12011-3-30
第二章 交互式计算机图形处理系统
计算机学院
苏小红
22011-3-30
交互式计算机图形处理系统
Computer + 人 = 交互式
Personel Computer图形处理系统
workstation图形处理系统
要求主机性能更高（强大的浮点运算
能力），速度更快，存储容量更大，
外设种类更齐全
图形加速卡，大屏幕显示器
32011-3-30
硬件发展
图形输入设备的发展
? 第一阶段：控制开关、穿孔纸等
? 第二阶段：键盘、光笔
? 第三阶段：二维定位设备，如鼠标、坐标数字化
仪、跟踪球、触摸屏、操纵杆、扫描仪等
? 第四阶段：三维输入设备（如三维鼠标、空间球、
数据手套、数据衣），用户的手势、表情等
42011-3-30
?图形输出 (显示、打印）设备
?阴极射线管显示器（ CRT）
?液晶显示器（ LCD）
?绘图仪
?打印机
52011-3-30
未来显示器
发光聚合物技术
? 坚不可摧；柔韧性好，可以卷起来
? 显示画面具有无与伦比的清晰度
? 真正的平面直角
采用空气等离子体技术
? 空气等离子体可想象成一个个微型霓虹灯，红绿蓝三种
不同颜色的像素
? 显示屏薄，挂在墙上
? 无锯齿现象，分辨率好
? 无需刷新缓存，重量轻，无辐射
? 价格贵
62011-3-30
CRT显示器分类
阴极射线管（ CRT）（ Cathode Ray Tube）
单色 CRT
彩色 CRT
72011-3-30
?阴极射线管 (CRT)
–组成：包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏
–工作原理：电子枪发射电子束，经过聚焦系统、加速电极、偏
转系统，轰击到荧光屏的不同部位，被其内表面的
荧光物质吸收，发光产生可见的图形。
–结构
82011-3-30
荧光屏
?荧光物质：吸收电子束而发光
?余辉时间：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
?刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数
?像素 (Pixel),构成屏幕（图像）的最小元素
?分辨率 (Resolution),在假定 屏幕尺寸一定的情况下，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
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（ Hz）
92011-3-30
彩色 CRT
? 渗透型
常用于随机扫描显示器
射线穿透法
? 多枪型
常用于光栅扫描显示器
影孔板法（阴罩法）
彩色阴极射线管
102011-3-30
射线穿透法（ beam penetration）
? 原理,两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发
光物质，不同速度电子束穿透荧光层的深浅，
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
112011-3-30
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
? 影孔板的类型
点状影孔板
代表：大多数球面与柱面显像管
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显像管
122011-3-30
? 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
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，称为真彩色系统
132011-3-30
CRT显示器分类
直视存储管式（ Direct-View Storage Tubes）
? 利用管子本身存储信息，类似于一个长余辉的 CRT，
不必刷新
刷新式
? 随机扫描式（ Random-Scan）
? 光栅扫描式（ Raster-Scan）
142011-3-30
随机扫描的显示系统
特点
? 数据表示：矢量表示，只有端点信息，无线段中间点
? 扫描方式：电子束像一支快速移动的画笔，可随意移动，只
扫描荧屏上要显示的部分，与示波器工作原理类似
? 显示图形：几何属性（ geometric attribute）为主，线架图
? 优点：扫描速度快，分辨率高，线条质量好，易修改，交互
性好，动态性能好
? 缺点：价格贵，只能显示线画图形，应用于军事,CAD领域
152011-3-30
光栅扫描的显示系统
特点：
? 数据表示：像素矩阵
? 扫描方式：从上到下，从左到右，与电视工作原理
类似
? 显示图形：几何属性 +视觉属性（ Visual
attribute），真实感图形
162011-3-30
显示器的分辨率
?电子束按固定的扫描顺序扫描 N条扫描线，每条
扫描线有 M个像素,M * N显示器的分辨率。
帧
172011-3-30
绘图仪
