第二講圖形設(shè)備與系統(tǒng)

會(huì)計(jì)學(xué)1第二講圖形設(shè)備與系統(tǒng)2圖形輸入設(shè)備：

二維：鼠標(biāo)、圖形輸入板、跟蹤球、光筆、 觸摸屏、操縱桿、掃描儀……三維：空間球、數(shù)據(jù)手套……

圖形輸出(顯示、打?。┫到y(tǒng)：

陰極射線管顯示器，液晶顯示器，等離子顯示器，……繪圖儀,打印機(jī)圖形設(shè)備簡(jiǎn)介第2講圖形設(shè)備與系統(tǒng)第1頁(yè)/共48頁(yè)32.1圖形顯示器陰極射線管彩色陰極射線管射線穿透法影孔板法隨機(jī)掃描顯示系統(tǒng)光柵掃描系統(tǒng)第2講圖形設(shè)備與系統(tǒng)第2頁(yè)/共48頁(yè)42.1.1陰極射線管（CRT）組成：電子槍、聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、熒光工作原理：

電子槍發(fā)射電子束，經(jīng)過(guò)聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏 轉(zhuǎn)系統(tǒng)，轟擊到熒光屏的不同部位，被其內(nèi)表面的 熒光物質(zhì)吸收，發(fā)光產(chǎn)生可見的圖形。結(jié)構(gòu)第1節(jié)圖形顯示器第3頁(yè)/共48頁(yè)5電子槍電燈絲，陰極和控制柵組成。陰極：由燈絲加熱發(fā)出電子束，控制柵：加上負(fù)電壓后，能夠控制通過(guò)其中小孔的帶負(fù)電的電子束的強(qiáng)弱。通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)電壓高低來(lái)控制電子數(shù)量，即控制熒光屏上相應(yīng)點(diǎn)的亮度。第4頁(yè)/共48頁(yè)6聚焦系統(tǒng)通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)控制使電子束，“變細(xì)”，保證亮點(diǎn)足夠小，提高分辨率加速電極 加正的高壓電（幾萬(wàn)伏），使電子束高速運(yùn)動(dòng)。

第5頁(yè)/共48頁(yè)7偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制電子束，靜電場(chǎng)或磁場(chǎng)，產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，最大偏轉(zhuǎn)角是衡量系統(tǒng)性能的最重要的指標(biāo)，顯示器長(zhǎng)短與此有關(guān)。第1節(jié)圖形顯示器第6頁(yè)/共48頁(yè)8熒光（1/2）熒光物質(zhì)：吸收電子束而發(fā)光持續(xù)發(fā)光時(shí)間：電子束離開某點(diǎn)后，該點(diǎn)的亮度值衰減到初始值1/10所需的時(shí)間刷新(Refresh)：為了讓熒光物質(zhì)保持一個(gè)穩(wěn)定的亮度值刷新頻率：每秒鐘重繪屏幕的次數(shù)。

某種CRT產(chǎn)生穩(wěn)定圖像所需要的最小刷新頻率=1秒/熒光物質(zhì)的持續(xù)發(fā)光時(shí)間，（例如）=1000/40=25Hz第1節(jié)圖形顯示器第7頁(yè)/共48頁(yè)9像素(Pixel:PictureCell)：構(gòu)成屏幕（圖像）的最小元素分辨率(Resolution)：CRT在水平或豎直方向單位長(zhǎng)度上能識(shí)別的最大像素個(gè)數(shù)，單位通常為dpi（dotsperinch)。在假定屏幕尺寸一定的情況下，也可用整個(gè)屏幕所能容納的像素個(gè)數(shù)描述，如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等熒光屏（2/2）第1節(jié)圖形顯示器第8頁(yè)/共48頁(yè)10產(chǎn)生彩色的常用方法：射線穿透法、影孔板法射線穿透法原理：兩層熒光涂層，紅色光和綠色光兩種發(fā)光物質(zhì)，電子束轟擊穿透熒光層的深淺，決定所產(chǎn)生的顏色應(yīng)用：主要用于畫線顯示器優(yōu)點(diǎn)：成本低缺點(diǎn)：只能產(chǎn)生有限幾種顏色電子束熒光涂層產(chǎn)生顏色低速電子束較低速電子束較高速電子束高速電子束2.1.2彩色陰極射線管第1節(jié)圖形顯示器第9頁(yè)/共48頁(yè)11原理：影孔板被安裝在熒光屏的內(nèi)表面，用于精確定位像素的位置外層玻璃熒光涂層影孔板影孔板法第1節(jié)圖形顯示器第10頁(yè)/共48頁(yè)12點(diǎn)狀影孔板(蔭罩式顯像管)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Flatron顯像管影孔板的類型第1節(jié)圖形顯示器第11頁(yè)/共48頁(yè)13電子槍、影孔板中的一個(gè)小孔和熒光點(diǎn)呈一直線；每個(gè)小孔與一個(gè)像素（即三個(gè)熒光點(diǎn)）對(duì)應(yīng)點(diǎn)狀影孔板原理

