計算機圖形學第一章概述課件

1、計算機圖形學第一章概述計算機圖形學第一章概述 第一章 概述 計算機圖形學（Computer Graphics）是隨著計算機技術的發(fā)展而發(fā)展起來的一門新興學科。 計算機圖形學研究怎樣通過計算機來產生圖形 。 （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、管網分布圖等；（2）照片、三維逼真圖形等；（3）實體的視圖，如：機械零件的正視圖、側視圖等；（4）抽象概念的形象表示：計劃圖、餅圖、統(tǒng)計曲線、流程圖等。 2022/9/102 第一章 概述 計算機圖形學（Computer第一章 概述 計算機圖形學是研究通過計算機將數據轉換為圖形，并在專門的設備上輸出的原理、方法和技術的學

2、科。 與計算機圖形學密切相關的幾門學科是：2022/9/103第一章 概述 概述 1、圖像處理（Image Processing） 圖像處理利用計算機對圖形和圖像進行分析處理，繼而再現(xiàn)圖像。圖形（圖像）信息輸入計算機中，按照不同的應用要求，計算機對圖像進行各種各樣的分析和處理。2022/9/104第一章 概述 1、圖像處理（Image Processing第一章 概述 例如：進行圖像的存儲、壓縮、增強（突出某些特征）、復原（使模糊圖像清晰）、分割、重建、編碼、傳輸等等，最后把經過加工處理后的結果重新輸出。應用實例：工業(yè)中射線探傷、人體的CT掃描、衛(wèi)星遙感以及資源勘測?，F(xiàn)在圖像處理正從二維處理朝

3、著三維圖像生成、立體成像、多種傳輸媒體等方向發(fā)展。2022/9/105第一章 概述 例如：進行圖像的存儲、壓縮、增強（突出某第一章 概述 Recognition） 圖像的模式識別所研究的問題與計算機圖形學所研究的問題是互逆的。模式識別是由圖像來獲得對圖像本身的描述。它是以圖像為依據，將圖像變換成數據、符號或者是抽象的圖。例如：自動分檢信封上的郵件編碼、文本自動閱讀裝置、還有地圖符號的識別，都是先由掃描得到圖像，然后經識別還原為圖形或字符。2022/9/106第一章 概述 概述 Geometry） 計算幾何則著重討論幾何形體在計算機內的表示、分析和綜合，研究怎樣方便靈活地建立幾何形體的數學模型，

4、提高算法的效率，在計算機內如何更好地存儲和管理這些模型等。它的研究內容包括曲線曲面的表示、生成、拼接和造型、三維立體造型、離散數據插值等等。2022/9/107第一章 概述 概述 如下圖所示：計算機圖形學與圖像處理、模式識別、計算幾何這幾門相關學科之間正在不斷相互滲透、相互溝通，其學科界線也變得模糊起來。 例如：計算機圖形學課程中往往要介紹參數曲線、曲面的數學表示；工程圖掃描輸入后要先用圖象處理技術提取畫面的特征信息，然后再用模式識別技術生成矢量形式的各種幾何元素。 2022/9/108第一章 概述 如下圖所示：計算機圖形學與圖像處理、第一章 概述 圖形系統(tǒng)的任務：2022/9/109第一章

5、概述 圖形系統(tǒng)的任務：2022/9/3111.1 計算機圖形學的研究內容 計算機圖形學的研究內容涉及到用計算機對圖形數據進行處理的硬件和軟件兩方面的技術，以及與圖形生成、顯示密切相關的基礎算法： 點、直線、圓、弧、規(guī)則曲線、自由曲線、文本等圖元的生成。2022/9/10101.1 計算機圖形學的研究內容 計算機圖形學的研究內1.1 計算機圖形學的研究內容 對圖形的平移、縮放、旋轉、鏡像、錯切等操作，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算（并、交、差）等。 用圖形輸入設備實現(xiàn)人機交互及用戶接口技術。2022/9/10111.1 計算機圖形學的研究內容 course.cug.e

6、d1.1 計算機圖形學的研究內容4、三維幾何造型技術 包括基本體素的建立與生成，規(guī)則曲面與自由曲面的構造，以及三維形體之間的布爾運算等。 5、真實感圖形的生成算法 三維圖形的消隱算法、光照模型的建立，陰影及彩色濃淡圖的生成算法。2022/9/10121.1 計算機圖形學的研究內容4、三維幾何造型技術 20221.1 計算機圖形學的研究內容 這是20世紀90年代計算機圖形學領域的前沿課題。研究的是，將科學計算中大量難以理解的數據通過計算機圖形顯示出來，從而加深人們對科學過程的理解。例如：有限元分析的結果，應力場、磁場的分布，各種復雜的運動學和動力學問題的圖形仿真等。2022/9/10131.1

