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1、计算机图形学基础华东理工大学计算机系 谢晓玲第二章 计算机图形系统及图形硬件p 计算机图形系统p 图形输入设备p 图形显示设备p 显示子系统p 图形硬拷贝设备p OpenGL图形软件包22.1 计算机图形系统p 计算机图形系统的功能p 计算机图形系统的结构34计算机图形系统的功能图2.1 计算机图形系统的5个功能5计算机图形系统的结构图2.2 计算机图形系统的结构2.2 图形输入设备o 键盘键盘 （keyboard）键盘能用来进行屏幕坐标的输入、菜单选择、图形功能选择，以及输入那些如辅助图形显示的图片标记等非图形数据。6图形输入设备o 鼠标标器（mouse）当推动鼠标器在平面上移动时，鼠标将记
2、录移动的方向和距离，这个方向和距离被传送给计算机，转换成对应的光标的位移。7图形输入设备o 光笔(light pen)定位、拾取、笔画跟踪8图2.3 光笔的结构图形输入设备o 触摸屏(touch screen)当用手指或者小杆触摸屏幕时，触点位置便以光学的（红外线式触摸屏）、电子的（电阻式触摸屏和电容式触摸屏）或声音的（声音探测式）方式记录下来。9图形输入设备o 操纵纵杆(joystick)操纵杆是由一根小的垂直杠杆组成的可摇动装置，该杠杆装配在一个其四周可移动的底座上用来控制屏幕光标。10图2.5 操纵杆图形输入设备o 跟踪球（Trackball）和空间间球（Spaceball）11图2.6
3、 跟踪球图2.7 空间球图形输入设备o 数据手套(Data Glove)是一种戴在手上的传感器，可以用来抓住“虚拟对象”，它由一系列检测手和手指运动的传感器构成，用来提供关于手的位置和方向的信息。12图2.8 数据手套图形输入设备o 数字化仪(Digitizer)用于在二维或三维的图形对象上扫描，以输入一系列二维或三维的坐标值。这些坐标值代表的坐标点，在系统中将以直线段或曲线段连接，以逼近图形对象的描绘曲线或表面形状。13图形输入设备o 图像扫描仪(Scaner)图像扫描仪可直接把图纸、图表、照片、广告画等输入到计算机中，在将它们传过一个光学扫描机构时，灰度或彩色等级被记录下来，并按图像方式进
4、行存储。14图形输入设备o 声频输频输 入系统统o 视频输视频输 入系统统152.3 图形显示设备o 阴极射线线管o 彩色阴极射线线管o CRT图图形显显示器o 平板显显示器o 三维观维观 察设备设备16阴极射线管（CRT）o CRT（Cathode Ray Tube）是一种真空器件，它利用电电磁场产场产 生高速的、经过经过 聚焦的电电子束，偏转转到屏幕的不同位置轰击轰击 屏幕表面的荧荧光材料而产产生可见图见图 形。o CRT从结结构上分为为：电电子枪枪、偏转转系统统、荧荧光屏。17阴极射线管（CRT）18电子枪偏转系统荧光屏图2.11 CRT的结构阴极射线管（CRT）o 电电子枪枪：产生一个
5、沿管轴（Z轴轴）方向前进的高速的细电子束轰击荧光屏。n 具有足够的电流强度。n 电流的大小和有无必须是可控的。n 具有很高的速度。n 在荧光屏上应能聚焦很小的光亮，以保证显示器有足够的分辨率。19阴极射线管（CRT）20图2.12 两种CRT电子枪的结构阴极射线管（CRT）o 偏转系统为了在荧光屏上显示图形及字符，必须用电子束偏转扫描来实现。分电偏转和磁偏转两种。21图2.13 磁偏转阴极射线管（CRT）o 枕形失真 n 当偏转线圈的匝数一定时，偏转电流I与偏 转角的正弦成正比。只有在偏转角很小时， 偏转角与偏转电流之间才成直线性关系。 n 由于荧光屏四角距中心最远，偏转角较大， 同样的偏转电