printer
Computer DPU
输入设备
视频控制器 display
逻辑部件：
–帧缓冲存储器（ Frame Buffer)
–视频控制器（ Video Controller)
–显示处理器（ Display Processing Uuit，简称 DPU）
–CRT
182011-3-30
帧缓冲存储器（ Frame Buffer)
? 作用：存储屏幕上像素的颜色值
? 也称刷新存储器 (Refreshing Buffer)
? 简称帧缓冲器，俗称 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。
192011-3-30
位面（ bit plane）技术
把显存分成若干色平面，各平面上相同位置
的每一位和屏幕上的一个像素对应，同一像
素点在各位面占同一地址，不同位面上同一
像素地址中的内容决定像素的颜色。
色平面越多，可表达的色彩越丰富。
增加一个位面，色彩就增加一倍，而存储器写操作程序无需
重新计算新地址，程序兼容性好。
202011-3-30
N位寄存器
电子枪
CRT光栅
有 N个位面的帧缓存
2NDAC
0 1 00
0
1
0~2N-1灰度等级
寄存器
蓝色枪
帧缓存
DAC00
0
1
CRT光栅
0
1 DAC
DAC 红色枪
绿色枪
212011-3-30
若有 24个位面（每种基色 8个位面）则可同时显示
(28)3 =224=16777216种颜色（ 24位真彩色）。
?红绿蓝三个位面，组合成 8种颜色
?增加一个亮度位面，形成 16种颜色
红 绿 蓝
Black 0 0 0
Blue 0 0 1
Green 0 1 0
Cyan 0 1 1
Red 1 0 0
Magenta 1 0 1
Yellow 1 1 0
White 1 1 1
222011-3-30
显存容量问题
分辨率 M*N,颜色个数 K与 显存容量 V的关系
? ?KNMV 2l o g???
232011-3-30
显存容量问题
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。
1024*768真彩模式需要 3M字节显存
高分辨率和真彩要求有大的显存；
? 解决方法：采用查色表 (Look-up Table）
242011-3-30
查色表（ LUT）
是一维线性表, 其每一项的内容对应一种颜色, 它的长度
由帧缓存单元的位数决定
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 。
颜色信息在帧缓存中的两种存放方式：
? 颜色值直接存储在帧缓存中。
? 把颜色码放在一个独立的表中，帧缓存存放的是颜色
表中各项的索引值，索引色。
单色系统：查色表固化
彩显：可修改、创建查色表。
252011-3-30
?带宽 T与分辨率、帧频（刷新频率） F的关系
?带宽问题
–高分辨率和高刷新频率要求高带宽
–解决方法,隔行扫描
带宽问题
FNMT ???
262011-3-30
隔行扫描（ Interlaced scan） 工作原理
场频, = 帧频 * 2
?一帧完整的画面分成 两场,即奇数场与偶数场
优点,
? 降低了闪烁效应；
? 只需逐行的一半时间即可显示一屏画面，降低了对扫描频率
的要求，也降低了成本；
? 帧缓存中数据量比逐行扫描少一半，降低了视频控制器存取
帧缓存的速度及传输带宽的要求。
272011-3-30
视频控制器（显示控制器）
作用：
? 制图形的显示，建立帧缓存与屏幕像素之间的一一
对应关系，负责按固定刷新频率和扫描顺序 刷新
屏幕图形
282011-3-30
显示处理器
显示处理器
? Display Processing Uuit，简称 DPU
作用：
? 代替 CPU完成部分图形处理功能，扫描转换、几何
变换、裁剪、光栅操作、纹理映射等等
292011-3-30
光栅显示系统的特点
? 优点：
成本低
易于绘制填充图形
灰度和色彩丰富，图像逼真
可以和电视机兼容
刷新频率一定，与图形的复杂程度无关
? 缺点：
需要扫描转换
扫描转换速度偏低，交互操作响应慢
分辨率偏低，有阶梯效应
302011-3-30
图形软件发展及软件标准形成
三种类型的计算机图形软件系统：
(1)用某种语言写成的子程序包
如, GKS (Graphics Kernel System)
PHIGS (Programmer’sHerarchical Iuteractive Graphics system )
GL
便于移植和推广, 但执行速度相对较慢, 效率低
(2） 扩充计算机语言, 使其具有图形生成和处理的功
能
如,Turbo C,AutoLisp等 。
简练, 紧凑, 执行速度快, 但不可移植
（ 3） 专用图形系统：效率高, 但系统开发量大, 可移
植性差 。
312011-3-30
通用的、与设备无关的图形标准
?GKS (Graphics Kernel System) (第一个官方标准,1977)
?PHIGS(Programmer’s Herarchical Iuteractive Graphics system)
