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1、计算机图形学戚世贵教学要求n n了解图形系统的框架及其涉及的软件、硬件技术；n n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；n n对与图形相关的应用及当前的研究热点有一个初步认识；n n具有一定实践体会和相关的编程能力。教材或参考书n n教材教材n n潘云鹤：计算机图形学潘云鹤：计算机图形学-原理、方法及应用原理、方法及应用n n主要参考书：主要参考书：n n孙家广：计算机图形学（第三版），清华大学出版社，孙家广：计算机图形学（第三版），清华大学出版社，19991999。n n倪明田等，倪明田等，“计算机图形学计算机图形学”，北京大学出版社，北京大学出版社，19991999。n
2、nDonald Hearn,M.Pauline Baker,“Computer Donald Hearn,M.Pauline Baker,“Computer Graphics(C Version)”,Prentice Hall,1997.Graphics(C Version)”,Prentice Hall,1997.n nJames D.Foley,Andries van Dam etc.,James D.Foley,Andries van Dam etc.,“Introduction to Computer Graphics”,Addison-“Introduction to Compute
3、r Graphics”,Addison-Wesley,1996 Wesley,1996 第一章 计算机图形学基本知识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1.1计算机图形学研究内容何谓图形？图形：计算机图形学的研究对象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、材质等计算机中如何表示图形？点阵表示l枚举出图形中所有的点(强调图形由点构成)l简称为图像（数字图像）参数表示l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(
4、颜色、线型等)来表示图形l简称为图形：l图形主要分为两类：基于线条信息表示 明暗图(Shading)n n什么是计算机图形学？什么是计算机图形学？什么是计算机图形学？什么是计算机图形学？定义：用计算机表示、生成、处理和显示图形对象的一门学科。定义：用计算机表示、生成、处理和显示图形对象的一门学科。定义：用计算机表示、生成、处理和显示图形对象的一门学科。定义：用计算机表示、生成、处理和显示图形对象的一门学科。计算机图形学计算机图形学计算机图形学计算机图形学是计算机科学中，最为活跃、得到广泛应用的分支之一是计算机科学中，最为活跃、得到广泛应用的分支之一是计算机科学中，最为活跃、得到广泛应用的分支之
5、一是计算机科学中，最为活跃、得到广泛应用的分支之一n n图像处理图像处理图像处理图像处理：将客观世界中原来存在的物体的影像处理成新的数字化图：将客观世界中原来存在的物体的影像处理成新的数字化图：将客观世界中原来存在的物体的影像处理成新的数字化图：将客观世界中原来存在的物体的影像处理成新的数字化图像的相关技术。像的相关技术。像的相关技术。像的相关技术。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
6、方便处理，图像做各种变换以方便处理，图像做各种变换以方便处理，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，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，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，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。图像边缘提取，特征增强和提取。图像边缘提取，特征增强和提取。图像边缘提取，特征增强和提取。n n模式识别模式识别模式识别模式识别：对输入的图像进行分析和识别，找出其中蕴涵的内在联系：对输入的图像进行分析和识别，找出其中蕴涵的内在联系：对输入的图像进行
7、分析和识别，找出其中蕴涵的内在联系：对输入的图像进行分析和识别，找出其中蕴涵的内在联系或抽象模型。或抽象模型。或抽象模型。或抽象模型。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。数据模型（特征）。手写体识别、机器视觉。数据模型（特征）。手写体识别、机器视觉。数据模型（特征）。手写体识别、机器视觉。计算机图形学的研究内容n n如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形
