計(jì)算機(jī)圖形學(xué)第一章概述

1、2022-2-191第一章 概述 重重點(diǎn)：點(diǎn)：掌握計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的內(nèi)容、應(yīng)用領(lǐng)域以及圖形硬件和軟件系統(tǒng)。 難難點(diǎn)：點(diǎn)：理解光柵掃描顯示器和隨機(jī)掃描顯示器的區(qū)別以及彩色顯示機(jī)理。 課時(shí)安排：課時(shí)安排：授課2學(xué)時(shí)。2022-2-192 第一章 概述 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（Computer Graphics）是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興學(xué)科。 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究怎樣通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)產(chǎn)生圖形 。 （1）專題圖件：地形圖、地貌圖、資源分布圖、旅游資源圖、土地利用現(xiàn)狀圖、管網(wǎng)分布圖等；（2）照片、三維逼真圖形等；（3）實(shí)體的視圖，如：機(jī)械零件的正視圖、側(cè)視圖等；（4）抽象概念的形象表示：計(jì)劃圖、餅圖、統(tǒng)

2、計(jì)曲線、流程圖等。 2022-2-193第一章 概述 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究通過(guò)計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并在專門(mén)的設(shè)備上輸出的原理、方法和技術(shù)的學(xué)科。 與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)密切相關(guān)的幾門(mén)學(xué)科是：2022-2-194第一章 概述 1、圖像處理（Image Processing） 圖像處理利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖形和圖像進(jìn)行分析處理，繼而再現(xiàn)圖像。圖形（圖像）信息輸入計(jì)算機(jī)中，按照不同的應(yīng)用要求，計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行各種各樣的分析和處理。 2022-2-195第一章 概述 例如：進(jìn)行圖像的存儲(chǔ)、壓縮、增強(qiáng)（突出某些特征）、復(fù)原（使模糊圖像清晰）、分割、重建、編碼、傳輸?shù)鹊?，最后把?jīng)過(guò)加工處理后的結(jié)果重新輸出。應(yīng)用實(shí)例：工

3、業(yè)中射線探傷、人體的CT掃描、衛(wèi)星遙感以及資源勘測(cè)。 現(xiàn)在圖像處理正從二維處理朝著三維圖像生成、立體成像、多種傳輸媒體等方向發(fā)展。2022-2-196第一章 概述 Recognition） 圖像的模式識(shí)別所研究的問(wèn)題與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)所研究的問(wèn)題是互逆的。模式識(shí)別是由圖像來(lái)獲得對(duì)圖像本身的描述。它是以圖像為依據(jù)，將圖像變換成數(shù)據(jù)、符號(hào)或者是抽象的圖。 例如：自動(dòng)分檢信封上的郵件編碼、文本自動(dòng)閱讀裝置、還有地圖符號(hào)的識(shí)別，都是先由掃描得到圖像，然后經(jīng)識(shí)別還原為圖形或字符。2022-2-197第一章 概述 Geometry） 計(jì)算幾何則著重討論幾何形體在計(jì)算機(jī)內(nèi)的表示、分析和綜合，研究怎樣方便靈活地建

4、立幾何形體的數(shù)學(xué)模型，提高算法的效率，在計(jì)算機(jī)內(nèi)如何更好地存儲(chǔ)和管理這些模型等。它的研究?jī)?nèi)容包括曲線曲面的表示、生成、拼接和造型、三維立體造型、離散數(shù)據(jù)插值等等。2022-2-198第一章 概述 如下圖所示：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖像處理、模式識(shí)別、計(jì)算幾何這幾門(mén)相關(guān)學(xué)科之間正在不斷相互滲透、相互溝通，其學(xué)科界線也變得模糊起來(lái)。 例如：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程中往往要介紹參數(shù)曲線、曲面的數(shù)學(xué)表示；工程圖掃描輸入后要先用圖象處理技術(shù)提取畫(huà)面的特征信息，然后再用模式識(shí)別技術(shù)生成矢量形式的各種幾何元素。 2022-2-199第一章 概述 圖形系統(tǒng)的任務(wù)：2022-2-19101.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容 計(jì)算機(jī)圖

5、形學(xué)的研究?jī)?nèi)容涉及到用計(jì)算機(jī)對(duì)圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的硬件和軟件兩方面的技術(shù)，以及與圖形生成、顯示密切相關(guān)的基礎(chǔ)算法： 點(diǎn)、直線、圓、弧、規(guī)則曲線、自由曲線、文本等圖元的生成。2022-2-19111.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容 對(duì)圖形的平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、鏡像、錯(cuò)切等操作，此外還包括二維圖形的裁剪、多邊形填充以及二維圖形的布爾運(yùn)算（并、交、差）等。 用圖形輸入設(shè)備實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互及用戶接口技術(shù)。2022-2-19121.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容 4、三維幾何造型技術(shù) 包括基本體素的建立與生成，規(guī)則曲面與自由曲面的構(gòu)造，以及三維形體之間的布爾運(yùn)算等。 5、真實(shí)感圖形的生成算法 三維圖形的消隱算法、光照模

