计算机图形学第二章

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第二章 图形设备与系统,2.1,图形显示设备,2.2,图形系统及其标准,图形输入设备：,二维：鼠标、图形输入板、跟踪球、光笔、触摸,屏、操纵杆、扫描仪, ,三维：空间球、数据手套, ,图形输出,(,显示、打印）系统：,阴极射线管显示器，,液晶显示器，等离子显示器，, ,绘图仪,打印机，,第二章 图形设备与系统,2.1,图形显示器,2.1.1,阴极射线管,2.1.2,彩色阴极射线管,射线穿透法,影孔板法,2.1.3,随机扫描显示系统,2.1.4,光栅扫描系统,阴极射线管,(CRT),组成：包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧,光,屏,工作原理：电子枪发射电子束，经过聚焦系统、加速电极、,偏转系统，轰击到荧光屏的不同部位，被其内表面的,荧光物质吸收，发光产生可见的图形。,结构,2.1.1,阴极射线管,电子枪,电灯丝，阴极和控制栅组成。,阴极：由灯丝加热发出电子束，,控制栅：加上负电压后，能够控制通过其中小孔的带负电的电子束的强弱。通过调节负电压高低来控制电子数量，即控制荧光屏上相应点的亮度。,2.1.1,阴极射线管,聚焦系统,通过电场和磁场控制,电子束，“变细”，保证,亮点足够小，提高分辩率,加速电极,加正的高压电（几万伏）， 使电子束高速运动。,2.1.1,阴极射线管,偏转系统,控制电子束，静电场或磁场，产生偏转，最大偏转角是衡量系统性能的最重要的指标，显示器长短与此有关。,2.1.1,阴极射线管,荧光屏,荧光物质：吸收电子束而发光,持续发光时间：电子束离开某点后，该点的亮度值衰减到初始值,1/10,所需的时间,刷新,(Refresh),：,为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值,刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数,像素,(Pixel:Picture Cell),：,构成屏幕（图像）的最小元素,分辨率,(Resolution),：,CRT,在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大像素个数，单位通常为,dpi,（,dots per inch),。,在假定屏幕尺寸一定的情况下，也可用整个屏幕所能容纳的像素个数描述，如,640*480,，,800*600,，,1024*768,，,1280*1024,等等,某种,CRT,产生稳定图像所需要的最小刷新频率,=1,秒,/,荧光物质的持续发光时间,（例如）,=1000/40=25Hz,2.1.1,阴极射线管,产生彩色的常用方法：射线穿透法、影孔板法,射线穿透法,原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光物质，电子束轰击穿透荧光层的深浅，决定所产生的颜色,应用：主要用于画线显示器,优点：成本低,缺点：只能产生有限几种颜色,电子束,荧光涂层,产生颜色,低速电子束,较低速电子束,较高速电子束,高速电子束,2.1.2,彩色阴极射线管,影孔板法,原理：影孔板被安装在荧光屏的内表面，用于精确定位像素的位置,外层玻璃,荧光涂层,影孔板,2.1.2,彩色阴极射线管,影孔板的类型,点状影孔板,代表：大多数球面与柱面显像管,栅格式影孔板,代表：,Sony,的,Trinitron,与,Mitsubishi,的,Diamondtron,显像管,沟槽式影孔板,代表：,LG,的,Flatron,显像管,2.1.2,彩色阴极射线管,点状影孔板工作原理,红、绿、兰三基色,三色荧光点（很小并充分靠近,-,像素）,三支电子枪,电子枪、影孔板中的一个小孔和,荧光点,呈一直线；,每个小孔与一个像素（即三个,荧光点,）对应,2.1.2,彩色阴极射线管,显示器能同时显示的颜色个数,如果每支电子枪发出的电子束的强度有,256,个等级，则显示器能同时显示,256*,256,*,256,=16M,种颜色，称为真彩系统,调节各电子枪发生的电子束中所含电子的数目，即可控制各色光点亮度。