2023/2/3第1章1計算機圖形學概論中南大學國土測繪系主講：向南平教授2023/2/3第1章2本章內容本章將介紹計算機圖形學的研究內容、發展歷史、應用和圖形學前沿的發展方向，同時介紹一些圖形硬件的基本原理，使讀者對圖形學的有關內容有個概括性的了解。作為面向計算機專業本科生的課程，著重討論與圖形的裁減及幾何變換、二維圖形生成技術、三維圖形生成技術、曲線曲面造型相關的原理與算法。第1章計算機圖形學概述2023/2/3第1章31.1引言1.2計算機圖形系統1.3圖形輸入輸出設備1.4計算機圖形學研究熱點2023/2/3第1章41.1

引言1.1.1計算機圖形學的地位1.1.2什么叫計算機圖形學1.1.3計算機圖形學的應用1.1.4計算機圖形學的發展2023/2/3第1章51.1.1計算機圖形學地位計算機科學最活躍的分支之一。圖形學的應用從某種意義上標志著計算機軟、硬件的發展水平。計算機圖形學來源于生活、科學、工程技術、藝術、音樂、舞蹈、電影制作等，同時又促進了這些領域的技術發展。2023/2/3第1章6ComputerGraphicsisaboutanimation(films)動畫2023/2/3第1章7GamesareveryimportantinComputerGraphics游戲2023/2/3第1章8MedicalImagingisanotherdrivingforce

醫學影像2023/2/3第1章9ComputerAidedDesigntoo

計算機輔助設計2023/2/3第1章10ScientificVisualisation

科學可視化2023/2/3第1章111.1.2什么是計算機圖形學什么是圖形構成圖形的要素表示圖形的方法計算機圖形學的定義計算機圖形學的主要研究內容與圖形學密切相關的學科容易混淆的幾個概念2023/2/3第1章12什么是圖形能夠在人的視覺系統中形成印象的客觀對象統稱為圖形。圖形的具體應用范圍很廣，但是從基本的處理技術看只有兩類：一類是線條，如工程圖、地圖、曲線圖表等；另一類是明暗圖，與照片相似，如自然界的景物，照片，也就是通常所說的真實感圖形

為了生成圖形，首先要有原始數據或數學模型，如工程人員構思的草圖，地形航測的判讀數據，飛機的總體方案模型，企業經營的月統計資料等等。這些數字經過計算機處理后變成圖形輸出。2023/2/3第1章13構成圖形的要素幾何要素：點、線、面、體等，用以刻畫對象的輪廓、形狀等。非幾何要素：反映物體表面屬性或材質的灰度、色彩、線型、線寬等。2023/2/3第1章14表示圖形的方法點陣法枚舉出圖形中所有的點，強調圖形由哪些點構成，顏色是什么。點陣法描述的圖形稱為像素圖（簡稱圖像）參數法由圖形的形狀參數（方程或分析表達式的系數、線段的端點坐標等）+屬性參數（顏色、線型等）來表示圖形參數法描述的圖形叫做參數圖（簡稱圖形）但本課程所說的計算機圖形，實際上是圖形的廣義概念，即包括了圖形和圖像。2023/2/3第1章15計算機圖形學定義計算機圖形學是利用計算機研究圖形的表示、生成、處理、顯示的學科。計算機圖形學的主要研究內容是如何在計算機中表示圖形、以及利用計算機進行圖形的計算、處理和顯示的相關原理與算法.2023/2/3第1章16計算機圖形學的主要研究內容圖形的輸入：如何開發利用圖形輸入設備及軟件，如何完整的將圖形輸入到計算機。圖形的處理：進行變換（幾何變換、投影變換等）和運算（如圖型的并、交、差運算）處理圖形的生成和輸出：將圖形的表示形式轉換成圖型輸出系統便于接受的表示形式，并通過顯示屏或打印機等輸出設備呈現出來。2023/2/3第1章17與圖形學密切相關的學科計算機圖形：用計算機生成、處理和顯示圖形的學科；由幾何數據和幾何模型，利用計算機進行顯示并存儲，并可以進行修改、完善以及有關操作的過程；圖像處理：將客觀世界中原來存在的物體影像處理成新的數字化圖像的相關技術；如CT掃描、X射線探傷等；將連續的圖像，進行采樣、量化產生數字圖像，并進行變換、壓縮等處理。2023/2/3第1章18模式識別：對所輸入的圖像進行分析和識別，找出其中蘊涵的信息或抽象模型；如手寫漢字的識別。機器人視覺系統。它是圖形學的逆過程。計算幾何：研究幾何模型和數據處理的學科，討論幾何形體的計算機表示、分析和綜合方法。研究如何方便靈活、有效地建立幾何形體的數學模型以及在計算機中更好地存貯和管理這些模型數據；如曲線曲面的表示生成、三維立體造型等等。2023/2/3第1章191.1.3計算機圖形學的應用

按應用領域分類

按生成圖的類型分類2023/2/3第1章20

按應用領域分類管理科學制圖學動畫技術計算機輔助設計（CAD）VirtualReality（虛擬現實、靈境）圖形實時繪制與自然景物仿真

過程控制藝術辦公自動化應用2023/2/3第1章21管理科學繪制數學、物理以及經濟函數的二維及三維圖形：直方圖、線條圖、扇形圖、進程圖...特點：簡潔、直觀——>數據的模型和趨勢。應用2023/2/3第1章22測繪與制圖學產生高精度的地理或其他自然現象的圖形。包括地形圖、地質圖、油層圖、海圖、旅游圖、交通圖、氣象圖、人口密度圖...應用2023/2/3第1章23動畫技術應用計算機動畫是計算機應用的重要領域之一，它綜合了計算機圖形、人工智能、美術和電影技術，借助計算機生成一系列可供動態實時演播的連續圖象。事實上計算機動畫也只是生成一幅幅靜態的圖象，但是每一幅都是對前一幅做一小部分修改（如何修改便是計算機動畫的研究內容），這樣，當這些畫面連續播放時，整個場景就動起來了。2023/2/3第1章24動畫技術早期的計算機動畫靈感來源于傳統的卡通片，在生成幾幅被稱做“關鍵幀”的畫面后，由計算機對兩幅關鍵幀進行插值生成若干“中間幀”，連續播放時兩個關鍵幀就被有機地結合起來了。近年來轉向基于物理模型的計算機動畫生成方法，運用彈性力學和流體力學的方程進行計算，力求使動畫過程體現出最適合真實世界的運動規律。