7、計算機圖形學的研究內容 course.cug.ed1.1 計算機圖形學的研究內容 計算機圖形學正以很快的速度向前發(fā)展，當前這一領域研究的前沿課題有：（1）圖形軟件與開發(fā)環(huán)境的標準化（2）提高算法的可靠性和效率消隱算法、真實感彩色圖像、明暗圖、體素拼合中的曲面求交和拓撲處理等問題上。（3）用并行處理技術提高真實感圖像的生成速度如采用多處理器，將一幅光柵圖像的512512或更多個象素用幾十個甚至幾百個處理器并行計算，可以明顯提高圖像的生成速度。2022/9/10141.1 計算機圖形學的研究內容 計算機圖形學正1.1 計算機圖形學的研究內容 （4）探討自然景象的模擬方法采用紋理映射、分維技術、粒子

8、系統(tǒng)等方法再現(xiàn)景物表面的色彩和紋理細節(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）科學可視化 2022/9/10151.1 計算機圖形學的研究內容 （4）探討自然景象的模擬方法1.2 計算機圖形學的發(fā)展歷史1950年，美國麻省理工學院（MIT）研制出第一臺圖形顯示器。 作為旋風1號（Whirl Wind 1）計算機的輸出設備。利用這臺顯示器在計算機的控制下第一次顯示了一些簡單圖形。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單的圖形設備。但這些設備僅僅具有圖形輸出功能，因此這時的圖形學只能算“被動”的圖形學。2022/9/10161.2 計算機圖形學的發(fā)展歷史1950年，

9、美國麻省理工學院（1.2 計算機圖形學的發(fā)展歷史 隨后，由麻省理工學院林肯實驗室主持研制的SAGE空中警戒雷達系統(tǒng)，成功地把雷達波形轉換成圖形在顯示器上顯示出來。指揮員可以通過光筆與系統(tǒng)交互，獲取某地區(qū)更詳細的信息或發(fā)出命令。這個系統(tǒng)可以說是交互式計算機圖形系統(tǒng)的雛形，它預示著交互式圖形生成技術的誕生。2022/9/10171.2 計算機圖形學的發(fā)展歷史 隨后，由麻省理工1.2 計算機圖形學的發(fā)展歷史60年代是計算機圖形學興起和確立的年代。 1962年，美國麻省理工學院的Iven Sutherland發(fā)表了題目為“Sketchpad：一個人機通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文，在論文中他首次使用了“計

10、算機圖形學”（Computer Graphics）這個術語，指出交互式計算機圖形學是一個有生命力、有前途和振奮人心的研究領域，從而確立了計算機圖形學作為一個嶄新的科學分支的地位。2022/9/10181.2 計算機圖形學的發(fā)展歷史60年代是計算機圖形學興起和確1.2 計算機圖形學的發(fā)展歷史與此同時，美國、英國、法國在汽車和飛機制造領域對計算機圖形學開展了大規(guī)模研究。 在計算機輔助設計（CAD）和計算機輔助制造（CAM）中，一些相關的科研項目、商品化產品紛紛出現(xiàn)。但是，由于圖形硬件設備非常昂貴，并且基于圖形技術的應用相對較少，所以直到80年代初，圖形學仍然是一個較小的專業(yè)化學科。2022/9/1

11、0191.2 計算機圖形學的發(fā)展歷史與此同時，美國、英國、法國在汽1.2 計算機圖形學的發(fā)展歷史 隨后，情況發(fā)生了變化，由于大規(guī)模集成電路技術的快速發(fā)展，計算機硬件性能不斷提高，體積縮小，價格降低，特別是廉價的圖形輸入輸出設備和大容量存儲介質的出現(xiàn)，使得以小型機、微機、圖形工作站為基礎的圖形系統(tǒng)進入市場并成為主流，如IBMPC、蘋果機等微機和Apollo、Sun等工作站。2022/9/10201.2 計算機圖形學的發(fā)展歷史 隨后，情況發(fā)生1.2 計算機圖形學的發(fā)展歷史80年代，是計算機圖形系統(tǒng)迅速推廣應用的年代。 計算機圖形軟件功能開始部分地由硬件實現(xiàn)，尤其是微機的大面積推廣，進一步拓寬了圖形

