第二講圖形設(shè)備與系統(tǒng)

1、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)吳 偉計(jì)算機(jī)學(xué)院e-mail: wuwei_2第二講 圖形設(shè)備與系統(tǒng)2.1 圖形顯示設(shè)備圖形顯示設(shè)備2.2 圖形系統(tǒng)及其標(biāo)準(zhǔn)圖形系統(tǒng)及其標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程computer graphics course3圖形設(shè)備簡介第第2講講圖形設(shè)備與系統(tǒng)圖形設(shè)備與系統(tǒng)42.1 圖形顯示器第第2講講圖形設(shè)備與系統(tǒng)圖形設(shè)備與系統(tǒng)52.1.1 陰極射線管（陰極射線管（crt）第第1節(jié)節(jié)圖形顯示器圖形顯示器6電子槍7聚焦系統(tǒng)8偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)第第1節(jié)節(jié)圖形顯示器圖形顯示器9熒光（1/2）第第1節(jié)節(jié)圖形顯示器圖形顯示器10熒光屏（2/2）第第1節(jié)節(jié)圖形顯示器圖形顯示器11電子束電子束

2、熒光涂層熒光涂層產(chǎn)生顏色產(chǎn)生顏色低速電子束低速電子束較低速電子束較低速電子束較高速電子束較高速電子束高速電子束高速電子束2.1.2 彩色陰極射線管第第1節(jié)節(jié)圖形顯示器圖形顯示器12外層玻璃外層玻璃熒光涂層熒光涂層影孔板影孔板影孔板法第第1節(jié)節(jié)圖形顯示器圖形顯示器13影孔板的類型第第1節(jié)節(jié)圖形顯示器圖形顯示器14點(diǎn)狀影孔板原理第第1節(jié)節(jié)圖形顯示器圖形顯示器 電子槍 光點(diǎn) 熒光點(diǎn) 熒光粉 蔭罩柵 15顯示器能同時(shí)顯示的顏色個(gè)數(shù)顯示器能同時(shí)顯示的顏色個(gè)數(shù)如果每支電子槍發(fā)出的電子束的強(qiáng)度有如果每支電子槍發(fā)出的電子束的強(qiáng)度有256個(gè)等級，則顯示器能同時(shí)顯示個(gè)等級，則顯示器能同時(shí)顯示256*256*256

3、=16m種顏色，稱為種顏色，稱為真彩系統(tǒng)真彩系統(tǒng)調(diào)節(jié)各電子槍發(fā)生的電子束中調(diào)節(jié)各電子槍發(fā)生的電子束中所含電子的數(shù)目，即可控制各所含電子的數(shù)目，即可控制各色光點(diǎn)亮度。色光點(diǎn)亮度。點(diǎn)狀影孔板原理（2/2)第第1節(jié)節(jié)圖形顯示器圖形顯示器16純平顯示器類別表面形狀產(chǎn)生時(shí)間代表球面顯象球面顯象管管球面的一部分球面的一部分90年代初年代初柱面顯象柱面顯象管管柱面的一部分，垂直柱面的一部分，垂直方向上平直，水平方方向上平直，水平方向上有彎曲向上有彎曲90年代中期年代中期sony公司的公司的trinitron，mitsubishi公司的公司的diamondtron平面直角平面直角顯象管顯象管球面的一部分，類似

4、球面的一部分，類似于平面于平面90年代中后年代中后期期現(xiàn)在市場上的主流顯象管現(xiàn)在市場上的主流顯象管純平顯象純平顯象管管純平面純平面90年代后期年代后期sony公司的公司的fd trinitron，mitsubishi公司的公司的diamondtron，samsung公司的公司的danyflat，lg公司的公司的flatron第第1節(jié)節(jié)圖形顯示器圖形顯示器17液晶顯示器18液晶顯示器19未來顯示器第第1節(jié)節(jié)圖形顯示器圖形顯示器202.1.3 隨機(jī)掃描的顯示系統(tǒng)l特點(diǎn)：特點(diǎn)：電子束可隨意移動(dòng)，只掃描熒屏上要電子束可隨意移動(dòng)，只掃描熒屏上要顯示的部分。顯示的部分。l邏輯部件：刷新存儲器邏輯部件：刷新