,2.1.2,彩色阴极射线管,*纯平显示器*,走向平面的显像管,球面显象管：,表面：球面的一部分 时间：,90,年代初,柱面显象管：,表面：柱面的一部分，垂直方向上平直，水平方向上有弯曲,时间：,90,年代中期,代表：,Sony,公司的,Trinitron,，,Mitsubishi,公司的,Diamondtron,平面直角显象管,表面：球面的一部分，类似于平面 时间：,90,年代中后期,现在市场上的主流显象管,纯平显象管,表面：纯平面 时间：,90,年代后期,代表：,Sony,公司的,FD Trinitron,，,Mitsubishi,公司的,Diamondtron,，,Samsung,公司的,DanyFlat,，,LG,公司的,Flatron,今后的主流显象管,*,LCD,显示器*,采用空气等离子体技术，,空气等离子体可想象成一个个微型霓虹灯，红绿蓝三种不同颜色的像素。,显示屏薄，挂在墙上。,发光聚合物技术，坚不可摧；柔韧性好，可以卷起来；显示画面具有无与伦比的清晰度。真正的平面直角。,2.1.3,随机扫描的显示系统,特点：电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分。,逻辑部件：刷新存储器,(Refreshing Buffer),显示处理器（,DPU:Display Processing,Uuit,）和,CRT,工作原理,应用程序发出绘图命令，,解析成显示处理器可,接受命令格式，存放在刷新存储器中。刷新存储器中所,有的绘图命令组成一个显示文件，由显示处理器负责解,释执行,(,刷新,),，,驱动电子枪在屏幕上绘图。,修改图形，实际是修改显示文件中的某些绘图命令。,2.1.3,随机扫描的显示系统,2.1.4,光栅扫描的显示系统,光栅扫描显示系统,特点：光栅扫描,扫描线,帧,水平回扫期,垂直回扫期,绘图过程,2.1.4,光栅扫描的显示系统,-,显示器的分辨率,电子束按固定的扫描顺序进行扫描,N,条扫描线，每条,扫描线有,M,个像素，,M * N,显示器的分辨率。,2.1.4,光栅扫描的显示系统,逻辑部件：帧缓冲存储器（,Frame Buffer),，,视频控制（,Video Controller),，,显示处理器（,Display Processor,），,CRT,帧缓冲存储器简称帧缓冲器，俗称显存,作用：存储屏幕上像素的颜色值,帧缓存中单元数目与显示器上像素的数目相同，单元与像素一一对应，各单元的数值决定了其对应像素的颜色。,显示颜色的种类与帧缓存中每个单元的位数有关（图示帧缓冲器的每个单元只有一位）。,2.1.4,光栅扫描的显示系统,彩显：,若每个单元有,24,位（每种基色占,8,位）即显示系统可同时产生,2,24,种颜色（,24,位真彩色）,分辨率,M*N,、,颜色个数,K,与显存大小,V,的关系,3,个位面分辩率是,1024,1024,的显示器，需要,3,1024,1024,（,3145728,）位的存储器。若,存储器位长固定，则屏幕分辩率与同,时可用的颜色种数成反比关系。,1,兆字节的帧缓存，若设分辩率,为,640,480,，则帧缓存每个单元可有,24,位，可能同时显示,2,24,种,颜色，若设分辩率为,1024,768,，则每个单元分得的位数仅略多,于,8,，只能工作于,256,色显示模式下。,2.1.4,光栅扫描的显示系统,彩显：,显存问题,高分辨率和真彩要求有大的显存；,曾经是个问题！,解决方法：采用查色表,(Lookup Table,）,或称彩色表,(Color Table),查色表工作原理,1024*768,真彩模式需要,3M,字节显存,2.1.4,光栅扫描的显示系统,查色表（,look up Table,）,或称（,color table,）,是一维线性表，其每一项的内容对应一种颜色，它的长度由帧缓存单元的位数决定，例如：每单元有,8,位，则查色表的长度为,2,8,256,目的：在帧缓存单元的位数不增加的情况下，具有大范围内挑选颜色的能力：,2.1.4,光栅扫描的显示系统,存放方式,颜色信息在帧缓存中两种存放方式：一是颜色值直接存储在帧缓存中。二是把颜色码放在一个独立的表中，帧缓存存放的是颜色表中各项的索引值，颜色范围扩充了。,单色系统：查色表固化,彩显：可修改、创建查色表。,2.1.4,光栅扫描的显示系统,带宽,T,与分辨率、帧频,F,的关系,带宽问题,高分辨率和高的刷新频率要求有高带宽,-,依然是个问题！,解决方法：隔行扫描（现在已经基本不用，主流,显示器都采用逐行扫描方式）,隔行扫描的：把一帧分两场，即奇数场与偶数场,场频：,=2*,帧频,彩显：,2.1.4,光栅扫描的显示系统,隔行扫描,工作原理,一帧完整的画面分成两场。,一场,1,60,秒，（场频,60HZ,），（,帧频,30HZ,）,画面更新频率仍为,60HZ,，,降低了闪烁效应，每一场,1,60,秒内，帧缓存中数据量比逐行扫描少一半。