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1、曾智勇福建师范大学软件学院Tel:8338 7885第二章 图形系统概述图形处理系统图形处理系统Computer + 人人 = 交互式交互式Personel Computer图形处理系统图形处理系统workstation图形处理系统图形处理系统要求主机性能更高（强大的浮点运算要求主机性能更高（强大的浮点运算能力），速度更快，存储容量更大，能力），速度更快，存储容量更大，外设种类更齐全外设种类更齐全图形加速卡，大屏幕显示器图形加速卡，大屏幕显示器硬件发展硬件发展图形输入设备的发展图形输入设备的发展第一阶段：第一阶段：控制开关、穿孔纸等控制开关、穿孔纸等第二阶段：第二阶段：键盘、光笔键盘、光笔第三
2、阶段：第三阶段：二维定位设备，如鼠标、坐标数字化仪、跟踪球、二维定位设备，如鼠标、坐标数字化仪、跟踪球、触摸屏、操纵杆、扫描仪等触摸屏、操纵杆、扫描仪等第四阶段：第四阶段：三维输入设备（如三维鼠标、空间球、数据手套、三维输入设备（如三维鼠标、空间球、数据手套、数据衣）数据衣）智能人机接口：用户的手势、表情、语音等智能人机接口：用户的手势、表情、语音等三维鼠标三维鼠标空间球空间球根据球根据球在不同方向受到的推或拉的压力在不同方向受到的推或拉的压力来实现定位和选择来实现定位和选择 图形输入设备（图形输入设备（1/13）图形输入设备（图形输入设备（2/13）数据手套数据手套(Data glove)
3、可测量出手的位置和形状，从而实现环境中的虚拟手及其对可测量出手的位置和形状，从而实现环境中的虚拟手及其对虚拟物体的操纵。虚拟物体的操纵。数据手套通过手指上的弯曲、扭曲传感器和手掌上的弯度、数据手套通过手指上的弯曲、扭曲传感器和手掌上的弯度、弧度传感器，确定手及关节的位置和方向。弧度传感器，确定手及关节的位置和方向。图形输入设备（图形输入设备（3/13）用于虚拟现实环境的显示器类型用于虚拟现实环境的显示器类型头盔式显示器头盔式显示器(Head Mounted Display(Head Mounted Display，HMD)HMD)空间沉浸式显示器空间沉浸式显示器(SID,(SID,如洞穴式和园
4、顶式如洞穴式和园顶式) )显示硬件显示硬件头盔式显示器头盔式显示器将观察者的头部位置及运动方向告诉计算机，计算机就可将观察者的头部位置及运动方向告诉计算机，计算机就可以调整观察者所看到的图景，使得呈现图像更趋于真实感以调整观察者所看到的图景，使得呈现图像更趋于真实感绝大多数头盔式显示器使用两个显示器绝大多数头盔式显示器使用两个显示器利用特殊光学设备对图像进行处理，使图像看上去立体感利用特殊光学设备对图像进行处理，使图像看上去立体感更强更强把用户的视觉、听觉和其他感觉封装起来，产生一种身在把用户的视觉、听觉和其他感觉封装起来，产生一种身在虚拟环境中的错觉。虚拟环境中的错觉。图形输入设备（图形输入
5、设备（4/13）图形输入设备（图形输入设备（5/13）数据衣数据衣也是虚拟现实系统中用的人机交互设备也是虚拟现实系统中用的人机交互设备一件虚拟现实的数据紧身服一件虚拟现实的数据紧身服可使你有在水中或泥沼中游泳的感觉可使你有在水中或泥沼中游泳的感觉 图形输入设备（图形输入设备（6/13）扫描仪常用类型扫描仪常用类型滚筒式滚筒式由电子分色机发展而来，用光电倍增管作为颜色感受器，将光信由电子分色机发展而来，用光电倍增管作为颜色感受器，将光信号转换为电信号号转换为电信号扫描图像质量相对较高，可扫描幅面更大扫描图像质量相对较高，可扫描幅面更大平板式平板式采用电荷耦合器件采用电荷耦合器件CCD （ Cha
