第三章 计算机图形系统 及硬件基础,计算机图形系统用来生成、处理和显示图形,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,,,,,图形计算机平台,目前，面向图形应用的计算机系统主要有微型计算机、工作站、计算机网络和中小型计算机等 基于网络的图形系统是将上述计算机平台以及其它计算机环境，通过某种互联技术彼此连接，按照某种通信协议相互进行数据传输、共享、处理的多机工作环境 基于网络的图形计算机系统，可以将图形系统的应用扩展到更远、更宽的范围图形设备,常用图形设备分类：,图形应用软件,图形应用软件是解决某种应用问题的图形软件，是为非程序员用户提供的 如几何造型平台、CAD/CAM软件、计算机动画软件、科学计算可视化软件等 当今国内使用较多的几何造型平台有Autodesk的主导产品AutoCAD，其他的有 Unigraphics（UG），Pro/Engineer，I-DEAS，以及国内的高华CAD、CAXA、GS-CAD98等图形支撑软件,图形支撑软件是支撑程序员开发图形应用软件的软件 包括操作系统、设备驱动程序、语言系统、图形标准系统、数据转换标准等。
在某种程序设计语言中，扩充加入了图形语句或函数，使其具备图形生成及处理功能，如Turbo C 、AutoLisp等 图形支撑软件提供各种图形的生成、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3.1 概述,3.1.1 计算机系统中的图形设备 计算机图形系统用来生成、处理和显示图形，通常由以下三部分构成：,中央处理器,图形输出设备,图形输入设备,中央处理器（CPU）,完成对图形的描述、建立、修改等各种计算 对图形实现有效的存储 增加一些外部设备增强图形处理功能 图形处理器GPU，图形加速端口AGPC 许多外设所增加的固化的图形处理功能，可接受更高级的绘图命令，实现图形的缓冲，以及完成大部分图形函数的功能，从而大大减轻了CPU的负担图形输出设备,包括图形显示设备和图形绘制设备 图形显示设备: 用于在屏幕上输出图形 基于阴极射线管的监视器 液晶显示器 等离子显示器 图形绘制设备: 用于把图形画在纸上，也称硬拷贝 打印机 绘图仪,图形输入设备,常用的图形输入设备 键盘 鼠标 另外 跟踪球、空间球 光笔、触摸板、 图形扫描仪 数字化仪、手写输入板 语音输入 数据手套,三维鼠标,空间球,数据手套,图形输入的一个特殊领域 真实物体的三维信息的输入,零件进行大规模生产必须在计算机中生成三维实体模型 这个模型有时要通过已有的实物零件得到 采集实物表面各个点的位置信息 扫描保存古代名贵的雕塑和其它艺术品的三维信息 在计算机中产生这些艺术品的三维模型,美国斯坦福大学计算机系的著名图形学专家Marc Levoy于1998～1999学年在意大利，专门对文艺复兴时代的雕刻大师米开朗基罗的众多艺术品进行扫描，保存其形状和面片信息 专门设计了一套硬件和软件系统 光大卫像就有20亿个多边形和7000张彩色图象，总共需要72G的磁盘容量 实体图形输入的一个颠峰之作,3.1.2 图形的输入输出处理流程,一个计算机图形系统至少应具有计算、存储、输入、输出、交互等基本功能，各功能关系如下：,1.计算功能,计算功能包括： 1） 图形的描述、分析和设计； 2） 图形的平移、旋转、投影、透视等几何变换； 3） 曲线、曲面的生成； 4） 图形之间相互关系的检测等。
2. 存储功能和输入功能,存储功能 图形数据库可以存放各种图形的几何数据及图形之间的相互关系; 快速方便地实现对图形的删除、增加、修改等操作 输入功能 通过图形输入设备可将基本的图形数据（如点、线等）和各种绘图命令输入到计算机中，从而构造更复杂的几何图形3.