计算机图形系统.docx
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计算机图形系统
第2章 计算机图形系统
学习目的和要求
了解计算机图形外部设备；了解计算机图形软件；掌握图形标准；掌握阴极射线管的结构及工作原理；掌握彩色阴极射线管的工作原理；掌握Windows图形环境及在Windows环境下开发OpenGL绘图程序。
学习重难点
重点：
阴极射线管的结构及工作原理；彩色阴极射线管的工作原理；持续发光时间；刷新、像素、分辨率的概念；计算机图形软件和图形标准。
难点：
位平面概念的理解和掌握。
教学活动的组织形式
本章内容以讲授为主，辅助以课堂程序演示。
课内外教学安排
课内讲授注意突出重点内容，
课外完成本章作业和相关实验。
教学方法与手段
以集中讲授方式为主，再加以一定数量的实验，辅助以课堂幻灯片，程序、动画演示。
教学过程的时间分配
本章占用学时。
教学过程
2.1计算机图形系统概述
一、计算机图形外部设备
图形输入设备
计算机图形外部设备
图形输出设备：
图形显示设备是基本输出设备
1．图形显示设备
基于阴极射线管（CRT）的刷新光栅扫描显示器是显示器市场的主流。
1阴极射线管
阴极射线管（CRT）的结构如图所示，主要由电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统和荧光屏五部分组成。
聚焦系统
偏转系统
阴极射线管（CRT）的结构
电子枪：
由灯丝、阴极和控制栅组成。
如果对阴极（带负电的一极）加热，电子就会“沸腾”并形成发散的电子云（电子之间由于带有同种电荷而互相排斥）。
在CRT表面的内侧有一层荧光粉。
电子受到带有很多电荷的阳极的吸引，如果不加控制，将漫射整个荧光屏，形成明亮的白光。
但是，在电子透镜的聚焦作用下，电子云会聚成很细的电子束，并在CRT的中心形成一个单一的亮点，该亮点称为像素（Pixel）。
如果使用水平方向和垂直方向的偏转放大器，就可以将电子束精确定位在屏幕的任意位置上。
控制栅是靠近阴极的前方，是一个柱状的金属杆，加上负电压后，能够控制通过其中间小孔的带负电的电子束的强弱。
由于电子束轰击荧光屏所产生的发光点的亮度决定于该电子束中电子的数量，所以通过调节控制栅上负电压的高低，可以控制通过的电子的数量，即控制荧光屏上相应点的亮度。
当控制栅上的负电压足够大时，它可以截止电子束，此时，对应的荧光屏上的点是黑色。
聚焦系统：
聚焦系统通过电场或磁场控制电子束，使电子束“变细”，保证轰击荧光屏时产生的亮点足够小。
为了提高显示系统的分辨率，聚焦系统是关键之一。
加速电极：
加有正的高电压（达几万伏），使经过聚焦的电子束高速运动。
偏转系统：
用来控制电子束，使其在荧光屏的适当位置绘图，是阴极射线管比较关键的部件。
现象：
最大偏转角度是衡量偏转系统性能的最重要指标。
如果一个偏转系统所能产生的最大偏转角较小，为了获得较大的偏转距离（电子束轰击点距离屏幕中心的距离），就需要较长的管子，其结果是显示器前后径长，非常笨重。
由此可以解释为什么大屏幕显示器的前后径比小屏幕显示器的前后径长。
荧光屏：
是最终显示图形的部件。
它的内表面涂有荧光物质，高速运动的电子束打在荧光屏上，它的动能除了一小部分转化为热量外，其余为荧光物质吸收转化为光能，产生光点。
持续发光时间：
指的是电子束离开某点后，该点亮度值衰减到初始值的1/10所需的时间。
用于图形显示设备的大多数荧光物质的持续发光时间为10到60毫秒。
刷新：
为了获得稳定的画面，要不断重复绘制图形，即刷新。
如果刷新的频率足够快，图形上各点的亮度值对观察者来说就近似为一个常数，显示的画面为一个稳定的不闪烁的画面。
持续发光时间是决定产生稳定画面所需刷新频率的主要因素，它的值越大，所需的刷新频率越低。
一般持续发光时间短的荧光物质适用于动态图形的显示，而持续发光时间长的荧光物质适用于静态图形的显示。
