计算机图形学——计算机图形系统及硬件基础

计算机图形学——计算机图形系统及硬件基础

⼀、概述

1、计算机及系统中的图形设备

计算机图形系统⽤来⽣成、处理和显⽰图形，通常由以下三部分构成：

图形输⼊设备

中央处理器

图形输出设备

常⽤的图形输⼊设备：

键盘、⿏标

此外还有

跟踪球、空间球、光笔、触摸板、 图形扫描仪、数字化仪、⼿写输⼊板、语⾳输⼊、数据⼿套

中央处理器：

中央处理器完成对图形的描述、建⽴、修改等各种计算，并对图形实现有效的存储。

许多外设所增加的固化的图形处理功能，可接受更⾼级的绘图命令，实现图形的缓冲，以及完成⼤部分图形函数的功能，从⽽⼤⼤减轻了CPU的负担。

图形输出设备:

图形显⽰设备和图形绘制设备

图形显⽰设备: ⽤于在屏幕上输出图形。基于阴极射线管的监视器、液晶显⽰器、等离⼦显⽰器

图形绘制设备: ⽤于把图形画在纸上，也称硬拷贝。打印机、绘图仪

2、图形系统的基本功能

⼀个计算机图形系统⾄少应具有计算、存储、输⼊、输出、交互等基本功能，各功能关系如下：

输⼊功能： 通过图形输⼊设备可将基本的图形数据（如点、线等）和各种绘图命令输⼊到计算机中，从⽽构造更复杂的⼏何图形。

计算功能：1） 图形的描述、分析和设计；－－建模

2） 图形的平移、旋转、投影、透视等⼏何变换；

3） 曲线、曲⾯的⽣成；

4） 图形之间相互关系的检测等。－－隐藏线隐藏、⾯消除、碰撞检测

存储功能： 图形数据库可以存放各种图形的⼏何数据及图形之间的相互关系，并能快速⽅便地实现对图形的删除、增加、修改等操作。

输出功能： 图形数据经过计算后可在显⽰器上显⽰当前的状态以及经过图形编辑后的结果，同时还能通过绘图仪、打印机等设备实现硬拷贝输出，以

便长期保存。

交互功能: 设计⼈员可通过显⽰器或其他⼈机交互设备直接进⾏⼈机通信，对计算结果和图形利⽤定位、拾取等⼿段进⾏修改，同时对设计者或操作

员输⼊的错误给以必要的提⽰和帮助。

图形的基本处理流程

利⽤各种图形输⼊设备及软件或其他交互设备将图形输⼊到计算机中，以便进⾏处理；

在计算机内部对图形进⾏各种变换（如⼏何变换、投影变换）和运算（如图形的并、交、差运算等）；

处理后，将图形转换成图形输出系统便于接受的表⽰形式，并在输出设备上输出；

⼆、图形显⽰设备

图形显⽰设备主要有以下三种：CRT（Cathode Ray Tube）显⽰器 ＝ 阴极射线管显⽰器LCD（Liquid Crystal Display）＝ 液晶显⽰器

PDP（Plasma Display Panel）= 等离⼦显⽰器

1、CRT显⽰器

a.CRT显⽰原理

CRT显⽰器主要由阴极、电平控制器（即控制极）、聚焦系统、加速系统、偏转系统和阳极荧光粉涂层组成，这六部分都在真空管内。

刷新：

要保持屏幕上有稳定的图像就必须不断地发射电⼦束。刷新⼀次指电⼦束从左到右，从上到下将荧光屏扫描⼀次。

只有刷新频率⾼到⼀定值后，图像才能稳定显⽰。⼤约达到每秒60帧，即60Hz时，⼈眼才能感觉到屏幕不闪烁，要使⼈眼觉得舒服，⼀般

必须有85Hz以上的刷新频率。*1）⼈的视觉系统要⽤⼀定的时间才能识别图像元素，每帧图像的停留时间长于⼈眼观察所需的时间，则⼈的视觉残留可以消除画⾯的闪烁

现象。 * 2）刷新频率⾼到⼀定值后，图像才能稳定显⽰。

隔⾏扫描技术：

每⼀帧分为两个场显⽰，每个场只包含⼀半画⾯。两个场是交错的，⼀个场包含所有的奇数扫描⾏，另⼀个场包含所有的偶数扫描⾏，两个

场以1/60秒的时间间隔交替显⽰。

扫描从奇数场左上⾓开始，每⼀⾏都是⾃左向右。电⼦束在横向扫描的同时以⼀个较低的速率向下移动，当扫描线到达屏幕右端时，就将其

隐去并迅速返回屏幕左端。这个过程称为⽔平回扫。接着下⼀奇数⾏重复这⼀过程。

当整场扫描完毕时，扫描线正好停在底部的中央。接着扫描线迅速回到屏幕顶部中央，这就是奇数场垂直回扫。

接着进⾏偶数场扫描，偶数场扫描结束于屏幕右下⾓，垂直回归后电⼦束返回屏幕左上⾓。

b. 彩⾊CRT显⽰器的显⽰原理

1）、颜⾊模型：

所谓颜⾊模型就是指某个三维颜⾊空间中的⼀个可见光⼦集，它包含某个颜⾊域的所有颜⾊。

2）、RGB模型

由红、绿、蓝三种颜⾊组成的原⾊系统称为RGB模型。它是定义于某个红绿蓝颜⾊坐标系统中的单位⽴⽅体。坐标原点代表⿊⾊，坐标点(1,1,1)代表⽩⾊。坐标轴上的顶点代表三个基⾊，余下的顶点则代表每⼀个基⾊的补⾊。

