計算機圖形系統(tǒng)概述 計算機圖形學 課件

第2章

計算機圖形系統(tǒng)概述

IntroductiontoGraphicsSystem

交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

提綱

■圖形系統(tǒng)硬件

?輸入設備(Inputdevices)

?輸出設備(Outputdevices)

?圖形處理器(Graphicsprocessor)

■圖形系統(tǒng)軟件

?計算機圖形軟件標準

?通用圖形軟件包的基本功能

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交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

圖形輸入設備(inputdevices)

■定位設備(locatordevices)：

?坐標數(shù)字化儀(datatablet)

?鼠標器(mouse)

?跟蹤球(trackball)

?操縱桿(joystick)

?觸摸屏(touchpanel)：分電阻式,電容式，紅外線式,聲表面波式。

?光筆(lightpen)

■鍵盤(keyboard)

■圖象掃描儀(imagescaner)

■三維輸入設備：有控制球、操縱合、數(shù)據(jù)手套、跟蹤器。

■智能化(intelligent)輸入設備

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交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

二

普

標空間球

掃

描

儀

4

交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

圖形輸出設備(outputdevices)

■圖形顯示器：

71打印機(printer)

■CRT顯示器

?隨機掃描顯示器(矢量發(fā)生器)

?存儲管式顯示器

刁繪圖儀

?光柵掃描顯示器(graphplotter)

■平板顯示器

?液晶顯示器(LCD)“三維顯示設備

?等離子(plasma)顯示器

?Flat-planeCRTdisplay

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交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

CRT(Cathoderaytube)顯小器工作原理(1)

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交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

CRT顯示器工作原理(2)

■名詞解釋:

象素(pixel-pictureelement)

分辨率(resolution)

幀緩沖存儲器(framebuffer)

位面(planes)

■單色(monochrome)顯示器

■每個像素占用1個bit

■灰度(grayed)顯示器

■每個像素占用多個bit

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交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

CRT顯示器工作原理(3)

■衡量CRT性能的指標

■屏幕尺寸大小

■點距

■分辨率

■畫面刷新頻率

■帶寬

交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

彩色CRT顯示器

hiectron

蔭罩法(shadow-

maskCRT)

■三個電子槍

■三個熒光點構(gòu)成一個像素

■各像素與蔭罩板上的洞對

應

o

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(真)全彩色系統(tǒng)(fullcolorsystem)

若

(可

有

2同

4

位

時2

4

個

真

顯

位

彩

示

色

2(面

))8(

3每

H

1種

6

7基

7

7色

2

18

6個

種

位

顏

面

色)

1o

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刷新

■特得寺點:

慕螂2只起疆信矗

作原理類似

■排緘窺蒯___麗____此__一__醯格祐勤B

藕喉翳i希皿瑜鰥rifi胡摘熒屏破癡形小

隨機式(random)

attrib

■肺慚頻W質(zhì)

(a)

量好，：總好

■應

光柵式(raster)fra|5Wr=t%

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（C）(d)

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續(xù)

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光柵掃描顯示系統(tǒng)工作原理

(raster-scandisplaysystem)

應用程序發(fā)出繪圖命令

一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)

一視頻控制器控制驅(qū)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

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交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

光柵掃描顯示系統(tǒng)邏輯部件

幀級沖器

說刎拴市I」希帆斯探作不例14

交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

簡單光柵掃描圖形顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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改進的光柵掃描圖形顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

具有專用顯示處理器的光柵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

"交"互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphic寸s廠期沒有

模擬信號輸出

O

O

算

圖形處理器計

芯

主

片RAMDAC

控

■俗稱顯卡機

信

制

■CGAEGAVGA號

■TVGASVGAXGASXG

■工作原理

顯存

■顯示主芯片

■顯卡的核心，俗稱GPU

■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

■各圖形函數(shù)基本上都集成在這里

■存儲將要顯示的圖形信息

-保存圖形運算的中間數(shù)據(jù)

■它與顯示主芯片的關(guān)系，就像計算機的內(nèi)存之于CPU一樣

■R4MD4C

■視頻存儲數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器

■在視頻處理中，把二進制的數(shù)字轉(zhuǎn)換成為和顯示器相適應的模擬信號

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交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