分辨率：
一个CRT在水平和竖直方向单位长度上能识别的最大光点数称为分辨率。
光点也称为像素（Pixel）。
分辨率主要取决于CRT所用的荧光物质的类型、聚焦系统和偏转系统。
分辨率越高，显示的图形也就越精细。
2彩色阴极射线管
彩色阴极射线管是通过将能发不同颜色的光的荧光物质进行组合而产生彩色的。
实现彩色显示的基本方法有射线穿透法和影孔板法
射线穿透法：
♣主要用于画线显示器中
♣基本原理：
在荧光屏的内侧涂有两层荧光物质，通常是发红色光和绿色光的荧光物质。
电子束轰击荧光屏所产生的颜色依赖于该电子束穿透荧光层的深浅。
低速电子束只能激励外层的发红色光的荧光物质，高速电子束则可以穿透外层而激励内层的发绿色光的荧光物质而发出绿色光，中速电子束则可以同时激励两层荧光物质发出红色光与绿色光的组合光，即橙色光和黄色光。
♣电子束的速度决定了屏幕上光点的颜色。
♣只能产生四种颜色（红、橙、黄、绿）
影孔板法：
♣通常用于光栅扫描显示器
♣基本原理：
每个像素处分布着呈三角排列的三个荧光点，以两者排列方式在同一扫描行上交替采用。
这三个荧光点分别为发红、绿和蓝色光的三种荧光物质（红、绿、蓝三种颜色称为三基色），有三支电子枪分别与这三个荧光点相对应，即每支电子枪发出的电子束专门用于轰击某一类荧光物质。
影孔板被安置在紧靠荧光涂层的地方，其上有很多小孔，每一个小孔与一个像素（即三个荧光点）对应。
三个电子束经聚焦偏转后，穿过影孔板上的小孔，激活该小孔对应的三个荧光点。
因为荧光点非常小而且充分靠近，所以我们看到的是具有它们混合颜色的一个光点，即像素。
荧光屏上的荧光点，影孔板上的小孔和电子枪被精确地安排处于一条直线上，使得由某一电子枪发出的电子束只能轰击到它所对应的荧光点。
通过调节电子枪发出的电子束中所含电子的多少，可以控制击中的相应荧光点的亮度，因此以不同的强度击中荧光点，就能够在像素点上生成极其丰富的颜色。
荧光点的排列方式
影孔板法产生彩色的原理
从左向右，从上向下扫描荧光屏。
一帧：
每一条从左向右的直线称扫描线，每一幅光栅称为一帧。
光栅扫描方式有逐行和隔行两种方式。
隔行扫描方式把一帧光栅分为两场：
先扫偶数行扫描线（偶数场），再扫奇数行扫描线（奇数场）。
这种扫描方式在保证信息量的前提下降低了对设备整体带宽的要求，因而降低了成本。
可充分利用两个场回扫的时间修改帧缓存的内容，则有利于动画显示。
但由于扫描的电气精度等原因，对人造成眩目感，以及头晕。
点距：
相邻像素点之间的距离，与分辨率指标相关。
3光栅扫描式图形显示器
光栅CRT图形显示器是一个画点设备。
可以把光栅图形显示器看成许多离散点组成的矩阵，每个点可以发光。
刷新图像就需要刷新存储器提供每一帧图像的数据。
光栅扫描显示器的刷新存储器又称为帧缓冲存储器（简称帧缓冲器或帧存），也可称为显示存储器（显存）。
帧缓冲器的作用：
存放画面的数字信息。
说明：
①帧缓冲存储器即通常所说的显存。
帧缓冲存储器中单元的数目与显示器上像素的数目相同，单元与像素一一对应，各单元的数值决定了其对应的像素的颜色。
②通常的显示卡所包含的主要部件即为视频控制器与帧缓冲存储器。
视频控制器是负责刷新的部件，它建立了帧缓冲存储器单元与屏幕像素之间的一一对应。
位平面
光栅中的每个像素在帧缓冲存储器中至少要有1位（bit），每个像素一位的存储容量称为位平面（bitplane）。
例：
1024×1024正方形光栅的一个位平面需要220（210=1024,220=1024×1024）即1048576位。
说明：
①画面就是由帧缓冲器中的这些位信息组成的。
由于一个二进制位只有两个状态，所以单独一个位平面只能产生黑白（单色）显示。
②由于帧缓冲器是数字设备，而光栅显示器是模拟设备，所以将帧缓冲器中的信息读出并在光栅CRT显示器上显示时需要将数字量转换成模拟量。
这个工作由数模转换器（DAC）完成。
