【正文】 計(jì) 算機(jī) 圖 形 學(xué) Computer Graphics 計(jì) 算機(jī) 圖 形 學(xué) 第二章 目錄 第二章 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成 計(jì)算機(jī)圖形顯示器 計(jì)算機(jī)圖形輸入設(shè)備 計(jì)算機(jī)圖形輸出設(shè)備 圖形核心系統(tǒng)（ GKS）簡(jiǎn)介 通用圖形軟件簡(jiǎn)介 計(jì) 算機(jī) 圖 形 學(xué) 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成 一 . 圖形系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 由 硬件 和 軟件 兩部分組成。 第二章 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng) 第二章 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成 計(jì)算機(jī)圖形顯示器 計(jì)算機(jī)圖形輸入設(shè)備 計(jì)算機(jī)圖形輸出設(shè)備 圖形核心系統(tǒng)（ GKS） 簡(jiǎn)介 通用圖形軟件簡(jiǎn)介 計(jì) 算機(jī) 圖 形 學(xué) 二 .圖形系統(tǒng)的基本功能及其硬件性能要求 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)至少應(yīng)具有以下五個(gè)方面基本功能 : （ 1） 形體設(shè)計(jì)和分析方法的程序庫(kù) ， 描述形體的圖形數(shù)據(jù)庫(kù) 。 （ 2） 坐標(biāo)的平移 、 旋轉(zhuǎn) 、 投影 、 透視等幾何變換程序庫(kù)的數(shù)據(jù)庫(kù) 。 （ 3） 曲線(xiàn) 、 曲面生成和圖形相互關(guān)系的檢測(cè)庫(kù) 。 在計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器中 ， 應(yīng)能存放各種形體的幾何數(shù)據(jù)及形體之間相互關(guān)系 ， 可實(shí)現(xiàn)對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)檢索以及保存對(duì)圖形的刪除 、 增加 、 修改等信息 。 計(jì) 算機(jī) 圖 形 學(xué) 由圖形輸入設(shè)備將所設(shè)計(jì)的圖形形體的幾何參數(shù) （ 例如大小 、 位置等 ） 和各種繪圖命令輸入到圖形系統(tǒng)中 。 圖形系統(tǒng)應(yīng)有文字 、 圖形 、 圖像信息輸出功能 。 在顯示屏幕上顯示設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)前的狀態(tài)以及經(jīng)過(guò)圖形編輯后的結(jié)果 。 同時(shí)還能通過(guò)繪圖儀 、 打印機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)硬拷貝輸出 ， 以便長(zhǎng)期保存 。 可通過(guò)顯示器或其他人－機(jī)交互設(shè)備直接進(jìn)行人－機(jī)通信 ， 對(duì)計(jì)算結(jié)果和圖形 ， 利用定位 、 拾取等手段進(jìn)行修改 ， 同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)者或操作員執(zhí)行的錯(cuò)誤給予必要的提示和幫助 。 二 .圖形系統(tǒng)的基本功能及其硬件性能要求 計(jì) 算機(jī) 圖 形 學(xué) 為了實(shí)現(xiàn)以上功能 ， 對(duì)圖形系統(tǒng)的硬件性能要求是： 圖形系統(tǒng)的處理速度既與圖形系統(tǒng)硬件有關(guān) ， 也與圖形軟件的圖形處理算法有關(guān) 。 存儲(chǔ)容量包括三部分：內(nèi)存儲(chǔ)容量 、 顯存 、 外部存儲(chǔ)容量和顯示緩沖區(qū)容量 。 3. 處理精度 處理精度主要是指圖形采集輸入質(zhì)量和顯示輸出質(zhì)量：這里主要指圖形分辨率、圖形色彩的顯示等。而且很大一部分與所采用的圖形處理軟件有關(guān)。 計(jì) 算機(jī) 圖 形 學(xué) 三 .圖形系統(tǒng)分類(lèi)及硬件工作平臺(tái)要求 根據(jù)其硬件配置和信息傳遞方式分為 : (1) 脫機(jī)繪圖系統(tǒng) 將輸入圖形數(shù)據(jù)在主機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理 將圖形處理后的圖形數(shù)據(jù)送入中間介質(zhì) 用磁盤(pán)或磁帶控制繪圖輸出機(jī)輸出圖形 脫機(jī)繪圖系統(tǒng)是將圖形數(shù)據(jù)和圖形輸出分別進(jìn)行處理，避免計(jì)算機(jī)處于等待狀態(tài)，加快計(jì)算機(jī)的工作效率。 