總結(jié)1—幾個數(shù)量關(guān)系

幀緩存容量--N

位面數(shù)一L

可顯示的不同顏色的數(shù)量-m

m=2：N=L*屏幕分辨率(bits)

刷新速率F:最小要求速率>30幀/秒

帶寬T：T>F*屏幕分辨率

*像素訪問周期=1/(刷新速率*屏幕分辨率)

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交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

總結(jié)2—沖突的存在

■影響顯示器成本的因素：

■分辨率

■可顯示的不同顏色數(shù)

■幀緩存容量

幀緩存容量與可顯示顏色數(shù)、分辨率之間存在沖突

■解決之道？！

■查色表

-隔行掃描

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交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

查色表(look-uptable--LUT)

---------?XmaxLook-uptable

Framebuffer

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隔行掃描(interleavedscan)

解決刷新頻率與刷新周期之間矛盾的方法

一幀完整的畫面分成兩場（奇數(shù)場與偶數(shù)場）

場頻=幀頻*2（如：幀頻30Hz，場頻60HZ）

交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

總結(jié)3—光柵顯示系統(tǒng)的特點

■優(yōu)點：

優(yōu)點使其占據(jù)了市場主流

?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(guān)

■缺點：

?需要掃描轉(zhuǎn)換

?掃描轉(zhuǎn)換速度偏低，交互操作響應慢

?分辨率偏低，有階梯效應

缺點正在被克服

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交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

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

■平面直角顯象管

■表面：球面的一部分，接近于平面，曲率相對比球面柱狀管小，反光及四角失

真現(xiàn)象減少

■時間：90年代中后期

■純平顯象管

■表面：純平面，水平和垂直方向平面如鏡，色彩和亮度對比鮮明

■適合影像處理、多媒體展示、影片欣賞

■時間：90年代后期

■市場上的主流顯象管

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交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

LCD顯示器（1/5）

■CRT顯示器的缺點：

■屏幕的加大導致顯象管的加長，體積加大，使用

時候受到空間的限制

■利用電子槍發(fā)射電子束來產(chǎn)生圖像，產(chǎn)生輻射與

電磁波干擾，長期使用對健康不利

節(jié)省放置空間的短管

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交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

LCD顯示器(2/5)

■液晶顯示器

■LCD(LiquidCrystalDisplay)

■原理

■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)和固體的光學性質(zhì)

■當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

■此融通過它的光的折射角度就會發(fā)生變現(xiàn),而產(chǎn)

生色彩

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交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

LCD顯示器(3/5)

■液晶屏幕后面有一個背光

■這個光源先穿過第一層偏光板,再來到液晶體上

■當光線透過液晶體時，就會產(chǎn)生光線的色澤改變

■從液晶體射出來的光線，再經(jīng)過一塊彩色濾光束以及第

二塊偏光板

■由于兩塊偏光板的偏振方向成90度，再加上電壓的變化

和一些其他裝置，就能顯示我們想要的顏色了

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交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

LCD顯示器(4/5)

■基本技術(shù)指標

■可視角度

?指左右兩邊的可視最大角度相加

■點距

?兩個液晶顆粒(光點)之間的距離

■分辨率

?指其真實分辨率

?比如1024X768的含義就是指該液晶顯示器含

有1024X768個液晶顆粒

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交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

LCD顯示器(5/5)

■顯示效果有差距

■但有后來居上之勢

■外觀小巧精致，厚度只有6.5~8cm左右

■液晶象素總是發(fā)光，只有加上不發(fā)光的電壓時該

點才變黑，不會產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象

■工作電壓低，功耗小，節(jié)約能源

■沒有電磁輻射，對人體健康沒有任何影響

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交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

LCOS顯示器(1/3)

■LCOS(LiquidCrystalonSilicon)-有源點陣

反射式液晶顯示技術(shù)

■LCD與CMOS集成電路有機結(jié)合的反射型新

型顯示技術(shù)

■具備大屏幕、高亮度、高分辨率、省電等優(yōu)勢

■可能是HDTV的背投影技術(shù)發(fā)展的主要方向

■目前CRT技術(shù)大屏幕投影電視機的主要競爭者

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交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

LCOS顯示器(2/3)

■與LCD技術(shù)最大的不同是

■LCD是利用光源穿過LCD作調(diào)變，屬于穿透式

成像

■LCOS是利用反射的架構(gòu)，光源發(fā)射出來的光

并不會穿透LCOS面板，屬于反射式成像

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交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

