计算机图形学 Computer Graphics 华中师范大学计算机科学系 刘华咏 E-mail: hy.liu@mail.ccnu.edu.cn

教学要求 了解图形系统的框架及其涉及的软件、硬件技术； 了解图形学的基本问题，掌握图形学的基本概念、方法与算法； 对与图形相关的应用及当前的研究热点有一个初步认识； 具有一定实践体会和相关的编程能力。

练习要求 复习C、C++、Visual C++(MFC) 认真听讲、做笔记。（图形学基本原理） 做实验5次，写实验报告（电子文档） 实验环境： 语言：Visual C++ 平台：OPEN GL 内容：二维：MFC 三维：OPEN GL 成绩结构： 上课：20% 实验：30% 考试：50%

课程结构 第一章 绪论 第二章 Visual C++ 6.0 绘图基础 第三章 基本图形的扫描转换 第四章 多边形填充 第五章 二维变换和裁剪 第六章 三维变换和投影 第七章 自由曲线和曲面 第八章 自由曲线和曲面 第九章 动态消隐 第十章 真实感图形

教材和参考书 教材 参考书 孔令德，计算机图形学基础教程（Visual C++版），清华大学出版社， 2008年5月 （1）孙家广．计算机图形学基础教程，清华大学出版社，2005年 （2） Donald Hearn, M. Pauline Baker ,“Computer Graphics (C Version)”, Prentice Hall , 1997. （3） James D. Foley, Andries van Dam etc., “Introduction to Computer Graphics”, Addison-Wesley, 1996

图形软件的相关资料 Ronald D. Levine, “Three Dimensional Graphics: Programming with PHIGS Plus”, ASIN:013918433X PHIGS+ Committee, Andries Van Dam, Chair.: “PHIGS+ functional description， version 3.0, Computer Graphics, 22(3):125-218, July, 1988 International standards Organization, International standard information processing systems - computer graphics - graphical kernel system for three dimensions (GKS-3D) function description, Technical report, ISO Document No. 9905, 1988(E), American National Standard Institute, New York, 1988 Jackie Neider, Mason Woo, and Tom Davis, Open GL Programming Guide, Addison-Wesley, MA, 1993 网上各种资料

第一章 绪论 1.1 研究内容 1.2 发展历史 1.3 计算机图形学的应用及研究前沿 1.4 图形设备

1.1 研究内容 什么是计算机图形学 何谓图形 构成图形的要素 图形的两种表示法 图形学所研究的内容

Two questions Why we need graphics? Will graphics die?

Movie CG has been widely used in movie industry

Game Video game is a major driven of innovation in Computer Graphics

Simulation A key example of simulation is Flight Simulation (Evan & Sutherland)

CAD/CAM/CAE Design and analysis results have to be displayed by using Computer Graphics.

Architecture Graphics is also widely used in architecture design.

Visualization Visualization can be regarded as extension of Computer Graphics.

什么是计算机图形学 定义：计算机图形学是研究怎样用数字计算机生成、处理和显示图形的一门学科。 计算机图形学计算机科学中，最为活跃、得到广泛应用的分支之一

图形与图象 图象纯指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息。 图形含有几何属性，更强调场景的几何表示，是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成的。 图形主要分为两类 基于线条信息表示：如线框图、工程制图、等高线地图等 明暗图(Shading)：基于光照、材质和纹理映射表示的真实感图形

图形以及构成图形的要素 图形：计算机图形学的研究对象 构成图形的要素 能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象 包括自然景物、拍摄到的图片、用数学方法描述的图形等等 构成图形的要素 几何要素：刻画对象的轮廓、形状等 非几何要素：刻画对象的颜色、材质等

计算机中表示图形的方法 点阵表示 参数表示 枚举出图形中所有的点(强调图形由点构成)，简称为图像（数字图像） 由图形的形状参数(方程或分析表达式的系数，线段的端点坐标等)+属性参数(颜色、线型等)来表示图形，简称为图形