紅、綠、蘭三基色三色熒光點(diǎn)（很小并充分靠近--〉像素）三支電子槍第1節(jié)圖形顯示器第12頁(yè)/共48頁(yè)14顯示器能同時(shí)顯示的顏色個(gè)數(shù)如果每支電子槍發(fā)出的電子束的強(qiáng)度有256個(gè)等級(jí)，則顯示器能同時(shí)顯示256*256*256=16M種顏色，稱為真彩系統(tǒng)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。點(diǎn)狀影孔板原理（2/2)第1節(jié)圖形顯示器第13頁(yè)/共48頁(yè)15純平顯示器類別表面形狀產(chǎn)生時(shí)間代表球面顯象管球面的一部分~90年代初柱面顯象管柱面的一部分，垂直方向上平直，水平方向上有彎曲90年代中期Sony公司的Trinitron，Mitsubishi公司的Diamondtron平面直角顯象管球面的一部分，類似于平面90年代中后期現(xiàn)在市場(chǎng)上的主流顯象管純平顯象管純平面90年代后期Sony公司的FDTrinitron，Mitsubishi公司的Diamondtron，Samsung公司的DanyFlat，LG公司的Flatron第1節(jié)圖形顯示器第14頁(yè)/共48頁(yè)16液晶顯示器液晶：液晶(LiquidCrystal)是一種介于固態(tài)和液態(tài)之間的物質(zhì)，是具有規(guī)則性分子排列的有機(jī)化合物。其分子的排列柔軟易變形，受電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度和應(yīng)力等外部條件作用時(shí)，液晶分子會(huì)重新排列。液晶顯示器的原理是利用液晶的物理特性：通電時(shí)，液晶排列變得有秩序，使光線容易通過(guò)；不通電時(shí)，排列則變得混亂，阻止光線通過(guò)。與CRT設(shè)備相同，圖形定義存儲(chǔ)在刷新緩沖器中，以每秒60幀的速度刷新屏幕，以滿足圖像的更新和動(dòng)畫顯示。第15頁(yè)/共48頁(yè)17液晶顯示器可視角由于液晶顯示器的背光管光源經(jīng)折射和反射后輸出時(shí)已有一定方向，超出這一范圍觀看則會(huì)產(chǎn)生色彩失真現(xiàn)象?？梢暯鞘怯脩粼谄聊磺坝^看畫面可看得清楚的角度范圍。分辨率第16頁(yè)/共48頁(yè)18未來(lái)顯示器采用空氣等離子體技術(shù)，

空氣等離子體可想象成一個(gè)個(gè)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(lái)；顯示畫面具有無(wú)與倫比的清晰度。真正的平面直角。第1節(jié)圖形顯示器第17頁(yè)/共48頁(yè)192.1.3隨機(jī)掃描的顯示系統(tǒng)特點(diǎn)：電子束可隨意移動(dòng)，只掃描熒屏上要顯示的部分。邏輯部件：刷新存儲(chǔ)器(RefreshingBuffer),顯示處理器（DPU:DisplayProcessingUnit）和CRT第1節(jié)圖形顯示器第18頁(yè)/共48頁(yè)20應(yīng)用程序發(fā)出繪圖命令，→解析成顯示處理器可接受命令格式，存放在刷新存儲(chǔ)器中。刷新存儲(chǔ)器中所有的繪圖命令組成一個(gè)顯示文件，由顯示處理器負(fù)責(zé)解釋執(zhí)行(刷新)，→驅(qū)動(dòng)電子槍在屏幕上繪圖。 修改圖形，實(shí)際是修改顯示文件中的某些繪圖命令。