6、型的建立，陰影及彩色濃淡圖的生成算法。2022-2-19131.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容 這是20世紀(jì)90年代計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域的前沿課題。研究的是，將科學(xué)計(jì)算中大量難以理解的數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形顯示出來(lái)，從而加深人們對(duì)科學(xué)過(guò)程的理解。例如：有限元分析的結(jié)果，應(yīng)力場(chǎng)、磁場(chǎng)的分布，各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的圖形仿真等。2022-2-19141.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)正以很快的速度向前發(fā)展，當(dāng)前這一領(lǐng)域研究的前沿課題前沿課題有： （1）圖形軟件與開(kāi)發(fā)環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)化 （2）提高算法的可靠性和效率 消隱算法、真實(shí)感彩色圖像、明暗圖、體素拼合中的曲面求交和拓?fù)涮幚淼葐?wèn)題上。 （3）用并

7、行處理技術(shù)提高真實(shí)感圖像的生成速度 如采用多處理器，將一幅光柵圖像的512512或更多個(gè)象素用幾十個(gè)甚至幾百個(gè)處理器并行計(jì)算，可以明顯提高圖像的生成速度。2022-2-19151.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容 （4）探討自然景象的模擬方法 采用紋理映射、分維技術(shù)、粒子系統(tǒng)等方法再現(xiàn)景物表面的色彩和紋理細(xì)節(jié)，體現(xiàn)山巒的粗糙巖面，重現(xiàn)云、火、水等飄忽不定的景色。 （5）科學(xué)可視化 2022-2-19161.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史 1950年，美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）研制出第一臺(tái)圖形顯示器。 作為旋風(fēng)1號(hào)（Whirl Wind 1）計(jì)算機(jī)的輸出設(shè)備。利用這臺(tái)顯示器在計(jì)算機(jī)的

8、控制下第一次顯示了一些簡(jiǎn)單圖形。隨后，一些公司和研究所也陸續(xù)地研制了繪圖儀等一些簡(jiǎn)單的圖形設(shè)備。但這些設(shè)備僅僅具有圖形輸出功能，因此這時(shí)的圖形學(xué)只能算“被動(dòng)”的圖形學(xué)。2022-2-19171.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史 隨后，由麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室主持研制的SAGE空中警戒雷達(dá)系統(tǒng)，成功地把雷達(dá)波形轉(zhuǎn)換成圖形在顯示器上顯示出來(lái)。指揮員可以通過(guò)光筆與系統(tǒng)交互，獲取某地區(qū)更詳細(xì)的信息或發(fā)出命令。這個(gè)系統(tǒng)可以說(shuō)是交互式計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的雛形，它預(yù)示著交互式圖形生成技術(shù)的誕生。2022-2-19181.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史 60年代是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)興起

9、和確立的年代。 1962年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的Iven Sutherland發(fā)表了題目為“Sketchpad：一個(gè)人機(jī)通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文，在論文中他首次使用了“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”（Computer Graphics）這個(gè)術(shù)語(yǔ)，指出交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一個(gè)有生命力、有前途和振奮人心的研究領(lǐng)域，從而確立了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為一個(gè)嶄新的科學(xué)分支的地位。2022-2-19191.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史 與此同時(shí)，美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)在汽車(chē)和飛機(jī)制造領(lǐng)域?qū)τ?jì)算機(jī)圖形學(xué)開(kāi)展了大規(guī)模研究。 在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）中，一些相關(guān)的科研項(xiàng)目、商品化產(chǎn)品紛紛出現(xiàn)。

10、但是，由于圖形硬件設(shè)備非常昂貴，并且基于圖形技術(shù)的應(yīng)用相對(duì)較少，所以直到80年代初，圖形學(xué)仍然是一個(gè)較小的專業(yè)化學(xué)科。2022-2-19201.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史 隨后，情況發(fā)生了變化，由于大規(guī)模集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)硬件性能不斷提高，體積縮小，價(jià)格降低，特別是廉價(jià)的圖形輸入輸出設(shè)備和大容量存儲(chǔ)介質(zhì)的出現(xiàn)，使得以小型機(jī)、微機(jī)、圖形工作站為基礎(chǔ)的圖形系統(tǒng)進(jìn)入市場(chǎng)并成為主流，如IBMPC、蘋(píng)果機(jī)等微機(jī)和Apollo、Sun等工作站。2022-2-19211.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史 80年代，是計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)迅速推廣應(yīng)用的年代。 計(jì)算機(jī)

11、圖形軟件功能開(kāi)始部分地由硬件實(shí)現(xiàn)，尤其是微機(jī)的大面積推廣，進(jìn)一步拓寬了圖形學(xué)的研究和應(yīng)用，三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)PHIGS和GKS3D的頒布，為研制通用的圖形系統(tǒng)提供了良好的基礎(chǔ)。2022-2-19221.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史 90年代，隨著多媒體概念的提出 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)已成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必不可少的一個(gè)組成部分，并且迅速投入使用中。同時(shí)，隨著面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言的發(fā)展，也提出了面向?qū)ο蟮挠?jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)。 作為計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分圖形顯示器，隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的確立和發(fā)展也經(jīng)歷了從矢量顯示器、存儲(chǔ)管顯示器到光柵顯示器的發(fā)展過(guò)程。2022-2-19231.

