第二章計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)及圖形硬件計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)圖形輸入設(shè)備圖形顯示設(shè)備顯示子系統(tǒng)圖形硬拷貝設(shè)備OpenGL圖形軟件包12.1計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的功能計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)232.1.1計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的功能圖2.1計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的功能2.2圖形輸入設(shè)備鍵盤（keyboard）鍵盤能用來進(jìn)行屏幕坐標(biāo)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(biāo)記等非圖形數(shù)據(jù)。5圖形輸入設(shè)備鼠標(biāo)器（mouse）當(dāng)推動(dòng)鼠標(biāo)器在平面上移動(dòng)時(shí)，鼠標(biāo)將記錄移動(dòng)的方向和距離，這個(gè)方向和距離被傳送給計(jì)算機(jī)，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的光標(biāo)的位移。6圖形輸入設(shè)備光筆(lightpen)7圖2.3光筆的結(jié)構(gòu)圖形輸入設(shè)備操縱桿(joystick)操縱桿是由一根小的垂直杠桿組成的可搖動(dòng)裝置，該杠桿裝配在一個(gè)其四周可移動(dòng)的底座上用來控制屏幕光標(biāo)。9圖形輸入設(shè)備跟蹤球（Trackball）和空間球（Spaceball）10圖2.4跟蹤球圖2.5空間球圖形輸入設(shè)備數(shù)據(jù)手套(DataGlove)是一種戴在手上的傳感器，可以用來抓住“虛擬對(duì)象”，它由一系列檢測(cè)手和手指運(yùn)動(dòng)的傳感器構(gòu)成，用來提供關(guān)于手的位置和方向的信息。11圖形輸入設(shè)備圖像掃描儀(Scaner)圖像掃描儀可直接把圖紙、圖表、照片、廣告畫等輸入到計(jì)算機(jī)中，在將它們傳過一個(gè)光學(xué)掃描機(jī)構(gòu)時(shí)，灰度或彩色等級(jí)被記錄下來，并按圖像方式進(jìn)行存儲(chǔ)。13圖形輸入設(shè)備聲頻輸入系統(tǒng)視頻輸入系統(tǒng)142.3圖形顯示設(shè)備陰極射線管彩色陰極射線管CRT圖形顯示器平板顯示器三維觀察設(shè)備15陰極射線管（CRT）17電子槍偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)熒光屏圖2.6CRT的結(jié)構(gòu)陰極射線管（CRT）電子槍：產(chǎn)生一個(gè)沿管軸（Z軸）方向前進(jìn)的高速的細(xì)電子束轟擊熒光屏。具有足夠的電流強(qiáng)度。電流的大小和有無必須是可控的。具有很高的速度。在熒光屏上應(yīng)能聚焦很小的光亮，以保證顯示器有足夠的分辨率。18陰極射線管（CRT）19圖2.7CRT電子槍的結(jié)構(gòu)陰極射線管（CRT）枕形失真當(dāng)偏轉(zhuǎn)線圈的匝數(shù)一定時(shí)，偏轉(zhuǎn)電流I與偏轉(zhuǎn)角的正弦成正比。只有在偏轉(zhuǎn)角很小時(shí)，偏轉(zhuǎn)角與偏轉(zhuǎn)電流之間才成直線性關(guān)系。由于熒光屏四角距中心最遠(yuǎn)，偏轉(zhuǎn)角較大，同樣的偏轉(zhuǎn)電流增量所造成的偏轉(zhuǎn)距離增量最大。21陰極射線管（CRT）22圖2.9枕形失真與桶形失真枕形失真的校正將產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的鋸齒形電流預(yù)先產(chǎn)生一些失真；將偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)做成略有不均勻性，接近管軸中央處略強(qiáng)，周圍略弱。