計(jì) 算機(jī) 圖 形 學(xué) (2) 聯(lián)機(jī)繪圖系統(tǒng) 將輸入圖形數(shù)據(jù)在主機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理 計(jì)算機(jī)將圖形處理信息直接送給繪圖機(jī)輸出圖形 不需要中間介質(zhì)（磁盤(pán)或磁帶）傳遞繪圖信息，處理時(shí)間縮短了。但由于繪圖機(jī)是機(jī)械速度，這樣造成了計(jì)算機(jī)對(duì)繪圖機(jī)等待，降低了計(jì)算機(jī)工作效率。 計(jì) 算機(jī) 圖 形 學(xué) (3) 交互式繪圖系統(tǒng) 繪圖系統(tǒng)將處理結(jié)果輸出到圖形終端（圖形顯示器）或圖形工作站。用戶(hù)對(duì)所顯示圖形還可用定位、拾取和描繪等設(shè)備進(jìn)行編輯和標(biāo)注等。 計(jì) 算機(jī) 圖 形 學(xué) 目前 ， 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的 硬件平臺(tái) 有如下幾種 : (1).微型計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)微機(jī)） 隨著微型計(jì)算機(jī)性能進(jìn)一步提高，用微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)三維形體的設(shè)計(jì)及顯示能力在不斷提高 。 (2).工作站 實(shí)際上是一類(lèi)超級(jí)微型計(jì)算機(jī) ， 該系統(tǒng)主要用于工程設(shè)計(jì) ， 為研究 、 開(kāi)發(fā)提供一整套軟硬件工作環(huán)境支持。 工作站是 具有高速的科學(xué)計(jì)算 、 豐富的圖形處理 、 靈活的窗口 及 網(wǎng)絡(luò)管理功能 的 交互式計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 。 美國(guó)的SUN、 SGI、 HP、 DEC、 IBM等公司均生產(chǎn)此類(lèi)產(chǎn)品 。 計(jì) 算機(jī) 圖 形 學(xué) (3).中 、 小型計(jì)算機(jī) 一般在特定的部門(mén) 、 單位和應(yīng)用領(lǐng)域中采用此類(lèi)環(huán)境。 它是大型信息系統(tǒng)建立的重要環(huán)境 ， 這種環(huán)境中信息和數(shù)據(jù)的處理量是很大的 ， 要求機(jī)器有 極高的處理速度和 極大的存儲(chǔ)容量 。 (4).大型機(jī) 以大型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ) ， 具有 容量龐大的存儲(chǔ)器 和 極強(qiáng)的計(jì)算功能 ,大量的顯示終端 及 高精度 、 大幅面的硬拷貝設(shè)備 。 還往往擁有自行開(kāi)發(fā)的 、 功能齊全的應(yīng)用軟件系統(tǒng) 。 例如 ， 美國(guó)第三大汽車(chē)公司 （ CHRYSLER汽車(chē)公司） 就擁有龐大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 、 實(shí)體造型 、 結(jié)構(gòu)分析 、 運(yùn)動(dòng)模擬 、 工程和科學(xué)計(jì)算 、 項(xiàng)目管理 、 生產(chǎn)過(guò)程控制等 。 計(jì) 算機(jī) 圖 形 學(xué) (5).計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是指將上述四類(lèi)計(jì)算機(jī)平臺(tái) ， 或者其中某一類(lèi)通過(guò)某種互聯(lián)技術(shù)彼此連接 ， 按照某種通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 、 數(shù)據(jù)共享 、 數(shù)據(jù)處理的多機(jī)工作環(huán)境 。 它的 特點(diǎn) 是多種計(jì)算機(jī)相連 ， 可以充分發(fā)揮各個(gè)機(jī)器的性能和特點(diǎn) ， 以達(dá)到很高的性能價(jià)格比 。 網(wǎng)絡(luò)圖形系統(tǒng)要考慮的 關(guān)鍵問(wèn)題 是 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的性能 ， 圖形數(shù)據(jù)的通信 、 傳輸 、 共享以及圖形資源的利用 問(wèn)題 。 