8、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、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。计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。1.2图像学的发展历史n n50年代19501950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院（学院（MITMIT）旋风）旋风I I号（号（Whirlwind IWhirlwi
9、nd I）计算机）计算机的附件诞生了的附件诞生了19581958年，美国年，美国CalcompCalcomp公司由联机的数字记公司由联机的数字记录仪发展成滚筒式绘图仪，录仪发展成滚筒式绘图仪，GerBerGerBer公司把数控公司把数控机床发展成为平板式绘图仪机床发展成为平板式绘图仪5050年代末期，年代末期，MITMIT的林肯实验室在的林肯实验室在“旋风旋风”计计算机上开发算机上开发SAGESAGE空中防御体系空中防御体系n n60年代19621962年，年，MITMIT林肯实验室的林肯实验室的I.E.SutherlandI.E.Sutherland发表了一篇题为发表了一篇题为“Sketch
10、pad“Sketchpad：一个人机交互通：一个人机交互通信的图形系统信的图形系统”的博士论文的博士论文-确定了交互图形学作为一个学科分支（提出基本交互技术、图元分层表示概念及数据结构)。19621962年，雷诺汽车公司的工程师年，雷诺汽车公司的工程师Pierre Pierre B Bzier zier 提出提出B Bzierzier曲线、曲面的理论曲线、曲面的理论19641964年年MITMIT的教授的教授Steven A.CoonsSteven A.Coons提出了提出了超限插值的新思想，通过插值四条任意的边界超限插值的新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。曲线来构造曲面。n n7
11、070年代年代 光栅图形学迅速发展光栅图形学迅速发展n n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 图形软件标准化图形软件标准化n n19741974年，年，ACM SIGGRAPHACM SIGGRAPH的与的与“与机器无关的图形技术与机器无关的图形技术”的工作的工作会议会议n nACMACM成立图形标准化委员会，制定成立图形标准化委员会，制定“核心图形系统核心图形系统”（Core Core Graphics SystemGraphics System）n nISOISO发布发布CGICGI、CGMCGM、GKSGKS、
12、PHIGSPHIGS 真实感图形学真实感图形学n n19701970年，年，BouknightBouknight提出了第一个光反射模型提出了第一个光反射模型n n19711971年年GourandGourand提出提出“漫反射模型插值漫反射模型插值”的思想，被称为的思想，被称为GourandGourand明暗处理明暗处理n n19751975年，年，PhongPhong提出了著名的简单光照模型提出了著名的简单光照模型-Phong-Phong模型模型 实体造型技术实体造型技术n n英国剑桥大学英国剑桥大学CADCAD小组的小组的BuildBuild系统系统n n美国罗彻斯特大学的美国罗彻斯特大学
13、的PADL-1PADL-1系统系统n n80年代19801980年年WhittedWhitted提出了一个光透视模型提出了一个光透视模型-WhittedWhitted模型，并第一次给出光线跟踪算法的模型，并第一次给出光线跟踪算法的范例，实现范例，实现WhittedWhitted模型模型19841984年，美国年，美国CornellCornell大学和日本广岛大学的学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图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展n n9090年代：微机和软件
14、系统的普及使得图形学的应用领域日年代：微机和软件系统的普及使得图形学的应用领域日益广泛。益广泛。标准化、集成化、智能化标准化、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 三维造型技术三维造型技术n nACM SIGGRAPHACM SIGGRAPH会议小知识会议小知识 全称全称“the Special Interest Group on Computer “the Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques”Graphics and
