由于需要准备计算机图形学的考试，开始复习计算机图形学，这里将持续为大家带来图形学的基础内容更新和一些例题讲解。希望能够更新完成吧。喜欢的小伙伴可以先关注博主，以免找不到。


计算机图形学复习0


距离上篇更新有很长时间间隔了，因为考试时间变化的问题，现在续更。

计算机图形系统的组成

计算机图形系统由

硬件和软件

两部分组成。

硬件包括：主计算机、图形显示器以及I/O交互工具和存储设备；

软件包括：操作系统、高级语言、图形软件和应用软件。



计算机图形系统和计算机系统的差别在于

计算机图形系统具有图形的输入和输出设备以及必要的交互工具

，而且在速度和存储容量上有很高要求，同时，

人也是图形系统的组成部分。

计算机图形系统的功能

1.

计算

： 图形处理（如计算、变换、分析等，如求

交、模型计算、坐标变换等）

2.

存储

：图形处理（如计算、变换、分析等，如求

交、模型计算、坐标变换等）

3.

输入

：将定位数据、几何参数、各种命令、约束

条件输入到图形系统中

4.

输出

：将图形输出到显示器、打印机等输出设备上

5.

对话

：人机交互，例如定位、选择、拾取、编辑等

计算机图形系统的分类

1、以大型机为基础的图形系统；

2、以中型机或超级小型机为基础的图形系统；

3、以工程工作站为基础的图形系统；

4、以微型机为基础的图形系统

介绍了图形学系统的大概，需要对其中的硬件和软件做一个了解。

图形硬件系统

一个图形系统的硬件设备主要包括

主机、图形输出设备和图形输入设备

。图形输出设备可以分为

显示设备和图形绘制设备。




计算机图形学，主要关注图形的显示设备

显示设备

显示设备分为两类，一类是

向量型

，另一类是

光栅扫描型。


向量型设备的作画机构随着图形的输出形状而移动并成像 。

光栅扫描型设备的作画机构按光栅矩阵方式扫描

整张图面

,并输出图形成像。

CRT阴极射线管

组成：


电子枪

：（灯丝，阴极和控制栅）灯丝：产生热量；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。也就是电流通过灯丝产生热量，即对阴极加热而发出电子束。

聚焦系统

：通过电场和磁场控制，电子束，“变细”，保证亮点足够小，提高分辩率。也就是在聚焦极上加一定的正电压，使之聚焦成电子束。

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

：根据图形的几何坐标,产生适当的水平或垂直偏转磁场,控制电子束偏转,在屏幕上得到发亮的图形轨迹;

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，最大偏转角是衡量系统性能的最重要的指标

，CRT显示器屏幕越大整个显象管就越长

荧光屏

：荧光物质:吸收电子束而发光；

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1/10 所需的时间；

刷新(Refresh):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。

刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数

最小刷新频率: CRT产生稳定图像所需要的频率=1秒/荧光物质的持续发光时间.

CRT的工作原理

：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。

CRT性能指标

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,单位通常为dpi（dots per inch)

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像素个数描述，如640X480，800X600，1024X768，1280X1024 等等,你调屏幕分辨率的时候就是这个意思。


分辨率越高显示的图形就越精细



决定分辨率的因素:荧光物质类型、聚焦系统和偏转系统

CRT显示器一个很大的缺点就是不能显示彩色

彩色CRT

常用的方法：

射线穿透法和影孔板法

。

射线穿透法

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，决定所产生的颜色

应用：主要用于画线显示器

优点：成本低

缺点：只能产生有限几种颜色，导致图形质量比较差

影孔板法

原理：通常用于光栅扫描显示器中，颜色范围广，每个像素有三个荧光点（红、绿、蓝三基色）。当某组荧光粉被激励时，分别发出三原色。与之对应的三个电子枪。屏幕后面有影孔板栅网，上面有很多小孔，与屏幕上的三元组对应，三束电子聚焦成一组射线，穿过小孔，激活屏幕上的一个三元组，出现色点，通过控制电子束的强弱，就可使激发出来的三原色混合成很宽的色彩等级。影孔板的径距对CRT的分辨率影响较大，径距小，图形质量好，但成本高难度大。



结构：外层玻璃、荧光涂层和影孔板

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

影孔板的类型：

点状影孔板

荫栅式影孔板

沟槽式影孔板

调节各电子枪发生的电子束中所含电子的数目，即可控制各色光点亮度。



如果每个电子枪都有256级(8位)2^8 电压强度控制，则显示器能同时显示的颜色个数2^24 种，即24位真彩色.

