計算機(jī)圖形學(xué)教程（第5版 微課版）課件全套 第1-10章 圖形學(xué)緒論-計算機(jī)動畫

計算機(jī)圖形學(xué)

緒論教材蘇小紅、李東、唐好選，《計算機(jī)圖形學(xué)實用教程（第2版）》，人民郵電出版社，2010年9月參考書DavidF.Rogers著，石教英，彭群生等譯，ProceduralElementsforComputerGraphics(SecondEdition)計算機(jī)圖形學(xué)的算法基礎(chǔ)，機(jī)械工業(yè)出版社，2002齊東旭，分形及其計算機(jī)生成，科學(xué)出版社，1994齊東旭，計算機(jī)動畫原理與應(yīng)用，科學(xué)出版社，1998彭群生，鮑虎軍，金小剛，計算機(jī)真實感圖形學(xué)的算法基礎(chǔ)，科學(xué)出版社，1999鮑虎軍金小剛彭群生，《計算機(jī)動畫的算法基礎(chǔ)》，浙江大學(xué)出版社，2000年在線教學(xué)網(wǎng)站

graphics教學(xué)理念教學(xué)理念以應(yīng)用為背景以理論為主線以算法為核心以能力培養(yǎng)和提高學(xué)習(xí)興趣為目標(biāo)思維能力軟件編程能力軟件應(yīng)用能力文獻(xiàn)檢索、綜述能力自學(xué)能力課程考核方式實驗大作業(yè)編寫算法的實現(xiàn)程序，提交程序源代碼，并撰寫實驗報告制作Flash動畫，提交fla和exe文件，撰寫實驗報告實驗報告詳細(xì)要求見嚴(yán)禁作弊第1章緒論應(yīng)用領(lǐng)域與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系發(fā)展簡史研究內(nèi)容什么是計算機(jī)圖形學(xué)交互式計算機(jī)圖形處理系統(tǒng)什么是計算機(jī)圖形學(xué)

ComputerGraphics(CG)

計算機(jī)圖形學(xué)是研究怎樣用計算機(jī)生成、處理和顯示圖形的一門學(xué)科。

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的定義：

計算機(jī)圖形學(xué)是研究通過計算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并在專門顯示設(shè)備上顯示的原理、方法和技術(shù)的學(xué)科。它是建立在傳統(tǒng)的圖學(xué)理論、應(yīng)用數(shù)學(xué)和計算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)上的一門邊緣學(xué)科。圖形的構(gòu)成要素廣義的概念幾何要素——幾何屬性點、線、面、體非幾何要素——視覺屬性明暗、灰度、色彩、紋理、透明性、線型、線寬圖形與圖像的區(qū)別表示——面向?qū)ο螅ㄖ本€、圓、圓弧、多邊形、填充區(qū)域）的，每個對象都是一個自成一體的實體，它同時具有幾何屬性和視覺屬性來源——由代碼（算法）生成（包括圖形軟件繪制）圖形設(shè)計軟件——Illustrator，記錄每個對象的位置、大小、形狀、顏色等信息表示——點陣圖像，由稱作像素的單個點組成的來源——掃描輸入，網(wǎng)絡(luò)下載，數(shù)碼照相，電腦屏幕抓圖，圖像軟件繪制等圖像處理軟件——Photoshop，記錄各空間位置的顏色信息一般說來，要在計算機(jī)上生成一幅表示物體的圖形，有三個要素：造型技術(shù)：對形狀和外觀進(jìn)行數(shù)學(xué)定義在計算機(jī)中建立所要生成圖像的物體的模型即給出表示該物體的幾何模型/幾何數(shù)據(jù)和拓?fù)潢P(guān)系繪制技術(shù)：按照給定的觀察點及觀察方向?qū)⑽矬w模型在計算機(jī)屏幕上顯示出來人機(jī)交互技術(shù)：為造型和繪制這兩個過程提供友好的人機(jī)界面研究內(nèi)容

計算機(jī)對圖形數(shù)據(jù)處理的硬件和軟件圍繞著生成、表示物體的圖形的

準(zhǔn)確性->真實性->實時性算法可大致分為以下幾類：

研究內(nèi)容基于圖形設(shè)備的基本圖形元素的生成算法圖形的變換和裁剪自由曲線和曲面——計算幾何幾何造型技術(shù)真實感圖形的生成算法自然景物的生成——分形幾何顏色科學(xué)及其應(yīng)用計算機(jī)動畫技術(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)——實時交互式三維圖形處理與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系圖像處理計算機(jī)圖形學(xué)模式識別圖像計算幾何特征數(shù)據(jù)幾何模型CAD/CAM計算機(jī)藝術(shù)計算機(jī)動畫計算機(jī)視覺視頻與圖形的融合視頻與圖形的融合融合的兩個需求將交互圖形技術(shù)應(yīng)用于圖像/視頻處理中提高處理的穩(wěn)定性和實用性利用圖像/視頻中所蘊含的信息解決場景構(gòu)造和繪制的復(fù)雜性提高真實感和效率視頻與圖形的融合融合的應(yīng)用海量視頻數(shù)據(jù)的拼接與整合，實現(xiàn)新視頻序列的合成視頻序列與虛擬場景的無縫融合，達(dá)到真假難辨的視覺效果，增強現(xiàn)實基于視頻信號的三維運動驅(qū)動，視頻場景的幾何、運動和屬性重建基于視頻信號的自然交互技術(shù)電影特技、游戲，電視節(jié)目直播等發(fā)展簡史

準(zhǔn)備階段（50年代）1950年，MIT，第一臺圖形顯示器，旋風(fēng)I號(WhirlwindI)計算機(jī)的附件類似于示波器的陰極射線管(CRT)50年代末期，MIT林肯實驗室，在“旋風(fēng)”計算機(jī)上開發(fā)SAGE空中防御系統(tǒng)光筆，交互式圖形生成技術(shù)。

發(fā)展簡史

發(fā)展階段（60年代）MIT林肯實驗室，I.E.Sutherland發(fā)表博士論文“Sketchpad:一個人機(jī)通信的圖形系統(tǒng)”《Sketchpad:AManMachineGraphicalCommunicationSystem》首次使用ComputerGraphics術(shù)語計算機(jī)圖形學(xué)之父發(fā)展簡史

發(fā)展階段（60年代）60年代中期，美國MIT、通用汽車公司、貝爾電話實驗室、洛克希德飛機(jī)公司、法國雷諾汽車公司、英國劍橋大學(xué)隨機(jī)掃描顯示器發(fā)展簡史

推廣應(yīng)用階段（70年代）基于電視技術(shù)的光柵掃描顯示器的出現(xiàn)，圖形學(xué)進(jìn)入了第一個興盛的時期，并開始出現(xiàn)實用的CAD圖形系統(tǒng)。眾多商品化軟件的出現(xiàn)，使圖形標(biāo)準(zhǔn)化問題也被提上議程。74年，美國計算機(jī)學(xué)會成立圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會(ACMSIGGRAPH)發(fā)展簡史

系統(tǒng)實用化階段（80年代）80年代，超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)，工作站的出現(xiàn)，促進(jìn)了圖形學(xué)的發(fā)展。標(biāo)準(zhǔn)化智能化階段（90年代）朝著標(biāo)準(zhǔn)化、集成化和智能化的方向發(fā)展國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）公布的圖形標(biāo)準(zhǔn)也越多、且更加成熟當(dāng)前流行的有：OpenGL,Direct3D,Java3D圖形應(yīng)用軟件具有友好的人機(jī)界面Adobe公司的IllustratorMacromedia公司的FreehandCorel公司的Coreldraw圖形子程序庫圖形處理中的最小單元，完成圖形元素的生成、表示、變換、顯示等被各種圖形應(yīng)用軟件調(diào)用圖形設(shè)備驅(qū)動程序用來控制圖形硬件設(shè)備顯示驅(qū)動程序、打印驅(qū)動程序圖形應(yīng)用軟件圖形子程序庫圖形設(shè)備驅(qū)動程序圖形硬件設(shè)備圖形軟件發(fā)展及軟件標(biāo)準(zhǔn)形成

三種類型的計算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)：(1)按國際標(biāo)準(zhǔn)或公司標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的圖形子程序庫

如:GKS，PHIGS，OpenGL 便于移植和推廣、但執(zhí)行速度相對較慢，效率低(2）各種程序設(shè)計語言專用的圖形子程序庫

簡練、緊湊、執(zhí)行速度快，但不可移植（3）專用圖形系統(tǒng)

