第二章計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)2.1計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成2.1.1圖形系統(tǒng)組成2.1.2圖形系統(tǒng)的功能2.1.3圖形系統(tǒng)的分類1/13/20231計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿紀(jì)玉波制作(C)2.2計(jì)算機(jī)圖形顯示器計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)一般使用視頻顯示器作為基本的輸出設(shè)備。大部分視頻監(jiān)視器的操作是基于標(biāo)準(zhǔn)的陰極射線管（Cathode-RayTube，CRT）設(shè)計(jì)的。2.2.1CRT顯示器工作原理

CRT主要由3部分組成：電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏，其構(gòu)造見下圖。1/13/20232計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿紀(jì)玉波制作(C)一個(gè)CRT可以在水平和垂直方向上無(wú)重疊顯示的最多點(diǎn)數(shù)稱為分辨率（Resolution），通常簡(jiǎn)述為每個(gè)方向的總點(diǎn)數(shù)。這是衡量CRT的重要指標(biāo)，它取決于所用熒光物質(zhì)的類型以及聚焦和偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。顯然，點(diǎn)數(shù)愈多，分辨率愈高，顯示的圖形也就愈精確。分辨率與光點(diǎn)直徑大小有關(guān)，但是不可能大于可尋址能力。典型的CRT分辨率如640×480、1024×1024、1280×l024、2048×2048等。

CRT顯示器的另一性能指標(biāo)是縱橫比（AspectRatio）。它給出在屏幕兩個(gè)方向生成同等長(zhǎng)度的線段所需垂直點(diǎn)數(shù)對(duì)水平點(diǎn)數(shù)的比值?？v橫比為3/4意味著垂直線畫三點(diǎn)的長(zhǎng)度與水平線畫四點(diǎn)的長(zhǎng)度相同。1/13/20233計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿紀(jì)玉波制作(C)2.2.2顯示器的類型1．隨機(jī)掃描顯示器2．存貯管顯示器3．光柵掃描顯示器光柵掃描顯示器的CRT屏面可分為橫向和縱向雙向掃描線，每一行又可分為N個(gè)小點(diǎn)。這樣,整個(gè)屏面就被分成M×N個(gè)小點(diǎn),稱為象素(Pixel,PictureElement的簡(jiǎn)寫)。圖形定義存于稱為刷新緩沖器(RefreshBuffer)或幀緩沖器(FrameBuffer)的存儲(chǔ)器中。顯示屏上的每個(gè)象素都對(duì)應(yīng)幀緩沖存儲(chǔ)器中的若干位，最簡(jiǎn)單的黑白圖象每個(gè)象素只需要一位。若該位為0，表示該象素為暗，若該位為1，表示該象素為亮。這樣的圖象稱為二值圖象。如果每個(gè)象素用i位表示它的灰度，那么就能產(chǎn)生2i級(jí)灰度等級(jí)或顏色種類。1/13/20234計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿紀(jì)玉波制作(C)計(jì)算機(jī)將要顯示的圖形、圖象轉(zhuǎn)化為位圖，經(jīng)過(guò)接口電路送人幀緩存，而圖形控制器控制電子束橫向掃描屏幕，一次一行，從頂?shù)降醉槾芜M(jìn)行。與此同時(shí)，把一幀畫面中每個(gè)象素的值從幀緩存中讀出。讀出時(shí)，幀緩存的地址碼的生成要與光柵掃描同步，每讀出一個(gè)單元，電子束恰好掃過(guò)一個(gè)象素。讀出的值可控制電子束的能量大小，并決定象素的亮度。象素位置的亮度范圍依賴于光柵系統(tǒng)的能力。在簡(jiǎn)單的黑白系統(tǒng)中，每個(gè)屏幕點(diǎn)或亮或暗，因此每個(gè)象素只需一位來(lái)控制屏幕位置亮度。要能顯示彩色并且強(qiáng)度可變，就需附加位。