45
1.4 图形显示设备 (阴极射线管显示器)
– 带宽问题
– 高分辨率和高的刷新频率要求有高带宽 1024*768/85模式需要85M带宽 – – – –
依然是个问题！ 解决方法：隔行扫描（现在已经基本不用，主流地显示器都采用逐行扫描方式） 隔行扫描的工作原理：把一帧分两场，即奇数场与偶数场 场频：==2*帧频
12
1.2 计算机图形学的发展
Whirlwind: early graphics using VectorScope (1951)
first CAD system (IBM 1959)
Spacewars: first computer graphics game (MIT 1961)
SketchPad: first interactive graphics (1961)
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5×5图像
a51
a52
a53
a54
a55
x
0
直线的参数方程：ax+by+c=0
7
1.1 计算机图形学及其相关概念 计算机图形学研究的对象
8
• 图形与图像
—图像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 – 明暗图(Shading)
24
科学可视化
25
-By Science Visualization challenge 2013
科学可视化
• 医学图像的三维重建
26
虚拟现实
Oculus Rift
Cave
27
图形用户界面
28
“地图”
29
“地图”
30
1.4图形显示设备
31
图形显示设备的发展
随机扫描显示器
存储管式显示器
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光栅扫描显示系统
具有3个位面的帧缓冲存储器的颜色表 :
红(R) 黑(Black) 红(Red) 绿(Green) 蓝(Blue) 黄(Yellow) 青(Cyan) 紫(Magenta) 白(White) 0 1 0 0 1 0 1 1 绿(G) 0 0 1 0 1 1 0 1 蓝(B) 0 0 0 1 0 1 1 1
计算机图形学
杨欣 合肥工业大学资环学院
教材
2
潘云鹤、童若峰，唐敏，计算机图形学（第三版）， 高等教育出版社，2011.6
主要参考书：
• •
孙家广、胡事民，计算机图形学基础教程（第2版），清华大学出 版社，2009 许志闻、郭晓新、杨瀛涛，VisualC++图形程序设计， 机械工业 出版社，2009
1.2 计算机图形学的发展
开创阶段（50年代~60年代）
11
— 1950年，MIT采用原理类似于示波器阴极射线管（CRT）
作为旋风一号的图形显示器。
— 1952年，在该校诞生了世界上第一台数控铣床的原型。
— 1958年，滚筒式绘图仪和平板式绘图仪研制成功。
— 50年代末，SAGE空中防御指挥系统采用光笔作为输入设
16
1.3 应用驱动的学科方向
• 最大的应用产业：电影特效 • 硬件发展的直接驱动：视频游戏 • 图像处理
• 计算机辅助设计
• 科学可视化 • 虚拟现实 • 图形用户界面 • 地图
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电影特效
18
视频游戏：水特效
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视频游戏：火特效
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视频游戏：阴影
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视频游戏：植被
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图像处理
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计算机辅助设计（CAD）
光栅扫描显示系统
一个黑白光栅显示器的工作状况图 :
在光栅图形显示器中，需要有足够的位面和帧缓冲存储器结 合才能反映图形的颜色和灰度等级。
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光栅扫描显示系统
具有颜色查找表的N位面灰度等级帧缓冲存储器
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光栅扫描显示系统
– 分辨率M*N、颜色个数K与显存大小V的关系
V M N log2 K
– 可以同时显示16M种颜色的显示系统称为真彩显示系统 – 带宽T与分辨率、帧频F的关系
T M NF
– 两个问题：显存问题和带宽问题 – 显存问题
– 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
– 曾经是个问题！ – 解决方法：采用查色表(Lookup Table）或称彩色表(Color Table) – 查色表工作原理