計(jì) 算機(jī) 圖 形 學(xué) 第二章 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成 計(jì)算機(jī)圖形顯示器 計(jì)算機(jī)圖形輸入設(shè)備 計(jì)算機(jī)圖形輸出設(shè)備 圖形核心系統(tǒng)（ GKS） 簡(jiǎn)介 通用圖形軟件簡(jiǎn)介 計(jì)算機(jī) 圖形顯示器 顯示器是圖形系統(tǒng)中必備的輸出設(shè)備，目前，陰極射線(xiàn)管（ CRTCathode Ray Tube） 顯示器已經(jīng)漸漸退出競(jìng)爭(zhēng)，但是其工作原理仍然值得討論。此外，還有液晶顯示器和等離子板顯示器等。 一 . CRT顯示器 工作原理 CRT顯示器其分辨率好 ， 可靠性高 ， 速度快 。 為了不影響主機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力 ， CRT顯示器作為計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備而獨(dú)立存在 ， 它有自己的控制電路 ， 專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)屏幕編輯功能 ， 并有標(biāo)準(zhǔn)的串行接口與主機(jī)連接 。 計(jì) 算機(jī) 圖 形 學(xué) 1. CRT單色顯示原理 電子槍 燈絲加熱陰極，陰極表面向外發(fā)射自由電子，控制柵控制自由電子是否向熒光屏發(fā)出 電子流在到達(dá)屏幕的途中，被加速、聚焦成很窄的電子束 由偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生電子束的偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)（或磁場(chǎng)），使電子束左右、上下偏轉(zhuǎn) 在指定時(shí)刻在屏幕指定位置上產(chǎn)生亮點(diǎn) 計(jì) 算機(jī) 圖 形 學(xué) 余輝時(shí)間 ： 電子束離開(kāi)光點(diǎn)后光點(diǎn)保持的時(shí)間。 屏幕刷新 ： 熒光亮度隨著時(shí)間按指數(shù)衰減，整個(gè)畫(huà)面 必須在每一秒鐘內(nèi)重復(fù)顯示許多次，人們 才能看到一個(gè)穩(wěn)定而不閃爍的圖形，因此 必須重復(fù)地使熒光質(zhì)發(fā)光，即驅(qū)使電子束 迅速回到同一點(diǎn)。 要保持一幅畫(huà)面的穩(wěn)定性，若余輝時(shí)間越短，則所需的屏幕輸刷新率越高。影響刷新率的最主要因素是顯示器的帶寬。 熒光粉的質(zhì)量直接影響到 CRT成像效果。 1. CRT單色顯示原理 計(jì) 算機(jī) 圖 形 學(xué) 舉例說(shuō)明余輝時(shí)間、畫(huà)面切換和刷新頻率三者之間的區(qū)別和聯(lián)系 電視 （刷新率低，與其電路相關(guān)） 由于影片播放時(shí)畫(huà)面經(jīng)常切換，一般采用短余輝的熒光粉 若采用長(zhǎng)余輝的熒光粉，則會(huì)使上一幀圖像余輝保留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而出現(xiàn)拖尾和花屏（馬賽克）現(xiàn)象 電腦 （刷新率高） 由于電腦畫(huà)面一般較為穩(wěn)定，同一幀畫(huà)面停留時(shí)間較長(zhǎng)，所以采用與電視相比較長(zhǎng)余輝的熒光粉 如果一幀電腦畫(huà)面停留時(shí)間很長(zhǎng)，那么需要保證一定的刷新頻率才能使該畫(huà)面不閃爍不變暗 計(jì) 算機(jī) 圖 形 學(xué) 什么是灰度？ 灰度就是亮度，簡(jiǎn)單說(shuō)就是色彩的深淺程度，在黑白兩色中，灰度體現(xiàn)于黑與白的中間狀態(tài)，也就是灰色。 純黑 (用 0表示 ) 純白 (用 15表示 ) 假設(shè)總共有 16種灰度也就是 16種亮度 隨箭頭越來(lái)越亮 那么在彩色變換中同樣有灰度的概念， 例如 R、 G、 B三種原色，每種原色都有一個(gè)灰度值 計(jì) 算機(jī) 圖 形 學(xué) 若一種原色有 16種灰度，那么該原色要占 4位， 256種灰度，那么該原色要占 8位 R、 G、 B三種原色若各有 4位，則總共可顯示的彩色數(shù)目為 212種，也即是 16 16 16種 兩點(diǎn)提示： （ 1）彩色圖片的色彩變換也叫灰度變換或者色階變換， R、 G、 B三種原色按任何比例增強(qiáng)再混合。 （ 2）在 ACDSee或 PhotoShop等圖片工具欄中選擇灰度一項(xiàng)，實(shí)際上就是將彩色圖像轉(zhuǎn)換為只有黑白兩色的灰度圖像，但和黑白圖像還是不同。 計(jì) 算機(jī) 圖 形 學(xué) 多級(jí)灰度 一幅（彩色）圖片中，由于各部分的顏色細(xì)節(jié)不