12、學的研究和應用，三維計算機圖形學的國際標準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。2022/9/10211.2 計算機圖形學的發(fā)展歷史80年代，是計算機圖形系統(tǒng)迅速1.2 計算機圖形學的發(fā)展歷史90年代，隨著多媒體概念的提出 計算機圖形學已成為計算機系統(tǒng)必不可少的一個組成部分，并且迅速投入使用中。同時，隨著面向對象的程序設計語言的發(fā)展，也提出了面向對象的計算機圖形系統(tǒng)。作為計算機圖形系統(tǒng)的一個重要組成部分圖形顯示器，隨著計算機圖形學的確立和發(fā)展也經歷了從矢量顯示器、存儲管顯示器到光柵顯示器的發(fā)展過程。2022/9/10221.2 計算機圖形學的發(fā)展歷史90年代，隨著

13、多媒體概念的提出1.2 計算機圖形學的發(fā)展歷史 圖形輸入設備也在發(fā)展，出現(xiàn)了：拇指輪、操作桿、跟蹤球、光筆、鼠標、觸摸屏、數據手套、數字化儀、掃描儀等輸入設備。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、圖形標準、圖形數據結構等逐漸成熟并投入使用，使計算機圖形學成為一門成熟的學科。 2022/9/10231.2 計算機圖形學的發(fā)展歷史 圖形輸入設備也在1.3 計算機圖形學的應用領域 圖形比文字更直觀、逼真且信息載荷量大，隨著計算機圖形學的發(fā)展，以及計算機軟、硬件性能的提高和成本下降，用計算機處理圖形的領域越來越廣泛，下面是一些主要的應用領域。 2022/9/10241.3 計算機圖

14、形學的應用領域 圖形比文字更直1.3 計算機圖形學的應用領域 一、計算機輔助設計與制造（CAD/CAM） 這是一個最廣泛、最活躍的應用領域，在機械、建筑、汽車、飛機、造船、電子等領域有著廣泛的應用。如機械結構和零部件的設計，土木建筑工程及其圖紙的設計，汽車、飛機、輪船的外形設計，集成電路、印刷線路板的設計等。2022/9/10251.3 計算機圖形學的應用領域 一、計算機輔助設計與制造（1.3 計算機圖形學的應用領域 2022/9/10261.3 計算機圖形學的應用領域 2022/9/3281.3 計算機圖形學的應用領域 過去在這些設計工作中，用的是繪圖板加丁字尺的傳統(tǒng)設計方法，現(xiàn)在正迅速地被

15、CAD技術所代替。使用CAD技術后，不僅提高了設計效率，縮短了設計周期，改善了設計質量，降低了設計成本，而且可以為后續(xù)工序的計算機輔助制造（CAM）建立起CAD數據庫，使CAD/CAM聯(lián)成一體，為生產自動化奠定基礎。CAD/CAM是高新技術，是先進的生產力，它已經并將進一步給人類帶來巨大的影響和利益?，F(xiàn)在，CAD技術的水平已成為衡量一個國家工業(yè)技術水平的重要標志。2022/9/10271.3 計算機圖形學的應用領域 過去在這些設計1.3 計算機圖形學的應用領域 二、科學計算可視化 用圖形來表示大量數據計算的結果或中間過程。例如：科技工作者需要認真分析大量的計算結果以確定一個系統(tǒng)的描述；商業(yè)主管

16、需要分析大量的統(tǒng)計數據以做出對未來商業(yè)行為的決策；醫(yī)生需要面對大量的CT數據以確定病人體內是否發(fā)生病變及何處發(fā)生病變；氣象人員需要處理氣象衛(wèi)星傳回的大批數據以繪出未來一段時間內的天氣變化趨勢圖。2022/9/10281.3 計算機圖形學的應用領域 二、科學計算可視化 2021.3 計算機圖形學的應用領域 分析處理這些大批數據是艱難和枯燥的，但如果應用計算機圖形處理技術建立數據與圖形之間的關系并將它們以圖形的形式在屏幕上顯示出來，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。這種研究如何將來自科學、工程、醫(yī)學等領域的抽象數據用圖形表示的學科稱為科學計算可視化。可視化技術發(fā)展很快，已廣泛應用于流

17、體力學、有限元分析、醫(yī)學、遙感等領域。2022/9/10291.3 計算機圖形學的應用領域 分析處理這些大1.3 計算機圖形學的應用領域 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、管線管網等綜合信息管理系統(tǒng)。 2022/9/10301.3 計算機圖形學的應用領域 三、地理信息系統(tǒng)與制圖 21.3 計算機圖形學的應用領域 目前，它在發(fā)達國家中已得到廣泛應用，我國也對其開展了廣泛的研究與應用，全國二百多所高校也紛紛設置地理信息系統(tǒng)專業(yè)。在地理信息系統(tǒng)中，計算機圖形技術被用來產