效率高，但系統(tǒng)開發(fā)量大，可移植性差。

通用的、與設(shè)備無關(guān)的圖形標(biāo)準(zhǔn)GKS(GraphicsKernelSystem)(第一個官方標(biāo)準(zhǔn)，1977)PHIGS(Programmer’sHerarchicalIuteractiveGraphicssystem)一些非官方圖形軟件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)界，成為事實上的標(biāo)準(zhǔn)DirectX(MS)Xlib(X-Window系統(tǒng))Adobe公司PostscriptOpenGL(SGI)——畫圖命令是軟件庫的一部分，與某種語言邦定——用戶界面軟件是獨立的實體，隨系統(tǒng)而不同Direct3DJava3D——與用戶界面工具包集成在一起 開放式、高效率的發(fā)展趨勢開放式的三維圖形軟件包OpenGLOpenGL是在SGI等多家世界聞名的計算機(jī)公司的倡導(dǎo)下，以SGI的GL三維圖形庫為基礎(chǔ)制定的一個通用共享的開放式三維圖形標(biāo)準(zhǔn)。目前，包括Microsoft、SGI、IBM、SUN、HP等大公司都采用了OpenGL做為三維圖形標(biāo)準(zhǔn)，許多軟件廠商也紛紛以O(shè)penGL為基礎(chǔ)開發(fā)出自己的產(chǎn)品。其中比較著名的產(chǎn)品包括：動畫制作軟件Softimage和3DStudioMAX、仿真軟件OpenInventor、VR軟件WorldToolKit、CAM軟件ProEngineer、GIS軟件ARC/INFO等等。OpenGL的優(yōu)越性獨立于窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)以它為基礎(chǔ)開發(fā)的應(yīng)用程序可以十分方便地在各種平臺間移植可與VisualC++緊密接口便于實現(xiàn)機(jī)械手的有關(guān)計算和圖形算法，可保證算法的正確性和可靠性；使用簡便，效率高OpenGL圖形庫的功能一共有100多個函數(shù)。其中核心函數(shù)有115個除了提供基本的點、線、多邊形的繪制函數(shù)外，還提供了復(fù)雜的三維物體（球、錐、多面體、茶壺等）以及復(fù)雜曲線和曲面（如Bezier、NURBS等曲線或曲面）繪制函數(shù)。基本幾何變換和投影變換顏色模式設(shè)置光照和材質(zhì)設(shè)置紋理映射功能位圖顯示和圖象增強：反走樣(Antialiasing)和霧(fog)的特殊圖象效果處理雙緩存(DoubleBuffering)動畫：雙緩存即前臺緩存和后臺緩存，即后臺緩存計算場景、生成畫面，前臺緩存顯示后臺緩存已畫好的畫面。計算機(jī)圖形學(xué)

緒論應(yīng)用圖形用戶界面

計算機(jī)輔助設(shè)計與制造——工業(yè)領(lǐng)域CAD/CAM是CG在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域。用三維計算機(jī)建模軟件包設(shè)計出機(jī)械零件，再用這些虛擬設(shè)計指導(dǎo)生產(chǎn)過程，由計算機(jī)控制的生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)出零件飛機(jī)、汽車、船舶、機(jī)電、輕工、服裝的外形設(shè)計集成電路、印刷電路板的設(shè)計建筑設(shè)計基于工程圖紙的三維形體重建孫家廣，譚建榮Boeing777,無紙設(shè)計，無紙制造在飛機(jī)工業(yè)中，美國波音飛機(jī)公司已用有關(guān)的CAD系統(tǒng)實現(xiàn)波音777大型客機(jī)的整體設(shè)計和模擬，其中包括飛機(jī)外型、內(nèi)部零部件的安裝和檢驗。使其設(shè)計制造成本下降30%以上。

建筑和環(huán)境設(shè)計

計算機(jī)動畫——商業(yè)領(lǐng)域廣告設(shè)計視頻游戲（仿真——精確的視頻游戲）卡通動畫片影視特技應(yīng)用視頻游戲使用復(fù)雜的三維模型和繪制算法由世界著名的游戲公司暴雪出品的3D網(wǎng)絡(luò)游戲《魔獸世界》自其先后在北美、歐洲和韓國上市以來，打破了多項紀(jì)錄，更被中國游戲玩家公認(rèn)為“2005年最受期待的游戲”。據(jù)悉，在《魔獸世界》限量公開測試報名首日的第一個小時內(nèi)，就有10萬玩家激情參與！獅子王《玩具總動員》美女與野獸精靈鼠小弟卡通動畫片影視特效鏡頭的制作現(xiàn)代電影幾乎都用到了數(shù)字合成技術(shù)，添加背景，生成前景等。產(chǎn)生以假亂真而又驚險的特技效果，如模擬大樓被炸、橋梁坍塌等。影片《珍珠港》劇照。由電腦制作出的災(zāi)難景象。侏羅紀(jì)公園計算機(jī)藝術(shù)——藝術(shù)領(lǐng)域

“計算機(jī)藝術(shù)是科學(xué)與藝術(shù)相結(jié)合的一門新興的交叉學(xué)科，是計算機(jī)應(yīng)用的一個嶄新、富有時代氣息的領(lǐng)域?？茖W(xué)和藝術(shù)是不可分割的，就像一枚硬幣的兩面……”——諾貝爾物理學(xué)獎李政道計算機(jī)藝術(shù)——藝術(shù)領(lǐng)域含義很廣以計算機(jī)為工具，可以完成多種藝術(shù)品的制作和設(shè)計，如繪畫（平面圖形）、雕塑（立體圖形）、音樂、平面構(gòu)成、空間結(jié)構(gòu)，還有體操舞蹈設(shè)計等等。其中，美術(shù)作品占比重最大因此，計算機(jī)藝術(shù)由主要指計算機(jī)美術(shù)齊東旭計算機(jī)動畫，分形藝術(shù)潘云鶴智能CAD，紡織CAD計算機(jī)藝術(shù)——藝術(shù)領(lǐng)域計算機(jī)平面繪畫藝術(shù)計算機(jī)繪畫（ComputerPainting）主要指人們利用鼠標(biāo)或數(shù)字壓感光筆直接在屏幕或數(shù)字化板上進(jìn)行的繪畫軟件包括：CorelPainter或AdobePhotoshop等該類繪畫最接近于傳統(tǒng)繪畫，其畫風(fēng)細(xì)膩、形象生動自然。但畫幅一般較小，要求繪畫者有較高的美術(shù)功底。優(yōu)勢為：易于修改、效果豐富、成本較低、但對于電腦設(shè)備要求較高。近期廣泛應(yīng)用于手繪動畫和漫畫創(chuàng)作。計算機(jī)藝術(shù)——藝術(shù)領(lǐng)域計算機(jī)平面合成藝術(shù)計算機(jī)數(shù)字圖像合成藝術(shù)（ComputerImageEditingandMontageArt）主要指利用電腦對掃描或數(shù)字相機(jī)導(dǎo)入的圖像素材進(jìn)行編輯和合成，以及進(jìn)行后期特技處理所產(chǎn)生的新視覺作品軟件包括：CorelPainter或AdobePhotoshop等。該類作品接近于傳統(tǒng)攝影特技，并帶有“蒙太奇藝術(shù)”的特點，許多合成圖像帶有荒誕、刺激、搞笑、離奇和超現(xiàn)實主義風(fēng)格的效果。優(yōu)勢為：易于掌握和普及、效果豐富、成本較低。廣泛應(yīng)用于影視后期和多媒體創(chuàng)作。和應(yīng)用美術(shù)及廣告設(shè)計的關(guān)系十分密切。計算機(jī)藝術(shù)——藝術(shù)領(lǐng)域計算機(jī)數(shù)字圖像合成藝術(shù)計算機(jī)藝術(shù)——藝術(shù)領(lǐng)域計算機(jī)圖形設(shè)計藝術(shù)

計算機(jī)藝術(shù)計算機(jī)圖形設(shè)計藝術(shù)

計算機(jī)藝術(shù)——藝術(shù)領(lǐng)域工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計

計算機(jī)藝術(shù)——藝術(shù)領(lǐng)域廣告設(shè)計

計算機(jī)藝術(shù)——藝術(shù)領(lǐng)域紡織品和服裝設(shè)計

非真實感繪制

NPRNon-PhotorealisticRendering

非真實感圖形比真實感圖形應(yīng)用更廣泛，如文學(xué)讀物插圖，其中兒童讀物插圖量最大；用數(shù)字方法對傳統(tǒng)繪畫進(jìn)行模擬以掌握其規(guī)律性的東西；傳統(tǒng)動畫都是非真實感的，現(xiàn)在需要用計算機(jī)技術(shù)再現(xiàn)它們鋼筆畫效果鋼筆素描產(chǎn)生于中世紀(jì)，從19世紀(jì)開始成為一門藝術(shù)，然而用計算機(jī)模擬鋼筆繪畫卻是20世紀(jì)90年代的事情。