6、流增量所造成的偏转距离增量 最大。22阴极射线管（CRT）23图2.9 枕形失真与桶形失真o 枕形失真的校正n 将产生偏转磁场的锯齿形电流预先产生一些失真；n 将偏转磁场做成略有不均匀性，接近管轴中央处略强，周围略弱。如图(c)24图2.14 电偏转：两对偏转板 电子枪：通过控制栅，控制电子束的电子数； 聚焦系统：将电子束聚焦成细束； 加速电极：产生高速的电子束； 偏转系统：控制电子束偏移； 荧光屏：当被电子束轰击时产生亮点。阴极射线管（CRT）o 荧光屏（Phosphor Screen）n 荧光屏是用荧光粉涂敷在玻璃底壁上制成的 ，常用沉积法涂敷荧光粉。玻璃底壁要求无 气泡，表面光学抛光。
7、n 荧光粉的余辉特性：电子束轰击荧光屏时， 荧光粉的分子受激发光；当电子束的轰击停 止后，荧光粉的光亮没有立即消失，而是按 指数规律衰减。 n 余晖时间：荧光粉衰减时间 2526o 三基色原则o 主要结构：三色荧光屏、三支电子枪、荫罩板彩色阴极射线管荫罩式图2.11 三色荧光屏27彩色阴极射线管荫罩式图2.15 三支电子枪28彩色阴极射线管荫罩式图2.15 荫罩荧光屏上覆盖呈三角形分布 的小荧光点阵，每个小荧光 点阵涂有发红、绿、蓝三种 荧光物质，电子枪可以发出 三个电子束来激发这三种物 质, 中间通过一个控制栅格 来决定三束电子到达的位置 。29o 为了避免混色，荧光点的面积比电子束截面要大
8、些。o 只有15%左右的电子到达屏幕。o 荫罩吸收大量电子，容易发热变形。o 管子的亮度低，要提高管子的亮度，则需提高第二阳极的高压。图2.16 原理图30彩色阴极射线管荫罩式图2.17 黑底荫罩管黑底管特点： 1.荧光小点面积缩 小，并被石墨包围， 则不易发生混合； 2.荫罩小孔的直径 可以放大，亮度增加 。31CRT图形显示器p 随机扫描的图形显示器p 直视存储管图形显示器p 光栅扫描的图形显示器32o 向量（vector）显显示器、笔划（Stroke writing）显显示器。 o 随机扫扫描（random-scan）的图图形显显示器中 电电子束的定位和偏转转具有随机性，即电电子束的 扫
9、扫描轨轨迹随显显示内容而变变化，只在需要的地方 扫扫描，而不必全屏扫扫描。 o 无冗余扫描、速度快、图像清晰、比光栅系统 更高的分辨率、生成光滑线条； o 适用计算机图形处理，不能显显示有阴影场场景。随机扫描的图形显示器33随机扫描的图形显示器图2.18 随机扫描工作原理34随机扫描的图形显示器图2.19 随机扫描显示器的工作原理显示文件转换器显示文件 存储器35o 直视存储管DVST（direct-view storage tube）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，其结构类似CRT。直视存储管图形显示器36直视存储管图形显示
10、器图2.20 直视存储管图形显示器的工作原理写电子枪将图形 信息“写”在存储 栅上；读出电子 枪（泛流枪）能 够将存储栅的信 息“重写”到屏幕 上；收集栅使读 出的电子流均匀 ，并以垂直方向 接近屏幕。37o 无需刷新；o 很复杂的图形都可以在极高的分辨率下无闪 烁地显示；o 成本较低；o 不能显示彩色；o 不能局部修改；o 擦除和重画过程可能持续较长时间。直视存储管图形显示器38光栅扫描图形显示器图2.21 光栅扫描原理水平扫描（显示）水平回扫（消隐）垂直回扫（消隐）光栅扫描方式下，电子束自 左而右，自上而下，形成一 帧。光栅扫描有两种： 隔行扫描、 逐行扫描。工作原理：光栅扫描是控制电子束
11、按某种光栅形状进行的顺序扫描，而字符、图像是靠Z轴信号控制辉亮来形成的。图2.22 光栅扫描图形显示器的工作原理40o 刷新缓缓冲存储储器（refresh buffer）或称帧缓帧缓 冲存储储器（frame buffer），保存每个像素点 亮度信息。 o 像素（pixel或pel，是picture element的简简写 ），荧光屏上光点。 o 像素信息从应应用程序转换转换 并放入帧缓帧缓 冲区的过过 程称之为为扫扫描转换过转换过 程。光栅扫描图形显示器图形 命令显示处 理器帧缓存视频 控制器CRT光栅扫描图形显 示器是画点设备 ，只能尽可能接 近直线的像素点 集来近似地表示 直线，该直线呈