2023/2/3第1章252023/2/3第1章26計算機輔助設計（CAD）CAD/CAM是計算機圖形學在工業界最廣泛、最活躍的應用領域。計算機圖形學被用來進行土建工程、機械結構和產品的設計，包括設計飛機、汽車、船舶的外形和發電廠、化工廠等的布局以及電子線路、電子器件等。在電子工業中，計算機圖形學應用到集成電路、印刷電路板、電子線路和網絡分析等方面的優勢是十分明顯的。CAD領域另一個非常重要的研究內容，就是基于工程圖紙的三維形體重建。三維形體重建就是從二維信息中提取三維信息，通過對這些信息進行分類、綜合等一系列處理，在三維空間中重新構造出二維信息所對應的三維形體，恢復形體的點、線、面及其拓撲關系，從而實現形體的重建。2023/2/3第1章27奧迪效果圖和線框圖應用2023/2/3第1章282023/2/3第1章29VirtualReality（虛擬現實、靈境）VirtualReality或稱虛擬環境（VirtualEnvironment)是用計算機技術來生成一個逼真的三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺等感覺世界，讓用戶可以從自己的視點出發，利用自然的技能和某些設備對這一生成的虛擬世界客體進行瀏覽和交互考察。輸入輸出設備是關鍵2023/2/3第1章30圖形實時繪制和自然圖形仿真在計算機中重現真實世界的場景叫做真實感繪制。真實感繪制的主要任務是模擬真實物體的物理屬性，簡單的說就是物體的形狀、光學性質、表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對位置、遮擋關系等等。另外，真實感繪制已經從最初繪制簡單的室內場景發展到現在大量模擬野外自然景物，比如繪制山、水、云、樹、火等等。2023/2/3第1章31圖形實時繪制和自然圖形仿真人們提出了多種方法來繪制這些自然景物，比如繪制火和草的粒子系統(ParticleSystem)，基于生理模阿型的繪制植物的方法。近年來出現了一些自然景物仿真繪制的綜合平臺，如德國Lintermann和Deussen的繪制植物的平臺Xforg，日本YoshinoriDobashi等人繪制的真實感云（Siggraph’2000,SpecialInterestGrouponComputerGraphics,美國計算機協會計算機繪圖專業組),以及清華大學自主開發的自然景物設計平臺。2023/2/3第1章32日本YoshinoriDobashi等人繪制的真實感云2023/2/3第1章33由清華大學自然景物平臺生成的野外場景2023/2/3第1章34Xfrog3.0生成的挪威云杉2023/2/3第1章35過程控制應用將計算機和現實世界中的其他設備連成一個系統.利用交互式圖形生成技術形成的人機交互系統，實現人與控制或管理對象之間的相互作用。如工廠中的設備、工序控制，機場與鐵路的調度等。2023/2/3第1章36藝術

可用于美術創作的軟件很多，如二維平面的畫筆程序（如CorelDraw，Photoshop，PaintShop）、專門的圖表繪制軟件（如Visio）、三維建模和渲染軟件包（如3DMAX，Maya，GoogleSketchUP）、以及一些專門生成動畫的軟件（如Alias，Softimage）等，可以說是數不勝數。這些軟件不僅提供多種風格的畫筆畫刷，而且提供多種多樣的紋理貼圖，甚至能對圖象進行霧化，變形等操作。其中大部分功能是傳統的繪畫藝術家無法實現也不可想象的。應用2023/2/3第1章37藝術模擬藝術效果的非真實感繪制（NPRNon-PhotorealisticRendering）也在逐漸發展。鋼筆素描是非真實感繪制的一個重要內容，由于鋼筆素描與傳統的圖形學繪制方法差別很大，所以研究起來難度也頗大以下是華盛頓大學的MichaelP.Salisbury在Siggraph會議上發表的高水平的論文中的作品。2023/2/3第1章38GeorgesWinkenb1ach繪制的壺和碗(Siggraph’96)2023/2/3第1章39Salisbury繪制的茶壺(Siggraph’97)2023/2/3第1章40Salisbury繪制的熊(Siggraph’97)2023/2/3第1章41OliverDeussen繪制的素描樹(Siggraph’2000)2023/2/3第1章422023/2/3第1章43辦公自動化應用在辦公室中，用圖形方式顯示并交換文件、報表、圖例和其它信息，并在輸出設備上輸出、保存起來。2023/2/3第1章44

按生成圖的類型分類從處理技術上來看，圖形主要分為兩類，一類是基于線條信息表示的，如工程圖、等高線地圖、曲面的線框圖等，另一類是明暗圖(Shanding)，也就是通常所說的真實感圖形。1.線圖：二維或三維（沒有圖的概念，只有線）,三維帶隱生線2.二維多色圖形，帶有灰度色彩的圖形3.實體：有真實感的圖形(三維實體圖)應用2023/2/3第1章45線圖和二維多彩圖形應用2023/2/3第1章46線圖和三維實體圖應用2023/2/3第1章47PerspectiveView

透視圖2023/2/3第1章48DepthCue

深度線畫2023/2/3第1章49HiddenLineRemoval–addcolour

隱線消除-增添色彩

2023/2/3第1章50ConstantShading–Ambient

恒底紋-環境

2023/2/3第1章51FacetedShading–Flat

分面底紋-平面2023/2/3第1章52Gouraudshading,nospecularhighlights

高氏著色，無鏡面高光

2023/2/3第1章53Specularhighlightsadded

加高光2023/2/3第1章54Phongshading普郎陰影2023/2/3第1章55Texturemapping紋理映射

2023/2/3第1章56完整的視頻效果2023/2/3第1章571.1.4計算機圖形學的發展

開創階段（50年代~60年代）迅速發展階段（60年代初~60年代末）降低成本階段（60年代末~70年代初）發展成熟階段（70年代初~80年代初）推廣應用階段（80年代中~90年代中）目前（九十年代中至今）硬件發展圖形軟件發展及軟件標準形成2023/2/3第1章58發展開創階段（50年代~60年代）1950年，MIT采用原理類似于示波器陰極射線管（CRT）作為旋風一號的圖形顯示器。1958年，美國Calcomp公司由聯機的數字記錄儀發展成滾筒式繪圖儀和平板式繪圖儀。50年代末，SAGE空中防御指揮系統采用光筆作為輸入設備，標志著交互式圖形技術的誕生。2023/2/3第1章59迅速發展階段

