第二講：圖形系統簡介

第二講：

圖形系統簡介

OverviewofGraphicsSystem2008.8.282.1視頻顯示設備圖形系統一般使用視頻顯示器作為基本的輸出設備。大部分視頻監(jiān)視器的操作是基于標準的陰極射線管(CRTCathode—RayTube)設計的，但是也存在一些另外的技術，如液晶顯示器、等離子顯示器等。CRT按其結構和工作原理可分為單色CRT、直視型存儲管、電子束穿透式CRT和多槍型彩色CRT四類。電子束穿透式CRT是非刷新式射線管，其他三種為刷新式射線管。2.1視頻顯示設備2.1.1刷新CRT工作原理

CRT包括以下幾部分ElectrongunfocusingacceleratingMagneticdeflectionsystemHeatingfiamentcathodeControlgridHorizontaldeflectionplateElectronbeamPhosphor-coatedscreen控制柵極2.1視頻顯示設備刷新CRT工作原理：燈絲加熱-〉陰極溫度升高發(fā)射電子-〉控制柵控制電子強度-〉聚焦系統聚焦-〉加速系統加速-〉偏轉->到達熒光屏正確位置?？刂茤艠O是一金屬圓筒，緊挨著陰極安裝。若在控制柵上加高負壓，則擋住電子，截斷電子束，使之停止從控制柵極末端的小孔通過。而在控制柵施以較低的負壓，則僅僅減少通過的電子數量。由于熒光涂層發(fā)射光的強度依賴轟擊屏幕的電子數量，則可以通過改變控制柵的電壓來控制顯示的光強。我們使用圖形軟件命令設定各個屏幕位置的亮度級。

2.1視頻顯示設備

CRT的聚焦系統用來控制電子束，在轟擊熒光屏時會聚到一個小點。否則，由于電子互相排斥，電子束在靠近屏幕時會散開?？梢允庆o電聚焦或磁場聚焦，靜電聚焦是帶正電荷的金屬原筒，磁場聚焦是包圍crt的線圈。加速系統利用一個加速陽極，或者是由帶正電荷的金屬產生一個加速電勢。2.1視頻顯示設備

偏轉系統：采用電場偏轉或磁場偏轉，電場偏轉是兩對平行的帶電平板分別控制垂直和水平的偏轉，磁場偏轉是兩對線圈，通過調整線圈中的電流產生磁場控制電子束的偏移

電子束經過控制格柵、聚焦系統、加速系統、片轉系統、達到熒光屏的確定位置，電子束轟擊熒光屏，轟擊點吸收電子束能量而發(fā)光，不同的電子束強度產生不同亮度，從而產生不同亮度的顏色。

熒光在吸收電子能量發(fā)光，當一處電子束后發(fā)光逐漸消失。光點從發(fā)光到逐漸消失至原來發(fā)光強度的1/10所經歷的時間為熒光的延遲（persistence）。為了使2.1視頻顯示設備畫面能夠保持，需要每隔一段時間重新發(fā)射電子束對該點再次轟擊，這個過程為刷新（refresh)。延遲越大的熒光屏需要的刷新頻率越小。對于動畫來說，較低的延遲是必要的。但對于復雜的靜態(tài)圖像，較高的延遲更有益。

一般的熒光屏的延遲為10-60ms。由于電子束中心部分密度最大，所以熒光點的中心部分發(fā)光最強。光強成高斯分布。2.1視頻顯示設備CRT顯示器主要性能參數：

分辨率（resolution)：可以顯示的點的最多數目。

刷新頻率(refreshfrequency)：1s內顯示屏掃描的次數

。

顯示器尺寸：以英寸表示，大小為對角線的長度。

屏幕縱橫比（aspectratio）：屏幕豎直方向和水平方向點數的比率。2.1視頻顯示設備2.1.2光柵掃描顯示器

（Raster-ScanDisplays）

電子槍依次按行從左至右，從上向下在熒光屏上運動，轟擊屏幕上的熒光點發(fā)光產生圖形，這個過程叫掃描。對整個屏幕掃描完成后，電子束回到屏幕左上角重新開始下一次掃描。2.1視頻顯示設備

