第2章圖形系統(tǒng)課件

1、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)第2章 圖形系統(tǒng)2022/7/251HPU第2章 圖形系統(tǒng)2.1 圖形顯示原理（掌握）顯示方式：隨機(jī)、存儲式、光柵典型光柵顯示器:CRT、LCD光柵顯示系統(tǒng)顏色查找表2.2 圖形系統(tǒng)的組成（理解）2.3 圖形系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)及軟件（了解）2022/7/252HPU 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)由硬件設(shè)備及相應(yīng)的軟件系統(tǒng)兩部分組成。圖形硬件交互式計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)圖形設(shè)備2022/7/253HPU圖形系統(tǒng)的基本功能及其硬件性能要求 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)至少應(yīng)具有以下五個方面基本功能:1.計(jì)算功能（1）形體設(shè)計(jì)和分析方法的程序庫，描述形體的圖形數(shù)據(jù)庫。（2）坐標(biāo)的平移、旋轉(zhuǎn)、投影、透視等幾何變換程序庫的數(shù)

2、據(jù)庫。（3）曲線、曲面生成和圖形相互關(guān)系的檢測庫。2.存儲功能 在計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲器和外存儲器中，應(yīng)能存放各種形體的幾何數(shù)據(jù)及形體之間相互關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)對有關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時檢索以及保存對圖形的刪除、增加、修改等信息。 2022/7/254HPU3.輸入功能 由圖形輸入設(shè)備將所設(shè)計(jì)的圖形形體的幾何參數(shù)（例如大小、位置等）和各種繪圖命令輸入到圖形系統(tǒng)中。4.輸出功能 圖形系統(tǒng)應(yīng)有文字、圖形、圖像信息輸出功能。在顯示屏幕上顯示設(shè)計(jì)過程當(dāng)前的狀態(tài)以及經(jīng)過圖形編輯后的結(jié)果。同時還能通過繪圖儀、打印機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)硬拷貝輸出，以便長期保存。5.對話功能 可通過顯示器或其他人機(jī)交互設(shè)備直接進(jìn)行人機(jī)通信，對計(jì)算結(jié)果和圖形，

3、利用定位、拾取等手段進(jìn)行修改，同時對設(shè)計(jì)者或操作員執(zhí)行的錯誤給予必要的提示和幫助。圖形系統(tǒng)的基本功能及其硬件性能要求2022/7/255HPU圖形硬件常用的圖形輸入設(shè)備分為兩種：失量型圖形輸入設(shè)備 它采取跟蹤軌跡、記錄坐標(biāo)點(diǎn)的方法輸入圖形。 常用的有數(shù)字化儀、鼠標(biāo)器、光筆等。光柵掃描型圖形輸入設(shè)備 它采取逐行掃描、按一定密度采樣的方式輸入圖形。 常用的有掃描儀和攝像機(jī)。 圖形輸入設(shè)備的功能可分為6類：確定點(diǎn)坐標(biāo)即定位 確定一系列點(diǎn)的坐標(biāo)即筆劃 確定數(shù)值 進(jìn)行選擇 進(jìn)行圖形識別 識別字符串 2022/7/256HPU圖形硬件光筆 一種檢測光信號的裝置 功能一般有兩種：拾取和跟蹤 使用時要有相應(yīng)的

4、軟件配合。 圖形掃描儀直接把圖形（工程圖紙）和圖像（如照片、廣告畫）掃描輸入到計(jì)算機(jī)中，以像素信息進(jìn)行存儲表示的設(shè)備。 2022/7/257HPU 圖形掃描基本過程(CCD電耦合器件掃描儀）掃描光源通過待掃描材料再經(jīng)一組鏡面反射到CCD由CCD轉(zhuǎn)換產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)，然后傳輸給計(jì)算機(jī)主機(jī)經(jīng)過適當(dāng)?shù)能浖幚恚詧D像數(shù)據(jù)文件的形式存儲或使用。 圖形硬件2022/7/258HPU分辨率：在原稿的單位長度（英寸）上取樣的點(diǎn)數(shù)，單位是dpi（dot per inch）一般在300dpi-1000dpi 掃描儀的性能指標(biāo)支持顏色、灰度等級：目前有4位、8位和22位面顏色、灰度等級的掃描儀。 掃描圖形分辨率越高，

5、所需的儲空間就越大。 掃描儀支持的顏色、灰度層次越多，圖像的數(shù)字化表示就越準(zhǔn)確，但同時意味著表示一個像素的位數(shù)增加了，因而也增加了存儲空間。2022/7/259HPU數(shù)字化儀和圖形輸入板數(shù)字化儀2022/7/2510HPU 數(shù)字化儀時常用來摘取放在它上面的工程圖上的大量點(diǎn)，經(jīng)數(shù)字化后存儲起來，以此作為圖形輸入一種手段。 工作原理：數(shù)字化儀平板實(shí)際上就是一個XY直角坐標(biāo)系，它上面的任何一點(diǎn)都對應(yīng)于一個坐標(biāo)值（x，y），當(dāng)游標(biāo)器移動到平板上某一位置時，按一下游標(biāo)器上的開關(guān)，便可獲得這一位置的坐標(biāo)值，并自動地把這個坐標(biāo)值（x，y）送到計(jì)算機(jī)內(nèi)。只要將畫有此曲線的圖紙貼在數(shù)字化儀的平板上，并移動游標(biāo)器

