第1講計算機圖形系統(tǒng)概述

計算機圖形系統(tǒng)概述1講授：鄧浩講師haodeng@計算機圖形系統(tǒng)的組成圖形硬件設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備圖形硬件顯示系統(tǒng)圖形軟件系統(tǒng)2計算機圖形系統(tǒng)的組成圖形硬件設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備圖形硬件顯示系統(tǒng)圖形軟件系統(tǒng)3計算機圖形系統(tǒng)的組成硬件與軟件硬件輸入設(shè)備輸出設(shè)備圖形處理設(shè)備軟件軟件包應(yīng)用程序4計算機圖形系統(tǒng)的基本功能計算：圖形處理（如圖形變換、光照等）存儲：遠程和本機輸入：人機交互及數(shù)據(jù)文件等輸出：顯示器、打印機等對話圖形：人機交互5計算機圖形系統(tǒng)的組成圖形硬件設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備圖形硬件顯示系統(tǒng)圖形軟件系統(tǒng)6圖形硬件設(shè)備圖形輸入設(shè)備鍵盤鼠標(biāo)數(shù)字化儀光筆觸摸屏點掃描儀7圖形輸入設(shè)備激光掃描儀89圖形輸入設(shè)備LiDar（激光雷達）數(shù)據(jù)以點云方式呈現(xiàn)每個點具有位置和回波強度信息10圖形輸入設(shè)備LiDar機載11計算機圖形系統(tǒng)的組成圖形硬件設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備圖形硬件顯示系統(tǒng)圖形軟件系統(tǒng)12圖形繪制設(shè)備繪圖儀筆式繪圖儀（矢量設(shè)備）靜電繪圖儀（光柵設(shè)備）打印機點陣式打印機噴墨打印機激光打印機13圖形顯示設(shè)備多數(shù)采用顯示器作為圖形顯示設(shè)備分類：（器件發(fā)光性質(zhì)）陰極射線管CRT(CathodeRayTube)特點：亮度高、對比度好、色彩鮮艷缺點：體積大，笨重平板型顯示器：液晶、等離子特點：器件薄，適合便攜缺點：亮度和對比度相對較低、色彩不夠鮮艷，價格偏高14陰極射線管（CRT）工作原理

一種真空器件，它利用電磁場產(chǎn)生高速的、經(jīng)過聚焦的電子束，偏轉(zhuǎn)到屏幕的不同位置，轟擊屏幕表面的熒光材料，從而產(chǎn)生可見圖形主要組成部分電子槍聚焦系統(tǒng)加速電極偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)熒光屏15電子槍燈絲，陰極和控制柵組成燈絲：產(chǎn)生熱量陰極：由燈絲加熱發(fā)出電子束控制柵：加上負電壓后，能夠控制通過其中小孔的帶負電的電子束的強弱。通過調(diào)節(jié)負電壓高低來控制電子數(shù)量，即控制熒光屏上相應(yīng)點的亮度16聚焦系統(tǒng)及加速電極聚焦系統(tǒng)通過電場和磁場控制電子束“變細”，保證亮點足夠小，提高分辨率加速電極加正的高壓電（幾萬伏）使電子束高速運動17偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)及熒光屏偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制電子束，靜電場或磁場，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)，顯示器長短與此有關(guān)熒光屏熒光物質(zhì)：吸收電子束而發(fā)光發(fā)光原理 熒光物質(zhì)在高速電子的轟擊下，電子吸收能量從低能態(tài)變?yōu)楦吣軕B(tài)；由于高能態(tài)很不穩(wěn)定，在很短時間內(nèi)熒光物質(zhì)的電子會從高能態(tài)重新回到低能態(tài)，這時就發(fā)出熒光，屏幕上的那一點就會亮18持續(xù)發(fā)光時間：電子束離開某點后，該點的亮度值衰減到初始值1/10所需的時間影像在視網(wǎng)膜上持續(xù)的時間為1/20秒19兩種顯示系統(tǒng)隨機掃描（random－scan）電子束可以任意移動，畫線設(shè)備光柵掃描（raster－scan）電子束按固定掃描線和次序進行，畫點設(shè)備20隨機