图形系统及图形硬件.pptx

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1、会计学1图形系统及图形硬件图形系统及图形硬件2.1 计算机图形系统计算机图形系统pp计算机图形系统的功能pp计算机图形系统的结构2第1页/共92页3计算机图形系统的功能图图2.1 计算机图形系统的功能计算机图形系统的功能第2页/共92页4计算机图形系统的结构图图2.2 计算机图形系统的结构计算机图形系统的结构第3页/共92页2.2 图形输入设备图形输入设备n n键盘（keyboard）键盘能用来进行屏幕坐标的输入、菜单选择、图形功能选择，以及输入那些如辅助图形显示的图片标记等非图形数据。5第4页/共92页图形输入设备图形输入设备n n鼠标器（mouse）当推动鼠标器在平面上移动时，鼠标将记录移

2、动的方向和距离，这个方向和距离被传送给计算机，转换成对应的光标的位移。6第5页/共92页图形输入设备图形输入设备n n光笔(light pen)7图图2.3 光笔的结构光笔的结构第6页/共92页图形输入设备图形输入设备n n触摸屏(touch screen)当用手指或者小杆触摸屏幕时，触点位置便以光学的（红外线式触摸屏）、电子的（电阻式触摸屏和电容式触摸屏）或声音的（声音探测式）方式记录下来。8第7页/共92页图形输入设备图形输入设备n n操纵杆(joystick)操纵杆是由一根小的垂直杠杆组成的可摇动装置，该杠杆装配在一个其四周可移动的底座上用来控制屏幕光标。9第8页/共92页图形输入设备图

3、形输入设备n n跟踪球（Trackball）和空间球（Spaceball）10图图2.4 跟踪球跟踪球图图2.5 空间球空间球第9页/共92页图形输入设备图形输入设备n n数据手套(Data Glove)是一种戴在手上的传感器，可以用来抓住“虚拟对象”，它由一系列检测手和手指运动的传感器构成，用来提供关于手的位置和方向的信息。11第10页/共92页图形输入设备图形输入设备n n数字化仪(Digitizer)用于在二维或三维的图形对象上扫描，以输入一系列二维或三维的坐标值。这些坐标值代表的坐标点，在系统中将以直线段或曲线段连接，以逼近图形对象的描绘曲线或表面形状。12第11页/共92页图形输入设

4、备图形输入设备n n图像扫描仪(Scaner)图像扫描仪可直接把图纸、图表、照片、广告画等输入到计算机中，在将它们传过一个光学扫描机构时，灰度或彩色等级被记录下来，并按图像方式进行存储。13第12页/共92页图形输入设备图形输入设备n n声频输入系统n n视频输入系统14第13页/共92页2.3 图形显示设备图形显示设备n n阴极射线管n n彩色阴极射线管n nCRT图形显示器n n平板显示器n n三维观察设备15第14页/共92页阴极射线管（阴极射线管（CRT）n nCRT（Cathode Ray Tube）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

5、幕表面的荧光材料而产生可见图形。n nCRT从结构上分为：电子枪、偏转系统、荧光屏。16第15页/共92页阴极射线管（阴极射线管（CRT）17电子枪电子枪偏转系统偏转系统荧光屏荧光屏图图2.6 CRT的结构的结构第16页/共92页阴极射线管（阴极射线管（CRT）n n电子枪：产生一个沿管轴（Z轴）方向前进的高速的细电子束轰击荧光屏。n n具有足够的电流强度。具有足够的电流强度。n n电流的大小和有无必须是可控的。电流的大小和有无必须是可控的。n n具有很高的速度。具有很高的速度。n n在荧光屏上应能聚焦很小的光亮，在荧光屏上应能聚焦很小的光亮，以保证显示器有足够的分辨率。以保证显示器有足够的分