5、存儲器(refreshing buffer),顯示處理器（顯示處理器（dpu:display processing unit）和）和crt第第1節(jié)節(jié)圖形顯示器圖形顯示器21應(yīng)用程序發(fā)出繪圖命令，應(yīng)用程序發(fā)出繪圖命令，解析成顯示處理器可解析成顯示處理器可接受命令格式，存放在刷新存儲器中。接受命令格式，存放在刷新存儲器中。刷新存儲器中所刷新存儲器中所有的繪圖命令組成一個(gè)顯示文件，由顯示處理器負(fù)責(zé)解有的繪圖命令組成一個(gè)顯示文件，由顯示處理器負(fù)責(zé)解釋執(zhí)行釋執(zhí)行(刷新刷新)， 驅(qū)動(dòng)電子槍在屏幕上繪圖驅(qū)動(dòng)電子槍在屏幕上繪圖。 修改圖形，實(shí)際是修改顯示文件中的某些繪圖命令。修改圖形，實(shí)際是修改顯示文件中的某

6、些繪圖命令。 工作原理第第1節(jié)節(jié)圖形顯示器圖形顯示器 cpu 系統(tǒng)存儲器 顯示緩存 顯示處理器 系 統(tǒng) 總 線 輸入/輸出設(shè)備 視頻監(jiān)視器 222.1.4 光柵掃描的顯示系統(tǒng)第第1節(jié)節(jié)圖形顯示器圖形顯示器23繪圖過程第第1節(jié)節(jié)圖形顯示器圖形顯示器24電子束按固定的掃描順序進(jìn)行掃描電子束按固定的掃描順序進(jìn)行掃描n條掃描線，每條掃描線，每條條掃描線有掃描線有m個(gè)像素，個(gè)像素，m * n顯示器的分辨率顯示器的分辨率。分辨率第第1節(jié)節(jié)圖形顯示器圖形顯示器2526彩顯： 位平面 位平面 位平面 數(shù)模轉(zhuǎn)換 紅紅 幀緩沖器與彩色顯示 24 位 8 位 8 位 8 位 藍(lán)藍(lán) 綠綠 紅紅 綠綠 藍(lán)藍(lán) 1024x

7、1024x24=25165824 位 27彩顯：n若每個(gè)單元有若每個(gè)單元有24位（每種基色占位（每種基色占8位）即顯示位）即顯示系統(tǒng)可同時(shí)產(chǎn)生系統(tǒng)可同時(shí)產(chǎn)生224種顏色（種顏色（24位真彩色位真彩色）。）。n分辨率分辨率m*n、顏色個(gè)數(shù)、顏色個(gè)數(shù)k與顯存大小與顯存大小v的關(guān)系的關(guān)系knmv2log第第1節(jié)節(jié)圖形顯示器圖形顯示器28彩顯：n3個(gè)位面分辯率是個(gè)位面分辯率是10241024的顯示器，需要的顯示器，需要310241024（3145728）位的存儲器。）位的存儲器。n若存儲器位長固定，則屏幕分辯率與同時(shí)可用的若存儲器位長固定，則屏幕分辯率與同時(shí)可用的顏色種數(shù)成反比關(guān)系。顏色種數(shù)成反比關(guān)系

8、。1兆字節(jié)的幀緩存，若設(shè)分辯率為兆字節(jié)的幀緩存，若設(shè)分辯率為640480，則幀緩存每個(gè)單元可有則幀緩存每個(gè)單元可有24位，可能同時(shí)顯示位，可能同時(shí)顯示224種顏色，種顏色，若設(shè)分辯率為若設(shè)分辯率為1024768，則每個(gè)單元分得的，則每個(gè)單元分得的位數(shù)僅略多于位數(shù)僅略多于8，只能工作于，只能工作于256色顯示模式下。色顯示模式下。29彩顯：n顯存問題顯存問題n高分辨率和真彩要求有大的顯存；高分辨率和真彩要求有大的顯存；n曾經(jīng)是個(gè)問題！曾經(jīng)是個(gè)問題！n解決方法：采用解決方法：采用查色查色(lookuptable） 或稱或稱彩色表彩色表(color table)n查色表工作原理查色表工作原理1024