油畫效果水彩畫效果銅版畫效果雕塑藝術(shù)中國畫與書法藝術(shù)Brushes應(yīng)用

過程控制石油化工、金屬冶煉、電網(wǎng)控制的工作人員根據(jù)設(shè)備關(guān)鍵部位的傳感器送來得圖像和數(shù)據(jù)，對設(shè)備運行過程進(jìn)行監(jiān)控機(jī)場、鐵路的調(diào)度人員通過計算機(jī)產(chǎn)生運行狀態(tài)信息來調(diào)整空中交通和鐵路運輸系統(tǒng)環(huán)境模擬飛行模擬艙、飛行仿真器——模擬飛機(jī)的飛行過程，用光柵掃描器產(chǎn)生駕駛員在駕駛艙中預(yù)期所能看到的景象，對飛行員進(jìn)行單飛前的地面訓(xùn)練和飛機(jī)格斗訓(xùn)練等電力機(jī)車模擬裝置視景系統(tǒng)應(yīng)用

事務(wù)和商務(wù)數(shù)據(jù)的圖形顯示繪制表示經(jīng)濟(jì)信息的各類二、三維統(tǒng)計管理圖表信息可視化:信息流量，商業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，股市行情應(yīng)用

地形地貌和自然資源的圖形顯示地理信息系統(tǒng)（GIS）數(shù)字地球，地形數(shù)據(jù)作為載體，（70％）全球信息化.軍事，政府決策，旅游，資源調(diào)查。地理圖、地形圖、礦藏分布圖、氣象氣流圖、植物分布圖環(huán)境監(jiān)測地球資源勘探

科學(xué)計算的可視化不同于可視化計算科學(xué)計算可視化是將科學(xué)計算過程中的數(shù)據(jù)及結(jié)果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像實際上也包括了工程計算可視化和測量數(shù)據(jù)可視化其核心是三維數(shù)據(jù)場的可視化?？蓱?yīng)用于氣象預(yù)報、（CT）醫(yī)學(xué)圖象重建、流場、湍流、激波、石油地質(zhì)勘探、環(huán)境保護(hù)、核爆炸模擬、計算流體力學(xué)、天體物理、分子生物學(xué)、有限元分析、等許多領(lǐng)域。虛擬手術(shù)仿真臺灣pcexpert公司研制的LSVR系統(tǒng)逼真地模擬了腹腔手術(shù)，進(jìn)行過程教學(xué)、手術(shù)成果檢驗等

腹腔虛擬手術(shù)系統(tǒng)由解放軍總醫(yī)院承擔(dān)與國防科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院協(xié)作，歷時兩年研究開發(fā)的虛擬鼻內(nèi)窺鏡手術(shù)仿真系統(tǒng)圖1-2鼻內(nèi)窺鏡虛擬手術(shù)系統(tǒng)

多媒體應(yīng)用CAI教學(xué)娛樂身臨其境地看電視視景仿真虛擬數(shù)字博物館第2章

交互式計算機(jī)圖形處理系統(tǒng)

63交互式計算機(jī)圖形處理系統(tǒng)Computer+人=交互式64PersonelComputer圖形處理系統(tǒng)workstation圖形處理系統(tǒng)要求主機(jī)性能更高（強大的浮點運算能力），速度更快，存儲容量更大，外設(shè)種類更齊全圖形加速卡，大屏幕顯示器硬件發(fā)展圖形輸入設(shè)備的發(fā)展第一階段：控制開關(guān)、穿孔紙等第二階段：鍵盤、光筆第三階段：二維定位設(shè)備，如鼠標(biāo)、坐標(biāo)數(shù)字化儀、跟蹤球、觸摸屏、操縱桿、掃描儀等第四階段：三維輸入設(shè)備（如三維鼠標(biāo)、空間球、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣）智能人機(jī)接口：用戶的手勢、表情、語音等656自由度三維鼠標(biāo)

可控制虛擬場景做自由漫游，或控制場景中某物體的空間位置及其方向，一般與數(shù)據(jù)手套,立體眼鏡配合使用,也可用于CAD/CAM軟件中與普通鼠標(biāo)配合使用，可顯著提高制作效率

66根據(jù)球在不同方向受到的推或拉的壓力來實現(xiàn)定位和選擇

圖形輸入設(shè)備（1/14）圖形輸入設(shè)備（2/14）67數(shù)據(jù)手套(Dataglove)

可測量出手的位置和形狀，從而實現(xiàn)環(huán)境中的虛擬手及其對虛擬物體的操縱。數(shù)據(jù)手套通過手指上的彎曲、扭曲傳感器和手掌上的彎度、弧度傳感器，確定手及關(guān)節(jié)的位置和方向。圖形輸入設(shè)備（3/14）用于虛擬現(xiàn)實環(huán)境的顯示器類型頭盔式顯示器(HeadMountedDisplay，HMD)空間沉浸式顯示器(SID,如洞穴式和園頂式)顯示硬件頭盔式顯示器將觀察者的頭部位置及運動方向告訴計算機(jī)，計算機(jī)就可以調(diào)整觀察者所看到的圖景，使得呈現(xiàn)圖像更趨于真實感絕大多數(shù)頭盔式顯示器使用兩個顯示器利用特殊光學(xué)設(shè)備對圖像進(jìn)行處理，使圖像看上去立體感更強把用戶的視覺、聽覺和其他感覺封裝起來，產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的錯覺。68圖形輸入設(shè)備（5/14）數(shù)據(jù)衣也是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中用的人機(jī)交互設(shè)備一件虛擬現(xiàn)實的數(shù)據(jù)緊身服可使你有在水中或泥沼中游泳的感覺69圖形輸入設(shè)備（6/14）70掃描儀常用類型滾筒式由電子分色機(jī)發(fā)展而來，用光電倍增管作為顏色感受器，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號掃描圖像質(zhì)量相對較高，可掃描幅面更大平板式采用電荷耦合器件CCD

（ChargeCoupledDevice）平板式掃描儀圖形輸入設(shè)備（7/14）71掃描儀工作原理用光源照射原稿投射光線經(jīng)過一組光學(xué)鏡頭，分解為三束光分別通過紅、綠、藍(lán)濾色片，完成顏色分解光線被聚焦到CCD器件上，產(chǎn)生強弱不同的電壓信號經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字顏色信息輸入到計算機(jī)存儲分色，光電轉(zhuǎn)換，數(shù)字化圖形輸入設(shè)備（8/14）72指標(biāo)分辨率光學(xué)分辨率：單位長度能采樣信息點數(shù)，由CCD陣列的分布密度決定插值分辨率：驅(qū)動軟件插值計算得到的，增加了像素，不增加細(xì)節(jié)掃描分辨率：掃描時的實際輸入分辨率，由最終輸出分辨率、原稿放大尺寸、掃描光學(xué)分辨率等因素決定能放置原稿的原稿的最大尺寸原稿放大倍數(shù)如光學(xué)分辨率為6000dpi，所需圖像分辨率為300dpi，則可放大20倍位深度、色深度決定可以獲取圖像的最大灰度級數(shù)、最多顏色數(shù)密度范圍決定圖像的高調(diào)和暗調(diào)層次，即圖像細(xì)節(jié)，越寬越好色調(diào)靈敏度制造商不公開圖形輸入設(shè)備（9/14）73數(shù)碼相機(jī)突破了傳統(tǒng)相機(jī)光學(xué)攝影100年來暗房處理和使用感光膠片的束縛以存儲器件記錄信息替代了感光材料記錄信息對印前系統(tǒng)而言，省去了相片掃描數(shù)字化工序?qū)崿F(xiàn)了圖像獲取的所見即所得。采用的攝像感應(yīng)器有兩種CCDCMOS：便宜，但質(zhì)量相對較差圖形輸入設(shè)備（9/14）74數(shù)碼相機(jī)工作原理影像→鏡頭→光圈→快門→濾色片分色→CCD（感光晶片,非膠片,光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生不同的電壓）→經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號→記錄在可轉(zhuǎn)換的硬卡（存儲器）上分解顏色，捕獲三原色信號圖形輸入設(shè)備（10/14）圖形輸入的一個特殊領(lǐng)域真實物體的三維信息的輸入