光栅扫描显示器

光栅扫描式图形显示器是

画点设备

,可看作是一个

点阵单元发生器;


可控制每个点阵单元的亮度;

系统中, 电子束横向扫描屏幕, 一次一行, 从顶到底顺次进行;



光栅扫描示意图：

光栅扫描的图形显示系统

逻辑部件：

帧缓冲存储器，视频控制器，显示处理器，CRT


帧缓冲存储器—作用：存储屏幕上像素的颜色值，简称帧缓冲器，俗称显存。



直线效果的光栅扫描图形显示器：




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有1位的话，对应在显示屏上能显示几种颜色？2

如果每个单元长度是n位，则能显示多少种颜色？2^n

黑白光栅显示器

工作原理：缓区中取1位值，存入寄存器，形成的亮度等级经D/A转换，变成驱动显示器电子示的模拟电压。

对一个1024×1024象素组成的黑白单灰度显示器所需要的最小缓存为2^20位，并在一个位面上。



具有N位帧缓存的黑白灰度光栅显示器结构图

有3位面分辨率是1024×1024个像素的阵列显示器需要3×1024×1024位的存储器，即3M.

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.

彩色光栅显示器

三原色:红、绿、蓝

三原色有三个位面的帧缓存，三个电子枪



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。如上图，每种原色电子枪有8个位面的帧缓存和8位的数模转换器，每种原色可有256种灰度，三种原色的组合将是(2^8) ^3=224，是真彩色系统。

分辨率M*N、颜色个数K与显存大小V的关系



如题：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。若存储器位长固定, 则屏幕分辩率与同时可用的颜色种数成反比关系. 1M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2^24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。

彩色光栅显示器的问题

显存问题：

高分辨率和真彩要求有大的显存；如：1024*768真彩模式需要3M字节显存。

解决方法：

采用查色表(Lookup Table）或称彩色表(Color Table), 也称调色板(color palette)。


调色板：

是由高速的随机存储器组成。


好处：既可以减少显存的空间，又可以表示足够多的颜色。

具有颜色查找表的N位面灰度等级帧缓冲存储器



位面号可作为颜色的索引

查找表有2N项(长度),每一项具有W位字宽

当W大于N时,灰度级可扩充到2W，w>3,其中高位为拓宽位（可拓宽1,2,…位，其值可为0或1）

目的：

在帧缓存单元的位数不增加的情况下，具有大范围内挑选颜色的能力

。

全色光栅显示器：



可产生**(2^8) ^ 3=2 ^ 24**种颜色

增加了查色表后：



可产生(2^ 10)^ 3=2^30种颜色

注意：只是挑选的颜色范围宽了，即可在2^30种颜色中挑选2 ^24种。

CRT显示器的小结

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

平板显示器

平板式显示(Flat-Panel Display)设备, 其最大的特点是: 比CRT薄(可以挂于墙上, 或戴于手腕之上).基本上取代CRT.

可以分为两类:

Emissive(发光的) Displays: 如:Plasma(等离子) panels

Non-emissive(不发光的) Displays: 如LCD,LED.

液晶显示器件LCD

优点：低价、重量轻、尺寸小且耗低；缺点：被动显示。

液晶面板的结构：包括偏振膜、玻璃基板、黑色矩阵、彩色滤光片、保护膜、普通电极、校准层、液晶层(液晶、间隔、密封剂)、电容、显示电极、棱镜层、散光层。



液晶是一种具有规则性分子排列的有机化合物，它即不是固体也不是液体，它是

介于固态和液态之间的物质

，把它加热时它会呈现透明的液体状态，把它冷却时它则会出现结晶颗粒的混浊固体状态。


液晶分子的排列为螺旋结构，对光线具有旋光性


液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质，它有

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

加粗样式

产生色彩

工作原理：从液晶显示器的结构来看，无论是笔记本电脑还是桌面系统，LCD由两块玻璃板构成，厚约1mm,其间由包含有液晶材料的5μm均匀间隔隔开。

因为液晶材料本身并不发光，所以在显示幕两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示幕背面有一块背光板和反光膜

，背光板是由萤光物质组成的可以发射光线，其作

用主要是提供均匀的背景光源

。背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万液晶液滴的液晶层。液晶层中的液滴都被包含在细小的单格结构中，一个或多个单格构成荧幕上的一个图元。在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在荧幕上显示出来。

LED

当CCFL-冷阴极射线管被LED(发光二极管)取代了后,就是LED背光源液晶显示器。


LED背光源的优点:

第一, 发光更均匀.  由于CCFL背光的的灯管通常为条形或者U型,很容易出现发光不均匀的问题,而LED背光由于其发光体是分布均匀。
第二：  抗震性能好，寿命更长。普通CCFL背光源的使用寿命为50000小时,而LED的使用寿命则大于100000小时。
第三,环保性更好。采用CCFL背光,永远无法解决”汞”这个有毒物质,这是由其发光原理所决定的; LED就没有这一个问题。
第四：LED背光的显示器比CCFL背光的显示器更节能。以21.6寸的显示器为例，LED背光源液晶显示器功耗约为CCFL背光源显示器的60%。