光珊掃描系統(tǒng)對(duì)屏幕每一象素都有存儲(chǔ)強(qiáng)度信息的能力，使之較好地適用于包含細(xì)微陰影和彩色模式的場(chǎng)景的逼真顯示。1/13/20235計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿紀(jì)玉波制作(C)數(shù)據(jù)位數(shù)同象素顯示強(qiáng)度的關(guān)系是，對(duì)于黑白圖形，如果用n位存儲(chǔ)一個(gè)象素的數(shù)據(jù)，則能顯示2n個(gè)灰度級(jí)。比如要能顯示256個(gè)灰度級(jí)，則需要8位數(shù)據(jù)，也即一個(gè)字節(jié)。為了得到穩(wěn)定的畫面，光柵掃描顯示器要不斷地刷新屏幕，也即要定時(shí)地把一幀畫面的每個(gè)象素的值從幀緩存中取出，不管多簡(jiǎn)單的圖形，每次都要掃遍全幀。目前，光柵掃描顯示器的刷新是按每秒60到80幀的速率進(jìn)行的。在每條掃描線末端，電子束返回到屏幕的左邊，又開始顯示下一條掃描線。每條掃描線掃過(guò)后，返回到屏幕左端，稱電子束的水平回掃（HorizontalRetrace）。而在每幀的終了，電子束返回到屏幕的左上角,即垂直回掃（VerticalRetrace），開始下一幀。1/13/20236計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿紀(jì)玉波制作(C)計(jì)算機(jī)用光柵掃描顯示器同電視機(jī)顯示器的工作原理是相同的，電視機(jī)的掃描頻率是50次/秒。由于計(jì)算機(jī)光柵掃描顯示器是從左上角開始，依次從左到右，從上到下刷新屏幕，所以左上角的坐標(biāo)是缺省的坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0），向左是x增加的方向，向下是y增加的方向，當(dāng)要改變坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)，需要通過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)。4.彩色光柵掃描顯示器

彩色光柵掃描顯示器之所以能顯示不同顏色的圖形是由于使用了能發(fā)出不同顏色的熒光粉的結(jié)果。產(chǎn)生彩色顯示的基本方法有兩種：一是射線穿透法，二是蔭罩板法1/13/20237計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿紀(jì)玉波制作(C)射線穿透法顯示彩色圖形已經(jīng)用于隨機(jī)掃描顯示器中，它是在屏幕上涂有兩層熒光粉,一般是紅色和綠色，所顯示的顏色取決于射線穿透熒光層的深淺。速度低的電子只能激勵(lì)外層的紅色熒光粉，高速電子可以穿透紅色層而激勵(lì)內(nèi)層的綠色熒光粉，中速電子則可以使所激發(fā)出的紅光和綠光組合而產(chǎn)生兩種附加的顏色，即橙色和黃色。因此，電子的速度決定了屏幕上某點(diǎn)的顏色，這可以由射線的加速電壓來(lái)控制。射線穿透法是一種廉價(jià)的產(chǎn)生顏色的方法，但它只能產(chǎn)生四種顏色，而且圖形的質(zhì)量也不及其它方法好。1/13/20238計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿紀(jì)玉波制作(C)蔭罩板法廣泛用于光柵掃描系統(tǒng)中，它能產(chǎn)生比射線穿透法范圍寬得多的色彩。這種CRT屏幕的內(nèi)部涂有很多組呈三角形的熒光粉，每一組有三個(gè)熒光點(diǎn)，當(dāng)某組熒光粉被激勵(lì)時(shí)，分別發(fā)出紅、綠、藍(lán)三個(gè)基色。這種類型的CRT有三個(gè)電子槍，分別與三基色相對(duì)應(yīng)。緊挨屏幕后面放有影孔板柵網(wǎng)，上面有很多小孔，與屏幕上的三元組一一對(duì)應(yīng)。三束電子經(jīng)偏轉(zhuǎn)聚焦成一組射線，穿過(guò)影孔板上的孔，激活屏幕上的一個(gè)三元組，出現(xiàn)一個(gè)彩色亮點(diǎn)。熒光點(diǎn)以三角形排列，并使每支電子束，通過(guò)蔭罩時(shí)，只能激活與之對(duì)應(yīng)的彩色點(diǎn)。其原理如下圖。