RGB颜⾊模型所覆盖的颜⾊域取决于显⽰设备荧光点的颜⾊特性，是与硬件相关的

彩⾊CRT显⽰器：

荫罩显⽰器 :

彩⾊CRT光栅扫描显⽰器有三个电⼦枪（最早是三枪三束，现在有⼀枪三束，即三个阴极），它的荧光屏上涂有三种荧光物质，分别能发

红、绿、蓝三种颜⾊的光。电⼦枪通常成三⾓形排列或⽔平排列，与CRT屏幕上的三⾓形红、绿、蓝荧光点相对应。

电⼦枪和对应的荧光点必须在⼀条直线上。为保证每个电⼦枪都能击中对应颜⾊的荧光点，在电⼦枪和荧光屏之间放置⼀个有孔的⾦属⽹格

（即荫罩）。

荫罩孔的作⽤在于保证三束电⼦共同穿过同⼀个荫罩孔，并过滤掉散乱的电⼦，以保证每个电⼦枪能以准确的⽐例击中相应颜⾊的荧光粉，

使之发出红、绿、蓝三⾊光。这样，某颜⾊的电⼦束通过荫罩后，就可避免和另外两种颜⾊的荧光点相交，⽽只能与⾃⼰对应颜⾊的荧光点

相交。

但荫罩式CRT的荧光屏是球⾯的，⼏何失真⼤，⽽且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。

荫栅显⽰器：

最近⼏年荫栅式显⽰器逐渐流⾏起来。其⼯作原理如下图所⽰ : 荫栅式显像管的技术特点就是将荧光粉安排成跨越整个显⽰器屏幕的竖条状，将荫罩改为条状荫栅。这些条状荫栅由固定在⼀个拉⼒极⼤

的铁框中的互相平⾏的铁线阵列组成。

由于铁线是互相平⾏的，在垂直⽅向上没有任何东西阻挡电⼦通过，增加了电⼦的透过率，使电⼦透过率达到95%以上，远远超过了荫罩结

构的显像管，亮度和⾊彩饱和度更好，画⾯细腻动⼈.

点距：屏幕上两个相邻的同⾊像素点之间对⾓线的距离(或⽔平距离)就是“点距” 。 “点距”决定了每英⼨最多能产⽣多少个点。

注意：

栅距（也就是点距）是指荫栅式显⽰器平⾏的光栅之间的距离，⼀般都在0.25mm以下；

⽽荫罩的点距指的是对⾓线距离。由于对⾓线距离（点距）体现了不同⾏和列的像素点间距，因⽽更能客观准确地衡量显⽰器的像素分布情

况。对⾓点距为0.28mm的显象管其⽔平点距为0.24mm。

在屏幕⼤⼩⼀定的前提下，点（栅）距越⼩，则屏幕上的象素排列越紧密，图像就越清晰细腻。显然，荫栅式显象管⽐荫罩式的要细腻的

多。

c.光栅扫描式图形显⽰器

屏幕像素逼近直线⽰意图：

帧缓冲存储器（帧缓存）：1） 帧缓冲存储器是⼀块连续的存储空间，分n份，每⼀份对应屏幕上的相应的象素（⼀⼀对应），存储该象素的属性值，即该象素应该着

什么颜⾊或拥有什么样的光亮度。2） 光栅中的每个像素在帧缓存中⾄少要有1位，bit）每个像素1位的存储容量称为位⾯（bit plane）。画⾯就是由帧缓存中的这些位信息