掃描顯示系統(tǒng)特點電子束可隨意移動，只掃描熒屏上要顯示的部分對應(yīng)的顯示器為畫線設(shè)備邏輯部件刷新存儲器(RefreshingBuffer)顯示處理器（DPU:DisplayProcessingUnit）21刷新(Refresh)：為了讓熒光物質(zhì)保持一個穩(wěn)定的亮度值刷新頻率：每秒鐘重繪屏幕的次數(shù)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)光時間（例如）熒光物質(zhì)的持續(xù)發(fā)光時間40毫秒最小刷新頻率就是1000/40=25Hz一般要60Hz才不容易察覺到閃爍85Hz以上才能讓人眼感到舒適陰極射線管的技術(shù)指標(biāo)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度上能識別的最大像素個數(shù)，單位通常為dpi（dotsperinch)在假定屏幕尺寸一定的情況下，也可用整個屏幕所能容納的像素個數(shù)描述，如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等分辨率越高顯示的圖形就越精細決定分辨率的因素：熒光物質(zhì)類型、聚焦系統(tǒng)和偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)23彩色陰極射線管利用發(fā)射不同顏色光的熒光物質(zhì)的組合來顯示彩色圖形電子束穿透法蔭罩法蔭柵法24電子束穿透法原理：兩層熒光涂層，紅色光和綠色光兩種發(fā)光物質(zhì)，不同速度電子束穿透熒光層的深淺，決定所產(chǎn)生的顏色優(yōu)缺點：成本低，只能產(chǎn)生有限幾種顏色應(yīng)用：主要用于畫線顯示器25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蔭罩法蔭罩法工作原理每個像素處有3個熒光點，呈三角形排列三支電子槍對應(yīng)紅、綠、藍三基色電子槍、蔭罩柵格中的一個小孔和熒光點呈一直線每個小孔與一個像素（即三個熒光點）對應(yīng)球面屏幕26亮度調(diào)節(jié)各電子槍發(fā)生的電子數(shù)目，可控制各色光點亮度27如果每支電子槍發(fā)出的電子束的強度有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)蔭柵法：與蔭罩基本一致28平面屏幕特麗瓏/鉆石瓏29液晶顯示器（LCD）LCD：LiquidCrystalDisplay液晶的電光效應(yīng)當(dāng)液晶分子的某種排列狀態(tài)在電場作用下變?yōu)榱硪环N排列狀態(tài)時，液晶的光學(xué)性質(zhì)隨之改變液晶顯示的機理通過能阻塞或傳遞光的液晶材料，傳遞來自周圍的或內(nèi)部光源的偏振光30液晶顯示器（LCD）結(jié)構(gòu)：六層薄板組成液晶是一種介于液體和固體之間的特殊物質(zhì)，它具有液體的流態(tài)性質(zhì)和固體的光學(xué)性質(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31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液晶顯示器（LCD）32液晶顯示器（LCD）33液晶顯示器（LCD）眼鏡型液晶顯示屏34計算機圖形系統(tǒng)的組成圖形硬件設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備圖形硬件顯示系統(tǒng)圖形軟件系統(tǒng)35圖形顯示系統(tǒng)組成（光柵式）顯示設(shè)備：顯示器顯示處理器圖形處理功能視頻控制器：控制顯示設(shè)備通過訪問幀緩沖來刷新屏幕顯示緩存幀緩存深度緩存等可以在內(nèi)存或顯示控制器中36圖形顯示系統(tǒng)主要組成幀緩沖存儲器（FrameBuffer)視頻控制器（VideoController)顯示處理器（DisplayProcessor）37幀緩沖存儲器作用：存儲屏幕上像素的顏色值簡稱幀緩存（顯存中的部分存儲單元）幀緩存中單元數(shù)目與顯示器上像素的數(shù)目相同，單元與像素一一對應(yīng)，各單元的數(shù)值決定了其對應(yīng)像素的顏色顯示顏色的種類與幀緩存中每個單