计算机图形学就是研究将图形的表示法从参数法转换到点阵法的一门学科 用y=kx+b表示的直线图形 用y=kx+b表示的直线图像

图形与图象 两个概念间的区别越来越模糊 区别： 图象纯指计算机内以位图(Bitmap)形式存在的灰度信息 图形含有几何属性，或者说更强调场景的几何表示，是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成的

g r a p h i c s i m a g e Graphics与Image的对比 1 . 数 据 量 很 少 大 2 有 结 构 ， 便 于 编 辑 修 改 无 不 3 能 准 确 表 示 D 景 物 易 生 成 所 需 的 同 视 图 信 息 巳 部 分 丢 失 难 4 要 复 杂 计 算 5 自 然 困 6 国 际 标 ： G K S , P H I O p e n L W M F V R ; C T E J B / 7 软 件 ( 绘 ) : A u t o r l 象 处 理 h s y

Graphics 与 Image 的关系 rendering (image synthesis) Image processing graphics model modeling digital image 假想的或概念上的景物 image analysis (recognition) playback (reconstruction) 现实的景物 image digitizing (image capturing) 计算或测量得到的大量数据 可视的图象 Visualization in Scientific Computing (VISC)

与相关学科的关系 数字图像 数据模型 发展特点: 交叉、界线模糊、相互渗透 图像生成（计算机图形学） 模型变换 图像变换 （计算几何） （图像处理） 模型（特征）提取 （计算机视觉，模式识别） 发展特点: 交叉、界线模糊、相互渗透

图象处理 研究如何对一幅连续图像取样、量化以产生数字图像，如何对数字图像做各种变换以方便处理， 如何滤去图像中的无用噪声，如何压缩图像数据以便存储和传输，图像边缘提取，特征增强和提取。

计算机视觉和模式识别 图形学的逆过程，分析和识别输入的图像并从中提取二维或三维的数据模型（特征）。手写体识别、机器视觉。

1.1 计算机图形学的研究内容 如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法，构成了计算机图形学的主要研究内容。 图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。

1.2 计算机图形学的发展历史 50年代 1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院（MIT）旋风I号（Whirlwind I）计算机的附件诞生了 1958年，美国Calcomp公司由联机的数字记录仪发展成滚筒式绘图仪，GerBer公司把数控机床发展成为平板式绘图仪 50年代末期，MIT的林肯实验室在“旋风”计算机上开发SAGE空中防御体系

发展历史 60年代 1962年，MIT林肯实验室的I. E. Sutherland发表了一篇题为“Sketchpad：一个人机交互通信的图形系统”的博士论文 提出图形学的概念，成就“图形学之父”的英名 获“图灵”奖 IEEE 计算机杰出成就奖 Coons奖

发展历史 I. E. Sutherland，38年生，美国人，CMU学士、Caltech硕士、MIT博士，59年博士毕业，参军，26岁担任国防部高级研究计划署（DARPA）信息处理技术局局长(仅中尉衔)，该局曾组织Internet前身ARPANET等重大项目。1964年起，先后在哈佛、Utah、Caltech工作。 为博士论文答辩，制作一部电影，答辩时，边放映，边见解，大获成功，该电影广为流传。(PPT ?)

发展历史 1962年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Bézier 提出Bézier曲线、曲面的理论 1964年MIT的教授Steven A. Coons提出了超限插值的新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。 58年提出“CAD”概念 图形学最高奖以他名字命名

发展历史 70年代 光栅图形学迅速发展 图形软件标准化 区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其相应算法纷纷诞生 1974年，ACM SIGGRAPH的与“与机器无关的图形技术”的工作会议 ACM成立图形标准化委员会，制定“核心图形系统”（Core Graphics System） ISO发布CGI、CGM、GKS、PHIGS

发展历史 真实感图形学 实体造型技术 1970年，Bouknight提出了第一个光反射模型 1971年Gourand提出“漫反射模型＋插值”的思想，被称为Gourand明暗处理 1975年，Phong提出了著名的简单光照模型- Phong模型 实体造型技术 英国剑桥大学CAD小组的Build系统 美国罗彻斯特大学的PADL-1系统