帧缓冲存储器中的每一个像素，只有在读出并转换为模拟量以后才能显示在荧光屏上。
上图为单个位平面黑白帧缓冲存储器组成的光栅CRT图形显示器
③如果增加帧缓冲存储器的位平面数，光栅显示器就可以表示彩色或不同的灰度级。
CRT上的像素亮度是由它在各个位平面上的值共同决定的。
由N个位平面组成的帧缓冲存储器，把各个位平面上与当前像素对应的0、1值读入寄存器相应的位，最终得到的二进制数就是像素在0（黑）到2N－1（最大强度）之间的光强等级。
最后将这个值由DAC转换为电子枪的模拟电压。
上图为N个位平面的灰度帧缓冲存储器
例：
由3个位平面组成的1024×1024光栅帧缓冲存储器就需要3145728（3×1024×1024）个存储位。
说明：
由于只有三种原色，所以可以用三个位平面实现一个简单的彩色帧缓冲存储器，每个平面对应一种原色并由它驱动相应的原色电子枪。
每支电子枪可以使用更多的位平面。
下图是一个多位平面彩色帧缓冲存储器，每种颜色有8个位平面，帧缓冲存储器共有24个位平面。
每一组位平面驱动一个8位的DAC，能生成256（28）种不同深浅的红色、绿色、蓝色。
这些颜色组合在一起就可以产生16777216〔（28）3＝224〕种颜色，称这样的帧缓冲存储器为真彩色。
0
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1
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1
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0
0
0
上图为24个位平面的彩色帧缓冲存储器
如果各组位平面所存放的不是直接的颜色值而是查色表的地址索引，那么全色彩帧缓冲存储器的颜色还可以得到进一步发展。
4平板显示器
平板显示器（flat-paneldisplay）代表一类相比CRT能减少体积、减轻重量并节省功耗的视频设备。
等离子显示器：
通过将通常包含氖气的混合气体充入两块玻璃板之间的区域而构成。
一块玻璃板上放置一系列垂直导电带，而另一块玻璃板上构造一组水平导电带。
在成对的水平和垂直导电带上施加点火电压，导致两导电带交叉处的气体进入电子和离子的辉光放电等离子区。
像素位置就是导电带的交叉处，像素之间的分隔是由导电带的电场提供的。
液晶显示器：
（liquid-crystaldisplay,LCD）,属于发射设备，通过能阻塞或传递光的液晶材料，传递来自周围的或内部光源的偏振光。
液晶是指这些化合物具有晶状结构的分子，并且可以像液体那样流动。
平板显示器通常使用线状的液晶化合物，它们趋向于保持杆状分子的长轴排列。
其中有两块玻璃板，每块都有一个光偏转器，与另一块形成合适的角度，内部充以液晶材料。
在一块板上排放水平透明导体行，而另一块板上则放置垂直透明导体列。
行、列导体的交叉处定义一个像素位置。
通常，分子为“开态”排列，经过该材料的偏振光被扭曲，使之通过对面的偏振器，从而将光反射给观察者。
如要关掉像素，可置电压于两交叉导体，使分子对齐，从而光不再扭曲，该像素呈现为黑色。
5与光栅扫描显示器有关的几个概念
◆扫描线与扫描顺序：
光栅扫描显示器中，电子束按照固定的扫描线和扫描顺序从左到右、自上而下进行扫描。
电子束先从荧光屏的左上角开始，向右扫描一条水平线（扫描线），然后迅速回扫到下一条扫描线的左端进行扫描。
◆一帧（Frame）：
一次扫描所产生的图像称为一帧。
◆水平回扫期：
电子束在扫描线之间的回扫期称为水平回扫期。
◆垂直回扫期：
在帧之间的回扫期称为垂直回扫期。
计算机图形输入设备和输出设备也是图形外部设备的组成，在第一章我们已经进行了论述，在这里不再重复。
◆逐行扫描
◆隔行扫描
2．计算机图形输入设备
键盘：
机械式、电容式、薄膜式、无线键盘、带手写板键盘
鼠标：