6、到各個點(diǎn)A i（i1，2，6）每次按下游標(biāo)器上的開關(guān)，便把這些點(diǎn)的坐標(biāo)（x i，y i）自動地送到計(jì)算機(jī)內(nèi) 數(shù)字化儀的工作原理2022/7/2511HPU圖形輸入板工作原理 圖形輸入板則更多用于交互設(shè)計(jì)，使用時大多劃出一個臺板圖形區(qū)，其余部分放置菜單，稱為菜單區(qū)。圖形區(qū)菜單區(qū)臺板圖形區(qū)與顯示屏之間存在著一種映射關(guān)系2022/7/2512HPU圖形輸入板的使用方式 圖形輸入板的使用方式有三種：（1）圖形變成數(shù)字化信息。（2）拾取臺板菜單區(qū)中的菜單項(xiàng)，即取出拾取點(diǎn)的坐標(biāo)，算出該菜單項(xiàng)的代碼并轉(zhuǎn)入相應(yīng)程序運(yùn)行。（3）選擇輸出坐標(biāo)數(shù)據(jù)的方式，共有四種方式。第一種為點(diǎn)方式，即先拾取一個點(diǎn)，接著輸出該點(diǎn)的

7、坐標(biāo)；第二種稱連續(xù)方式，即隨著定位工具的移動，連續(xù)輸出點(diǎn)的坐標(biāo)；第三種稱開關(guān)連續(xù)方式，即當(dāng)定位工具移動且同時按下開關(guān)時才能連續(xù)輸出點(diǎn)的坐標(biāo)；第四種稱增量方式，這時拾取點(diǎn)的坐標(biāo)以相對于上次拾取點(diǎn)的增量坐標(biāo)形式輸出。以上四種方式可通過選擇圖形輸入板上的有關(guān)按鈕來決定。2022/7/2513HPU操縱桿、跟蹤球操縱桿跟蹤球2022/7/2514HPU常用的圖形輸出設(shè)備分為兩類：失量型 失量型設(shè)備的作畫機(jī)構(gòu)隨著圖形的輸出形狀而移動 并成像。如筆式繪圖儀 。光柵掃描型 光柵掃描型設(shè)備的作畫機(jī)構(gòu)按光柵矩陣方式掃描整 張圖面，并按輸出內(nèi)容對圖形成像。如噴墨式繪圖儀。圖形硬件2022/7/2515HPU繪圖儀

8、一、筆式繪圖儀矢量型設(shè)備，繪圖筆相對紙作隨機(jī)移動。 在筆式繪圖機(jī)上，一個電脈沖通過驅(qū)動電機(jī)與傳動機(jī)構(gòu)使畫筆移動的距離稱為步距（或稱脈沖當(dāng)量） 步距減小，畫出的圖就越精細(xì)。 2022/7/2516HPU(1).平臺式繪圖機(jī) 圖紙靜止不動導(dǎo)軌做X方向運(yùn)動筆架做Y方向運(yùn)動機(jī)械傳動2022/7/2517HPU(2).滾筒式繪圖機(jī) 繪圖紙卷在滾筒上，筆和紙都是運(yùn)動的。(3).平面電機(jī)式繪圖機(jī) 采用平面電機(jī)驅(qū)動，可以取消導(dǎo)軌、橫梁及傳動機(jī)構(gòu) 。（4）.小型繪圖機(jī) 結(jié)構(gòu)簡單原理大致與平臺式繪圖機(jī)相同圖形硬件2022/7/2518HPU筆式繪圖機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo) 繪圖速度步距 繪圖精度 功能靜態(tài)精度 重復(fù)精度零

9、位精度 總精度 包括繪圖幅面大?。ˋ0，A1，A3等），畫筆數(shù)量，以及其他輔助功能（如插補(bǔ)功能、由線擬合功能等） 畫筆移動的速度，一般為每分鐘 1248m。 實(shí)際繪制圖線與理論圖線之間相似程度。誤差越小，精度越高 畫筆單方向移動時，實(shí)際移動距離與按脈沖計(jì)算的位移差 畫筆從出發(fā)點(diǎn)移動一定距離后，再回到出發(fā)點(diǎn)，出發(fā)點(diǎn)與實(shí)際終點(diǎn)之間偏差。畫筆從零位移動到繪圖臺面所允許的最大距離，再返回零位時，零位與實(shí)際終點(diǎn)問的偏差。 繪圖時積累誤差允許值。 2022/7/2519HPU二、噴墨式繪圖儀（光柵型設(shè)備）噴墨裝置多數(shù)情況是安裝在類似打印機(jī)的機(jī)頭上，紙則繞在滾筒上并使之快速旋轉(zhuǎn)，噴墨頭則在滾筒上緩慢運(yùn)動，并