零件進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)必須在計算機(jī)中生成三維實體模型這個模型有時要通過已有的實物零件得到采集實物表面各個點的位置信息掃描保存古代名貴的雕塑和其它藝術(shù)品的三維信息在計算機(jī)中產(chǎn)生這些藝術(shù)品的三維模型75圖形輸入設(shè)備（11/14）美國斯坦福大學(xué)計算機(jī)系的著名圖形學(xué)專家MarcLevoy曾經(jīng)帶領(lǐng)他的30人工作小組（包括美國斯坦福大學(xué)及美國華盛頓大學(xué)的教師和學(xué)生）于1998～1999學(xué)年在意大利，專門對文藝復(fù)興時代的雕刻大師米開朗基羅的眾多藝術(shù)品進(jìn)行掃描，保存其形狀和面片信息專門設(shè)計了一套硬件和軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)量驚人，光大衛(wèi)像就有20億個多邊形和7000張彩色圖象，總共需要72G的磁盤容量實體圖形輸入的一個顛峰之作76圖形輸入設(shè)備（12/14）三維數(shù)字化儀工作原理電磁感應(yīng)技術(shù)由一塊數(shù)據(jù)板和一根觸筆組成數(shù)據(jù)板中布滿了金屬柵格，當(dāng)觸筆在數(shù)據(jù)板上移動時，其正下方的金屬柵格上就會產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流根據(jù)已產(chǎn)生電流的金屬柵格的位置，就可以判斷出觸筆當(dāng)前的幾何位置許多數(shù)字化儀提供了多種壓感電流，用不同的壓力就會有不同的信息傳向計算機(jī)77圖形輸入設(shè)備（14/14）78美術(shù)家數(shù)字化儀（帶壓力傳感器，無繩觸筆）通過控制筆的壓力繪制不同風(fēng)格的畫現(xiàn)在非常流行的漢字手寫系統(tǒng)就是一種數(shù)字化儀電腦藝術(shù)圖形輸入設(shè)備（12/13）“威力手”（MicroDcribeG2）美國Immersion公司研制生產(chǎn)的三維數(shù)字化儀，用于建立精確細(xì)致的三維電腦模型。由三段碳纖維臂構(gòu)成，體積小，方便攜帶，臂與臂之間由球形連接器相連，內(nèi)置高精度位置和方向傳感器，以感知探頭所處位置是產(chǎn)品設(shè)計工程師、機(jī)械工程師、動畫制作設(shè)計人員、游戲開發(fā)人員和科研工作者理想的三維數(shù)字化儀。79可在任何形狀、尺寸和材料的物體表面采集數(shù)據(jù)，只要沿著物體輪廓進(jìn)行描繪，幾分鐘內(nèi)就可建立復(fù)雜的三維數(shù)據(jù)集。

80圖形輸出(顯示、打?。┰O(shè)備：陰極射線管顯示器（CRT），液晶顯示器（LCD）等繪圖儀，打印機(jī)，雙監(jiān)視器圖形工作站MediaWall多屏幕系統(tǒng)——監(jiān)視器陣列交易展示、大型會議、博物館、旅客候機(jī)廳等

CRT顯示器分類陰極射線管（CRT）CathodeRayTube單色CRT彩色CRT8182陰極射線管(CRT)組成包括電子槍、聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、熒光屏工作原理電子槍發(fā)射電子束經(jīng)過聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)轟擊到熒光屏的不同部位被其內(nèi)表面的熒光物質(zhì)吸收發(fā)光產(chǎn)生可見的圖形結(jié)構(gòu)電子槍電燈絲的組成陰極由燈絲加熱發(fā)出電子束控制柵加上負(fù)電壓后，能夠控制通過其中小孔的帶負(fù)電的電子束的強弱通過調(diào)節(jié)負(fù)電壓高低來控制電子數(shù)量即控制熒光屏上相應(yīng)點的亮度83聚焦系統(tǒng)通過電場和磁場控制電子束變細(xì)，保證亮點足夠小，提高分辯率

加速電極加正的高壓電（幾萬伏）

使電子束高速運動

84

控制靜電場或磁場，使電子束產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，最大偏轉(zhuǎn)角是衡量系統(tǒng)性能的最重要的指標(biāo)，顯示器長短與此有關(guān)。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)85熒光屏

熒光物質(zhì)：吸收電子束而發(fā)光余輝時間：持續(xù)發(fā)光時間，電子束離開某點后，該點的亮度值衰減到初始值 刷新(Refresh)：為了讓熒光物質(zhì)保持一個穩(wěn)定的亮度值刷新頻率：每秒鐘重繪屏幕的次數(shù)，顯示器對圖像進(jìn)行更新的速率

60~120Hz之間（低于72Hz普遍會有閃爍感）視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(VESA)對顯示器的時序進(jìn)行了規(guī)范例如，75Hz時1280*1024分辨率顯示的VESA標(biāo)準(zhǔn)是屏幕每13.33ms更新一次像素(Pixel)：構(gòu)成屏幕（圖像）的最小元素分辨率(Resolution)：CRT在水平或豎直方向單位長度上能識別的最大像素個數(shù)單位通常為dpi（dotsperinch)。在假定屏幕尺寸一定的情況下，也可用整個屏幕所能容納的像素個數(shù)描述如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等

某種CRT產(chǎn)生穩(wěn)定圖像所需要的最小刷新頻率=1秒/熒光物質(zhì)的持續(xù)發(fā)光時間彩色陰極射線管彩色CRT滲透型常用于隨機(jī)掃描顯示器射線穿透法多槍型常用于光柵掃描顯示器影孔板法86射線穿透法（beampenetration）原理：兩層熒光涂層，紅色光和綠色光兩種發(fā)光物質(zhì)，不同速度電子束穿透熒光層的深淺，決定所產(chǎn)生的顏色87電子束熒光涂層產(chǎn)生顏色低速電子束較低速電子束較高速電子束高速電子束應(yīng)用：主要用于畫線顯示器優(yōu)點：成本低缺點：只能產(chǎn)生有限幾種顏色影孔板法原理：影孔板被安裝在熒光屏的內(nèi)表面，用于精確定位像素的位置88外層玻璃熒光涂層影孔板影孔板的類型點陣式蔭罩（影孔板）代表：球面顯像管柵線式蔭罩（影孔板）代表：柱面顯像管

日本索尼公司的特麗瓏管（Trinitron）三菱公司的鉆石瓏管（Diamondtron）

柵格式（溝槽式）影孔板代表：LG的Flatron顯像管89點陣式蔭罩（影孔板）工作原理紅、綠、蘭三基色三色熒光點（很小并充分靠近--〉像素）三支電子槍90電子槍、影孔板中的一個小孔和熒光點呈一直線每個小孔與一個像素（即三個熒光點）對應(yīng)顯示器能同時顯示的顏色個數(shù)91如果每支電子槍發(fā)出的電子束的強度有256個等級，則顯示器能同時顯示256*256*256=16M種顏色，稱為真彩色系統(tǒng)調(diào)節(jié)各電子槍發(fā)射電子束中所含電子的數(shù)目，可控制各色光點亮度柵線式蔭罩的優(yōu)點原理的區(qū)別光線的選擇方式和熒光點的排列不同點陣式的缺點球面熒光屏，幾何失真大三角形的熒光點排列即使點很密很細(xì)也不會特別清晰柵線式的優(yōu)點亮度更高，色彩也更鮮艷柱面和平面顯示器電子束通過率有很大提高92蔭罩式顯示器的固有缺陷由合金鋼板制成的蔭罩易磁化受熱受沖擊時易變形顯像管內(nèi)射向熒光屏的電子束中有75％以上被蔭罩阻擋，轉(zhuǎn)變成熱量浪費了屏幕尺寸越大或清晰度越高，就越難制造，生產(chǎn)成本高，成品率偏低，價格過高制約彩色顯像管清晰度提高的技術(shù)瓶頸是彩色顯像管中的蔭罩93新技術(shù)取消蔭罩單槍單束利用時分復(fù)用技術(shù)依序輪流調(diào)制單個電子束的電流，只需一支電子束就能完成現(xiàn)有技術(shù)用三槍三束或單槍三束才能完成的任務(wù)電子束按同步順序掃過G、R、B三色熒光粉條94CRT顯示器分類直視存儲管式（Direct-ViewStorageTubes）利用管子本身存儲信息，類似于一個長余輝的CRT，不必刷新刷新式隨機(jī)掃描式（Random-Scan）光柵掃描式（Raster-Scan）95隨機(jī)掃描的顯示系統(tǒng)96特點數(shù)據(jù)表示：矢量表示，只有端點信息，無線段中間點掃描方式：電子束像一支快速移動的畫筆，可隨意移動，只掃描熒屏上要顯示的部分，與示波器工作原理類似顯示圖形：幾何屬性（geometricattribute）為主，線架圖優(yōu)點：掃描速度快，分辨率高，線條質(zhì)量好，易修改，交互性好，動態(tài)性能好缺點：價格貴，只能顯示線畫圖形，應(yīng)用于軍事、CAD領(lǐng)域光柵掃描的顯示系統(tǒng)特點：數(shù)據(jù)表示：像素矩陣，像素數(shù)組掃描方式：從上到下，從左到右，與電視工作原理類似顯示圖形：幾何屬性+視覺屬性（Visualattribute），真實感圖形9798顯示器的分辨率電子束按固定的掃描順序掃描N條掃描線每條掃描線有M個像素顯示器的分辨率M*N