• 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）=1000ms/40ms=25Hz
34
荧光屏
• 光点：电子束打在荧光屏上，显示器能显示的最小的发光点。
光点物理直径通常为0.28mm，0.19mm等。
• 像素（Pixel）：构成荧幕或图像的最小元素。 • 分辨率(Resolution)：CRT在水平或竖直方向单位长度上能识
帧缓冲器保存查色表各项的索引值. 40
40
光栅扫描显示系统
为了限制帧缓冲存储器的增加，可采用 颜色查找表来提高级帧缓冲存储器
光栅扫描显示系统
彩色光栅显示器的工作状况图:
42
光栅扫描显示系统
全色光栅显示器工作状况图:
43
光栅扫描显示系统
配 有 颜 色 查 找 表 的 全 色 帧 缓 冲 存 储 器 :
8
1.1 计算机图形学及其相关概念 计算机图形学研究的对象
9
• 与计算机密切相关的几个重要学科
—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像的相关技术，如CT扫 描、X射线探伤等。 —模式识别 ：对所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，如邮政 分拣、地形地貌识别等 。 —计算几何 ：研究几何模型和数据处理的学科， 探讨几何形体的计算机表示、分析和综合 。
刷新式光栅扫描显示器
液晶显示器
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1.4 图形显示设备 (阴极射线管显示器)
• 阴极射线管(CRT, cathode-ray tube)
— 组成：包括电子枪、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。 — 结构
9
1.1 计算机图形学及其相关概念 计算机图形学研究的对象
10
• 计算机图形学的研究内容 • 图形的输入 • 图形的处理 • 图形的输出 • 与相关学科的关系
图像变换 （图像处理）
数 字 图 像
图像生成（计算机图形学）
模型（特征）提取 （计算机视觉，模式识别）
数 据 模 型
模型变换 （计算几何）
10
6
• 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
• 图形的构成
几何要素： 刻画形状的点、线、面、体等几何要素
非几何要素： 反映物体表面属性或材质的明暗,灰度,色彩等 6
1.1 计算机图形学及其相关概念 计算机图形学研究的对象
33
33
荧光屏
• 荧光物质：吸收电子束而发光 • 余辉时间：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，时间为10-60μs
• 刷新（Refresh）：为了让荧光物质保持一个稳定的亮度
值
• 刷新频率(帧频)：每秒重绘屏幕次数，显示器更新图像的
速度60-120Hz（低于72Hz普遍会有闪烁感）
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图形显示设备
— 光栅显示系统的特点
– 优点：
– – – – –
成本低 易于绘制填充图形 色彩丰富 刷新频率一定，与图形的复杂程度无关 易于修改图形
– 缺点：
– – – –
需要扫描转换 会产生混淆 笨重 荧幕的闪烁
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47
1.4图形显示设备 (随机扫描显示系统)
48
• 随机扫描显示系统
— 特点：电子束在任意方向上自由移动
32
32
1.4 图形显示设备 (阴极射线管显示器)
• 阴极射线管(CRT, cathode-ray tube)
— 阴极:当它被加热时，发射电子。 — 控制栅：控制电子束偏转的方向和运动速度。 — 加速电极：用以产生高速的电子束。
— 聚焦系统：保证电子束在轰击屏幕时，汇聚成很细的点。
— 偏转系统：控制电子束在屏幕上的运动轨迹。 — 荧光屏：当它被电子轰击时，发出亮光。
算法；
• 能够编程实现直线、圆和贝塞尔曲线等二维图
形生成与变换；
• 了解三维图形的构建和显示技术 。
4
第一章 绪论
5
• 什么是计算机图形学？
—计算机图形学是利用计算机研究图形的表示 、生成、处理、显示的学科。
—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。
5
1.1 计算机图形学及其相关概念 计算机图形学研究的对象
2
平时与考试
要求：
1. 2. 3. 4. 不迟到 上课不说话 多提问题与建议 课下多讨论，理论联系实际
3
考试（成绩分布）：
1、期末考试----40%
2、期中考试----30% 3、平时----30%
3
教学要求
4
• 了解计算机图形学的系统理论、当前的研究热
点与发展方向；
• 充分理解二维图形的生成、填充与变换的实现
行扫描)