6、辨率。18第17页/共92页阴极射线管（阴极射线管（CRT）19图图2.7 CRT电子枪的结构电子枪的结构第18页/共92页阴极射线管（阴极射线管（CRT）n n偏转系统 为 了 在荧光屏上显示图形及字符，必须用电子束偏转扫描来实现。20图图2.8 磁偏转磁偏转第19页/共92页阴极射线管（阴极射线管（CRT）n n枕形失真n n当当偏偏转转线线圈圈的的匝匝数数一一定定时时，偏偏转转电电流流I I与与偏偏转转角角的的正正弦弦成成正正比比。只只有有在在偏偏转转角角很很小小时时，偏偏转转角角与与偏偏转转电电流流之之间间才才成成直直线线性性关关系。系。n n由由于于荧荧光光屏屏四四角角距距中中心心最

7、最远远，偏偏转转角角较较大大，同同样样的的偏偏转转电电流流增增量量所所造造成成的的偏偏转转距距离离增增量量最最大。大。21第20页/共92页阴极射线管（阴极射线管（CRT）22图图2.9 枕形失真与桶形失真枕形失真与桶形失真n n枕形失真的校正n n将将产产生生偏偏转转磁磁场场的的锯锯齿齿形形电电流流预预先先产产生一些失真；生一些失真；n n将将偏偏转转磁磁场场做做成成略略有有不不均均匀匀性性，接接近近管管轴轴中中央央处处略略强强，周围略弱。周围略弱。第21页/共92页阴极射线管（阴极射线管（CRT）23图图2.10 电偏转电偏转第22页/共92页阴极射线管（阴极射线管（CRT）n n荧光屏（

8、Phosphor Screen）n n荧荧光光屏屏是是用用荧荧光光粉粉涂涂敷敷在在玻玻璃璃底底壁壁上上制制成成的的，常常用用沉沉积积法法涂涂敷敷荧荧光光粉粉。玻玻璃璃底底壁壁要要求求无无气气泡，表面光学抛光。泡，表面光学抛光。n n荧荧光光粉粉的的性性能能要要求求是是：发发光光颜颜色色满满足足标标准准白白色色、发发光光效效率率高高、余辉时间合适以及寿命长等。余辉时间合适以及寿命长等。24第23页/共92页25n n三基色原则n n主要结构：三色荧光屏、三支电子枪、荫罩板彩色阴极射线管荫罩式图图2.11 三色荧光屏三色荧光屏第24页/共92页26彩色阴极射线管荫罩式图图2.12 三支电子枪三支电

9、子枪第25页/共92页27彩色阴极射线管荫罩式图图2.13 荫罩荫罩第26页/共92页28n n为了避免混色，荧光点的面积比电子束截面要大些。为了避免混色，荧光点的面积比电子束截面要大些。n n只有只有15%15%左右的电子到达屏幕。左右的电子到达屏幕。n n荫罩吸收大量电子，容易发热变形。荫罩吸收大量电子，容易发热变形。n n管管子子的的亮亮度度低低，要要提提高高管管子子的的亮亮度度，则则需需提提高高第第二二阳阳极极的的高压。高压。图图2.14 原理图原理图第27页/共92页29彩色阴极射线管荫罩式图图2.15 黑底荫罩管黑底荫罩管第28页/共92页30CRT图形显示器p随机扫描的图形显示器

10、p直视存储管图形显示器p光栅扫描的图形显示器第29页/共92页31n n向量（vector）显示器、笔划（Stroke writing）显示器。n n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。随机扫描的图形显示器第30页/共92页32随机扫描的图形显示器图图2.16 随机扫描图形显示器的工作原理随机扫描图形显示器的工作原理第31页/共92页33p无冗余扫描、速度快、图像清晰、比光栅系统更高的分辨率、生成光滑线条；p不能显示逼真场景、和电视标准不一致、驱动系统也较复杂。随机扫描的图形显示器

11、第32页/共92页34n n直 视 存 储 管 DVST（direct-view storage tube）从表面上看直视存储管的特性极象一个有长余辉的荧光屏，一条线一旦画在屏幕上，在一小时之内都将是可见的。直视存储管图形显示器第33页/共92页35直视存储管图形显示器图图2.17 直视存储管图形显示器的工作原理直视存储管图形显示器的工作原理工作原理工作原理第34页/共92页36n n无需刷新；n n很复杂的图形都可以在极高的分辨率下无闪烁地显示；n n成本较低；n n不能显示彩色；n n不能局部修改；n n擦除和重画过程可能持续较长时间。直视存储管图形显示器第35页/共92页37光栅扫描图形