发展历史 80年代 1980年Whitted提出了一个光透视模型-Whitted模型，并第一次给出光线跟踪算法的范例，实现Whitted模型 1984年，美国Cornell大学和日本广岛大学的学者分别将热辐射工程中的辐射度方法引入到计算机图形学中 图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展

发展历史 90年代：微机和软件系统的普及使得图形学的应用领域日益广泛。 标准化、集成化、智能化 多媒体技术、人工智能、科学计算可视化、虚拟现实 三维造型技术

ACM SIGGRAPH ACM SIGGRAPH会议小知识 全称 “the Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques” 60年代中期，由Brown 大学的教授Andries van Dam (Andy) 和IBM公司的Sam Matsa发起 1974年，在Colorado大学召开了第一届SIGGRAPH 年会，并取得了巨大的成功 每年只录取大约50篇论文 http://www.siggraph.org

图形学的杂志和会议 会议：Siggraph， Eurograph，Pacific Graphics Computer Graphics International， Graphics Interface 杂志: ACM Transaction on Graphics IEEE Computer Graphics and Application IEEE Visualization and Computer Graphics Graphical Models Computer Graphics Forum The Visual Computer

画线显示器（矢量显示器/随机扫描显示器） 硬件发展 图形显示设备的发展：图形显示器是计算机图形学中关键的设备 画线显示器（矢量显示器/随机扫描显示器） 存储管式显示器 刷新式光栅扫描显示器

硬件发展-图形显示设备的发展 60年代中期：画线显示器（亦称矢量显示器）。需要刷新。设备昂贵，限制普及 60年代后期：存储管式显示器。不需刷新，价格较低，缺点是不具有动态修改 图形功能，不适合交互式。 70年代初，刷新式光栅扫描显示器出现，大大地推动了交互式图形技术的发展。以点阵形式表示图形，使用专用的缓冲区存放点阵，由视频控制器负责刷新扫描。

硬件发展 图形输入设备的发展 第一阶段：控制开关、穿孔纸等等 第二阶段：键盘 第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏等等，语音 第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据手套、数据衣），用户的手势、表情等等 第五阶段：用户的思维

图形输入设备的发展

图形软件发展及软件标准形成 三种类型的计算机图形软件系统： （1）用某种语言写成的子程序包。 如: GKS (Graphics Kernel System) 、PHIGS (Programmer’s Hierarchical Interactive Graphics system)、GL。 便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低 （2）扩充计算机语言，使其具有图形生成和处理的功能 如：Turbo Pascal、Turbo C、AutoLisp等。 简练、紧凑、执行速度快，但可移植性差 （3）专用图形系统：效率高，但系统开发量大，可移植性差。

图形软件发展及软件标准的形成 发展历程 诸侯割据 标准讨论 标准形成

图形软件发展及软件标准的形成 通用的、与设备无关的图形包，图形标准 一些非官方图形软件，广泛应用于工业界，成为事实上的标准 GKS (Graphics Kernel System) (第一个官方标准，1977) PHIGS (Programmer’s Hierarchical Interactive Graphics system) 一些非官方图形软件，广泛应用于工业界，成为事实上的标准 DirectX (MS) Xlib (X-Window系统) OpenGL (SGI) Adobe公司Postscript 开放式、高效率的发展趋势

1.3 计算机图形学的应用及研究前沿 计算机辅助设计与制造（CAD/CAM） CAD/CAM是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域 飞机、汽车、船舶的外形的设计 发电厂、化工厂等的布局 土木工程、建筑物的设计 电子线路、电子器件的设计 设计结果直接送至后续工艺进行加工处理，如波音777飞机的设计和加工过程

奥迪效果图和线框图

基于工程图纸的三维形体重建 定义：从二维信息中提取三维信息，通过对这些信息进行分类、综合等一系列处理，在三维空间中重新构造出二维信息所对应的三维形体，恢复形体的点、线、面及其拓扑关系，从而实现形体的重建 优势：可以做装配件的干涉检查、以及有限元分析、仿真、加工等后续操作，代表CAD技术的发展方向