隔行掃描（Interlacedscan）工作原理場頻=幀頻*2一幀1／30秒，一場1／60秒幀頻30HZ，場頻60HZ99一幀完整的畫面分成兩場，即奇數(shù)場與偶數(shù)場優(yōu)點：降低了閃爍效應(yīng)；只需逐行的一半時間即可顯示一屏畫面，降低了對掃描頻率的要求，也降低了成本；幀緩存中數(shù)據(jù)量比逐行掃描少一半，降低了視頻控制器存取幀緩存的速度及傳輸帶寬的要求。第2章

交互式計算機(jī)圖形處理系統(tǒng)

100計算機(jī)圖形處理系統(tǒng)101繪圖儀printerComputerDPU輸入設(shè)備視頻控制器display顯示處理器控制圖形的顯示應(yīng)用程序發(fā)出繪圖命令，解析成顯示處理器可接受命令格式幀緩沖存儲器（FrameBuffer)存放所有的繪圖信息視頻控制器（VideoController)對顏色緩沖器進(jìn)行逐行掃描，控制驅(qū)動電子槍在屏幕上繪圖顯示處理器（DisplayProcessingUuit，簡稱DPU）負(fù)責(zé)解釋執(zhí)行(刷新)CRT圖形處理器俗稱顯卡CGAEGAVGATVGASVGAXGASXGA現(xiàn)在開發(fā)新型顯卡把注意力都集中在散熱上，同時尋找散熱性能更好的材料顯示主芯片顯卡的心臟，俗稱GPU

代替CPU完成部分圖形處理功能，掃描轉(zhuǎn)換、幾何變換、裁剪、光柵操作、紋理映射等等各圖形函數(shù)基本上都集成在這里102早期沒有RAMDAC視頻存儲數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器在視頻處理中，把二進(jìn)制的數(shù)字轉(zhuǎn)換成為和顯示器相適應(yīng)的模擬信號顯存存儲將要顯示的圖形信息保存圖形運算的中間數(shù)據(jù)它與顯示主芯片的關(guān)系，就像計算機(jī)的內(nèi)存之于CPU一樣103幀緩沖存儲器（FrameBuffer)作用：存儲屏幕上像素的顏色值也稱刷新存儲器(RefreshingBuffer)簡稱幀緩沖器，俗稱顯存104幀緩存中單元數(shù)目與顯示器上像素的數(shù)目相同單元與像素一一對應(yīng)各單元的數(shù)值決定了其對應(yīng)像素的顏色顯示顏色的種類與幀緩存中每個單元的位數(shù)有關(guān)視頻控制器（顯示控制器）作用：控制圖形的顯示，建立幀緩存與屏幕像素之間的一一對應(yīng)關(guān)系，負(fù)責(zé)按固定刷新頻率和掃描順序刷新屏幕圖形邏輯結(jié)構(gòu)工作原理刷新周期開始，光柵掃描發(fā)生器置X地址寄存器為0，置Y地址寄存器為N-1，首先取出對應(yīng)像素（0，N-1）的幀緩存單元的數(shù)值,放入像素值寄存器，用來控制像素的顏色，然后X的地址寄存器的地址加一，如此重復(fù)，直到該掃描線上的最后一個像素。105位面技術(shù)（1/3）顯存分成若干顏色的位平面（bitplane）各平面上相同位置的每一位和屏幕上的一個像素對應(yīng)同一像素點在各位面占同一地址不同位面上同一像素地址中的內(nèi)容決定像素的顏色106色平面越多，可表達(dá)的色彩越豐富增加一個位面，色彩就增加一倍而存儲器寫操作程序無需重新計算新地址程序兼容性好位面技術(shù)（2/3）107N位寄存器電子槍CRT光柵有N個位面的幀緩存2NDAC0100010~2N-1灰度等級寄存器藍(lán)色槍幀緩存DAC0001CRT光柵01DACDAC紅色槍綠色槍位面技術(shù)（3/3）若有24個位面（每種基色8個位面）可同時顯示(28)3=224=16777216種顏色（24位真彩色）紅綠藍(lán)Black000Blue001Green010Cyan011Red100Magenta101Yellow110White111108紅綠藍(lán)三個位面，組合成8種顏色增加一個亮度位面，形成16種顏色顯存容量分辨率M*N、顏色個數(shù)K與顯存容量V的關(guān)系3個位面分辯率是1024×1024的顯示器需要3×1024×1024（3145728）位的存儲器109顯存容量若存儲器位長固定，則屏幕分辯率與同時可用的顏色種數(shù)成反比1兆字節(jié)的幀緩存若設(shè)分辯率為640×480，則幀緩存每個單元可有24位，可能同時顯示224種顏色若設(shè)分辯率為1024×768，則每個單元分得的位數(shù)僅略多于8，只能工作于256色顯示模式下1101024*768真彩模式需要3M字節(jié)顯存高分辨率和真彩要求有大的顯存解決方法采用查色表(Look-upTable）或稱彩色表(ColorTable)顏色信息的存放方式兩種存放方式：顏色值直接存儲在幀緩存中把顏色碼放在一個獨立的表中，幀緩存存放的是顏色表中各項的索引值，索引色單顯查色表固化彩顯可修改、創(chuàng)建查色表111查色表（LUT）工作原理是一維線性表，其每一項的內(nèi)容對應(yīng)一種顏色它的長度由幀緩存單元的位數(shù)決定例如：每單元有8位，則查色表的長度為28＝256112目的在幀緩存單元的位數(shù)不增加的情況下具有大范圍內(nèi)挑選顏色的能力顏色緩沖器真彩色模式每個顏色通道，一個字節(jié)RGB，24bit，16777216（約1.68千萬）色RGBA，32bit，用于加速目的剩下的8位存儲alpha通道，描述給定像素處的物體透明度，1.0表示物體不透明，0表示像素不會被任何物體遮擋。利用over操作實現(xiàn)像素顏色與像素處物體顏色的線性混合。高彩色模式113顏色緩沖器真彩色模式高彩色模式一個像素，兩個字節(jié)，16bit，65536色5-6-5分割方式，綠色使用更高的顏色分辨率5-5-5-1分割方式，剩下的一位不用或做為alpha通道114常用緩沖技術(shù)單緩沖技術(shù)雙緩沖技術(shù)應(yīng)用于繪制區(qū)域更新頻繁時前緩沖（FrontBuffer）：顯示繪制完成的場景離屏后緩沖（BackBuffer）：保存當(dāng)前正在繪制的場景圖形驅(qū)動器控制對其進(jìn)行交換，避免圖像撕裂（Tearing）現(xiàn)象115常用緩沖技術(shù)三緩沖技術(shù)等待緩沖器：對緩沖器進(jìn)行清除并開始繪制116前前前前單緩沖緩沖器0幀0幀1幀2幀3前后前后后前后前雙緩沖緩沖器0緩沖器1幀0幀1幀2幀3等待后等待等待前等待后前后前等待后三緩沖緩沖器0緩沖器1緩沖器2幀0幀1幀2幀3DirectX支持，但OpenGL不支持其他緩沖器Z緩沖器（深度緩沖器）解決可見性問題累計緩沖器生成一些特殊效果，如景深、反走樣、運動模糊等117立體緩沖器立體視覺（StereoVision）繪制兩幅視圖（對應(yīng)左眼和右眼），獲得深度信息立體影像（Stereopsis）一幅為紅色，一幅為綠色（或青色分別繪制到藍(lán)色和綠色通道）使用紅綠眼鏡觀看合成結(jié)果使用快門眼鏡，每次僅允許一只眼睛看到屏幕，雙眼快速交替，同時和顯示器同步118帶寬T與分辨率、幀頻（刷新頻率）F的關(guān)系帶寬問題高分辨率和高刷新頻率要求高帶寬解決方法：隔行掃描（現(xiàn)在已基本不用，主流顯示器都用逐行掃描）對Z緩沖器內(nèi)容進(jìn)行壓縮和快速清除電視機(jī)仍采用隔行掃描，將計算機(jī)動畫用于電視機(jī)并不容易帶寬問題光柵顯示系統(tǒng)的特點優(yōu)點：成本低易于繪制填充圖形灰度和色彩豐富，圖像逼真可以和電視機(jī)兼容刷新頻率一定，與圖形的復(fù)雜程度無關(guān)缺點：需要掃描轉(zhuǎn)換掃描轉(zhuǎn)換速度偏低，交互操作響應(yīng)慢分辨率偏低，有階梯效應(yīng)119衡量CRT的指標(biāo)屏幕尺寸大小顯像管種類點距分辨率畫面刷新頻率帶寬

