计算机图形学 第二章 图形设备与系统
计算机图形学期末复习[1]
![计算机图形学期末复习[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/2155f416ff00bed5b9f31d9f.png)
计算机图形学期末复习第一章绪论●名词解释：图形、图像、点阵法、参数法。
图形：是指能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象。
点阵法：是具有灰度或颜色信息的点阵来表示图形的一种方法，它强调图形有哪些点组成，这些点具有什么灰度或色彩。
图形包括哪方面的要素参数法：是以计算机所记录的图形的形状参数与属性参数来表示图形的一种方法。
把参数法描述的图形叫做图形；把点阵法描述的图形叫做图像。
●图形包括哪两方面的要素，在计算机中如何表示它们？图形的要素可以分为两类，一类是刻画形状的点、线、面、体等几何要素；另一类是反应物体本身固有属性，如表面属性或材质的明暗、灰度、色彩（颜色信息）等非几何要素。
在计算机中表示带有颜色及形状的图和形常用两种方法：点阵法和参数法。
●什么叫计算机图形学？分析计算机图形学、数字图像处理和计算机视觉学科间的关系。
计算机图形学是研究怎样利用计算机来显示、生成和处理图形的原理、方法、和技术的一门学科。
计算机图形学试图将参数形式的数据描述转换生成（逼真的）图像。
数据图像处理则着重强调图像之间进行变换，它旨在对图像进行各种加工以改善图像的视觉效果，计算机视觉是研究用计算机来模拟生物外显或宏观视觉功能的科学和技术，它模拟对客观事物模式的识别过程，是从图像到特征数据对象的描述表达处理过程。
●有关计算机图形学的软件标准有哪些？标准有：计算机图形核心系统（GKS）及其语言联编、三维图形核心系统（GKS-3D）及其语言联编、程序员层次交互式图形系统（PHIGS）及其语言联编、计算机图形元文件(CGM)、计算机图形接口（CGI）、基本图形转换规范（IGES）、产品数据转换规范（STEP）等。
●试发挥你的想象力，举例说明计算机图形学有哪些应用范围，解决的问题是什么？近年来计算机图形学已经广泛地用于多种领域，如科学、医药、商业、工业、政府部门、艺术、娱乐业、广告业、教育和培训等。
第二章计算机图形系统及图形硬件●名词解释：刷新、刷新频率、像素点、屏幕分辨率、位平面、屏幕坐标系。
计算机图形学
第2章 图形设备
➢计算机图形系统包含哪些外部设备？
图形输入设备：概念、特点
图形显示设备：概念、结构原理、工作方式、特点
图形绘制设备：概念、特点
1
2
如果每支电子枪发出的电子束 的强度有256个等级，则显示 器能同时显示 256*256*256=16M种颜色，称 为真彩系统
调节各电子枪发出 的电子束中所含电 子的数目，即可控 制各色光点亮度。
从结构上看，CRT为：电子枪、偏转系统、荧光屏
17
(1)电子枪
电子枪的主要功能是产生一个沿管轴（Z轴）方向前进的细电子束 轰击荧光屏
电子束应满足下列要求：
a.具有足够的电流强度。
b.电流的大小和有无必须是可控的。
c.具有很高的速度。
d.在荧光屏上应能聚焦很小的光亮，以保证显示器有足够的分 辨率。
18
在光栅扫描系统中，电子束横向扫描屏幕，一次一行，从顶到 底顺次进行。当电子束横向沿每一行移动时，电子束的强度不 断变化来建立亮点的图案。
43
扫描线 0 1 2 3
n
水平扫描(显示)
水平回扫(消隐) 垂直回扫(消隐)
图2-16光栅扫描示意图
44
基本概念 刷新速率：每秒60到80帧，即60Hz或80Hz。 水平回扫（horizontal retrace），行扫描 垂直回扫（verticle retrace），场扫描 逐行扫描和隔行（interlaced）扫描：隔行扫描技术主要用于较 慢的刷新速率，以避免闪烁
3
光栅扫描的显示系统
光栅扫描显示系统 特点：光栅扫描 扫描线 帧 水平回扫期 垂直回扫期
4
几个概念
➢行频、帧频 水平扫描频率为行频。垂直扫描频率为帧频。
计算机图形学基础与CAD开发 第2章 图形输入输出设备
3. 图形扫描仪