工程图及其三维重建结果1 工程图及其三维重建结果2

可视化 海量的数据使得人们对数据的分析和处理变得越来越难，用图形来表示数据的迫切性与日俱增 1986年，美国科学基金会（NSF）专门召开了一次研讨会，会上提出了“科学计算可视化（Visualization in Scientific Computing）” 科学计算可视化广泛应用于医学、流体力学、有限元分析、气象分析当中

可视化 在医学领域，可视化有着广阔的发展前途 可视化的前沿与难点 是机械手术和远程手术的基础 将医用CT扫描的数据转化为三维图象，帮助医生判别病人体内的患处 由CT数据产生在人体内漫游的图象 可视化的前沿与难点 可视化硬件的研究 实时的三维体绘制 体内组织的识别分割——Segmentation

可视化 信息可视化：信息流量，商业统计数据，股市行情……。

真实感图形实时绘制与自然景物仿真 计算机中重现真实世界的场景叫做真实感绘制 真实感绘制的主要任务是模拟真实物体的物理属性，简单的说就是物体的形状，光学性质，表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位置，遮挡关系等等

真实感图形实时绘制与自然景物仿真 光照模型 绘制方法 加速算法 简单光照模型 局部光照模型 整体光照模型 光线跟踪 辐射度 包围体树、自适应八叉树等等

光照模型

当前研究热点 真实感图形实时绘制 物体网格模型的面片简化：对网格面片表示的模型，在一定误差的精度范围内，删除点、边、面，从而简化所绘制场景的复杂层度，加快图形绘制速度 吴建华的牛头

当前研究热点 真实感图形实时绘制 基于图象的绘制(IBR，Image Based Rendering)：完全摒弃传统的先建模，然后确定光源的绘制的方法。它直接从一系列已知的图象中生成未知视角的图象，适用于野外极其复杂场景的生成和漫游 画中游

画中游 Video from HKUST http://www.cse.ust.hk/demo/

野外自然景物的模拟 野外场景远远复杂于室内场景，绘制难度更大，方法更趋多样化 主要绘制山、水、云、树、草、火等等 绘制火的粒子系统（Particle System），基于生理模型的绘制植物的方法，绘制云的细胞自动机方法等

野外场景-清华大学自然景物平台生成的山水1999

日本Yoshinori Dobashi等人绘制的真实感云

王希的树皮 (Siggraph 2003)

Xfrog3.0生成的挪威云杉

Physically-Based Rendering of Gemstones 基于物理的光照 Physically-Based Rendering of Gemstones (SIGGRAPH 2004)

大规模复杂场景的点绘制

非真实感绘制（NPR，Non-Photorealistic Rendering） 用于模拟艺术效果，研究方法有别于真实感图形学 钢笔素描的生成 钢笔素描产生于中世纪，从19世纪开始成为一门艺术20世纪90年代开始研究用计算机模拟 中国国画与书法的生成

Georges Winkenb1ach绘制的壶和碗(Siggraph’96)

Salisbury绘制的茶壶(Siggraph’97)

Salisbury绘制的熊(Siggraph’97)

Oliver Deussen绘制的素描树(Siggraph’2000)

国画和书法

几何处理 几何纹理的迁移与合成 多片注册 T样条拟合 分割

几何纹理的迁移与合成

注册 Description of registration：Find an optimal rigid body motion that aligns a moving surface model to a fixed surface model.

registration: 注册，配准 图像配准（或图像匹配）是评价两幅或多幅图像的相似性以确定同名点的过程。图像配准算法就是设法建立两幅图像之间的对应关系,确定相应几何变换参数,对两幅图像中的一幅进行几何变换的方法。 一般两幅图像之间用“配准（register, registration）”；寻找同名特征(点) 的过程叫“匹配（match, matching）”; 根据主辅图像之间的几何变换关系，对辅图像进行逐像素处理变为配准图像的过程叫做“几何校正（geometric correction）”。