一些非官方图形软件，广泛应用于工业界，成为事实上的标准
?DirectX (MS)
?Xlib (X-Window系统 )
?OpenGL (SGI)
?Adobe公司 Postscript
322011-3-30
开放式的三维图形软件包 OpenGL
OpenGL是近几年发展起来的一个性能卓越的三维图
形标准，它是在 SGI等多家世界闻名的计算机公司的
倡导下，以 SGI的 GL三维图形库为基础制定的一个通
用共享的开放式三维图形标准。
目前，包括 Microsoft,SGI,IBM,SUN,HP等大公
司都采用了 OpenGL做为三维图形标准，许多软件厂
商也纷纷以 OpenGL为基础开发出自己的产品。
其中比较著名的产品包括：动画制作软件 Softimage
和 3D Studio MAX、仿真软件 Open Inventor,VR软
件 World Tool Kit,CAM软件 ProEngineer,GIS软件
ARC/INFO等等。
332011-3-30
OpenGL的优越性
独立于窗口系统和操作系统，以它为基础开发
的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植；
可与 Visual C++紧密接口，便于实现机械手的
有关计算和图形算法，可保证算法的正确性和
可靠性；
使用简便，效率高。
342011-3-30
OpenGL图形库的功能
一共有 100多个函数。其中核心函数有 115个
除了提供基本的点、线、多边形的绘制函数外，还提供了复
杂的三维物体（球、锥、多面体、茶壶等）以及复杂曲线和
曲面（如 Bezier,NURBS等曲线或曲面）绘制函数。
基本几何变换和投影变换。
颜色模式设置
光照和材质设置
纹理映射功能
位图显示和图象增强,反走样 (Antialiasing)和雾 (fog)的特殊
图象效果处理
双缓存 (Double Buffering)动画：双缓存即前台缓存和后台缓
存，即后台缓存计算场景、生成画面，前台缓存显示后台缓
存已画好的画面。
第二章 交互式计算机图形处理系统
计算机学院
苏小红
22011-3-30
交互式计算机图形处理系统
Computer + 人 = 交互式
Personel Computer图形处理系统
workstation图形处理系统
要求主机性能更高（强大的浮点运算
能力），速度更快，存储容量更大，
外设种类更齐全
图形加速卡，大屏幕显示器
32011-3-30
硬件发展
图形输入设备的发展
? 第一阶段：控制开关、穿孔纸等
? 第二阶段：键盘、光笔
? 第三阶段：二维定位设备，如鼠标、坐标数字化
仪、跟踪球、触摸屏、操纵杆、扫描仪等
? 第四阶段：三维输入设备（如三维鼠标、空间球、
数据手套、数据衣），用户的手势、表情等
42011-3-30
?图形输出 (显示、打印）设备
?阴极射线管显示器（ CRT）
?液晶显示器（ LCD）
?绘图仪
?打印机
52011-3-30
未来显示器
发光聚合物技术
? 坚不可摧；柔韧性好，可以卷起来
? 显示画面具有无与伦比的清晰度
? 真正的平面直角
采用空气等离子体技术
? 空气等离子体可想象成一个个微型霓虹灯，红绿蓝三种
不同颜色的像素
? 显示屏薄，挂在墙上
? 无锯齿现象，分辨率好
? 无需刷新缓存，重量轻，无辐射
? 价格贵
62011-3-30
CRT显示器分类
阴极射线管（ CRT）（ Cathode Ray Tube）
单色 CRT
彩色 CRT
72011-3-30
?阴极射线管 (CRT)
–组成：包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏
–工作原理：电子枪发射电子束，经过聚焦系统、加速电极、偏
转系统，轰击到荧光屏的不同部位，被其内表面的
荧光物质吸收，发光产生可见的图形。
–结构
82011-3-30
荧光屏
?荧光物质：吸收电子束而发光
?余辉时间：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
?刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数
?像素 (Pixel),构成屏幕（图像）的最小元素
?分辨率 (Resolution),在假定 屏幕尺寸一定的情况下，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
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（ Hz）
92011-3-30
彩色 CRT
? 渗透型
常用于随机扫描显示器
射线穿透法
? 多枪型
常用于光栅扫描显示器
影孔板法（阴罩法）
彩色阴极射线管
102011-3-30
射线穿透法（ beam penetration）
? 原理,两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发
光物质，不同速度电子束穿透荧光层的深浅，