18、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。 2022/9/10311.3 計算機圖形學的應用領域 目前，它在發(fā)達1.3 計算機圖形學的應用領域 四、事務管理和辦公自動化 無論是企業(yè)還是事業(yè)行政管理中，都存在著大量的圖表，如作業(yè)進程表、生產產量表、庫存表、銷售統(tǒng)計圖、生產計劃表，以及統(tǒng)計分析方面的各種圖表。這些圖表都可以用計算機圖形技術產生的直方圖、餅圖和折線圖來表示。2022/9/10321.3 計算機圖形學的應用領域 四、事務管理和辦公自動化 1.3 計算機圖形學的應用領域 在辦公自動化方面，各國都非常重視。辦公自動化系統(tǒng)可以從聯(lián)網的數據庫中，取出所需要的數據，用清晰明

19、了的圖表在屏幕上顯示或在打印機、繪圖儀上輸出。2022/9/10331.3 計算機圖形學的應用領域 在辦公自動化方1.3 計算機圖形學的應用領域 五、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) 虛擬現(xiàn)實又稱為虛擬環(huán)境，是指由計算機實時生成一個虛擬的三維空間。這個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，也可以是類似于真實社會的生活空間。用戶可以在這個三維空間中“自由”地走動，隨意地觀察，并可以通過一些特殊的設備與所處的虛擬景物進行交互操作。2022/9/10341.3 計算機圖形學的應用領域 五、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) 20221.3 計算機圖形學的應用領域 交互是多通道的、自然的，用來傳遞的信息可以是某個操作、一

20、個手勢、一個眼神，也可以是一個表情等。在此環(huán)境中，用戶看到的是由計算機生成的逼真圖像，聽到的是虛擬環(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，由此產生身臨其境的感覺。2022/9/10351.3 計算機圖形學的應用領域 交互是多通道的1.3 計算機圖形學的應用領域 2022/9/10361.3 計算機圖形學的應用領域 2022/9/3381.3 計算機圖形學的應用領域 虛擬現(xiàn)實技術主要研究用計算機模擬三維圖形空間，并使用戶能夠自然地與該空間進行交互。在模擬訓練中，可以用來訓練飛機駕駛員操縱飛機飛行、訓練宇航員駕駛登月艙登月。2022/9/10371.3 計算機圖形學的應用領域 虛擬現(xiàn)實

21、技術1.3 計算機圖形學的應用領域 在模擬訓練中，駕駛員的操作實時地變換成三維場景并投影在球形房間的內壁上，以模擬空中飛行的環(huán)境和狀態(tài)，同時配上模擬飛行的音響效果，使駕駛員在訓練駕駛艙內所見到的外部景物如同在真實的空中一樣。這樣的訓練，既安全又方便，且節(jié)省了訓練費用。目前，該技術已在航空航天、醫(yī)學、教育、藝術、建筑等領域得到初步的應用。2022/9/10381.3 計算機圖形學的應用領域 在模擬訓練中，1.3 計算機圖形學的應用領域 六、過程控制和指揮系統(tǒng) 將各種實時過程的重要參數，如火箭的運行狀態(tài)，煉油廠、發(fā)電廠和電力系統(tǒng)送來的壓力、溫度、電壓、電流等數據傳送到計算機，用圖形方式進行顯示，管

22、理人員對圖形進行監(jiān)控，并對異常情況作出調整。此外，現(xiàn)在大量的指揮系統(tǒng)，軍用指揮、鐵路調度、機場指揮等系統(tǒng)，也用圖形進行監(jiān)視與控制。2022/9/10391.3 計算機圖形學的應用領域 六、過程控制和指揮系統(tǒng) 1.3 計算機圖形學的應用領域 七、計算機動畫 為了產生連續(xù)的動畫，每秒至少需要24幀畫面。因而，一部兩小時的動畫片就需要十幾萬張畫面，如果用傳統(tǒng)的方式手工繪制，工作量是巨大的。首先要由原畫設計師創(chuàng)作出人物、場景的關鍵畫面，而兩個關鍵畫面之間的變化過程由其它動畫工作者逐張完成。中間畫的張數取決于人物動作變化的幅度及運動規(guī)律，要使動作過渡得平滑自然。60年代制作動畫片大鬧天宮時，就花了幾十位