机械式、光学机械式、光电式、无线鼠标
三维定位设备：
空间球和数据手套
空间球：
是二维跟踪球概念的扩展，它提供了六个自由度。
当在不同方向上推拉球时，张力标尺测量施加于空间球的压力，从而提供空间定位和方向的输入。
数据手套：
手套由一系列检测手和手指运动的传感器构成。
发送天线和接收天线之间的电磁耦合用来提供手的位置和方向等信息。
发送和接收天线各由一组三个互相垂直的线圈构成，形成三维笛卡尔坐标系统。
来自手套的输入可用来定位或操纵虚拟场景中的对象。
该场景的二维投影可在视频监视器上观察，而三维投影则使用头套观察。
3．计算机图形输出设备
显示器、笔式绘图仪、喷墨打印机、静电绘图仪、激光打印机、照相排版设备。
二、计算机图形软件
1．计算机图形软件的分类
通用编程软件包：
常常是图形库，提供了生成各种图形、实现图形的处理和输入输出操作、控制和处理各种图形设备以及交互过程中的各种事件，如OpenGL。
专业应用图形软件包：
专业应用图形软件包是具有图形处理能力的交互式图形软件系统，为非程序员提供的而且往往应用于某个或某些领域，如AutoCAD、3DSMAX等。
2．几何造型平台
流行的几何造型平台有两种：
ACIS和Parasolid。
多数著名的CAD/CAM软件是基于ACIS和Parasolid，起源于英国剑桥大学。
1974年，BraidIan、导师、同窗创建了ShapeData公司开发了第一代实体造型软件Romulus
1988年，改进为Parasolid，是以复杂曲面为基础的实体造型平台，支持流型造型拓扑（非流行造型、单元体造型、混合维造型），提供了布尔运算、局部操作、显示、查询等功能。
著名的CAD软件UGII和SolidWorks等以它作为图形核心系统。
1989年，BraidIan以三位核心技术人员的名字和实体（Solid）的第一个字母的组合，推出了第三代几何造型系统ACIS。
Parasolid的特点：
●以复杂曲面为边界的实体造型通用的开发平台
●应用范围主要集中在机械CAD/CAM/CAE领域
●著名的CAD软件UGII，SolidWorks等都是以它作为图形核心系统
●Parasolid支持流形造型与生成型拓扑，提供了布尔运算、局部操作、显示、查询等功能
ACIS特点：
♣采用面向对象的数据结构
♣允许线框、曲面、实体任意灵活组合使用，为各种3D造型应用系统的开发提供了几何造型平台
♣如AutoCAD以ACIS作为造型内核
♣ACIS产品由两部分构成：
核心模块和多种可选模块，核心模块中提供了基本、通用功能，可选模块中提供了一些更为高级的和更专用的功能，其主要功能有：
构造曲面技术；求交、布尔运算和缝合；过渡；模型分析；显示与交互；模型管理
♣ACIS是采用软件组件技术设计的开放式体系结构
3．CAD/CAM软件
♣AutoCAD:
AutoCAD是AutoDesk公司的著名产品，主要用于二维平面制图，最新版本也可用于三维建模。
AutoCAD建模的优点在于尺寸具有极高的精确度，但过程比较复杂，修改起来也不如3DMAX方便。
所以进行实际效果图建模时，常采用在AutoCAD中建立二维平面图形，然后导入3DMAX进行修改生成三维模型。
AutoCAD采用了Windows风格的界面，易于使用，界面友好。
♣Unigraphics（UG）：
Unigraphics（简称UG）是目前国际、国内应用最为广泛的大型CAD/CAM/CAE集成化软件之一，涵盖了整个产品开发的全过程，从产品的概念设计直到产品建模、分析和制造过程。
UG以Parasolid几何造型核心为基础，采用基于约束的特征建模技术，几何造型完全采用特征化的参数和变量设计方法，将优越的参数化和变量化技术与传统的实体线框和曲面功能结合在一起。
♣Pro/Engineer：
是美国PTC（ParametricTechnologyCorporation）参数技术公司推出的工程设计、分析和制造的软件包，可用于模具设计，有中文版版本，目前仍在不断升级。