陰極射線管（CRT）23圖2.10電偏轉(zhuǎn)25三基色原則主要結(jié)構(gòu)：三色熒光屏、三支電子槍、蔭罩板彩色陰極射線管——蔭罩式圖2.11三色熒光屏26彩色陰極射線管——蔭罩式圖2.12三支電子槍29彩色陰極射線管——蔭罩式圖2.15黑底蔭罩管302.3.2CRT圖形顯示器隨機(jī)掃描的圖形顯示器直視存儲(chǔ)管圖形顯示器光柵掃描的圖形顯示器31向量（vector）顯示器、筆劃（Strokewriting）顯示器。隨機(jī)掃描（random-scan）的圖形顯示器中電子束的定位和偏轉(zhuǎn)具有隨機(jī)性，即電子束的掃描軌跡隨顯示內(nèi)容而變化，只在需要的地方掃描，而不必全屏掃描。隨機(jī)掃描的圖形顯示器32隨機(jī)掃描的圖形顯示器圖2.16隨機(jī)掃描圖形顯示器的工作原理33無冗余掃描、速度快、圖像清晰、比光柵系統(tǒng)更高的分辨率、生成光滑線條；不能顯示逼真場(chǎng)景、和電視標(biāo)準(zhǔn)不一致、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也較復(fù)雜。隨機(jī)掃描的圖形顯示器34直視存儲(chǔ)管DVST（direct-viewstoragetube）從表面上看直視存儲(chǔ)管的特性極象一個(gè)有長(zhǎng)余輝的熒光屏，一條線一旦畫在屏幕上，在一小時(shí)之內(nèi)都將是可見的。直視存儲(chǔ)管圖形顯示器35直視存儲(chǔ)管圖形顯示器圖2.17直視存儲(chǔ)管圖形顯示器的工作原理工作原理36無需刷新；很復(fù)雜的圖形都可以在極高的分辨率下無閃爍地顯示；成本較低；不能顯示彩色；不能局部修改；擦除和重畫過程可能持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。直視存儲(chǔ)管圖形顯示器37光柵掃描圖形顯示器圖2.18光柵掃描原理水平掃描（顯示）水平回掃（消隱）垂直回掃（消隱）

工作原理：光柵掃描是控制電子束按某種光柵形狀進(jìn)行的順序掃描，而字符、圖像是靠Z軸信號(hào)控制輝亮來形成的。圖2.19光柵掃描圖形顯示器的工作原理39刷新緩沖存儲(chǔ)器（refreshbuffer）或稱幀緩沖存儲(chǔ)器（framebuffer）。像素（pixel或pel，是pictureelement的簡(jiǎn)寫）。像素信息從應(yīng)用程序轉(zhuǎn)換并放入幀緩沖區(qū)的過程稱之為掃描轉(zhuǎn)換過程。光柵掃描圖形顯示器40低電壓、輕小型、數(shù)字化顯示器件。平板顯示器（flat-paneldisplay）的分類：非發(fā)射顯示器（none-emissivedisplay）發(fā)射顯示器（emissivedisplay）2.3.3平板顯示器（flat-paneldisplay）41液晶顯示器等離子體顯示板（PlasmaPanel）薄片光電顯示器（Thin-FilmElectroluminescentDisplay）發(fā)光二極管（Liquid-EmittingDiode,LED）平板顯示器（flat-paneldisplay）42液晶分子的排列在微弱的外部電場(chǎng)、磁場(chǎng)或者應(yīng)力、溫度變化等作用下非常容易改變。當(dāng)液晶分子的某種排列狀態(tài)在電場(chǎng)作用下變?yōu)榱硪环N狀態(tài)時(shí)，液晶的光學(xué)性質(zhì)隨之改變，這種產(chǎn)生光被電場(chǎng)調(diào)制的現(xiàn)象稱為液晶的電光效應(yīng)。液晶顯示器——原理43圖2.20液晶顯示原理液晶顯示器——原理液晶顯示的機(jī)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(nèi)部光源的偏振光。44NW（NormalWhite）型的LCD：在液晶面板不施加電壓時(shí)，我們所看到的面板是透光的畫面，也就是亮的畫面。NB（NormalBlack）型的LCD：當(dāng)對(duì)液晶面板不施加電壓時(shí)，面板無法透光。液晶顯示器——類型45液晶顯示器——彩色液晶顯示器利用在一側(cè)的玻璃基板上加上一個(gè)彩色濾光片（CF，ColorFilter）實(shí)現(xiàn)彩色。