圖形輸入輸出設備

圖形輸入輸出設備第一頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/231交互式計算機圖形處理系統(tǒng)Computer+人=交互式PersonelComputer圖形處理系統(tǒng)workstation圖形處理系統(tǒng)要求主機性能更高（強大的浮點運算能力），速度更快，存儲容量更大，外設種類更齊全圖形加速卡，大屏幕顯示器第二頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/232硬件發(fā)展圖形輸入設備的發(fā)展第一階段：控制開關、穿孔紙等第二階段：鍵盤、光筆第三階段：二維定位設備，如鼠標、坐標數(shù)字化儀、跟蹤球、觸摸屏、操縱桿、掃描儀等第四階段：三維輸入設備（如三維鼠標、空間球、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣），用戶的手勢、表情等第三頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/233圖形輸出(顯示、打?。┰O備陰極射線管顯示器（CRT）液晶顯示器（LCD）繪圖儀打印機

第四頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/234未來顯示器發(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，掛在墻上無鋸齒現(xiàn)象，分辨率好無需刷新緩存，重量輕，無輻射價格貴第五頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/235CRT顯示器分類陰極射線管（CRT）（CathodeRayTube）單色CRT彩色CRT第六頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/236陰極射線管(CRT)組成：包括電子槍、聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏轉系統(tǒng)、熒光屏工作原理：電子槍發(fā)射電子束，經過聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏 轉系統(tǒng)，轟擊到熒光屏的不同部位，被其內表面的 熒光物質吸收，發(fā)光產生可見的圖形。結構第七頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/237熒光屏

熒光物質：吸收電子束而發(fā)光余輝時間：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

刷新頻率：每秒鐘重繪屏幕的次數(shù)像素(Pixel)：構成屏幕（圖像）的最小元素分辨率(Resolution)：在假定屏幕尺寸一定的情況下，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

某種CRT產生穩(wěn)定圖像所需要的最小刷新頻率=1秒/熒光物質的持續(xù)發(fā)光時間（Hz）第八頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/238彩色CRT滲透型常用于隨機掃描顯示器射線穿透法多槍型常用于光柵掃描顯示器影孔板法（陰罩法）彩色陰極射線管第九頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/239射線穿透法（beampenetration）原理：兩層熒光涂層，紅色光和綠色光兩種發(fā)光物質，不同速度電子束穿透熒光層的深淺，決定所產生的顏色應用：主要用于畫線顯示器優(yōu)點：成本低缺點：只能產生有限幾種顏色第十頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/2310影孔板法原理：影孔板被安裝在熒光屏的內表面，用于精確定位像素的位置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顯像管第十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/2311點狀影孔板工作原理紅、綠、蘭三基色三色熒光點（很小并充分靠近--〉像素）三支電子槍如果每支電子槍發(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，稱為真彩色系統(tǒng)第十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/2312CRT顯示器分類直視存儲管式（Direct-ViewStorageTubes）利用管子本身存儲信息，類似于一個長余輝的CRT，不必刷新刷新式隨機掃描式（Random-Scan）光柵掃描式（Raster-Scan）第十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/2313隨機掃描的顯示系統(tǒng)特點數(shù)據(jù)表示：矢量表示，只有端點信息，無線段中間點掃描方式：電子束像一支快速移動的畫筆，可隨意移動，只掃描熒屏上要顯示的部分，與示波器工作原理類似顯示圖形：幾何屬性（geometricattribute）為主，線架圖優(yōu)點：掃描速度快，分辨率高，線條質量好，易修改，交互性好，動態(tài)性能好缺點：價格貴，只能顯示線畫圖形，應用于軍事、CAD領域第十四頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/2314光柵掃描的顯示系統(tǒng)特點：數(shù)據(jù)表示：像素矩陣掃描方式：從上到下，從左到右，與電視工作原理類似顯示圖形：幾何屬性+視覺屬性（Visualattribute），真實感圖形第十五頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/2315顯示器的分辨率電子束按固定的掃描順序掃描N條掃描線，每條掃描線有M個像素，M*N顯示器的分辨率。