功能： 图形扫描仪是利用光电技术和数字处理技术， 以扫描方式将图形或图像或者实物信息转换为数字信号的 一种输入装置。 主要用在图形图像处理、排版印刷、人事 档案管理、图纸存档管理、文字识别、机器翻译等领域。
种类：扫描仪主要分为滚筒式扫描仪和平面扫描仪。近 几年出现了笔式扫描仪、便携式扫描仪、胶片扫描仪、底 片扫描仪和名片扫描仪。
LED显示器基本结构是一块电致发光的半导体材料， 电流通过其中的化学物质而产生的光。
本节重点学习 ： （1）基本概念 （2）光栅扫描显示器的结构、工作原理
一、光栅扫描显示器概念
➢ 显示器尺寸（显像管对角线的尺寸，以英寸为单位(1 " =2.54cm)， 如15 " 、19"显示器）
➢ 像素点（Pixel)（1024×768 640×480)
➢ 屏幕分辨率(Screen Resolution) ➢ 点阵纵横比(Aspect Ratio)
(竖直与水平方向每英寸像素点之比） ➢ 前景(Foreground )
（屏幕上被字符和图形填充的区域） ➢ 背景(Background)
当使用者在台板上移动游标到指定位置，并将十字叉的交点对准数 字化的点位时，按动按钮，数字化仪则将此时对应的命令符号和该点的 位置坐标值排列成有序的一组信息，通过接口（多用串行接口）传送到 计算机。
种类：按结构与工作原理分，有电位梯度式、静电耦合 式、超声波式及电磁感应式等，其中电磁感应式应用较多。 功能：具有定位、拾取、选择三个基本功能。 主要性能指标有:
Ch2 图形输入与输出设备
本章掌握各种图形设备的结构、工作原理、性能指标。
图形输入设备 图形显示设备 图形输出设备
2.2 图形显示设备
计算机图形学 第二章 图形设备与系统
几个概念
点距 相邻象素点之间的距离，与分辨率指标相关。
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。
2021/1/20
几个概念
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
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。
2021/1/20
聚焦系统
保证电子束在轰击屏幕 时，汇聚成很细的点。
加速电极
加正的高压电（几万伏），使电子束高速 运动。
2021/1/20
偏转系统
控制电子束，静电场或磁场，产生偏转。 电子束要到达屏幕的边缘时，偏转角度
2021/1/20
真彩系统
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” 常用的点状影孔板显象管有日本索尼公司 的特丽珑管（Trinitron）和三菱公司的钻 石珑管（Diamondtron）
2021/1/20
电子枪、影孔板中 的一个小孔和荧光 点呈一直线；
每个小孔与一个像 素（即三个荧光点） 对应
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。
显示器能同时显示的颜色个数
如果每支电子枪发出的电子束的强
度有256个等级，则显示器能同时显
示256*256*256=16M种颜色，称为
高速电子束
2021/1/20
计算机图形学基础答案全
计算机图形学作业答案第二章图形系统第二章图形系统1． 什么是图像的分辨率？什么是图像的分辨率？解答：在水平和垂直方向上每单位长度（如英寸）所包含的像素点的数目。
在水平和垂直方向上每单位长度（如英寸）所包含的像素点的数目。
2． 计算在240像素像素//英寸下640640××480图像的大小。
图像的大小。
解答：（640/240640/240））×(480/240)(480/240)或者（或者（或者（8/38/38/3）×）×）×22英寸。
英寸。
3． 计算有512512××512像素的2×2英寸图像的分辨率。
英寸图像的分辨率。
解答：512/2或256像素像素//英寸。
英寸。
第三章 二维图形生成技术a) 一条直线的两个端点是（0，0）和（6，18），计算x 从0变到6时y 所对应的值，并画出结果。
并画出结果。
解答：由于直线的方程没有给出，所以必须找到直线的方程。
下面是寻找直线方程（由于直线的方程没有给出，所以必须找到直线的方程。
