计算机图形学-章节.ppt

第二讲 图形设备与系统2.1 图形显示设备2.2 图形系统及其标准2022/10/281l图形输入设备：二维：鼠标、图形输入板、跟踪球、光笔、触摸 屏、操纵杆、扫描仪 三维：空间球、数据手套 l图形输出(显示、打印）系统：阴极射线管显示器，液晶显示器，等离子显示器，绘图仪,打印机，2022/10/2822.1 图形显示器2.1.2 阴极射线管2.1.3 彩色阴极射线管射线穿透法影孔板法2.1.4 随机扫描显示系统2.1.5 光栅扫描系统2022/10/283l2.1.1 阴极射线管（CRT）（Cathode Ray Tube）l阴极射线管阴极射线管(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。荧光物质吸收，发光产生可见的图形。结构结构2022/10/284电子枪l电灯丝，阴极和控制栅组成。l阴极：由灯丝加热发出电子束，l控制栅：加上负电压后，能够控制通过其中小孔的带负电的电子束的强弱。通过调节负电压高低来控制电子数量，即控制荧光屏上相应点的亮度。2022/10/285聚焦系统l通过电场和磁场控制l电子束，“变细”，保证l亮点足够小，提高分辩率加速电极 加正的高压电（几万伏），使电子束高速运动。2022/10/286偏转系统l控制电子束，静电场或磁场，产生偏转，最大偏转角是衡量系统性能的最重要的指标，显示器长短与此有关。2022/10/287荧光屏 荧光物质：吸收电子束而发光荧光物质：吸收电子束而发光l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1/10所需的时间所需的时间l刷新刷新(Refresh)：为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值l刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数l像素像素(Pixel:Picture Cell)：构成屏幕（图像）的最小元素构成屏幕（图像）的最小元素l分辨率分辨率(Resolution)：CRT在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大 像素个数，单位通常为像素个数，单位通常为dpi（dots per inch)。在假定在假定 屏幕尺寸一定的情况下，也可用整个屏幕所能容纳的屏幕尺寸一定的情况下，也可用整个屏幕所能容纳的 像素个数描述，如像素个数描述，如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等等等某种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（例如）=1000/40=25Hz2022/10/288产生彩色的常用方法：射线穿透法、影孔板法射线穿透法l原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光物质，电子束轰击穿透荧光层的深浅，决定所产生的颜色l应用：应用：主要用于画线显示器主要用于画线显示器l优点：成本低优点：成本低l缺点：只等产生有限几种颜色缺点：只等产生有限几种颜色电子束电子束荧光涂层荧光涂层产生颜色产生颜色低速电子束低速电子束较低速电子束较低速电子束较高速电子束较高速电子束高速电子束高速电子束2.1.2 彩色阴极射线管2022/10/2892.1.2 彩色阴极射线管（续）影孔板法影孔板法l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置外层玻璃荧光涂层影孔板影孔板2022/10/2810影孔板的类型影孔板的类型l点状影孔板点状影孔板代表：大多数球面与柱面显像管代表：大多数球面与柱面显像管l栅格式影孔板栅格式影孔板代表：代表：Sony的的Trinitron与与Mitsubishi的的Diamondtron 显像管显像管l沟槽式影孔板沟槽式影孔板代表：代表：LG的的Flatron显像管显像管2022/10/28112.1.2 彩色阴极射线管（续）点状影孔板工作原理点状影孔板工作原理l红、绿、兰三基色红、绿、兰三基色l三色荧光点（很小并充分靠近三色荧光点（很小并充分靠近-像素）像素）l三支电子枪三支电子枪电子枪、影孔板中的一个小孔和荧光点荧光点呈一直线；每个小孔与一个像素（即三个荧光点荧光点）对应2022/10/2812l显示器能同时显示的颜色个数显示器能同时显示的颜色个数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，称为真彩系统l调节各电子枪发生的电子束中所含电子的数目，即可控制各色光点亮度。