幀第十六頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/2316繪圖儀printerComputerDPU輸入設備視頻控制器display邏輯部件：幀緩沖存儲器（FrameBuffer)視頻控制器（VideoController)顯示處理器（DisplayProcessingUuit，簡稱DPU）CRT第十七頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/2317幀緩沖存儲器（FrameBuffer)作用：存儲屏幕上像素的顏色值也稱刷新存儲器(RefreshingBuffer)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。第十八頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/2318位面（bitplane）技術把顯存分成若干色平面，各平面上相同位置的每一位和屏幕上的一個像素對應，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容決定像素的顏色。色平面越多，可表達的色彩越豐富。增加一個位面，色彩就增加一倍，而存儲器寫操作程序無需重新計算新地址，程序兼容性好。第十九頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/2319N位寄存器電子槍CRT光柵有N個位面的幀緩存2NDAC0100010~2N-1灰度等級寄存器藍色槍幀緩存DAC0001CRT光柵01DACDAC紅色槍綠色槍第二十頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/2320若有24個位面（每種基色8個位面）則可同時顯示(28)3=224=16777216種顏色（24位真彩色）。紅綠藍三個位面，組合成8種顏色增加一個亮度位面，形成16種顏色紅綠藍Black000Blue001Green010Cyan011Red100Magenta101Yellow110White111第二十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/2321顯存容量問題分辨率M*N、顏色個數(shù)K與顯存容量V的關系第二十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/2322顯存容量問題若存儲器位長固定，則屏幕分辯率與同時可用的顏色種數(shù)成反比關系。1024*768真彩模式需要3M字節(jié)顯存高分辨率和真彩要求有大的顯存；解決方法：采用查色表(Look-upTable）第二十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/2323查色表（LUT）是一維線性表，其每一項的內容對應一種顏色，它的長度由幀緩存單元的位數(shù)決定目的：在幀緩存單元的位數(shù)不增加的情況下，具有大范圍內挑選顏色的能力。顏色信息在幀緩存中的兩種存放方式：顏色值直接存儲在幀緩存中。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，索引色。單色系統(tǒng)：查色表固化彩顯：可修改、創(chuàng)建查色表。第二十四頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/2324帶寬T與分辨率、幀頻（刷新頻率）F的關系帶寬問題高分辨率和高刷新頻率要求高帶寬解決方法：隔行掃描帶寬問題第二十五頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/2325隔行掃描（Interlacedscan）工作原理場頻：=幀頻*2一幀完整的畫面分成兩場，即奇數(shù)場與偶數(shù)場優(yōu)點：降低了閃爍效應；只需逐行的一半時間即可顯示一屏畫面，降低了對掃描頻率的要求，也降低了成本；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。第二十六頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/2326視頻控制器（顯示控制器）作用：制圖形的顯示，建立幀緩存與屏幕像素之間的一一對應關系，負責按固定刷新頻率和掃描順序刷新屏幕圖形第二十七頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/2327顯示處理器顯示處理器DisplayProcessingUuit，簡稱DPU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、紋理映射等等第二十八頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/2328光柵顯示系統(tǒng)的特點優(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，與圖形的復雜程度無關缺點：需要掃描轉換掃描轉換速度偏低，交互操作響應慢分辨率偏低，有階梯效應第二十九頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/2329圖形軟件發(fā)展及軟件標準形成

三種類型的計算機圖形軟件系統(tǒng)：

(1)用某種語言寫成的子程序包如:GKS(GraphicsKernelSystem)PHIGS(Programmer’sHerarchicalIuteractiveGraphicssystem)GL

便于移植和推廣、但執(zhí)行速度相對較慢，效率低

(2）擴充計算機語言，使其具有圖形生成和處理的功能

如：TurboC，AutoLisp等。

簡練、緊湊、執(zhí)行速度快，但不可移植（3）專用圖形系統(tǒng)：效率高，但系統(tǒng)開發(fā)量大，可移植性差。 第三十頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/2330通用的、與設備無關的圖形標準GKS(GraphicsKernelSystem)(第一個官方標準，1977)PHIGS(Programmer’sHerarchicalIuteractiveGraphicssystem)一些非官方圖形軟件，廣泛應用于工業(yè)界，成為事實上的標準DirectX(MS)Xlib(X-Window系統(tǒng))OpenGL(SGI)Adobe公司Postscript

第三十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/2331開放式的三維圖形軟件包OpenGLOpenGL是近幾年發(fā)展起來的一個性能卓越的三維圖形標準，它是在SGI等多家世界聞名的計算機公司的倡導下，以SGI的GL三維圖形庫為基礎制定的一個通用共享的開放式三維圖形標準。目前，包括Microsoft、SGI、IBM、SUN、HP等大公司都采用了OpenGL做為三維圖形標準，許多軟件廠商也紛紛以OpenGL為基礎開發(fā)出自己的產品。其中比較著名的產品包括：動畫制作軟件Softimage和3DStudioMAX、仿真軟件OpenInventor、VR軟件WorldToolKit、CAM軟件ProEngineer、GIS軟件ARC/INFO等等。第三十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/2332OpenGL的優(yōu)越性獨立于窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，以它為基礎開發(fā)的應用程序可以十分方便地在各種平臺間移植；可與VisualC++緊密接口，便于實現(xiàn)機械手的有關計算和圖形算法，可保證算法的正確性和可靠性；使用簡便，效率高。第三十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日2023/2/2333OpenGL圖形庫的功能一共有100多個函數(shù)。其中核心函