23、動畫工作者近兩年的時間。2022/9/10401.3 計算機圖形學的應用領域 七、計算機動畫 20221.3 計算機圖形學的應用領域 如果用計算機圖形技術來制作，一方面可以利用造型工具創(chuàng)作出形象逼真的演員、場景，另一方面可以在關鍵畫面之間利用圖形變換技術自動插入中間畫面。這樣大大提高了動畫制作的質量和效率?，F(xiàn)在，基于計算機圖形技術的計算機動畫軟件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。2022/9/10411.3 計算機圖形學的應用領域 如果用計算機圖1.4 圖形硬件設備 與一般計算機系統(tǒng)一樣，計算機圖形系統(tǒng)也是由硬件和軟件兩

24、部分組成。硬件包括主機、輸入設備和輸出設備。輸入設備通常為鍵盤、鼠標、數字化儀、掃描儀和光筆等。輸出設備則為圖形顯示器、繪圖儀和打印機。這里主要介紹圖形輸出設備，而圖形輸入設備的內容放在交互技術那一章去介紹。 2022/9/10421.4 圖形硬件設備 與一般計算機系統(tǒng)一樣，1.4 圖形硬件設備 2022/9/10431.4 圖形硬件設備 2022/9/3451.4.1 顯示設備 圖形系統(tǒng)一般使用視頻顯示器作為基本的輸出設備，目前大部分視頻顯示器的操作是基于標準的陰極射線管（CRT：Cathode Ray Tube）設計的。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

25、攜式電腦上。 2022/9/10441.4.1 顯示設備 圖形系統(tǒng)一般使用視頻顯示器作1.4.1 顯示設備 一、刷新式CRT 刷新式CRT結構示意圖如下圖所示。CRT由五部分組成：電子槍、加速電極、聚焦系統(tǒng)、偏轉系統(tǒng)和熒光屏，這五部分都封裝在真空管內。 2022/9/10451.4.1 顯示設備 一、刷新式CRT 2022/9/3471.4.1 顯示設備 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，在到達屏幕的途中，被聚焦系統(tǒng)（電子透鏡）聚焦成很細的電子束，再由偏轉系統(tǒng)產生偏轉電場（

26、或磁場），使得電子束左右、上下偏轉，從而控制熒光屏上的光點落在指定的位置上。2022/9/10461.4.1 顯示設備 電子槍由燈絲、陰極和控制1.4.1 顯示設備 熒光屏上涂有一層熒光粉，受到電子束打擊時會發(fā)出熒光。當打擊結束后，熒光仍會保持一段時間才消失，這種現(xiàn)象稱為余輝，熒光亮度隨著時間按指數衰減，為了使人們看到一個穩(wěn)定而不閃爍的圖形，整個畫面必須在每秒鐘內重復顯示許多次，這也稱為屏幕刷新。2022/9/10471.4.1 顯示設備 熒光屏上涂有一層熒光粉，受到電1.4.1 顯示設備 CRT上用的熒光物質有多種，除顏色不同外，熒光物質的主要差別在于它們的余輝保持時間，短余輝熒光層需要較高

27、刷新速度，才能保證屏幕圖像不閃爍。短余輝熒光層用于動畫，而長余輝熒光層則用來顯示高復雜程度的靜態(tài)圖形。對于圖形顯示CRT，通常采用余輝時間為10s60s的熒光材料。 2022/9/10481.4.1 顯示設備 CRT上用的熒光物質有多種，除1.4.1 顯示設備 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的組合來顯示彩色圖形。組合不同熒光物質的發(fā)射光，便能生成一定范圍的彩色。用CRT產生彩色顯示的兩種基本技術是電子束穿透法和蔭罩法。2022/9/10491.4.1 顯示設備 二、彩色CRT顯示器 2022/91.4.1 顯示設備 電子束穿透法用于隨機掃描顯示器。兩層熒光層，通

28、常是一紅一綠，涂覆在CRT屏幕的內層，而顯示的顏色取決于電子束穿透進熒光層的深淺。慢速的電子束只激活外面的紅色層，快速的電子束穿過紅色層并激活里面的綠色層。而中速的電子束，通過紅、綠光發(fā)射的組合，來生成另外的兩種顏色：橙色和黃色。電子束穿透法是隨機掃描顯示器生成彩色的廉價途徑，但只可能有四色，而且圖形質量不如其它方法。 2022/9/10501.4.1 顯示設備 電子束穿透法用于隨機掃描顯1.4.1 顯示設備 蔭罩法常用于光柵掃描系統(tǒng)，因為它能產生的彩色范圍比電子束穿透法寬廣得多。在每個象素位置上分布著呈三角形排列的三個熒光彩色點，三個熒光點分別發(fā)射紅光、綠光和藍光。 紅、綠、藍三個熒光點呈三

