計算機圖形學是一門借助編程在計算機屏幕上繪制圖形的藝術(shù)。它涉及數(shù)據(jù)的計算、創(chuàng)建和處理。換句話說，我們可以說計算機制圖是一種生成和處理圖像的渲染工具。

一、什么是計算機圖形學?

計算機圖形學是一個廣泛而多樣的領(lǐng)域，介于計算機科學和設(shè)計之間。它關(guān)注的是創(chuàng)建計算機生成圖像的整個過程，從創(chuàng)建數(shù)字三維模型，到對這些模型進行紋理處理、渲染和照明，再到在屏幕上以數(shù)字方式顯示這些渲染效果。

這一過程從簡單的物體渲染技術(shù)開始，將三維物體的數(shù)學表示轉(zhuǎn)換成二維屏幕圖像，計算頂點的投影變換以及物體的遮擋和深度。

通過模擬材質(zhì)、紋理和光照，為這些圖像添加細節(jié)和真實感。最精確、最逼真的技術(shù)包括了解光線與物理世界中物體的交互方式，并盡可能在計算機上模擬這些交互。反射、透射或漫射光等現(xiàn)象可以使用各種不同的算法進行建模，有些算法的設(shè)計在物理上是精確的，有些算法則是高效的，這取決于不同的需求。虛擬現(xiàn)實圖像必須在幾毫秒內(nèi)生成，而詳細的建筑渲染可能需要數(shù)小時的計算時間。

隨著 GPU 硬件和渲染引擎軟件的發(fā)展，計算機圖形學的發(fā)展不斷推動計算機生成圖像的精度和速度。

二、陰極射線管(Cathode Ray Tube)

圖形系統(tǒng)中的主要輸出設(shè)備是視頻監(jiān)視器。視頻監(jiān)視器的主要元件是陰極射線管(CRT)，如下圖所示。

CRT的操作非常簡單：

1. 電子槍發(fā)射一束電子陰極射線。

2. 電子束通過聚焦和偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，將其引導至熒光涂層屏幕上的指定位置。

3. 當電子束擊中屏幕時，熒光涂層在電子束觸碰到的每個位置發(fā)出一小點光。

4. 通過迅速將電子束定向回同一屏幕點來重新繪制圖像。

三、柵格掃描(Raster Scan)

在柵格掃描系統(tǒng)中，電子束從屏幕的頂部向底部逐行掃描。隨著電子束在每行上的移動，電子束的強度被打開和關(guān)閉，以創(chuàng)建一系列點亮的點的圖案。

圖像定義存儲在一個稱為刷新緩沖區(qū)或幀緩沖區(qū)的內(nèi)存區(qū)域中。這個內(nèi)存區(qū)域保存了所有屏幕點的強度值集合。存儲的強度值然后從刷新緩沖區(qū)中檢索出來，一行一行地“繪制”在屏幕上，如下圖所示。

每個屏幕點稱為像素(picture element)或像素點(pel)。在每個掃描線的末尾，電子束返回到屏幕的左側(cè)，以開始顯示下一行掃描線。

四、隨機掃描(Random Scan)矢量掃描

在這種技術(shù)中，電子束只被定向到屏幕上繪制圖片的部分，而不像柵格掃描那樣從左到右、從上到下逐行掃描。這也被稱為矢量顯示、筆畫式顯示或書法顯示。

圖像定義以一組線繪制命令的形式存儲在內(nèi)存中的一個區(qū)域，稱為刷新顯示文件。要顯示指定的圖片，系統(tǒng)會按照顯示文件中的一組命令循環(huán)，逐個繪制每個組件線。在處理完所有線繪制命令之后，系統(tǒng)會循環(huán)回到命令列表中的第一個線繪制命令。

隨機掃描顯示設(shè)計成每秒繪制圖片的所有組件線30到60次。

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