有些光柵系統在掃描時，不是逐行進行掃描的，而是從第一行開始，隔一行掃描一行，待完成最后一行掃描后回到第二行開始完成沒有掃描的那些行。這種掃描方式叫隔行掃描隔行掃描掃描開始2.1視頻顯示設備在掃描每一行中，電子束密度強弱變化使熒光屏光點形成不同的亮度。圖形的定義存放在一塊存儲空間，稱為刷新緩存（refreshbuffer)或偵緩存(framebuffer),刷新緩存中存儲的是圖形在屏幕上各點的亮度值。屏幕上的每個光點稱為像素。屏幕象素點的亮度級依賴于具體的光柵系統。最簡單的二值（只有黑和白）系統每一個像素只用1bit即可控制。對于真彩色，每個象素用24bit來控制，屏幕分辨率為1024*1024，需要的貞緩存要多大？

2.1視頻顯示設備光柵掃描的特點

優(yōu)點：因為對于任意的圖形，系統都需要將所有的屏幕的像素點都掃描一遍。所以掃描速度和圖形的復雜度無關，可顯示任意復雜的圖形而不會出現閃爍。

缺點：線條不直、圓弧不圓、比隨機掃描系統更低的分辨率。2.1視頻顯示設備2.1.3隨機掃描顯示器

（Random-ScanDisplays)

隨即掃描顯示器也成為矢量顯示器、書寫式顯示器，和光柵掃描不同的是隨機掃描的電子槍直接在屏幕上畫出圖形，而不用掃描所有屏幕光點。隨機顯示器每次劃一條線，任何復雜的圖形都可以用各種不同長度的直線段近似地畫出來。隨機掃描系統的刷新速率依賴于被顯示圖形的線條數。隨即掃描顯示器中圖形的定義是一系列畫線的指令，存儲這些指令的存儲空間稱為刷新顯示文件。也叫顯示列表或顯示程序。在顯示一幅圖像時，系統依次執(zhí)行每一條畫線指令，畫出每一條線元素。所有線畫完后，再回到第一條畫線指令從新開始。系統一般被設計成將所有線畫30-60次/每秒。2.1視頻顯示設備隨機掃描的特點：

優(yōu)點：更高的分辨率、線條更直、圓弧更光滑。但并不適合繪制顏色變化豐富的場景。

缺點：當掃描速度一定時，為了保證圖形不閃爍，總的畫線長度就被限定，如果畫線長度超過限定的長度，也即圖形比較復雜時，由于來不及刷新，圖形將產生閃爍。隨機掃描2.1視頻顯示設備2.1.4彩色CRT顯示器

彩色陰極射線管（colorCRT)通過可以產生不同顏色的熒光組合來顯示彩色。有兩種技術可用于實現彩色CRT，分別為電子束穿透式和蔭罩式。

穿透式彩色CRT：顯示屏上涂有兩層熒光里層發(fā)紅光、外層發(fā)綠光，顯示的顏色取決于電子束穿透的外層熒光的距離，高速的電子束穿透紅色熒光并轟擊綠色熒光，呈現綠色，低速的電子束之轟擊里層紅色熒光。中速電子束部分穿透外層熒光，使紅綠同時發(fā)光呈現桔黃或黃色。