120走向平面和高清晰度的顯像管球面顯象管表面：球面的一部分時間：~90年代初柱面顯象管表面：柱面的一部分，垂直方向上平直，水平方向上有彎曲時間：90年代中期平面直角顯象管表面：球面的一部分，接近于平面，曲率相對比球面柱狀管小，反光及四角失真現(xiàn)象減少時間：90年代中后期純平顯象管表面：純平面，水平和垂直方向平面如鏡，色彩和亮度對比鮮明適合影像處理、多媒體展示、影片欣賞時間：90年代后期市場上的主流顯象管121CRT顯示器的缺點屏幕的加大導(dǎo)致顯象管的加長，體積加大，使用時受到空間的限制利用電子槍發(fā)射電子束來產(chǎn)生圖像，產(chǎn)生輻射與電磁波干擾，長期使用對健康不利122節(jié)省防置空間的短管平板顯示器的優(yōu)點平板顯示器的重量僅為CRT的1／6耗電量約為CRT的1/3色彩清晰，圖像失真小不受磁場影響等123平板顯示器主動發(fā)光顯示器顯示媒質(zhì)本身發(fā)光等離子顯示器（PDP）真空熒光顯示器（VFD）場發(fā)射顯示器（FED）電致發(fā)光顯示器（LED）有機(jī)發(fā)光二極管顯示器（OLED）被動發(fā)光顯示器本身不發(fā)光，利用顯示媒質(zhì)被電信號調(diào)制后，其光學(xué)特性發(fā)生變化，對環(huán)境光和外加光源（背光源、投影光源）發(fā)出的光進(jìn)行調(diào)制，在顯示屏上進(jìn)行顯示液晶顯示器（LCD）微機(jī)電系統(tǒng)顯示器（DMD）電子油墨（EL）顯示器124LCD顯示器（1/6）

液晶顯示器LCD（LiquidCrystalDisplay）原理液晶是一種介于液體和固體之間的特殊物質(zhì)它具有液體的流態(tài)性質(zhì)和固體的光學(xué)性質(zhì)當(dāng)液晶受到電壓的影響時，就會改變它的物理性質(zhì)而發(fā)生形變此時通過它的光的折射角度就會發(fā)生變化，而產(chǎn)生色彩125LCD顯示器（2/6）分類：DSTN（dual-scantwistednematic）雙掃描交錯液晶顯示——被動矩陣（無源矩陣）TFT（thinfilmtransistor）薄膜晶體管顯示——主動矩陣（有源矩陣）彩色液晶顯示可用不同材料或染料，并在每個像素上放置三個薄膜晶體管。晶體管用來控制象素位置的電壓，并阻止液晶單元慢性漏電。TFT-LCD特點：屏幕反應(yīng)速度快、對比度和亮度都較高、屏幕可視角度大、色彩豐富逼真、分辨率高。在每個像素配置一個半導(dǎo)體開關(guān)器件，其加工工藝類似于大規(guī)模集成電路每個像素可通過點脈沖直接控制，使每個節(jié)點相對獨立，并可以連續(xù)控制，提高了反應(yīng)時間，在灰度控制上也可以做到非常精確目前最好的LCD彩色顯示設(shè)備之一，桌面型LCD顯示器和筆記本電腦顯示屏的主流顯示設(shè)備。126LCD顯示器（3/6）每個像素含有3個亞像素（對應(yīng)RGB3原色），每個亞像素由一個TFT元器件控制在每個像素上分別設(shè)置一個開關(guān)元件(TFT器件)，進(jìn)行選擇性的驅(qū)動矩陣中的各個像素，能夠以更高分辨率和更高清晰度顯示畫面127LCD顯示器（4/6）兩塊玻璃板之間的液晶具有兩個特性系數(shù)：介電系數(shù)：液晶受電場的影響決定液晶分子轉(zhuǎn)向的特性折射系數(shù)：光線穿透液晶時影響光線行進(jìn)路線的重要參數(shù)利用液晶本身的這些特性,

適當(dāng)?shù)睦秒妷簛砜刂埔壕Х肿拥霓D(zhuǎn)動，進(jìn)而影響光線的行進(jìn)方向,

來形成不同的灰階,

作為顯示影像的工具。128LCD顯示器（5/6）基本技術(shù)指標(biāo)可視角度指左右兩邊的可視最大角度相加點距兩個液晶顆粒（光點）之間的距離分辨率

指其真實分辨率比如1024×768的含義就是指該液晶顯示器含有1024×768個液晶顆粒129LCD顯示器（6/6）顯示效果有差距但有后來居上之勢外觀小巧精致，厚度只有6.5~8cm左右響應(yīng)速度快、無閃爍、無干擾工作電壓低，功耗小，省電沒有電磁輻射，對人體健康沒有任何影響130空氣等離子體顯示器（PDP）等離子體（Plasma）顯示結(jié)構(gòu)用通常包括氖氣的混合氣體充入兩塊玻璃板之間的區(qū)域一塊玻璃板上放置一系列垂直導(dǎo)電帶另一玻璃板上構(gòu)造一組水平帶131空氣等離子體顯示器（PDP）等離子體顯示原理在成對的水平和垂直導(dǎo)電帶上施以點火電壓，導(dǎo)致兩導(dǎo)電帶交叉點處的氣體進(jìn)入輝光放電的等離子區(qū)。圖形的定義被存儲在刷新緩沖器點火電壓以每秒60次的速率，用于刷新象素位置（導(dǎo)電帶的交叉處）使用交變電流方法快速提供點火電壓，可得較亮的顯示132空氣等離子體顯示器（PDP）特點大尺寸，功耗大，質(zhì)量稍差技術(shù)發(fā)展趨勢ACPDP(交流型PDP)DCPDP(直流型PDP)顯示板比ACPDP復(fù)雜得多發(fā)展大尺寸、改善彩色和灰度，使其符合HDTV要求等離子體顯示技術(shù)適合于制造較大屏幕的顯示器將面對中等尺寸屏幕的競爭133CRT市場預(yù)測90年代初期，有人說CRT是“夕陽工業(yè)”，有的公司開始宣布停止CRT的研究與開發(fā)但事實并非如此，每年都有CRT新技術(shù)發(fā)表，各大公司仍在不遺余力地開發(fā)CRTCRT的每個象素的性能／價格比相對于其他顯示器高得多，中屏幕顯示器仍有市場

每當(dāng)CRT采用新技術(shù)，就能提高其附加值，就能賺錢短期內(nèi)不會消失，但在小尺寸和小體積應(yīng)用中將不斷損失市場給平板顯示器134CRT技術(shù)發(fā)展趨勢更高分辨率、更低成本、更平屏面、更寬偏轉(zhuǎn)角、更長壽命設(shè)計出電子束電流更強、光點更小的電子槍135下一代顯示器

——紙張型顯示器發(fā)光聚合物技術(shù)紙張?zhí)攸c——柔韌性好，可以卷起來，攜帶方便，可以像紙張一樣裝訂成“書”，形成多頁顯示器；顯示畫面具有無與倫比的清晰度；真正的平面直角。136下一代顯示器

——立體顯示技術(shù)2D圖形顯示器的缺陷采用平行投影，失去了真實感采用透視投影，又無法進(jìn)行測量裸眼立體顯示器137下一代顯示器

——立體顯示技術(shù)2D圖形顯示器的缺陷采用平行投影，失去了真實感采用透視投影，又無法進(jìn)行測量2005年8月，IO2Technology推出了世界首款交互式3D顯示器138下一代顯示器

——3D顯示器3D顯示器HelioDisplay通過激光在空氣中進(jìn)行3D圖像顯示，可接受的視頻輸入來源可為電腦、電視和DVD等設(shè)備。用戶能通過手指與顯示器達(dá)到交互控制。不需顯示屏和投影底片，在空氣中直接顯示三維物體影像。139第三章基本圖形生成算法

圖形的掃描轉(zhuǎn)換基本圖形生成算法圖元掃描轉(zhuǎn)換直線段掃描轉(zhuǎn)換圓弧掃描轉(zhuǎn)換實區(qū)域填充光柵圖形中點的表示…(x,y)坐標(biāo)地址線性表1D表示顯示屏幕2D表示像素由其左下角坐標(biāo)表示光柵圖形中點的表示地址=(xmax-xmin)*(y-ymin)+(x-xmin)+基地址xyxmaxxminymaxymin每行像素點數(shù)行數(shù)行中位置(x,y)光柵圖形中點的表示Address(x,y)=(xmax-xmin)*(y-ymin)+(x-xmin)+基地址

=k1+k2y+xAddress(x±1,y)=k1+k2y+(x±1)=Address(x,y)±1Address(x,y±1)=k1+k2(y±1)+x=Address(x,y)±k2Address(x±1,y±1)=k1+k2(y±1)

+(x±1)=Address(x,y)±k2±1對像素連續(xù)尋址時，如何減少計算量？增量法的優(yōu)點？直線段掃描轉(zhuǎn)換假設(shè)像素間均勻網(wǎng)格，整數(shù)型坐標(biāo)系，直線段斜率0<m<1X方向每次迭代都增1，y方向不一定對m＞1，x、y互換直線段的掃描轉(zhuǎn)換算法直線的掃描轉(zhuǎn)換