10、且把青色、品紅、黃色，有時是黑色墨噴到紙上。 三、靜電繪圖儀（光柵型設(shè)備）繪圖分兩步：（1）用靜電構(gòu)造一個不可見潛影（2）噴上調(diào)色劑著色處理進(jìn)行顯影繪圖儀2022/7/2520HPU繪圖機(jī) 2022/7/2521HPU幾種圖形輸出設(shè)備介紹 1. 陰極射線管CRT 陰極射線管通常利用電磁場產(chǎn)生高速的、經(jīng)過聚焦的電 子束，使其偏轉(zhuǎn)到屏幕的不同位置以轟擊屏幕表面的熒 光材料而產(chǎn)生可見圖形 。打印機(jī)針點(diǎn)式打印機(jī)激光打印機(jī) 針打點(diǎn)陣式靜電點(diǎn)陣式噴墨點(diǎn)陣式細(xì)針與色帶作為打印裝置 利用靜電作用 利用噴射墨計(jì)作為打印裝置 圖形硬件2022/7/2522HPU1、陰極射線管CRT其主要組成部分如下： 陰極 當(dāng)它

11、被加熱時，發(fā)射電子。 控制柵 控制電子束偏轉(zhuǎn)的方向和運(yùn)動速度。 加速結(jié)構(gòu) 用以產(chǎn)生高速的電子束。 聚焦系統(tǒng) 保證電子束在轟擊屏幕時，匯聚成很細(xì)的點(diǎn)。 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) 控制電子束在屏幕上的運(yùn)動軌跡。 熒光屏 當(dāng)它被電子轟擊時，發(fā)出亮光。 所有這些部件都封閉在一個真空的圓錐形玻璃殼內(nèi) 圖形硬件顯示原理2022/7/2523HPU電子槍燈絲加熱陰極，陰極表面向外發(fā)射自由電子，控制柵控制自由電子是否向熒光屏發(fā)出 電子流在到達(dá)屏幕的途中，被加速、聚焦成很窄的電子束由偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生電子束的偏轉(zhuǎn)電場（或磁場），使電子束左右、上下偏轉(zhuǎn) 在指定時刻在屏幕指定位置上產(chǎn)生亮點(diǎn) 其結(jié)構(gòu)如圖所示:圖形硬件顯示原理2022/7/

12、2524HPU余輝時間：電子束離開光點(diǎn)后光點(diǎn)保持的時間。屏幕刷新：熒光亮度隨著時間按指數(shù)衰減，整個畫面 必須在每一秒鐘內(nèi)重復(fù)顯示許多次，人們 才能看到一個穩(wěn)定而不閃爍的圖形，因此 必須重復(fù)地使熒光質(zhì)發(fā)光，即使電子束迅 速回到同一點(diǎn)余輝時間越短，所需屏幕輸刷新率越高熒光粉的質(zhì)量直接影響到CRT成像效果。圖形硬件顯示原理2022/7/2525HPU2.CRT彩色顯示原理 (1).穿透式彩色CRT 采用了多層不同的熒光粉。在綠色熒光粉層上再沉積一層紅色熒光粉。提高加速電壓后，電子束速度增加，穿透綠色熒光層，顯示綠色電子束速度較低時，轟擊熒光屏的能量只能使表層紅色熒光粉受激勵，產(chǎn)生紅色亮點(diǎn)通過改變電子

13、束電壓，就可調(diào)節(jié)電子束穿透熒光粉層的厚度，從而改變紅綠兩種發(fā)光亮度的比例，合成不同的顏色，因此，可顯示紅、橙、黃、綠四種顏色。2022/7/2526HPU(2).蔭罩式彩色CRT 顯示的色彩要比穿透式彩色CRT寬廣得多 在熒光屏內(nèi)壁上分別由紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）三種顏色的熒光粉涂成百萬個熒光粉點(diǎn)，按RGB順序分行交替排列成三角形狀且相距很近 它們發(fā)出三種色彩時分辨不清三種原色，而形成一種顏色 蔭罩的金屬板，板上按三角形狀鉆有4050萬小圓孔 蔭罩式CRT管內(nèi)按三角形排列安裝三個電子槍，發(fā)射三條電子束，它們由一個共同偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制 三條電子束聚焦于蔭罩板上的小孔中且相距很近 蔭罩的作用是使三

14、條電子束分離開來，分別轟擊到三種顏色的熒光點(diǎn)上 調(diào)節(jié)各個電子槍的電流強(qiáng)度，就可改變相應(yīng)顏色熒光點(diǎn)的亮度，即合成色中所占比例，達(dá)到改變成色的色彩 2022/7/2527HPU顯示器能顯示顏色個數(shù):調(diào)節(jié)各電子槍發(fā)生的電子束中所含電子的數(shù)目，即可控制各色光點(diǎn)亮度。如果每支電子槍發(fā)出的電子束的強(qiáng)度有256個等級，則顯示器能同時顯示256*256*256=16M種顏色，稱為真彩系統(tǒng)(2).蔭罩式彩色CRT 2022/7/2528HPU影孔板的類型點(diǎn)狀影孔板代表：大多數(shù)球面與柱面顯像管柵格式影孔板代表：Sony的Trinitron與Mitsubishi的Diamondtron顯像管溝槽式影孔板代表：LG的

