1、計算機圖形學1第二章 計算機圖形系統2.1 圖形系統2.2 圖形顯示設備2.3 圖形輸入設備2.4 圖形繪制設備2.5 圖形系統標準2.6 OpenGL圖形軟件包計算機圖形學22.1 圖形系統p 2.1.1計算機圖形系統的組成與結構p 2.1.2計算機圖形系統的功能p 2.1.3圖形系統的分分類計算機圖形學32.1.1 圖形系統的組成u計算機圖形系統由計算機硬件系統和軟件系統兩部分組成。嚴格說來，使用系統的人也是這個系統的組成部分。計算機圖形學4圖形硬件圖形軟件圖形應用數據結構圖形應用軟件圖形支撐軟件圖形計算機平臺圖形設備圖形系統計算機圖形系統的結構計算機圖形學5u 硬件系統包括：輸入設備、顯

2、示設備、繪制設備u 軟件系統包括：系統軟件、應用軟件、圖形軟件、高級語言平臺軟件計算機圖形學6u 圖形輸入設備：二維：鼠標、圖形輸入板、跟蹤球、光筆、觸摸屏、操縱桿、掃描儀 三維：空間球、數據手套 計算機圖形學7u 圖形輸出n 圖形輸出包括圖形的顯示和圖形的繪制，圖形顯示指的是在屏幕上輸出圖形n 圖形繪制通常指把圖形畫在紙上，也稱硬拷貝，打印機和繪圖儀是兩種最常用的硬拷貝設備計算機圖形學8u 圖形輸出(顯示、打?。┫到y： n 陰極射線管顯示器，n 液晶顯示器，等離子顯示器， n 繪圖儀,打印機計算機圖形學92.1.2 圖形系統的功能1計算功能2存儲功能3對話功能4輸入功能5輸出功能計算機圖形學

3、10 圖形系統基本功能框圖顯示器交互輸出計算輸入存貯數據庫圖形輸出設備圖形輸入設備計算機圖形學112.1.3 圖形系統的分類1以大型機為基礎的圖形系統2以中型或小型機為基礎的圖形系統3以工作站為基礎的圖形系統4以微機為基礎的圖形系統計算機圖形學12圖形工作站u 具有完整人機交互界面，集高性能的計算和圖形于一身，可配置大容量的內存和硬盤，I/O和網絡功能完善，使用多任務多用戶操作系統的小型通用個人化計算機系統。u 1983年美國APOLLO公司推出第一臺適合計算機輔助設計（CAD）的工作站。u 現在全球最有名的圖形工作站屬SGI圖形工作站。計算機圖形學13u 圖形處理器是圖形系統結構的重要元件，

4、是連接計算機和顯示終端的紐帶u 早期的圖形處理器只包含簡單的存儲器和幀緩沖區，它們實際上只起了一個圖形的存儲和傳遞作用，一切操作都必須有CPU來控制u 現在的圖形處理器不單單存儲圖形，而且能完成大部分圖形函數，專業的圖形卡已經具有很強的3D處理能力，大大減輕了CPU的負擔,提高了顯示質量和顯示速度計算機圖形學14圖形處理器的組成u 顯示主芯片 顯卡的核心，俗稱GPU，它的主要任務是對系統輸入的視頻信息進行構建和渲染u 顯示緩存n用來存儲將要顯示的圖形信息以及保存圖形運算的中間數據n顯存的大小和速度直接影響著主芯片性能的發揮u 數字模擬轉換器（RAMDAC） 它的作用就是把二進制的數字轉換成為和

5、顯示器相適應的模擬信號計算機圖形學15顯存模擬信號輸出主芯片計算機控制信號RAMDAC顯卡工作原理簡單示意圖計算機圖形學162.2 圖形顯示設備2.2.1 陰極射線管顯示器2.2.2 平板顯示器n 液晶顯示器（LCD）n 發光二極管顯示器n 等離子顯示器2.2.3 圖形顯示子系統計算機圖形學172.2.1 陰極射線管顯示器一、陰極射線管二、彩色陰極射線管三、CRT顯示器計算機圖形學18一、陰極射線管（CRT)u 陰極射線管CRT（Cathode Ray Tube）是一種真空器件，它利用電磁場產生高速的、經過聚焦的電子束，偏轉到屏幕的不同位置轟擊屏幕表面的熒光材料而產生可見圖形。計算機圖形學19

6、一、陰極射線管（CRT)u 組成：包括電子槍、加速結構、聚焦系統、偏轉系統、熒光屏計算機圖形學20陰極射線管(CRT)工作原理u 高速的電子束由電子槍發出，經過聚焦系統、加速系統和磁偏轉系統就會到達熒光屏的特定位置。由于熒光物質在高速電子的轟擊下會發生電子躍遷，即電子吸收到能量從低能態變為高能態。由于高能態很不穩定，在很短的時間內熒光物質的電子會從高能態重新回到低能態，這時將發出熒光，屏幕上的那一點就會亮了計算機圖形學21陰極射線管（CRT）-電子槍u 電子槍：產生一個沿管軸（Z軸）方向前進的高速的細電子束轟擊熒光屏。n 具有足夠的電流強度。n 電流的大小和有無必須是可控的。n 具有很高的速度