12、显示器图图2.18 光栅扫描原理光栅扫描原理水平扫描（显示）水平扫描（显示）水平回扫（消隐）水平回扫（消隐）垂直回扫（消隐）垂直回扫（消隐）第36页/共92页工作原理：光栅扫描是控制电子束按某种光栅形状进行的顺序扫描，而字符、图像是靠Z轴信号控制辉亮来形成的。图图2.19 光栅扫描图形显示器的工作原理光栅扫描图形显示器的工作原理第37页/共92页39n n刷 新 缓 冲 存 储 器（refresh buffer）或 称 帧 缓 冲 存 储 器（frame buffer）。n n像素（pixel或pel，是picture element的简写）。n n像素信息从应用程序转换并放入帧缓冲区的过程称

13、之为扫描转换过程。光栅扫描图形显示器第38页/共92页40低电压、轻小型、数字化显示器件。平 板 显 示 器（flat-panel display）的分类：n n非 发 射 显 示 器（none-emissive display）n n发 射 显 示 器（emissive display）平板显示器（flat-panel display）第39页/共92页41n n液晶显示器n n等 离 子 体 显 示 板（Plasma Panel）n n薄片光电显示器（Thin-Film Electroluminescent Display）n n发光二极管（Liquid-Emitting Diode,LE

14、D）平板显示器（flat-panel display）第40页/共92页42n n液晶分子的排列在微弱的外部电场、磁场或者应力、温度变化等作用下非常容易改变。当液晶分子的某种排列状态在电场作用下变为另一种状态时，液晶的光学性质随之改变，这种产生光被电场调制的现象称为液晶的电光效应。液晶显示器原理第41页/共92页43图图2.20 液晶显示原理液晶显示原理液晶显示器原理o液晶显示的机理是通过能阻塞或传递光的液晶材料，传递来自周围的或内部光源的偏振光。第42页/共92页44n nNW（Normal White）型的LCD：在液晶面板不施加电压时，我们所看到的面板是透光的画面，也就是亮的画面。n n

15、NB（Normal Black）型的LCD：当对液晶面板不施加电压时，面板无法透光。液晶显示器类型第43页/共92页45液晶显示器彩色o液晶显示器利用在一侧的玻璃基板上加上一个彩色滤光片（CF，Color Filter）实现彩色。o彩色滤光片上均匀分布着红、绿、蓝色小点，每个小点有各自不同的灰度，相邻的一组RGB小点构成一个基本的彩色显示单元，即一个像素。第44页/共92页46液晶显示器彩色图图2.21 彩色滤光片排列方式彩色滤光片排列方式第45页/共92页47液晶显示器分类o扭曲向列型（TN，Twisted Nematic）o超扭曲向列型（STN，Super TN）o双层超扭曲向列型（DST

16、N，Dual Scan TN）o薄膜晶体管型（TFT，Thin Film Transistor）第46页/共92页48等离子体显示板图图2.22 等离子体显示板的基本结构等离子体显示板的基本结构第47页/共92页49薄片光电显示器图图2.23 薄片光电显示器的基本结构薄片光电显示器的基本结构第48页/共92页50发光二极管（LED）o发光二极管采用二极管激发发光来显示图像。二极管以矩阵排列形成显示器的像素位置。图形的定义存储在刷新缓冲器中。信息从刷新缓冲器读出，并转换为电压施于二极管，在显示器上产生发光图案。第49页/共92页51pp从变焦距的柔性震动镜面反射CRT图像三维观察设备图图2.24