15、Flatron顯像管彩色CRT2022/7/2529HPU 由于蔭罩式顯示器的熒光屏是球面的，幾何失真大，而且三角形的熒光點(diǎn)排列造成即使點(diǎn)很密很細(xì)也不會特別清晰，所以近幾年蔭柵式顯示器逐漸流行起來。二者的區(qū)別在于光線的選擇方式和熒光點(diǎn)的排列不同。2022/7/2530HPU蔭柵式彩色CRT顯色原理蔭柵式2022/7/2531HPU柱面和球面顯示器點(diǎn)距定義示意圖點(diǎn)距示意2022/7/2532HPU液晶是一種介于液體和固體之間的特殊物質(zhì)。當(dāng)液晶受到電壓的影響時，就會改變它的物理性質(zhì)而發(fā)生形變，此時通過它的光的折射角度就會發(fā)生變化，而產(chǎn)生色彩。液晶顯示器的工作原理是利用液晶的物理特性，在通電時導(dǎo)通，

16、使液晶排列變得有秩序，使光線容易通過；不通電時，排列則變得混亂，阻止光線通過。 液晶顯示器LCD 2022/7/2533HPU液晶顯示器LCD(Liquid Crystal Display)是由六層薄板組成的平板式顯示器液晶屏幕后面有一個背光，這個光源先穿過第一層偏光板，再來到液晶體上，而當(dāng)光線透過液晶體時，就會產(chǎn)生光線的色澤改變，從液晶體射出來的光線，還得必須經(jīng)過一塊彩色濾光片以及第二塊偏光板反射層水平極板水平網(wǎng)格線液晶層垂直網(wǎng)格線垂直極板觀察方向LCD顯示器基本原理2022/7/2534HPU液晶顯示器LCD LCD顯示器的優(yōu)點(diǎn)：外觀小巧精致，厚度只有6.58cm左右。不會產(chǎn)生CRT那樣的

17、因?yàn)樗⑿骂l率低而出現(xiàn)的閃爍現(xiàn)象。工作電壓低，功耗小，節(jié)約能源。沒有電磁輻射，對人體健康沒有任何影響。LCD缺點(diǎn)：壽命短、怕震動、溫度敏感分辨率相對較低，色彩不夠鮮艷2022/7/2535HPU等離子顯示器等離子顯示器 等離子顯示器是用許多小氖氣燈泡構(gòu)成的平板陣列，每個燈泡處于“開”或“關(guān)”狀態(tài)。等離子顯示器的結(jié)構(gòu) 2022/7/2536HPU幾種顯示技術(shù)的比較如表所示:性質(zhì)陰極射線管等離子顯示器液晶顯示器性質(zhì)陰極射線管等離子顯示器液晶顯示器功耗大中小對比度中好差屏幕大中小灰度等級好差差厚度大小小視角大中一般平面度一般中好色彩豐富中中亮度好好適中價格低中低分辨率中好一般2022/7/2537HP

18、U未來顯示器采用空氣等離子體技術(shù)，無須刷新緩沖存儲器空氣等離子體可想象成一個個微型霓虹燈，紅綠藍(lán)三種不同顏色的像素。顯示屏薄，掛在墻上。發(fā)光聚合物技術(shù)，堅(jiān)不可摧；柔韌性好，可以卷起來；顯示畫面具有無與倫比的清晰度，無鋸齒現(xiàn)象。真正的平面直角。2022/7/2538HPU圖形顯示方式 根據(jù)其電子束轟擊屏幕的方式和組成結(jié)構(gòu)可分為三種：隨機(jī)掃描式顯示、存儲管式顯示和光柵掃描式顯示。 技術(shù)指標(biāo)：分辨率的高低：現(xiàn)在一般在10241024以上 顯示圖形的顏色的種數(shù) ：現(xiàn)在一般為真彩色32位 2022/7/2539HPU隨機(jī)掃描式顯示、存儲管式顯示： 畫線設(shè)備，在屏幕上顯示一條直線是從屏幕上一個可編地址點(diǎn)直

19、接畫到另一個可編地址點(diǎn)。 光柵掃描式顯示： 畫點(diǎn)設(shè)備，可以看作是一個點(diǎn)陣單元發(fā)生器，并可控制每個點(diǎn)陣單元亮度，可以生成多種灰度和顏色，色彩連續(xù)變化具有真實(shí)感的圖形。 圖形顯示方式 2022/7/2540HPU1.隨機(jī)掃描式顯示器 要顯示的圖形由計(jì)算機(jī)處理成為顯示器的顯示指令（或稱顯示文件） 圖形控制器取出緩沖存儲器或固定存儲器中的顯示指令，依次執(zhí)行 由管頭控制電路使電子束以按所要的亮度偏轉(zhuǎn)到指定位置，從而得到圖形 利用電子束在熒光屏上掃描的軌跡畫圖 顯示指令中的亮度、位移量等數(shù)字信息經(jīng)過線產(chǎn)生器的處理轉(zhuǎn)換為控制電子束產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)和明暗的物理量，也就是電流和電壓 固定存儲器中則存放各種常用字符、數(shù)字