7、。n 在熒光屏上應能聚焦很小的光亮，以保證顯示器有足夠的分辨率。21計算機圖形學22陰極射線管（CRT）-電子槍22燈絲陰極柵極加速極第二陽極第三陽極石墨層玻璃燈絲陰極柵極加速極聚焦極第二、四陽極石墨層玻璃（b)四極電子槍（a)三極電子槍圖圖 CRT電子槍的結構電子槍的結構計算機圖形學23電子槍u 電燈絲、陰極和控制柵組成。u 陰極：由燈絲加熱發出電子束，u 控制柵：加上負電壓后，能夠控制通過其中小孔的帶負電的電子束的強弱。通過調節負電壓高低來控制電子數量，即控制熒光屏上相應點的亮度。計算機圖形學24陰極射線管-聚焦系統u 保證電子束在轟擊屏幕時，匯聚成很細的點。u 加速電極 加正的高壓電（幾

8、萬伏），使電子束高速運動。 計算機圖形學25陰極射線管-偏轉系統u 控制電子束，靜電場或磁場，產生偏轉。u 電子束要到達屏幕的邊緣時，偏轉角度就會增大。到達屏幕最邊緣的偏轉角度被稱為最大偏轉角u 最大偏轉角是衡量系統性能的最重要的指標，顯示器長短與此有關u CRT顯示器屏幕越大整個顯象管就越長計算機圖形學26陰極射線管（CRT）-偏轉系統26圖圖 磁偏轉磁偏轉計算機圖形學27陰極射線管（CRT）-熒光屏u 熒光屏（Phosphor Screen）n 熒光屏是用熒光粉涂敷在玻璃底壁上制成的，常用沉積法涂敷熒光粉。玻璃底壁要求無氣泡，表面光學拋光。n 熒光粉的性能要求是：發光顏色滿足標準白色、發光

9、效率高、余輝時間合適以及壽命長等。27計算機圖形學28陰極射線管-熒光屏u熒光物質：當它被電子轟擊時發出亮光u持續發光時間：電子束離開某點后，該點的 亮度值衰減到初始值1/10所需的時間要保持顯示一幅穩定的畫面，必須不斷地發射電子束u刷新頻率n刷新一次是指電子束從上到下掃描一次的過程n刷新頻率高到一定值后，圖象才能穩定顯示計算機圖形學29某種CRT產生穩定圖像所需要的最小刷新頻率=1秒/熒光物質的持續發光時間（例如）=1000/40=25Hz計算機圖形學30屏幕的發展過程-走向平面的顯像管u 球面顯象管：n 表面：球面的一部分n 時間：90年代初u 柱面顯象管：n 表面：柱面的一部分，垂直方向

10、上平直，水平方向上有彎曲n 時間：90年代中期n 代表：Sony公司的Trinitron(特麗瓏) Mitsubishi公司的Diamondtron（鉆石瓏）計算機圖形學31屏幕的發展過程-走向平面的顯像管u 平面直角顯象管n 表面：球面的一部分，類似于平面n 時間：90年代中后期u 純平顯象管n 表面：純平面n 時間：90年代后期n 代表：Sony公司的FD Trinitron，Mitsubishi公司的Diamondtron，Samsung公司的DanyFlat，LG公司的Flatron計算機圖形學32球面顯示器與柱面顯示器u 普通的顯象管采用的都是點狀影孔板顯象管，顯象管的表面呈略微凸起

11、的球面狀，故稱之為“球面管”。而柱面顯象管采用蔭柵式結構，它的表面在水平方向仍然略微凸起，但是在垂直方向上卻是筆直的，呈圓柱狀，故稱之為“柱面管”u 常用的蔭柵式顯象管有日本索尼公司的特麗瓏管（Trinitron）和三菱公司的鉆石瓏管（Diamondtron）計算機圖形學33陰極射線管（CRT）u 枕形失真n 當偏轉線圈的匝數一定時，偏轉電流I與偏轉角的正弦成正比。只有在偏轉角很小時，偏轉角與偏轉電流之間才成直線性關系。n 由于熒光屏四角距中心最遠，偏轉角較大，同樣的偏轉電流增量所造成的偏轉距離增量最大。33計算機圖形學34陰極射線管（CRT）34圖圖 枕形失真與桶形失真枕形失真與桶形失真u

12、枕形失真的校正n 將產生偏轉磁場的鋸齒形電流預先產生一些失真；n 將偏轉磁場做成略有不均勻性，接近管軸中央處略強，周圍略弱。計算機圖形學35陰極射線管（CRT）35圖圖 電偏轉電偏轉燈絲陰極加速極控制柵聚焦極加速極熒光屏水平偏轉板垂直偏轉板計算機圖形學36二 彩色陰極射線管u 產生彩色的常用方法：n 射線穿透法n 影孔板法計算機圖形學37二 彩色陰極射線管-射線穿透法u 原理：兩層熒光涂層，紅色光和綠色光兩種發光物質，電子束轟擊穿透熒光層的深淺，決定所產生的顏色電子束電子束熒光涂層熒光涂層產生顏色產生顏色低速電子束低速電子束較低速電子束較低速電子束較高速電子束較高速電子束高速電子束高速電子束計

