第2章-计算机图形系统及硬件基础

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1、2.1 2.1 概述概述2.1.1 2.1.1 计算机系统中的图形设备计算机系统中的图形设备 计算机图形系统用来生成、处理和显示图形，通计算机图形系统用来生成、处理和显示图形，通常由以下三部分构成：常由以下三部分构成：中央处理器中央处理器图形输出设备图形输出设备图形输入设备图形输入设备图形输入设备图形输入设备 常用的图形输入设备常用的图形输入设备 键盘键盘鼠标鼠标 此外还有此外还有跟踪球、空间球跟踪球、空间球光笔、触摸板、光笔、触摸板、 图形扫描仪图形扫描仪数字化仪、手写输入板数字化仪、手写输入板语音输入语音输入数据手套数据手套中央处理器（中央处理器（CPUCPU） 中央处理器完成对图形的描述

2、、建立、修中央处理器完成对图形的描述、建立、修改等各种计算，并对图形实现有效的存储。改等各种计算，并对图形实现有效的存储。 许多外设所增加的固化的图形处理功能，许多外设所增加的固化的图形处理功能，可接受更高级的绘图命令，实现图形的缓可接受更高级的绘图命令，实现图形的缓冲，以及完成大部分图形函数的功能，从冲，以及完成大部分图形函数的功能，从而大大减轻了而大大减轻了CPUCPU的负担。的负担。图形输出设备图形输出设备 图形图形显示显示设备和图形设备和图形绘制绘制设备设备图形显示设备图形显示设备: : 用于在屏幕上输出图形用于在屏幕上输出图形 基于阴极射线管的监视器基于阴极射线管的监视器 液晶显示器

3、液晶显示器 等离子显示器等离子显示器图形绘制设备图形绘制设备: : 用于把图形画在纸上，也称硬拷贝用于把图形画在纸上，也称硬拷贝 打印机打印机 绘图仪绘图仪 2.1.2 2.1.2 图形系统的基本功能图形系统的基本功能 一个计算机图形系统至少应具有一个计算机图形系统至少应具有计算、存储、计算、存储、输入、输出、交互输入、输出、交互等基本功能，各功能关系如下：等基本功能，各功能关系如下：图形系统基本功能框图图形系统基本功能框图显示器显示器交互交互输出输出计算计算输入输入存储存储数据库数据库图形输出设备图形输出设备图形输入设备图形输入设备1. 1. 输入功能输入功能 输入功能输入功能 通过图形输入

4、设备可将基本的通过图形输入设备可将基本的图形数图形数据据（如点、线等）和各种绘图命令输入到（如点、线等）和各种绘图命令输入到计算机中，从而构造更复杂的几何图形。计算机中，从而构造更复杂的几何图形。2.2.计算功能计算功能1 1） 图形的描述、分析和设计；图形的描述、分析和设计；建模建模2 2） 图形的平移、旋转、投影、透视等几何变换；图形的平移、旋转、投影、透视等几何变换；3 3） 曲线、曲面的生成；曲线、曲面的生成；4 4） 图形之间相互关系的检测等。图形之间相互关系的检测等。隐藏线隐藏隐藏线隐藏 面消除面消除3. 3. 存储功能存储功能 存储功能存储功能 图形数据库可以存放各种图形的几何数

5、图形数据库可以存放各种图形的几何数据及图形之间的相互关系，并能快速方便据及图形之间的相互关系，并能快速方便地实现对图形的删除、增加、修改等操作。地实现对图形的删除、增加、修改等操作。4.4.输出功能和交互功能输出功能和交互功能 输出功能输出功能 图形数据经过计算后可在显示器上显示当前的状态以图形数据经过计算后可在显示器上显示当前的状态以及经过图形编辑后的结果，同时还能通过绘图仪、打印及经过图形编辑后的结果，同时还能通过绘图仪、打印机等设备实现硬拷贝输出，以便长期保存。机等设备实现硬拷贝输出，以便长期保存。 交互功能交互功能 设计人员可通过显示器或其他人机交互设备直接进行设计人员可通过显示器或其

6、他人机交互设备直接进行人机通信，对计算结果和图形利用定位、拾取等手段进人机通信，对计算结果和图形利用定位、拾取等手段进行修改，同时对设计者或操作员输入的错误给以必要的行修改，同时对设计者或操作员输入的错误给以必要的提示和帮助。提示和帮助。图形的基本处理流程图形的基本处理流程 利用各种图形输入设备及软件或其他交互设备将图形利用各种图形输入设备及软件或其他交互设备将图形输入到计算机中，以便进行处理；输入到计算机中，以便进行处理； 在计算机内部对图形进行各种变换（如几何变换、投在计算机内部对图形进行各种变换（如几何变换、投影变换）和运算（如图形的并、交、差运算等）；影变换）和运算（如图形的并、交、差

