图形学之开篇概念及综述

一、什么是计算机图形学

        计算机图形学就是研究如何在计算机中表示图形、以及利用

计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。

1、研究内容

         如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行 图形的计算、处理和显示的相关原理与算法，构 成了计算机图形学的主要研究内容 。

2、传统的计算机图形学生成一副物体图形，常见步骤：

• 造型技术 ：  即生成物体的模型，该物体的几何数据和拓扑关系 。
• 光照模型 ：  用一些简单的数学模型来近似、代替那些物理学的模型，为模拟物体表面的光照物理现象的数学模型叫光照模型。
• 绘制（渲染）技术 ： 选择适当的绘制算法来把这个场景画（渲染） 出来。就是将模型真实性（或艺术性）的显示在屏幕上，即决定每个像素该是什么颜色。这很大程度上取决于不同光照模型。

3、由于计算机屏幕由像素生成，而现阶段的屏幕显示器大多是光栅显示器，故就需要有一套针对光栅显示器生成图形的算法 。大致可分为如下：

                  

二、图形显示设备

1、图形显示器常用的硬件设备  -  - >  阴极射线管( CRT ) 最原始的

• 阴极射线管的技术指标主要两条：一是分辨率，二是显示速度 。
• 一个阴极射线管在水平和垂直方向单位长度上能识别出的最大光点数称之为分辨率。光点亦称之为像素（p i x e l），它主要由电子枪、偏转系统、荧光屏构成（如下）。

• 阴 极：当它被加热时发射电子
• 控制栅：控制电子束偏转的方向和运动速度
• 加速极：用于产生高速的电子束
• 聚焦极：保证电子束在轰击屏幕时能汇成很细的点
• 偏转系统：控制电子束在屏幕上的运动轨迹
• 荧 光 屏：当它被电子轰击时发出亮光

2 、 阴极射线管的工作原理

        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。屏幕上的那一点 就会亮了。要保持显示一幅稳定的画面，必须不断地发射 电子束。

3、 电子束的发出以及控制电子强弱原理

        

• 电子枪是由一个加热器，一个金属阴极和一个电平控制器组成。当加热器加到一定高温时，金属阴极的电子就会摆脱能垒的束缚，迸射出去。
• 发射出来的电子是分散的，经过一个聚焦系统，使众多的电子聚集于一点，在经过偏转系统，冲击屏幕上的一点发光。故要保持荧光屏上有稳定的图象就必须不断地发射电子束。刷新一次指电子束从上到下将荧光屏扫描一次 。其扫描图示如下：

                                           

一般必须有85Hz以上的刷新频率，人眼才能感觉到舒适。

4、 实际应用到射线管 - - > 彩色阴极射线管

     彩色CRT显示器的荧光屏上涂有三种荧光物质，它们分别能 发 红 、 绿 、 蓝 三种颜色的光。 任何颜色都是由这三种荧光粉发出的色光相混而得。其主要 结构 ：三支电子枪、荫罩板、三色荧光粉 。

                       

三束电子经过荫罩的选择， 分别到达三个荧光点的位置 。通过控制三个电子束的强 弱就能控制屏幕上点的颜色 。

                                                        

5、主流的CRT图形显示器

    

    主流有 随机 扫描显示和 光栅 扫描显示器。

1、随机扫描的图形显示器

     

        在随机扫描（Random Scan）的图形显示器中，电子束的 定位和偏转具有随机性，即电子束的扫描轨迹随显示内容 而变化，只在需要的地方扫描，而不必全屏扫描，因此速 度快，图像清晰。 随机扫描显示器是一条线一条线地画图，因此也称为向量 （Vector）显示器。

原理： 从显示文件存储器中取出画线指令或显示字符指令，送到 显示控制器，由显示控制器控制电子束的偏转，轰击荧光 屏上的荧光材料，从而出现一条发亮的图形轨迹 由于随机扫描系统是 为画线应用设计 的，因此不能显示逼 真的有阴影场景。故主流是光栅扫描显示器 。

2、光栅扫描显示器

        光栅扫描图形显示器是 画点设备 。它不能直接从一个可编地 址的像素画一条直线到另一个可编地址的像素，只可能用尽 可能靠近这条直线路径的像素点来近似地表示这条直线 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。 被显示的线段、字符、图形及其背景色都按像素一一存储在 帧缓冲存储器 （ Frame Buffer ）中，简称 显存。