確定最佳逼近于該直線的一組象素按掃描線順序，對這些象素進(jìn)行寫操作三個常用算法：1數(shù)值微分法（DDA）2中點畫線法3Bresenham算法。數(shù)值微分(DDA)法(1/5)已知線段端點：P0(x0,y0),P1(x1,y1)直線方程

y=kx+b{(xi,

yi)},i=0,….n.浮點數(shù)取整:yi=round(yi)=(int)(yi+0.5)用到浮點數(shù)的乘法、加法和取整運算數(shù)值微分(DDA)法(2/5)增量算法yi+1=kxi+1+b=k(xi+1)+b=yi+k(xi,yi)→(xi+1,yi+k)缺點：有浮點數(shù)取整運算不利于硬件實現(xiàn)效率低僅適用于

k

≤1的情形:x每增加1,y最多增加1。當(dāng)

k

1時，必須把x，y互換。數(shù)值微分(DDA)法(3/5)digitaldifferentialanalyzer基本思想用數(shù)值方法解微分方程

dx/dt=xdy/dt=y

xn+1=xn+?x

yn+1=yn+?y

如何選取?？選取?的原則：使0.5≤|?x|,|?

y|≤1數(shù)值微分(DDA)法(4/5)對稱的DDA取?=2-n使2n-1≤max(|x

|,|

y|)≤2n簡單的DDA取?=1/max(|x

|,|

y|)使?|x|,?|

y|中必有一個是單位步長x為最大時，?x=1,?x

=ky為最大時，?y=1,?y

=1/k數(shù)值微分(DDA)法(5/5)缺點：浮點數(shù)運算不易硬件實現(xiàn)中點畫線法（1/4）問題：判斷距離理想直線最近的下一個象素點已知：線段兩端點(x0,y0)，(x1,y1)直線方程：F(x,y)=ax+by+c=0a=y0-y1b=x1-x0c=x0y1-x1y0M如何判斷M點在Q點上方還是在Q點下方？MP1P2P中點畫線法（2/4）直線上方點：F(x,y)＞0直線下方點:F(x,y)＜0構(gòu)造判別式：d=F(M)=F(Xp+1,Yp+0.5)由d＞0，d＜0可判定下一個象素(Xp+1,Yp+0.5)分兩種情形考慮再一下個象素的判定：若d≥0，中點M在直線上方，取正右方象素P1(Xp+1,Yp)再下一個象素的判別式為：

d1=F((Xp+1)+1,Yp+0.5)=a(Xp+2)+b(Yp+0.5)+c=d+ad的增量為a若d＜0，中點M在直線下方，取右上方象素P2(Xp+1,Yp+1)再下一個象素的判別式為：

d2=F((Xp+1)+1,(Yp+1)+0.5)=a(Xp+2)+b(Yp+1.5)+c=d+a+bd的增量為a+bMP1P2MP1P2中點畫線法（4/4）d的初始值d0=F(X0+1,Y0+0.5)=F(X0,Y0)+a+0.5b=a+0.5b用2d代替d后，d0=2a+bd的增量都是整數(shù)優(yōu)點：只有整數(shù)運算，不含乘除法可用硬件實現(xiàn)因(X0,Y0)在直線上，所以F(X0,Y0)=0Bresenham畫線算法（1/11）使用最廣泛與中點畫線法的思想類似由誤差項符號決定下一個象素取正右方像素還是右上方像素Bresenham畫線算法（2/11）基本思想比較從理想直線到位于直線上方的像素的距離d1和相鄰的位于直線下方的像素的距離d2根據(jù)距離誤差項的符號確定與理想直線最近的象素Bresenham畫線算法（3/11）最大位移方向每次走一步k<1時，x為最大位移方向y方向走步與否取決于誤差e值的大小誤差計算初值：e0=y/x當(dāng)e≥0.5時，最接近P2(xi+1,yi+1)y方向走一步當(dāng)e<0.5時，最接近P1(xi+1,yi)y方向不走步eP1P2Pe’eP1P2Pe’Bresenham畫線算法（4/11）為方便與0比較，設(shè)e=e-0.5e0=y/x-0.5當(dāng)e≥0時，最接近P2(xi+1,yi+1)y方向走一步當(dāng)e<0時，最接近P1(xi+1,yi)y方向不走步有除法，不宜硬件實現(xiàn)eP1P2Pe’eP1P2Pe’Bresenham畫線算法（5/11）設(shè)e=e×2x，不影響判斷的準(zhǔn)確性e0=2y-x當(dāng)e≥0時，最接近P2(xi+1,yi+1)y方向走一步當(dāng)e<0時，最接近P1(xi+1,yi)y方向不走步eP1P2Pe’eP1P2Pe’Bresenham畫線算法（6/11）下一步誤差的計算當(dāng)e≥0時，y方向走一步e’=2y/x-1=e+y/x-1e’=e+2y-2x當(dāng)e<0時，y方向不走步e’=2y/x=e+y/xe’=e+2yeP1P2Pe’eP1P2Pe’Bresenham畫線算法（7/11）先確定最大位移方向確定誤差e的計算方法，并根據(jù)e確定在非最大位移方向上如何走步Bresenham畫線算法（8/11）先確定最大位移方向|k|<1時，x為最大位移方向|k|>1時，y為最大位移方向增1還是減1，取決于直線所在象限x≥0時，s1=1,否則s1=-1y≥0時，s2=1,否則s2=-1yxx++y++x增1x增1ox++y++x++y--x--y++x--y--y增1x減1y增1y減1x減1y減1(x0,y0)Bresenham畫線算法（9/11）確定誤差e的計算方法，并根據(jù)e確定在非最大位移方向上如何走步誤差初值的計算|k|<1時，e=2|y|-|x||k|>1時，e=2|x|-|y|Bresenham畫線算法（10/11）確定誤差e的計算方法，并根據(jù)e確定在非最大位移方向上如何走步e<0,不走步|k|<1時，x=x+s1,e=e+2|y||k|>1時，y=y+s2,e=e+2|x|e≥0,走步|k|<1時，x=x+s1,y=y+s2,e=e+2|y|-2|x||k|>1時，y=y+s2,x=x+s1,e=e+2|x|-2|y|Bresenham畫線算法（11/11）優(yōu)點整數(shù)運算，速度快精度高乘2運算可用移位實現(xiàn)，適于硬件實現(xiàn)圓弧的掃描轉(zhuǎn)換圓的八對稱性只考慮第二個八分圓假設(shè)圓心在原點

x2+y2=R2

yx(-x,y)(x,y)(-y,x)(y,x)(y,-x)(-y,-x)(-x,-y)(x,-y)oR圓弧的掃描轉(zhuǎn)換兩種直接離散生成方法離散點開方運算離散角度三角函數(shù)運算缺點：計算量大所畫像素位置間的間距不一致中點畫圓法（1/2）F(X,Y)=X2+Y2-R2=0中點M=(Xp+1,Yp-0.5)當(dāng)F(M)＜0時，M在圓內(nèi)，P1距離圓弧近，取P1當(dāng)F(M)＞0時，M在圓外，P2距離圓弧近，取P2中點畫圓法（2/2）若d<0,取P1為下一象素，再下一象素的判別式為

若d>=0,取P2為下一象素，再下一象素的判別式為初始象素是（0,R），判別式d的初值為P1(Xp+1,Yp)P2(Xp+1,Yp-1)使用e=d-0.25代替de0=1-RDDA畫圓法（1/3）圓的方程：f(x,y)=x2+y2-R2=0全微分：df(x,y)=2xdx+2ydy=0微分方程：dy/dx=-x/y遞推方程:(yn+1-yn)/(xn+1-xn)=-?xn/?ynxn+1-xn=?yn

yn+1-yn=-?xn實際畫出的曲線不是圓，而是螺旋線，為什么？DDA畫圓法（2/3）將遞推公式寫成矢量形式：構(gòu)造一個行列式值為1的矩陣對應(yīng)的圓方程遞推關(guān)系為

