图形系统的组成.pptx

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1、2023/2/101一、计算机图形系统结构简单计算机图形系统第1页/共73页2023/2/102高级的计算机图形系统第2页/共73页2023/2/103独立的显示处理器存储区域显示处理器（displayprocessor），又称图形控制器（graphicscontroller）或显示协处理器（displaycoprocessor）帧缓存第3页/共73页2023/2/104二、图形输入设备 Keyboard-For alphanumeric input.Mouse/Trackball-A two degrees of freedom device controlled by rolling a

2、ball.-Provides relative movement information.第4页/共73页2023/2/1052D图形输入设备 Joystick-Controlled by potentiometers.-Provides relative movement information.Digitizer/Tablet-Controlled by electro-magnetic or sonar sensing.-Provides absolute position information.Touch Screen-A CRT screen that can sense pres

3、sure on its surface.Light Pen-Synchronized with the CRT scan,it can locate a position on screen.第5页/共73页2023/2/106第6页/共73页2023/2/1073D图形输入设备Wired Glove/Data GloveProvidessixdegreesoffreedom(threerotation/translation)Head Mounted DisplayMeasurespositionandorientationliketheWiredGlove Space BallSixdeg

4、reesoffreedomsphere(threerotation/translation)Haptic DevicesSixdegreesoffreedomwithForceFeedback第7页/共73页2023/2/108第8页/共73页2023/2/109第9页/共73页2023/2/1010Image CaptureDigital CamerasCapturebyCCD(ChargedCoupleDevice)Highresolutions:3-5MegaPixelsVideo Camera CaptureanarrayofimagepixelsbyCCD.Lowresolution

5、.AnalogorDigital.ScannerDigitizesahardcopyimage.Highresolution.第10页/共73页2023/2/1011第11页/共73页2023/2/1012More Image Capture DevicesThermalimagingNonvisibleimagesIRismappedtovisiblerangeUltrasoundHighfrequencysoundwavesareconvertedtoformanimage.Nonrectangularacquisitiondevice.第12页/共73页2023/2/10133D扫描CT

6、/MRI3DImagingRadiationontissue第13页/共73页2023/2/1014三、图形显示设备三、图形显示设备l计算机图形系统一般使用视频显示器作为基本的输出设备。l典型的图形显示设备：lCRTlLCDl等离子体显示器第14页/共73页CRTCRT主要由3部分组成：电子枪、偏转系统和荧光屏，其构造见下图。2023/2/1015第15页/共73页2023/2/1016单色单色CRTCRT（CathodeRayTube）是一种真空器件，它利用电磁场产生高速的、经过聚焦的电子束，偏转到屏幕的不同位置轰击屏幕表面的荧光材料而产生可见图形。电子枪由于高电压而发射出电子束，通过偏转线

7、圈所产生的强磁场，使得电子束的路径偏转打击再有磷光材料的显示器屏幕上。通过控制电子束的电压，每一个磷光像素亮度都可以调节，黑白显示器就是这样成像的，没有任何颜色的黑白显示器，只需要一种磷光粉和一种电子枪。第16页/共73页2023/2/1017从外形上看，CRT为：管颈部分、锥体部分、屏幕部分从结构上看，CRT为：电子枪、偏转系统、荧光屏第17页/共73页2023/2/1018(1)电子枪电子枪的主要功能是产生一个沿管轴（Z轴）方向前进的细电子束轰击荧光屏电子束应满足下列要求：a.具有足够的电流强度。b.电流的大小和有无必须是可控的。c.具有很高的速度。d.在荧光屏上应能聚焦很小的光亮，以保证

8、显示器有足够的分辨率。第18页/共73页2023/2/1019电子枪的结构电子枪的结构 以上五个电极用玻璃绝缘柱支撑组装成一个坚实的整体，总称为电子枪。第19页/共73页2023/2/1020(2)偏转系统电子束偏转有电偏转和磁偏转两种方法磁偏转磁偏转系统是利用磁场使电子束产生偏转，扫描荧光屏产生字符或图形。偏转电流i与偏转角的正弦成正比。只在偏转角很小时才是直线性关系。第20页/共73页2023/2/1021第21页/共73页2023/2/1022电偏转第22页/共73页2023/2/1023(3)CRT的荧光屏CRT荧光屏（Phosphor Screen）是用荧光粉涂敷在玻璃底壁上制成的，