12、锯齿状。采用反 走样技术适当减 轻这种锯齿效果 。光栅扫描图形显示器图2.23 光栅扫描显示器绘图过程示意图 42低电压、轻小型、数字化显示器件。 平板显示器（flat-panel display）的分类： o非发射显示器（none-emissive display）利用光学效应，将来自太阳或其他光源的光转换为图形图案，典型设备：液晶显示器 o发射显示器（emissive display）将电能转换为光能的设备，典型设备：等 离子体显示器、薄片光电显电显 示器、发发光二极管等。平板显示器（flat-panel display）43o 液晶显显示器(LCD,Liquid Crystal Disp
13、lay)o 等离子体显显示板（Plasma Panel）o 薄片光电显电显 示器（Thin-Film Electroluminescent Display）o 发发光二极管（Liquid-Emitting Diode, LED）平板显示器（flat-panel display）44o 某些有机化合物当其温度在液相和固相之间时 所呈现出稳定的中间状态，其分子呈细长的棒 状，在空间上具有一维的规则性排列，称为液 晶。 o 液晶分子的排列在微弱的外部电场、磁场或者 应力、温度变化等作用下非常容易改变。当液 晶分子的某种排列状态在电场作用下变为另一 种状态时，液晶的光学性质随之改变，这种产 生光被电场
14、调制的现象称为液晶的电光效应。液晶显示器原理o 液晶显示器利用液晶的电光效应，通过施加电压改变 液晶的光学特性，造成对入射光的调制。即通过能阻 塞或传递光的液晶材料，传递来自周围的或内部光源 的偏振光。 o 液晶夹层两边玻璃基板各有一个偏光板，它们的偏振 方向互成90，液晶屏幕后面有一个背光。45液晶显示器原理反射层 水平偏振器 水平网格线 液晶层 垂直网格线 垂直偏振器玻璃基板玻璃基板46图2.24 液晶显示原理液晶显示器原理液晶材料在常态下分 子呈 “开态”(排列成 螺旋形)，当光线穿 过液晶层时，偏振方 向会被旋转90，显 示器呈亮点； 当液晶材料在电场下 分子呈“关态”(排 列同一个方
15、向)，当 光线穿过液晶层时， 不会旋转,显示器呈 黑点。可视角度：当视线与屏幕中心法向成一定角度时，人们就不能 清晰地看到屏幕图像，能看到清晰图像的最大角度。 点距和分辨率：点距就是两个液晶颗粒(光点)之间的距离，一 般0.28-0.32mm；只有在真实分辨率下液晶显示器才能得到最 佳的显示效果。 48o NW（Normal White）型的LCD：在液晶面板不施加电压时电压时 ，我们们所看到的面板是透光的画面，也就是亮的画面。o NB（Normal Black）型的LCD：当对对液晶面板不施加电压时电压时 ，面板无法透光。液晶显示器类型49液晶显示器彩色o 液晶显显示器利用在一侧侧的玻璃基板
16、上加上一个 彩色滤滤光片（CF，Color Filter）实现实现 彩色。 o 彩色滤滤光片上均匀分布着红红、绿绿、蓝蓝色小点， 每个小点有各自不同的灰度，相邻邻的一组组RGB 小点构成一个基本的彩色显显示单单元，即一个像 素。 o 液晶分子排列对电压对电压 的响应时间应时间 称为为反应时应时 间间，一般在612ms50液晶显示器彩色图2.25 彩色滤光片排列方式51液晶显示器分类o 扭曲向列型（TN，Twisted Nematic）o 超扭曲向列型（STN，Super TN）o 双层层超扭曲向列型（DSTN，Dual Scan TN）o 薄膜晶体管型（TFT，Thin Film Transistor）o 液晶显示器的主要基本技术指标 1) 可视角度由于液晶的成像原理是通过光的折射而不是像CRT 那样由荧光点直接发光来实现的, 因此在不同的角度看 液晶显示屏必然会有不同的效果。 2) 点距和分辨率液晶屏幕的点距就是两个液晶颗粒