12、2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史 圖形輸入設(shè)備也在發(fā)展，出現(xiàn)了：拇指輪、操作桿、跟蹤球、光筆、鼠標(biāo)、觸摸屏、數(shù)據(jù)手套、數(shù)字化儀、掃描儀等輸入設(shè)備。 和圖形硬件一樣，圖形軟件也得到很大的發(fā)展，各種圖形算法、圖形標(biāo)準(zhǔn)、圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等逐漸成熟并投入使用，使計(jì)算機(jī)圖形學(xué)成為一門(mén)成熟的學(xué)科。 2022-2-19241.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域 圖形比文字更直觀、逼真且信息載荷量大，隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)軟、硬件性能的提高和成本下降，用計(jì)算機(jī)處理圖形的領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，下面是一些主要的應(yīng)用領(lǐng)域。 2022-2-19251.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域 一、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（C

13、AD/CAM） 這是一個(gè)最廣泛、最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域，在機(jī)械、建筑、汽車(chē)、飛機(jī)、造船、電子等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。如機(jī)械結(jié)構(gòu)和零部件的設(shè)計(jì)，土木建筑工程及其圖紙的設(shè)計(jì)，汽車(chē)、飛機(jī)、輪船的外形設(shè)計(jì)，集成電路、印刷線路板的設(shè)計(jì)等。2022-2-19261.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域 2022-2-19271.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域 過(guò)去在這些設(shè)計(jì)工作中，用的是繪圖板加丁字尺的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，現(xiàn)在正迅速地被CAD技術(shù)所代替。使用CAD技術(shù)后，不僅提高了設(shè)計(jì)效率，縮短了設(shè)計(jì)周期，改善了設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低了設(shè)計(jì)成本，而且可以為后續(xù)工序的計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）建立起CAD數(shù)據(jù)庫(kù)，使CAD/CAM聯(lián)成一體，為生產(chǎn)

14、自動(dòng)化奠定基礎(chǔ)。 CAD/CAM是高新技術(shù)，是先進(jìn)的生產(chǎn)力，它已經(jīng)并將進(jìn)一步給人類(lèi)帶來(lái)巨大的影響和利益?，F(xiàn)在，CAD技術(shù)的水平已成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。2022-2-19281.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域 二、科學(xué)計(jì)算可視化 用圖形來(lái)表示大量數(shù)據(jù)計(jì)算的結(jié)果或中間過(guò)程。例如：科技工作者需要認(rèn)真分析大量的計(jì)算結(jié)果以確定一個(gè)系統(tǒng)的描述；商業(yè)主管需要分析大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以做出對(duì)未來(lái)商業(yè)行為的決策；醫(yī)生需要面對(duì)大量的CT數(shù)據(jù)以確定病人體內(nèi)是否發(fā)生病變及何處發(fā)生病變；氣象人員需要處理氣象衛(wèi)星傳回的大批數(shù)據(jù)以繪出未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的天氣變化趨勢(shì)圖。2022-2-19291.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)

15、域 分析處理這些大批數(shù)據(jù)是艱難和枯燥的，但如果應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)建立數(shù)據(jù)與圖形之間的關(guān)系并將它們以圖形的形式在屏幕上顯示出來(lái)，則使用者很容易觀察其中的各種現(xiàn)象并找出變化規(guī)律。 這種研究如何將來(lái)自科學(xué)、工程、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的抽象數(shù)據(jù)用圖形表示的學(xué)科稱為科學(xué)計(jì)算可視化?？梢暬夹g(shù)發(fā)展很快，已廣泛應(yīng)用于流體力學(xué)、有限元分析、醫(yī)學(xué)、遙感等領(lǐng)域。2022-2-19301.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域 三、地理信息系統(tǒng)與制圖 地理信息系統(tǒng)是建立在地理圖形之上的關(guān)于人口分布、礦藏分布、森林覆蓋、土地利用、旅游資源、海洋地理、地形地貌、山川河流分布、區(qū)域規(guī)劃、城市交通、管線管網(wǎng)等綜合信息管理系統(tǒng)。 2022-2

16、-19311.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域 目前，它在發(fā)達(dá)國(guó)家中已得到廣泛應(yīng)用，我國(guó)也對(duì)其開(kāi)展了廣泛的研究與應(yīng)用，全國(guó)二百多所高校也紛紛設(shè)置地理信息系統(tǒng)專業(yè)。在地理信息系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)被用來(lái)產(chǎn)生高精度的上述各種資源的專題圖，并為管理者提供有效的決策和幫助。 2022-2-19321.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域 四、事務(wù)管理和辦公自動(dòng)化 無(wú)論是企業(yè)還是事業(yè)行政管理中，都存在著大量的圖表，如作業(yè)進(jìn)程表、生產(chǎn)產(chǎn)量表、庫(kù)存表、銷(xiāo)售統(tǒng)計(jì)圖、生產(chǎn)計(jì)劃表，以及統(tǒng)計(jì)分析方面的各種圖表。這些圖表都可以用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)產(chǎn)生的直方圖、餅圖和折線圖來(lái)表示。2022-2-19331.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域 在辦