N-system 注册 Published in IJCV

Results of multi-View registration

特征敏感的几何处理

特征敏感的几何处理：编辑

网格到T样条的转换

网格分割

娱乐 电脑游戏 电视广告，节目片头，科教演示（CAI） CS，“古墓丽影”，“侏罗纪公园”、“皇帝的新衣”、完美风暴……… 实时性 逼实性 蕴含了先进的图形处理技术 电视广告，节目片头，科教演示（CAI） CS，“古墓丽影”，“侏罗纪公园”、“皇帝的新衣”、完美风暴……… MAYA, 3DMAX, SOFTIMAGE…

光栅扫描显示器工作原理的Flash教学课件

光栅扫描显示器工作原理的Flash教学课件

光栅扫描显示器工作原理的Flash教学课件

光栅扫描显示器工作原理的Flash教学课件

光栅扫描显示器工作原理的Flash教学课件

光栅扫描显示器工作原理的Flash教学课件

Virtual Reality（虚拟现实、灵境） Virtual Reality 或称虚拟环境（Virtual Environment) 是用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察。

Virtual Reality 输入输出设备 虚拟现实是指用立体眼镜、传感手套等一系列传感辅助设施来实现的一种三维现实，人们通过这些设施以自然的方式（如头的转动、手的运动等）向计算机送入各种动作信息，并且通过视觉、听觉以及触觉设施使人们得到三维的视觉、听觉等感觉世界。随着人们不同的动作，这些感觉也随之改变。

QuickTime VR技术简介 QuickTime VR是苹果公司开发的新一代虚拟现实技术。它是一种基于静态图像处理的，在微机平台上能够实现的初级虚拟现实技术。它的出现使得以往专业实验室中成本昂贵的虚拟现实技术的应用普及有了广阔的前景。 假定我们在一室空间进行观察，室内空间一般有六个面，如果我们获取了这六个面的许多不同距离，不同方位的实景照片并将它们按照相互的关系有机连接起来，就可以在视觉上形成这个房间整个空间的整体认识，这就是全景概念。

QuickTime VR 天安门 http://www.kiku.com/qtvr/

计算机动画 计算机动画近十多年来取得了很大的发展，已渗透到人们生活的各个角落 商业广告、影视特技/片头、动画片 教育、军事、飞行模拟等

计算机动画 分类 二维动画 三维动画 图象变形 形状混合 关键帧动画 变形物体的动画 过程动画 关节动画与人体动画 基于视频(Video)的动画

基于特征的图象变形（猫变虎）

由三维FFD（自由变形）操作得到的鱼的变形图

基于video的动画

Image and Video-based Painterly Animation

计算机艺术 用计算机软件从事艺术创作 二维平面的画笔程序（如CorelDraw，Photoshop，PaintShop） 图表绘制软件（如Visio） 三维建模和渲染软件包（如3DMAX，Maya）、以及一些专门生成动画的软件（如Alias，Softimage） 优点： 提供多种风格的画笔画刷 提供多种多样的纹理贴图，甚至能对图象进行雾化，变形等操作 可以任意修改，取消败笔 不足： 无法达到传统绘画中风格化的 艺术效果 很难得到有素描效果、油画效果的艺术品

Sketch2Photo Internet Image Montage（蒙太奇） Qinghua presents a system that composes a realistic picture from a user provided sketch with text labels. The composed picture is generated by seamlessly stitching several photographs automatically searched from internet according to the sketch and its text labels.

ACM SIGGRAPH ASIA 2010 http://cg.cs.tsinghua.edu.cn/montage/main.htm

1.4 图形设备 图形显示设备 图形输出包括图形的显示和图形的绘制，图形显示指的是在屏幕上输出图形 1.4 图形设备 图形显示设备 图形输出包括图形的显示和图形的绘制，图形显示指的是在屏幕上输出图形 图形绘制通常指把图形画在纸上，也称硬拷贝，打印机和绘图仪是两种最常用的硬拷贝设备

图形显示器的更新换代 第一代：随机扫描显示器 第二代：直视存储管显示器 第三代：光栅扫描显示器

随机扫描显示器 特点：电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分。 逻辑部件：刷新存储器(Refreshing Buffer),显示处理器（DPU: Display Processing Unit）和CRT