15、 Interactive Techniques”6060年代中期，由年代中期，由Brown Brown 大学的教授大学的教授Andries van Andries van Dam(Andy)Dam(Andy)和和IBMIBM公司的公司的Sam MatsaSam Matsa发起发起 19741974年，在年，在ColoradoColorado大学召开了第一届大学召开了第一届SIGGRAPH SIGGRAPH 年会，并取得了巨大的成功年会，并取得了巨大的成功 每年只录取大约每年只录取大约5050篇论文篇论文硬件发展n n图形显示器的发展图形显示器的发展 图形显示器是计算机图形学中关键的设备图形显示
16、器是计算机图形学中关键的设备n n 60 60年代中期：画线显示器（亦称矢量显示器）年代中期：画线显示器（亦称矢量显示器）需要需要刷新刷新。设备昂贵，限制普及。设备昂贵，限制普及n n 60 60年代后期：存储管式显示器年代后期：存储管式显示器 不不需需刷刷新新，价价格格较较低低，缺缺点点是是不不具具有有动动态态修修改改 图形功能，不适合交互式。图形功能，不适合交互式。l70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。l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 图形显示设备的发展：图形显示设备的发展：画线显示器（矢量显示器/随机扫描显示器）
17、存储管式显示器刷新式光栅扫描显示器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1.3图像学的应用n n用户接口介于人与计算机之间，人与机器的通信，人机界面（HCI）：软件硬件发展：由指示灯和机械开关组成的操纵界面由终端和键盘组成的字符界面（80年代）由多种输入设备和光栅图形显示设备构成的图形用户界面（GUI），（90年代）PC，工 作 站，WIMP(W-windows、I-icons、M-menu、P-pointing
18、 devices)界面，所见即所得VR技术（发展方向）n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l 飞机、汽车、船舶的外形的设计l 发电厂、化工厂等的布局l 土木工程、建筑物的设计l 电子线路、电子器件的设计l 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奥迪效果图和线框图n n地形地貌和自然资源图地形地貌和自然资源图n n科学计算可视化科学计算可视化(Scientific Visualization)Scientific Visualization)海量的数据使得人们对数据的分析和处理变得越
19、来越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难，用图形来表示数据的迫切性与日俱增 19861986年，美国科学基金会（年，美国科学基金会（NSFNSF）专门召开了一次研）专门召开了一次研讨会，会上提出了讨会，会上提出了“科学计算可视化（科学计算可视化（Visualization Visualization in Scientific Computingin Scientific Computing）”科学计算可视化广泛应用于医学、流体力学、有限元科学计算可视化广泛应用于医学、流体力学、有限元分析、气象分析当中分析、气象分析当中 在医学领域，可视化有着广
20、阔的发展前途在医学领域，可视化有着广阔的发展前途n n是机械手术和远程手术的基础是机械手术和远程手术的基础n n将医用将医用CTCT扫描的数据转化为三维图象，帮助医生判别病人体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内的患处n n由由CTCT数据产生在人体内漫游的图象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的前沿与难点n n可视化硬件的研究可视化硬件的研究n n实时的三维体绘制实时的三维体绘制n n体内组织的识别分割体内组织的识别分割SegmentationSegmentationn n计算机动画和艺术电视广告，节目片头，科教演示（CAI）Quake III，“古墓丽影
21、”，“侏罗纪公园”、“皇帝的新衣”、完美风暴 MAYA,3D-MAX,SOFTIMAGEn n游戏当前研究热点n n当前研究热点真实感图形实时绘制真实感图形实时绘制n n物体网格模型的面片简化：物体网格模型的面片简化：对网格面片表示的模型，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，加快图形绘制速度简化所绘制场景的复杂层度，加快图形绘制速度n n基于图象的绘制基于图象的绘制(IBR(IBR，Image Based Rendering)Image Based Rendering)：完全摒弃传统的先建模，然