彩色濾光片上均勻分布著紅、綠、藍(lán)色小點(diǎn)，每個(gè)小點(diǎn)有各自不同的灰度，相鄰的一組RGB小點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)基本的彩色顯示單元，即一個(gè)像素。46液晶顯示器——彩色圖2.21彩色濾光片排列方式47液晶顯示器——分類扭曲向列型（TN，TwistedNematic）超扭曲向列型（STN，SuperTN）雙層超扭曲向列型（DSTN，DualScanTN）薄膜晶體管型（TFT，ThinFilmTransistor）48等離子體顯示板圖2.22等離子體顯示板的基本結(jié)構(gòu)49薄片光電顯示器圖2.23薄片光電顯示器的基本結(jié)構(gòu)50發(fā)光二極管（LED）發(fā)光二極管采用二極管激發(fā)發(fā)光來顯示圖像。二極管以矩陣排列形成顯示器的像素位置。圖形的定義存儲(chǔ)在刷新緩沖器中。信息從刷新緩沖器讀出，并轉(zhuǎn)換為電壓施于二極管，在顯示器上產(chǎn)生發(fā)光圖案。51從變焦距的柔性震動(dòng)鏡面反射CRT圖像2.3.4三維觀察設(shè)備圖2.24采用震動(dòng)鏡面的三維顯示系統(tǒng)52顯示具立體感的視圖利用不同的刷新周期交替地顯示兩視圖；將屏幕分半；使用頭盔式結(jié)構(gòu)。三維觀察設(shè)備2.4顯示子系統(tǒng)光柵掃描圖形顯示子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)繪制流水線相關(guān)概念532.4.1光柵掃描圖形顯示子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)54圖2.25簡(jiǎn)單的光柵圖形顯示子系統(tǒng)55圖2.26常用的光柵圖形顯示子系統(tǒng)光柵掃描圖形顯示子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)56圖2.27高級(jí)光柵圖形顯示子系統(tǒng)光柵掃描圖形顯示子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)幀緩沖存儲(chǔ)器：用來存儲(chǔ)像素顏色（灰度）值的存儲(chǔ)器。雙緩存：一個(gè)緩存用來刷新的同時(shí)，另一個(gè)寫入數(shù)據(jù)信息，爾后這兩個(gè)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(dòng)畫流暢而沒有滑動(dòng)感。57光柵掃描圖形顯示子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)顯示控制器（DisplayController），又稱視頻控制器（VideoController），主要功能是依據(jù)設(shè)定的顯示工作方式，自主地、反復(fù)不斷地讀取幀緩存中的圖像點(diǎn)陣（包括圖形、字符文本）數(shù)據(jù)，將它們轉(zhuǎn)換成R、G、B三色信號(hào)并配以同步信號(hào)送至顯示器，即可刷新屏幕。58光柵掃描圖形顯示子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)顯示處理器（DisplayProcessor），又稱圖形控制器（GraphicsController）或顯示協(xié)處理器（DisplayCoprocessor），它把CPU從圖形顯示處理的事務(wù)中解脫出來，其主要任務(wù)是掃描轉(zhuǎn)換待顯示的圖形以及某些附加的操作等。59光柵掃描圖形顯示子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)60圖形子系統(tǒng)的圖形繪制功能常常采用流水線（Pipeline）結(jié)構(gòu)繪制，或者稱為管線繪制。繪制流水線的基本結(jié)構(gòu)從概念上包括三個(gè)階段應(yīng)用程序階段幾何階段光柵階段2.4.2繪制流水線61繪制流水線圖2.28繪制流水線的結(jié)構(gòu)第4,8章第6,7章第10章第7,9章第6,7章第7章第5,9章62分辨率像素與幀緩存顏色查找表顯示長(zhǎng)寬比屏幕坐標(biāo)系2.4.3相關(guān)概念63光點(diǎn)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(fā)光點(diǎn)。