（60年代初~60年代末）大公司紛紛開展圖形學科學研究，出現各種系統軟件和應用軟件。60年代中期出現隨機掃描顯示器。1962年，MIT林肯實驗室的IvanE.Sutherland發表了一篇題為“Sketchpad：一個人機交互通信的圖形系統”的博士論文，他在論文中首次使用了計算機圖形學“ComputerGraphics”這個術語，證明了交互計算機圖形學是一個可行的、有用的研究領域（提出基本交互技術、圖元分層表示概念及數據結構…)

，從而確定了計算機圖形學作為一個嶄新的科學分支的獨立地位。因此，他被后人尊稱為圖形學之父。發展圖形學之父Ivan.E.Sutherland2023/2/3第1章60迅速發展階段

（60年代初~60年代末）1964年MIT的教授StevenA.Coons提出了被后人稱為超限插值的新思想，通過插值四條任意的邊界曲線來構造曲面。同在60年代早期，法國雷諾汽車公司的工程師PierreBézier發展了一套被后人稱為Bézier曲線、曲面的理論，成功地用于幾何外形設計，并開發了用于汽車外形設計的UNISURF系統。值得一提的是，計算機圖形學的最高獎是以Coons的名字命名的，而獲得第一屆（1983）和第二屆(1985)StevenA.Coons獎的，恰好是IvanE.Sutherland和PierreBézier。2023/2/3第1章61降低成本階段

（60年代末~70年代初）發展存儲管顯示器出現，大大降低圖形硬件系統成本。70年代初，出現一批通用的、可移植的軟件系統。存儲管顯示器的結構2023/2/3第1章62發展成熟階段

（70年代初~80年代初）發展－光柵圖形學迅速發展區域填充、裁剪、消隱等基本圖形概念、及其相應算法紛紛誕生，并開始出現實用的CAD圖形系統。－圖形軟件標準化1974年，ACMSIGGRAPH的與“與機器無關的圖形技術”的工作會議ACM成立圖形標準化委員會，制定“核心圖形系統”（CoreGraphicsSystem）ISO發布CGI、CGM、GKS、PHIGS計算機圖形核心系統GKS(GraphicsKernelsystem)、面向程序員的層次交互圖形標準PHIGS(ProgrammersHierarchicalInteractiveGraphicsStandard)等國際標準的建立。光學跟蹤球2023/2/3第1章63－真實感圖形學1970年，Bouknight提出了第一個光反射模型1971年，Gourand提出“漫反射模型＋插值”的思想，被稱為Gourand明暗處理1975年，Phong提出了著名的簡單光照模型-Phong模型－新型的圖形輸入設備

.如各類圖形輸入板，坐標數字化儀，跟蹤球，鼠標器等。

－實體造型技術英國劍橋大學CAD小組的Build系統美國羅徹斯特大學的PADL-1系統發展成熟階段

（70年代初~80年代初）2023/2/3第1章64推廣應用階段

（80年代中~90年代中）發展圖形工作站的出現，如Apollo,Sun,HP等。SGI

圖形工作站2023/2/3第1章651980年Whitted提出了一個光透視模型-Whitted模型，并第一次給出光線跟蹤算法的范例，實現Whitted模型。1984年，美國Cornell大學和日本廣島大學的學者分別將熱輻射工程中的輻射度方法引入到計算機圖形學中。圖形硬件和各個分支均在這個時期飛速發展。推廣應用階段

（80年代中~90年代中）2023/2/3第1章66目前（九十年代中至今）發展微機和軟件系統的普及使得圖形學的應用領域日益廣泛。圖形學已經同模式識別、人工智能、數據庫等眾多領域結合，形成一些交叉學科，如工程數據庫、多媒體等。2023/2/3第1章67計算機圖形學發展歷程匯總表時代階段特征50年代開創階段MIT旋風一號，計算機驅動CRT+照相機，SAGE(交互式圖形技術誕生)60年代初至60年代末迅速發展階段隨機掃描顯示器，圖形學之父60年代末至70年代初降低成本階段存儲管顯示器，應用軟件包70年代初至80年代初發展成熟階段光柵掃描顯示器，新型的圖形輸入設備，圖形語言標準化80年代初子90年代中推廣應用階段圖形工作站(Apollo,Sun,Hp)90年代至今微機，交叉學科（多媒體等）2023/2/3第1章68

硬件發展圖形顯示器是計算機圖形學中關鍵的設備

畫線顯示器（矢量顯示器/隨機掃描顯示器）存儲管式顯示器刷新式光柵掃描顯示器2023/2/3第1章69圖形輸出設備的發展60年代中期：畫線顯示器（亦稱矢量顯示器）需要刷新。設備昂貴，限制普及60年代后期：存儲管式顯示器不需刷新，價格較低，缺點是不具有動態修改圖形功能，不適合交互式。70年代初：刷新式光柵掃描顯示器推動了交互式圖形技術的發展。它是以點陣形式表示圖形，使用專用的緩沖區存放點陣，由視頻控制器負責刷新掃描。

硬件發展2023/2/3第1章70

硬件發展圖形輸入設備的發展第一階段：控制開關、穿孔紙等等第二階段：鍵盤第三階段：二維定位設備，如鼠標、光筆、圖形輸入板、觸摸屏等等，語音第四階段：三維輸入設備（如空間球、數據手套、數據衣），用戶的手勢、表情等等第五階段：用戶的思維2023/2/3第1章71數據手套2023/2/3第1章72發展模式諸侯割據標準討論標準形成