20、等的顯示指令 顯示指令經(jīng)接口電路送到顯示器的緩沖存儲器 2022/7/2541HPU為了獲得穩(wěn)定的畫面，必須不斷地重復(fù)掃描顯示文件（即刷新），速度通常為每秒重復(fù)掃描2550次，即每秒2550幀左右 優(yōu)點(diǎn)：圖形修改方便，交互性好圖形可以無級放大不會出現(xiàn)鋸齒狀缺點(diǎn)：不能產(chǎn)生多級灰度的真實(shí)感顯示圖形的復(fù)雜程度受顯示器掃描速度的限制1.隨機(jī)掃描式顯示方式 畫線設(shè)備2022/7/2542HPU2.存儲管式顯示方式利用顯示管本身來存儲信息技術(shù)（隨機(jī)掃描器使用了一個獨(dú)立的存儲器來存儲圖形信息） 優(yōu)點(diǎn)：圖形保持時間長，比較穩(wěn)定。電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低。缺點(diǎn)：顯示畫面速度慢，不適宜動態(tài)修改，一次擦除整屏圖形，交互

21、性差。不能進(jìn)行區(qū)域填充，圖形復(fù)雜度受到限制。 畫線設(shè)備2022/7/2543HPU3.光柵掃描顯示優(yōu)點(diǎn)：不僅可以顯示物體輪廓還可進(jìn)行區(qū)域填充可生成真實(shí)感圖像缺點(diǎn)：從應(yīng)用程序?qū)D形的描述轉(zhuǎn)換成幀緩存像素信息的過程比較費(fèi)時，相應(yīng)軟件比較復(fù)雜在顯示斜線時會出現(xiàn)走樣 2022/7/2544HPU黑白光柵掃描顯示器黑白光柵顯示器的邏輯框圖如上：其中幀緩存是一塊連續(xù)的計(jì)算機(jī)存儲器。對于黑白單灰度顯示器每一象素需要一位存儲器，對一個10241024象素組成的黑白單灰度顯示器所需要的最小緩存為220，并在一個位面上。2022/7/2545HPU彩色光柵掃描顯示器在光柵圖形顯示器中需要足夠的位面和幀緩存結(jié)合起來

22、才能反映圖形的顏色和灰度等級。如下圖是一個具有N位面灰度等級的幀緩存。顯示器上每個象素的亮度是由N位面中對應(yīng)的每個象素位置的內(nèi)容控制的。該存儲器的中的二進(jìn)制的數(shù)被翻譯成灰度等級，范圍是0到2N-1之間，即可以有2N種灰度等級。2022/7/2546HPU彩色光柵掃描顯示器下圖是彩色光柵顯示器的邏輯圖，對于紅、綠、藍(lán)三原色有三個位面的幀緩存和三個電子槍。2022/7/2547HPU彩色光柵掃描顯示器每個顏色的電子槍可以通過增加幀緩存位面來提高顏色種類的灰度等級。如上圖，每種原色電子槍有8個位面的幀緩存和8位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，每種原色可有28=256種灰度，三種原色的組合將是(28)3=224種。每個

23、單元有24位（每種基色占8位）即顯示系統(tǒng)可同時產(chǎn)生224種顏色（24位真彩色）。2022/7/2548HPU把計(jì)算機(jī)送來的畫圖形（如畫線、畫多邊形、畫填充區(qū)域或?qū)懽址龋┗井媹D命令掃描轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的點(diǎn)陣，即位圖（bitmap) 點(diǎn)陣的每一點(diǎn)與屏幕像素一一對應(yīng)，點(diǎn)陣中每個元素就是像素值，通常用112位二進(jìn)制數(shù)值來表示灰度或色彩。位映射（bit mapping）技術(shù)：由若干位數(shù)據(jù)來對應(yīng)屏幕上一點(diǎn)的光柵圖形顯示技術(shù)將屏幕上顯示圖形的映像（Image），即位圖放入顯示存儲器中。 所以顯示存儲器又叫位存儲器，通常稱之為幀緩沖器（Frame Buffer） 為了使CRT屏幕上的圖形能持續(xù)地進(jìn)行顯示，顯示

24、存儲器的內(nèi)容需要不斷地讀出并送到監(jiān)視器，使得畫面能以一定的頻率刷新 顯示存儲器的分頁處理:顯示存儲器中同時存放多幅畫面，這時存儲區(qū)劃分成若干頁，每一頁存放一幅位圖。物理屏幕當(dāng)前正在顯示的頁稱為可見頁（Visual Page）。主機(jī)每次只能向一個頁進(jìn)行讀寫操作，這個頁就稱作活動頁（Active Page）。存儲器的頁面可以比屏幕位圖大得多，這樣屏幕只能顯示畫面的一部分，通過上下左右移屏功能，用戶可以看到顯示存儲器中的整個畫面。 （1）光柵掃描式顯示器組成 2022/7/2549HPU（1）光柵掃描式顯示器組成 用來定義像素的顏色。又稱為調(diào)色板。 彩色表的目的是為了不使顯示存儲器容量增大，而能顯示

25、更多的顏色，例如：顯示器要控制三種原色，即R(紅）、G(綠)、B(藍(lán)），為了使三種原色按不同的比例合成各種顏色，每種顏色要有不同的灰度，如果每個像素各個原色要16種灰度，于是每個原色要占4位，則每個像素要12位，于是顯示存儲器容量就要很大，彩色表可解決此問題。2022/7/2550HPU工作于高分辨率和真彩色模式下的光柵系統(tǒng)顯示的圖形精度高、質(zhì)量好，但也帶來兩個問題： 1.需要大容量的幀緩存，例如當(dāng)屏幕分辨率為10241024，每個象素24位（以真彩色顯示）時，幀緩存的容量需要：1024102424/8=3M字節(jié)； 2.要求視頻控制器對幀緩存有較快的存取速度，通信線路有較大的傳輸帶寬。 解決方