像素點(diǎn)是指圖形顯示在屏幕上時(shí)候，按當(dāng)前的圖形顯示分辨率所能提供的最小元素點(diǎn)。相關(guān)概念——分辨率64屏幕分辨率，也稱為光柵分辨率，它決定了顯示系統(tǒng)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(gè)物理分辨率。通常用水平方向上的光點(diǎn)數(shù)與垂直方向上的光點(diǎn)數(shù)的乘積來表示。相關(guān)概念——分辨率65顯示分辨率是計(jì)算機(jī)顯示控制器所能夠提供的顯示模式分辨率，實(shí)際應(yīng)用中簡(jiǎn)稱為顯示模式。對(duì)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(shù)的乘積表示。對(duì)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(diǎn)總數(shù)的乘積表示。顯示分辨率不同，它所對(duì)應(yīng)的象素點(diǎn)大小也不同。相關(guān)概念——分辨率66圖形的存儲(chǔ)分辨率是指幀緩沖區(qū)的大小，一般用緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù)表示。存儲(chǔ)分辨率不僅與顯示分辨率有關(guān)，還與像素點(diǎn)的色彩有關(guān)。幀緩存大小的計(jì)算：x方向的像素點(diǎn)數(shù)×y方向的像素點(diǎn)數(shù)×log2n/8（BYTE）

其中：n為顏色數(shù)或灰度等級(jí)數(shù)相關(guān)概念——分辨率67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(chǔ)分辨率對(duì)所能顯示的圖形分辨率有控制作用。顯示器中的分辨率

帶寬=A*水平像素點(diǎn)數(shù)*垂直像素點(diǎn)數(shù)*刷新頻率

A常取1.344相關(guān)概念——分辨率68屏幕上一個(gè)象素點(diǎn)就對(duì)應(yīng)幀緩存中的一組信息。組合像素法（PackedPixelMethod）顏色位面法（ColorPlaneMethod）相關(guān)概念——像素與幀緩存69在組合像素法中，一個(gè)圖形象素點(diǎn)的全部信息被編碼成一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，按照一定方式存儲(chǔ)到幀緩存中，編碼字節(jié)的長(zhǎng)度與點(diǎn)的屬性（如顏色、灰度等）有關(guān)。相關(guān)概念——像素與幀緩存圖2.29組合象素法70在顏色位面法中，幀緩存被分成若干獨(dú)立的存儲(chǔ)區(qū)域，每一個(gè)區(qū)域稱為一個(gè)位面（BitPlane），每個(gè)位面控制一種顏色或者灰度，每一個(gè)圖形象素點(diǎn)在每個(gè)位面中占一位，通過幾個(gè)位面中的同一位組合成一個(gè)象素。相關(guān)概念——像素與幀緩存圖2.30顏色位面法圖2.31具有24位面彩色幀緩存的顯示器72顏色查找表也稱調(diào)色板，是由高速的隨機(jī)存儲(chǔ)器組成，用來儲(chǔ)存表達(dá)象素色彩的代碼。此時(shí)幀緩沖存儲(chǔ)器中每一象素對(duì)應(yīng)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(guān)概念——顏色查找表圖2.32具有24位面彩色幀緩存和W=10位顏色查找表的顯示器74顯示長(zhǎng)寬比，即水平點(diǎn)數(shù)與垂直點(diǎn)數(shù)之比。要求在屏幕兩個(gè)方向上相同像素點(diǎn)數(shù)產(chǎn)生同樣長(zhǎng)度的線段，以使圖形不至發(fā)生畸變。相關(guān)概念——顯示長(zhǎng)寬比75相關(guān)概念——屏幕坐標(biāo)系圖2.33不同顯示器的坐標(biāo)2.5圖形硬拷貝設(shè)備打印機(jī)繪圖儀76打印機(jī)打印機(jī)是畫點(diǎn)設(shè)備。擊式打印機(jī)主要指針式打印機(jī)，它隔著色帶將某種點(diǎn)陣圖案壓在紙上。非撞擊式打印機(jī)包括激光打印機(jī)、噴墨打印機(jī)、熱轉(zhuǎn)印打印機(jī)、染料熱升華打印機(jī)和靜電打印機(jī)等。