2022/10/2813*纯平显示器纯平显示器*走向平面的显像管走向平面的显像管l球面显象管：球面显象管：表面：球面的一部分表面：球面的一部分时间：时间：90年代初年代初l柱面显象管：柱面显象管：表面：柱面的一部分，垂直方向上平直，水平方向上有弯曲表面：柱面的一部分，垂直方向上平直，水平方向上有弯曲时间：时间：90年代中期年代中期代表：代表：Sony公司的公司的Trinitron，Mitsubishi公司的公司的Diamondtronl平面直角显象管平面直角显象管表面：球面的一部分，类似于平面表面：球面的一部分，类似于平面时间：时间：90年代中后期年代中后期现在市场上的主流显象管现在市场上的主流显象管l纯平显象管纯平显象管表面：纯平面表面：纯平面时间：时间：90年代后期年代后期代表：代表：Sony公司的公司的FD Trinitron，Mitsubishi公司的公司的Diamondtron，Samsung公司的公司的DanyFlat，LG公司的公司的Flatron今后的主流显象管今后的主流显象管2022/10/2814*未来显示器*l采用空气等离子体技术，l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。l显示屏薄，挂在墙上。l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。2022/10/28152.1.3 随机扫描的显示系统特点：电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分。逻辑部件：刷新存储器(Refreshing Buffer),显示处理器（DPU:Display Processing Uuit）和CRT2022/10/2816l工作原理 应用程序发出绘图命令，解析成显示处理器可接受命令格式，存放在刷新存储器中。刷新存储器中所有的绘图命令组成一个显示文件，由显示处理器负责解释执行(刷新)，驱动电子枪在屏幕上绘图。修改图形，实际是修改显示文件中的某些绘图命令。2022/10/28172.1.4 光栅扫描的显示系统l光栅扫描显示系统光栅扫描显示系统特点：光栅扫描特点：光栅扫描扫描线扫描线帧帧水平回扫期水平回扫期垂直回扫期垂直回扫期2022/10/2818绘图过程绘图过程2022/10/2819-显示器的分辨率l电子束按固定的扫描顺序进行扫描N条扫描线，每条扫描线有M个像素，M*N显示器的分辨率。2022/10/2820逻辑部件：逻辑部件：帧缓冲存储器帧缓冲存储器（Frame Buffer)，视频控制器视频控制器（Video Controller)，显示处理器显示处理器（Display Processor），），CRT帧缓冲存储器帧缓冲存储器l作用：存储屏幕上像素的颜色值作用：存储屏幕上像素的颜色值l简称帧缓冲器，俗称简称帧缓冲器，俗称显存显存l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。l显示颜色的种类与帧缓存中每个单元的位数有关（图示帧缓冲器的每个单元只有一位）。2022/10/2821彩显：l 若每个单元有24位（每种基色占8位）即显示系统可同时产生224种颜色（24位真彩色）。l分辨率分辨率M*N、颜色个数颜色个数K与显存大小与显存大小V的关系的关系3个 位 面 分 辩 率 是 10241024的 显 示 器，需 要310241024（3145728）位的存储器。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。1兆字节的帧缓存，若设分辩率为640480，则帧缓存每个单元可有24位，可能同时显示224种颜色，若设分辩率为1024768，则每个单元分得的位数仅略多于8，只能工作于256色显示模式下。2022/10/2822彩显：l显存问题显存问题高分辨率和真彩要求有大的显存；高分辨率和真彩要求有大的显存；曾经是个问题曾经是个问题！解决方法：采用解决方法：采用查色表查色表(Lookup Table）或称或称彩色表彩色表(Color Table)查色表工作原理查色表工作原理1024*768真彩模式需要真彩模式需要3M字节显存字节显存2022/10/2823查色表（look up Table）或称彩色表（color table）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，例如：每单元有8位，则查色表的长度为28256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：2022/10/2824存放方式l颜色信息在帧缓存中两种存放方式：一是颜色值直接存储在帧缓存中。二是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，颜色范围扩充了。l单色系统：查色表固化l彩显：可修改、创建查色表。2022/10/2825带宽带宽T与分辨率、帧频与分辨率、帧频F的关系的关系带宽问题带宽问题高分辨率和高的刷新频率要求有高带宽高分辨率和高的刷新频率要求有高带宽-依然是个问题！依然是个问题！解决方法：解决方法：隔行扫描隔行扫描（现在已经基本不用，主流（现在已经基本不用，主流 显示器都采用显示器都采用逐行扫描逐行扫描方式）方式）隔行扫描的：把一帧分两隔行扫描的：把一帧分两场场，即奇数场与偶数场，即奇数场与偶数场场频：场频：=2*帧频帧频彩显：2022/10/2826隔行扫描工作原理工作原理l一帧完整的画面分成两场。l一场160秒，（场频60HZ），（帧频30HZ）画面更新频率仍为60HZ，降低了闪烁效应，每一场160秒内，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。