圖形軟件發展及軟件標準的形成標準形成過程：先有應用，由于應用中數據交換、成果共享的需要，導致標準的討論，最后才形成軟件標準。圖形標準：圖形系統及其相關應用系統中各界面之間進行數據傳送和通信的接口標準，以及供圖形應用程序調用的子程序功能及其格式標準，前者稱為數據及文件格式標準，后者稱為子程序界面標準。2023/2/3第1章73圖形系統標準分類面向圖形設備的接口標準：計算機圖形元文件(CGM)，(CRT,Mouse,…)計算機圖形接口(CGI)，設備驅動程序。面向應用軟件的標準：程序員層次交互式圖形系統（PHIGS）,GL(圖形程序包)（三維）圖形核心系統（3D-)GKS面向圖形應用系統工程和產品數據模型及文件格式：基本圖形轉換規范（IGES）產品數據轉換規范（STEP）2023/2/3第1章74CGI（ISODP9636)--提供控制圖形硬件的一種與設備無關的方法。--也可看作圖形設備驅動程序的一種標準。--在用戶程序和虛擬設備之間，以一種獨立于設備的方式提供圖形信息的描述和通信。CGM（ISOIS8632)

--與設備無關的語義、詞法定義的圖形文件格式。--規定了生成、存儲、傳送圖形信息的格式。--面向系統和系統開發者，和CGI配套提供。--通用性是其關鍵屬性。2023/2/3第1章75GKS--提供了在應用程序和圖形輸入輸出設備之間的功能接口。與語言無關。--GKS提供了一個稱為元文件的順序文件接口。--應用程序的所有圖形資源由GKS控制（通過GKS元文件-GKSM）--GKSM用于:圖形信息存檔、系統傳送圖形信息、在GKS應用程序間傳送圖形信息、與圖形信息相關的非圖形信息的存儲和復用。PHIGS（ISOIS9592）--向應用程序員提供的控制圖形設備的圖形系統接口；--圖形數據按層次結構組織；--提供動態修改和顯示圖形數據的手段。是一個高度動態化和交互式圖形系統。GL—圖形程序庫，UNIX下運行。—OpenGL—微機下運行。—分類：基本圖素；坐標變換；設置屬性和顯示方式；I/O處理；真實圖形顯示。2023/2/3第1章76IGES（基本圖形轉換規范）--InitialGraphicsExchangeSpecification--作用：不同的CAD/CAM系統之間交換數據。--文件格式是ASCII碼，五節：開始節，目錄入口(DE)，參數(DP)節，整體節和結束節。STEP（產品模型數據轉換標準）--StandardfortheExchangeofProductmodelData.--覆蓋產品整個生命周期--強調建立能存入數據庫中的一個產品模型的完整表示。--克服IGES中的問題和缺點。2023/2/3第1章771.2

計算機圖形系統1.2.1計算機圖形系統的組成1.2.2一般工作過程1.2.3圖形系統應具有的功能1.2.4圖形顯示處理器2023/2/3第1章781.2.1計算機圖形系統的組成圖形系統圖形硬件基礎設備：主機、內存、外存等基本圖形設備：圖形顯示器、圖形適配器、鍵盤等專用圖形設備：數字化儀、繪圖儀、圖形打印機等圖形軟件圖形語言：程序設計語言、數據庫管理語言、圖形專用語言圖形數據庫：圖形對象庫、操作方法庫、模型庫圖形程序：圖形系統程序、應用程序、圖形工具2023/2/3第1章791.2.2圖形系統一般工作過程計算機圖形系統是一個由軟、硬件相互結合的有機整體。系統在工作時，由主機執行應用程序，通過圖形輸入設備、數據庫或交互裝置讀取數據，并按一定結構將數據組織起來，然后調用事先存儲好的圖形顯示子程序，將處理后得到的數據送往顯示處理器，從圖形顯示器或其它輸出設備輸出圖形。2023/2/3第1章80一般工作過程示意圖數據結構應用程序圖形子程序包交互裝置主機顯示處理器輸出通道2023/2/3第1章811.2.3圖形系統應具有的功能計算功能圖形設計、分析，坐標變換、曲線曲面的生存、圖形交（接）點計算存儲功能圖形數據的存儲，圖形數據交互，數據的檢索、增加、刪除和修改對話功能通過硬件設備進行人機交互，以修改圖形輸入功能將圖形生成、和修改所需的數據輸入到計算機輸出功能將結果圖件顯示或打印出來2023/2/3第1章821.2.4圖形顯示處理器圖形顯示處理器（Videocard，Graphicscard，俗稱顯卡），又稱為顯示適配器（Videoadapter），是圖形系統最基本的組成部分之一。顯卡的用途是將計算機系統所需要的顯示信息進行轉換驅動，并向顯示器提供行掃描信號，控制顯示器的正確顯示，是連接顯示器和電腦主板的重要元件，是“人機對話”的重要設備之一。因為顯卡不單單存儲圖形，而且還能完成大部分圖形函數的運算，這樣就大大減輕了CPU的負擔，提高了顯示能力和顯示速度。所以，對于專業圖形設計工作來說顯卡非常重要。2023/2/3第1章83顯卡工作原理數據（data）一旦離開CPU，必須通過以下4個步驟，最后才會到達顯示屏：

1、從總線（bus）進入GPU（圖形處理器）：將CPU送來的數據送到北橋（主橋）再送到GPU（圖形處理器）里面進行處理。

2、從顯卡芯片組顯存：將芯片處理完的數據送到顯存。

3、從顯存進入DigitalAnalogConverter（RAMDAC，隨機讀寫存儲模—數轉換器）：從顯存讀取出數據再送到RAMDAC進行數據轉換的工作（數字信號轉模擬信號）。