穿透式彩色CRT已經應用于隨機掃描顯示器，但是只能顯示四種顏色。2.1視頻顯示設備蔭罩式CRT.蔭罩法一般都應用于光柵掃描系統。可以產生較大范圍顏色，在蔭罩式CRT中，每一個像素點由分別發(fā)射紅、綠、藍光的3個熒光點組成。有3個電子槍，發(fā)射的電子束分別轟擊3個不同的熒光點。陰罩柵格位于緊靠熒光涂層的熒光屏后。三支電子束被加速、聚焦、偏轉，形成一組電子束射向蔭罩，通過小孔，并分別打在對應像素位置的三個熒光點上，三個熒光點分別發(fā)出紅綠藍的光，由于三點距離很近，因此肉眼看見的是這三種顏色光的混合色。通常電子槍按三角形排列，在高分辨率系統中，電子槍常采用線排列。2.1視頻顯示設備通過調整3個電子槍的發(fā)射的電子束的強度和它們之間的強度對比關系可以使熒光點呈現不同的亮度和顏色。常用的彩色CRT設計成RGB顯示器，通過計算機系統直接為每支電子槍設置強度等級，不需要其他的中間處理過程。高質量的光柵圖形顯示系統的幀緩沖器中每個像素點對應24位，每支電子槍允許256個級別的電壓設置，因而可顯示接近17000000種顏色。24位的顯示稱為真彩色，或全彩色。2.1視頻顯示設備2.1.5直視存儲管（Direct-ViewStorageTubes）直視存儲管保持屏幕圖像的方法是將圖形信息存儲在CRT內，而不是刷新。直視型存儲管（DVSTDirect-ViewStorageTube)通過在屏幕熒光層后的電荷分布來保存圖形信息。

優(yōu)點：由于不用刷新，可以顯示復雜的高分辨率圖形。

缺點：不能顯示彩色，不能進行局部圖像的擦除。目前，直視存儲管已逐漸被光柵掃描所代替。2.1視頻顯示設備2.1.6平板顯示器（Flat-PanelDisplay)

平板顯示器具有體積小、重量輕、省電等優(yōu)點，它比一般的CRT薄，可掛在墻上或拿在手里，目前平板顯示器已應用于電視監(jiān)視器、計算器、袖珍式視頻游戲機、筆記本電腦等等。平板顯示器可分為發(fā)射顯示器(emissivedisplay)和非發(fā)射顯示器（none-missivedisplay）。發(fā)射式顯示器將電能轉化為光。等離子顯示器(Plasmapanels）是其中的一種。非發(fā)射顯示器利用光學效應，將太陽光或其它光源的光，轉換為圖形。液晶設備屬于非發(fā)射顯示器。

2.1視頻顯示設備液晶顯示器(Liquid-CrystalDisplay）

液晶顯示器（LCD）通過將環(huán)境光或內部光源的光極化后穿透液晶材料材料產生圖形，液晶是一種介于固態(tài)和液態(tài)之間的物質，是具有規(guī)則性分子排列的有機化合物，可以向液體那樣流動。液晶顯示器通常是用一種向列型液晶，這種材料的分子呈柱狀排列。

LCD的液晶材料有“開態(tài)”和“閉態(tài)”兩種狀態(tài)。開態(tài)時，經過極化的光被扭曲達到另一端的極化板，可以穿透極化板，這時對應屏幕上是亮，閉態(tài)時，極化光沒有變化，所以不能穿透另一端的極化板，對應的屏幕點是暗。2.1視頻顯示設備極化板液晶材料開態(tài)閉態(tài)2.1.7三維顯示設備三維顯示設備廣泛應用于醫(yī)學、軍事仿真、虛擬現實等領域。三維顯示設備的原理是利用一個搖擺的可變焦的柔性反射鏡反射CRT顯示器上的圖像，在CRT顯示器顯示物體時，根據觀察者得位置，擺動反光鏡并調節(jié)器焦距，使物體上的每一個點都能反射到觀察者。2.1視頻顯示設備2.1視頻顯示設備2.1.8立體視覺系統

