计算机图形学：第2章 图形系统

使用计算机进行图形处理时，需要有一个由硬件和软件组成的计算机图形系统，也就是我们所说的支撑环境。本章主要讨论计算机图形系统完成图形显示任务的原理和方式，并且对图形系统所涉及的主要软件和硬件进行必要的介绍。最后对图形流水线进行介绍和分析。

2.1 图形系统概述

2.1.1 图形硬件

图形显示设备用于观察，修改图形，它是人机交互式处理图形的有力工具。

图形绘制设备是用于输出图形到介质的设备。可分为光栅点阵型（打印机）和随机矢量型（笔试绘图仪）。

2.1.2 图形软件

广义上的图形程序。可分为图形应用软件、图形支撑软件和图形应用数据结构3部分。

若以Pascal语言之父提出的公式“程序=算法+数据结构”来类比，则有

图形程序=图形算法+图形应用数据结构

2.2 图形硬件

2.2.1 图形显示设备

1. 阴极射线管
2. 液晶显示器

2.2.2 图形显示方式

1. 随机扫描显示
2. 光栅扫描显示

2.2.3 光栅扫描显示系统

在此系统中，电子束横向扫描屏幕，从左到右，从上到下，一次一行顺次进行。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，构成图像并显示在屏幕上。

1. 光栅扫描显示系统的组成
   
   3部分： 显示器、视频控制器和帧缓冲存储器。其中，显示器屏幕图形是依靠帧缓冲进行刷新的，而视频控制器是负责刷新的部件。
   
   目前常见的光栅显示器主要有彩色阴极射线管与液晶显示器两种。

2. 光栅扫描显示系统的结构

2.2.4 显卡和图形处理器

1. 显卡
   
   显卡(Video Card, Graphics Card)又称显示接口卡，也称显示适配器。它是主机与显卡之间的桥梁，控制计算机图形输出，负责将CPU送来的图像数据处理成显示器接受的格式，再送到显示器形成图像。
   
   显卡各部分组成及其与周边设备的关系如图所示：

2.3 图形软件

2.4 图形流水线

2.4.1 图形流水线三阶段

1. 应用程序阶段一般将数据以图元的形式提供给图形硬件，如用来描述三维几何模型的点、线或多边形。同时也提供用于表面纹理映射的图像或位图。
2. 几何处理阶段是以每个顶点为基础对几何图元进行处理，并从三维坐标变换到二维屏幕坐标的过程。该阶段在GPU上进行。目标是确定哪些几何图像可以在屏幕上显示，并把颜色值赋给这些对象的顶点。可以进一步划分为顶点变换、投影、裁剪、顶点着色等阶段。
3. 光栅阶段，屏幕对象首先被传送到像素处理器进行光栅化，并对每个像素进行着色，然后输出到显示器。目的就是给像素准确配色，正确绘制整幅图像。此过程称为光栅化或扫描转换。

2.4.2 图形流水线关键步骤