LCOS顯示器(3/3)

■存在的問題：

■行業(yè)標準不統(tǒng)一，各家推出的LCOS應用產(chǎn)品

各具特色，專利技術(shù)也不一樣，上游配套產(chǎn)品

比較復雜，如光學鏡頭、光機、燈、屏幕等

■LCOS制造工藝存在瓶頸，良品率受制約，成

本相對較高

■從目前產(chǎn)品性能、價格與現(xiàn)有市場分析，現(xiàn)

階段的LCOS技術(shù)還難以與LCD技術(shù)抗衡

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交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

空氣等離子體顯示器

■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

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交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

未來顯示器

■發(fā)光聚合物技術(shù)

■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。

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交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

計算機圖形軟件分類及標準

?圖形軟件系統(tǒng)分類

-子程序包（如：GKS,PH工GS,GL）

便于移植和推廣、但執(zhí)行速度相對較慢，效率低

?為語言擴充出圖形功能（如：TurboC,AutoLisp）

簡練、緊湊、執(zhí)行速度快，但不可移植

?專用的圖形系統(tǒng)

效率高，但系統(tǒng)開發(fā)量大，可移植性差。

?圖形學軟件功能標準化

?1974年ACMSIGGRAPH舉辦“與機器無關(guān)的圖形技術(shù)會議”

?成立了一個圖形標準化委員會開始標準的制定

?ISO和ANSI批準的第一個國際圖形標準是：GKS

?事實上的企業(yè)標準與國際標準并存，如：OpenGL,DirectX等

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交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

圖形軟件標準圖形（工程》

數(shù)據(jù)庫

分

子)IGES,STEP

據(jù)

程

兩

序及

類

界

文.

面

件

標

格

準

式

標

準

屏幕磁盤

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交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

數(shù)據(jù)及文件格式標準

■各界面間進行數(shù)據(jù)傳送和通信

接口標準。包括：

■CGI(ComputerGraphicsInterface)

■CGM(ComputerGraphicMetafile)

■IGES(InitialGraphicsExchange

Specification)

■STEP(STandardfortheExchangeof

Productmodeldata)

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交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

子程序界面標準

?供圖形應用程序調(diào)用的子程序

功能及格式標準。包括：

?GKS(GraphicsKernelSystem)

?PHIGS(Programmer^Hierarchical

InteractiveGraphicsSystem)

?GL(GraphicLibrary)

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交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

計算機圖形接口CGI

■標準號是ISODP9636o

■與ANSI在1985年公布的VDI(Virtual

DeviceInterface)是一致的。

■可看作是圖形設備驅(qū)動標準。

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交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

計算機圖形元文件（CGM）

■標準號是ISOIS8632

■通過元文件產(chǎn)生器生成并通過原文件解釋

器與CGI（驅(qū)動器）配套使用。

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交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

基本圖形轉(zhuǎn)換規(guī)范IGES

■是實際上的工業(yè)標準。

■目的：處理在不同的CAD/CAM系統(tǒng)間進行的

數(shù)據(jù)交換。

■內(nèi)容：定義了一套表示CAD/CAM系統(tǒng)中常用

的幾何和非幾何數(shù)據(jù)格式以及響應的文件結(jié)構(gòu)。

■使用：由系統(tǒng)中的IGES前、后處理器完成

IGES格式文件的輸出、輸入。

■問題：數(shù)據(jù)不精確、數(shù)據(jù)量太大等

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交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標準STEP

■具體組成包括：

■描述方法標準

■實現(xiàn)方法標準

■一致性測試方法與工具標準

■信息模型標準

■應用協(xié)議

■96年成為ISO標準。

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交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

圖形核心系統(tǒng)GKS和GKS-3D

■GKS是一個二維圖形

標準，GKS-3D是它

的擴展，標準號是

ISOIEC8806-4o

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交互式計算機圖形學-InteractiveComputerGraphics

PHIGS和PHIGS*

■Programmer'sHierarchicalInteractiveGraphics

System,功能：

-向應用程序員提供控制圖形設備的接口

-圖形數(shù)據(jù)按層次結(jié)構(gòu)自知，使多層次的應用模型能方便地應用

PHIGS進行描述

■提供動態(tài)修改和繪制