2022/10/2827l简单的光栅扫描图形显示系统的结构简单的光栅扫描图形显示系统的结构l较为典型的光栅扫描图形显示系统的结构较为典型的光栅扫描图形显示系统的结构其中，帧缓存为系统内存任一块区域，视频控制器能够直接存取该区域以刷新屏幕。其中，帧缓存可以是专用的存储器，也可以是系统内存中的一块固定区域。2022/10/2828视频控制器视频控制器l作用：作用：建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应，负责刷新刷新l逻辑结构逻辑结构l工作原理工作原理刷新周期开始，光栅扫描发生器置X地址寄存器为0，置Y地址寄存器为N-1，首先取出对应像素（0，N-1）的帧缓存单元的数值,放入像素值寄存器，用来控制像素的颜色，然后X的地址寄存器的地址加一，如此重复，直到该扫描线上的最后一个像素。双缓冲机制（双缓冲机制（Double Buffer)普通显卡=视频控制器+显存2022/10/2829显示处理器显示处理器l作用：代替作用：代替CPU完成部分图形处理功能，扫描转换、几何变换、完成部分图形处理功能，扫描转换、几何变换、裁剪、光栅操作、纹理映射等等裁剪、光栅操作、纹理映射等等l具有专用显示处理器的光栅显示系统的结构具有专用显示处理器的光栅显示系统的结构图形加速卡=视频控制器+显存+显示处理器2022/10/2830光栅显示系统的特点光栅显示系统的特点l优点：优点：成本低成本低易于绘制填充图形易于绘制填充图形色彩丰富色彩丰富刷新频率一定，与图形的复杂程度无关刷新频率一定，与图形的复杂程度无关易于修改图形易于修改图形l缺点：缺点：需要扫描转换需要扫描转换会产生混淆会产生混淆缺点正在被克服优点使其占据了市场主流2022/10/28312.2 图形系统及其标准l硬件，图形 I/O 设备，系统软件，图形软件。l图形软件：通用编程软件包，专用应用软件包。l通用类：提供一个可用于高级程序语言的图形功能扩展集(比如，OpenGL).l基本功能：图元生成，属性设置（颜色，.）选择观察及实施变换等。l专用类：不关心图形操作过程（比如，CAD系统。2022/10/2832图形系统标准l图形标准：图形系统及其相关应用系统中各界面之间进行数据传送和通信的接口标准，以及供图形应用程序调用的子程序功能及其格式标准，前者称为数据及文件格式标准，后者称为子程序界面标准。2022/10/2833图形系统标准分类l面向图形设备的接口标准：计算机图形元文件(CGM)，(CRT,Mouse,)计算机图形接口(CGI).设备驱动程序。l面向应用软件的标准：程序员层次交互式图形系统（PHIGS）,GL(图形程序包)（三维）图形核心系统（3D-)GKSl面向图形应用系统中工程和产品数据模型及其文件格式：基本图形转换规范（IGES）产品数据转换规范（STEP）2022/10/2834CGI（ISO DP 9636)l-提供控制图形硬件的一种与设备无关的方法。l-也可看作图形设备驱动程序的一种标准。l-在用户程序和虚拟设备之间，以一种独立于设备的方式提供图形信息的描述和通信。2022/10/2835CGM（ISO IS8632)-与设备无关的语义、词法定义的图形文件格式。-规定了生成、存储、传送图形信息的格式。-面向系统和系统开发者，和CGI配套提供。-通用性是其关键属性。2022/10/2836GKS-提供了在应用程序和图形输入输出设备之间的 功能接口。-与语言无关。-GKS提供了一个称为元文件的顺序文件接口-应用程序的所有图形资源由GKS控制（通过GKS元文件-GKSM）-GKSM用于:图形信息存档；系统传送图形信息；在GKS应用程序间传送图形信息；与图形信息相关的非图形信息的存 储和复用。2022/10/2837PHIGS（ISO IS9592）-向应用程序员提供的控制图形设备的图形系统接口；-图形数据按层次结构组织；-提供动态修改和绘制显示图形数据的手段。是一个高度动态化和交互式图形系统。2022/10/2838GLl图形程序库，lUNIX下运行，lOpenGL微机，l分类：基本图素；坐标变换；设置属性和显示方式；I/O 处理；真实图形显示。2022/10/2839IGES（基本图形转换规范）l-Initial Graphics Exchange Specificationl-作用：不同的CAD/CAM系统之间交换数据。l-文件格式是ASCII码，五节：开始节，目录入口(DE)，参数(DP)节，整体节和结束节。2022/10/2840STEP（产品模型数据转换标准）l-Standard for the Exchange of Product model Data.l-覆盖产品整个生命周期l-强调建立能存入数据库中的一个产品模型的完整表示。l-克服IGES中的问题和缺点。2022/10/2841温故而知新持续发光时间刷新像素 CRT的分辨率阴极射线管的组成部分及其功能射线穿透法及影孔板法产生彩色的工作原理随机扫描显示系统的逻辑部件及工作机理光栅扫描显示系统的逻辑部件及工作机理查色表及其工作原理显存大小、屏幕分辨率及可同时显示的颜色数目之间的关系图形系统及其标准2022/10/2842