77繪圖儀筆式繪圖儀（PenPlotter）是畫線設(shè)備。筆式繪圖儀可分為平板式繪圖儀（FlatbedPlotter）和滾筒式繪圖儀（DrumPlotter）782.6OpenGL圖形軟件包OpenGL的主要功能OpenGL的繪制流程OpenGL的基本語(yǔ)法OpenGL的程序?qū)嵗?9OpenGL圖形軟件包OpenGL是SGI（SiliconGraphicsInc.）公司對(duì)IRISGL進(jìn)行改進(jìn)，擴(kuò)展可移植性，形成的一個(gè)跨平臺(tái)開放式圖形編程接口。目前，OpenGL標(biāo)準(zhǔn)由1992年成立的獨(dú)立財(cái)團(tuán)OpenGLArchitectureReviewBoard（ARB）以投票方式產(chǎn)生，并制成規(guī)范文檔公布。80OpenGL的主要功能模型繪制模型觀察顏色模式光照應(yīng)用圖像效果增強(qiáng)位圖和圖像處理81OpenGL的主要功能紋理映射實(shí)時(shí)動(dòng)畫交互技術(shù)82OpenGL的繪制流程——工作方式83圖2.34OpenGL圖形處理系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的層次結(jié)構(gòu)一個(gè)完整的窗口系統(tǒng)的OpenGL圖形處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為：最底層為圖形硬件，第二層為操作系統(tǒng)，第三層為窗口系統(tǒng)，第四層為OpenGL，最上面的層為應(yīng)用軟件。OpenGL的繪制流程——流水線84圖2.35一條簡(jiǎn)化的OpenGL繪制流水線OpenGL命令將被放在一個(gè)命令緩沖區(qū)中，這樣命令緩沖區(qū)中包含了大量的命令、頂點(diǎn)數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)。當(dāng)緩沖區(qū)被清空時(shí)，緩沖區(qū)中的命令和數(shù)據(jù)都將傳遞給流水線的下一個(gè)階段。OpenGL的基本語(yǔ)法——相關(guān)庫(kù)85OpenGL核心庫(kù)：glOpenGL實(shí)用程序庫(kù)：gluOpenGL編程輔助庫(kù)：auxOpenGL實(shí)用程序工具包（OpenGLutilitytoolkit，GLUT）：glutWindows專用庫(kù)：wglOpenGL的基本語(yǔ)法——命名規(guī)則86OpenGL函數(shù)都遵循一個(gè)命名約定，即采用以下格式：<庫(kù)前綴><根命令><可選的參數(shù)個(gè)數(shù)><可選的參數(shù)類型>

例如函數(shù)glColor3f(…)，gl表示這個(gè)函數(shù)來自庫(kù)gl.h，color表示該函數(shù)用于顏色設(shè)定，3f表示這個(gè)函數(shù)采用了三個(gè)浮點(diǎn)數(shù)參數(shù)。OpenGL的基本語(yǔ)法——數(shù)據(jù)類型87OpenGL數(shù)據(jù)類型內(nèi)部表示法定義為C類型C字面值后綴GLbyte8位整數(shù)signedcharBGLshort16位整數(shù)shortSGLint，GLsizei32位整數(shù)longLGLfloat，GLclampf32位浮點(diǎn)數(shù)floatFGLdouble，GLclampd64位浮點(diǎn)數(shù)doubleDGLubyte，GLboolean8位無符號(hào)整數(shù)unsignedcharUbGLshort16位無符號(hào)整數(shù)unsignedshortUsGLuint，GLenum，GLbitfield32位無符號(hào)整數(shù)unsignedlongUi表2.1OpenGL的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)OpenGL程序?qū)嵗^文件包含88利用OpenGL實(shí)現(xiàn)圖形繪制，首先要引入OpenGL核心庫(kù)以及其他需要使用的庫(kù)的頭文件。GLUT保證了gl.h和glu.h被正確包含。#include<gl/glut.h>#include<windows.h>OpenGL程序?qū)嵗翱诠芾?9初始化（

glutIn