6、rge Coupled Device）图形输入设备（图形输入设备（7/13）扫描仪工作原理扫描仪工作原理用光源照射原稿用光源照射原稿投射光线经过一组光学镜头射到投射光线经过一组光学镜头射到CCD器件上，得到元件的器件上，得到元件的颜色信息颜色信息再经过模再经过模/数转换器，图象数据暂存器等数转换器，图象数据暂存器等最终输入到计算机最终输入到计算机图形输入设备（图形输入设备（8/13）指标指标分辨率分辨率光学分辨率：单位长度上能采样信息点数光学分辨率：单位长度上能采样信息点数插值分辨率：驱动软件插值计算得到的分辨率插值分辨率：驱动软件插值计算得到的分辨率扫描分辨率：扫描时的实际输入分辨率扫描分辨
7、率：扫描时的实际输入分辨率能放置原稿的原稿尺寸能放置原稿的原稿尺寸原稿放大倍数原稿放大倍数如光学分辨率为如光学分辨率为6000dpi，所需图像分辨率为，所需图像分辨率为300dpi，则可放大，则可放大20倍倍位深度、色深度位深度、色深度决定可以获取图像的最大灰度级数、最多颜色数决定可以获取图像的最大灰度级数、最多颜色数最高密度范围最高密度范围决定图像的暗调层次，越大越好决定图像的暗调层次，越大越好色调灵敏度色调灵敏度制造商不公开制造商不公开图形输入设备（图形输入设备（9/13）数码相机数码相机采用的摄像感应器有两种采用的摄像感应器有两种CCDCMOS：便宜，但质量相对较差：便宜，但质量相对较差
8、图形输入设备（图形输入设备（10/13）图形输入的一个特殊领域图形输入的一个特殊领域真实物体的三维信息的输入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美国斯坦福大学计算机系的著名图形学专家学专家Marc
9、 Levoy曾经带领他的曾经带领他的30人工作小组（包括美国斯坦福大学及人工作小组（包括美国斯坦福大学及美国华盛顿大学的教师和学生）美国华盛顿大学的教师和学生）于于19981999学年在意大利，专门学年在意大利，专门对文艺复兴时代的对文艺复兴时代的雕刻大师米开朗基雕刻大师米开朗基罗罗的众多艺术品进行扫描，保存其形的众多艺术品进行扫描，保存其形状和面片信息状和面片信息专门设计了一套硬件和软件系统专门设计了一套硬件和软件系统数据量惊人，光数据量惊人，光大卫像大卫像就有就有20亿个多亿个多边形和边形和7000张彩色图象，总共需要张彩色图象，总共需要72G的磁盘容量的磁盘容量实体图形输入的一个颠峰之作
10、实体图形输入的一个颠峰之作 图形输入设备（图形输入设备（11/13）图形输入设备（图形输入设备（12/13）三维数字化仪三维数字化仪工作原理工作原理电磁感应技术电磁感应技术由一块数据板和一根触笔组成由一块数据板和一根触笔组成 数据板中布满了金属栅格，当触笔在数据数据板中布满了金属栅格，当触笔在数据板上移动时，其正下方的金属栅格上就会板上移动时，其正下方的金属栅格上就会产生相应的感应电流产生相应的感应电流根据已产生电流的金属栅格的位置，就可根据已产生电流的金属栅格的位置，就可以判断出触笔当前的几何位置以判断出触笔当前的几何位置许多数字化仪提供了多种压感电流，用不许多数字化仪提供了多种压感电流，用
11、不同的压力就会有不同的信息传向计算机同的压力就会有不同的信息传向计算机 美术家数字化仪美术家数字化仪（带压力传感器，无绳触（带压力传感器，无绳触笔）笔）通过控制笔的压力绘制不同风格的画通过控制笔的压力绘制不同风格的画现在非常流行的汉字手写系统就是一种数现在非常流行的汉字手写系统就是一种数字化仪字化仪 图形输入设备（图形输入设备（13/13）l图形输出图形输出(显示、打印）设备显示、打印）设备：l阴极射线管显示器（阴极射线管显示器（CRT），液晶显示器（），液晶显示器（LCD）等）等l绘图仪，打印机，绘图仪，打印机，l双监视器图形工作站双监视器图形工作站lMediaWall多屏幕系统多屏幕系统监
