計算機圖形學-章節(jié)2課件

第二講圖形設備與系統(tǒng)2.1圖形顯示設備2.2圖形系統(tǒng)及其標準2023/2/61GraphicsLab.PKU圖形輸入設備： 二維：鼠標、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，2023/2/62GraphicsLab.PKU2.1圖形顯示器2.1.2陰極射線管2.1.3彩色陰極射線管

射線穿透法 影孔板法2.1.4隨機掃描顯示系統(tǒng)2.1.5光柵掃描系統(tǒng)2023/2/63GraphicsLab.PKU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點的亮度。2023/2/65GraphicsLab.PKU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，提高分辯率 加速電極 加正的高壓電（幾萬伏），使電子束高速運動。2023/2/66GraphicsLab.PKU偏轉系統(tǒng)控制電子束，靜電場或磁場，產(chǎn)生偏轉，最大偏轉角是衡量系統(tǒng)性能的最重要的指標，顯示器長短與此有關。2023/2/67GraphicsLab.PKU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)生的顏色應用：主要用于畫線顯示器優(yōu)點：成本低缺點：只等產(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2023/2/69GraphicsLab.PKU2.1.2彩色陰極射線管（續(xù)）影孔板法原理：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2023/2/610GraphicsLab.PKU影孔板的類型點狀影孔板代表：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Flatron顯像管2023/2/611GraphicsLab.PKU顯示器能同時顯示的顏色個數(shù)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)調(diào)節(jié)各電子槍發(fā)生的電子束中所含電子的數(shù)目，即可控制各色光點亮度。2023/2/613GraphicsLab.PKU*純平顯示器*走向平面的顯像管球面顯象管：表面：球面的一部分時間：~90年代初柱面顯象管：表面：柱面的一部分，垂直方向上平直，水平方向上有彎曲時間：90年代中期代表：Sony公司的Trinitron，Mitsubishi公司的Diamondtron平面直角顯象管表面：球面的一部分，類似于平面時間：90年代中后期現(xiàn)在市場上的主流顯象管純平顯象管表面：純平面時間：90年代后期代表：Sony公司的FDTrinitron，Mitsubishi公司的Diamondtron，Samsung公司的DanyFlat，LG公司的Flatron今后的主流顯象管2023/2/614GraphicsLab.PKU*未來顯示器*采用空氣等離子體技術，空氣等離子體可想象成一個個微型霓虹燈，紅綠藍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，堅不可摧；柔韌性好，可以卷起來；顯示畫面具有無與倫比的清晰度。真正的平面直角。2023/2/615GraphicsLab.PKU工作原理

應用程序發(fā)出繪圖命令，→解析成顯示處理器可接受命令格式，存放在刷新存儲器中。刷新存儲器中所有的繪圖命令組成一個顯示文件，由顯示處理器負責解釋執(zhí)行(刷新)，→驅動電子槍在屏幕上繪圖。 修改圖形，實際是修改顯示文件中的某些繪圖命令。2023/2/617GraphicsLab.PKU2.1.4光柵掃描的顯示系統(tǒng)光柵掃描顯示系統(tǒng)特點：光柵掃描掃描線幀水平回掃期垂直回掃期2023/2/618GraphicsLab.PKU繪圖過程2023/2/619GraphicsLab.PKU邏輯部件：幀緩沖存儲器（FrameBuffer)，視頻控制器（VideoController)，顯示處理器（DisplayProcessor），CRT幀緩沖存儲器作用：存儲屏幕上像素的顏色值簡稱幀緩沖器，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，單元與像素一一對應，各單元的數(shù)值決定了其對應像素的顏色。顯示顏色的種類與幀緩存中每個單元的位數(shù)有關（圖示幀緩沖器的每個單元只有一位）。

2023/2/621GraphicsLab.PKU彩顯：若每個單元有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）。分辨率M*N、顏色個數(shù)K與顯存大小V的關系 3個位面分辯率是1024×1024的顯示器，需要3×1024×1024（3145728）位的存儲器。若存儲器位長固定，則屏幕分辯率與同時可用的顏色種數(shù)成反比關系。1兆字節(jié)的幀緩存，若設分辯率為640×480，則幀緩存每個單元可有24位，可能同時顯示224種顏色，若設分辯率為1024×768，則每個單元分得的位數(shù)僅略多于8，只能工作于256色顯示模式下。2023/2/622GraphicsLab.PKU彩顯：顯存問題高分辨率和真彩要求有大的顯存；曾經(jīng)是個問題！解決方法：采用查色表(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2023/2/623GraphicsLab.PKU存放方式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立的表中，幀緩存存放的是顏色表中各項的索引值，顏色范圍擴充了。單色系統(tǒng)：查色表固化彩顯：可修改、創(chuàng)建查色表。2023/2/625GraphicsLab.PKU帶寬T與分辨率、幀頻F的關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）隔行掃描的：把一幀分兩場，即奇數(shù)場與偶數(shù)場場頻：==2*幀頻彩顯：2023/2/626GraphicsLab.PKU隔行掃描工作原理