17、 采用震动镜面的三维显示系采用震动镜面的三维显示系统统第50页/共92页52pp显示具立体感的视图n n利利用用不不同同的的刷刷新新周周期期交交替替地地显显示示两视图；两视图；n n将屏幕分半；将屏幕分半；n n使用头盔式结构。使用头盔式结构。三维观察设备第51页/共92页2.4 显示子系统显示子系统n n光栅扫描图形显示子系统的结构n n绘制流水线n n相关概念53第52页/共92页光栅扫描图形显示子系光栅扫描图形显示子系统的结构统的结构54图图2.25 简单的光栅图形显示子系统简单的光栅图形显示子系统第53页/共92页55图图2.26 常用的光栅图形显示子系统常用的光栅图形显示子系统光栅扫

18、描图形显示子系光栅扫描图形显示子系统的结构统的结构第54页/共92页56图图2.27 发展的光栅图形显示子系统发展的光栅图形显示子系统光栅扫描图形显示子系光栅扫描图形显示子系统的结构统的结构第55页/共92页n n帧缓冲存储器：用来存储像素颜色（灰度）值的存储器。n n双缓存：一个缓存用来刷新的同时，另一个写入数据信息，尔后这两个缓存可互换角色。这种方式称为双缓存，它可以使得显示的动画流畅而没有滑动感。57光栅扫描图形显示子系光栅扫描图形显示子系统的结构统的结构第56页/共92页n n显示控制器（Display Controller），又称视频控制器（Video Controller），主要功

19、能是依据设定的显示工作方式，自主地、反复不断地读取帧缓存中的图像点阵（包括图形、字符文本）数据，将它们转换成R、G、B三色信号并配以同步信号送至显示器，即可刷新屏幕。58光栅扫描图形显示子系光栅扫描图形显示子系统的结构统的结构第57页/共92页n n显示处理器（Display Processor），又称图形控制器（Graphics Controller）或显示协处理器（Display Coprocessor），它把CPU从图形显示处理的事务中解脱出来，其主要任务是扫描转换待显示的图形以及某些附加的操作等。59光栅扫描图形显示子系光栅扫描图形显示子系统的结构统的结构第58页/共92页60n n图

20、形子系统的图形绘制功能常常采用流水线（Pipeline）结构绘制，或者称为管线绘制。n n绘制流水线的基本结构从概念上包括三个阶段n n应用程序阶段应用程序阶段n n几何阶段几何阶段n n光栅阶段光栅阶段绘制流水线第59页/共92页61绘制流水线图图2.28 绘制流水线的结构绘制流水线的结构第60页/共92页62n n分辨率n n像素与帧缓存n n颜色查找表n n显示长宽比n n屏幕坐标系相关概念第61页/共92页63n n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。n n像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。相关概念分辨率第62

21、页/共92页64n n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。n n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。相关概念分辨率第63页/共92页65n n显显示示分分辨辨率率是是计计算算机机显显示示控控制制器器所所能能够够提提供供的的显显示示模模式分辨率，实际应用中简称为式分辨率，实际应用中简称为显示模式显示模式。n n对对于于文文本本显显示示方方式式，显显示示分分辨辨率率用用水水平平和和垂垂直直方方向向上上所能显示的字符总数的乘积表示。所能显示的字符总数的乘积表示。n n对对于于图图形形显显示示方方式

22、式，则则用用水水平平和和垂垂直直方方向向上上所所能能显显示示的象素点总数的乘积表示。的象素点总数的乘积表示。n n显示分辨率不同，它所对应的象素点大小也不同显示分辨率不同，它所对应的象素点大小也不同。相关概念分辨率第64页/共92页66n n图形的存储分辨率是指帧缓冲区的大小，一般用缓冲区的字节数表示。n n存储分辨率不仅与显示分辨率有关，还与像素点的色彩有关。n n帧缓存大小的计算：x x方向的像素点数方向的像素点数 y y方向的像素点数方向的像素点数 loglog2 2n/8n/8（BYTEBYTE）其中：其中：n n为颜色数或灰度等级数为颜色数或灰度等级数相关概念分辨率第65页/共92页