下面是寻找直线方程（y y ＝mx mx＋＋b ）的过程。
首先寻找斜率：）的过程。
首先寻找斜率： m m ＝＝ ⊿y/y/⊿⊿x x ＝＝ （y 2－y 1）/（x 2－x 1） ＝ （1818－－0）/(6/(6－－0) 0) ＝＝ 3 接着b 在y 轴的截距可以代入方程y ＝3x 3x＋＋b 求出求出 0 0 0＝＝3（0）＋）＋b b 。
因此b ＝0，所以直线方程为y ＝3x 3x。
b) 使用斜截式方程画斜率介于0°和45°之间的直线的步骤是什么？°之间的直线的步骤是什么？ 解答：1.1. 计算dx dx：：dx dx＝＝x 2－x 1。
2.2. 计算dy dy：：dy dy＝＝y 2－y 1。
3.3. 计算m ：m ＝dy/dx dy/dx。
4.4. 计算b: b b: b＝＝y 1－m ×x 15.5. 设置左下方的端点坐标为（x ，y ），同时将x end 设为x 的最大值。
计算机图形学_PPT完整版
图形软件主要类型
3. 专用图形软件包 针对某一种设备或应用，设计/配置专用的图形 生成语言或函数集，例如： 场景描述：Open Inventor 建立虚拟世界的三维模型：VRML 生成三维Web显示：Java3D 创建Java applet中的二维场景：Java 2D 生成各种光照模型下的场景：Renderman Interface（Pixar）……
图元的绘制、显示过程
顶点
法向量、颜色、纹理…
像素
图元操作、像素操作 光栅化（扫描转换）
像素信息 帧缓存 显示器
调用底层函数，如 setPixel (x,y)；将当 前像素颜色设定值存 入帧缓存的整数坐标 位置（x,y）处。
图元描述与操作
几何图元由一组顶点（Vertex）描述 这一组顶点可以是一个或是多个。每个顶点信息二维或 三维，使用 2~4 个坐标。顶点信息由位置坐标、颜色 值、法向量、纹理坐标等组成。 图元操作： 几何变换、光照、反走样、消隐、像素操作等，然后准 备进行光栅化处理。 扫描转换或光栅化（Rasterization ） 将对象的数学描述、颜色信息转换成像素信息（像素段 写入帧缓存），送到屏幕显示。
应用程序
图形应用程序
图形语言连接 外部应用 数据库 内部应用 数据库 API GKS/GKS 3D PHIGS OpenGL
图形编程软件包，如OpenGL、 VRML、Java2D、Java3D……
GKSM
图形设备驱动程序，如显卡驱动、 打印机/绘图仪驱动…… 支持图形处理的操作系统,如 Macintosh、Windows、Unix、 Linux 、各种嵌入式OS…… 图形输
计算机图形软件的标准化意义
可移植性 通用、与设备无关 推动、促进计算机图形学的推广、应用 资源信息共享
计算机图形学第二版(陆枫)课后习题答案部分
计算机图形学第二版（陆枫）课后习题集第一章绪论概念：计算机图形学、图形、图像、点阵法、参数法、图形的几何要素、非几何要素、数字图像处理；计算机图形学和计算机视觉的概念及三者之间的关系；计算机图形系统的功能、计算机图形系统的总体结构。
第二章图形设备图形输入设备：有哪些。
图形显示设备：CRT的结构、原理和工作方式。
彩色CRT：结构、原理。
随机扫描和光栅扫描的图形显示器的结构和工作原理。
图形显示子系统：分辨率、像素与帧缓存、颜色查找表等基本概念，分辨率的计算第三章交互式技术什么是输入模式的问题，有哪几种输入模式。
第四章图形的表示与数据结构自学，建议至少阅读一遍第五章基本图形生成算法概念：点阵字符和矢量字符；直线和圆的扫描转换算法；多边形的扫描转换：有效边表算法；区域填充：4／8连通的边界／泛填充算法；内外测试：奇偶规则，非零环绕数规则；反走样：反走样和走样的概念，过取样和区域取样。
5.1.2 中点 Bresenham 算法（P109）5.1.2 改进 Bresenham 算法（P112）习题解答习题5（P144）5.3 试用中点Bresenham算法画直线段的原理推导斜率为负且大于1的直线段绘制过程（要求写清原理、误差函数、递推公式及最终画图过程）。