13、算機圖形學38彩色陰極射線管-射線穿透法u 應用：主要用于畫線顯示器u 優點：成本低u 缺點：只能產生有限幾種顏色計算機圖形學39二 彩色陰極射線管-影孔板法u 原理：影孔板被安裝在熒光屏的內表面，用于精確定位像素的位置外層玻璃外層玻璃影孔板影孔板熒光涂層熒光涂層計算機圖形學40影孔板的類型u 點狀影孔板（蔭罩）n 代表：大多數球面與柱面顯像管u 柵格式影孔板n 代表：Sony的Trinitron與Mitsubishi 的Diamondtron顯像管u 溝槽式影孔板n 代表：LG的Flatron顯像管計算機圖形學41二 彩色陰極射線管-影孔板法u 點狀影孔板工作原理n 紅、綠、蘭三基色n 三色

14、熒光點（很小并充分靠近-像素）n 三支電子槍電子槍、影孔板中的一個小孔和熒光熒光點點呈一直線；每個小孔與一個像素（即三個熒光點熒光點）對應計算機圖形學42u 顯示器能同時顯示的顏色個數 如果每支電子槍發出的電子束的強度有256個等級，則顯示器能同時顯示256*256*256=16M種顏色，稱為真彩系統調節各電子槍發生的電子束中所含電子的數目，即可控制各色光點亮度。計算機圖形學43R G B紅綠蘭蔭柵熒光屏蔭柵式彩色CRT顯色原理計算機圖形學44R GG BB0.25mmd=0.28mm0.22mm0.31mmR GBG點距為.25的柱面顯示器點距為.28的球面顯示器柱面和球面顯示器點距定義示意

15、圖計算機圖形學45三、CRT顯示器u 隨機掃描的圖形顯示器隨機掃描的圖形顯示器u 直視存儲管圖形顯示器直視存儲管圖形顯示器u 光柵掃描的圖形顯示器光柵掃描的圖形顯示器計算機圖形學4646u 向量（vector）顯示器、筆劃（Stroke writing）顯示器。u 隨機掃描（random-scan）的圖形顯示器中電子束的定位和偏轉具有隨機性，即電子束的掃描軌跡隨顯示內容而變化，只在需要的地方掃描，而不必全屏掃描。 隨機掃描的圖形顯示器隨機掃描的圖形顯示器計算機圖形學4747p無冗余掃描、速度快、圖像清晰、比光柵系統無冗余掃描、速度快、圖像清晰、比光柵系統更高的分辨率、生成光滑線條；更高的分辨率

16、、生成光滑線條；p不能顯示逼真場景、和電視標準不一致、驅動不能顯示逼真場景、和電視標準不一致、驅動系統也較復雜。系統也較復雜。隨機掃描的圖形顯示器隨機掃描的圖形顯示器計算機圖形學48 隨機掃描的顯示系統u 特點：電子束可隨意移動，只掃描熒屏上要顯示的部分。u 邏輯部件：刷新存儲器(Refreshing Buffer),顯示處理器（DPU:Display Processing Uuit）和CRT計算機圖形學4949隨機掃描的圖形顯示器隨機掃描的圖形顯示器圖圖 隨機掃描圖形顯示器的工作原理隨機掃描圖形顯示器的工作原理計算機圖形學50隨機掃描的圖形顯示器隨機掃描的圖形顯示器工作原理 應用程序發出繪圖

17、命令解析成顯示處理器可接受的命令格式，存放在刷新存儲器中。刷新存儲器中所有的繪圖命令組成一個顯示文件，由顯示處理器負責解釋執行(刷新) 驅動電子槍在屏幕上繪圖。 修改圖形，實際是修改顯示文件中的某些繪圖命令。 計算機圖形學5151u 直視存儲管DVST（direct-view storage tube）從表面上看直視存儲管的特性極象一個有長余輝的熒光屏，一條線一旦畫在屏幕上，在一小時之內都將是可見的。 直視存儲管圖形顯示器直視存儲管圖形顯示器計算機圖形學5252屏幕存儲柵收集柵寫電子槍電子流讀出電子槍寫陰極直視存儲管圖形顯示器直視存儲管圖形顯示器圖圖 直視存儲管圖形顯示器的工作原理直視存儲管圖

18、形顯示器的工作原理工作原理工作原理計算機圖形學5353u 無需刷新；u 很復雜的圖形都可以在極高的分辨率下無閃爍地顯示；u 成本較低；u 不能顯示彩色；u 不能局部修改；u 擦除和重畫過程可能持續較長時間。直視存儲管圖形顯示器直視存儲管圖形顯示器計算機圖形學5454光柵掃描圖形顯示器光柵掃描圖形顯示器圖圖 光柵掃描原理光柵掃描原理水平掃描（顯示）水平掃描（顯示）水平回掃（消隱）水平回掃（消隱）垂直回掃（消隱）垂直回掃（消隱）計算機圖形學55工作原理：光柵掃描是控制電子束按某種光柵形狀進行的順序掃描，而字符、圖像是靠Z軸信號控制輝亮來形成的。輝亮放大器視頻信號水平同步垂直同步水平振蕩垂直振蕩水平

19、驅動垂直驅動水平輸出垂直輸出高壓CRTyxz圖圖 光柵掃描圖形顯示器的工作原理光柵掃描圖形顯示器的工作原理計算機圖形學56邏輯部件u 幀緩沖存儲器（Frame Buffer)，視頻控制器（Video Controller)，顯示處理器（Display Processor），CRTu 幀緩沖存儲器n 作用：存儲屏幕上像素的顏色值n 簡稱幀緩沖器，俗稱顯存計算機圖形學57幀緩沖存儲器（顯示存儲器）u幀緩沖存儲器（顯示存儲器）存儲用于刷新的圖像信息的存儲器。幀緩沖存儲器的大小通常用X方向（行）和Y方向（列）可尋址的地址數的乘積來表示，稱為幀緩沖存儲器的分辨率。計算機圖形學58u 幀緩存中單元數目與顯

