交互式计算机图形处理系统 哈尔滨工业大学计算机学院 唐好选 2019年7月27日

交互式计算机图形系统的组成 通用外部设备 图形显示终端 图形输入设备 图形输出设备 计算机

交互式计算机图形处理系统 Computer + 人 = 交互式 要求主机性能更高（强大的浮点运算能力），速度更快，存储容量更大，外设种类更齐全 图形加速卡，大屏幕显示器 Personel Computer图形处理系统 workstation图形处理系统

图形输入设备的发展 第一阶段 控制开关、穿孔纸等 第二阶段 键盘、光笔 第三阶段 二维定位设备，如鼠标、坐标数字化仪、跟踪球、触摸屏、操纵杆、扫描仪等 第四阶段 三维输入设备（如三维鼠标、空间球、数据手套等） 智能人机接口：用户的手势、表情、语音等

图形输入设备（1） 三维鼠标和空间球：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 空间球 三维鼠标

图形输入设备（2） 数据手套(Data glove) 可测量出手的位置和形状，从而实现环境中的虚拟手及其对虚拟物体的操纵 数据手套通过手指上的弯曲、扭曲传感器和手掌上的弯度、弧度传感器，确定手及关节的位置和方向

图形输入设备（3） 头盔式显示器 将观察者的头部位置及运动方向告诉计算机，计算机就可以调整观察者所看到的视景，使得呈现图像更趋于真实感，绝大多数头盔式显示器使用两个显示器 利用特殊光学设备对图像进行处理，使图像看上去立体感更强 把用户的视觉、听觉和其他感觉封装起来，产生一种身在虚拟环境中的错觉

图形输入设备（4） 图像扫描仪（Image Scanner） 滚筒式扫描仪 由电子分色机发展而来，用光电倍增管作为颜色感受器，将光信号转换为电信号 扫描图像质量相对较高，可扫描幅面更大 平板式扫描仪 采用电荷耦合器件CCD （Charge Coupled Device） 通过由透镜和反射镜组成的光学系统，将图像数据传送到光敏CCD芯片上，采用半导体芯片捕获图像数据

扫描仪工作原理 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

扫描仪的指标 分辨率 光学分辨率：单位长度上能采样信息点数 插值分辨率：驱动软件插值计算得到的分辨率 扫描分辨率：扫描时的实际输入分辨率 原稿尺寸 原稿放大倍数：如光学分辨率为6000dpi，所需图像分辨率为300dpi，则可放大20倍 位深度/色深度：可获取图像的最大灰度级数、最多颜色数 色调灵敏度

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30人工作小组于1998～1999年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，为此专门设计了一套硬件和软件系统 扫描数据量惊人，光大卫像就有20亿个多边形和7000张彩色图像，总共需要72G的磁盘容量 这是实体图形输入的一个颠峰之作

图形输入设备（5） 数码相机 图形输入的一个特殊领域：真实物体三维信息输入 零件进行大规模生产必须在计算机中生成三维实体模型，这个模型有时要通过已有的实物零件得到，需要采集实物表面各个点的位置信息 保存古代名贵的雕塑和其它艺术品的三维信息，并在计算机中产生这些艺术品的三维模型

图形输入设备（6） 三维数字化仪 电磁感应原理 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 许多数字化仪提供了多种压感电流，用不同压力就会有不同的信息传向计算机

图形输入设备（7） 美术家数字化仪 带压力传感器，无绳触笔 通过控制笔的压力绘制不同风格的画

图形输出设备 阴极射线管显示器（CRT： Cathode Ray Tube ） 单色CRT 彩色CRT 液晶显示器（LCD） 绘图仪，打印机 双监视器图形工作站 MediaWall多屏幕系统——监视器阵列

图形输出设备（1） 阴极射线管(CRT) 组成：电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏 工作原理：电子枪发射电子束，经过聚焦系统、加速电极、偏转系统，轰击到荧光屏的不同部位，被其内表面的荧光物质吸收，发光产生可见的图形

电子枪 电灯丝的组成 阴极 由灯丝加热发出电子束 控制栅 加上负电压后，能够控制通过其中小孔的带负电的电子束的强弱，通过调节负电压高低来控制电子数量，即控制荧光屏上相应点的亮度

聚焦系统 加速电极 偏转系统 通过电场和磁场控制电子束变细，保证亮点足够小，提高分辨率 加正的高压电（几万伏）使电子束高速运动 控制静电场或磁场，使电子束产生偏转，最大偏转角是衡量系统性能的最重要的指标

某种CRT产生稳定图像所需要的最小刷新频率 荧光屏 余辉时间：持续发光时间，从电子束离开某点后，该点的亮度值衰减到初始值所需要的时间 刷新(Refresh)：为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值 刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数 像素(Pixel)：构成屏幕（图像）的最小元素 分辨率(Resolution)：CRT在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大像素个数，也可用整个屏幕所能容纳的像素个数描述,如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等 某种CRT产生稳定图像所需要的最小刷新频率 =1秒/荧光物质的持续发光时间