29、角形排列 2022/9/10511.4.1 顯示設備 蔭罩法常用于光柵掃描系統(tǒng)1.4.1 顯示設備 這樣的彩色CRT有三支電子槍，分別與三個熒光點相對應，即每支電子槍發(fā)出的電子束專門用于轟擊某一個熒光點。而蔭罩板被安裝在緊靠熒光涂層的地方，板上有很多小孔，每個小孔與一個象素（即三個熒光點）相對應。三個電子束經聚焦偏轉后穿過蔭罩板上的小孔，激活該小孔對應的三個熒光點。由于三個熒光點很小并充分靠近，我們觀察到的是它們混合顏色的一個光點，即象素。 2022/9/10521.4.1 顯示設備 這樣的彩色CRT有三支電1.4.1 顯示設備 屏幕上的熒光點、蔭罩板上的小孔和電子槍被精確地安排處于一條直線上

30、，使得由某一電子槍發(fā)出的電子束只能轟擊到它所對應的熒光點上。這樣，只要調節(jié)各電子槍發(fā)出電子束的強弱，即可控制各象素中三個熒光點所發(fā)出的紅、綠、藍三色光的亮度。于是我們可以根據彩色中所含紅、綠、藍三色的數量，以不同的強度激勵三個熒光點，從而可以產生范圍很廣的彩色。 2022/9/10531.4.1 顯示設備 屏幕上的熒光點、蔭罩板上的小1.4.1 顯示設備 假如每個電子槍發(fā)出電子束的強度有256個等級，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產生彩色的工作原理 2022/9/10541.4.1 顯示設備 假如每個電子槍發(fā)出電

31、子束1.4.1 顯示設備 三、隨機掃描顯示器 隨機掃描顯示器中，電子束可以在任意方向上自由移動，按照顯示命令用畫線的方式繪出圖形，因此也稱矢量顯示器。在隨機掃描顯示系統(tǒng)中，圖形的定義以矢量畫線命令的形式存放在顯示文件中，所以依靠顯示文件對屏幕圖形進行刷新。應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，修改的結果在下一次刷新時得到體現(xiàn)。2022/9/10551.4.1 顯示設備 三、隨機掃描顯示器 2022/9/1.4.1 顯示設備 隨機掃描方式顯示圖形 2022/9/10561.4.1 顯示設備 2022/9/3581.4.1 顯示設備 圖中的顯示處理器DPU可以看作是一個專

32、用的CPU，具有自己的一套指令系統(tǒng)、數據格式和指令計數器，同時還有一些功能部件，如矢量產生器、字符產生器等。在工作過程中，它依次讀取顯示文件中的指令系列，進行譯碼、解釋、并啟動功能部件在CRT上畫出點、線、字符串等。2022/9/10571.4.1 顯示設備 圖中的顯示處理器DPU可1.4.1 顯示設備隨機掃描顯示器是為畫線應用設計的，由于圖形修改方便，因此交互性能較好，圖形可以作無級放大，而不會出現(xiàn)鋸齒狀。但不能顯示色彩逼真圖形，另外圖形的顯示質量與一幀的畫線數量有關，當一幀線劃太多，無法維持3060幀/秒的刷新頻率時，就會出現(xiàn)滿屏閃爍。2022/9/10581.4.1 顯示設備隨機掃描顯示

33、器是為畫線應用設計的，由1.4.1 顯示設備 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)定的掃描順序進行掃描。電子束先從熒光屏左上角開始，向右掃一條水平線，然后迅速地回掃到左邊偏下一點的位置，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，即完成了整個屏幕的掃描。在掃描時，電子束的強度不斷變化來建立亮點的圖案。2022/9/10591.4.1 顯示設備 四、光柵掃描顯示器 2022/9/31.4.1 顯示設備 圖形定義存放在幀緩沖存儲器中，幀緩存保存了對應屏幕所有點的亮度值。每個屏幕點稱作象素，

34、由于光柵掃描CRT對屏幕上每個象素都有存儲亮度信息的能力，因此它能較好地用于包含細微陰影和彩色場景的逼真顯示。家用電視和打印機是另一類使用光柵掃描方式的例子。 2022/9/10601.4.1 顯示設備 圖形定義存放在幀緩沖存儲器中，1.4.1 顯示設備 幀緩存中的單元與屏幕象素的對應關系 2022/9/10611.4.1 顯示設備 2022/9/3631.4.1 顯示設備 光柵掃描顯示器中，屏幕圖形是依靠幀緩存進行刷新的，而視頻控制器是負責刷新的部件，它建立了幀緩存中的單元與屏幕象素之間一一對應的關系，視頻控制器的邏輯結構如下圖所示：X、Y寄存器用來存放屏幕象素的坐標，存儲在幀緩存中該象素對