组成的。 3） 图形在计算机中是⼀位⼀位产⽣的，每⼀个存储位只有0或1两个状态，因此⼀个位⾯的帧缓存只能产⽣⿊⽩图形。

将图形的⼏何信息转换成存储在帧缓存中的光栅（点阵）图像并以⼀定格式的视频图像显⽰的过程就叫扫描转换。⼀副

光栅图形称为⼀帧，其信息放在帧缓存中，即⼏何信息已经转换成存储在帧缓存中的光栅（点阵）图像。

光栅扫描式图形显⽰器特点：

1） 是画点设备，可看成⼀个点阵单元发⽣器，并可控制每个点阵单元的亮度。

2） 发出的电于束的偏转⽅式是固定的，⾃上⽽下，从左到右扫描在荧光屏上形成光栅形状。

3） 图形是通过电⼦束扫描到光栅上的图形象素点时呈现的亮度或颜⾊与光栅背景的亮度或颜⾊不同⽽衬托出的，可形成多级灰度或颜⾊的

实⾯积⾃然图像。4） 由于图像是由像素阵列组成，显⽰⼀幅图像所需要的时间等于显⽰整个光栅所需的时间，⽽与图像的复杂程度⽆关。

综上，可把光栅图形显⽰器看做许多离散点组成的矩阵，每个点都可以发光。除⾮特殊情况，⼀般在矩阵中是不能直接从⼀个点到另⼀个点

（或⼀个像素到另⼀个像素）画⼀条笔直的直线，但可以⽤⼀系列的点（或像素）来近似地表⽰这条直线。

注意：帧缓存是数字设备，光栅显⽰器是模拟设备，要把帧缓存中的信息在光栅显⽰器屏幕上输出必须读出帧缓存中的每⼀位象素的值，经

过数字/模拟转换，这个⼯作由DAC（数模转换器）完成。

光栅图形显⽰器中需要有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。

如图，显⽰器上每个像素的亮度由N个位⾯中对应的每个像素位置的内容共同决定，即每⼀位的⼆进制被存⼊指定的寄存器中,该寄存器中⼆

进制的数被翻译成灰度等级，其范围在0～2N－1之间。

提⾼灰度级别时，如何避免帧缓存的增加？

为避免帧缓存的增加，可采⽤颜⾊查找表来提⾼灰度级别。

如下图所⽰，帧缓存中的位⾯号为颜⾊查找的索引，颜⾊查找表必须有2N项，每⼀项具有W位字宽。当W⼤于N时，可有2W灰度等级，但

每次只有2N个不同灰度等级可⽤。若要使⽤2N种以外的灰度等级，需改变颜⾊查找表中的内容（重装颜⾊查找表）。

如何实现彩⾊帧缓存?

由于只有三种原⾊，所以可⽤三个位⾯实现⼀个简单的彩⾊帧缓冲存储器。下图为简单的彩⾊光栅显⽰器，由分别对应红(R)、绿(G)、蓝(B)

三原⾊的三个位⾯的帧缓存，DAC，三个电⼦枪和CRT光栅组成。

如何提⾼颜⾊种类的灰度等级？

对每个颜⾊的电⼦枪可通过增加帧缓存位⾯来提⾼颜⾊种类的灰度等级。 如下图，每种原⾊电⼦枪有8个位⾯的帧缓存和8位的DAC，每种原⾊有28种灰度等级，三种原⾊的组合有224种颜⾊。这种显⽰器称为全

⾊光栅扫描图形显⽰器，其帧缓存称为全⾊帧缓存。如何使颜⾊进⼀步丰富？

若各组位⾯存放的不是直接的颜⾊值⽽是颜⾊查找表的地址索引，则全⾊帧缓存的颜⾊还可进⼀步丰富。

光栅扫描显⽰器的主要性能参数

1. 分辨率

-指显⽰器在屏幕⽔平(垂直)⽅向可显⽰多少像素。

分辨率以象素点为基本单位。表⽰⽅法为320×200、640×480等。显⽰分辨率与显卡上的缓冲存储器的容量有关，容量越⼤，显⽰分辨率越

⾼。分辨率越⾼，显⽰的字符或图像越清晰。- 显⽰器最⼤分辨率：

显⽰器能⽀持的最⼤分辨率和显⽰器的“点距”有关，“点距”决定了每英⼨最多能产⽣多少个点。

如果我们说某个品牌的显⽰器的分辨率为80DPI（Dot Per Inch ）是指在显⽰器的有效显⽰范围内，显⽰器的的显像设备可以在每英⼨荧光

屏上产⽣80个光点。

举个例⼦来说，⼀台14英⼨的显⽰器（荧光屏对⾓线长度为14英⼨），其点距为0.28mm

那么：显⽰器分辨率 =25.3995mm/inch÷0.28mm/Dot≈90DPI。（1 inch=25.3995mm）

2. 亮度等级数⽬和⾊彩

指单种颜⾊亮度可变化的数⽬

亮度等级范围的提升可使图像看上去更柔和⾃然

⾊彩包括可选择显⽰颜⾊的数⽬以及⼀帧画⾯可同时显⽰的颜⾊数。3、显⽰速度

指显⽰字符、图形，特别是动态图像的速度

可⽤最⼤带宽表⽰：⽔平像素数*垂直像素数*最⼤刷新率

2、液晶显⽰器

液晶的物理特性：

液晶即液态晶体，具有线状结晶结构的分⼦，加热可象液体那样流动，冷却则成结晶颗粒的固体状态。

液晶可以说是具有排列性质的液体，柔软易变形。所以将液晶倒⼊⼀个经精良加⼯的开槽平⾯，液晶分⼦会顺着槽排列，所以假如那些槽⾮

常平⾏，则各分⼦也是完全平⾏的