4、從DAC進入顯示器（Monitor）：將轉換完的模擬信號送到顯示屏。2023/2/3第1章84顯卡基本結構GPU（類似于主板的CPU）

GPU全稱是GraphicProcessingUnit，中文翻譯為“圖形處理器”。NVIDIA公司在發布GeForce256圖形處理芯片時首先提出的概念。GPU使顯卡減少了對CPU的依賴，并進行部分原本CPU的工作，尤其是在3D圖形處理時。GPU所采用的核心技術有硬件T&L（幾何轉換和光照處理）、立方環境材質貼圖和頂點混合、紋理壓縮和凹凸映射貼圖、雙重紋理四像素256位渲染引擎等，而硬件T&L技術可以說是GPU的標志。GPU的生產主要由nVidia與ATI兩家廠商生產。

2023/2/3第1章85顯卡基本結構顯存（類似于主板的內存）

顯存是顯示內存的簡稱。顧名思義，其主要功能就是暫時將儲存顯示芯片要處理的數據和處理完畢的數據。圖形核心的性能愈強，需要的顯存也就越多。以前的顯存主要是SDR（SDRAM，SynchronousDynamicRandomAccessMemory，同步動態隨機存儲器)，容量也不大。市面上的顯卡大部分采用的是GDDR3（DDR就是SDR二代，加強了傳輸的代寬，GDDR只不過是電壓不同，而且用在顯卡上，所以叫GDDR，以示區別）顯存，現在最新的顯卡則采用了性能更為出色的GDDR4或GDDR5顯存。顯存主要由傳統的內存制造商提供，比如三星、現代、Kingston等。

2023/2/3第1章86顯卡基本結構顯卡BIOS（類似于主板的BIOS）

BIOS是“BasicInputOutputSystem”的縮略語，即“基本輸入輸出系統”。它的全稱應該是ROM－BIOS，意思是只讀存儲器基本輸入輸出系統。

顯卡BIOS主要用于存放顯示芯片與驅動程序之間的控制程序，另外還存有顯示卡的型號、規格、生產廠家及出廠時間等信息。打開計算機時，通過顯示BIOS內的一段控制程序，將這些信息反饋到屏幕上。早期顯示BIOS是固化在ROM中的，不可以修改，而多數顯示卡則采用了大容量的EPROM，即所謂的FlashBIOS，可以通過專用的程序進行改寫或升級。顯卡PCB板（類似于主板的PCB板）就是顯卡的電路板，它把顯卡上的其它部件連接起來。功能類似主板。2023/2/3第1章87顯卡的分類集成顯卡集成顯卡是將顯示芯片、顯存及其相關電路都做在主板上，與主板融為一體；一些主板集成的顯卡也在主板上單獨安裝了顯存，但其容量較小，集成顯卡的顯示效果與處理性能相對較弱，不能對顯卡進行硬件升級，但可以通過CMOS調節頻率或刷入新BIOS文件實現軟件升級來挖掘顯示芯片的潛能。

優點：是功耗低、發熱量小、部分集成顯卡的性能已經可以媲美入門級的獨立顯卡，所以不用花費額外的資金購買顯卡。

缺點：不能換新顯卡，要說必須換，就只能和主板，CPU一次性的換。獨立顯卡獨立顯卡是指將顯示芯片、顯存及其相關電路單獨做在一塊電路板上，自成一體而作為一塊獨立的板卡存在，它需占用主板的擴展插槽。

優點：單獨配置了顯存，一般不占用系統內存，在技術上也較集成顯卡先進得多，比集成顯卡能夠得到更好的顯示效果和性能，容易進行顯卡的硬件升級。

缺點：系統功耗有所加大，發熱量也較大，需額外花費購買顯卡的資金。

2023/2/3第1章881.3圖形輸入輸出設備1.3.1圖形輸出設備1.3.2圖形輸入設備2023/2/3第1章891.3.1圖形顯示設備

陰極射線管

彩色陰極射線管

隨機掃描顯示系統

光柵掃描系統

液晶顯示器（LCD）

走向平面的顯像管

未來顯示器2023/2/3第1章90組成：包括電子槍、加速電極、聚焦系統、偏轉系統、熒光屏工作原理：高速的電子束由電子槍發出，經過聚焦系統、加速系統和磁偏轉系統就會到達熒光屏的特定位置。由于熒光物質在高速電子的轟擊下會發生電子躍遷，即電子吸收到能量從低能態變為高能態。由于高能態很不穩定，在很短的時間內熒光物質的電子會從高能態重新回到低能態，這時將發出熒光，屏幕上的那一點就會亮了。

陰極射線管（CRT)刷新頻率：要顯示一幅穩定的畫面，必須不斷地發射電子束，以刷新屏幕亮點。刷新一次是指電子束從上到下掃描一次的過程。刷新頻率高到一定值后，圖象才能穩定顯示2023/2/3第1章91電子槍由燈絲、陰極和控制柵組成。陰極：由燈絲加熱發出電子束控制柵：加上負電壓后，能夠控制通過其中小孔的帶負電的電子束的強弱。通過調節負電壓高低來控制電子數量，即控制熒光屏上相應點的亮度。聚焦系統保證電子束在轟擊屏幕時，匯聚成很細的點。加速電極正的高壓電（幾萬伏），使電子束高速運動。偏轉系統控制電子束，靜電場或磁場，使電子產生偏轉。電子束要到達屏幕的邊緣時，偏轉角度就會增大。到達屏幕最邊緣的偏轉角度被稱為最大偏轉角。最大偏轉角是衡量系統性能的最重要的指標，顯示器長短與此有關。CRT顯示器屏幕越大整個顯象管就越長。2023/2/3第1章92熒光屏熒光物質：當它被電子轟擊時發出亮光持續發光時間：電子束離開某點后，該點的亮度值衰減到初始值1/10所需的時間刷新(Refresh)：為了讓熒光物質保持一個穩定的亮度值刷新頻率：每秒鐘重繪屏幕的次數CRT產生穩定圖像所需要的最小刷新頻率=1/熒光物質的持續發光時間

1/0.04(秒）=25Hz（也即人眼看到穩定圖形的最小刷新頻率）像素(Pixel:PictureCell)：構成屏幕（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，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描述，如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等。2023/2/3第1章93產生彩色的常用方法：射線穿透法影孔板法