一幀完整的畫面分成兩場。 一場1／60秒，（場頻60HZ），（幀頻30HZ）畫面更新頻率仍為60HZ，降低了閃爍效應，每一場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。2023/2/627GraphicsLab.PKU視頻控制器作用：建立幀緩存與屏幕像素之間的一一對應，負責刷新邏輯結構工作原理——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，首先取出對應像素（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，直到該掃描線上的最后一個像素。雙緩沖機制（DoubleBuffer)普通顯卡=視頻控制器+顯存2023/2/629GraphicsLab.PKU顯示處理器作用：代替CPU完成部分圖形處理功能，掃描轉換、幾何變換、裁剪、光柵操作、紋理映射等等具有專用顯示處理器的光柵顯示系統(tǒng)的結構圖形加速卡=視頻控制器+顯存+顯示處理器2023/2/630GraphicsLab.PKU光柵顯示系統(tǒng)的特點優(yōu)點：成本低易于繪制填充圖形色彩豐富刷新頻率一定，與圖形的復雜程度無關易于修改圖形缺點：需要掃描轉換會產(chǎn)生混淆缺點正在被克服優(yōu)點使其占據(jù)了市場主流2023/2/631GraphicsLab.PKU2.2圖形系統(tǒng)及其標準硬件，圖形I/O設備，系統(tǒng)軟件，圖形軟件。圖形軟件：通用編程軟件包，專用應用軟件包。通用類：提供一個可用于高級程序語言的圖形功能擴展集(比如，OpenGL).基本功能：圖元生成，屬性設置（顏色，….）選擇觀察及實施變換等。專用類：不關心圖形操作過程（比如，CAD系統(tǒng)。2023/2/632GraphicsLab.PKU圖形系統(tǒng)標準圖形標準：圖形系統(tǒng)及其相關應用系統(tǒng)中各界面之間進行數(shù)據(jù)傳送和通信的接口標準，以及供圖形應用程序調(diào)用的子程序功能及其格式標準，前者稱為數(shù)據(jù)及文件格式標準，后者稱為子程序界面標準。2023/2/633GraphicsLab.PKU圖形系統(tǒng)標準分類面向圖形設備的接口標準：計算機圖形元文件(CGM)，(CRT,Mouse,…)計算機圖形接口(CGI).設備驅動程序。面向應用軟件的標準：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：基本圖形轉換規(guī)范（IGES）產(chǎn)品數(shù)據(jù)轉換規(guī)范（STEP）2023/2/634GraphicsLab.PKUCGI（ISODP9636)--提供控制圖形硬件的一種與設備無關的方法。--也可看作圖形設備驅動程序的一種標準。--在用戶程序和虛擬設備之間，以一種獨立于設備的方式提供圖形信息的描述和通信。2023/2/635GraphicsLab.PKUCGM（ISOIS8632)--與設備無關的語義、詞法定義的圖形文件格式。--規(guī)定了生成、存儲、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。--通用性是其關鍵屬性。2023/2/636GraphicsLab.PKUGKS--提供了在應用程序和圖形輸入輸出設備之間的功能接口。--與語言無關。--GKS提供了一個稱為元文件的順序文件接口--應用程序的所有圖形資源由GKS控制（通過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應用程序間傳送圖形信息； 與圖形信息相關的非圖形信息的存 儲和復用。2023/2/637GraphicsLab.PKUPHIGS（ISOIS9592）--向應用程序員提供的控制圖形設備的圖形系統(tǒng)接口；--圖形數(shù)據(jù)按層次結構組織；--提供動態(tài)修改和繪制顯示圖形數(shù)據(jù)的手段。是一個高度動態(tài)化和交互式圖形系統(tǒng)。2023/2/638GraphicsLab.PKUGL圖形程序庫，UNIX下運行，OpenGL—微機，分類：基本圖素；坐標變換；設置屬性和顯示方式；I/O處理；真實圖形顯示。2023/2/639GraphicsLab.PKUIGES（基本圖形轉換規(guī)范）--InitialGraphicsExchangeSpecification--作用：不同的CAD/CAM系統(tǒng)之間交換數(shù)據(jù)。--文件格式是ASCII碼，五節(jié)：開始節(jié)，目錄入口(DE)，參數(shù)(DP)節(jié)，整體節(jié)和結束節(jié)。2023/2/640GraphicsLab.PKUSTEP（產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)轉換標準）--StandardfortheExchangeofProductmodelDat