22、后确定光源的绘制的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的图象，适用于野外极其复杂场景的生成和漫游当前研究热点野外自然景物的模拟野外自然景物的模拟n n野外场景远远复杂于室内场景，绘制难度更大，方野外场景远远复杂于室内场景，绘制难度更大，方法更趋多样化法更趋多样化n n主要绘制山、水、云、树、草、火等等主要绘制山、水、云、树、草、火等等n n绘制火的粒子系统（绘制火的粒子系统（Particle SystemParticle System），基于生），基于生理模型
23、的绘制植物的方法，绘制云的细胞自动机方理模型的绘制植物的方法，绘制云的细胞自动机方法等法等由清华大学自然景物平台生成的野外场景日本YoshinoriDobashi等人绘制的真实感云Xfrog3.0生成的挪威云杉与计算机网络技术的紧密结合远程医疗与诊断远程导航与维修远程教育计算机图形硬件简介n n图形输入设备n n图形输出设备图形输入设备n n矢量型图形输入设备矢量型图形输入设备n n光栅型图形输入设备光栅型图形输入设备功能：功能：（1 1）确定点坐标，即定位）确定点坐标，即定位（2 2）确定一系列点的坐标，即笔画）确定一系列点的坐标，即笔画（3 3）确定数值）确定数值（4 4）进行选择）进行选
24、择（5 5）进行图形识别）进行图形识别（6 6）识别字符串）识别字符串n n键盘n n鼠标n n坐标数字仪n n光笔n n触摸屏n n图形扫描仪图形输出设备阴极射线管彩色阴极射线管射线穿透法射线穿透法影孔板法影孔板法随机扫描显示系统光栅扫描系统图形输出设备阴极射线管(CRT-Cathode Ray Tube)组成：包括电子枪、加速结构、聚焦系统、偏转组成：包括电子枪、加速结构、聚焦系统、偏转组成：包括电子枪、加速结构、聚焦系统、偏转组成：包括电子枪、加速结构、聚焦系统、偏转系统、荧光屏系统、荧光屏系统、荧光屏系统、荧光屏 工作原理工作原理:高速的电子束由电子枪发出，经过聚高速的电子束由电子枪发
25、出，经过聚焦系统、加速系统和磁偏转系统就会焦系统、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，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，必须不断地发要保持显示一幅稳定的画面，必须不断地发射电子束射电子束刷
26、新频率刷新频率l刷新一次是指电子束从上到下扫描一次刷新一次是指电子束从上到下扫描一次的过程的过程l刷新频率高到一定值后，图象才能稳定刷新频率高到一定值后，图象才能稳定显示显示电子枪电子枪u电灯丝，阴极和控制栅组成。电灯丝，阴极和控制栅组成。u阴极：由灯丝加热发出电子束，阴极：由灯丝加热发出电子束，u控制栅：加上负电压后，能够控制通过其中小孔的控制栅：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。电子数量，即控制荧光屏上相应点的亮度。聚焦系统保证电子束在轰击屏幕时，汇聚成很细的
27、点。加速电极加正的高压电（几万伏），使电子束高速运动。偏转系统n控制电子束，静电场或磁场，产生偏转。n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n最大偏转角是衡量系统性能的最重要的指标，显示器长短与此有关nCRT显示器屏幕越大整个显象管就越长荧光屏荧光物质：当它被电子轰击时发出亮光荧光物质：当它被电子轰击时发出亮光l持续发光时间：电子束离开某点后，该点的亮度值衰持续发光时间：电子束离开某点后，该点的亮度值衰减到初始值减到初始值1/10所需的时间所需的时间l刷新刷新(Refresh)：为了让荧光物质保持一个稳定的亮为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值度值l
28、刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数某种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（例如）=1000/40=25Hzl像素像素(Pixel:Picture Cell)：构成屏幕（图：构成屏幕（图像）的最小元素像）的最小元素l分辨率分辨率(Resolution)：CRT在水平或竖直方在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大像素个数，单位通向单位长度上能识别的最大像素个数，单位通常为常为dpi（dots per inch)。在假定屏幕尺。在假定屏幕尺寸一定的情况下，也可用整个屏幕所能容纳的寸一定的情况下，也可用整个屏幕所能容纳的像素个数描述，如像素个