9、常用沉积法涂敷荧光粉。玻璃底壁要求无气泡，表面光学抛光。对荧光粉的性能要求是：发光颜色满足标准白色、发光效率高、余辉时间合适以及寿命长等。第23页/共73页视频显示器分类根据扫描方式分：光栅扫描显示器隔行扫描逐行扫描随机扫描显示器2023/2/1024第24页/共73页2023/2/1025随机扫描显示器随机扫描显示器随机扫描的图形显示器随机扫描的图形显示器向 量（vector）显 示 器、笔 划（Strokewriting）显示器 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。第25页/共

10、73页2023/2/1026随机扫描工作原理图：第26页/共73页2023/2/1027随机扫描显示器的基本工作过程图特点：无冗余扫描、速度快、图象清晰、比光栅系统更高的分辨率、生成光滑线条不能显示逼真场景、和电视标准不一致、驱动系统也较复杂第27页/共73页2023/2/1028光栅扫描的图形显示器光栅扫描的图形显示器在光栅扫描系统中，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。光栅扫描显示器光栅扫描显示器第28页/共73页2023/2/1029mxn第29页/共73页2023/2/1030工作原理：光栅扫描是控制电子束按

11、某种光栅形状进行的顺序扫描，而字符、图象是靠Z轴信号控制辉亮来形成的。第30页/共73页2023/2/1031走样第31页/共73页2023/2/1032穿透式彩色显示阴罩式彩色显示彩色彩色CRT监视器监视器第32页/共73页2023/2/1033(1)穿透式彩色显示原理结构第33页/共73页2023/2/1034缺点：当图形彩色转换速度很快时，相应的高压转换速度亦迅速，这要求转换速度精度功耗第34页/共73页2023/2/1035彩色阴极射线管（彩色彩色阴极射线管（彩色CRT）三基色原则荫罩式彩色显象管（shadow_mask）主要结构：三色荧光屏、三支电子枪、荫罩板第35页/共73页202

12、3/2/1036三色荧光屏荫罩板第36页/共73页2023/2/1037三支电子枪第37页/共73页2023/2/1038缺点为了避免混色，荧光点的面积比电子束截面要大些只有15%左右的电子到达屏幕管子的亮度低要提高管子的亮度，则需提高第二阳极的高压第38页/共73页2023/2/1039第39页/共73页2023/2/1040第40页/共73页2023/2/1041第41页/共73页2023/2/1042第42页/共73页2023/2/1043分辨率分辨率分辨率分辨率光点一般是指电子束打在显示器的荧光屏上，显示器能够显示的最小的发光点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

13、提供的最小元素点。第43页/共73页2023/2/1044三种分辨率：屏幕分辨率，也称为光栅分辨率，它决定了显示系统最大可能的分辨率，任何显示控制器所提供的分辨率也不能超过这个物理分辨率通常用水平方向上的光点数与垂直方向上的光点数的乘积来表示。第44页/共73页2023/2/1045显示分辨率是计算机显示控制器所能够提供的显示模式分辨率，实际应用中简称为显示模式。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表示。对于图形显示方式，则用水平和垂直方向上所能显示的象素点总数的乘积表示。显示分辨率不同，它所对应的象素点大小也不同。第45页/共73页2023/2/1046存储

14、分辨率指帧缓冲区的大小，一般用缓冲区的字节数表示。存储分辨率不仅与显示分辨率有关，还与象素点的色彩有关。帧缓存大小的计算：x方向的象素点数*y方向的象素点数*log2n/8 其中：n为颜色数或灰度等级数第46页/共73页2023/2/1047屏幕分辨率决定了所能显示的最高分辨率。显示分辨率和存储分辨率对所能显示的图形分辨率也有控制作用。第47页/共73页2023/2/1048一些常用的图形系统分辨率Examples:BitmappeddisplayBitmappeddisplay960 x1152x1b960 x1152x1b1/8MB1/8MB NTSCTVNTSCTV640 x480 x1

15、6b640 x480 x16b1/2MB1/2MB HDTVHDTV1280 x720 x16b1280 x720 x16b1.8MB1.8MB ColorworkstationColorworkstation1280 x1024x24b1280 x1024x24b4MB4MB Laser-printedpageLaser-printedpage 300dpi300dpi8.5x11x3008.5x11x3002 2x1bx1b1MB1MB 1200dpi1200dpi8.5x11x12008.5x11x12002 2x1bx1b17MB17MB FilmFilm4500 x3000 x30b