工作原理 应用程序发出绘图命令→解析成显示处理器可接受命令格式，存放在刷新存储器中。刷新存储器中所有的绘图命令组成一个显示文件，由显示处理器负责解释执行(刷新) →驱动电子枪在屏幕上绘图。 修改图形，实际是修改显示文件中的某些绘图命令。

直视储存管显示器 DVST (Direct View Storage Tube) 使用紧贴在荧光层后的存储栅的电荷分布来存储图形

彩色CRT显示器 CRT（CRT，Cathode－Ray Tube，阴极射线管），是光栅扫描显示器的显示部件 组成 电子枪 聚焦系统 加速系统 磁偏转系统

CRT显示器的简易结构图

工作原理 高速的电子束由电子枪发出，经过聚焦系统、加速系统和磁偏转系统就会到达荧光屏的特定位置。由于荧光物质在高速电子的轰击下会发生电子跃迁，即电子吸收到能量从低能态变为高能态。由于高能态很不稳定，在很短的时间内荧光物质的电子会从高能态重新回到低能态，这时将发出荧光，屏幕上的那一点就会亮了 要保持显示一幅稳定的画面，必须不断地发射电子束

电平控制器是用来控制电子束的强弱的，当加上正电压时，电子束就会大量通过，将会在屏幕上形成较亮的点，当控制电平加上负电压时，依据所加电压的大小，电子束被部分或全部阻截，通过的电子很少，屏幕上的点也就比较暗 聚焦系统是一个电透镜，能使众多的电子聚集于一点 加速阳极使电子达到轰击激发荧光屏应有的速度。最后由磁偏转系统来达到指定位置

刷新频率 电子束要到达屏幕的边缘时，偏转角度就会增大。到达屏幕最边缘的偏转角度被称为最大偏转角 CRT显示器屏幕越大整个显象管就越长 刷新一次是指电子束从上到下扫描一次的过程 刷新频率高到一定值后，图象才能稳定显示 隔行扫描与逐行扫描

电子束扫描过程示意图

彩色CRT显示器显示彩色的原理 彩色CRT显示器的荧光屏上涂有三种荧光物质，它们分别能发红、绿、蓝三种颜色的光。而电子枪也发出三束电子束来激发这三种物质，中间通过一个控制栅格来决定三束电子到达的位置 三束电子经过荫罩的选择，分别到达三个荧光点的位置。通过控制三个电子束的强弱就能控制屏幕上点的颜色

荫罩 蓝 红 绿 电子枪 屏幕 荧光点 荫罩式彩色CRT显色原理

显示器能同时显示的颜色个数 如果每支电子枪发出的电子束的强度有256个等级，则显示器能同时显示256*256*256=16M种颜色，称为真彩色系统

球面显示器与柱面显示器 普通的显象管采用的都是荫罩式显象管，显象管的表面呈略微凸起的球面状，故称之为“球面管”。而柱面显象管采用荫栅式结构，它的表面在水平方向仍然略微凸起，但是在垂直方向上却是笔直的，呈圆柱状，故称之为“柱面管” 常用的荫栅式显象管有日本索尼公司的特丽珑管（Trinitron）和三菱公司的钻石珑管（Diamondtron）

荫栅式彩色CRT显色原理

柱面和球面显示器点距定义示意图

光栅显示器逻辑部件 逻辑部件：帧缓冲存储器（Frame Buffer)，视频控制器（Video Controller)，显示处理器（Display Processor），CRT

像素所呈现的颜色或灰度由数值表示，视频控制器刷新时，需反复读这些数值。 用来存储像素颜色（灰度）值的存储器就称为帧缓冲存储器。简称帧缓冲器（显存）。 帧缓存中单元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像素的颜色。 显示颜色的种类与帧缓存中每个单元的位数有关（图示帧缓冲器的每个单元只有一位）。