（P111）解： k<=-1 |△y|/|△x|>=1 y为最大位移方向故有构造判别式：推导d各种情况的方法(设理想直线与y=yi+1的交点为Q)：所以有： y Q-kx Q-b=0 且y M=y Qd=f(x M-kx M-b-(y Q-kx Q-b)=k(x Q-x M)所以，当k<0，d>0时，M点在Q点右侧（Q在M左），取左点 P l(x i-1,y i+1)。
d<0时，M点在Q点左侧（Q在M右），取右点 Pr(x i,y i+1)。
d=0时，M点与Q点重合（Q在M点），约定取右点 Pr(x i,y i+1) 。
所以有递推公式的推导：d2=f(x i-1.5,y i+2)当d>0时,d2=y i+2-k(x i-1.5)-b 增量为1+k=d1+1+k当d<0时,d2=y i+2-k(x i-0.5)-b 增量为1=d1+1当d=0时,5.7 利用中点 Bresenham 画圆算法的原理，推导第一象限y＝0到y＝x圆弧段的扫描转换算法（要求写清原理、误差函数、递推公式及最终画图过程）。
计算机图形学第二章计算机图形系统概述
平板显示器___非发射显示器
非发射显示器(Nonemissive displays)
原理：将太阳光或其他光源的光转换为图形 模式，通过能阻塞或传递光的液晶材料，传 递来自周围的或内部光源的偏振光
类型：液晶显示器(LCD)
平板显示器___非发射显示器
立体显示
为观察者的每只眼睛给出不同的视图来 提供三维效果，从而场景带有深度
视频监视器 绘图仪
其他输出设备
设备坐标系
图形功能
图形的基本构造块称为图形输出图元(graphics output primitives)：包括字符串和几何成分， 如点、直线、曲线、填充区域(多边形、圆等)以 及彩色阵列定义的形状。
属性是输出图元的特性。属性描述一个特定图元 是怎样显示的，包括强度和彩色设定，线型、文 本类型，以及填充模式
立体显示
主动式立体显示系统
立体显示
被动立体显示系统示意图
图形系统的硬件工作平台类型
微机 工作站 中小型机 大型机 计算机网络
IBM Z900大型机1套，价值1500万美金
图形输入输出设备
一、图形输入设备 1、向量型图形输入设备
采取跟踪轨迹，记录坐标点的方法输入图形。主要 输入的数据形式为直线或折线构成的图形构成的图 形学数据。 ➢ 数字化板 ➢ 鼠标器 ➢ 光笔
CRT显示器
• 屏幕的刷新
电子束周期性地回到同一点的方式来保 持图象。
显示器的基本概念及技术指标
显示器的基本概念及技术指标
显示器的扫描频率，也叫刷新率 分为：
➢ 行频 ➢ 场频
显示器的基本概念及技术指标
行频(水平扫描频率)
电子枪每秒在屏幕上扫描过的水平线数
单位: KHz
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2021/3/11
荧光屏
荧光物质：当它被电子轰击时发出亮光 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)：为了让荧光物质保持一个稳 定的亮度值 刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数
特点：电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的 部分。 逻辑部件：刷新存储器(Refreshing Buffer),显示处
理器（DPU:Display Processing Uuit）和CRT
2021/3/11
工作原理
应用程序发出绘图命令，→解析成显示处理器可
接受命令格式，存放在刷新存储器中。刷新存储器中所 有的绘图命令组成一个显示文件，由显示处理器负责解 释执行(刷新)， →驱动电子枪在屏幕上绘图。
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。
2021/3/11
聚焦系统
保证电子束在轰击屏幕 时，汇聚成很细的点。
加速电极
加正的高压电（几万伏），使电子束高速 运动。
2021/3/11
偏转系统
控制电子束，静电场或磁场，产生偏转。 电子束要到达屏幕的边缘时，偏转角度
2021/3/11
红 绿兰
荫栅
荧光屏 RGB
2021/3/11
荫栅式彩色CRT显色原理
0.25mm
G B R G B R G GB
d=0.28mm
0.31mm