元的位數(shù)有關(guān)（黑白顯示系統(tǒng)的幀緩沖器的每個單元只有一位）38391寄存器DAC電子槍幀緩沖存儲器CRT光柵黑白光柵顯示器工作狀況圖位面技術(shù)幀緩存分成若干顏色的位平面（bitplane）位平面上位置和屏幕上的一個像素對應(yīng)同一像素點在各位面占同一地址不同位面上同一像素地址中的內(nèi)容決定像素的顏色位平面越多，可表達的色彩越豐富增加一個位面，色彩就增加一倍40410寄存器2NDAC電子槍幀緩沖存儲器10N010NN=32CRT光柵N位面灰度等級光柵顯示器工作狀況圖2N級420寄存器2NDAC電子槍幀緩沖存儲器10N010NN=32CRT光柵N位面灰度等級光柵顯示器工作狀況圖2N級紅綠藍三個位面，組合成8種顏色增加一個位面，形成16種顏色若有24個位面（每種基色8個位面），可同時顯示(28)3=224=16777216種顏色（24位真彩色）43紅綠藍Black000Blue001Green010Cyan011Red100Magenta101Yellow110White11144幀緩存容量分辨率M*N、顏色個數(shù)K與顯存大小V的關(guān)系說明一般像素顏色用RGB三基色表示例：顏色為24位真彩色、分辨率是1024×1024的顯示器，需要1024×1024×log2224/8

＝3MBytes45幀緩存容量的問題若存儲器位長固定，則屏幕分辨率與同時可用的顏色種數(shù)成反比關(guān)系例：1兆字節(jié)的幀緩存若設(shè)分辨率為640×480，則幀緩存每個單元可有24位，可能同時顯示224種顏色若設(shè)分辨率為1024×768，則每個單元分得的位數(shù)僅略多于8，只能工作于256色顯示模式46解決方法：采用顏色查找表(Look-upTable)方法顏色查找表由高速的隨機存儲器組成，用來存儲表達像素色彩的代碼把顏色碼放在一個獨立的表（顏色查找表）中，幀緩存中每一像素對應(yīng)單元的代碼不再代表該像素的顏色碼，而是作為顏色查找表的地址索引在幀緩存單元的位數(shù)不增加的情況下，能夠大范圍內(nèi)挑選顏色的能力47480寄存器2WDAC電子槍幀緩沖存儲器10N010NN=32CRT光柵具有顏色查找表的N位面灰度等級幀緩沖存儲器2N表項101111WW=42W為總光強等級2N為每次可顯示光強等級視頻控制器建立幀緩存與屏幕像素之間的一一對應(yīng)，負責(zé)刷新邏輯結(jié)構(gòu)工作原理:刷新周期開始，依次取出幀緩存單元的數(shù)值，放入像素值寄存器，用來控制像素的顏色，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像素，轉(zhuǎn)下行，X置0，Y加149顯示（圖形）處理器(GPU)GPU:GraphicsProcessingUnit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、紋理映射等等50顯示卡Video/GraphicsCard顯示卡=視頻控制器+顯存+圖像處理器51顯示卡GPUnVidiaGeForce(1000/1100)QuadroAMDRADEOM(HD8000)Fire顯存速率（GDDR5）大?。?GByte）位寬（512bit）視頻控制器52光柵掃描顯示系統(tǒng)的優(yōu)缺點優(yōu)點：成本低易于繪制填充圖形灰度和色彩豐富，圖像逼真可以和電視機兼容刷新頻率一定，與圖形的復(fù)雜程度無關(guān)缺點：需要掃描轉(zhuǎn)換掃描轉(zhuǎn)換速度偏低，交互操作響應(yīng)慢分辨率偏低，有階梯（鋸齒）效應(yīng)53計算機圖形系統(tǒng)的組成圖形硬件設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備圖形硬件顯示系統(tǒng)圖形軟件系統(tǒng)54圖形軟件標(biāo)準指圖形系統(tǒng)及其相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)中界面之間進行數(shù)據(jù)傳送和通信的接口標(biāo)準，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)準核心圖形系統(tǒng)(CGS)計算機圖形核心系統(tǒng)(GKS)程序員層次交互式圖形系統(tǒng)(PHIGS)開放式圖形庫(OpenGL)微軟DirectX庫55圖形軟件標(biāo)準第一層次：面向硬件系統(tǒng)解決圖形設(shè)備與計算機的通訊接口等問題，稱為設(shè)備驅(qū)動程序設(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：建立在驅(qū)動程序之上完成圖元的生成、設(shè)備的管理等功能這個層次上的圖形支撐軟件已經(jīng)標(biāo)準化，如GKS、PHIGS、CGI等；