29、数描述，如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等等等彩色阴极射线管产生彩色的常用方法：射线穿透法影孔板法彩色阴极射线管-射线穿透法原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光物质，电子束轰击穿透荧光层的深浅，发光物质，电子束轰击穿透荧光层的深浅，决定所产生的颜色决定所产生的颜色电子束电子束荧光涂层荧光涂层产生颜色产生颜色低速电子束低速电子束较低速电子束较低速电子束较高速电子束较高速电子束高速电子束高速电子束n n应用：应用：主要用于画线显示器主要用于画线显示器n n优点：优点：成本低成本低n n缺点：缺点：只能产生有限几种颜
30、色只能产生有限几种颜色彩色阴极射线管-影孔板法n n原理：原理：原理：原理：影孔板被安装在荧光屏的内表面，用影孔板被安装在荧光屏的内表面，用影孔板被安装在荧光屏的内表面，用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于精确定位像素的位置于精确定位像素的位置于精确定位像素的位置外层玻璃荧光涂层影孔板影孔板 影孔板的类型影孔板的类型影孔板的类型影孔板的类型n n点状影孔板点状影孔板点状影孔板点状影孔板代表：大多数球面与柱面显像管代表：大多数球面与柱面显像管代表：大多数球面与柱面显像管代表：大多数球面与柱面显像管n n栅格式影孔板栅格式影孔板栅格式影孔板栅格式影孔板代表：代表：代表：代表：S
31、onySony的的的的TrinitronTrinitron与与与与MitsubishiMitsubishi的的的的DiamondtronDiamondtron显像管显像管显像管显像管n n沟槽式影孔板沟槽式影孔板沟槽式影孔板沟槽式影孔板代表：代表：代表：代表：LGLG的的的的FlatronFlatron显像管显像管显像管显像管l球面显示器与柱面显示器普通的显象管采用的都是点状影孔板显象管，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”l常用的点状影孔板显象管有日本索尼公司的
32、特丽珑管（Trinitron）和三菱公司的钻石珑管（Diamondtron）显示器n n随机扫描显示器n n存储管式显示器n n光栅扫描式显示器n n液晶显示器n n等离子显示器随机扫描显示器电子束的定位和偏转具有随机性，某一时刻，显电子束的定位和偏转具有随机性，某一时刻，显示屏上只有一个光点发光，可以画出线很细的图形，示屏上只有一个光点发光，可以画出线很细的图形，故称为画线式显示器或矢量式显示器。故称为画线式显示器或矢量式显示器。刷新率至少每秒刷新率至少每秒3030次，图形才不会闪烁。次，图形才不会闪烁。彩色阴极射线管彩色阴极射线管特点：电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的特点：电子束可随
33、意移动，只扫描荧屏上要显示的部分。部分。存储管式图形显示器由于随机扫描图形显示器使用一个独立的存储器来存储图形信息，然后不断取出这些信息来刷新屏幕。由于存取速度的限制，使得显示稳定图形时的画线长度受到限制，且造价高。从70年代后期发展了利用管子本身来存储信息的技术，这就是存储管技术。存储管的内部结构类似CRT，也有电子枪、聚焦系统、偏转系统。但是存储管式显示器的电子束不是直接轰击到荧光屏上，而是先用写入枪将信息“写”到存储栅。同时有一个读电子枪（泛流枪），它发出连续低能电子流把存储栅上的信息重写到屏幕上。在存储栅上的后侧有收集栅，主要作用是使读出的电子流均匀，并以垂直方向接近屏幕。擦除图形的正
34、常方法是给存储栅一个正脉冲，持续1ms400ms，这时存储栅表面充电到与收集栅同样的电压，读出电子流被带正电荷的存储栅表面吸引，使存储栅放电到等同于读出电子枪的阴极电压，图形就被删除了。缺点：难于局部清除存储的电荷，从而擦除部分图形，这样就阻碍了动态图形的产生，缺乏有选择擦除图形的能力；因为不是连续刷新图形，就不能用光笔；屏幕的发差较弱。光栅式扫描图形显示器随机和存储管式图形显示器都是画线设备，可以在屏幕上从一点画到另一点形成直线。而光栅式扫描图形显示器是画点设备，不能直接从一个像素到另一个像素画出一条直线，只能用尽可能靠近这条直线的像素点来近似表示这条直线，只有水平线、垂直线、正方行对角线像
35、素点的位置才是准确的。基本概念n行频、帧频行频、帧频水平扫描频率为行频。垂直扫描频率为帧频。n逐行扫描、隔行扫描逐行扫描、隔行扫描隔行扫描方式是先扫偶数行扫描线，再扫奇数行扫描线。n n象素象素整个屏幕被扫描线分成 n 行，每行有 m 个点，每个点为一个象素。整个屏幕有 m n 个象素。n n分辨率分辨率是指CRT在水平或垂直方向的单位长度上能分辨出的最大光点（象素）数，分为水平分辨率和垂直分辨率。通常用屏幕上象素的数目来表示。比如上述的 n 行，每行 m 点的屏幕分辨率为 m n。分辨率越高，相邻象素点之间的距离越小，显示的字符或图像也就越清晰。分辨率受显示器生产工艺、扫描频率以及显示存储器