26、法：采用查色表(Lookup Table）或稱彩色表(Color Table)2022/7/2551HPU查色表（look up Table）顏色信息在幀緩存中兩種存放方式：一是顏色值直接存儲在幀緩存中。二是把顏色碼放在一個獨(dú)立的表中，幀緩存存放的是顏色表中各項(xiàng)的索引值，顏色范圍擴(kuò)充了。圖形系統(tǒng)為更靈活控制圖形和顏色的變化，往往不直接將幀緩沖器中的數(shù)值作圖顯示的亮度值，而是先經(jīng)過顏色查找表（又稱調(diào)色板)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變換值來控制光點(diǎn)的亮度。2022/7/2552HPU查色表（look up Table）是一維線性表，其每一項(xiàng)的內(nèi)容對應(yīng)一種顏色，它的長度由幀緩存單元的位數(shù)決定，例如：每單元有8位，則查

27、色表的長度為28256目的：在幀緩存單元的位數(shù)不增加的情況下，具有大范圍內(nèi)挑選顏色的能力：2022/7/2553HPU采用彩色表時，顯示存儲器的像素值不再是直接送到監(jiān)視器中的顏色值，而僅是顏色的一個索引（Color Index），即彩色表的地址，用八位表示一個像素值，如編號69（01000101）為彩色表對應(yīng)地址從彩色表對應(yīng)地址項(xiàng)中讀出R、G、B三種顏色分量（即顏色號的定義值）然后送監(jiān)視器 例如：彩色表的字長為 12bit（R、G、B各 4bit），這意味著最多可定義2124096種不同顏色 彩色表結(jié)構(gòu)2022/7/2554HPU 對于分辨率為1024*1024的光柵系統(tǒng)，若每一像素用8位和1

28、2位二進(jìn)制來表示存儲信息，各需多大光柵存儲容量？每一屏幕最多能顯示多少顏色？若R，G，B灰度都占8位，其顯示顏色的總數(shù)是多少？ 答：1)每一像素用8位二進(jìn)制來表示存儲信息，所需容量為1024*1024*1=1MB彩色數(shù)：28=256（項(xiàng)）2）每一像素用12位二進(jìn)制來表示存儲信息，所需容量為 1024*1024*12/8=1MB 彩色數(shù)：212=4096（項(xiàng)） 3)顏色總數(shù)：28*28*28=224（種）例題2022/7/2555HPU（2）光柵掃描顯示器的工作原理 圖形生成器根據(jù)主機(jī)發(fā)送來的畫圖命令轉(zhuǎn)換成相應(yīng)點(diǎn)陣 點(diǎn)陣存入到顯示存儲器中 顯示存儲器中生成所顯示畫面位圖 CRT控制器產(chǎn)生水平和垂

29、直同步信號送到監(jiān)視器，使CRT電子束不斷地自上而下、自左向右進(jìn)行掃描，形成光柵；同時根據(jù)電子束在屏幕上的行列位置，不斷地讀出顯示存儲器中對應(yīng)位置像素值。 彩色表中對應(yīng)值控制R、G、B電子束，在屏幕對應(yīng)點(diǎn)生成需要像素值。 為了使屏面顯示畫面不產(chǎn)生閃爍，上述過程要反復(fù)進(jìn)行，一般要求CRT的幀頻為5060幀秒。 2022/7/2556HPU顯示器的光柵掃描方式一般有兩種 消隱 按照0，2，4，6的順序掃描完偶數(shù)行，開始掃描奇數(shù)行。按照1，3，5，7的順序掃描完奇數(shù)行，整個屏幕掃描完畢。從0行光柵（偶數(shù)行）開始，逐行下掃，直到屏幕底部 隔行掃描、非隔行掃描掃描第0行光柵 消隱 回掃線是被消隱的 202

30、2/7/2557HPU（3）光柵掃描式顯示器主要性能參數(shù) 顯示分辨率顏色或亮度等級數(shù)目其他畫圖速度一般指屏幕上水平方向可以顯示多少像素（水平分辨率），垂直方向可以顯示多少像素（垂直分辨率）。如 CGA 6402001280000.12MP。(PPixel) 亮度等級或灰度等級數(shù)目是指單色顯示器的像素亮度可變化數(shù)目，彩色顯示器顏色數(shù)目又分成兩個指標(biāo)：一個是顯示器可以顯示的所有不同顏色總數(shù)，一個是同一幀面允許顯示的不同顏色最大數(shù)目，即彩色表項(xiàng)的多少。畫圖速度指的是圖像生成器把基本畫圖命令轉(zhuǎn)換成顯示存儲器位圖的速度。 如屏幕尺寸刷新頻率、縱橫比（屏幕上縱向間距和橫向間距之比）、余輝長度等。2022/