17、公自動(dòng)化方面，各國(guó)都非常重視。辦公自動(dòng)化系統(tǒng)可以從聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，取出所需要的數(shù)據(jù)，用清晰明了的圖表在屏幕上顯示或在打印機(jī)、繪圖儀上輸出。2022-2-19341.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域 五、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) 虛擬現(xiàn)實(shí)又稱為虛擬環(huán)境，是指由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)生成一個(gè)虛擬的三維空間。這個(gè)空間可以是小到分子、原子的微觀世界，或是大到天體的宏觀世界，也可以是類(lèi)似于真實(shí)社會(huì)的生活空間。用戶可以在這個(gè)三維空間中“自由”地走動(dòng)，隨意地觀察，并可以通過(guò)一些特殊的設(shè)備與所處的虛擬景物進(jìn)行交互操作。2022-2-19351.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域 交互是多通道的、自然的，用來(lái)傳遞的信息可以是某個(gè)操作、一個(gè)手勢(shì)、一個(gè)

18、眼神，也可以是一個(gè)表情等。在此環(huán)境中，用戶看到的是由計(jì)算機(jī)生成的逼真圖像，聽(tīng)到的是虛擬環(huán)境中的聲音，身體可以感受到虛擬環(huán)境所反饋的作用力，由此產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)。2022-2-19361.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域 2022-2-19371.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要研究用計(jì)算機(jī)模擬三維圖形空間，并使用戶能夠自然地與該空間進(jìn)行交互。在模擬訓(xùn)練中，可以用來(lái)訓(xùn)練飛機(jī)駕駛員操縱飛機(jī)飛行、訓(xùn)練宇航員駕駛登月艙登月。2022-2-19381.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域 在模擬訓(xùn)練中，駕駛員的操作實(shí)時(shí)地變換成三維場(chǎng)景并投影在球形房間的內(nèi)壁上，以模擬空中飛行的環(huán)境和狀態(tài)，同時(shí)配上模擬飛行的

19、音響效果，使駕駛員在訓(xùn)練駕駛艙內(nèi)所見(jiàn)到的外部景物如同在真實(shí)的空中一樣。這樣的訓(xùn)練，既安全又方便，且節(jié)省了訓(xùn)練費(fèi)用。目前，該技術(shù)已在航空航天、醫(yī)學(xué)、教育、藝術(shù)、建筑等領(lǐng)域得到初步的應(yīng)用。2022-2-19391.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域 六、過(guò)程控制和指揮系統(tǒng) 將各種實(shí)時(shí)過(guò)程的重要參數(shù)，如火箭的運(yùn)行狀態(tài)，煉油廠、發(fā)電廠和電力系統(tǒng)送來(lái)的壓力、溫度、電壓、電流等數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)，用圖形方式進(jìn)行顯示，管理人員對(duì)圖形進(jìn)行監(jiān)控，并對(duì)異常情況作出調(diào)整。 此外，現(xiàn)在大量的指揮系統(tǒng)，軍用指揮、鐵路調(diào)度、機(jī)場(chǎng)指揮等系統(tǒng)，也用圖形進(jìn)行監(jiān)視與控制。2022-2-19401.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域 七、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)

20、 為了產(chǎn)生連續(xù)的動(dòng)畫(huà)，每秒至少需要24幀畫(huà)面。因而，一部?jī)尚r(shí)的動(dòng)畫(huà)片就需要十幾萬(wàn)張畫(huà)面，如果用傳統(tǒng)的方式手工繪制，工作量是巨大的。 首先要由原畫(huà)設(shè)計(jì)師創(chuàng)作出人物、場(chǎng)景的關(guān)鍵畫(huà)面，而兩個(gè)關(guān)鍵畫(huà)面之間的變化過(guò)程由其它動(dòng)畫(huà)工作者逐張完成。中間畫(huà)的張數(shù)取決于人物動(dòng)作變化的幅度及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，要使動(dòng)作過(guò)渡得平滑自然。60年代制作動(dòng)畫(huà)片大鬧天宮時(shí)，就花了幾十位動(dòng)畫(huà)工作者近兩年的時(shí)間。2022-2-19411.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域 如果用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)來(lái)制作，一方面可以利用造型工具創(chuàng)作出形象逼真的演員、場(chǎng)景，另一方面可以在關(guān)鍵畫(huà)面之間利用圖形變換技術(shù)自動(dòng)插入中間畫(huà)面。這樣大大提高了動(dòng)畫(huà)制作的質(zhì)量和效率。

21、 現(xiàn)在，基于計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)軟件3D MAX、Computer Animation被廣泛用于電視廣告、節(jié)目片頭、科教演示、電子游戲等的制作。2022-2-19421.4 圖形硬件設(shè)備 與一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一樣，計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)也是由硬件和軟件兩部分組成。硬件包括主機(jī)、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。輸入設(shè)備通常為鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、數(shù)字化儀、掃描儀和光筆等。輸出設(shè)備則為圖形顯示器、繪圖儀和打印機(jī)。這里主要介紹圖形輸出設(shè)備，而圖形輸入設(shè)備的內(nèi)容放在交互技術(shù)那一章去介紹。 2022-2-19431.4 圖形硬件設(shè)備 2022-2-19441.4.1 顯示設(shè)備 圖形系統(tǒng)一般使用視頻顯示器作為基本的輸出設(shè)備，目前大部