16、4500 x3000 x30b50MB50MB第48页/共73页彩色CRT颜色管理屏幕上一个象素点就对应帧缓存中的一组信息。存放方式直接存储策略组合象素法（PackedPixelMethod）颜色位面法（ColorPlaneMethod）彩色查找表2023/2/1049第49页/共73页2023/2/1050在组合象素法中，一个图形象素点的全部信息被编码成一个数据字节，按照一定方式存储到帧缓存中，编码字节的长度与点的属性（如颜色、灰度等）有关。第50页/共73页2023/2/1051在颜色位面法中，帧缓存被分成若干独立的存储区域，每一个区域称为一个位面（BitPlane），每个位面控制一种颜色

17、或者灰度，每一个图形象素点在每个位面中占一位，通过几个位面中的同一位组合成一个象素。第51页/共73页2023/2/1052第52页/共73页2023/2/1053颜色查找表颜色查找表颜色查找表也称调色板，是由高速的随机存储器组成，用来储存表达象素色彩的代码。此时帧缓冲存储器中每一象素对应单元的代码不再代表该象素的色彩值，而是作为查色表的地址索引。第53页/共73页2023/2/1054第54页/共73页2023/2/1055第55页/共73页2023/2/1056目前，高质量CRT的每个象素点对应24位，每支电子枪允许256级电压设置。每个象素具有24个存储位的RGB彩色系统通常称为全彩色系

18、统或真彩色系统。当每个象素点对应24位，每个象素有224=16777216种彩色选择，近1千7百万种彩色选择。显示卡中VRAM同显示系统的关系：用于显示器屏幕刷新的数据存储在显示卡的VRAM 中，因此相应于显示器屏幕的分辨率必须有足够的VRAM存储显示数据。第56页/共73页2023/2/1057 例如：如果屏幕的分辨率是640480，则如果是一个只能显示黑白图形的显示器，则需要VRAM的大小为：（640480）/8=38400 bytes3.8Kb 如果是一个每个象素显示256个灰度级的图形显示器，则每个象素需要8位存储单元，需要VRAM的大小为：640480=307200 bytes307

19、Kb 如果是一个彩色显示器，且每种基色均咳显示256个亮度级，则每个象素需要24位存储单元，需要VRAM的大小为：6404803=921600 bytes921Kb 如果屏幕的分辨率是10241024的彩色显示器，且每种基色均咳显示256个亮度级，需要VRAM的大小为：102410243=3145728 bytes3Mb第57页/共73页2023/2/1058目目前前，已已经经有有不不少少其其它它类类型型的的视视频频显显示示设设备备被被使使用用。平平板板显显示示器器（FlatFlatPanel Panel DisplayDisplay）代代表表一一类类能能比比CRTCRT减减小小体体积积、减减

20、轻轻重重量量并并节节省省功耗的视频设备。功耗的视频设备。1.1.液晶显示器液晶显示器 液液 晶晶 显显 示示 器器（LiquidLiquid Crystal Crystal DisplayDisplay，LCDLCD）生生成成图图形形的的机机理理是是通通过过能能阻阻塞塞或或传传递递光光的的液液晶晶材材料料，传传递递来来自自周周围围的的或或内内部部光光源源的的偏偏振振光光。液液晶晶显显示示器器由由六六层层组组成成，如下图所示。如下图所示。平板显示器平板显示器第58页/共73页2023/2/1059第59页/共73页2023/2/1060 彩色液晶显示可用不同材料或染料，并在每个像素上放置三个薄膜

21、晶体管。晶体管用来控制象素位置的电压，并阻止液晶单元慢性漏电。这些设备称为有源矩阵（ActiveMatrix）显示器。液晶显示器外观如右图第60页/共73页2023/2/10612.2.等离子显示器等离子显示器 等等离离子子体体显显示示（Plasma Plasma PanelPanel），其其结结构构为为用用通通常常包包括括氖氖气气的的混混合合气气体体充充入入两两块块玻玻璃璃板板之之间间的的区区域域。一一块块玻玻璃璃板板上上放放置置一一系系列列垂垂直直导导电电带带，而而另另一一玻玻璃璃板板上上构构造造一一组组水水平平带带,如下图所示。如下图所示。第61页/共73页2023/2/1062 在成对

22、的水平和垂直导电带上施以在成对的水平和垂直导电带上施以点火电压，导致两导电带交叉点处的气点火电压，导致两导电带交叉点处的气体进入辉光放电的等离子区。图形的定体进入辉光放电的等离子区。图形的定义被存储在刷新缓冲器，点火电压以每义被存储在刷新缓冲器，点火电压以每秒秒60次的速率，用于刷新象素位置（导次的速率，用于刷新象素位置（导电带的交叉处），使用交变电流方法快电带的交叉处），使用交变电流方法快速提供点火电压，可得到较亮的显示。速提供点火电压，可得到较亮的显示。等离子体显示技术适合于制造较大屏幕等离子体显示技术适合于制造较大屏幕的显示器。的显示器。第62页/共73页2023/2/1063等离子体显