输出功能和交互功能,输出功能 图形数据经过计算后可在显示器上显示当前的状态以及经过图形编辑后的结果， 同时还能通过绘图仪、打印机等设备实现硬拷贝输出，以便长期保存 交互功能 设计人员可通过显示器或其他人机交互设备直接进行人机通信，对计算结果和图形利用定位、拾取等手段进行修改，同时对设计者或操作员输入的错误给以必要的提示和帮助图形的基本处理流程,利用各种图形输入设备及软件或其他交互设备将图形输入到计算机中，以便进行处理； 在计算机内部对图形进行各种变换（如几何变换、投影变换）和运算（如图形的并、交、差运算等）； 处理后，将图形转换成图形输出系统便于接受的表示形式，并在输出设备上输出； 在交互式的系统中上述过程可重复进行多次，直至产生满意的结果3.2 图形显示原理,图形显示设备主要有以下三种：,阴极射线管(CRT)显示器,液晶显示器(LCD),等离子显示器(PDP),2.2.1 CRT显示器,CRT显示器显示原理 CRT显示器主要由阴极、电平控制器（即控制极）、聚焦系统、加速系统、偏转系统和阳极荧光粉涂层组成，这六部分都在真空管内。
阴极射线管(CRT) 组成：包括电子枪(阴极)、控制系统、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏 工作原理：电子枪发射电子束，经过聚焦系统、加速电极、偏 转系统，轰击到荧光屏的不同部位，被其内表面的 荧光物质吸收，发光产生可见的图形 结构:,CRT显示器原理图,水平偏转板,垂直偏转板,灯丝,阴极,,,,,,,,,,,聚焦系统,加速系统,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,电平控制器,,,,,,,,,,,,,,石墨层吸收轰击磷粉涂层后逃逸在荧光屏内的杂撒电子送至第二阳极,形成电流回路荧光纷（磷粉涂层）,,,,电子枪 偏转系统 荧光屏,,,,,,,,,,第一阳极 第二阳极 偏转线圈 高压入口经石墨层接第二阳极 用于磁偏转系统,用于静电偏转系统,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,荧光屏,,偏转的电子束,,控制电子束的强弱，改变亮点的明暗程度,加热阴极,发射电子（云）,会聚电子云成很细电子束,精确定位电子束到屏幕任意位置,荧光物质：吸收电子束而发光 余辉时间：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 刷新(Refresh)：为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值 刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数 像素(Pixel)：构成屏幕（图像）的最小元素 分辨率(Resolution)：CRT在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大像素个数, 单位通常为dpi（dots per inch)。
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像素个数描述 如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等,某种CRT产生稳定图像所需要的最小刷新频率 =1秒/荧光物质的持续发光时间 （例如）=1000/40=25Hz,几个相关概念,彩色CRT 渗透型 常用于随机扫描显示器 射线穿透法 多枪型 常用于光栅扫描显示器 影孔板法,2. 彩色CRT显示器的显示原理,射线穿透法（beam penetration） 原理： 两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光物质，不同速度电子束穿透荧光层的深浅，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,影孔板法 原理： 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,影孔板的类型 点状影孔板（荫罩式） 代表：球面显像管 栅格式影孔板（荫栅式） 代表：柱面显像管 日本索尼公司的特丽珑管（Trinitron） 三菱公司的钻石珑管（Diamondtron） 沟槽式影孔板 代表：LG的Flatron显像管,点状（荫罩式）影孔板工作原理 红、绿、兰三基色 三色荧光点（很小并充分靠近--〉像素） 三支电子枪,RGB模型,由红、绿、蓝三种颜色组成的原色系统称为RGB模型。