图形输出设备（2） 彩色CRT 渗透型 常用于随机扫描显示器 射线穿透法 多枪型 常用于光栅扫描显示器 影孔板法

射线穿透法（beam penetration） 原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光物质，不同速度电子束穿透荧光层的深浅，决定所产生的颜色 电子束 荧光涂层 产生颜色 低速电子束 较低速电子束 较高速电子束 高速电子束

影孔板法 原理：影孔板被安装在荧光屏的内表面，用于精确定位像素的位置 外层玻璃 荧光涂层 影孔板

影孔板的类型 点状影孔板（荫罩式）：球面显像管 栅格式影孔板（荫栅式） 代表：柱面显像管 日本索尼公司的特丽珑管（Trinitron） 三菱公司的钻石珑管（Diamondtron） 沟槽式影孔板：LG的Flatron显像管

荫罩式（点状）影孔板工作原理 红、绿、兰三基色 三色荧光点（很小并充分靠近--〉像素） 三支电子枪 电子枪、影孔板中的一个小孔和荧光点呈一直线 每个小孔与一个像素（即三个荧光点）对应

荫罩式显示器的缺点 球面荧光屏，几何失真大 三角形的荧光点排列造成即使点很密很细也不会特别清晰 最近几年 流行荫栅式显示器

荫栅式影孔板工作原理 原理的区别：光线的选择方式和荧光点的排列不同 荫栅式显象管的优点 亮度更高，色彩也更鲜艳 柱面和平面显示器

图形输出设备（3） 直视存储管式（Direct-View Storage Tubes） 利用管子本身存储信息，类似于一个长余辉的CRT，不必刷新 刷新式 随机扫描式（Random-Scan） 光栅扫描式（Raster-Scan）

随机扫描的显示系统 数据表示：矢量表示，只有端点信息，无线段中间点 扫描方式：电子束像一支快速移动的画笔，可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分，与示波器工作原理类似 显示图形：几何属性（geometric attribute）为主，线架图 优点：扫描速度快，分辨率高，线条质量好，易修改，交互性好，动态性能好 缺点：价格贵，只能显示线画图形，应用于军事、CAD领域

光栅扫描的显示系统 数据表示：像素矩阵 扫描方式：从上到下，从左到右，与电视工作原理类似 显示图形：几何属性+视觉属性（Visual attribute），真实感图形

隔行扫描（Interlaced scan）工作原理 一帧完整的画面分成两场，即奇数场与偶数场 场频= 帧频 * 2 一帧1／30秒，一场1／60秒 帧频30HZ ，场频60HZ 优点： 降低了闪烁效应； 只需逐行的一半时间即可显示一屏画面，降低了对扫描频率的要求，也降低了成本； 帧缓存中数据量比逐行扫描少一半，降低了视频控制器存取帧缓存的速度及传输带宽的要求

计算机图形处理系统 DPU display printer 绘图仪 Computer 视频控制器 输入设备 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 Processing Uuit，简称DPU） CRT

光栅扫描显示系统工作原理 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) →视频控制器控制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

图形处理器 图形处理器：俗称显卡 CGA EGA VGA TVGA SVGA XGA SXGA

显示主芯片 显存 RAMDAC 显卡的核心，俗称GPU 代替CPU完成部分图形处理功能，扫描转换、几何变换、裁剪、光栅操作、纹理映射等等 各图形函数基本上都集成在这里 显存 存储将要显示的图形信息 保存图形运算的中间数据 它与显示主芯片的关系，就像计算机的内存与CPU一样 RAMDAC 视频存储数字模拟转换器 在视频处理中，把二进制的数字转换成为和显示器相适应的模拟信号

简单光栅扫描图形显示系统 典型的光栅扫描图形显示系统 帧缓存为系统内存任一块区域，视频控制器能直接存取该区域以刷新屏幕 帧缓存可以是专用的存储器 也可是系统内存中的一块固定区域

帧缓冲存储器（Frame Buffer） 也称刷新存储器(Refreshing Buffer),简称帧缓冲器，俗称显存,用于存储屏幕上像素的颜色值 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

视频控制器（显示控制器） 作用：控制图形的显示，建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应关系，负责按固定刷新频率和扫描顺序刷新屏幕图形 工作原理—刷新周期开始，光栅扫描发生器置X地址寄存器为0，置Y地址寄存器为N-1，首先取出对应像素（0，N-1）的帧缓存单元的数值, 放入像素值寄存器，用来控制像素的颜色，然后X的地址寄存器的地址加一，如此重复，直到该扫描线上的最后一个像素。

位面技术（1/3） 显存分成若干颜色的位平面（bit plane） 各平面上相同位置的每一位和屏幕上的一个像素对应，即同一像素点在各位面占同一地址 不同位面上同一像素地址中的内容决定像素的颜色，位平面越多，可表达的色彩越丰富，增加一个位面，色彩就增加一倍