工作原理第1節(jié)圖形顯示器第19頁(yè)/共48頁(yè)212.1.4光柵掃描的顯示系統(tǒng)光柵掃描顯示系統(tǒng)特點(diǎn)：光柵掃描掃描線幀水平回掃期垂直回掃期第1節(jié)圖形顯示器第20頁(yè)/共48頁(yè)22繪圖過(guò)程第1節(jié)圖形顯示器第21頁(yè)/共48頁(yè)23電子束按固定的掃描順序進(jìn)行掃描N條掃描線，每條掃描線有M個(gè)像素，M*N顯示器的分辨率。 分辨率第1節(jié)圖形顯示器第22頁(yè)/共48頁(yè)24邏輯部件：幀緩沖存儲(chǔ)器（FrameBuffer)，視頻控制器（VideoController)，顯示處理器（DisplayProcessor），CRT幀緩沖存儲(chǔ)器作用：存儲(chǔ)屏幕上像素的顏色值簡(jiǎn)稱幀緩沖器，俗稱顯存幀緩存中單元數(shù)目與顯示器上像素的數(shù)目相同，單元與像素一一對(duì)應(yīng)，各單元的數(shù)值決定了其對(duì)應(yīng)像素的顏色。顯示顏色的種類與幀緩存中每個(gè)單元的位數(shù)有關(guān)（圖示幀緩沖器的每個(gè)單元只有一位）。第23頁(yè)/共48頁(yè)25彩顯：第24頁(yè)/共48頁(yè)26彩顯：若每個(gè)單元有24位（每種基色占8位）即顯示系統(tǒng)可同時(shí)產(chǎn)生224種顏色（24位真彩色）。分辨率M*N、顏色個(gè)數(shù)K與顯存大小V的關(guān)系第1節(jié)圖形顯示器第25頁(yè)/共48頁(yè)27彩顯：3個(gè)位面分辯率是1024×1024的顯示器，需要3×1024×1024（3145728）位的存儲(chǔ)器。若存儲(chǔ)器位長(zhǎng)固定，則屏幕分辯率與同時(shí)可用的顏色種數(shù)成反比關(guān)系。1兆字節(jié)的幀緩存，若設(shè)分辯率為640×480，則幀緩存每個(gè)單元可有24位，可能同時(shí)顯示224種顏色，若設(shè)分辯率為1024×768，則每個(gè)單元分得的位數(shù)僅略多于8，只能工作于256色顯示模式下。第26頁(yè)/共48頁(yè)28彩顯：顯存問題高分辨率和真彩要求有大的顯存；曾經(jīng)是個(gè)問題！解決方法：采用查色(LookupTable）

