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1、第2章 计算机图形系统,目 录 2.1 计算机图形系统概述 2.2 图形输入设备 2.3 图形绘制设备 2.4 图形显示系统 2.5 图形软件标准 2.6 Visual C+的图形程序开发方法 2.7 OpenGL程序设计基础,2.1 计算机图形系统概述,2.1.1 计算机图形系统的结构 2.1.2 计算机图形系统的基本功能,2.1.1 计算机图形系统的结构,计算机图形系统,图形软件系统,图形硬件系统,图形应用软件,图形支撑软件,图形计算机平台,图形设备,2.1.2计算机图形系统的基本功能,1、处理功能：包含形体设计、分析，图形描述，基本几何元素（点、线、面等）的表示、求交运算、分类、几何变换
2、，光、色模型的建立和计算，干涉检测等。 2、存储功能：存储图形数据，包括图形几何数据、拓扑关系及属性信息等。 3、交互功能：通过图形显示器和图形输入设备实现用户与图形系统的人机通信。用户通过显示屏幕观察设计的图形，利用交互输入设备对图形进行在线的操作（增加、删除、修改等）以得到满意的设计结果。 4、输入功能：将图形的形状、尺寸等有关的图形数据和操作命令输入到计算机中去。 5、输出功能：把所设计的图形从计算机中输出出来，包括显示输出和硬拷贝输出两种形式。,2.2 图形输入设备,作用： 图形输入设备用于输入图形数据或图形操作命令 分类： 一般应用输入设备类：鼠标、键盘、光笔等 特殊用途的图形输入设
3、备：数据手套、触摸板、图像扫描仪等,2.2.1 一般应用图形输入设备,控制光标移动用来输入定位坐标或选择操作的输入设备，它将移动距离及方向的信息变成数字脉冲信息送给计算机，由计算机转换成光标的坐标数据，从而达到定位目的。 根据位移测量方法不同将其分为：机电式、光机式和光电式三种。,最基本的输入设备，具有ASCII编码键、命令控制键和功能键，能用来输入图形坐标、选择菜单、选择图形功能等。,1、 键盘,2、 鼠标,光笔是一种检测装置，是“能检测出光的笔”。它靠检测荧光屏上的发光点来选择屏幕的位置坐标。,3、 光笔（Ligt Pen）,光笔的基本功能：定位、拾取和笔划跟踪。拾取是选中显示器上已显示的
4、图形或文字。笔划跟踪是用光笔拖动光标实现定位,游戏杆：是有一根手柄的可摇动装置。手柄通过一个球形轴承半固定在底座上，在手柄运动时带动一对电位器或电脉冲产生器产生信号，控制屏幕上的光标的运动。 跟踪球：跟踪球是一个球，可用手掌或掌心旋转使屏幕光标移动。附加的电位计量器用来测量球的旋转量和方向。,4、游戏杆（Joy Stick）和跟踪球,触摸屏是允许用手指触摸的方式选择显示屏幕位置的显示器。 根据触点记录方式将触摸屏分为光学的、电子的和声学。,5、 触摸屏（Touch Screen）,2.2.2 特殊应用图形输入设备,特殊应用图形输入设备是指那些用于专门目的的图形输入专门设备。 这里仅介绍数字化仪
5、、图象扫描仪、数码相机和数据手套。,又称绘图板，是用来给物体作画、着色或交互选择坐标位置的常用设备。这些设备可输入两维或三维空间的坐标。通常，数字化仪在所绘制的图或对象上扫描，并输入一组随机的坐标位置，相互之间以直线段连接，以逼近曲线或表面形状。标准的数字化仪有两个主要部分：（）坚固的、内部布满金属栅格的图板；（）提供位置信息的定位器。,1、数字化仪（Digitizer）,扫描仪是一种图像输入设备，是直接把图形（工程图纸）和图像（照片、广告等）扫描输入到计算机中并以图像形式存储表示的设备。 按扫描仪所支持的颜色可分为单色扫描仪和彩色扫描仪；按其所采用的固态器件又可分为电荷耦合器件（CCD）扫描