1/13/20239計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿紀(jì)玉波制作(C)1/13/202310計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿紀(jì)玉波制作(C)這樣，每一電子束的電子數(shù)目就控制著三元組所產(chǎn)生的紅、綠、藍(lán)三種光的亮度。改變?nèi)щ娮邮膹?qiáng)度等級(jí)，可改變蔭罩CRT的顯示彩色。比如關(guān)掉紅槍和綠槍，只能得到來(lái)自藍(lán)熒光點(diǎn)的顏色。在每個(gè)象素位置的電子束強(qiáng)度的組合，產(chǎn)生一個(gè)不同的小亮點(diǎn)，因?yàn)槿藗兊难劬呌谑谷齻€(gè)顏色合并為一個(gè)組合色，所見到的彩色，取決于紅、綠、藍(lán)熒光層激活的總量。白色或灰色區(qū)域是以同等強(qiáng)度激勵(lì)所有三點(diǎn)的結(jié)果，黃色僅僅有綠點(diǎn)和紅點(diǎn)的結(jié)果，品紅色由藍(lán)點(diǎn)和紅點(diǎn)產(chǎn)生，而當(dāng)藍(lán)點(diǎn)和綠點(diǎn)被同等激勵(lì)時(shí)，顯現(xiàn)青色。紅、綠、藍(lán)的簡(jiǎn)單組合能產(chǎn)生8種顏色，其顏色代碼與保存在幀緩存中的顏色值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下圖所示。這里，每個(gè)象素點(diǎn)用3個(gè)二進(jìn)制位表示其顏色，每一位分別控制紅、綠、藍(lán)電子槍。1/13/202311計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿紀(jì)玉波制作(C)1/13/202312計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿紀(jì)玉波制作(C)1/13/202313計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿紀(jì)玉波制作(C)目前，高質(zhì)量CRT的每個(gè)象素點(diǎn)對(duì)應(yīng)24位，每支電子槍允許256級(jí)電壓設(shè)置。每個(gè)象素具有24個(gè)存儲(chǔ)位的RGB彩色系統(tǒng)通常稱為全彩色系統(tǒng)或真彩色系統(tǒng)。當(dāng)每個(gè)象素點(diǎn)對(duì)應(yīng)24位，每個(gè)象素有224=16777216種彩色選擇，近1千7百萬(wàn)種彩色選擇。顯示卡中VRAM同顯示系統(tǒng)的關(guān)系：用于顯示器屏幕刷新的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在顯示卡的VRAM中，因此相應(yīng)于顯示器屏幕的分辨率必須有足夠的VRAM存儲(chǔ)顯示數(shù)據(jù)。1/13/202314計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿紀(jì)玉波制作(C)例如：如果屏幕的分辨率是640×480，則如果是一個(gè)只能顯示黑白圖形的顯示器，則需要VRAM的大小為：（640×480）/8=38400bytes≈3.8Kb

如果是一個(gè)每個(gè)象素顯示256個(gè)灰度級(jí)的圖形顯示器，則每個(gè)象素需要8位存儲(chǔ)單元，需要VRAM的大小為：640×480=307200bytes≈307Kb

如果是一個(gè)彩色顯示器，且每種基色均咳顯示256個(gè)亮度級(jí)，則每個(gè)象素需要24位存儲(chǔ)單元，需要VRAM的大小為：640×480×3=921600bytes≈921Kb