31、7/2558HPU顯示配置 顯示器和顯示卡兩方面內(nèi)容 顯示器就是監(jiān)視器（CRT） 顯示器控制適配器，它是將顯示存儲器、CRT控制器制作在一塊芯片上 從顯示標(biāo)準(zhǔn)的角度來說，每一種標(biāo)準(zhǔn)都包含有一種或多種顯示模式，而每一種顯示模式都規(guī)定了模式的“類型”、“字符尺寸”、“字符格式”、“屏幕分辨率”、“色彩”等指標(biāo)。 兩種顯示模式類型，即圖形模式和文本模式。 2022/7/2559HPU1.圖形模式在圖形模式下，把字符也看成圖形，用點(diǎn)陣（位圖）來表示，直接存放在顯示存儲器中。 優(yōu)點(diǎn):字符的顯示位置可以以像素為單位任意定位，也可以隨意改變單個字符的大小、方向或字符串走向，但編輯修改操作比較麻煩。 2.文本

32、模式顯示存儲器中存放的是字符編碼（ASCII碼或漢字代碼）及屬性（加亮、閃爍、下橫線等），其字符點(diǎn)陣信息存放在一個只讀存儲器中（稱為字符發(fā)生器或字庫）。優(yōu)點(diǎn):處理速度快，但是字符是由固定區(qū)域內(nèi)的像素所組成。 2022/7/2560HPU屏幕、字符格式、字符尺寸與分辨率關(guān)系 字符尺寸:是指這個固定字符區(qū)的大小，它是由行和列兩個方向上像素點(diǎn)的個數(shù)來決定的914每行 9個像素點(diǎn)每列14個像素點(diǎn)字符格式:是指顯示屏幕上字符顯示的分辨率，它是用每行可顯示的字符數(shù)乘每列可顯示的字符數(shù)來表示的 8025每行可顯示80個字符每列可顯示25個字符,即有25行2022/7/2561HPU常見顯示標(biāo)準(zhǔn)MDA(Mon

33、achronme Display Adapter)單色顯示標(biāo)準(zhǔn) “文本”模式類型，“字符格式”為8025，“字符尺寸”為914，“屏幕分辨率”為720350，彩色數(shù)目只有黑白兩種； CGA（Color Graphics Adapter）彩色圖形標(biāo)準(zhǔn) 包括四種“文本”模式類型和三種“圖形”模式類型，最高“屏幕分辨率”為 640200，“色彩數(shù)目”最多為16色； 2022/7/2562HPUEGA（Enhanced Graphics Adapter）增強(qiáng)型圖形標(biāo)準(zhǔn) 含有MDA、CGA的模式“類型”外，增加了四種“文本”模式類型和四種“圖形”模式類型，其中一種為單色。它的最高“屏幕分辨率”為6403

34、50“色彩數(shù)目”最多為16色； VGA（Video Graphics Array）視頻圖形陣列標(biāo)準(zhǔn) 最高“屏幕分辨率”為640480，“色彩數(shù)目”最多可達(dá) 256色。 請同學(xué)們自己查閱其他顯示標(biāo)準(zhǔn)豐富知識。2022/7/2563HPU圖形核心系統(tǒng)（GKS）簡介 Graphics Kernel System，一種已經(jīng)被ISO接受的國際圖形標(biāo)準(zhǔn)一. GKS的功能提供了各種物理的圖形輸入、輸出設(shè)備（圖形顯示器、繪圖機(jī)。圖形輸入板等）和應(yīng)用軟件之間的接口。 提供了與各種高級語言的接口。 2022/7/2564HPU二. GKS的基本概念1.工作站 由一個操作員操縱使用的一組圖形輸入輸出設(shè)備 是一個邏輯

35、上的概念 一個工作站允許有多個輸入設(shè)備，但只能有一個輸出設(shè)備。典型的工作站由一個鍵盤、一個鼠標(biāo)器和一臺圖形顯示器組成 分為輸出型、輸入型、輸入輸出型（交互式工作站）、元文件輸出工作站、元文件輸入工作站和圖段存儲器工作站六種類型。 圖形核心系統(tǒng)（GKS）簡介 2022/7/2565HPU2.坐標(biāo)與坐標(biāo)變換 GKS有三種不同的坐標(biāo)系 供應(yīng)用程序使用的實(shí)際世界坐標(biāo)系統(tǒng)（World Coordinate System，簡稱 WC）各工作站物理設(shè)備使用的設(shè)備坐標(biāo)系（Device Coordinate System，簡稱DC）GKS內(nèi)部使用的規(guī)范設(shè)備坐標(biāo)系（Normalized Device Coordi

36、nate；簡稱NDC） 三個坐標(biāo)系都是二維坐標(biāo)系 圖形核心系統(tǒng)（GKS）簡介 2022/7/2566HPU圖形核心系統(tǒng)（GKS）簡介 規(guī)范化坐標(biāo)變換 工作站坐標(biāo)變換 2022/7/2567HPU圖形系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 圖形系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)圖形系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 圖形硬件描述的是進(jìn)行快速繪制所必需的硬件單元，它使用基于光柵的專用硬件體系結(jié)構(gòu)，能夠快速將三維物體繪制成計(jì)算機(jī)屏幕顯示的像素。 2022/7/2568HPU圖形系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)大部分圖形軟硬件設(shè)計(jì)為要完成一組固定的操作。這些操作被組織成流水線流水線把頂點(diǎn)和像素依次放入各個階段 實(shí)時圖形學(xué)流水線： 2022/7/2569HPU圖形系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)用戶程