23、示器图例等离子体显示器图例第63页/共73页2023/2/1064其它视频输出设备其它视频输出设备硬拷贝设备（硬拷贝设备（hard-copy devices)撞击式（impact）打印机非撞击式（Nonimpact）打印机第64页/共73页2023/2/1065形成彩色：撞击式打印机非撞击式打印设备绘图仪喷墨、笔式绘图仪笔式绘图仪又分为平板式绘图仪和滚筒式绘图仪。第65页/共73页2023/2/1066四、图形软件与图形标准图形软件通常分为两类:通用图形编程软件包提供一个可用于高级程序语言如C或Fortran的图形功能扩展集，如应用于Silicon Graphics设备上的GL系统。通用图形软

24、件包的基本功能包括生成图元(直线、多边形、圆和其他基本图形)，设置彩色和强度值，选择观察和实施变换。专用应用图形软件包是为非程序员设计的，因此用户可生成显示而毋须担心图形操作是如何进行的。在这些软件包中与图形子程序的接口容许用户以他们自己的术语同程序通信。绘图程序和工具软件或CAD等系统就是这种 第66页/共73页2023/2/1067随计算机系统,图形输入,图形输出设备的发展,计算机图形软件及其生成,控制图形的算法也有了很大的发展.近十年来,发展了多种计算机图形软件系统,主要有如下三种:1.用现有的某种计算机语言写成的子程序包.2.扩充某一种计算机语言,使其具有图形生成和处理功能.3.专用的

25、图形系统第67页/共73页2023/2/1068图形软件标准化问题随着通用的,与设备无关的 图形软件的发展,提出了一个图形软件功能标准化的问题从1974年开始讨论计算机图形软件标准化问题开始,陆续制定了 1.CGS(Core Graphics System)2.CGI 3.CGM 4.GKS 5.PHIGS第68页/共73页2023/2/1069软件标准 图形核心系统GKS(Graphical Kernel System)GKS(Graphical Kernel System)。GKSGKS是针对二维图形软件标准，随后经过扩充，出现三维图形的GKS-3DGKS-3D。PHIGS(Program

26、merPHIGS(Programmers Hierarchical s Hierarchical Interactive Graphics System)Interactive Graphics System)是出现的第二个图形标准.CGI(Computer Graphics InterfaceCGI(Computer Graphics Interface，计算机图形接口)标准规定对输出设备图形接口 CGM(Computer Graphics MetafileCGM(Computer Graphics Metafile计算机图形元文件)标准规定图形存档和传输 第69页/共73页2023/2/1

27、070图形算法的分类 计算机图形学所涉及的算法非常丰富,按照生成,表示物体的图形图像的准确性,真实性和实时性,算法大致可分为如下几类:1.基本图形设备的基本图形元素的生成算法,如光栅图形显示器的直线,圆,二次曲线,封闭边界内的填充,反走样等算法 2.基本图形元素的几何变换,投影变换,窗口裁剪等.3.自由曲线和曲面的插值,拟合,拼接,分解,过渡,光顺,整体修改,局部修改等 4.图形元素的求交与分类以及集合运算。5.隐藏线,面的消除以及具有光照颜色效果的真实图形显示。第70页/共73页2023/2/1071图形算法的分类 6.不同字体的点阵表示,矢量字符的生成和变换 7.模糊景物的生成 8.三维或

28、高维数据场的可视化 9.三维实体的实时显示和图形并行处理10.虚拟显示环境的生成及其控制算法第71页/共73页2023/2/1072图形功能 通用图形软件包为用户提高建立和管理图形的各种功能图形的基本构造称为输出图元(output output primitives)primitives)。他们包括字符串和几何成分，如点、直线、曲线、填充区域(多边形、圆等)以及彩色阵列定义的形状。生成输出图元的子程序为构造图形提供了基本工具.属性使输出图元的特性。属性描述一个特定图元是怎样显示的，包括强度和彩色设定，线型、文本类型，以及填充模式我们可以使用几何变换(如平移、比例、旋转、投影等)改变物体的位置、大小或方向 第72页/共73页2023/2/10四川大学计算机学院73感谢您的观看！第73页/共73页