23、67p屏幕分辨率决定了所能显示的最高分辨率。屏幕分辨率决定了所能显示的最高分辨率。p显示分辨率和存储分辨率对所能显示的图形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有控制作用。有控制作用。p显示器中的分辨率显示器中的分辨率 带宽带宽=A*水平像素点数水平像素点数*垂直像素点数垂直像素点数*刷新频率刷新频率 A常取常取1.344相关概念分辨率第66页/共92页68屏幕上一个象素点就对应帧缓存中的一组信息。n n组合像素法（Packed Pixel Method）n n颜色位面法（Color Plane Method）相关概念像素与帧缓存第67页/共92页69n n在组合像素法中，一个图形

24、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。相关概念像素与帧缓存图图2.29 组合象素法组合象素法第68页/共92页70n n在在颜颜色色位位面面法法中中，帧帧缓缓存存被被分分成成若若干干独独立立的的存存储储区区域域，每每一一个个区区域域称称为为一一个个位位面面（Bit Bit PlanePlane），每每个个位位面面控控制制一一种种颜颜色色或或者者灰灰度度，每每一一个个图图形形象象素素点点在在每每个个位位面面中中占占一一位位，通通过过几几个个位位面面中中的的同同一一位位组组合合成成一个象素。一个象素。相关概念像素与帧缓存图

25、图2.30 颜色位面法颜色位面法第69页/共92页图图2.31 具有具有24位面彩色帧缓存的显示位面彩色帧缓存的显示器器第70页/共92页72n n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。相关概念颜色查找表第71页/共92页图图2.32 具有具有24位面彩色帧缓存和位面彩色帧缓存和10位颜色查找表的显示器位颜色查找表的显示器第72页/共92页74n n显示长宽比，即水平点数与垂直点数之比。要求在屏幕两个方向上相同像素点数产生同样长度的线段，以使图形不至发生畸变。相关概念

26、显示长宽比第73页/共92页75相关概念屏幕坐标系图图2.33 不同显示器的坐标不同显示器的坐标第74页/共92页2.5 图形硬拷贝设备图形硬拷贝设备n n打印机n n绘图仪76第75页/共92页打印机打印机n n打印机是画点设备。n n击式打印机主要指针式打印机，它隔着色带将某种点阵图案压在纸上。n n非撞击式打印机包括激光打印机、喷墨打印机、热转印打印机、染料热升华打印机和静电打印机等。77第76页/共92页绘图仪绘图仪n n笔式绘图仪（Pen Plotter）是画线设备。n n笔式绘图仪可分为平板式绘图仪（Flatbed Plotter）和滚筒式绘图仪（Drum Plotter）78第7

27、7页/共92页2.6 OpenGL图形软件包图形软件包n nOpenGL的主要功能n nOpenGL的绘制流程n nOpenGL的基本语法n nOpenGL的程序实例79第78页/共92页OpenGL图形软件包图形软件包ppOpenGL是SGI（Silicon Graphics Inc.）公司对IRIS GL进行改进，扩展可移植性，形成的一个跨平台开放式图形编程接口。pp目前，OpenGL标准由1992年成立的独立财团OpenGL Architecture Review Board（ARB）以投票方式产生，并制成规范文档公布。80第79页/共92页OpenGL的主要功能的主要功能n n模型绘制

28、n n模型观察n n颜色模式n n光照应用n n图像效果增强n n位图和图像处理81第80页/共92页OpenGL的主要功能的主要功能n n纹理映射n n实时动画n n交互技术82第81页/共92页OpenGL的绘制流程的绘制流程工作方式工作方式83图图2.34 OpenGL图形处理系图形处理系统在计算机系统中的层次结统在计算机系统中的层次结构构n n一个完整的窗口系统的OpenGL图形处理系统的结构为：最底层为图形硬件，第二层为操作系统，第三层为窗口系统，第四层为OpenGL，最上面的层为应用软件。第82页/共92页OpenGL的绘制流程的绘制流程流水线流水线84图图2.35 一条简化的一条