它是定义于某个红绿蓝颜色坐标系统中的单位立方体坐标原点代表黑色，坐标点(1,1,1)代表白色坐标轴上的顶点代表三个基色，余下的顶点则代表每一个基色的补色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，称为真彩色系统,荫罩式显示器的缺点： 球面荧光屏，几何失真大 三角形的荧光点排列造成即使点很密很细也不会特别清晰 最近几年 荫栅式显示器逐渐流行起来,荫栅式显象管的优点 亮度更高，色彩也更鲜艳 柱面和平面显示器,CRT显示器分类,直视存储管式（Direct-View Storage Tubes） 利用管子本身存储信息，类似于一个长余辉的CRT，不必刷新 刷新式 随机扫描式（Random-Scan） 光栅扫描式（Raster-Scan）,刷新频率,扫描转换：将图形的几何信息转换成存储在帧缓存中的光栅（点阵）图像并以一定格式的视频图像显示的过程叫扫描转换 刷新一次指电子束从上到下将荧光屏扫描一次，只有刷新频率高到一定值后，图像才能稳定显示 人眼感觉不到屏幕闪烁的刷新频率应不低于60Hz3.随机扫描的图形显示器,随机扫描的图形显示器是画线设备，在屏幕上显示一条直线是从屏幕上的一个可编址点直接画到另一个可编址点。
电子束的定位和偏转具有随机性，在某一时刻，显示屏上只有一个光点发光，因而可画出线很细的图形，故又称之为画线式显示器基本工作过程,从显示文件存储器中取出画线指令或显示字符指令、方式指令，送到显示控制器 显示控制器控制电子束的偏转，轰击荧光屏上的荧光材料，从而呈现出一条发亮的图形轨迹 由于屏幕采用短余辉的荧光粉，因此，必须不断地重复扫描显示文件（即刷新），以获得稳定的画面特点 数据表示：矢量表示，只有端点信息，无线段中间点 扫描方式：电子束像一支快速移动的画笔，可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分 显示图形：几何属性（geometric attribute）为主，线框图 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，只能显示线画图形，应用于军事、CAD领域,4. 光栅扫描式图形显示器,是画点设备，可看成一个点阵单元发生器，并可控制每个点阵单元的亮度 发出的电于束的偏转方式是固定的，自上而下，从左到右扫描在荧光屏上形成光栅形状 图形是通过电子束扫描到光栅上的图形象素点时呈现的亮度或颜色与光栅背景的亮度或颜色不同而衬托出的，可形成多级灰度或颜色的实面积自然图像。
显示原理,由于图像是由像素阵列组成，显示一幅图像所需要的时间等于显示整个光栅所需的时间，而与图像的复杂程度无关一般在矩阵中是不能直接从一个点到另一个点（或一个像素到另一个像素）画一条笔直的直线，但可以用一系列的点（或像素）来近似地表示这条直线只有画水平、垂直或正方形的对角线时，才能用点或像素画出一条真正的直线，其他情况下的直线均呈阶梯状光栅化的直线,特点： 数据表示：像素矩阵 扫描方式：从上到下，从左到右 显示图形：几何属性+视觉属性（Visual attribute），真实感图形,隔行扫描技术,光栅扫描方式有逐行和隔行扫描两种方式 每一帧分为两个场显示，每个场只包含一半画面 扫描从奇数场左上角开始，每一行都是自左向右隔行扫描（Interlaced scan）工作原理,场频= 帧频 * 2 一帧1／30秒，一场1／60秒 帧频30HZ ，场频60HZ,一帧完整的画面分成两场，即奇数场与偶数场,帧,奇数场从第一行开始，水平回扫用虚线表示,,,,1,2,3,4,5,6,7,有7条扫描线的隔行扫描,,,,,,,,,正程显示和逆程消隐： 水平回扫 垂直回扫,优点： 降低了闪烁效应； 只需逐行的一半时间即可显示一屏画面，降低了对扫描频率的要求，也降低了成本； 帧缓存中数据量比逐行扫描少一半，降低了视频控制器存取帧缓存的速度及传输带宽的要求。
帧缓冲存储器（Frame Buffer) 作用：是一块连续的存储空间存储屏幕上像素的颜色值 也称刷新存储器(Refreshing Buffer) 简称帧缓冲器，俗。