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
112011-3-30
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
? 影孔板的类型
点状影孔板
代表：大多数球面与柱面显像管
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显像管
122011-3-30
? 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
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，称为真彩色系统
132011-3-30
CRT显示器分类
直视存储管式（ Direct-View Storage Tubes）
? 利用管子本身存储信息，类似于一个长余辉的 CRT，
不必刷新
刷新式
? 随机扫描式（ Random-Scan）
? 光栅扫描式（ Raster-Scan）
142011-3-30
随机扫描的显示系统
特点
? 数据表示：矢量表示，只有端点信息，无线段中间点
? 扫描方式：电子束像一支快速移动的画笔，可随意移动，只
扫描荧屏上要显示的部分，与示波器工作原理类似
? 显示图形：几何属性（ geometric attribute）为主，线架图
? 优点：扫描速度快，分辨率高，线条质量好，易修改，交互
性好，动态性能好
? 缺点：价格贵，只能显示线画图形，应用于军事,CAD领域
152011-3-30
光栅扫描的显示系统
特点：
? 数据表示：像素矩阵
? 扫描方式：从上到下，从左到右，与电视工作原理
类似
? 显示图形：几何属性 +视觉属性（ Visual
attribute），真实感图形
162011-3-30
显示器的分辨率
?电子束按固定的扫描顺序扫描 N条扫描线，每条
扫描线有 M个像素,M * N显示器的分辨率。
帧
172011-3-30
绘图仪
printer
Computer DPU
输入设备
视频控制器 display
逻辑部件：
–帧缓冲存储器（ Frame Buffer)
–视频控制器（ Video Controller)
–显示处理器（ Display Processing Uuit，简称 DPU）
–CRT
182011-3-30
帧缓冲存储器（ Frame Buffer)
? 作用：存储屏幕上像素的颜色值
? 也称刷新存储器 (Refreshing Buffer)
? 简称帧缓冲器，俗称 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。
192011-3-30
位面（ bit plane）技术
把显存分成若干色平面，各平面上相同位置
的每一位和屏幕上的一个像素对应，同一像
素点在各位面占同一地址，不同位面上同一
像素地址中的内容决定像素的颜色。
色平面越多，可表达的色彩越丰富。
增加一个位面，色彩就增加一倍，而存储器写操作程序无需
重新计算新地址，程序兼容性好。
202011-3-30
N位寄存器
电子枪
CRT光栅
有 N个位面的帧缓存
2NDAC
0 1 00
0
1
0~2N-1灰度等级
寄存器
蓝色枪
帧缓存
DAC00
0
1
CRT光栅
0
1 DAC
DAC 红色枪
绿色枪
212011-3-30
若有 24个位面（每种基色 8个位面）则可同时显示
(28)3 =224=16777216种颜色（ 24位真彩色）。
?红绿蓝三个位面，组合成 8种颜色
?增加一个亮度位面，形成 16种颜色
红 绿 蓝
Black 0 0 0
Blue 0 0 1
Green 0 1 0
Cyan 0 1 1
Red 1 0 0
Magenta 1 0 1
Yellow 1 1 0
White 1 1 1
222011-3-30
显存容量问题
分辨率 M*N,颜色个数 K与 显存容量 V的关系
? ?KNMV 2l o g???
232011-3-30
显存容量问题
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。
1024*768真彩模式需要 3M字节显存
高分辨率和真彩要求有大的显存；
? 解决方法：采用查色表 (Look-up Table）
242011-3-30
查色表（ LUT）
是一维线性表, 其每一项的内容对应一种颜色, 它的长度
由帧缓存单元的位数决定
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 。
颜色信息在帧缓存中的两种存放方式：
? 颜色值直接存储在帧缓存中。
? 把颜色码放在一个独立的表中，帧缓存存放的是颜色
表中各项的索引值，索引色。
单色系统：查色表固化
彩显：可修改、创建查色表。
252011-3-30
?带宽 T与分辨率、帧频（刷新频率） F的关系
?带宽问题
–高分辨率和高刷新频率要求高带宽
–解决方法,隔行扫描
带宽问题
FNMT ???