22、分視頻顯示器的操作是基于標(biāo)準(zhǔn)的陰極射線管（CRT：Cathode Ray Tube）設(shè)計(jì)的。此外，還有液晶顯示器和等離子板顯示器等，它們體積小，功耗少，主要用于便攜式電腦上。 2022-2-19451.4.1 顯示設(shè)備 一、刷新式CRT 刷新式CRT結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。CRT由五部分組成：電子槍、加速電極、聚焦系統(tǒng)、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏，這五部分都封裝在真空管內(nèi)。 2022-2-19461.4.1 顯示設(shè)備 電子槍由燈絲、陰極和控制柵極組成。燈絲加熱陰極，陰極表面向外發(fā)射自由電子，控制柵控制自由電子發(fā)出的強(qiáng)弱。發(fā)出的電子在加速電極的作用下，形成一股高速的電子束，在到達(dá)屏幕的途中，被聚焦系統(tǒng)（電子

23、透鏡）聚焦成很細(xì)的電子束，再由偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)（或磁場(chǎng)），使得電子束左右、上下偏轉(zhuǎn)，從而控制熒光屏上的光點(diǎn)落在指定的位置上。2022-2-19471.4.1 顯示設(shè)備 熒光屏上涂有一層熒光粉，受到電子束打擊時(shí)會(huì)發(fā)出熒光。當(dāng)打擊結(jié)束后，熒光仍會(huì)保持一段時(shí)間才消失，這種現(xiàn)象稱為余輝，熒光亮度隨著時(shí)間按指數(shù)衰減，為了使人們看到一個(gè)穩(wěn)定而不閃爍的圖形，整個(gè)畫(huà)面必須在每秒鐘內(nèi)重復(fù)顯示許多次，這也稱為屏幕刷新。2022-2-19481.4.1 顯示設(shè)備 CRT上用的熒光物質(zhì)有多種，除顏色不同外，熒光物質(zhì)的主要差別在于它們的余輝保持時(shí)間，短余輝熒光層需要較高刷新速度，才能保證屏幕圖像不閃爍。短余輝熒光層

24、用于動(dòng)畫(huà)，而長(zhǎng)余輝熒光層則用來(lái)顯示高復(fù)雜程度的靜態(tài)圖形。對(duì)于圖形顯示CRT，通常采用余輝時(shí)間為10s60s的熒光材料。 2022-2-19491.4.1 顯示設(shè)備 二、彩色CRT顯示器 CRT顯示器利用能發(fā)射不同顏色的熒光物質(zhì)的組合來(lái)顯示彩色圖形。組合不同熒光物質(zhì)的發(fā)射光，便能生成一定范圍的彩色。用CRT產(chǎn)生彩色顯示的兩種基本技術(shù)是電子束穿透法和蔭罩法。2022-2-19501.4.1 顯示設(shè)備 電子束穿透法用于隨機(jī)掃描顯示器。兩層熒光層，通常是一紅一綠，涂覆在CRT屏幕的內(nèi)層，而顯示的顏色取決于電子束穿透進(jìn)熒光層的深淺。慢速的電子束只激活外面的紅色層，快速的電子束穿過(guò)紅色層并激活里面的綠色層

25、。而中速的電子束，通過(guò)紅、綠光發(fā)射的組合，來(lái)生成另外的兩種顏色：橙色和黃色。電子束穿透法是隨機(jī)掃描顯示器生成彩色的廉價(jià)途徑，但只可能有四色，而且圖形質(zhì)量不如其它方法。 2022-2-19511.4.1 顯示設(shè)備 蔭罩法常用于光柵掃描系統(tǒng)，因?yàn)樗墚a(chǎn)生的彩色范圍比電子束穿透法寬廣得多。在每個(gè)象素位置上分布著呈三角形排列的三個(gè)熒光彩色點(diǎn)，三個(gè)熒光點(diǎn)分別發(fā)射紅光、綠光和藍(lán)光。 紅、綠、藍(lán)三個(gè)熒光點(diǎn)呈三角形排列 2022-2-19521.4.1 顯示設(shè)備 這樣的彩色CRT有三支電子槍，分別與三個(gè)熒光點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，即每支電子槍發(fā)出的電子束專門(mén)用于轟擊某一個(gè)熒光點(diǎn)。而蔭罩板被安裝在緊靠熒光涂層的地方，板上有很