36、容量的限制。基本概念n点距点距相邻象素点之间的距离，与分辨率指标相关。n显示速度显示速度指显示字符、图形特别是动态图像的速度，与显示器的分辨率及扫描频率有关。可用最大带宽（水平象素数 垂直象素数 最大帧频）来表示。基本概念n色彩与亮度等级亮度等级又称灰度，主要指单色显示器的亮度变化。色彩包括可选择显示器颜色的数目以及一帧画面可同时显示的颜色数，与荧光屏的质量有关，并受显示存储器VRAM容量的影响。n图像刷新由于CRT内侧的荧光粉在接受电子束的轰击时，只能维持短暂的发光，根据人眼视觉暂留的特性，需要不断进行刷新才能有稳定的视觉效果，因此刷新是指以每秒30帧以上的频率反复扫描不断地显示每一帧图像。
37、图像的刷新频率等于帧扫描的频率（帧频），用每秒刷新的帧数表示。目前刷新频率标准为每秒50120帧。基本概念n帧缓冲存储器帧缓冲存储器Frame Buffer（显示存储器）（显示存储器）俗称俗称显存显存 存储用于刷新的图像信息的存储器。帧缓冲存储器的大小通常用X方向（行）和Y方向（列）可寻址的地址数的乘积来表示，称为帧缓冲存储器的分辨率。作用：存储屏幕上像素的颜色值作用：存储屏幕上像素的颜色值l l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。l l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）。黑白光栅显示器1D
38、AC电子枪缓冲存储器CRT光栅对于黑白单灰度显示器，每个像素需要1bit的存储器。1024*1024像素组成的黑白灰度单灰度显示器，需要最小的存储空间就是220=1048576bit，并在一个位面上。缓冲存储器是数字设备，光栅显示器是模拟设备，所以中间要经过数模转换。显示器上每个像素的位面中相应像素位置的内容决定的，即各个位的二进制值被存入指定的寄存器中，然后寄存器中二进制数被转换成灰度等级，范围为02N-1。在光栅图形显示器中需要足够的位面和帧缓存结合起来才能反映图形的颜色和灰度等级。如下图是一个具有N位面灰度等级的帧缓存。显示器上每个象素的亮度是由N位面中对应的每个象素位置的内容控制的。该
39、存储器的中的二进制的数被翻译成灰度等级，范围是0到2N-1之间。显示器的像素地址通常以左下角点为屏幕的原点（0，0），对于nn个像素构成的显示器，其行列编址的范围是从0n-1。为限制缓冲存储器的增加，可用颜色查找表来提高灰度级别。对于N个位面的缓冲存储器，颜色查找表必须有2N项，每项有W位字宽，当WN时，可以有2W灰度等级，但每次只能有2N个不同的灰度等级可用。彩色光栅显示器红、绿、蓝三原色有三个位面缓冲存储器和三个电子枪，其中每个位面的缓冲存储器对应一个电子枪，三个颜色组合产生不同颜色：红红绿绿蓝蓝黑黑 Black Black0 00 00 0红红 Red Red1 10 00 0绿绿 Gr
40、een Green0 01 10 0蓝蓝 Blue Blue0 00 01 1黄黄 Yellow Yellow1 11 10 0青青 Cyan Cyan0 01 11 1紫紫 Magenta Magenta1 10 01 1白白 White White1 11 11 13个位面的帧缓冲存储器的颜色表每个颜色的电子枪可以通过增加帧缓存位面来提高颜色种类的灰度等级。如图，每种原色电子枪有8个位位面的帧缓存和8位的数模转换器，每种原色可有256中灰度，三种原色的组合将是(28)3=224若若每每个个单单元元有有2424位位（每每种种基基色色占占8 8位位）即即显显示示系系统统可同时产生可同时产生2
41、22424种颜色（种颜色（2424位真彩色）。位真彩色）。分辨率分辨率分辨率分辨率M*NM*N、颜色个数、颜色个数、颜色个数、颜色个数KK与显存大小与显存大小与显存大小与显存大小VV的关的关的关的关系系系系n n显存问题显存问题高分辨率和真彩要求有大的显存；高分辨率和真彩要求有大的显存；曾经是个问题！曾经是个问题！解决方法：采用解决方法：采用查色表查色表(Lookup Table(Lookup Table）或称或称彩色表彩色表(Color Table)(Color Table)查色表工作原理查色表工作原理1024*768真彩模式需要真彩模式需要3M字节显存字节显存是是一一维维线线性性表表，其其
42、每每一一项项的的内内容容对对应应一一种种颜颜色色，它它的的长长度度由由帧帧缓缓存存单单元元的的位位数数决决定定，例例如如：每每单元有单元有8 8位，则查色表的长度为位，则查色表的长度为2 28 8256256目目的的：在在帧帧缓缓存存单单元元的的位位数数不不增增加加的的情情况况下下，具有具有大范围内挑选颜色的能力大范围内挑选颜色的能力：颜色信息在帧缓存中两种存放方式：一是颜色值直接存储在帧缓存中。二是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，颜色范围扩充了。单色系统：查色表固化彩显：可修改、创建查色表。带宽带宽T与分辨率、帧频与分辨率、帧频F的关系的关系带宽问题高分辨率和