如果屏幕的分辨率是1024×1024的彩色顯示器，且每種基色均咳顯示256個(gè)亮度級(jí)，需要VRAM的大小為：1024×1024×3=3145728bytes≈3Mb1/13/202315計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿紀(jì)玉波制作(C)2.2.3平板顯示器目前，已經(jīng)有不少其它類型的視頻顯示設(shè)備被使用。平板顯示器（Flat－PanelDisplay）代表一類能比CRT減小體積、減輕重量并節(jié)省功耗的視頻設(shè)備。1.液晶顯示器液晶顯示器（Liquid－CrystalDisplay，LCD）生成圖形的機(jī)理是通過(guò)能阻塞或傳遞光的液晶材料，傳遞來(lái)自周圍的或內(nèi)部光源的偏振光。液晶顯示器由六層組成，如下圖所示。1/13/202316計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿紀(jì)玉波制作(C)1/13/202317計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿紀(jì)玉波制作(C)彩色液晶顯示可用不同材料或染料，并在每個(gè)像素上放置三個(gè)薄膜晶體管。晶體管用來(lái)控制象素位置的電壓，并阻止液晶單元慢性漏電。這些設(shè)備稱為有源矩陣（Active－Matrix）顯示器。液晶顯示器外觀如右圖1/13/202318計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿紀(jì)玉波制作(C)2.等離子顯示器等離子體顯示（PlasmaPanel），其結(jié)構(gòu)為用通常包括氖氣的混合氣體充入兩塊玻璃板之間的區(qū)域。一塊玻璃板上放置一系列垂直導(dǎo)電帶，而另一玻璃板上構(gòu)造一組水平帶,如下圖所示。1/13/202319計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿紀(jì)玉波制作(C)在成對(duì)的水平和垂直導(dǎo)電帶上施以點(diǎn)火電壓，導(dǎo)致兩導(dǎo)電帶交叉點(diǎn)處的氣體進(jìn)入輝光放電的等離子區(qū)。圖形的定義被存儲(chǔ)在刷新緩沖器，點(diǎn)火電壓以每秒60次的速率，用于刷新象素位置（導(dǎo)電帶的交叉處），使用交變電流方法快速提供點(diǎn)火電壓，可得到較亮的顯示。等離子體顯示技術(shù)適合于制造較大屏幕的顯示器。1/13/202320計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿紀(jì)玉波制作(C)等離子體顯示器圖例1/13/202321計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿紀(jì)玉波制作(C)2.3計(jì)算機(jī)圖形輸入設(shè)備圖形輸入設(shè)備從邏輯上分為六類，即定位（Locator）、描繪（Stroke）、數(shù)值輸入（Valuator）、選擇（Choice)、拾?。≒ick)及字符輸入（String），也可稱為六種邏輯設(shè)備。所謂邏輯設(shè)備，是指按邏輯功能定義的設(shè)備，并非具體的物理設(shè)備。一種邏輯設(shè)備對(duì)應(yīng)于一種或一類特定的物理設(shè)備，而實(shí)際的物理設(shè)備可以完成一種或一種以上的邏輯設(shè)備功能。常用的輸入設(shè)備鍵盤和鼠標(biāo)器也是圖形輸入設(shè)備。光筆是一種可以直接在屏幕上繪圖的設(shè)備，但目前已使用不、多了。1/13/202322計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿紀(jì)玉波制作(C)數(shù)字化儀和圖形輸入板是常見的定位設(shè)備，其中全電子式坐標(biāo)數(shù)字化儀由于精度高，使用方便，得到普遍應(yīng)用。這種設(shè)備利用電磁感應(yīng)原理：在臺(tái)板的X方向上有許多水平方向的平行印刷線，Y方向上是垂直方向的平行印刷線。游標(biāo)中裝有一個(gè)線圈，當(dāng)線圈中通有交流信號(hào)時(shí)，十字交叉絲的中心便產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)，當(dāng)游標(biāo)在臺(tái)板上運(yùn)動(dòng)時(shí)，臺(tái)板下的印刷線上就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。印刷板周圍的多路開關(guān)等線路可以檢測(cè)出最大信號(hào)的位置，即十字叉線中心所在的位置，從而得到該點(diǎn)的坐標(biāo)值。圖形輸入板（Tablet）工作原理相同于數(shù)字化儀，只是面積較小而已。