26、多小孔，每個(gè)小孔與一個(gè)象素（即三個(gè)熒光點(diǎn)）相對(duì)應(yīng)。三個(gè)電子束經(jīng)聚焦偏轉(zhuǎn)后穿過(guò)蔭罩板上的小孔，激活該小孔對(duì)應(yīng)的三個(gè)熒光點(diǎn)。由于三個(gè)熒光點(diǎn)很小并充分靠近，我們觀察到的是它們混合顏色的一個(gè)光點(diǎn)，即象素。 2022-2-19531.4.1 顯示設(shè)備 屏幕上的熒光點(diǎn)、蔭罩板上的小孔和電子槍被精確地安排處于一條直線上，使得由某一電子槍發(fā)出的電子束只能轟擊到它所對(duì)應(yīng)的熒光點(diǎn)上。這樣，只要調(diào)節(jié)各電子槍發(fā)出電子束的強(qiáng)弱，即可控制各象素中三個(gè)熒光點(diǎn)所發(fā)出的紅、綠、藍(lán)三色光的亮度。于是我們可以根據(jù)彩色中所含紅、綠、藍(lán)三色的數(shù)量，以不同的強(qiáng)度激勵(lì)三個(gè)熒光點(diǎn)，從而可以產(chǎn)生范圍很廣的彩色。 2022-2-19541.4.

27、1 顯示設(shè)備顯示設(shè)備 假如每個(gè)電子槍發(fā)出電子束的強(qiáng)度有256個(gè)等級(jí)，則該顯示器能顯示16兆種顏色，即：282828=224。能顯示16兆種顏色的顯示系統(tǒng)叫做真彩色顯示系統(tǒng)。 CRT產(chǎn)生彩色的工作原理 2022-2-19551.4.1 顯示設(shè)備顯示設(shè)備 三、隨機(jī)掃描顯示器 隨機(jī)掃描顯示器中，電子束可以在任意方向上自由移動(dòng)，按照顯示命令用畫(huà)線的方式繪出圖形，因此也稱矢量顯示器。在隨機(jī)掃描顯示系統(tǒng)中，圖形的定義以矢量畫(huà)線命令的形式存放在顯示文件中，所以依靠顯示文件對(duì)屏幕圖形進(jìn)行刷新。應(yīng)用程序若要修改屏幕上的圖形，則要修改顯示文件中的某些繪圖命令，修改的結(jié)果在下一次刷新時(shí)得到體現(xiàn)。2022-2-195

28、61.4.1 顯示設(shè)備 隨機(jī)掃描方式顯示圖形 2022-2-19571.4.1 顯示設(shè)備 圖中的顯示處理器DPU可以看作是一個(gè)專用的CPU，具有自己的一套指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)格式和指令計(jì)數(shù)器，同時(shí)還有一些功能部件，如矢量產(chǎn)生器、字符產(chǎn)生器等。在工作過(guò)程中，它依次讀取顯示文件中的指令系列，進(jìn)行譯碼、解釋、并啟動(dòng)功能部件在CRT上畫(huà)出點(diǎn)、線、字符串等。2022-2-19581.4.1 顯示設(shè)備 隨機(jī)掃描顯示器是為畫(huà)線應(yīng)用設(shè)計(jì)的，由于圖形修改方便，因此交互性能較好，圖形可以作無(wú)級(jí)放大，而不會(huì)出現(xiàn)鋸齒狀。但不能顯示色彩逼真圖形，另外圖形的顯示質(zhì)量與一幀的畫(huà)線數(shù)量有關(guān)，當(dāng)一幀線劃太多，無(wú)法維持3060幀/秒的

29、刷新頻率時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)滿屏閃爍。2022-2-19591.4.1 顯示設(shè)備 四、光柵掃描顯示器 普通使用的CRT圖形監(jiān)視器是基于電視技術(shù)的光柵掃描顯示器。光柵掃描的CRT中，電子束依照固定的掃描線和規(guī)定的掃描順序進(jìn)行掃描。電子束先從熒光屏左上角開(kāi)始，向右掃一條水平線，然后迅速地回掃到左邊偏下一點(diǎn)的位置，再掃第二條水平線，照此固定的路徑及順序掃下去，直到最后一條水平線，即完成了整個(gè)屏幕的掃描。在掃描時(shí)，電子束的強(qiáng)度不斷變化來(lái)建立亮點(diǎn)的圖案。2022-2-19601.4.1 顯示設(shè)備 圖形定義存放在幀緩沖存儲(chǔ)器中，幀緩存保存了對(duì)應(yīng)屏幕所有點(diǎn)的亮度值。每個(gè)屏幕點(diǎn)稱作象素，由于光柵掃描CRT對(duì)屏幕上每個(gè)

30、象素都有存儲(chǔ)亮度信息的能力，因此它能較好地用于包含細(xì)微陰影和彩色場(chǎng)景的逼真顯示。家用電視和打印機(jī)是另一類(lèi)使用光柵掃描方式的例子。 2022-2-19611.4.1 顯示設(shè)備 幀緩存中的單元與屏幕象素的對(duì)應(yīng)關(guān)系 2022-2-19621.4.1 顯示設(shè)備 光柵掃描顯示器中，屏幕圖形是依靠幀緩存進(jìn)行刷新的，而視頻控制器是負(fù)責(zé)刷新的部件，它建立了幀緩存中的單元與屏幕象素之間一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，視頻控制器的邏輯結(jié)構(gòu)如下圖所示：X、Y寄存器用來(lái)存放屏幕象素的坐標(biāo)，存儲(chǔ)在幀緩存中該象素對(duì)應(yīng)位置的值被取出，并用來(lái)控制CRT電子束的強(qiáng)度。從左到右，從上到下，對(duì)一幀的每一個(gè)象素都進(jìn)行處理后，又重復(fù)上述過(guò)程進(jìn)行下一輪