位面技术（2/3） N位寄存器 1 电子枪 2NDAC 有N个位面的帧缓存 0-2N-1灰度等级 CRT光栅 帧缓存 CRT光栅 寄存器 1 0-2N-1灰度等级 寄存器 蓝色枪 帧缓存 DAC 1 CRT光栅 红色枪 绿色枪

位面技术（3/3） 若有24个位面（每种基色8个位面），可同时显示(28)3 =224=16777216种颜色（24位真彩色） 红 绿 蓝 Black Blue 1 Green Cyan Red Magenta Yellow White 红绿蓝三个位面，组合成8种颜色 增加一个亮度位面，形成16种颜色 若有24个位面（每种基色8个位面），可同时显示(28)3 =224=16777216种颜色（24位真彩色）

显存容量 分辨率M*N、颜色个数K与显存容量V的关系 3个位面、分辩率是1024×1024的显示器 需要3×1024×1024（3145728）位的存储器

高分辨率和真彩要求有大的显存 若存储器位数固定，则屏幕分辩率与同时可用颜色种数成反比 1兆字节的帧缓存 若设分辩率为640×480，则帧缓存每个单元可有24位，可能同时显示224种颜色 若设分辩率为1024×768，则每个单元分得的位数仅略多于8，只能工作于256色显示模式下 高分辨率和真彩要求有大的显存 1024*768真彩模式需要3M字节显存 解决方法 采用查色表(Look-up Table）或称彩色表(Color Table)

颜色信息的存放方式 两种存放方式 颜色值直接存储在帧缓存中 把颜色码放在一个独立的表中，帧缓存存放的是颜色表中各项的索引值，索引色

查色表（LUT）工作原理 是一维线性表，其每一项的内容对应一种颜色,长度由帧缓存单元的位数决定 例如：每单元有8位，则查色表的长度为28＝256

带宽问题 带宽T与分辨率、帧频（刷新频率）F的关系 带宽问题 高分辨率和高刷新频率要求高带宽 解决方法：隔行扫描（现在已基本不用，主流显示器都采用逐行扫描方式）

衡量CRT的指标 屏幕尺寸大小 显像管种类 点距 分辨率 画面刷新频率 带宽

LCD显示器（1） CRT显示器的缺点： 屏幕的加大导致显象管的加长，体积加大，使用时候受到空间的限制 利用电子枪发射电子束来产生图像，产生辐射与电磁波干扰，长期使用对健康不利

LCD显示器（2） 液晶显示器 LCD（Liquid Crystal Display） 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

LCD显示器（3） 基本技术指标 可视角度 指左右两边的可视最大角度相加 点距 两个液晶颗粒（光点）之间的距离 分辨率 指其真实分辨率,比如1024×768的含义就是指该液晶显示器含有1024×768个液晶颗粒

LCD显示器（4） 显示效果与CRT相比有差距 但有后来居上之势 外观小巧精致，厚度只有6.5～8cm左右 液晶象素总是发光，只有加上不发光的电压时该点才变黑，不会产生闪烁现象 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

LCOS显示器 LCD与CMOS集成电路有机结合的反射型新型显示技术 具备大屏幕、高亮度、高分辨率、省电等优势 可能是HDTV的背投影技术发展的主要方向，是目前CRT技术大屏幕投影电视机的主要竞争者

空气等离子体显示器 空气等离子体可想象成一个个微型霓虹灯，红绿蓝三种不同颜色的像素 显示屏薄，挂在墙上 无锯齿现象，分辨率好 无需刷新缓存，重量轻，无辐射 价格贵

未来显示器 发光聚合物技术 坚不可摧；柔韧性好，可以卷起来； 显示画面具有无与伦比的清晰度； 真正的平面直角

开放式的三维图形软件包OpenGL OpenGL是在SGI等多家世界闻名的计算机公司的倡导下，以SGI的GL三维图形库为基础制定的一个通用共享的开放式三维图形标准 目前，包括Microsoft、SGI、IBM、SUN、HP等大公司都采用了OpenGL做为三维图形标准，许多软件厂商也纷纷以OpenGL为基础开发出自己的产品 其中比较著名的产品包括：动画制作软件Softimage和3D Studio MAX、仿真软件Open Inventor、VR软件World Tool Kit、CAM软件ProEngineer、GIS软件ARC/INFO等等

OpenGL的优越性 独立于窗口系统和操作系统,以它为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植 可与Visual C++紧密接口 使用简便，效率高

OpenGL图形库的功能 一共有100多个函数,其中核心函数有115个 除了提供基本的点、线、多边形的绘制函数外，还提供了复杂的三维物体（球、锥、多面体、茶壶等）以及复杂曲线和曲面（如Bezier、NURBS等曲线或曲面）绘制函数 基本几何变换和投影变换 颜色模式设置 光照和材质设置 纹理映射功能 位图显示和图象增强：反走样(Antialiasing)和雾(fog)的特殊图象效果处理 双缓存(Double Buffering)动画：双缓存即前台缓存和后台缓存，即后台缓存计算场景、生成画面，前台缓存显示后台缓存已画好的画面

The End!