另外一種表示立體物體的方法是現實立體視覺，這種設備并不真正的產生三維圖象，而是通過人的兩只眼睛，觀察物體時的感覺不同而產生的景深來產生立體的效果。2.1視頻顯示設備屏幕視點視點投影為得到立體效果，我們首先需要得到對應兩個眼睛所產生的兩幅圖像（對同一物體兩只眼睛觀察的物體的位置方向等不同的）。然后再顯示過程中，讓左眼只看到左眼圖像，右眼只看到右眼圖像，從而產生立體的感覺?？梢栽诠鈻畔到y上按一定的頻率交錯顯示左右眼圖像，觀察者需要戴一種特制的眼鏡，眼鏡有一個和顯示器交錯顯是同頻率的左開關，當顯示左眼圖像時，眼鏡左眼打開，右眼關閉；當顯示右眼圖像時，眼鏡的右眼打開，左眼關閉。2.1視頻顯示設備立體眼鏡和同步發(fā)生器2.1視頻顯示設備

立體視覺設備是虛擬現實系統的一個重要的組件。虛擬現實系統中，人可以在虛擬的環(huán)境中隨意走動并且和環(huán)境互動。頭盔顯示器是虛擬現實最常用的一種立體顯示設備。頭盔顯示器的感應設備可以跟蹤計算觀察者的位置，顯示不同觀察位置的物體圖像，所以觀察者可以在場景中漫游。

2.1視頻顯示設備2.2光柵掃描系統一個交互式光柵圖形系統使用的部件除了CPU之外，還需要一個特殊用途的部件—視頻控制器（videocontroller），用來控制圖形設備的操作。簡單的光柵系統，如下圖所示.這里的貞緩存可以放在系統內存的任何地方，控制器從貞緩存讀寫數據并刷新屏幕。

此外，比較復雜的光柵圖形系統還需要圖形處理和圖形加速部件用于完成圖形的操作功能。2.2光柵掃描系統簡單光柵圖形系統結構系統總線監(jiān)視器系統內存視頻控制器CPUI/O設備2.2光柵掃描系統2.2.1視頻控制器屏幕坐標：對于大多數的顯示器來說，屏幕坐標原點為屏幕的左下角。有些顯示器的坐標原點位于屏幕的左上角。xyxy2.2光柵掃描系統視頻控制器主要作用是讀取貞緩存中的數據刷新屏幕。右圖為視頻控制器工作原理。光柵掃描發(fā)生器X寄存器y寄存器內存地址貞緩存像素寄存器水平和垂直偏轉電壓亮度2.2光柵掃描系統2.2.2幀緩存(framebuffer)

屏幕上的像素點和幀緩存中的存儲單元之間具有一一應的關系，所以幀緩存的單元數至少等于當前分辨率下的屏幕象素總和。對于黑白圖形只有黑白兩級灰度，因此每個像素只需一個bit表示，通常將其稱之為一個位面(plan)。對于彩色圖形，則需要若干個bit來表示每個像素的顏色值，也就是需要若干個位面。若設位面數為n，那么所能表示的顏色總數為2的n次方2.2光柵掃描系統綠000010101010110001001011D/AD/AD/A紅藍CRT光柵彩色電子槍幀緩沖存儲器888N寄存器2.2光柵掃描系統2.2.3光柵掃描顯示處理器（displayproccessor）顯示處理器也叫圖形控制器或顯示協處理器，顯示處理器的主要目的是將CPU從圖形計算中解脫出來。

顯示處理器的功能是：將程序定義的圖形轉換成像素亮度存放在貞緩存；產生不同的線類型；顯示區(qū)域顏色；顯示對象的變換和操作等。

為了節(jié)約存儲單元，可以對貞緩存中圖形的亮度信息進行編碼。2.2光柵掃描系統監(jiān)視器視頻控制器系統總線系統內存CPUI/O設備顯示處理器顯示處理貞緩存內存

