主要任务是对系统输入的视频信息进行构建和渲染 Rending 显示缓存 用来存储将要显示的图形信息以及保存图形运算的中间数据 显存的大小和速度直接影响着主芯片性能的发挥 数字模拟转换器 RAMDAC 它的作用就是把二进制的数字转换成为和显示器相适应的模拟信号 显卡简单示意图 38 2 2 3图形输入设备 常用的图形输入设备分为两种 向量型图形输入设备它采取跟踪轨迹 记录坐标点的方法输入图形 常用的有数字化仪 绘图板 鼠标器 光笔等 光栅扫描型图形输入设备它采

15、取逐行扫描 按一定密度采样的方式输入图形 常用的有扫描仪和摄像机等 39 2 2 3图形输入设备 三维扫描 键盘 鼠标 操纵杆 跟踪球 空间球 绘图板 数字化仪 触摸屏 40 2 3软件系统 计算机图形软件可分为两大类 通用编程软件包提供一个可用于高级程序语言的图形功能扩展集 常常是函数库 提供了生成各种图形 实现图形的处理和输入输出操作 控制和处理各种图形设备以及交互过程中的各种事件 如 OpenGL Directx等 专用应用软件包具有图形处理能力的交互式图形软件系统 为非程序员提供的而且往往应用于某些领域 不关心图形操作的具体过程 如 AutoCAD 3DSMAX等 41 2 3 1通用

16、编程软件包 OpenGL OpenGL是OpenGraphicsLib的缩写 是一套三维图形处理库 也是该领域的工业标准 OpenGL源于SGI公司为其图形工作站开发的IRISGL 在跨平台移植过程中发展成为OpenGL OpenGL实际上是一个开放的三维图形软件包 它独立于窗口系统和操作系统 以它为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植 OpenGL与C C 紧密接合 便于实现图形的相关算法 并可保证算法的正确性和可靠性 OpenGL使用简便 效率高 42 2 3 1通用编程软件包 Microsoft SGI IBM DEC SUN HP等大公司都采用了OpenGL作为三维图形标准 许多软件厂商也纷纷以OpenGL为基础开发出自己的产品 包括动画制作软件SoftImage和3DStudioMAX 仿真软件OpenInventor VR软件WorldToolKit CAD软件Pro Engineer GIS软件ARC INFO等等 43 2 3 2专用应用软件包 AutoCADPhotoShop3DSMAXMAYA 44 2 4图形系统标准 图形标准 图形系统及其相关应用系统