点距为.25的柱 面显示器
0.22mm
点距为.28的球 面显示器
柱面和球面显示器点距定义示意图
2021/3/11
2.1.3 随机扫描的显示系统
2021/3/11
真彩系统
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” 常用的点状影孔板显象管有日本索尼公司 的特丽珑管（Trinitron）和三菱公司的钻 石珑管（Diamondtron）
2.1.1 阴极射线管 2.1.2 彩色阴极射线管
射线穿透法 影孔板法
2.1.3 随机扫描显示系 统
2.1.4 光栅扫描系统
2021/3/11
阴极射线管（CRT)
阴极射线管(CRT- Cathode Ray Tube) –组成：包括电子枪、加速结构、聚焦 系统、偏转系统、荧光屏
2021/3/11
2021/3/11
电子枪、影孔板中 的一个小孔和荧光 点呈一直线；
每个小孔与一个像 素（即三个荧光点） 对应
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。
显示器能同时显示的颜色个数
如果每支电子枪发出的电子束的强
度有256个等级，则显示器能同时显
示256*256*256=16M种颜色，称为
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=25Hz
2021/3/11
荧光屏
像素(Pixel:Picture Cell)：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640*480， 800*600，1024*768，1280*1024等等
第二章 图形设备与系统
2.1 图形显示设备 2.2 图形系统及其标准
2021/3/11
2.1 图形设备
图形显示设备
图形输出包括图形的显示和图形的绘制，图 形显示指的是在屏幕上输出图形
图形绘制通常指把图形画在纸上，也称硬拷 贝，打印机和绘图仪是两种最常用的硬拷贝 设备
2021/3/11
2.1 图形显示器
修改图形，实际是修改显示文件中的某些绘图命令。
2021/3/11
2.1.4 光栅扫描的显示系统
光栅扫描显示系统
特点：光栅扫描 扫描线 帧 水平回扫期 垂直回扫期
栅格式影孔板 代表：Sony的Trinitron与Mitsubishi 的Diamondtron显像管
沟槽式影孔板 代表：LG的Flatron显像影孔板法
点状影孔板工作原理 红、绿、兰三基色 三色荧光点（很小并充分靠近--〉像素） 三支电子枪
高速电子束
2021/3/11
彩色阴极射线管-射线穿透法
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
2021/3/11
2.1.2 彩色阴极射线管-影孔板法
影孔板法
原理：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
外层玻璃
2021/3/11
荧光涂层
影孔板的类型 点状影孔板 代表：大多数球面与柱面显像管
2021/3/11
要保持显示一幅稳定的画面，必须不断地发 射电子束
刷新频率 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
2021/3/11
电子枪
电灯丝，阴极和控制栅组成。 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
阴极射线管(CRT)
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，即电子吸收到 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
2021/3/11
2.1.2 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
2021/3/11
2.1.2 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
荧光涂层 产生颜色
低速电子束
电子束
较低速电子束 较高速电子束