彩色陰極射線管2023/2/3第1章94射線穿透法原理：兩層熒光涂層，紅色光和綠色光兩種發光物質，電子束轟擊穿透熒光層的深淺，決定所產生的顏色。應用：主要用于畫線顯示器優點：成本低缺點：只能產生有限幾種顏色電子束熒光涂層產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2023/2/3第1章95影孔板法原理：影孔板被安裝在熒光屏的內表面，用于精確定位像素的位置外層玻璃熒光涂層影孔板2023/2/3第1章96影孔板的類型點狀影孔板代表：大多數球面與柱面顯像管柵格式影孔板代表：Sony的Trinitron（特麗隆）與Mitsubishi（三菱）的Diamondtron（鉆石特隆）溝槽式影孔板代表：LG的Flatron顯像管2023/2/3第1章97點狀影孔板工作原理紅、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2023/2/3第1章98顯示器能同時顯示的顏色個數

如果每支電子槍發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，稱為真彩系統。調節電子槍發生的電子束中所含電子的數目，即可控制各色光點亮度。2023/2/3第1章99

隨機掃描的顯示系統特點：電子束可隨意移動，只掃描熒屏上要顯示的部分。邏輯部件：刷新存儲器(RefreshingBuffer),顯示處理器（DPU:DisplayProcessingUuit）和CRT2023/2/3第1章100工作原理

應用程序發出繪圖命令，→解析成顯示處理器可接受的命令格式，存放在刷新存儲器中。刷新存儲器中所有的繪圖命令組成一個顯示文件，由顯示處理器負責解釋執行(刷新)，→驅動電子槍在屏幕上繪圖。修改圖形，實際是修改顯示文件中的某些繪圖命令。

2023/2/3第1章101

光柵掃描的顯示系統特點：光柵掃描掃描線幀水平回掃期垂直回掃期2023/2/3第1章102光柵掃描顯示系統的幾個概念行頻、幀頻水平掃描頻率為行頻。垂直掃描頻率為幀頻。逐行掃描、隔行掃描隔行掃描方式是先掃奇數行掃描線，再掃偶數行掃描線。象素整個屏幕被掃描線分成n行，每行有m個點，每個點為一個象素。整個屏幕有m×n個象素。分辨率是指CRT在水平或垂直方向的單位長度上能分辨出的最大光點（象素）數，分為水平分辨率和垂直分辨率。通常用屏幕上象素的數目來表示。比如上述的n行，每行m點的屏幕分辨率為m×n。分辨率越高，相鄰象素點之間的距離越小，顯示的字符或圖像也就越清晰。分辨率受顯示器生產工藝、掃描頻率以及顯示存儲器容量的限制。2023/2/3第1章103點距相鄰象素點之間的距離，與分辨率指標相關。顯示速度指顯示字符、圖形特別是動態圖像的速度，與顯示器的分辨率及掃描頻率有關。可用最大帶寬（水平象素數×垂直象素數×最大幀頻）來表示。色彩與亮度等級亮度等級又稱灰度，主要指單色顯示器的亮度變化。色彩包括可選擇顯示器顏色的數目以及一幀畫面可同時顯示的顏色數，與熒光屏的質量有關，并受顯示存儲器VRAM容量的影響。圖像刷新由于CRT內側的熒光粉在接受電子束的轟擊時，只能維持短暫的發光，根據人眼視覺暫留的特性，需要不斷進行刷新才能有穩定的視覺效果，圖像刷新是指以每秒30幀以上的頻率反復掃描不斷地顯示每一幀圖像。圖像的刷新頻率等于幀掃描的頻率（幀頻），用每秒刷新的幀數表示。目前刷新頻率標準為每秒50~120幀。光柵掃描顯示系統的幾個概念2023/2/3第1章104黑白光柵掃描顯示器黑白光柵顯示器的邏輯框圖如上：其中幀緩存是一塊連續的計算機存儲器。對于黑白單灰度顯示器每一象素需要一位存儲器，對一個1024×1024象素組成的黑白單灰度顯示器所需要的最小緩存為220，并在一個位面上。一個位面的緩存只能存儲黑白圖形，幀緩存是數字設備，光柵顯示器是模擬設備，因而還需要數模轉換器(DAC)。2023/2/3第1章105黑白灰度光柵掃描顯示器在光柵圖形顯示器中需要足夠的位面和幀緩存結合起來才能反映圖形的顏色和灰度等級。如下圖是一個具有N位面灰度等級的幀緩存。顯示器上每個象素的亮度是由N位面中對應的每個象素位置的內容控制的。該存儲器中的二進制的數被翻譯成灰度等級，范圍是0到2N-1之間。2023/2/3第1章106彩色光柵掃描顯示器下圖是彩色光柵顯示器的邏輯圖，對于紅、綠、藍三原色有三個位面的幀緩存和三個電子槍。2023/2/3第1章107彩色光柵掃描顯示器每個顏色的電子槍可以通過增加幀緩存位面來提高顏色種類的灰度等級。如上圖，每種原色電子槍有8個位位面的幀緩存和8位的數模轉換器，每種原色可有256種灰度，三種原色的組合將是(28)3=224（即所謂的24位真彩）。2023/2/3第1章108彩色光柵掃描顯示器若每個單元有24位（每種基色占8位）即顯示系統可同時產生224種顏色（24位真彩色）。分辨率M*N、顏色個數K與顯存大小V的關系

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。若存儲器位長固定，則屏幕分辯率與同時可用的顏色種數成反比關系。1兆字節的幀緩存，若設分辯率為640×480，則幀緩存每個單元可有24位，可能同時顯示224種顏色，若設分辯率為1024×768，則每個單元分得的位數僅略多于8，只能工作于256色顯示模式下。

2023/2/3第1章109帶寬T與分辨率、幀頻F的關系帶寬問題

高分辨率和高的刷新頻率要求有高帶寬（依然是個問題！）解決方法：隔行掃描（現在已經基本不用，主流顯示器都采用逐行掃描方式）隔行掃描的：把一幀分兩場，即奇數場與偶數場場頻：==2×幀頻隔行掃描工作原理：