12、视器阵列监视器阵列 交易展示、大型会议、博物馆、旅客候机厅等交易展示、大型会议、博物馆、旅客候机厅等 CRT显示器分类阴极射线管（阴极射线管（CRT）Cathode Ray Tube单色单色CRT彩色彩色CRTl阴极射线管阴极射线管(CRT)组成组成包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏工作原理工作原理电子枪发射电子束电子枪发射电子束经过聚焦系统、加速电极、偏转系统经过聚焦系统、加速电极、偏转系统轰击到荧光屏的不同部位轰击到荧光屏的不同部位被其内表面的荧光物质吸收被其内表面的荧光物质吸收发光产生可见的图形发光产生可见的图形结构结构电子枪
13、电子枪电灯丝的组成电灯丝的组成阴极阴极由灯丝加热发出电子束由灯丝加热发出电子束控制栅控制栅加加上上负负电电压压后后，能能够够控控制制通通过过其其中中小小孔孔的的带带负负电电的的电子束的强弱电子束的强弱通过调节负电压高低来控制电子数量通过调节负电压高低来控制电子数量即即控制荧光屏上相应点的亮度控制荧光屏上相应点的亮度聚焦系统聚焦系统通过电场和磁场通过电场和磁场控制电子束变细控制电子束变细，保证亮点足够小，提高分辩率，保证亮点足够小，提高分辩率 加速电极加速电极 加正的高压电（几万伏）加正的高压电（几万伏） 使电子束高速运动使电子束高速运动 控控制制静静电电场场或或磁磁场场，使使电电子子束束产产生
14、生偏偏转转，最最大大偏偏转转角角是是衡衡量量系系统统性能的最重要的指标，显示器长短与此有关。性能的最重要的指标，显示器长短与此有关。偏转系统偏转系统荧光屏荧光屏 荧光物质：吸收电子束而发光荧光物质：吸收电子束而发光l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l刷新刷新(Refresh)：为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值l刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数l像素像素(Pixel)：构成屏幕（图像）的最小元素构成屏幕（图像）的最小元素l分辨率分辨率
15、(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 如如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等等等某种某种CRT产生稳定图像所需要的最小刷新频率产生稳定图像所需要的最小刷新频率=1秒秒/荧光物质的持续发光时间荧光物质的持续发光时间（例如）（例如）=1000/40=25Hz彩色彩色CRT渗透型渗透型常用
16、于随机扫描显示器常用于随机扫描显示器射线穿透法射线穿透法多枪型多枪型常用于光栅扫描显示器常用于光栅扫描显示器影孔板法影孔板法彩色阴极射线管彩色阴极射线管射线穿透法（射线穿透法（beam penetration）原理：原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光物质，不同速两层荧光涂层，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，决定所产生的颜色度电子束穿透荧光层的深浅，决定所产生的颜色电子束电子束荧光涂层荧光涂层产生颜色产生颜色低速电子束低速电子束较低速电子束较低速电子束较高速电子束较高速电子束高速电子束高速电子束应用：应用：主要用于画线显示器主要用于画线显示器优点：优点：成本低成本低缺点：缺点：只能产生有限几种颜色只能产生有限几种颜色影孔板法影孔板法原理：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位置外层玻璃外层玻璃荧光涂层荧光涂层影孔板影孔板影孔板的类型影孔板的类型点状影孔板（荫罩式）点状影孔板（荫罩式） 代表：球面显像管代表：球面显像管栅格式影孔板（荫栅式）栅格式影孔板（荫栅式） 代表：柱面显像管代表：