位面 如果屏幕上每个像素的颜色只用一位（Bit）表示，其值非0即1，屏幕只能显示黑白二色图像，称为黑白显示器，此时帧缓冲器只有一个位面 如果屏幕分辨率为1024×768，则黑白显示器的帧缓冲容量是1024×768×1＝786,432位

1个位面 一位面帧缓冲器 位面

8个位面 如果每个像素的颜色可以用一个字节（Byte）表示，帧缓冲器需要用八个位面，可表示256种灰度，称为灰度显示器。 如屏幕分辨率为1024×768，则灰度显示器的帧缓冲的容量是1024×768×8＝6,291,456位

8个位面 八位面帧缓冲器 位面

24个位面 如果每个像素用R、G、B三原色混合表示，其中每种原色分别用一个字节表示，各对应一把电子枪，每种颜色可有256种亮度，三种颜色的组合是224颜色，共有二十四个位面 如屏幕分辨率为1024×768，则彩色显示器的帧缓冲的容量是1024×768×8×3＝18,874,368位

24个位面帧缓冲器 8 位 DAC 蓝电子枪 00001010 红电子枪 绿电子枪 10101100 01001011

把位面号作为颜色索引号 为了进一步提高颜色的种类，控制帧缓冲的增加，可把帧缓冲中的位面号作为颜色索引表的索引号，为每组原色配置一个颜色索引表，颜色索引表有256项，每一项具有w位字宽，当w大于8时，如w＝10，可以有210种亮度等级，但每次只能有256种不同的亮度等级可用，这种颜色称为索引色。 在后续的程序中，将使用COLORREF RGB(BYTE bRed，BYTE bGreen，BYTE bBlue) 函数定义颜色

LCD显示器 CRT固有的物理结构限制了它向更广的显示领域发展 屏幕的加大必然导致显象管的加长，显示器的体积必然要加大，在使用时候就会受到空间的限制 CRT显示器是利用电子枪发射电子束来产生图像，容易受电磁波干扰 长期电磁辐射会对人们健康产生不良影响

LCD显示器 LCD显示器的优点 外观小巧精致，厚度只有6.5~8cm左右 不会产生CRT那样的因为刷新频率低而出现的闪烁现象 工作电压低，功耗小，节约能源 没有电磁辐射，对人体健康没有任何影响

索尼公司的两款LCD外形

LCD显示器基本原理 液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质，它具有液体的流态性质和固体的光学性质。当液晶受到电压的影响时，就会改变它的物理性质而发生形变，此时通过它的光的折射角度就会发生变化，而产生色彩 液晶屏幕后面有一个背光，这个光源先穿过第一层偏光板，再来到液晶体上，而当光线透过液晶体时，就会产生光线的色泽改变，从液晶体射出来的光线，还得必须经过一块彩色滤光片以及第二块偏光板

液晶显示有主动式和被动式两种 被动式液晶屏幕有STN（Super TN超扭曲向列LCD）和DSTN（Double layer Super TN双层超扭曲向列LCD）等 最流行的主动式液晶屏幕是TFT（Thin Film Transistor 薄膜晶体管） 主动式液晶显示器使用了FET场效晶体管以及共通电极，这样可以让液晶体在下一次的电压改变前一直保持电位状态。这样主动式液晶显示器就不会产生在被动式液晶显示器中常见的鬼影、或是画面延迟的残像等

LCD显示器的基本指标 可视角度 视线与屏幕中心法向成一定角度时，人们就不能清晰地看到屏幕图象，而那个能看到清晰图象的最大角度被我们称为可视角度。一般所说的可视角度是指左右两边的最大角度相加。工业上有CR10（Contrast Ratio）、CR5两种标准来判断液晶显示器的可视角度

点距与分辨率 液晶屏幕的点距就是两个液晶颗粒（光点）之间的距离，一般0.28~0.32mm就能得到较好的显示效果 通常所说的液晶显示器的分辨率是指其真实分辨率，表示水平方向的像素点数与垂直方向的像素点数的乘积