帶顯示處理器的光柵圖形系統2.3圖形系統和工作站圖形系統由計算機硬件、圖形輸入輸出設備、計算機系統軟件和圖形軟件組成。

主機硬件圖形外部設備

計算機圖形系統操作系統系統軟件網絡軟件軟件支撐軟件應用軟件2.3圖形系統和工作站2.3.1個人計算機圖形系統特點：1.價格低廉，易于使用。

2.圖形處理大部分靠軟件和CPU來完成，較難承受三維圖形實時處理時的計算量。改進：配置高檔圖形卡，如3Dlabs的Wildcat系列顯卡鼠標彩色圖形顯示器圖形卡鍵盤

PC機打印機繪圖儀2.3圖形系統和工作站2.3.2工作站

圖形工作站是一種專門進行圖形、圖像、視頻處理高端的計算機圖形系統。它的主要特點是：

1.運算速度高采用64位的CPU，采用RISC技術，采用多處理器結構實現并行處理

2.圖形處理功能強配有專用的圖形處理硬件子系統。例如幾何處理器GE(GeometryEngines)、圖形處理機。顯示器分辨率高，色彩豐富。

3.存儲量大

4.操作方式

配備UNIX和窗口管理系統

普遍采用了超標量、超流水線、超長指令字等先進技術。2.4圖形輸入設備鼠標鍵盤TrackballandSpaceballTrackballSpaceball2.4圖形輸入設備操縱桿（joysticks）操縱也是一種屏幕光標定位設備，還可以感應壓力。它可以是一個單獨的設備，也可以安裝在鍵盤上2.4圖形輸入設備數據手套（DataGlove）數字化儀（digitizers）

二維數字化儀：寫字板（graphicstablets）三維數字化儀2.4圖形輸入設備掃描儀（imgescanners)

閱讀教材（67-68）觸摸屏（toughtpanels)

閱讀教材（68-89）光筆（lightpens)

閱讀教材（70）2.5圖形軟件圖形軟件通常分為兩類：通用編程軟件包和專用應用軟件包通用圖形編程軟件包提供一個可用于高級程序語言如C或Fortran的圖形功能擴展集，如應用于SiliconGraphics公司設備上的GL系統。通用圖形軟件包的基本功能包括生成圖元(直線、多邊形、圓和其他基本圖形)，設置彩色和強度值，選擇觀察和實施變換。專用應用圖形軟件包是為非程序員設計的，因此用戶可生成顯示而毋須擔心圖形操作是如何進行的。在這些軟件包中與圖形子程序的接口容許用戶以他們自己的術語同程序通信。繪圖程序和工具軟件或CAD等系統就是這種

2.5圖形軟件隨計算機系統,圖形輸入,圖形輸出設備的發(fā)展,計算機圖形軟件及其生成,控制圖形的算法也有了很大的發(fā)展.近十年來,發(fā)展了多種計算機圖形軟件系統,主要有如下三種:1.用現有的某種計算機語言寫成的子程序包.2.擴充某一種計算機語言,使其具有圖形生成和處理功能.3.專用的圖形系統2.6圖形算法圖形算法的分類1.基本圖形設備的基本圖形元素的生成算法,如光柵圖形顯示器的直線,圓,二次曲線,封閉邊界內的填充,反走樣等算法

2.基本圖形元素的幾何變換,投影變換,窗口裁剪等.3.自由曲線和曲面的插值,擬合,拼接,分解,過渡,光順,整體修改,局部修改等

4.圖形元素的求交與分類以及集合運算

5.隱藏線,面的消除以及具有光照顏色效果的真實圖形顯示.2.6圖形算法6.不同字體的點陣表示,矢量字符的生成和變換

7.模糊景物的生成

8.三維或高維數據場的可視化

9.三維實體的實時顯示和圖形并行處理10.虛擬顯示環(huán)境的生成及其控制算法Assignments2-1.Listtheoperatingcharacteristicsforthefollowingdisplaytechnologies:rasterrefreshsystems,vectorrefreshsystems,and.LCDs.2-4Considerthreedifferentrastersystemswithresolutiunsof640by400,1280by1024,and2560by2048.Whatsizeframebuffer(inbytes）isneeded