        它是屏幕所显示画面的一个直接映象，又称为位图(Bit Map) 或光栅。帧缓存的每一存储单元对应屏幕上的一个 像素 ，整 个帧缓存对应一帧图像。 由于光栅扫描系统具有存储每一个屏幕点亮 度信息的能力，所以，最合适显示浓淡和色 彩图形。

                              

三、帧缓冲器与屏幕像素

1、综述

         光栅扫描的 帧缓冲器 对屏幕每一点都有存储强度/颜色信息 的能力。在计算机屏幕上画一幅图形，需要算每个像素的 RGB值，在帧缓存写RGB等价于在屏幕上画颜色 。

         显示器分辨率表示的是在屏幕上扫描一行共有多少个点， 共有多少行扫描线， 帧缓冲器每一个存储单元的位长决定了一幅画面上能同时 显示的不同灰度的数目或颜色的种类。如下所示：

• 单色，每个像素1Bit
• 16色，每个像素4Bit（2^4=16）
• 256色，每个需要1个字节（8位，2^8=256）
• 65536（64K）色，每个像素2个字节（16位，216=64K )
• 16777216（16.7M）色，每个需要3个字节（24位，2^24= 16.7M ）表示（即24位真彩色）

2、几个常见概念

• 光点：指电子束打在显示器荧光屏上，显示器能够显示的最小的发光点，一般用直径表明其大小。
• 象素点：是指图形显示在屏幕上时候，按当前的图形显示分辨率所能提供的最小元素点。
• 图形显示中分辨率有三种，即屏幕分辨率、 显示分辨率和显卡分辨率。
  • 屏幕分辨率：屏幕上显示的像素个数，以(水平像素数*垂直像素数)表示。
  • 显示分辨率 ：计算机显示控制器所能够提供的显示模式分辨率，简称显示模式 。对于文本显示方式，显示分辨率用水平和垂直方向上所能显示的字符总数的乘积来表示 。
  • 显卡分辨率就是表示显卡输出给显示器，并能在显示器上描绘像素点的数量。
• 点距：是指相邻像素点之间的距离。两点之间的距离越小越好。

四、 图形图像的区别及存储格式

1、 图形（像）的构成属性

        

• 简要分为分为几何属性和非几何属性。
  • 几何属性：刻画对象的轮廓、形状，也称几何要素。包括点、线、面、体等。当以几何属性具有突出作用的图形，便是基于线条信息表示：如工程图、等高线地图、曲面的线框图等。
  • 非几何属性：视觉属性，刻画对象的颜色、材质等。比如明暗、色彩、纹理、透明性、线型、线宽。当非几何要素占比突出时，便是明暗图（Shading）：也就是通常所说的真实感图形。

2、位图与矢量图的定义与区别

         计算机能以位图(bitmap)或矢量图(vector)格式显示图像。

1、位图（点阵图）：  位图又叫点阵图或像素图，计算机屏幕上的图是由屏幕上 的像素构成的，每个点用二进制数据来描述其颜色与亮度 等信息。

2、矢量图 ：  面向对象的图形或绘图图形，是用数学方 式描述的曲线及曲线围成的色块制作的图形。 矢量文件中的图形元素称为对象。每个对象都是一个自成 一体的实体，它具有颜色、形状、轮廓、大小和屏幕位置 等属性。

区别：

• 存储方式
  • 点阵文件是存储图的各个像素点的位置信息、颜色信息以及灰度信息。
  • 矢量文件是用数学方程、数学形式对图形进行描述，通常是用图形的形状参数和属性参数来表示图形
  • 一般来说，位图（点阵）文件存储空间比矢量文件大

                  

• 缩放的区别
  • 位图（点阵图 )是与分辨率有关的，即在一定面积的图像上包含有固定数量的像素
  • 矢量图形与分辨率无关，可以将它缩放到任意大小和以任意分辨率在输出设备上打印出来，都不会影响清晰度
• 存储格式的区别

 

• 小结
  • 位图与矢量图相比更容易模仿真实感图形效果，但存储空间比矢量图大
  • 在图形缩放时，矢量图不失真，特别适用于文字设计、图案设计、版式设计、标志设计、计算机辅助设计（CAD）、工艺美术设计、插图等 。