6、仪、MOS电路扫描仪和紧贴型扫描仪；按扫描宽度和操作方式可以分为大型扫描仪、台式扫描仪和手持式扫描仪。 扫描仪的两个重要指标是分辨率和支持的颜色数或灰度等级，如分辨率为1200dpi（dots per inch），颜色为32位真彩色。现在大多扫描仪都提供分辨率和颜色、灰度的选择功能。,2、 图象扫描仪（ImageScanner）,数码相机是专门用来获取数字化图像的照相机。虽然它从外观上看很像一架普通的光学照相机，但内部结构却大不相同。数码相机利用电耦合器件成像，图像存储在半导体器件上。数码相机作为计算机的输入设备，将存储在半导体器件上的图像输入到计算机中，并利用相应的软件进行编辑处理，可用彩色
7、打印机打印输出。 另外数据手套也是一种特殊的图形输入设备，主要用于对虚拟场景中的对象定位，它与头盔联合使用，可直接操纵与观察三维虚拟场景中的对象。,3、数码相机（Digital Camera）,2.3图形绘制设备,图形输出包括图形显示和图形绘制。图形绘制通常指把图形画在纸上，也称硬拷贝。绘图仪和打印机是两种最常用的硬拷贝设备。,2.3.1绘图仪,绘图仪分笔式绘图仪和喷墨式绘图仪两种。喷墨式绘图仪的工作原理是利用电脉冲控制喷墨头，由喷墨头上的喷嘴把墨滴喷到图纸上而形成图形。笔式绘图仪又分为滚筒式绘图仪和平板式绘图仪两种。 滚筒式绘图仪是把有孔的绘图纸卷在有突针的滚筒上，机架静止，笔在托架上运动，
8、绘图纸在滚轮上沿托架前后移动，从而绘制出图形。绘图纸和绘图工具笔的运动是由两只步进电机带动，通过控制两只步进电机进行绘图。绘图工具可以是笔，也可以是彩色喷墨头。滚筒式绘图仪一般结构较简单、价格较低，但精度和速度不高。 平板式绘图仪有一块绘图平板，图纸平铺在绘图平板上，横梁和笔架运动。这种绘图仪精度高、速度快、但价格也较高。绘图笔的运动有六种基本动作：、四个方向上的移动和抬笔、落笔。因此，任何绘图路线都只能由这四个方向的基本运动组成。,2.3.2 打印机,打印机可用来输出文本、数据和图形。目前常用的打印机主要有针式打印机、喷墨打印机和激光打印机。,1、针式打印机,针式打印机的打印机头上装有一组打
9、印钢针，在打印机和打印头之间装有色带，通过选择打出的某些钢针撞击色带和纸将点阵图案印在纸上。打印时打印头从左至右移动来打印一行，当打完一行后打印纸以一定的行距向前移动，以便打印下一行。这种打印机因机器本身和耗材的价格便宜而被普遍使用，但作为图形输出设备时因其输出精度太低致使图形质量很差。,2、喷墨打印机,喷墨打印机的基本原理是通过喷墨头在打印纸上横向移动时将小墨点喷射到打印纸上来形成图案的。墨水泵将黄、品红、青3种颜色的墨水分别注入3支很细的喷笔中，在高压下，墨水通过喷笔内细而长的玻璃毛细管喷到纸上。 喷墨打印机因其价格较激光打印机便宜，使用彩色墨盒的彩喷可打印彩色图形，所以是较理想的图形打印
10、设备，但速度较慢且耗财昂贵。,3、激光打印机,激光打印机的基本原理：用激光束在光敏鼓上扫描，通过控制激光束的开关来控制光敏鼓是否吸附碳粉。当光敏鼓在纸上滚动时，便能在纸上输出图形等信息。 激光打印机有效地利用了激光的定向性、单色性和能量密集性，结合电子扫描技术的高灵敏度和快速存取等特性，使输出图形图像的质量非常高，是理想的图形输出设备。激光打印机正朝着高速度、高精度、低噪音、彩色化的方向发展。,2.4 图形显示系统,图形显示指的是在显示器屏幕上输出图形，显示器通过显示卡接到系统总线上，显示器和显示卡共同构成了显示系统。,2.4.1显示器,显示器是显示图形的设备。根据显示器外形可将其分为两种类型
11、：阴极射线管式（CRT）显示器和平板显示器（液晶显示器、等离子显示器、激光显示器等）。在应用中，以前是以CRT显示器为主；目前，由于液晶显示器价格的大幅降低，使用日渐增多，大有取代CRT显示器的趋势。,1、阴极射线管（CRT）,阴极射线管（CRT，Cathode Ray Tube）是CRT显示器的主要组成部分。根据阴极射线管的可显示颜色数可分为单色阴极射线管和彩色阴极射线管两种。,（1）单色阴极射线管,CRT是一种真空器件，利用电磁场产生高速的、经过聚焦的电子束，偏转到屏幕的不同位置轰击屏幕表面的荧光材料而产生可见图形。,阴极射线管的各组成部分及其功能：,电灯丝：通电后变热以给阴极加热。 阴极