29、简化的OpenGL绘制流水线绘制流水线n nOpenGL命令将被放在一个命令缓冲区中，这样命令缓冲区中包含了大量的命令、顶点数据和纹理数据。当缓冲区被清空时，缓冲区中的命令和数据都将传递给流水线的下一个阶段。第83页/共92页OpenGL的基本语法的基本语法相关库相关库相关库相关库85n nOpenGL核心库：gln nOpenGL实用程序库：glun nOpenGL编程辅助库：auxn nOpenGL实用程序工具包（OpenGL utility toolkit，GLUT）：glutn nWindows专用库：wgl第84页/共92页OpenGL的基本语法的基本语法命名规则命名规则命名规则命名

30、规则86n nOpenGL函数都遵循一个命名约定，即采用以下格式：例如函数glColor3f()，gl表示这个函数来自库gl.h，color表示该函数用于颜色设定，3f表示这个函数采用了三个浮点数参数。第85页/共92页OpenGL的基本语法的基本语法数据类型数据类型87OpenGL数据类型数据类型内部表示法内部表示法定义为定义为C类型类型C字面值后缀字面值后缀GLbyte8位整数位整数signed charBGLshort16位整数位整数shortSGLint，GLsizei32位整数位整数longLGLfloat，GLclampf32位浮点数位浮点数floatFGLdouble，GLcla

31、mpd64位浮点数位浮点数doubleDGLubyte，GLboolean8位无符号整数位无符号整数unsigned charUbGLshort16位无符号整数位无符号整数unsigned shortUsGLuint，GLenum，GLbitfield32位无符号整数位无符号整数unsigned longUi表表2.1 OpenGL的数据结构的数据结构第86页/共92页OpenGL程序实例程序实例头文件包含头文件包含头文件包含头文件包含88n n利用OpenGL实现图形绘制，首先要引入OpenGL核心库以及其他需要使用的库的头文件。n nGLUT保证了gl.h和glu.h被正确包含。#incl

32、ude#include#include#include 第87页/共92页OpenGL程序实例程序实例窗口管理窗口管理窗口管理窗口管理89n n初始化（glutInit glutInit）n n创建窗口（glutCreateWindowglutCreateWindow）n n设定窗口的显示模式（glutInitDisplayModeglutInitDisplayMode）n n指定窗口的位置和大小（glutInitWindowPositionglutInitWindowPosition和和glutInitWindowSize glutInitWindowSize）n n指定窗口的显示内容函数（

33、glutDisplayFuncglutDisplayFunc）n n运行框架（glutMainLoopglutMainLoop）第88页/共92页OpenGL程序实例程序实例绘制图形绘制图形绘制图形绘制图形90n n指定窗口背景色（glClearColorglClearColor）n n颜色管理，使用RGB颜色模型。一种颜色用红、绿、蓝三种颜色成分混合而成，每种颜色成分使用0.0到1.0之间的任意有效浮点数来表示颜色值。第89页/共92页OpenGL程序实例程序实例绘制图形绘制图形绘制图形绘制图形91混合色混合色红色成分（红色成分（R）绿色成分（绿色成分（G）蓝色成分（蓝色成分（B）黑黑0.0

34、0.00.0红红1.00.00.0绿绿0.01.00.0黄黄1.01.00.0蓝蓝0.00.01.0紫紫1.00.01.0青青0.01.01.0深灰深灰0.250.250.25浅灰浅灰0.750.750.75棕棕0.600.400.12南瓜橙南瓜橙0.980.6250.12粉红粉红0.980.040.70紫红紫红0.600.400.70白白1.01.01.0表表2.2 OpenGL的一些常用混合色的一些常用混合色第90页/共92页OpenGL程序实例程序实例绘制图形绘制图形绘制图形绘制图形92n n刷新窗口的缓冲区（glClearglClear）n n设定投影参数 glMatrixMode(GL_PROJECTION);glMatrixMode(GL_PROJECTION);gluOrtho2D(0.0,200.0,0.0,150.0);gluOrtho2D(0.0,200.0,0.0,150.0);n n绘制图形 glRectf(50.0f,100.0f,150.0f,50.0f);glRectf(50.0f,100.0f,150.0f,50.0f);第91页/共92页