一幀完整的畫面分成兩場。一場1／60秒（場頻60HZ，幀頻30HZ）。畫面更新頻率仍為60HZ，降低了閃爍效應，每一場1／60秒內，幀緩存中數據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。彩色光柵掃描顯示器2023/2/3第1章110

液晶顯示器（LCD）CRT固有的物理結構限制了它向更廣的顯示領域發展屏幕的加大必然導致顯象管的加長，顯示器的體積必然要加大，在使用時候就會受到空間的限制。CRT顯示器是利用電子槍發射電子束來產生圖像，容易受電磁波干擾，甚至出現磁化現象。長期電磁輻射會對人們健康產生不良影響。LCD(LiquidCrystalDisplay)顯示器的優點外觀小巧精致，厚度只有6.5～8cm左右。不會產生CRT那樣的因為刷新頻率低而出現的閃爍現象。工作電壓低，功耗小，節約能源。沒有電磁輻射，對人體健康沒有影響。2023/2/3第1章111液晶顯示器的構成

LCD是由六層薄板組成的平板式顯示器反射層水平極板水平網格線液晶層垂直網格線垂直極板觀察方向LCD顯示器基本原理

液晶是一種介于液體和固體之間的特殊物質，它具有液體的流態性質和固體的光學性質。當液晶受到電壓的影響時，就會改變它的物理性質而發生形變，此時通過它的光的折射角度就會發生變化，而產生色彩。液晶屏幕后面有一個背光，這個光源先穿過第一層偏光板，再來到液晶體上，而當光線透過液晶體時，就會產生光線的色澤改變，從液晶體射出來的光線，還必須經過一塊彩色濾光片以及第二塊偏光板。2023/2/3第1章112LCD顯示器的基本指標可視角度視線與屏幕中心法向成一定角度時，人們就不能清晰地看到屏幕圖象。我們將能看到清晰圖象的最大角度稱為可視角度。一般所說的可視角度是指左右兩邊的最大角度相加。點距與分辨率液晶屏幕的點距就是兩個液晶顆粒（光點）之間的距離，一般0.28～0.32mm就能得到較好的顯示效果通常所說的液晶顯示器的分辨率是指其真實分辨率，表示水平方向的像素點數與垂直方向的像素點數的乘積LCD顯示器的缺點壽命短、怕震動、溫度敏感分辨率相對較低，色彩不夠鮮艷，且價格偏高。2023/2/3第1章113

走向平面的顯像管球面顯象管：表面：球面的一部分時間：90年代初期柱面顯象管：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年代中期代表：Sony公司的Trinitron，Mitsubishi公司的Diamondtron平面直角顯象管表面：球面的一部分，類似于平面時間：90年代中后期現在市場上的主流顯象管純平顯象管表面：純平面時間：90年代后期代表：Sony公司的FDTrinitron，Mitsubishi公司的Diamondtron，Samsung公司的DanyFlat，LG公司的Flatron今后的主流顯象管2023/2/3第1章114

等離子顯示屏—發展趨勢所謂等離子是迄今為止發現的第四種物質狀態，即氣，固，液和等離子。等離子電視是一種利用氣體放電的顯示技術，其工作原理與日光燈很相似。它采用了等離子管作為發光元件。大量的等離子管排列在一起構成整個全屏幕。每個等離子管作為一個像素，每個像素由三種不同顏色的發光體組成----紅、綠、藍。由這些像素的明暗和顏色組合變化產生各種灰度和色彩的圖像，這與CRT的原理很相似。等離子顯示器的特點是厚度極薄，分辨率佳。可以作為壁掛電視使用，占用極少的空間，代表了未來顯示器的發展趨勢。等離子體顯示技術之所以令人激動，主要出于以下兩個原因：1、可以制造出超大尺寸的平面顯示器（50英寸甚至更大）；2、與陰極射線管顯示器不同，它沒有彎曲的視覺表面，從而使視角擴大到了160度以上。另外，等離子顯示器的分辨率等于甚至超過傳統的顯示器，所顯示圖像的色彩也更亮麗，更鮮艷，更清晰。2023/2/3第1章115顯示屏上排列有密封的小低壓氣體室（一般都是氙氣和氖氣的混合物），利用高壓放電使惰性氣體Ne、He、Xe等產生紫外線照在彩色熒光粉后,激發出紅,綠,藍可見光,再配合驅動電路的設計與處理將三種顏色的光混合,形成各式各樣的彩色畫面.

由于不需要用電子槍，因而其厚度會變得很薄，并且屏幕可以做的很大。適用于候車室等需要大屏幕的地方。但時耗電量大，價格昂貴。換句話說，是利用惰性氣體放電時所產生的紫外光來激發彩色熒光粉發光，然后將這種光轉換成人眼可見的光。從工作原理上講，等離子體技術同其它顯示方式相比存在明顯的差別，在結構和組成方面領先一步。其工作原理類似普通日光燈和電視彩色圖像，由各個獨立的熒光粉像素發光組合而成，因此圖像鮮艷、明亮、干凈而清晰。另外，等離子體顯示設備最突出的特點是可做到超薄，可輕易做到40英寸以上的完全平面大屏幕，而厚度不到100毫米（實際上這也是它的一個弱點：即不能做得較小。目前成品最小只有42英寸，只能面向大屏幕需求的用戶和家庭影院等方面）。等離子顯示屏的基本原理2023/2/3第1章116等離子顯示屏的特點等離子顯示器具有體積小、重量輕、無X射線輻射的特點，由于各個發光單元的結構完全相同，因此不會出現CRT顯像管常見的圖像幾何畸變。等離子顯示器屏幕亮度非常均勻，沒有亮區和暗區，不像顯像管的亮度——屏幕中心比四周亮度要高一些，而且，等離子顯示器不會受磁場的影響，具有更好的環境適應能力。等離子顯示器屏幕也不存在聚焦的問題，不會產生色彩漂移現象，而表面平直也使大屏幕邊角處的失真和色純度變化得到徹底改善。與LCD液晶顯示器相比，等離子顯示器有亮度高、色彩還原性好、灰度豐富、對快速變化的畫面響應速度快等優點。由于屏幕亮度很高,因此可以在明亮的環境下使用。當然，等離子顯示器的也有一些缺點。比如由于等離子體顯示是平面設計，其顯示屏上的玻璃極薄，所以它的表面不能承受太大或太小的大氣壓力，更不能承受意外的重壓。等離子顯示器的每一個像素都是獨立地自行發光，相比顯示器使用的電子槍而言，耗電量自然大增。一般等離子顯示器的耗電量高于300瓦。2023/2/3第1章1171.3.2圖形輸入設備鍵盤、鼠標坐標數字化儀光筆觸摸屏圖形掃描儀2023/2/3第1章118圖形輸入設備