三维显示器 不需要佩戴任何3D眼镜就可以观察到具有三维立体效果的图像

图形处理器 图形处理器是图形系统结构的重要元件，是连接计算机和显示终端的纽带 早期的图形处理器只包含简单的存储器和帧缓冲区，它们实际上只起了一个图形的存储和传递作用，一切操作都必须有CPU来控制 现在的图形处理器不单单存储图形，而且能完成大部分图形函数，专业的图形卡已经具有很强的3D处理能力，大大减轻了CPU的负担,提高了显示质量和显示速度

图形处理器的组成 显示主芯片 显示缓存 数字模拟转换器（RAMDAC） 显卡的核心，俗称GPU，它的主要任务是对系统输入的视频信息进行构建和渲染 显示缓存 用来存储将要显示的图形信息以及保存图形运算的中间数据 显存的大小和速度直接影响着主芯片性能的发挥 数字模拟转换器（RAMDAC） 它的作用就是把二进制的数字转换成为和显示器相适应的模拟信号

显卡工作原理简单示意图

图形输入设备 最常用的图形输入设备就是基本的计算机输入设备——键盘和鼠标 跟踪球和空间球都是根据球在不同方向受到的推或拉的压力来实现定位和选择。数据手套则是通过传感器和天线来获得和发送手指的位置和方向的信息。这几种输入设备在虚拟现实场景的构造和漫游中特别有用

光笔是一种检测光的装置，它直接在屏幕上操作，拾取位置 光笔的形状和大小象一支圆珠笔，笔尖处开有一个圆孔，让荧光屏的光通过这个孔进入光笔。光笔的头部有一组透镜，把所收集的光聚集至光导纤维的一个端面上，光导纤维再把光引至光笔另一端的光电倍增管，从而将光信号转换成电信号，经过整形后输出一个有合适信噪比的逻辑电平，并作为中断信号送给计算机

光笔结构示意图

数字化仪是一种把图形转变成计算机能接收的数字形式专用设备 基本工作原理是采用电磁感应技术 由一块数据板和一根触笔组成。数据板中布满了金属栅格，当触笔在数据板上移动时，其正下方的金属栅格上就会产生相应的感应电流。根据已产生电流的金属栅格的位置，就可以判断出触笔当前的几何位置

扫描仪 图形扫描仪是直接把图形和图象扫描到计算机中以象素信息进行存储的设备 绝大多数是采用的固态器件是电荷耦合器件（CCD，Charge Coupled Device） 工作原理 用光源照射原稿，投射光线经过一组光学镜头射到CCD器件上，得到元件的颜色信息，再经过模/数转换器，图象数据暂存器等，最终输入到计算机

扫描仪的模块框图

真实物体的三维信息的输入 在实际的产生过程中许多零件和样板要进行大规模的生产就必须在计算机中生成三维实体模型，有时这个模型要通过已有的实物零件得到，这时候就需要一种设备来采集实物表面各个点的位置信息 一般的方法是通过激光扫描来实现，现在国外已经有许多这样的商业仪器 这项技术的一个应用就是扫描保存古代名贵的雕塑和其它艺术品的三维信息

美国斯坦福大学计算机系的著名图形学专家Marc Levoy曾经带领他的30人的工作小组（包括美国斯坦福大学及美国华盛顿大学的教师和学生）于1998～1999学年专门在意大利对文艺复兴时代的雕刻大师米开朗基罗的众多艺术品进行扫描，保存其形状和面片信息。他们为此专门设计了一套硬件和软件系统。数据量也是惊人的，光大卫像（the David）就有20亿个多边形和7000张彩色图象，总共需要72G的磁盘容量。 http://graphics.stanford.edu/~levoy/

概念与术语 图形 图形的表示 图形学的研究内容 图形学的应用 主要的研究动态 所熟悉的图形软件包 图形软件的标准

思考题： 通过阅读，掌握光栅显示器的工作原理 掌握计算机图形显示卡的基本原理 浏览图书馆或网上计算机图形学有关的刊物，发现感兴趣的期刊或网站。

上机 地点：11楼多媒体实验室 时间？从如下选择一个，下周开始上机 周一下午5-6 周一下午7-8 周四上午1-2 周四上午3-4 周五1-8