或稱彩色表(ColorTable)查色表工作原理1024*768真彩模式需要3M字節(jié)顯存第1節(jié)圖形顯示器第27頁(yè)/共48頁(yè)29查色表(lookupTable)是一維線性表，其每一項(xiàng)的內(nèi)容對(duì)應(yīng)一種顏色，它的長(zhǎng)度由幀緩存單元的位數(shù)決定，例如：每單元有8位，則查色表的長(zhǎng)度為28＝256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：第1節(jié)圖形顯示器第28頁(yè)/共48頁(yè)30查色表(lookupTable)第29頁(yè)/共48頁(yè)31存放方式顏色信息在幀緩存中存放方式：顏色值直接存儲(chǔ)在幀緩存中。把顏色碼放在一個(gè)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。單色系統(tǒng)：查色表固化彩顯：可修改、創(chuàng)建查色表。第1節(jié)圖形顯示器第30頁(yè)/共48頁(yè)32帶寬T與分辨率、幀頻F的關(guān)系帶寬問題高分辨率和高的刷新頻率要求有高帶寬--依然是個(gè)問題！解決方法：隔行掃描（現(xiàn)在已經(jīng)基本不用，主流 顯示器都采用逐行掃描方式）隔行掃描：把一幀分兩場(chǎng)，即奇數(shù)場(chǎng)與偶數(shù)場(chǎng)場(chǎng)頻：==2*幀頻彩顯第1節(jié)圖形顯示器第31頁(yè)/共48頁(yè)33隔行掃描工作原理一幀完整的畫面分成兩場(chǎng)。一場(chǎng)1／60秒，（場(chǎng)頻60HZ），（幀頻30HZ）畫面更新頻率仍為60HZ，降低了閃爍效應(yīng)，每一場(chǎng)1／60秒內(nèi)，幀緩存中數(shù)據(jù)量比逐行掃描少一半。降低了視頻控制器存取幀緩存的速度及傳輸帶寬的要求。第1節(jié)圖形顯示器第32頁(yè)/共48頁(yè)34簡(jiǎn)單：其中，幀緩存為系統(tǒng)內(nèi)存任一塊區(qū)域，視頻控制器能夠直接存取該區(qū)域以刷新屏幕。典型：其中，幀緩存可以是專用的存儲(chǔ)器，也可以是系統(tǒng)內(nèi)存中的一塊固定區(qū)域。光柵掃描圖形顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)第1節(jié)圖形顯示器第33頁(yè)/共48頁(yè)35視頻控制器作用：建立幀緩存與屏幕像素之間的一一對(duì)應(yīng)，負(fù)責(zé)刷新邏輯結(jié)構(gòu)工作原理——刷新周期開始，光柵掃描發(fā)生器置X地址寄存器為0，置Y地址寄存器為N-1，首先取出對(duì)應(yīng)像素（0，N-1）的幀緩存單元的數(shù)值,放入像素值寄存器，用來(lái)控制像素的顏色，然后X的地址寄存器的地址加一，如此重復(fù)，直到該掃描線上的最后一個(gè)像素。雙緩沖機(jī)制（DoubleBuffer)普通顯卡=視頻控制器+顯存第34頁(yè)/共48頁(yè)36顯示處理器作用：代替CPU完成部分圖形處理功能，掃描轉(zhuǎn)換、幾何變換、裁剪、光柵操作、紋理映射等具有專用顯示處理器的光柵顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖形加速卡=視頻控制器+顯存+顯示處理器第35頁(yè)/共48頁(yè)37優(yōu)點(diǎn)：成本低易于繪制填充圖形色彩豐富刷新頻率一定，與圖形的復(fù)雜程度無(wú)關(guān)易于修改圖形缺點(diǎn)：需要掃描轉(zhuǎn)換會(huì)產(chǎn)生混淆缺點(diǎn)正在被克服優(yōu)點(diǎn)使其占據(jù)了市場(chǎng)主流光柵顯示系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)第1節(jié)圖形顯示器第36頁(yè)/共48頁(yè)382.2圖形系統(tǒng)及其標(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(gè)可用于高級(jí)程序語(yǔ)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(guò)程（比如，CAD系統(tǒng)。第2講圖形設(shè)備與系統(tǒng)第37頁(yè)/共48頁(yè)39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)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)。第2節(jié)圖形系統(tǒng)及其標(biāo)準(zhǔn)第38頁(yè)/共48頁(yè)40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(CGM)，(CRT,Mouse,…)計(jì)算機(jī)圖形接口(CGI).設(shè)備驅(qū)動(dòng)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）第2節(jié)圖形系統(tǒng)及其標(biāo)準(zhǔn)第39頁(yè)/共48頁(yè)41CGI（ISODP9636)提供控制圖形硬件的一種與設(shè)備無(wú)關(guān)的方法。也可看作圖形設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的一種標(biāo)準(zhǔn)。在用戶程序和虛擬設(shè)備之間，以一種獨(dú)立于設(shè)備的方式提供圖形信息的描述和通信。第2節(jié)圖形系統(tǒng)及其標(biāo)準(zhǔn)第40頁(yè)/共48頁(yè)42CGM（ISOIS8632)--與設(shè)備無(wú)關(guān)的語(yǔ)義、詞法定義的圖形文件格式。--規(guī)定了生成、存儲(chǔ)、傳送圖形信息的格式。--面向系統(tǒng)和系統(tǒng)開發(fā)者，和CGI配套提供。--通用性是其關(guān)鍵屬性。第2節(jié)圖形系統(tǒng)及其標(biāo)準(zhǔn)第41頁(yè)/共48頁(yè)43GKS提供了在應(yīng)用程序和圖形輸入輸出設(shè)備之間的功能接口。與語(yǔ)言無(wú)關(guān)。GKS提供了一個(gè)稱為元文件的順序文件接口應(yīng)用程序的所有圖形資源由GKS控制（通過(guò)GKS元文件-GKSM）GKSM用于:圖形信息存檔；系統(tǒng)傳送圖形信息；在GKS應(yīng)用程序間傳送圖形信息；與圖形信息相關(guān)的非圖形信息的存儲(chǔ)和復(fù)用。第2節(jié)圖形系統(tǒng)及其標(biāo)準(zhǔn)第42頁(yè)/共48頁(yè)44PHIGS（ISOIS9592）向應(yīng)用程序員提供的控制圖形設(shè)備的圖形