20、示器上像素的數目相同，單元與像素一一對應，各單元的數值決定了其對應像素的顏色。u 顯示顏色的種類與幀緩存中每個單元的位數有關（圖示幀緩沖器的每個單元只有一位）。 計算機圖形學5959u 光點一般是指電子束打在顯示器的熒光屏上，顯示器能夠顯示的最小的發光點。u 像素點是指圖形顯示在屏幕上時候，按當前的圖形顯示分辨率所能提供的最小元素點。相關概念相關概念分辨率分辨率計算機圖形學6060u 屏幕分辨率，也稱為光柵分辨率，它決定了顯示系統最大可能的分辨率，任何顯示控制器所提供的分辨率也不能超過這個物理分辨率。u 通常用水平方向上的光點數與垂直方向上的光點數的乘積來表示。相關概念相關概念分辨率分辨率計算

21、機圖形學6161u 顯示分辨率是計算機顯示控制器所能夠提供的顯示模式分辨率，實際應用中簡稱為顯示模式。u 對于文本顯示方式，顯示分辨率用水平和垂直方向上所能顯示的字符總數的乘積表示。u 對于圖形顯示方式，則用水平和垂直方向上所能顯示的象素點總數的乘積表示。u 顯示分辨率不同，它所對應的象素點大小也不同。相關概念相關概念分辨率分辨率計算機圖形學6262u 圖形的存儲分辨率是指幀緩沖區的大小，一般用緩沖區的字節數表示。u 存儲分辨率不僅與顯示分辨率有關，還與像素點的色彩有關。u 幀緩存大小的計算：x方向的像素點數y方向的像素點數log2n/8（BYTE） 其中：n為顏色數或灰度等級數相關概念相關概

22、念分辨率分辨率計算機圖形學6363p屏幕分辨率決定了所能顯示的最高分辨率。屏幕分辨率決定了所能顯示的最高分辨率。p顯示分辨率和存儲分辨率對所能顯示的圖形分辨率顯示分辨率和存儲分辨率對所能顯示的圖形分辨率有控制作用。有控制作用。p顯示器中的分辨率顯示器中的分辨率 帶寬帶寬 = A*水平像素點數水平像素點數*垂直像素點數垂直像素點數*刷新頻率刷新頻率 A常取常取1.344相關概念相關概念分辨率分辨率計算機圖形學64三種分辨率：u 屏幕分辨率也稱為光柵分辨率，它決定了顯示系統最大可能的分辨率，任何顯示控制器所提供的分辨率也不能超過這個物理分辨率通常用水平方向上的光點數與垂直方向上的光點數的乘積來表示

23、。計算機圖形學65u 顯示分辨率是計算機顯示控制器所能夠提供的顯示模式分辨率，實際應用中簡稱為顯示模式。顯示分辨率不同，它所對應的象素點大小也不同。n 對于文本顯示方式，顯示分辨率用水平和垂直方向上所能顯示的字符總數的乘積表示。n 對于圖形顯示方式，則用水平和垂直方向上所能顯示的象素點總數的乘積表示。計算機圖形學66u 存儲分辨率是指幀緩沖區的大小，一般用緩沖區的字節數表示。n存儲分辨率不僅與顯示分辨率有關，還與象素點的色彩有關。n幀緩存大小的計算： x方向的象素點數*y方向的象素點*log2n/8 其中：n為顏色數或灰度等級數u 屏幕分辨率決定了所能顯示的最高分辨率。顯示分辨率和存儲分辨率對

24、所能顯示的圖形分辨率也有控制作用。計算機圖形學6767屏幕上一個象素點就對應幀緩存中的一組信息。u 組合像素法（Packed Pixel Method）u 顏色位面法（Color Plane Method）相關概念相關概念像像素與幀緩存素與幀緩存計算機圖形學6868u 在組合像素法中，一個圖形象素點的全部信息被編碼成一個數據字節，按照一定方式存儲到幀緩存中，編碼字節的長度與點的屬性（如顏色、灰度等）有關。相關概念相關概念像素與幀緩存像素與幀緩存圖圖 組合象素法組合象素法計算機圖形學6969u 在顏色位面法中，幀緩存被分成若干獨立的存儲區域，每一個區域稱為一個位面（Bit Plane），每個位面

25、控制一種顏色或者灰度，每一個圖形象素點在每個位面中占一位，通過幾個位面中的同一位組合成一個象素。相關概念相關概念像素與幀緩存像素與幀緩存圖圖 顏色位面法顏色位面法計算機圖形學70圖圖 具有具有24位面彩色幀緩存的顯示器位面彩色幀緩存的顯示器計算機圖形學7171u 顏色查找表也稱調色板，是由高速的隨機存儲器組成，用來儲存表達象素色彩的代碼。此時幀緩沖存儲器中每一象素對應單元的代碼不再代表該象素的色彩值，而是作為查色表的地址索引。相關概念相關概念顏色查找表顏色查找表計算機圖形學72圖圖 具有具有24位面彩色幀緩存和位面彩色幀緩存和10位顏色查找表的顯示器位顏色查找表的顯示器計算機圖形學7373u