鍵盤、鼠標：

是微型計算機的標準配置之一，也是用戶與計算機交互的主要工具。鍵盤是通過鍵盤陣列將按鍵信息傳輸給主機。鼠標則是通過中斷調用來傳輸位置和按鍵信息的。觸摸屏：是一種對物體觸摸產生反應的屏幕。當人的手指或其它物體接觸到屏幕時，計算機根據觸摸的位置接收到觸摸信號，并按軟件要求進行相應處理。2023/2/3第1章119圖形輸入設備

光筆：

光筆形如圓珠筆，筆尖處有一園孔，使熒光屏上的光能通過它進入筆內；光筆頭部有一組透鏡，將收集到的光聚焦到光導纖維的一個端面上，光導纖維再把光引到光筆的另一端的光電倍增管，將光信號轉換為電信號，經整形后輸出一個合適的邏輯電平以中斷信號送給計算機和顯示器控制部件。2023/2/3第1章120圖形輸入設備

坐標數字化儀：

這是一種用游標來拾取圖形坐標，實現將用戶圖形數據輸入到計算機中的設備。從形式上有機械式、超聲波式和全電子式等類型。數字化儀大量用于工程中設計圖紙的輸入，是計算機輔助設計的主要工具。現在，它也用于非鍵盤方式（手寫）輸入漢字。工作原理：定位裝置在數字板的表面上移動時，通過電磁、靜電感應，將數字板上的圖形坐標信息逐點數字化（這也就是“數字化儀”一名的來歷），并傳送到計算機之中，再經過計算機的處理，就能在屏幕上還原為一副原來的圖形。這就完成了圖形的數字化和輸入過程。2023/2/3第1章121圖形輸入設備

坐標數字化儀：北京長地CD-91600￥1.45萬幅面：1524mm精度：0.20mm分辨率：2540定標器：16鍵鼠標式定位器數據傳輸：10-200對/秒接口：RS-232輸出格式：31種工業標準格式和1種特定格式工作溫度：10~40℃

2023/2/3第1章122圖形輸入設備

圖形掃描儀：

是一種直接把圖形和照片（如工程圖紙、廣告畫）掃描輸入到計算機中，以象素信息進行存儲表示的設備。掃描儀的分辨率是指在原稿的單位長度（英寸）上取樣的點數，單位是dpi，常用的分辨率有300～1000dpi，掃描儀分辨率越高，所需的存儲空間就越大。2023/2/3第1章123圖形輸入設備

圖形掃描儀：辦公或家用掃描儀：價格為幾百到幾千元大幅面工程掃描儀：價格為幾萬到近30萬元2023/2/3第1章124圖形輸入設備

圖形掃描儀：大幅面掃描儀和家用（商用掃描儀）所不同的是，大幅面掃描儀所提供的最大光學分辨率為1200dpi×1200dpi、1200dpi×600dpi、600dpi×600dpi、508dpi×508dpi，也就是說目前大幅面掃描儀最高的光學分辨率為1200dpi×1200dpi。通常在使用或者購買大幅面掃描儀的時候有一個誤區，即：看廠家所推薦的或者宣傳的最大分辨率，例如：廠家所宣傳的最大分辨率為3600dpi甚至是9600dpi；其實這個分辨率是所謂的插值分辨率，也就是后期用軟件在兩個相鄰的像素內在插入N個像素；這樣的話不僅會破壞原圖的真實信息；而且給后期的處理帶來很大的麻煩；同時我們在掃描文件的時候根本不可能使用到高于600dpi×600dpi進行掃描；假設一個A0的圖紙如果使用彩色9600dpi掃描的話，所得到的文件為442.5G，試想有什么計算機和軟件能夠打開或者編輯這樣的文件？

2023/2/3第1章1251.4計算機圖形學研究熱點

計算機圖形學作為計算機科學與技術學科的一個獨立分支已經歷了近40年的發展歷程。一方面，作為一個學科，計算機圖形學在圖形基礎算法、圖形軟件與圖形硬件三方面取得了長足的進步，成為當代幾乎所有科學和工程技術領域用來加強信息理解和傳遞的技術和工具。另一方面,計算機圖形學的硬件和軟件本身也已發展成為一個巨大的產業。估計全球年產值已超過2000億美元。因此，全世界從事計算機圖形學研究、應用和產業的隊伍十分龐大，這也是為什么每年參加SIG-GRAPH年會的人數多達數萬人的原因。2023/2/3第1章126SIG-GRAPH(SpecialInterestGroupforComputerGRAPHICS,計算機圖形圖像特別興趣小組）成立于1967年，一直致力于推廣和發展計算機繪圖和動畫制作的軟硬件技術。從1974年開始，SIGGRAPH每年都會舉辦一次年會，而從1981年開始每年的年會還增加了CG展覽。絕大部分計算機圖形技術軟硬件廠商每年都會將最新研究成果拿到SIGGRAPH年會上發布，大部分游戲的電腦動畫創作者也將他們本年度最杰出的藝術作品集中在SIGGRAPH上展示。因此，SIGGRAPH在圖形圖像技術，計算機軟硬件以及CG等方面都有著相當的影響力。歷年大會都有豐富的成果展示，比如現在很流行的象素、圖層、頂點等概念，最初大都是在Sig-graph上發表的學術報告；而Adobe、Avid、Discreet等廠商也都會選擇在大會上宣布軟件更新的一些重要信息。因此，可以說，Sig-graph年會的熱點就是圖形學研究的熱點。2023/2/3第1章127計算機圖形學的熱點問題計算