12、：由灯丝加热后释放自由电子，在其周围形成电子云。 控制栅：加上负电压后，能够控制通过其中小孔的带负电的电子束的强弱。通过调节负电压高低来控制电子数量，来控制荧光屏上相应点的亮度。 聚焦系统：保证电子束在轰击屏幕时，汇聚成很细的点。 加速电极：对电子束加速，用于产生高速电子束。 偏转系统：控制电子束的偏转路径，以轰击屏幕的特定位置。 屏幕：内壁涂有荧光粉，常称作荧光屏，是CRT显示图形的表面。,（2） 彩色阴极射线管,如果显示屏上只涂一种荧光粉，则只能发出一种光色，这种显示器称作单色显示器，色彩单调。彩色显示器利用能发出不同光色的荧光粉的光色组合来显示彩色图形。最常用的CRT彩色显示器采用的是荫
13、罩式彩色显像管。,根据影孔板孔的形状可将影孔板分为三类： 点状影孔板：大多数球面与柱面显像管采用此类影孔板。由于太多电子无法穿过荫罩孔而直接打在荫罩上，导致长时间工作后，荫罩容易出现过热导致变形，影响屏幕的局部色纯。但其抗震性好。 栅格式影孔板：这种并行排列的方式容易对齐，调出的颜色也较鲜艳，常用于高分辨率的彩色CRT显示器。如，Sony的Trinitron与Mitsubishi的Diamondtron显像管采用此类影孔板。 沟槽式影孔板：长形板孔在保证荫罩强度的前提下，提高了电子透过率。LG的Flatron显像管采用此类影孔板。,（a）点状影孔板 （b）栅格式影孔板 （c）沟槽式影孔板,2、
14、CRT图形显示器,按其扫描方式，CRT显示器可分为随机扫描显示器（又称矢量显示器）、直视存储管图形显示器和光栅扫描式显示器三种。它们的原理不同，可显示的图形种类不同，因此用途也不同。,（1） 随机扫描的图形显示器,随机扫描图形显示器，又称向量（vector）显示器、笔划（Stroke writing）显示器，是画线设备，其特点是电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分。 优点：扫描速度快，分辨率高，线条质量好，易修改，交互性好，动态性能好。 缺点：价格贵；只能显示线框图形，并不能显示逼真的有阴影场景。 应用领域：主要应用于军事、CAD领域。,（2）直视存储管图形显示器,直视存储管DVST（d
15、irect-view storage tube）通过紧贴在屏幕荧光层后的电荷分布（存储栅）来存储图形信息。从表面上看直视存储管的特性极象一个有长余辉的荧光屏，一条线一旦画在屏幕上，在一小时之内都将是可见的。,DVST的特点有：无需刷新，很复杂的图形也可以在极高的分辨率下无闪烁地显示，成本较低；不能显示彩色，不能局部修改，擦除和重画过程对复杂图形来讲可能需要几秒钟。,（3) 光栅扫描式显示器,目前使用最广泛的CRT显示器是基于电视技术的光栅扫描式显示器。在光栅扫描系统中，电子束横向扫描屏幕，一次一行，从顶到底顺次进行。当电子束横向沿一行移动时，电子束的强度不断变化来建立亮点的图案。,关于光栅扫描
16、的几个概念如下：,帧：电子束从左到右、自等至底扫描一遍，对应于一帧。 水平回扫：每条扫描线末端，电子束返回到屏幕的左端，称为电子束的水平回扫。回扫时关闭电子枪。 垂直回扫：在每帧的终了，电子束返回到屏幕的左上角，称为电子束的垂直回扫。回扫时关闭电子枪。 行频、帧频：水平扫描频率为行频，垂直扫描频率为帧频。 扫描方式：有逐行扫描和隔行扫描。逐行扫描是从屏幕顶端开始，逐行下扫，直到屏幕底部。隔行扫描是先扫偶数行扫描线，再扫奇数行扫描线。隔行扫描技术主要用于刷新速率较慢的显示器中，以避免闪烁。 刷新速率：以多少周期/秒或赫兹/秒为单位来描述。一个周期对应一帧。如每秒60帧的刷新速率为60Hz/s。采用一定速率的刷新来保持屏幕显示的图形稳定。,3、液晶显示器LCD（Liquid Crystal Display）,由于CRT显示器体积大、重量重、耗电量高、产生辐射与电磁波干扰等缺点，而液晶显示器能克服这些不足，应用日益广泛，前景十分广阔。,液晶显示器是基于液晶电光效应的显示器件。液晶是一种介于液体和固体之间的具有规则性分子排列的有机化合物，分子形状为细长棒形，长宽约1