降低了视频控制器存取帧缓存的速度及传输带宽的要求。,2.1.4,光栅扫描的显示系统,简单的光栅扫描图形显示系统的结构,较为典型的光栅扫描图形显示系统的结构,其中，帧缓存为系统内存,任一块区域，视频控制器,能够直接存取该区域以刷,新屏幕。,其中，帧缓存可以是专用,的存储器，也可以是系统,内存中的一块固定区域。,2.1.4,光栅扫描的显示系统,视频控制器,作用：,建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应，负责,刷新,逻辑结构,工作原理,刷新周期开始，光栅扫描发生器置,X,地址寄存器为,0,，置,Y,地址寄存器为,N-1,，,首先取出对应像素（,0,，,N-1,）,的帧缓存单元的数值,放入像素值寄存器，用来控制像素的颜色，然后,X,的地址寄存器的地址加一，如此重复，直到该扫描线上的最后一个像素。,双缓冲机制（,Double Buffer),普通显卡,=,视频控制器,+,显存,2.1.4,光栅扫描的显示系统,显示处理器,作用：代替,CPU,完成部分图形处理功能，扫描转换、几何变换、裁剪、光栅操作、纹理映射等等,具有专用显示处理器的光栅显示系统的结构,图形加速卡,=,视频控制器,+,显存,+,显示处理器,2.1.4,光栅扫描的显示系统,光栅显示系统的特点,优点：,成本低,易于绘制填充图形,色彩丰富,刷新频率一定，与图形的复杂程度无关,易于修改图形,缺点：,需要扫描转换,会产生混淆,缺点正在被克服,优点使其占据了市场主流,2.1.4,光栅扫描的显示系统,2.2,图形系统及其标准,硬件，图形,I/O,设备，系统软件，图形软件。,图形软件：通用编程软件包，专用应用软件包。,通用类：提供一个可用于高级程序语言的图形功能扩展集,(,比如，,OpenGL).,基本功能：图元生成，属性设置（颜色，,.,）选择观察及实施变换等。,专用类：不关心图形操作过程（比如，,CAD,系统。,图形系统标准,图形标准：图形系统及其相关应用系统中各界面之间进行数据传送和通信的接口标准，以及供图形应用程序调用的子程序功能及其格式标准，前者称为,数据及文件格式标准,，后者称为,子程序界面标准。,图形系统标准分类,面向图形设备的接口标准：,计算机图形元文件,(CGM),，,(CRT,Mouse,),计算机图形接口,(CGI).,设备驱动程序。,面向应用软件的标准：,程序员层次交互式图形系统（,PHIGS,）,GL (,图形程序包,),（三维）图形核心系统（,3D-)GKS,面向图形应用系统中工程和产品数据模型及其文件格式：,基本图形转换规范（,IGES,）,产品数据转换规范（,STEP,）,CGI（ISO DP 9636),-,提供控制图形硬件的一种与设备无关的方法,-,也可看作图形设备驱动程序的一种标准。,-,在用户程序和虚拟设备之间，以一种独立于设备的方式提供图形信息的描述和通信。,CGM(ISO IS8632),-,与设备无关的语义、词法定义的图形文件格式。,-,规定了生成、存储、传送图形信息的格式。,-,面向系统和系统开发者，和,CGI,配套提供。,-,通用性是其关键属性。,GKS,-,提供了在应用程序和图形输入输出设备之间的 功能接口。,-,与语言无关。,- GKS,提供了一个称为元文件的顺序文件接口,-,应用程序的所有图形资源由,GKS,控制（通过,GKS,元文件,-GKSM,）,- GKSM,用于,:,图形信息存档；系统传送图形信息；,在,GKS,应用程序间传送图形信息； 与图形信息相关的非图形信息的存储和复用。,PHIGS（ISO IS9592）,-,向应用程序员提供的控制图形设备的图形系统接口；,-,图形数据按层次结构组织；,-,提供动态修改和绘制显示图形数据的手段。是一个高度动态化和交互式图形系统。,GL,图形程序库，,UNIX,下运行，,OpenGL,微机，,分类：基本图素；坐标变换；设置属性和显示方式；,I/O,处理；真实图形显示。,IGES,（,基本图形转换规范）,- Initial Graphics Exchange Specification,-,作用：不同的,CAD/CAM,系统之间交换数据。,-,文件格式是,ASCII,码，五节：开始节，目录入口,(DE),，,参数,(DP),节，整体节和结束节。,STEP,（,产品模型数据转换标准）,- Standard for the Exchange of Product model Data.,-,覆盖产品整个生命周期,-,强调建立能存入数据库中的一个产品模型的完整表示。,-,克服,IGES,中的问题和缺点。,