262011-3-30
隔行扫描（ Interlaced scan） 工作原理
场频, = 帧频 * 2
?一帧完整的画面分成 两场,即奇数场与偶数场
优点,
? 降低了闪烁效应；
? 只需逐行的一半时间即可显示一屏画面，降低了对扫描频率
的要求，也降低了成本；
? 帧缓存中数据量比逐行扫描少一半，降低了视频控制器存取
帧缓存的速度及传输带宽的要求。
272011-3-30
视频控制器（显示控制器）
作用：
? 制图形的显示，建立帧缓存与屏幕像素之间的一一
对应关系，负责按固定刷新频率和扫描顺序 刷新
屏幕图形
282011-3-30
显示处理器
显示处理器
? Display Processing Uuit，简称 DPU
作用：
? 代替 CPU完成部分图形处理功能，扫描转换、几何
变换、裁剪、光栅操作、纹理映射等等
292011-3-30
光栅显示系统的特点
? 优点：
成本低
易于绘制填充图形
灰度和色彩丰富，图像逼真
可以和电视机兼容
刷新频率一定，与图形的复杂程度无关
? 缺点：
需要扫描转换
扫描转换速度偏低，交互操作响应慢
分辨率偏低，有阶梯效应
302011-3-30
图形软件发展及软件标准形成
三种类型的计算机图形软件系统：
(1)用某种语言写成的子程序包
如, GKS (Graphics Kernel System)
PHIGS (Programmer’sHerarchical Iuteractive Graphics system )
GL
便于移植和推广, 但执行速度相对较慢, 效率低
(2） 扩充计算机语言, 使其具有图形生成和处理的功
能
如,Turbo C,AutoLisp等 。
简练, 紧凑, 执行速度快, 但不可移植
（ 3） 专用图形系统：效率高, 但系统开发量大, 可移
植性差 。
312011-3-30
通用的、与设备无关的图形标准
?GKS (Graphics Kernel System) (第一个官方标准,1977)
?PHIGS(Programmer’s Herarchical Iuteractive Graphics system)
一些非官方图形软件，广泛应用于工业界，成为事实上的标准
?DirectX (MS)
?Xlib (X-Window系统 )
?OpenGL (SGI)
?Adobe公司 Postscript
322011-3-30
开放式的三维图形软件包 OpenGL
OpenGL是近几年发展起来的一个性能卓越的三维图
形标准，它是在 SGI等多家世界闻名的计算机公司的
倡导下，以 SGI的 GL三维图形库为基础制定的一个通
用共享的开放式三维图形标准。
目前，包括 Microsoft,SGI,IBM,SUN,HP等大公
司都采用了 OpenGL做为三维图形标准，许多软件厂
商也纷纷以 OpenGL为基础开发出自己的产品。
其中比较著名的产品包括：动画制作软件 Softimage
和 3D Studio MAX、仿真软件 Open Inventor,VR软
件 World Tool Kit,CAM软件 ProEngineer,GIS软件
ARC/INFO等等。
332011-3-30
OpenGL的优越性
独立于窗口系统和操作系统，以它为基础开发
的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植；
可与 Visual C++紧密接口，便于实现机械手的
有关计算和图形算法，可保证算法的正确性和
可靠性；
使用简便，效率高。
342011-3-30
OpenGL图形库的功能
一共有 100多个函数。其中核心函数有 115个
除了提供基本的点、线、多边形的绘制函数外，还提供了复
杂的三维物体（球、锥、多面体、茶壶等）以及复杂曲线和
曲面（如 Bezier,NURBS等曲线或曲面）绘制函数。
基本几何变换和投影变换。
颜色模式设置
光照和材质设置
纹理映射功能
位图显示和图象增强,反走样 (Antialiasing)和雾 (fog)的特殊
图象效果处理
双缓存 (Double Buffering)动画：双缓存即前台缓存和后台缓
存，即后台缓存计算场景、生成画面，前台缓存显示后台缓
存已画好的画面。