31、的刷新。 2022-2-19631.4.1 顯示設(shè)備 視頻控制器的邏輯結(jié)構(gòu) 2022-2-19641.4.1 顯示設(shè)備 象素的亮度范圍取決于幀緩存的位數(shù)。在簡(jiǎn)單的黑白顯示中，每個(gè)象素只有兩個(gè)亮度值：亮、暗，因此每個(gè)象素只需一位來(lái)控制屏幕位置的亮度。如果要顯示彩色并且亮度可變，就需要增加位，在高質(zhì)量系統(tǒng)中，每個(gè)象素可多達(dá)24位（紅、綠、藍(lán)三基色，每種基色占8位：83=24位），這時(shí)每個(gè)象素可顯示224種亮度值。 工作于高分辨率和真彩色模式下的光柵系統(tǒng)顯示的圖形精度高、質(zhì)量好，但也帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題：2022-2-19651.4.1 顯示設(shè)備 其一：是需要大容量的幀緩存，例如當(dāng)屏幕分辨率為1024102

32、4，每個(gè)象素24位（以真彩色顯示）時(shí)，幀緩存的容量需要：1024102424/8=3M字節(jié)； 其二：是要求視頻控制器對(duì)幀緩存有較快的存取速度，通信線路有較大的傳輸帶寬。 解決的辦法也有兩個(gè)：采用彩色表機(jī)制和采用隔行掃描方法。2022-2-19661.4.1 顯示設(shè)備 1、彩色表 彩色表是一維的線性表，它用來(lái)定義象素的顏色。我們知道要顯示很多種顏色，幀緩存的容量就要很大。但實(shí)際上對(duì)一幅具體的畫(huà)面而言，其使用的顏色數(shù)目并不多（幾百至幾千種）。為了解決幀緩存容量不能過(guò)大而又滿足實(shí)際需要，產(chǎn)生了彩色表，彩色表又稱為調(diào)色板，它的工作原理如下圖所示。2022-2-19671.4.1 顯示設(shè)備 從圖中可以看

33、到，幀緩存各單元保存的不再是相應(yīng)象素的顏色值，而僅是該象素顏色的一個(gè)索引，它是彩色表的某個(gè)地址，按照這個(gè)索引值在彩色表中取出紅、綠、藍(lán)三種顏色的分量，然后送CRT顯示器對(duì)該象素進(jìn)行顏色顯示。2022-2-19681.4.1 顯示設(shè)備 采用彩色表的光柵掃描顯示系統(tǒng)的工作原理 2022-2-19691.4.1 顯示設(shè)備 2、掃描方法 在光柵CRT中，因?yàn)閹彺胬锎娣帕艘粠瑘D像的亮度信息，所以依靠幀緩存對(duì)屏幕進(jìn)行刷新，刷新頻率一般為5060幀/秒。圖像再現(xiàn)時(shí)，有兩種掃描方法： 逐行掃描（見(jiàn)下圖）從屏幕頂端第0行開(kāi)始，逐行往下掃。在每一行掃完回到下一行時(shí)，回掃線是被消隱的，從屏幕頂部到底部掃描一次稱為

34、一幀，由底部再回到頂部的回掃過(guò)程也是消隱的。2022-2-19701.4.1 顯示設(shè)備 例如刷新頻率為30幀/秒，如采用逐行掃描顯示，可注意到圖形在閃爍，但采用隔行掃描，掃描一幀的時(shí)間只用了原來(lái)一半，也就是說(shuō)刷新頻率接近60幀/秒，這時(shí)圖形顯示質(zhì)量提高，不再閃爍。2022-2-19711.4.1 顯示設(shè)備 隔行掃描（見(jiàn)下圖）將掃描分成兩場(chǎng)，先掃描偶數(shù)行0、2、4、6，再掃描奇數(shù)行1、3、5、7，順序從頂部掃描到底部。隔行掃描只需用逐行掃描一半的時(shí)間就能看見(jiàn)整個(gè)屏幕顯示，因此隔行掃描技術(shù)用于較慢的刷新頻率。2022-2-19721.4.1 顯示設(shè)備 掃描方法 2022-2-19731.4.1 顯