26、顯示長寬比，即水平點數與垂直點數之比。要求在屏幕兩個方向上相同像素點數產生同樣長度的線段，以使圖形不至發生畸變。相關概念相關概念顯示長寬比顯示長寬比計算機圖形學7474相關概念相關概念屏幕坐標系屏幕坐標系圖圖 不同顯示器的坐標不同顯示器的坐標計算機圖形學75相關概念相關概念u 行頻、幀頻水平掃描頻率為行頻。垂直掃描頻率為幀頻。u 逐行掃描、隔行掃描隔行掃描方式是先掃偶數行掃描線，再掃奇數行掃描線。計算機圖形學76隔行掃描工作原理u 一幀完整的畫面分成兩場。u 一場160秒，（場頻60HZ），（幀頻30HZ）畫面更新頻率仍為60HZ，降低了閃爍效應，每一場160秒內，幀緩存中數據量比逐行掃描少一

27、半。降低了視頻控制器存取幀緩存的速度及傳輸帶寬的要求。計算機圖形學772.2.2平板顯示器平板顯示器（flat-panel display）低電壓、輕小型、數字化顯示器件。平板顯示器（flat-panel display）的分類：u 非發射顯示器（none-emissive display）u 發射顯示器（emissive display）計算機圖形學7878u 液晶顯示器u 等離子體顯示板（Plasma Panel）u 薄片光電顯示器（Thin-Film Electroluminescent Display）u 發光二極管（Liquid-Emitting Diode, LED）u 激光顯示器

28、及其他顯示器平板顯示器平板顯示器（flat-panel display）計算機圖形學7979u 液晶分子的排列在微弱的外部電場、磁場或者應力、溫度變化等作用下非常容易改變。當液晶分子的某種排列狀態在電場作用下變為另一種狀態時，液晶的光學性質隨之改變，這種產生光被電場調制的現象稱為液晶的電光效應。液晶顯示器液晶顯示器原理原理計算機圖形學8080圖圖2.20 液晶顯示原理液晶顯示原理液晶顯示器液晶顯示器原理原理o 液晶顯示的機理是通過能阻塞或傳遞光的液晶液晶顯示的機理是通過能阻塞或傳遞光的液晶材料，傳遞來自周圍的或內部光源的偏振光。材料，傳遞來自周圍的或內部光源的偏振光。計算機圖形學81液晶顯示器

29、的構成u 液晶顯示器LCD(Liquid Crystal Display)是由六層薄板組成的平板式顯示器計算機圖形學8282u NW（Normal White）型的LCD：在液晶面板不施加電壓時，我們所看到的面板是透光的畫面，也就是亮的畫面。u NB（Normal Black）型的LCD：當對液晶面板不施加電壓時，面板無法透光。液晶顯示器液晶顯示器類型類型計算機圖形學8383液晶顯示器液晶顯示器彩色彩色o 液晶顯示器利用在一側的玻璃基板上加上一個液晶顯示器利用在一側的玻璃基板上加上一個彩色濾光片（彩色濾光片（CF，Color Filter）實現彩色。）實現彩色。o 彩色濾光片上均勻分布著紅、綠

30、、藍色小點，彩色濾光片上均勻分布著紅、綠、藍色小點，每個小點有各自不同的灰度，相鄰的一組每個小點有各自不同的灰度，相鄰的一組RGB小點構成一個基本的彩色顯示單元，即一個像小點構成一個基本的彩色顯示單元，即一個像素。素。計算機圖形學8484液晶顯示器液晶顯示器彩色彩色圖圖2.21 彩色濾光片排列方式彩色濾光片排列方式計算機圖形學8585液晶顯示器液晶顯示器分類分類o 扭曲向列型（扭曲向列型（TN，Twisted Nematic）o 超扭曲向列型（超扭曲向列型（STN，Super TN）o 雙層超扭曲向列型（雙層超扭曲向列型（DSTN，Dual Scan TN）o 薄膜晶體管型（薄膜晶體管型（TF

31、T，Thin Film Transistor）計算機圖形學86LCD顯示器的優點u 外觀小巧精致，厚度只有6.58cm左右。u 不會產生CRT那樣的因為刷新頻率低而出現的閃爍現象u 工作電壓低，功耗小，節約能源u 沒有電磁輻射，對人體健康沒有任何影響計算機圖形學87液晶顯示器的缺點u 壽命短、怕震動、溫度敏感u 分辨率相對較低，色彩不夠鮮艷，且價格偏高。計算機圖形學88等離子體顯示板（氣體放電顯示器）u 采用空氣等離子體技術，無須刷新緩沖存儲器u 空氣等離子體可想象成一個個微型霓虹燈，紅綠藍三種不同顏色的像素。u 顯示屏薄，掛在墻上。計算機圖形學8989等離子體顯示板等離子體顯示板圖圖 等離子

32、體顯示板的基本結構等離子體顯示板的基本結構計算機圖形學9090薄片光電顯示器薄片光電顯示器圖圖 薄片光電顯示器的基本結構薄片光電顯示器的基本結構計算機圖形學9191發光二極管（發光二極管（LED）o 發光二極管采用二極管激發發光來顯示圖像。發光二極管采用二極管激發發光來顯示圖像。二極管以矩陣排列形成顯示器的像素位置。圖二極管以矩陣排列形成顯示器的像素位置。圖形的定義存儲在刷新緩沖器中。形的定義存儲在刷新緩沖器中。信息從刷新緩信息從刷新緩沖器讀出，并轉換為電壓施于二極管，在顯示沖器讀出，并轉換為電壓施于二極管，在顯示器上產生發光圖案。器上產生發光圖案。計算機圖形學92發光二極管顯示器（Liqui