37、序（或者說應(yīng)用程序）：把數(shù)據(jù)以圖元的形式提供給圖形硬件，例如用來描述三維幾何模型的點(diǎn)、線或多邊形。同時也提供用于表面紋理映射的圖像或者位圖。 2022/7/2570HPU圖形系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)此階段是以每個頂點(diǎn)為基礎(chǔ)對幾何圖元進(jìn)行處理，并從三維坐標(biāo)變換為二維屏幕坐標(biāo)的過程。幾何階段主要負(fù)責(zé)大部分多邊形和頂點(diǎn)操作，可以將這個階段進(jìn)一步劃分為圖所示的幾個功能階段。 2022/7/2571HPU圖形系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)給定經(jīng)過變換和投影之后的頂點(diǎn)、顏色以及紋理坐標(biāo)（均來自于幾何階段），光柵階段的目的就是給每個像素正確配色，以便正確繪制整幅圖像，這個過程稱為光柵化或者掃描轉(zhuǎn)換，也就是把屏幕空間的二維頂點(diǎn)轉(zhuǎn)化為屏

38、幕上的像素。 2022/7/2572HPU圖形處理器圖形處理器是圖形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要元件，是連接計(jì)算機(jī)和顯示終端的紐帶早期的圖形處理器只包含簡單的存儲器和幀緩沖區(qū)，它們實(shí)際上只起了一個圖形的存儲和傳遞作用，一切操作都必須有CPU來控制現(xiàn)在的圖形處理器不單單存儲圖形，而且能完成大部分圖形函數(shù)，專業(yè)的圖形卡已經(jīng)具有很強(qiáng)的3D處理能力，大大減輕了CPU的負(fù)擔(dān),提高了顯示質(zhì)量和顯示速度。2022/7/2573HPU圖形處理器的組成顯示主芯片顯卡的核心，俗稱GPU，它的主要任務(wù)是對系統(tǒng)輸入的視頻信息進(jìn)行構(gòu)建和渲染顯示緩存用來存儲將要顯示的圖形信息以及保存圖形運(yùn)算的中間數(shù)據(jù)顯存的大小和速度直接影響著主芯片性

39、能的發(fā)揮數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（RAMDAC）它的作用就是把二進(jìn)制的數(shù)字轉(zhuǎn)換成為和顯示器相適應(yīng)的模擬信號2022/7/2574HPU顯卡工作原理簡單示意圖圖形處理器的組成2022/7/2575HPU第二章 圖形系統(tǒng)2.1 圖形顯示原理2.2 圖形系統(tǒng)的組成2.3 圖形系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)及軟件圖形系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)圖形軟件2022/7/2576HPU圖形系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)圖形標(biāo)準(zhǔn)：圖形系統(tǒng)及其相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)中各界面之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和通信的接口標(biāo)準(zhǔn)，以及供圖形應(yīng)用程序調(diào)用的子程序功能及其格式標(biāo)準(zhǔn)，前者稱為數(shù)據(jù)及文件格式標(biāo)準(zhǔn)，后者稱為子程序界面標(biāo)準(zhǔn)。2022/7/2577HPU圖形系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)分類面向圖形設(shè)備的接口標(biāo)準(zhǔn)：計(jì)算機(jī)圖形元文件(CG

40、M)，(CRT,Mouse,)計(jì)算機(jī)圖形接口(CGI).設(shè)備驅(qū)動程序。面向應(yīng)用軟件的標(biāo)準(zhǔn)：程序員層次交互式圖形系統(tǒng)（PHIGS）,GL (圖形程序包)（三維）圖形核心系統(tǒng)（3D-)GKS面向圖形應(yīng)用系統(tǒng)中工程和產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型及其文件格式：基本圖形轉(zhuǎn)換規(guī)范（IGES）產(chǎn)品數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)范（STEP）2022/7/2578HPU圖形系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)硬件，圖形 I/O 設(shè)備，系統(tǒng)軟件，圖形軟件。圖形軟件：通用編程軟件包，專用應(yīng)用軟件包。通用類：提供一個可用于高級程序語言的圖形功能擴(kuò)展集(比如，OpenGL).基本功能：圖元生成，屬性設(shè)置（顏色，.）選擇觀察及實(shí)施變換等。專用類：不關(guān)心圖形操作過程。CAD系統(tǒng)。2022/7/2579HPU圖形支撐軟件第一層次是面向系統(tǒng)的，主要解決圖形設(shè)備與計(jì)算機(jī)的通訊接口等問題，稱為設(shè)備驅(qū)動程序，包括一些最基本的輸入、輸出程序，事實(shí)上，設(shè)備驅(qū)動程序現(xiàn)在已被作為操作系統(tǒng)一部分，由操作系統(tǒng)或設(shè)備硬件廠商開發(fā)；第二層次是建立在驅(qū)動程序之上，完成圖元的生成、設(shè)備的管理等功能，目前這個層次上的圖形支撐軟件已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，如GKS、PHIGS、CGI等；第三層次是在中間層基礎(chǔ)上編寫的，其主要任務(wù)是