LCD的优缺点

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
电磁辐射低，对人体健康影响小

LCD显示器的缺点

寿命短、怕震动、温度敏感
分辨率相对较低，色彩不够鲜艳，且价格偏高。

等离子板显示器

优点：重量轻、不需要刷新缓存；缺点：分辨率低、价格高。

结构：三层玻璃板



工作原理：等离子显示器是用许多

小氖气灯泡构成的平板阵列

，每个灯泡处于“开”或“关”状态，

要点亮某个地址的灯光，开始在相应的行上加较高的电压,等点亮后，可用低电压维持亮度；要关掉某个灯泡，只要将相应的电压降低即可

。

通过改变控制电压,使等离子板显示不同灰度的图形。

三种显示技术的对比：



等离子显示器显示动态图像很流畅，液晶用来显示文字和图片就很细腻。

所以说上网不用等离子，看电影不用液晶

等离子算是真正的“彩色电视机” 液晶只能算“半彩色电视机。

这里可以参考

液晶好还是等离子好

输出设备

图形输入设备可将用户的图形数据及各种命令等转换为电信号，并传递给计算机。

从逻辑上看，可分为六种功能，即

定位、笔划、送值、选择、拾取及字符串

，也称六种逻辑设备。所谓逻辑设备，是指按逻辑功能定义的设备，并非具体的物理设备，实际的物理设备往往是某些逻辑设备的组合。

1、定位器：用于指示一个位置，其输入量是x,y。常见的定位器有：坐标数字化仪、图形输入板、鼠标器、跟踪球、操纵杆、接触控制板、声学输入板等。

2、拾取器：用于拾取显示屏上的一个形体、图组或图素。典型的拾取器有光笔、图形输入板。

3、定值器：是提供标量值的物理设备。

4、键盘：用来输入字符或字符串等。

5、按键：用于从一组动作或功能中作出选择，如已编程的功能键盘。

6、其它设备：如语音识别器等。

输出设备（硬拷贝）

1、点阵式打印机

2、笔式绘图仪

3、静电绘图仪

4、激光打印机

5、喷墨绘图仪

6、热转换打印机

7、摄象机

图形软件系统

图形软件系统应该具有良好的结构，要有合理的层次结构的模块结构，以便于设计、维护和调试。

1、零级图形软件：是最底层的软件，主要解决图形设备与主机的通讯、接口等问题，又称

设备驱动程序

，是一些最基本的输入、输出子程序，要求程序质量高，它是面向系统的，而不是面向用户的。

2、一级图形软件：又称基本子程序，包括生成基本图形元素

加粗样式

，对

设备进行管理

的各程序模块，既面向系统又面向用户。

3、二级图形软件：也称功能子程序，是在一级图形软件基础上编制的，其主要任务是建立图形数据结构，定义、修改和输出图形；以及建立各图形设备之间的联系，要具有较强的交互功能，它是面向用户的。（以上三级通常称为支撑软件）

4、三级图形软件：是为解决某种应用问题的图形软件，是整个应用软件的一部分，通常由用户编写或与设计者一起编写。

基本图形软件

基本图形软件作为图形系统的支撑软件，其功能可根据需要而有所不同，但其基本内容一般应包括：

（1）系统管理程序；

（2）定义和输出基本图素及复合图素图形的程序；

（3）图形变换，包括几何变换、开窗、裁剪等程序；

（4）实时输入处理程序；

（5）交互处理程序；

以我的尿性，最后不来几道题怎么能叫复习呢？

判断
LCD液晶显示器是发光二极管显示器。
正确答案：X

选择
1．在光栅扫描显示器中，帧缓存里对应每个像素的单元有i位，则可以表示多少种颜色（  ）。
A、2*i
B、2^i
C、i^2
D、i^i
正确答案： B

2．光栅扫描显示器较随机扫描显示器有以下缺点（     ）。
A、价格贵
B、不可显示填充的图形
C、刷新过程与图形的复杂程度有关
D、直线有锯齿
正确答案： D

3．下列设备中，哪一种是图形输出设备（     ）。
A、绘图仪
B、数字化仪
C、扫描仪
D、键盘
正确答案： A

4．灰度等级为256级，分辨率为1024*1024的显示器，至少需要的帧缓存容量为（    ）。
A、512KB
B、1MB
C、2MB
D、3MB
正确答案： B

5．计算机图形显示器一般使用什么颜色模型？(      )
A、RGB
B、CMY
C、HSV
D、HLS
正确答案： A 红绿蓝

6．打印机一般使用什么颜色模型？(      )
A、RGB
B、CMY
C、HSV
D、HLS 
正确答案： B


7.视频信息的最小单位是（     ）
A、帧
B、块 
C、像素
D、字
正确答案：A


8.下列设备中属于图形输出设备的是（    ）。
1 鼠标 2 LCD  3 键盘 4 LED 5 打印机  6 扫描仪   
7 绘图仪  8 触摸屏
A、1368 
B、2457
C、2567
D、4678
正确答案：B

9.下列不属于OpenGL的函数库的是（      ）
A、核心库
B、实用程序库
C、编程辅助库
D、硬件驱动程序库
正确答案：D

本次给大家分享了计算机图形系统的构成，硬件系统和软件系统，并提供了一些练习的习题，喜欢的小伙伴可以关注哦！