33、d-Emitting Diode）它常用于設計大型的室內室外的顯示屏。u 結構原理：二極管以矩陣排列形成顯示器的象素位置u 特點：暖色效應計算機圖形學93激光顯示器u 特點：可以在非常短的時間內顯示很復雜的圖象，不能擦除計算機圖形學94未來顯示器u 發光聚合物技術，堅不可摧；柔韌性好，可以卷起來；顯示畫面具有無與倫比的清晰度，無鋸齒現象。真正的平面直角。計算機圖形學952.2.3 圖形顯示子系統u 光柵掃描圖形顯示子系統的結構u 繪制流水線u 相關概念95計算機圖形學96光柵掃描圖形顯示子系統的結構96圖圖 簡單的光柵圖形顯示子系統簡單的光柵圖形顯示子系統計算機圖形學9797圖圖 常用的光柵圖

34、形顯示子系統常用的光柵圖形顯示子系統光柵掃描圖形顯示子系統的結構計算機圖形學9898圖圖 發展的光柵圖形顯示子系統發展的光柵圖形顯示子系統光柵掃描圖形顯示子系統的結構計算機圖形學99u 幀緩沖存儲器：用來存儲像素顏色（灰度）值的存儲器。u 雙緩存：一個緩存用來刷新的同時，另一個寫入數據信息，爾后這兩個緩存可互換角色。這種方式稱為雙緩存，它可以使得顯示的動畫流暢而沒有滑動感。99光柵掃描圖形顯示子系統的結構計算機圖形學100u 顯示控制器（Display Controller），又稱視頻控制器（Video Controller），主要功能是依據設定的顯示工作方式，自主地、反復不斷地讀取幀緩存中的

35、圖像點陣（包括圖形、字符文本）數據，將它們轉換成R、G、B三色信號并配以同步信號送至顯示器，即可刷新屏幕。100光柵掃描圖形顯示子系統的結構計算機圖形學101u 顯示處理器（Display Processor），又稱圖形控制器（Graphics Controller）或顯示協處理器（Display Coprocessor），它把CPU從圖形顯示處理的事務中解脫出來，其主要任務是掃描轉換待顯示的圖形以及某些附加的操作等。101光柵掃描圖形顯示子系統的結構計算機圖形學102102u 圖形子系統的圖形繪制功能常常采用流水線（Pipeline）結構繪制，或者稱為管線繪制。u 繪制流水線的基本結構從概念

36、上包括三個階段n 應用程序階段n 幾何階段n 光柵階段繪制流水線繪制流水線計算機圖形學103103繪制流水線繪制流水線圖圖 繪制流水線的結構繪制流水線的結構計算機圖形學1042.3 圖形輸入設備鍵盤和鼠標光筆觸摸板跟蹤球和空間球操縱桿數據手套數字化儀掃描儀計算機圖形學105圖形輸入設備-鍵盤u 鍵盤（keyboard） 鍵盤能用來進行屏幕坐標的輸入、菜單選擇、圖形功能選擇，以及輸入那些如輔助圖形顯示的圖片標記等非圖形數據。105計算機圖形學106圖形輸入設備-鼠標器u 鼠標器（mouse） 當推動鼠標器在平面上移動時，鼠標將記錄移動的方向和距離，這個方向和距離被傳送給計算機，轉換成對應的光標的

37、位移。106計算機圖形學107圖形輸入設備-光筆u 光筆(light pen)107光孔透鏡組筆體觸鈕開關光導纖維導線圖圖 光筆的結構光筆的結構計算機圖形學108圖形輸入設備-光筆u 光筆是一種檢測光的裝置，它直接在屏幕上操作，拾取位置u 光筆的形狀和大小象一支圓珠筆，筆尖處開有一個圓孔，讓熒光屏的光通過這個孔進入光筆。光筆的頭部有一組透鏡，把所收集的光聚集至光導纖維的一個端面上，光導纖維再把光引至光筆另一端的光電倍增管，從而將光信號轉換成電信號，經過整形后輸出一個有合適信噪比的邏輯電平，并作為中斷信號送給計算機計算機圖形學109圖形輸入設備-光筆輸出信號光導纖維透鏡組導線筆體光孔觸鈕開關光電

38、轉換放大整形開關電路計算機圖形學110圖形輸入設備-觸摸屏u 觸摸屏(touch screen) 當用手指或者小桿觸摸屏幕時，觸點位置便以光學的（紅外線式觸摸屏）、電子的（電阻式觸摸屏和電容式觸摸屏）或聲音的（聲音探測式）方式記錄下來。110計算機圖形學111觸摸屏(touch screen)u 這種裝置以手指觸摸的方式選擇屏幕位置。u 觸摸板(touch panel)計算機圖形學112觸摸屏分類u 紅外線式觸摸屏u 電阻式觸摸屏u 電容式觸摸屏u 聲波觸摸屏計算機圖形學113跟蹤球（trackball）和空間球（spaceball）u 跟蹤球和空間球都是根據球在不同方向受到的推或拉的壓力來實