數(shù)字化儀時(shí)常用來(lái)拾取放在它上面的工程圖上的大量點(diǎn)，經(jīng)數(shù)字化后存儲(chǔ)起來(lái)，以此作為圖形輸入一種手段。1/13/202323計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿紀(jì)玉波制作(C)操縱桿，跟蹤球是將位移量轉(zhuǎn)變成屏幕光標(biāo)移動(dòng)的輸入設(shè)備。觸摸屏容許用手指觸摸顯示的物體或屏幕位置來(lái)實(shí)現(xiàn)選擇，典型應(yīng)用是對(duì)用圖符或菜單表示的處理選項(xiàng)進(jìn)行選擇。目前廣泛應(yīng)用于公告查詢系統(tǒng)。觸摸屏的工作原理分電容、電阻和聲波等。圖象掃描儀:（ImageScanner）是直接把視圖、圖表、彩色和黑白照片掃描輸入到計(jì)算機(jī)中，以像素信息進(jìn)行存儲(chǔ)表示的設(shè)備。掃描儀的幅面有A0,A1,A4等。掃描儀的分辨率是指在原稿的單位長(zhǎng)度（英寸）上取樣的點(diǎn)數(shù)，單位是dpi（dotperinch)，常用分辨率為300dpi～1000dpi之間。掃描圖形分辨率越高，所需的存儲(chǔ)空間就越大。1/13/202324計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿紀(jì)玉波制作(C)清華紫光掃描儀1/13/202325計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿紀(jì)玉波制作(C)數(shù)據(jù)手套:（DataGlove）通常用于虛擬環(huán)境中，可用來(lái)抓住“虛擬”對(duì)象。手套由一系列檢測(cè)手和手指運(yùn)動(dòng)的傳感器構(gòu)成。發(fā)送天線和接收天線之間的電磁耦合，用來(lái)提供關(guān)于手的位置和方向的信息。發(fā)送和接收天線各自由一組三個(gè)相互垂直的線圈構(gòu)成，形成三維笛卡兒坐標(biāo)系統(tǒng)。來(lái)自手套的輸入，可用來(lái)定位或操縱虛擬環(huán)境中的對(duì)象。1/13/202326計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿紀(jì)玉波制作(C)使用數(shù)據(jù)手套同計(jì)算機(jī)交互示圖：1/13/202327計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿紀(jì)玉波制作(C)聲音系統(tǒng)：（Voice－System）使用語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，把人們說(shuō)的話轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能懂的數(shù)字代碼。這樣的代碼能使其可以用于各種各樣的應(yīng)用程序,從口授文本變成字處理的文檔、到說(shuō)話控制計(jì)算機(jī)的功能。在計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)中可被用作接收聲音命令的輸入設(shè)備，可用于圖形操作或輸入數(shù)據(jù)等。1/13/202328計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿紀(jì)玉波制作(C)攝像頭：可以將攝像直接輸入計(jì)算機(jī)1/13/202329計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿紀(jì)玉波制作(C)2.4計(jì)算機(jī)圖形輸出設(shè)備圖形輸出設(shè)備主要包括顯示器、繪圖儀、打印機(jī)等。繪圖儀：主要有筆繪式、噴墨式和靜電式三類。筆繪式繪圖儀可分為平臺(tái)式、滾筒式、平面電機(jī)式以及小型式四種。這是近些年來(lái)應(yīng)用較多的圖形輸出設(shè)備。1/13/202330計(jì)算機(jī)圖形學(xué)演示稿紀(jì)玉波制作(C)打印機(jī)：根據(jù)打印機(jī)制式的不同，打印機(jī)有點(diǎn)陣式打印機(jī)和激光打印機(jī)兩種。點(diǎn)陣式打印