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2^N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2^N个不同灰度等级可用。若要使用2^N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
光线射入液晶物质中，必然会按照液晶分子的排列方式行进，产生了自然的偏转现像。
液晶分子受电场、磁场、温度、应力等外部条件作用时会重新排列。如：对于一些散乱的液晶分子，不通电时，排列变的混乱，阻止光线通过；通电时，由于电压作用，分子重新排列，排列变的有秩序，使光线容易通过。

单色液晶显示器的原理：

1.玻璃板：
在液晶显示器中，液晶是灌入两个列有细槽的平面之
间，也就是两片涂有配向膜（PI，polyimide聚酰亚胺）
的玻璃板，用来夹住液晶。液晶分子顺着开槽均匀排列。
2.偏光板：
一系列逐步变细的平行线，或称栅栏，用来阻隔掉不与栅
栏平行的光线。

偏光板的工作原理：

液晶显示器依靠极化滤光片(偏光板)影响光线穿过液晶。自然光线是朝所有方向随机发散的。只有两个滤光器的线完全平行，或者通过第一个极化滤光器的光线本身已扭转到与第二个极化滤光器相匹配，光线才得以穿过第二个极化滤光器。

液晶显示器显示的初始状态:
灌入两个列有沟槽（两个沟槽互相垂直）的玻璃板之间的液晶，由于沟槽的作用，被强迫处入一种90°扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时最终也被扭转90°。

如左图所示，两个极化滤光器互相垂直，穿过第一个极化滤光器的光线，经过扭曲的液晶后，光线被扭曲90°，正好可以穿过第二个极化滤光器。

电极:
若为液晶加一个电压，液晶分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，将被第二个滤光器挡住。总之，加电光线将被阻断，不加电光线将射出，显示黑色。如右图所示。
玻璃板和液晶材料之间是透明电极，电极分为行电极和列电极，在行和列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，从而改变屏幕上相应像素的亮度。

当然，也可以改变LCD中的液晶排列，使光线在加电时射出，不加电压时被阻断。由于计算机屏幕几乎都是亮着的，所以只有“加电将光线阻断”的方案才最省电。

背光板：由荧光物质组成，可以发射光线，提供一个高亮度，且亮度分布均匀的光源。由显示屏两边作为光源的灯管，反射板，导光板等等组成。

综上可得像素点亮过程：
背光板发出的光线穿过第一层偏光板后进入液晶层。液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。通过电极上电压的改变，改变液晶的扭转状态，相应改变光线的行进方向，从而决定相应像素的亮度。液晶材料在这里作用类似一个小的光阀。

彩色液晶显示器：
彩色LCD要具备专门处理彩色显示的色彩过滤层。
彩色LCD面板中的每一个像素由3个液晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别有红色、绿色或蓝色的过滤片，通常过滤片上含配向膜。这样，通过不同单元格的光线可在屏幕上显示出不同的颜色。

液晶的分类：

液晶显示器（LCD）依驱动方式分为静态驱动、单纯矩阵驱动和主动矩阵驱动3种。

液晶显示的驱动就是用来调整加在液晶显示器件电极上的电位信号的相位，峰值等，建立驱动电场，以实现液晶器件的显示效果。

单纯驱动分为：扭转式向列型（Twisted Nematic, TN）和超扭转式向列型（Super Twisted Nematic, STN ）

主动矩阵驱动分为：薄膜晶体管液晶显示器（ TFT LCD，Thin film transistor liquid crystal display) 和二端子二级管型（metal/insulator/metal, MIM）

液晶显示器的特点：

优点：

一、机身薄，节省空间：与比较笨重的CRT显示器相比，液晶显示器只要前者三分之一的空间。

二、省电，不产生高温：它属于低耗电产品，不易发烫，而CRT显示器，因显像技术不可避免产生高温，且由于其发射电子，不可避免产生静电。

三、无辐射，益健康：液晶显示器完全无辐射，这对于整天在电脑前工作的人来说是一个福音。

四、画面柔和不伤眼：不同于CRT技术，液晶显示器画面不会闪烁，可以减少显示器对眼睛的伤害，眼睛不容易疲劳。

缺点：

视角太小、亮度和对比度不够大

3、等离子显示器

等离子显示器是新一代显示设备，它采用了近几年来高速发展的等离子平面屏幕技术。

等离子显示器的工作原理

等离子显示器由密封在玻璃膜夹层中的晶格矩阵（光栅）组成，每个晶格充有低压气体。在高电压作用下，气体会电离解。电离解后的气体称为等离子体，所以这种显示器称为等离子显示器。当电子又重新与原子结合在一起时，能量就会以光子的形式释放出来，这时气体就会释放出具有特征的辉光。

工作过程？？？

要点亮某个地址的气泡，开始要在相应行上加较高的电压，气泡点亮后，可用低电压维持气泡的亮度。关掉某个气泡，只要将相应的电压降低。改变控制电压，可使等离子板显示不同灰度的图形。

彩色等离子显示器

PDP成像过程是：利用惰性气体放电产生紫外线来激发彩色荧光粉发光，再转换成人眼可见的光。采用等离子管作为发光元件，大量的等离子管排列在一起构成屏幕，每个等离子管作为一个像素，每个像素由三种不同颜色的发光体组成。每个等离子管对应的每个小室内都充有氖氙气体。在等离子管电极间加上高压后，封在两层玻璃之间的等离子管小室中的气体会产生紫外光，并激励平板显示屏上的红绿蓝三基色荧光粉发出可见光。由这些像素的明暗和颜色变化组合使之产生各种灰度和色彩的图像。

等离子显示器的特点

优点：

重量较轻、完全无X射线辐射；屏幕亮度非常均匀，不存在明显的亮区和暗区；不存在某些区域聚焦不良或散焦的毛病；屏幕更平展，观察视角更大（160）。

缺点：

价格较高；耗电大（每个象素可独立发光），显示屏上的玻璃较薄使屏幕较脆弱；能大不能小，难以将象素做的更小。

3种显示技术的比较：

三、图形绘制设备

1、喷墨绘图机

喷墨绘图机是一种光栅类型的图形输出设备，基本原理是将小墨点喷射到介质上。

喷墨绘图机工作原理：

纸绕在滚筒上快速旋转，喷墨头则在滚筒上缓慢水平运动。绘图机的墨水泵将黄、品红、青三种颜色的墨水分别注入3支很细的喷笔中。在高压下，墨水通过喷笔内细而长的玻璃毛细管喷到纸上。

当无图像信号时，喷笔内的过滤片在200V电压下受绘图机控制器的控制，对墨水充电，带电墨滴互相排斥形成分散的墨雾，墨雾在另一个2200V高压的偏转电极的作用下发生偏转，并被汇集起来回收到废墨瓶中；当有图像信号时，过滤片不加电压，墨滴不带电，飞经偏转电场时不发生偏转，直接喷到贴在旋转滚筒上的纸或胶片上。