43、高的刷新频率要求有高带宽-依然是个问题！解决方法：隔行扫描（现在已经基本不用，主流显示器都采用逐行扫描方式）隔行扫描的：把一帧分两场，即奇数场与 偶数场场频：=2*帧频隔行扫描工作原理n n一帧完整的画面分成两场。n n一场160秒，（场频60HZ），（帧频30HZ）画面更新频率仍为60HZ，降低了闪烁效应，每一场160秒内，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。简单的光栅扫描图形显示系统的结构其中，帧缓存为系统内存任一块区域，视频控制器能够直接存取该区域以刷新屏幕。较为典型的光栅扫描图形显示系统的结构较为典型的光栅扫描图形显示系统的结构其中，帧缓存
44、可以是专用的存储器，也可以是系统内存中的一块固定区域。视频控制器n n作用：作用：建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应，负责应，负责刷新刷新n n逻辑结构逻辑结构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。双缓冲机制（Double Buffer)普通显卡=视频控制器+显存显示处理器n n作用：代替作用：代替CPUCPU完成部分图形处理功能，扫完成部分图形处理功能，扫描转换、
45、几何变换、裁剪、光栅操作、纹理描转换、几何变换、裁剪、光栅操作、纹理映射等等映射等等n n具有专用显示处理器的光栅显示系统的结构具有专用显示处理器的光栅显示系统的结构图形加速卡=视频控制器+显存+显示处理器光栅显示系统的特点光栅显示系统的特点优点：优点：成本低成本低易于绘制填充图形易于绘制填充图形色彩丰富色彩丰富刷新频率一定，与图形的复杂程度无关刷新频率一定，与图形的复杂程度无关易于修改图形易于修改图形缺点：缺点：需要扫描转换需要扫描转换会产生混淆会产生混淆液体显示器CRTCRT固有的物理结构限制了它向更广的显示固有的物理结构限制了它向更广的显示领域发展领域发展n n屏幕的加大必然导致显象管的
46、加长，显示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，在使用时候就会受器的体积必然要加大，在使用时候就会受到空间的限制到空间的限制n nCRTCRT显示器是利用电子枪发射电子束来产显示器是利用电子枪发射电子束来产生图像，容易受电磁波干扰生图像，容易受电磁波干扰n n长期电磁辐射会对人们健康产生不良影响长期电磁辐射会对人们健康产生不良影响液体显示器LCDLCD显示器的优点显示器的优点n n外观小巧精致，厚度只有外观小巧精致，厚度只有6.58cm6.58cm左右。左右。n n不会产生不会产生CRTCRT那样的因为刷新频率低而出现的闪那样的因为刷新频率低而出现的闪烁现象烁现象n n工作电
47、压低，功耗小，节约能源工作电压低，功耗小，节约能源n n没有电磁辐射，对人体健康没有任何影响没有电磁辐射，对人体健康没有任何影响液体显示器由层薄板组成：垂直电极板垂直细网格线电解层液晶层水平细网格线电解层水平电极层反射层n n液晶显示器液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display)LCD(Liquid Crystal Display)是是由六层薄板组成的平板式显示器由六层薄板组成的平板式显示器反射层反射层反射层反射层水平极板水平极板水平极板水平极板水平网水平网水平网水平网格线格线格线格线液晶层液晶层液晶层液晶层垂直网垂直网垂直网垂直网格线格线格线格线垂直极板垂直极板垂直极板垂
48、直极板观观观观察察察察方方方方向向向向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
49、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n n可视角度视线与屏幕中心法向成一定角度时，人们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
50、最大角度相加。工业上有CR10CR10（Contrast RatioContrast Ratio）、）、CR5CR5两种标两种标准来判断液晶显示器的可视角度准来判断液晶显示器的可视角度LCD显示器的基本指标n n点距与分辨率液晶屏幕的点距就是两个液晶颗粒（光点）液晶屏幕的点距就是两个液晶颗粒（光点）之间的距离，一般之间的距离，一般0.280.32mm0.280.32mm就能就能得到较好的显示效果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直方向的像素点数的