39、現定位和選擇。數據手套則是通過傳感器和天線來獲得和發送手指的位置和方向的信息。這幾種輸入設備在虛擬現實場景的構造和漫游中特別有用計算機圖形學114圖形輸入設備u 跟蹤球（Trackball）和空間球（Spaceball）114圖圖 跟蹤球跟蹤球圖圖 空間球空間球計算機圖形學115圖形輸入設備-操縱桿u 操縱桿(joystick) 操縱桿是由一根小的垂直杠桿組成的可搖動裝置，該杠桿裝配在一個其四周可移動的底座上用來控制屏幕光標。115計算機圖形學116圖形輸入設備-數據手套u 數據手套(Data Glove) 是一種戴在手上的傳感器，可以用來抓住“虛擬對象”，它由一系列檢測手和手指運動的傳感器構

40、成，用來提供關于手的位置和方向的信息。116計算機圖形學117圖形輸入設備-數字化儀u數字化儀(Digitizer)數字化儀是一種把圖形轉變成計算機能接收的數字形式專用設備，用于在二維或三維的圖形對象上掃描，以輸入一系列二維或三維的坐標值。這些坐標值代表的坐標點，在系統中將以直線段或曲線段連接，以逼近圖形對象的描繪曲線或表面形狀。117計算機圖形學118圖形輸入設備-數字化儀u 基本工作原理是采用電磁感應技術 由一塊數據板和一個定標器組成。數據板中布滿了金屬柵格，當定標器在數據板上移動時，其正下方的金屬柵格上就會產生相應的感應電流。根據已產生電流的金屬柵格的位置，就可以判斷出定標器當前的幾何位

41、置計算機圖形學119計算機圖形學120圖形輸入設備-圖形輸入設備u 圖像掃描儀(Scaner) 圖像掃描儀可直接把圖紙、圖表、照片、廣告畫等輸入到計算機中，在將它們傳過一個光學掃描機構時，灰度或彩色等級被記錄下來，并按圖像方式進行存儲。120計算機圖形學121掃描儀工作原理 用光源照射原稿，投射光線經過一組光學鏡頭射到CCD（CCD Charge Coupled Device）器件上，得到元件的顏色信息，再經過模/數轉換器，圖象數據暫存器等，最終輸入到計算機.計算機圖形學122原稿熒光燈電源CCD驅動器信號處理機控制器步進電機驅動電源存儲器微機系統輸出接口步進電機透鏡5 V5 V1 2V1 2

42、V2 20V熒光燈掃描儀的模塊框圖計算機圖形學123圖形輸入設備u 聲頻輸入系統u 視頻輸入系統123計算機圖形學124真實物體的三維信息的輸入u 在實際的產生過程中許多零件和樣板要進行大規模的生產就必須在計算機中生成三維實體模型，有時這個模型要通過已有的實物零件得到，這時候就需要一種設備來采集實物表面各個點的位置信息u 一般的方法是通過激光掃描來實現，現在國外已經有許多這樣的商業儀器u 這項技術的一個應用就是掃描保存古代名貴的雕塑和其它藝術品的三維信息計算機圖形學125u 美國斯坦福大學計算機系的著名圖形學專家Marc Levoy曾經帶領他的30人的工作小組（包括美國斯坦福大學及美國華盛頓大

43、學的教師和學生）于19981999學年專門在意大利對文藝復興時代的雕刻大師米開朗基羅的眾多藝術品進行掃描，保存其形狀和面片信息。當然工作難度是相當大的，他們為此專門設計了一套硬件和軟件系統。數據量也是驚人的，光大衛像（the David）就有20億個多邊形和7000張彩色圖象，總共需要72G的磁盤容量。這次工作可以說是實體圖形輸入的一個顛峰之作。計算機圖形學1262.4 圖形繪制設備u 打印機u 繪圖儀126計算機圖形學127圖形繪制設備-打印機u 針式打印機u 噴墨打印機u 激光打印機計算機圖形學128圖形繪制設備-打印機u 打印機是畫點設備。u 擊式打印機主要指針式打印機，它隔著色帶將某種

44、點陣圖案壓在紙上。u 非撞擊式打印機包括激光打印機、噴墨打印機、熱轉印打印機、染料熱升華打印機和靜電打印機等。128計算機圖形學129圖形繪制設備-繪圖儀u 筆式繪圖儀（Pen Plotter）是畫線設備。u 筆式繪圖儀可分為平板式繪圖儀（Flatbed Plotter）和滾筒式繪圖儀（Drum Plotter）129計算機圖形學1302.5 圖形系統標準u 圖形標準：圖形系統及其相關應用系統中各界面之間進行數據傳送和通信的接口標準，以及供圖形應用程序調用的子程序功能及其格式標準，前者稱為數據及文件格式標準，后者稱為子程序界面標準。計算機圖形學131圖形系統標準分類u 面向圖形設備的接口標準：

45、n計算機圖形元文件(CGM)，(CRT,Mouse,)n計算機圖形接口(CGI).設備驅動程序。u 面向應用軟件的標準：n程序員層次交互式圖形系統（PHIGS）,GL (圖形程序包)n（三維）圖形核心系統（3D-)GKSu 面向圖形應用系統中工程和產品數據模型及其文件格式：n基本圖形轉換規范（IGES）n產品數據轉換規范（STEP）計算機圖形學132圖形軟件發展及軟件標準形成u 通用的、與設備無關的圖形標準通用的、與設備無關的圖形標準nGKS (Graphics Kernel System) (第一個官方標準，1977)nPHIGS(Programmers Herarchical Iutera