35、應位置的值被取出，并用來控制CRT電子束的強度。從左到右，從上到下，對一幀的每一個象素都進行處理后，又重復上述過程進行下一輪的刷新。 2022/9/10621.4.1 顯示設備 光柵掃描顯示器中，屏幕圖1.4.1 顯示設備 視頻控制器的邏輯結構 2022/9/10631.4.1 顯示設備 2022/9/3651.4.1 顯示設備 象素的亮度范圍取決于幀緩存的位數。在簡單的黑白顯示中，每個象素只有兩個亮度值：亮、暗，因此每個象素只需一位來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，在高質量系統(tǒng)中，每個象素可多達24位（紅、綠、藍三基色，每種基色占8位：83=24位），這時每個象

36、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、質量好，但也帶來兩個問題：2022/9/10641.4.1 顯示設備 象素的亮度范圍取決于幀緩1.4.1 顯示設備 其一：是需要大容量的幀緩存，例如當屏幕分辨率為10241024，每個象素24位（以真彩色顯示）時，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：采用彩色表機制和采用隔行掃描方法。2022/9/10651.4.1 顯示設備 其一：是需要大容量的幀緩1.4.1 顯示設備 1、彩色表 彩色表是一維的線性表，

37、它用來定義象素的顏色。我們知道要顯示很多種顏色，幀緩存的容量就要很大。但實際上對一幅具體的畫面而言，其使用的顏色數目并不多（幾百至幾千種）。為了解決幀緩存容量不能過大而又滿足實際需要，產生了彩色表，彩色表又稱為調色板，它的工作原理如下圖所示。2022/9/10661.4.1 顯示設備 1、彩色表 2022/9/3681.4.1 顯示設備 從圖中可以看到，幀緩存各單元保存的不再是相應象素的顏色值，而僅是該象素顏色的一個索引，它是彩色表的某個地址，按照這個索引值在彩色表中取出紅、綠、藍三種顏色的分量，然后送CRT顯示器對該象素進行顏色顯示。2022/9/10671.4.1 顯示設備 從圖中可以看到

38、，幀緩存各1.4.1 顯示設備 采用彩色表的光柵掃描顯示系統(tǒng)的工作原理 2022/9/10681.4.1 顯示設備 2022/9/3701.4.1 顯示設備 2、掃描方法 在光柵CRT中，因為幀緩存里存放了一幀圖像的亮度信息，所以依靠幀緩存對屏幕進行刷新，刷新頻率一般為5060幀/秒。圖像再現(xiàn)時，有兩種掃描方法：逐行掃描（見下圖）從屏幕頂端第0行開始，逐行往下掃。在每一行掃完回到下一行時，回掃線是被消隱的，從屏幕頂部到底部掃描一次稱為一幀，由底部再回到頂部的回掃過程也是消隱的。2022/9/10691.4.1 顯示設備 2、掃描方法 2022/9/3711.4.1 顯示設備 例如刷新頻率為30

39、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，掃描一幀的時間只用了原來一半，也就是說刷新頻率接近60幀/秒，這時圖形顯示質量提高，不再閃爍。2022/9/10701.4.1 顯示設備 例如刷新頻率為30幀/秒1.4.1 顯示設備 隔行掃描（見下圖）將掃描分成兩場，先掃描偶數行0、2、4、6，再掃描奇數行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間就能看見整個屏幕顯示，因此隔行掃描技術用于較慢的刷新頻率。2022/9/10711.4.1 顯示設備 隔行掃描（見下圖）將掃描1.4.1 顯示設備 掃描方法 2022/9/10721.4.1 顯示設備 202

40、2/9/3741.4.1 顯示設備 光柵掃描顯示器最突出的優(yōu)點是：它不僅可以顯示物體的輪廓線，而且由于能對每一象素的灰度或色彩控制，因而可以進行實面積填充，這就使得輸出真實感圖形成為可能。此外，它可以和電視兼容，價格遠低于隨機掃描顯示器。2022/9/10731.4.1 顯示設備 光柵掃描顯示器最突出的優(yōu)1.4.1 顯示設備 自80年代以來，得到迅速發(fā)展，其應用領域也不斷擴大，已成為顯示器市場的主流。 光柵掃描顯示器的缺點是：從應用程序中將圖形的描述轉換成幀緩存中象素信息的過程（掃描轉換）比較費時，相應的軟件比較復雜。另外，在顯示斜線時，還存在線條邊緣的階梯效應。 2022/9/10741.4