该软件最为显著的特点是使用参数化的特征造型，具有将设计意图融入计算机辅助设计建模功能。
Pro/Engineer的设计思想和设计功能能够使设计工作提升到一个崭新的层次。
利用Pro/Engineer软件系列产品可以进行产品造型设计、装配设计、创建模具模型、建立分模面，分割墨镜、模据检测分析、试模、楷模、模流分析、模局布局设计、建立加工模型、进行加工设定、加工模拟、后置处理及数控代码生成等内容。
♣IDEAS：
是美国I-DEAS软件，是全世界制造业广泛应用的大型CAD/CAE/CAM软件。
SDRC提出了一种比参数化更先进的实体造型技术---变量化技术，这成为CAD软件今后发展的方向，它以极高的笑脸在单一的数字模型中完成从产品设计仿真分析测试直至数控加工的产品研发全过程。
♣CATIA：
是法国达索公司20世纪70年代开始开发的，目前已与美国IBM公司合作，该软件广泛应用于飞机设计，如波音777、阵风战斗机、F－22等、鹞式飞机，全球有4000多家厂商采用CATIA软件。
♣Cimatron：
是成立于1982年的以色列Cimatron公司的产品，是CAD/CAM一体化软件，运行于Windows系数，采用美国空间技术公司的ACIS几何造型平台。
♣MasterCAM：
美国CNC公司（1984年成立）基于PC的CAD/CAM软件，采用Parasolid几何核心。
采用NURBS设计曲面，CAM功能较强。
♣Delcam’sPowerSolution：
是英国Delcam公司的产品，是西方发达国家模具制造行业的主流软件之一。
Delcam’sPowerSolution是基于Windows的CAD/CAM集成系统，由PowerSHAPE、PowerMILL、CopyCAD、ArtCAM和PowerINSPECT等五个主要模块组成。
♣国内自主开发的CAD/CAM软件
主要有北京高华CAD、北航海尔软件有限公司的CAXA、浙江大天电子信息工程有限公司开发的基于特征参数化造型系统GS-CAD98，广州红地公司的金银花系统、华中理工大学开发的开目CAD等。
4．计算机动画软件
•SoftImage3D/XSI:
1994年，Microsoft公司收购了三维动画软件公司SoftImage，并随之推出了SoftImage3DPC版。
SoftImage3D是由SGI工作站移植而来，主要应用于WindowsNT平台，最擅长卡通造型和角色动画以及模拟各种虚幻的情景、光影，是影视创作不可缺少的主要工具。
电影《侏罗纪公园》中的恐龙形象就是用SoftImage3D制作完成。
SoftImage3D的建模能力很强，支持网络，NURBS及变形球等对象，先进的动画模块和高效率的渲染是其特点。
SoftImage3D有着先进的设计理念，与Maya属同一级别。
SoftImage3D是影视数字工作室用于制作电影特技、电视系列片、广告和视频有限的主要工具之一，提供制作动画图像工具和环境，遵循动画制作的自然工作流程，并提供实时可视的旋转、移动和体积变化。
SoftImageXSI是SoftImage3D推出的新一代产品，版本更新和速度很快。
SoftImage为了体现软件的兼容性和交互性，最终以SoftImage公司在全球知名的数据交换格式.XSI命名。
SoftImageXSI是一个基于节点的体系结构，这就意味着所有的操作都是可以编辑的。
它的动画合成器功能可以将任何动作进行混合，具有灯光、材质和渲染功能，系统提供的几十种光斑特效可以延伸为千万种变化。
•Maya（1998）:
法国的TDI、加拿大的Alias和美国的Wavefront曾经是竞争对手，都设计了非常出色的三维动画软件。
在竞争中，SGI兼并了以上三者，组成Alias/Wavefront公司，并推出了一个新版本，这就是Maya。