46、ctive Graphics system)u 一些非官方圖形軟件，廣泛應用于工業界，成為事一些非官方圖形軟件，廣泛應用于工業界，成為事實上的標準實上的標準nDirectX (MS)nXlib (X-Window系統)nOpenGL (SGI)nAdobe公司Postscript計算機圖形學133 圖形軟件三種類型的計算機圖形軟件系統： (1)用某種語言寫成的子程序包 如: GKS (Graphics Kernel System) PHIGS(ProgrammersHerarchical Iuteractive Graphics system ) GL 便于移植和推廣、但執行速度相對較慢，效率

47、低 (2）擴充計算機語言，使其具有圖形生成和處理的功能 如：Turbo Pascal、Turbo C，AutoLisp等。 簡練、緊湊、執行速度快，但可移植性差（3）專用圖形系統：效率高，但系統開發量大，可移植性差。計算機圖形學1342.6 OpenGL圖形軟件包u OpenGL的主要功能u OpenGL的繪制流程u OpenGL的基本語法u OpenGL的程序實例134計算機圖形學135OpenGL圖形軟件包p OpenGL是SGI（Silicon Graphics Inc.）公司對IRIS GL進行改進，擴展可移植性，形成的一個跨平臺開放式圖形編程接口。p 目前，OpenGL標準由1992

48、年成立的獨立財團OpenGL Architecture Review Board（ARB）以投票方式產生，并制成規范文檔公布。135計算機圖形學136OpenGL的優越性的優越性u 獨立于窗口系統和操作系統，以它為基礎開發的應用程序可以十分方便地在各種平臺間移植；u 可與Visual C+緊密接口，便于實現機械手的有關計算和圖形算法，可保證算法的正確性和可靠性；u 使用簡便，效率高。 計算機圖形學137OpenGL的主要功能u 模型繪制u 模型觀察u 顏色模式u 光照應用u 圖像效果增強u 位圖和圖像處理137計算機圖形學138OpenGL的主要功能u 紋理映射u 實時動畫u 交互技術138計

49、算機圖形學139OpenGL的繪制流程工作方式139圖圖 OpenGL圖形處理系統在圖形處理系統在計算機系統中的層次結構計算機系統中的層次結構u 一個完整的窗口系統的OpenGL圖形處理系統的結構為：最底層為圖形硬件，第二層為操作系統，第三層為窗口系統，第四層為OpenGL，最上面的層為應用軟件。計算機圖形學140OpenGL的繪制流程流水線140圖圖 一條簡化的一條簡化的OpenGL繪制流水線繪制流水線u OpenGL命令將被放在一個命令緩沖區中，這樣命令緩沖區中包含了大量的命令、頂點數據和紋理數據。當緩沖區被清空時，緩沖區中的命令和數據都將傳遞給流水線的下一個階段。計算機圖形學141Ope

50、nGL圖形庫的功能圖形庫的功能u 一共有100多個函數。其中核心函數有115個u 除了提供基本的點、線、多邊形的繪制函數外，還提供了復雜的三維物體（球、錐、多面體、茶壺等）以及復雜曲線和曲面（如Bezier、NURBS等曲線或曲面）繪制函數。 u 基本幾何變換和投影變換。 u 顏色模式設置u 光照和材質設置 u 紋理映射功能u 位圖顯示和圖象增強 ：反走樣(Antialiasing)和霧(fog)的特殊圖象效果處理 u 雙緩存(Double Buffering)動畫：雙緩存即前臺緩存和后臺緩存，即后臺緩存計算場景、生成畫面，前臺緩存顯示后臺緩存已畫好的畫面。 計算機圖形學142OpenGL的基

51、本語法相關庫142u OpenGL核心庫：glu OpenGL實用程序庫： gluu OpenGL編程輔助庫：auxu OpenGL實用程序工具包（OpenGL utility toolkit，GLUT）：glutu Windows專用庫：wgl計算機圖形學143OpenGL的基本語法命名規則143u OpenGL函數都遵循一個命名約定，即采用以下格式：例如函數glColor3f()，gl表示這個函數來自庫gl.h，color表示該函數用于顏色設定，3f表示這個函數采用了三個浮點數參數。計算機圖形學144OpenGL的基本語法數據類型144OpenGL數據類型內部表示法定義為C類型C字面值后綴

52、GLbyte8位整數signed charBGLshort16位整數shortSGLint，GLsizei32位整數longLGLfloat，GLclampf32位浮點數floatFGLdouble，GLclampd64位浮點數doubleDGLubyte，GLboolean8位無符號整數unsigned charUbGLshort16位無符號整數unsigned shortUsGLuint，GLenum，GLbitfield32位無符號整數unsigned longUi表表2.1 OpenGL的數據結構的數據結構計算機圖形學145OpenGL程序實例頭文件包含145u 利用OpenGL實現圖形繪制，首先要引入OpenGL核心庫以及其他需要使用的庫的頭文件。u GLUT保證了gl.h和glu.h被正確包含。 #include #include 計算機圖形學146OpenGL程序實例窗口管理146u 初始化（ glutInit ）u 創建窗口（ glutCreateWindow）u 設定窗口的顯示模式（ glutInitDisplayMode）u 指定窗口的位置和大?。?glutInitWindowPosition和glutInitWindowSize ）u 指定窗口的顯示內容函數（ glutDisplayF