41、.1 顯示設備 自80年代以來，得到迅速發(fā)1.4.1 顯示設備 五、直視存儲管顯示器 直視存儲管顯示器DVST（DirectView Storage Tube）是20世紀60年代后期開始出現(xiàn)的圖形顯示器，它的最大特點在于它的熒光粉能夠在足夠長的時間內（以小時計）保持圖形而不需要刷新，因此價格低廉，工作中可以不閃爍地顯示任意多的線條和字符，而且相當清晰。2022/9/10751.4.1 顯示設備 五、直視存儲管顯示器 2022/9/1.4.1 顯示設備 直視存儲管顯示器顯示圖形的方式和隨機掃描顯示器一樣，電子束在屏幕上隨機繪出圖形，同樣它也只能畫線圖，不能進行實面積填充。 直視存儲管顯示器的致命

42、弱點在于圖形的修改和刪除方面，它只能一次擦除整屏的圖形，而且擦除時間長達數秒，若想有選擇地擦除某一部分圖形則是不可能的。這樣，就限制了它在動態(tài)作圖和交互修改作圖方面的應用。2022/9/10761.4.1 顯示設備 直視存儲管顯示器顯示圖形1.4.2 硬拷貝設備 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久地保存下來，在工程界還需要變成圖紙或膠片用于生產，因此在計算機圖形系統(tǒng)中還應該有繪圖機這樣的圖形硬拷貝輸出設備。象顯示器一樣，圖形硬拷貝輸出設備的發(fā)展也非常迅速，且種類繁多，它的發(fā)展動向正朝著高速度、高精度、高性能、大面積、低成本的方向發(fā)展。 2022/9/10771.4.2 硬

43、拷貝設備 圖形顯示器用于觀察、修1.4.2 硬拷貝設備 一、打印機打印機以兩種方式：擊打式或非擊打式產生輸出。擊打式打印機隔著色帶將某種格式的字符打在紙上。行式打印機是擊打設備的例子，其字體裝在帶上、鏈上、鼓上或輪上。非擊打式打印機和繪圖儀用激光技術、噴墨技術、復印技術（照相拷貝）、靜電方式和電熱方式，把圖像印在紙上。2022/9/10781.4.2 硬拷貝設備 一、打印機2022/9/3801.4.2 硬拷貝設備 字符擊打式打印機常常有一個點陣打印頭，其中包含有一組矩形陣列結構金屬針，針的總數決定著打印機的質量，單個字符或圖案可用縮回某些針而讓余下的針來打印。2022/9/10791.4.2

44、 硬拷貝設備 字符擊打式打印機常常1.4.2 硬拷貝設備 打印機實物圖2022/9/10801.4.2 硬拷貝設備 2022/9/3821.4.2 硬拷貝設備 二、激光設備在激光設備里，激光束把要打印的圖形寫在感光鼓上，鼓再把這一圖形轉移到紙上。激光打印機的主要構成部分有感光鼓、碳粉、打底電暈絲和轉移電暈絲。 激光打印機結構圖 2022/9/10811.4.2 硬拷貝設備 二、激光設備2022/9/3831.4.2 硬拷貝設備 三、噴墨設備噴墨法產生的輸出，是沿包裹在鼓上的紙卷逐行噴墨水來實現(xiàn)的。在高壓下墨水形成墨霧，充電荷的墨霧在電場控制下發(fā)生偏轉，將墨霧噴印到紙上。 噴繪儀實物圖2022/

45、9/10821.4.2 硬拷貝設備 三、噴墨設備2022/9/3841.4.2 硬拷貝設備 四、靜電設備靜電設備沿紙的寬度方向一次一整行地置負電荷于紙上，爾后，面對調色劑曝光。調色劑充以正電，被吸引到充以負電的區(qū)域，從而產生指定的輸出。靜電繪圖儀分辨率可達200dpi，其速度比筆繪儀高，運行可靠，噪聲小，但用紙?zhí)厥舛鴥r格昂貴。2022/9/10831.4.2 硬拷貝設備 四、靜電設備2022/9/3851.4.2 硬拷貝設備 靜電繪圖儀結構圖2022/9/10841.4.2 硬拷貝設備 2022/9/3861.4.2 硬拷貝設備 五、電熱式設備電熱式利用點陣打印頭的熱度，在熱感應紙上輸出圖案。 熱升華打印機2022/9/10851.4.2 硬拷貝設備 五、電