第三層次：面向用戶主要任務(wù)是建立圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，定義、修改和輸出圖形具有較強的交互功能，使用方便，容易閱讀，便于維護和移植OpenGL、Direct3D屬于這一層次56OpenGLOpenGL=OpenGraphicsLibrary工業(yè)標(biāo)準跨編程語言、跨平臺的應(yīng)用程序接口約350個函數(shù)/移動平臺OpenGLESWhynotDirect3DWindowsonly57OpenGL5858面向用戶圖形系統(tǒng)的基本功能基本圖形繪制（線畫、填充圖元等）圖形變換幾何變換投影變換圖元著色光照效果紋理映射…OpenGL圖形操作步驟根據(jù)基本圖形單元建立景物模型，并且對所建立的模型進行數(shù)學(xué)描述（OpenGL中把：點、線、多邊形、圖像作為基本圖形單元）把景物模型放在三維空間中的合適的位置，并且設(shè)置視點（viewpoint）以觀察所感興趣的景觀計算模型中所有物體的色彩，其中的色彩根據(jù)應(yīng)用要求來確定，同時確定光照條件、紋理粘貼方式等把景物模型的數(shù)學(xué)描述及其色彩信息轉(zhuǎn)換至計算機屏幕上的像素，這個過程也就是光柵化（rasterization）59OpenGL工作流程60OpenGL的組成基本函數(shù)庫與硬件平臺無關(guān)含GL、GLU和GLAUX庫函數(shù)包括：描述圖形元素（圖元）、屬性、幾何變換、觀察變換及其它操作實用函數(shù)工具包（GLUT：OpenGLUtilityToolkit）平臺無關(guān)窗口系統(tǒng)操作功能：創(chuàng)建窗口、鼠標(biāo)和鍵盤輸入、菜單及事件驅(qū)動61相關(guān)函數(shù)庫OpenGL核心庫（GL）這部分函數(shù)用于常規(guī)的、核心的圖形處理，是OpenGL的核心部分包含300多個函數(shù)，函數(shù)名前綴一律是“gl”Windows平臺上頭文件“GL.H”庫文件“OPENGL32.LIB”動態(tài)鏈接庫“OPENGL32.DLL”核心庫可以在所有的OpenGL平臺上運行62OpenGL函數(shù)格式函數(shù)格式示例：定義頂點函數(shù)63glVertex3f(x,y,z)glVertex3fv(p)屬于GL庫函數(shù)的功能參數(shù)的類型參數(shù)個數(shù)參數(shù)為指針注意每部分的大小寫相關(guān)函數(shù)庫OpenGL實用庫（GLU）這部分函數(shù)通過調(diào)用核心庫的函數(shù)，為開發(fā)者提供相對簡單的用法，實現(xiàn)一些較為復(fù)雜的操作。如：坐標(biāo)變換、紋理映射、繪制橢球、茶壺等簡單多邊形包含約50個函數(shù)，函數(shù)名前綴一律是“glu”Windows平臺上頭文件“GLU.H”庫文件“GLU32.LIB”動態(tài)鏈接庫“GLU32.DLL”實用庫可以在所有的OpenGL平臺上運行64相關(guān)函數(shù)庫OpenGL輔助庫（GLAUX）這部分函數(shù)提供窗口管理、輸入輸出處理以及繪制一些簡單三維物體包含約30個函數(shù)，函數(shù)名前綴一律是“aux”Windows平臺上頭文件“GLAUX.H”庫文件“GLAUX.LIB”動態(tài)鏈接庫“GLAUX.DLL”O(jiān)penGL中的輔助庫不能在所有的OpenGL平臺上運行65相關(guān)函數(shù)庫OpenGL工具庫（GLUT）由MarkKilgard開發(fā)這部分函數(shù)主要提供基于窗口的工具，以及一些繪制較復(fù)雜物體的函數(shù)包含大約30多個函數(shù)，函數(shù)名前綴為“glut”文件頭文件“GLUT.H”庫文件“GLUT32.