7、运算等）； 处理后，将图形转换成图形输出系统便于接受的表示处理后，将图形转换成图形输出系统便于接受的表示形式，并在输出设备上输出；形式，并在输出设备上输出； 在交互式的系统中上述过程可重复进行多次，在交互式的系统中上述过程可重复进行多次， 直至产生满意的结果。直至产生满意的结果。表示表示处理处理显示显示2.2 2.2 图形显示设备图形显示设备 图形显示设备主要有以下三种：图形显示设备主要有以下三种：CRT（Cathode Ray Tube）显示器显示器阴极射线管显示器阴极射线管显示器LCD（Liquid Crystal Display）液晶显示器液晶显示器PDP（Plasma Display

8、Panel）等离子显示器等离子显示器2.2.1 CRT显示器显示器1. CRT显示器显示原理显示器显示原理 CRT显示器主要由阴极、电平控制器（即控显示器主要由阴极、电平控制器（即控制极）、聚焦系统、加速系统、偏转系统和阳极荧制极）、聚焦系统、加速系统、偏转系统和阳极荧光粉涂层组成，这六部分都在真空管内。光粉涂层组成，这六部分都在真空管内。CRTCRT显示器原理图显示器原理图水平偏转板垂直偏转板灯丝阴极聚焦系统加速系统电平控制器石墨层吸收轰击磷粉涂层后逃逸在荧光屏内的杂撒电子送至第二阳极,形成电流回路。 荧光粉（磷粉涂层） 电子枪 偏转系统 荧光屏第一阳极第一阳极 第二阳极第二阳极 偏转线圈

9、高压入口经石墨层接第二阳极 用于磁偏转系统 用于静电偏转系统荧光屏偏转的电子束刷新刷新要保持屏幕上有稳定的图像就必须不断地发射要保持屏幕上有稳定的图像就必须不断地发射电子束。电子束。刷新一次刷新一次指电子束从左到右，从上到指电子束从左到右，从上到下将荧光屏扫描一次。下将荧光屏扫描一次。 只有刷新频率高到一定值后，图像才能稳定显只有刷新频率高到一定值后，图像才能稳定显示。大约达到每秒示。大约达到每秒60帧，即帧，即60Hz时，人眼才能时，人眼才能感觉到屏幕不闪烁，要使人眼觉得舒服，一般感觉到屏幕不闪烁，要使人眼觉得舒服，一般必须有必须有85Hz以上的刷新频率。以上的刷新频率。* *1 1）人的视

10、觉）人的视觉系统要用一定的时间才能识别图像系统要用一定的时间才能识别图像元素，每帧图像的停留时间长于人眼观察所需元素，每帧图像的停留时间长于人眼观察所需的时间，则人的视觉残留可以消除画面的闪烁的时间，则人的视觉残留可以消除画面的闪烁现象。现象。 * * 2 2）刷新频率高到一定值后，图像才能稳定显示。）刷新频率高到一定值后，图像才能稳定显示。 隔行扫描技术隔行扫描技术 每一帧分为每一帧分为两个场两个场显示，显示，每个场每个场只只包含一半画面包含一半画面。两个两个 场场是是交错交错的，一个场包含所有的的，一个场包含所有的奇数扫描行奇数扫描行，另一个场，另一个场 包含所有的包含所有的偶数扫描行偶数

11、扫描行，两个场以，两个场以1/601/60秒的时间间隔交秒的时间间隔交 替显示。替显示。 扫描从奇数场左上角开始，每一行都是自左向右。电子扫描从奇数场左上角开始，每一行都是自左向右。电子 束在横向扫描的同时以一个较低的速率向下移动，当扫束在横向扫描的同时以一个较低的速率向下移动，当扫 描线到达屏幕右端时，就将其隐去并迅速返回屏幕左描线到达屏幕右端时，就将其隐去并迅速返回屏幕左 端。这个过程称为端。这个过程称为水平回扫水平回扫。接着下一奇数行重复这一。接着下一奇数行重复这一 过程。过程。 当整场扫描完毕时，扫描线正好停在底部的中央。接当整场扫描完毕时，扫描线正好停在底部的中央。接着扫描线迅速回到