35、示設(shè)備 光柵掃描顯示器最突出的優(yōu)點(diǎn)是：它不僅可以顯示物體的輪廓線，而且由于能對(duì)每一象素的灰度或色彩控制，因而可以進(jìn)行實(shí)面積填充，這就使得輸出真實(shí)感圖形成為可能。此外，它可以和電視兼容，價(jià)格遠(yuǎn)低于隨機(jī)掃描顯示器。2022-2-19741.4.1 顯示設(shè)備 自80年代以來(lái)，得到迅速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，已成為顯示器市場(chǎng)的主流。 光柵掃描顯示器的缺點(diǎn)是：從應(yīng)用程序中將圖形的描述轉(zhuǎn)換成幀緩存中象素信息的過(guò)程（掃描轉(zhuǎn)換）比較費(fèi)時(shí)，相應(yīng)的軟件比較復(fù)雜。另外，在顯示斜線時(shí)，還存在線條邊緣的階梯效應(yīng)。 2022-2-19751.4.1 顯示設(shè)備顯示設(shè)備 五、直視存儲(chǔ)管顯示器 直視存儲(chǔ)管顯示器DVST（D

36、irectView Storage Tube）是20世紀(jì)60年代后期開(kāi)始出現(xiàn)的圖形顯示器，它的最大特點(diǎn)在于它的熒光粉能夠在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)（以小時(shí)計(jì)）保持圖形而不需要刷新，因此價(jià)格低廉，工作中可以不閃爍地顯示任意多的線條和字符，而且相當(dāng)清晰。2022-2-19761.4.1 顯示設(shè)備顯示設(shè)備 直視存儲(chǔ)管顯示器顯示圖形的方式和隨機(jī)掃描顯示器一樣，電子束在屏幕上隨機(jī)繪出圖形，同樣它也只能畫(huà)線圖，不能進(jìn)行實(shí)面積填充。 直視存儲(chǔ)管顯示器的致命弱點(diǎn)在于圖形的修改和刪除方面，它只能一次擦除整屏的圖形，而且擦除時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)秒，若想有選擇地擦除某一部分圖形則是不可能的。這樣，就限制了它在動(dòng)態(tài)作圖和交互修改作圖方面

37、的應(yīng)用。2022-2-19771.4.2 硬拷貝設(shè)備硬拷貝設(shè)備 圖形顯示器用于觀察、修改圖形，但是屏幕上的圖形不可能長(zhǎng)久地保存下來(lái)，在工程界還需要變成圖紙或膠片用于生產(chǎn)，因此在計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)中還應(yīng)該有繪圖機(jī)這樣的圖形硬拷貝輸出設(shè)備。象顯示器一樣，圖形硬拷貝輸出設(shè)備的發(fā)展也非常迅速，且種類(lèi)繁多，它的發(fā)展動(dòng)向正朝著高速度、高精度、高性能、大面積、低成本的方向發(fā)展。 2022-2-19781.4.2 硬拷貝設(shè)備硬拷貝設(shè)備 一、打印機(jī) 打印機(jī)以兩種方式：擊打式或非擊打式產(chǎn)生輸出。擊打式打印機(jī)隔著色帶將某種格式的字符打在紙上。行式打印機(jī)是擊打設(shè)備的例子，其字體裝在帶上、鏈上、鼓上或輪上。非擊打式打印機(jī)和

38、繪圖儀用激光技術(shù)、噴墨技術(shù)、復(fù)印技術(shù)（照相拷貝）、靜電方式和電熱方式，把圖像印在紙上。2022-2-19791.4.2 硬拷貝設(shè)備硬拷貝設(shè)備 字符擊打式打印機(jī)常常有一個(gè)點(diǎn)陣打印頭，其中包含有一組矩形陣列結(jié)構(gòu)金屬針，針的總數(shù)決定著打印機(jī)的質(zhì)量，單個(gè)字符或圖案可用縮回某些針而讓余下的針來(lái)打印。2022-2-19801.4.2 硬拷貝設(shè)備 打印機(jī)實(shí)物圖2022-2-19811.4.2 硬拷貝設(shè)備 二、激光設(shè)備 在激光設(shè)備里，激光束把要打印的圖形寫(xiě)在感光鼓上，鼓再把這一圖形轉(zhuǎn)移到紙上。激光打印機(jī)的主要構(gòu)成部分有感光鼓、碳粉、打底電暈絲和轉(zhuǎn)移電暈絲。 激光打印機(jī)結(jié)構(gòu)圖 2022-2-19821.4.2 硬拷貝設(shè)備 三、噴墨設(shè)備噴墨法產(chǎn)生的輸出，是沿包裹在鼓上的紙卷逐行噴墨水來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在高壓下墨水形成墨霧，充電荷的墨霧在電場(chǎng)控制下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，將墨霧噴印到紙上。 噴繪儀實(shí)物圖2022-2-19831.4.2 硬拷貝設(shè)備 四、靜電設(shè)備 靜電設(shè)備沿紙的寬度方向一次一整行地置負(fù)電荷于紙上，爾后，面對(duì)調(diào)色劑曝光。調(diào)色劑充以正電，被吸引到充以負(fù)電的區(qū)域，從而產(chǎn)生指定的輸出。 靜電繪圖儀分辨率可達(dá)200dpi，其速度比筆繪儀高，運(yùn)行可靠，噪聲小，但用紙?zhí)厥舛鴥r(jià)格昂貴。2022-2-19841.4.2 硬拷貝設(shè)備 靜電繪圖儀結(jié)構(gòu)圖2022-2-19851.4.2 硬拷貝設(shè)備 五、電熱式設(shè)備 電熱式利用點(diǎn)陣打