xn+1=xn+?yn

yn+1=-?xn+(1-?2)yn=yn-?xn+1

DDA畫圓法（3/3）針對不同象限及順逆時針畫圓，賦給?適當(dāng)?shù)姆?不同，圓形狀不同，?大近似橢圓Bresenham畫圓算法（1/7）順時針畫第一四分圓，下一步選擇哪個點？基本思想：通過比較像素與圓的距離平方來避免開方運算下一像素有3種可能的選擇mH=|(xi+1)2+yi2-R2|mD=|(xi+1)2+(yi-1)2-R2|mV=|xi2+(yi-1)2-R2|選擇像素的原則使其與實際圓弧的距離平方達(dá)到最小(xi,yi)HPi①VD(xi+1,yi)(xi,yi-1)(xi+1,yi-1)②③④⑤Bresenham畫圓算法（2/7）圓弧與點(xi,yi)附近光柵網(wǎng)格的相交關(guān)系有5種右下角像素D(xi,yi)與實際圓弧的近似程度i=(xi+1)2+(yi-1)2-R2當(dāng)i<0時，D在圓內(nèi)，①②當(dāng)i>0時，D在圓外，③④當(dāng)i=0時，D在圓上，⑤(xi,yi)HPi①VD(xi+1,yi)(xi,yi-1)(xi+1,yi-1)②③④⑤Bresenham畫圓算法（3/7）當(dāng)i<0時，D在圓內(nèi)，①②情形①，選mH，mD中最小者d=mH-mD=|(xi+1)2+yi2-R2|-|(xi+1)2+(yi-1)2-R2|=(xi+1)2+yi2-R2+(xi+1)2+(yi-1)2-R2=2(i+yi)-1若d<0，則選H若d>0，則選D若d=0，則選H情形②也適用(xi,yi)HPi①VD(xi+1,yi)(xi,yi-1)(xi+1,yi-1)②Bresenham畫圓算法（4/7）當(dāng)i>0時，D在圓外，③④情形③，選mv，mD中最小者d’=mD-mV=|(xi+1)2+(yi-1)2-R2|-|xi2+(yi-1)2-R2|=(xi+1)2+(yi-1)2-R2+xi2+(yi-1)2-R2=2(i-xi)-1若d’<0，則選D若d’>0，則選V若d’=0，則選D情形④也適用(xi,yi)HPiVD(xi+1,yi)(xi,yi-1)(xi+1,yi-1)③④Bresenham畫圓算法（5/7）當(dāng)i=0時，D在圓上，⑤按d判別，有d>0，應(yīng)選D按d’判別，有d’<0，應(yīng)選D(xi,yi)HPiVD(xi+1,yi)(xi,yi-1)(xi+1,yi-1)⑤Bresenham畫圓算法（6/7）當(dāng)i<0時,若d≤0，選H若d>0，選D當(dāng)i>0時,若d’≤0，選D若d’>0，選V當(dāng)i=0時，選D(xi,yi)HPiVD(xi+1,yi)(xi,yi-1)(xi+1,yi-1)Bresenham畫圓算法（7/7）判別式的遞推關(guān)系當(dāng)取H(xi+1,yi)時i+1=(xi+1+1)2+(yi-1)2-R2=i+2(xi+1)+1當(dāng)取V(xi,yi-1)時i+1=(xi+1)2+(yi-1-1)2-R2=i-2(yi-1)+1當(dāng)取D(xi+1,yi-1)時i+1=(xi+1+1)2+(yi-1-1)2-R2=i+2(xi+1)-2(yi-1)+2(xi,yi)HPiVD(xi+1,yi)(xi,yi-1)(xi+1,yi-1)多邊形逼近法當(dāng)圓的正內(nèi)接多邊形邊數(shù)足夠多時，可以用畫該多邊形近似代替畫圓“以直代曲”的代表方法之一內(nèi)接正n邊形頂點為Pi(xi,yi)每條邊對應(yīng)的圓心角為θ，則有

線畫圖元的屬性控制（1/3）線寬控制：刷子形狀、朝向?qū)€型的影響1.用象素復(fù)制方法產(chǎn)生寬圖元優(yōu)點：線寬與線段的斜率有關(guān)效率高，實現(xiàn)簡單缺點：(1)線寬較大時，不自然(2)折線處有缺口(3)寬度不符合要求(4)對稱問題：奇偶數(shù)像素，效果不同豎直方向復(fù)制水平方向復(fù)制線畫圖元的屬性控制（2/3）2.移動刷子產(chǎn)生寬圖元線寬變粗，刷子移動覆蓋線寬與線段的斜率有關(guān)線畫圖元的屬性控制（3/3）3.用填充圖形表示寬圖元

用等距線方法:線寬均勻端口處與邊垂直生成的圖形質(zhì)量高

線型控制用位屏蔽器實現(xiàn)位屏蔽器中每一位對應(yīng)的是一個像素，而不是單位長度，不能滿足要求線型中的筆劃長度與直線長度有關(guān)斜線筆劃長度比水平或垂直線筆劃長對工程圖，這種變化是不允許的，它不符合國標(biāo)規(guī)定工程圖，筆畫作單獨的掃描轉(zhuǎn)換111100111100111100第三章基本圖形生成算法

內(nèi)容提要直線生成算法圓弧生成算法線寬和線型的處理實區(qū)域填充算法圖形反走樣技術(shù)3.5實區(qū)域填充算法直線的掃描轉(zhuǎn)換假設(shè)坐標(biāo)原點位于左下角點則像素由其左下角坐標(biāo)表示3.5實區(qū)域填充算法確定待填充的象素即檢查光柵屏幕上的每一像素是否位于多邊形區(qū)域內(nèi)解決的主要問題是什么？yx0123456789101112345678P6P4P2P5P2P33.5實區(qū)域填充算法圖案填充還有一個什么象素填什么顏色的問題曲線圍成的區(qū)域，可用多邊形逼近實區(qū)域填充算法如何判斷一個點是否位于多邊形區(qū)域內(nèi)？點在多邊形內(nèi)的包含性檢驗檢驗夾角之和射線法檢驗交點數(shù)實區(qū)域填充算法若夾角和為0，則點p在多邊形外若夾角和為360°，則點p在多邊形內(nèi)ABCDEPABCDEP檢驗夾角之和實區(qū)域填充算法夾角如何計算？大小：利用余弦定理方向：令當(dāng)T<0時，AP斜率>BP斜率，為順時針角當(dāng)T>0時，AP斜率<BP斜率，為逆時針角zxABPzxBAP實區(qū)域填充算法ABCDEPABCDEP交點數(shù)=偶數(shù)（包括0）點在多邊形之外交點數(shù)=奇數(shù)點在多邊形之內(nèi)射線法檢驗交點數(shù)實區(qū)域填充算法逐點測試的問題？效率低不實用一個簡單的解決方法包圍盒法凸多邊形凹多邊形測試效率仍然很低實區(qū)域填充算法換一種思路：考慮圖形的掃描方式特點能否利用掃描線的連貫性？考慮圖形的特點能否利用圖形的空間連貫性？實區(qū)域填充算法分類：掃描線填充算法按掃描線順序，測試點的連貫性種子填充算法從內(nèi)部一個種子點出發(fā)測試點的連貫性掃描線3掃描線填充算法掃描線的連貫性掃描線上點的連貫性上下兩條掃描線上點的連貫性掃描線3掃描線填充算法求交：I4,I3,I2,I1排序：I1,I2,I3,I4交點配對：(I1,I2),(I3,I4)區(qū)間填色掃描線填充算法思考第一個問題：交點配對時可能出現(xiàn)的問題？會不會出現(xiàn)奇數(shù)個交點？掃描線填充算法頂點交點的計數(shù)問題2025/7/3202也計數(shù)1次嗎？應(yīng)該計數(shù)1次也計數(shù)1次嗎？543210P1P2P3P4I1I2I3I4P5掃描線5掃描線4掃描線1I5I6掃描線填充算法頂點交點的計數(shù)問題2025/7/3203也計數(shù)1次嗎？應(yīng)該計數(shù)1次也計數(shù)1次嗎？543210P1P2P3P4I1I2I3I4P5掃描線5掃描線4掃描線1I5I6局部最高點和局部最低點的交點計數(shù)問題?如何判斷局部最高點和局部最低點？掃描線填充算法頂點交點的計數(shù)問題2025/7/3204計偶數(shù)次應(yīng)該計數(shù)1次計偶數(shù)次543210P1P2P3P4I1I2I3I4P5掃描線5掃描線4掃描線1I5I6局部最高點和局部最低點計偶數(shù)次交點掃描線填充算法頂點交點的計數(shù)問題2025/7/3205計數(shù)0次計數(shù)1次計數(shù)2次543210P1P2P3P4I1I2I3I4P5掃描線5掃描線4掃描線1I5I6檢查交于該頂點的兩條邊的另外兩個端點的y坐標(biāo)值大于該頂點y坐標(biāo)值的個數(shù)掃描線填充算法思考第2個問題區(qū)間填色時可能出現(xiàn)的問題？會不會填充到區(qū)域之外呢？掃描線填充算法填充擴(kuò)大化問題求出交點的坐標(biāo)為：xl=1,xr=5有5個點在配對區(qū)間內(nèi)即滿足：xl≤x≤xr掃描線填充算法如何解決填充擴(kuò)大化問題？取中心掃描線y+0.5檢查交點右方像素的中心是否落在區(qū)間內(nèi)xl≤x+0.5≤xr掃描線填充算法填充過程求出交點的坐標(biāo)為：xl=1,xr=5有4個