Maya采用先进的体系结构，反应速度快，在微机上能创造出非常复杂的动画和渲染效果，有丰富的建模、渲染、动画、动力学工具系列；Maya本身可以进行个性化设置以及扩充。
Maya提供了编程接口来扩展和控制Maya提供的特性，以OpenGL的图形执行方式，形成制定一定工具和功能。
可选工作模式有材质模式、光照模式或者纹理模式。
在动画制作上，Maya提供了Artisan工匠造型功能和粒子光效，在艺术化的3D创作工具中Maya是出类拔萃的。
•RenderMan：
Renderman全称PhotoRealityRenderman，因为它是建立在RI（rendermaninterface）工业标准上的渲染机制，所以它也是照片写实绘制工业标准接口规格说明。
它需要使用者有很强的编程背景，线性代数、几何、物理等知识背景。
Renderman是比较难学的三维软件，但由于其绘制效果极佳而倍受关注。
Renderman在三维电影的制作中取得了重大成功，是好莱坞电影特效的所选工具，《玩具总动员》中的三维造型全部是由Renderman绘制的。
•3DMax:
3DStudioMax是美国AutoDesk公司著名的三维动画制作软件，它功能强大、开放性好，对硬件的要求也不高，集健美、变形、组合、材质编剧、摄影灯光、场景设计、动作设计、影片剪辑和组合对象等功能于一体。
内置工具丰富，而且修改方便，操作互动性好，质感与图形工作站几乎无异。
3DMax应用范围极为广阔，是电子游戏开发商和影视动画制作商的必备软件，广泛应用于城市规划、建筑设计、室内设计、机械设计、服装设计、工艺设计、产品展示、广告宣传、造型设计、军事和医学众多领域。
5．可视化软件
♦AVS系统
美国AdvancedVisualSystemsInc.，体数据可视化系统，主要运行在大型机和工作站。
♦VolVis系统：
美国纽约州立大学，体数据可视化系统，主要运行在工作站
♦ApE系统
美国TaraVisualInc.，科学可视化系统，主要运行在大型机和工作站
♦Visualizer
中科院自动化所国家模式识别实验室医学图像处理分析研究小组开发的可视化系统
三、图形标准
目的为了在不同的计算机系统和外设之间进行图形应用软件的移植
移植性包括：
●应用程序在不同系统之间的可移植性
●应用程序与图形设备的无关性
●图形数据的可移植性
●程序员层次的可移植性
图形标准：
图形系统及其相关应用系统中各界面之间进行数据传送和通信的接口标准，以及供图形应用程序调用的子程序功能及其格式标准，前者称为数据及文件格式标准，后者称为子程序界面标准。
应用接口
应用程序与图形软件的接口
隔离了应用程序与处理图形的实际物理设备的联系
保证了应用程序在不同系统之间的可移植性
虚拟图形设备接口
图形软件与图形外部设备之间的接口
保证了图形软件与图形外部设备的无关性
数据接口
规定了记录图形信息的数据文件的格式
使得软件与软件之间可以交换图形数据
1.图形标准的历史
在1974年，美国国家标准化学会（ANSI）举行的“与机器无关的图形技术”的工作会议上，提出制定图形标准。
1977年由ACMSIGGRAPH委员会（ACM：
theassociationforcomputingmachinery,SIGGRAPH:
thespecialinterestgroupongraphics）产生了3DCore（简称Core）图形系统，并于1979年又进行了修改。
1985年国际标准化组织批准了第一个图形软件标准GKS（graphicalkernelsystem）。
1988年GKS-3D（GKS扩充版）以及其后的也是更高级更复杂的PHIGS（程序员分层交互式图形系统programmer’shierarchicalgraphicssystem）相继成为国际标准。
GKS支持将逻辑相关图元及其属性汇合成所谓的
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