9、*768真彩模式需要真彩模式需要3m字節(jié)顯存字節(jié)顯存第第1節(jié)節(jié)圖形顯示器圖形顯示器30查色表(look up table)第第1節(jié)節(jié)圖形顯示器圖形顯示器31查色表(look up table)32存放方式第第1節(jié)節(jié)圖形顯示器圖形顯示器33fnmt第第1節(jié)節(jié)圖形顯示器圖形顯示器34n一幀完整的畫面分成兩場。一幀完整的畫面分成兩場。n一場一場160秒，（場頻秒，（場頻60hz），（幀頻），（幀頻30hz）畫面更新頻率仍為）畫面更新頻率仍為60hz，降低，降低了閃爍效應(yīng)，每一場了閃爍效應(yīng)，每一場160秒內(nèi)，幀緩秒內(nèi)，幀緩存中數(shù)據(jù)量比逐行掃描少一半。存中數(shù)據(jù)量比逐行掃描少一半。降低了降低了視頻控制器存

10、取幀緩存的速度及傳輸帶視頻控制器存取幀緩存的速度及傳輸帶寬的要求。寬的要求。 第第1節(jié)節(jié)圖形顯示器圖形顯示器35簡單：簡單：其中，幀緩存為系統(tǒng)內(nèi)存其中，幀緩存為系統(tǒng)內(nèi)存任一塊區(qū)域，視頻控制器任一塊區(qū)域，視頻控制器能夠直接存取該區(qū)域以刷能夠直接存取該區(qū)域以刷新屏幕。新屏幕。典型：典型：其中，幀緩存可以是專用其中，幀緩存可以是專用的存儲器，也可以是系統(tǒng)的存儲器，也可以是系統(tǒng)內(nèi)存中的一塊固定區(qū)域。內(nèi)存中的一塊固定區(qū)域。光柵掃描圖形顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)第第1節(jié)節(jié)圖形顯示器圖形顯示器36 視頻控制器n作用：作用：建立幀緩存與屏幕像素之間的一一對應(yīng)建立幀緩存與屏幕像素之間的一一對應(yīng)，負(fù)責(zé)刷新負(fù)責(zé)刷新n邏輯結(jié)構(gòu)邏

11、輯結(jié)構(gòu)n工作原理工作原理刷新周期開始，光柵掃描發(fā)生器置刷新周期開始，光柵掃描發(fā)生器置x地址寄存器為地址寄存器為0，置置y地址寄存器為地址寄存器為n-1，首先取出對應(yīng)像素（，首先取出對應(yīng)像素（0，n-1）的幀緩存單元）的幀緩存單元的數(shù)值的數(shù)值, 放入像素值寄存器，用來控制像素的顏色，然后放入像素值寄存器，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(gè)像素。器的地址加一，如此重復(fù)，直到該掃描線上的最后一個(gè)像素。雙緩沖機(jī)制（雙緩沖機(jī)制（double buffer)37 顯示處理器作用：作用：代替代替cpu完成部分圖形處理功能，完成部分圖形處理功能，掃描

12、轉(zhuǎn)換、幾何變換、裁剪、光柵操掃描轉(zhuǎn)換、幾何變換、裁剪、光柵操作、紋理映射等作、紋理映射等具有專用顯示處理器的光柵顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具有專用顯示處理器的光柵顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)38優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：n成本低成本低n易于繪制填充圖形易于繪制填充圖形n色彩豐富色彩豐富n刷新頻率一定，與圖形的復(fù)雜程度無關(guān)刷新頻率一定，與圖形的復(fù)雜程度無關(guān)n易于修改圖形易于修改圖形缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：n需要掃描轉(zhuǎn)換需要掃描轉(zhuǎn)換n會產(chǎn)生混淆會產(chǎn)生混淆缺點(diǎn)正在被克服優(yōu)點(diǎn)使其占據(jù)了市場主流光柵顯示系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)第第1節(jié)節(jié)圖形顯示器圖形顯示器39n硬件，圖形硬件，圖形 i/o 設(shè)備，系統(tǒng)軟件，圖形軟件。設(shè)備，系統(tǒng)軟件，圖形軟件。n圖形軟件圖形軟件：通用編

13、程軟件包，專用應(yīng)用軟件包。：通用編程軟件包，專用應(yīng)用軟件包。n通用類通用類：提供一個(gè)可用于高級程序語言的圖形：提供一個(gè)可用于高級程序語言的圖形功能擴(kuò)展集功能擴(kuò)展集(比如，比如，opengl).n基本功能基本功能：圖元生成，屬性設(shè)置（顏色，：圖元生成，屬性設(shè)置（顏色，.）選擇觀察及實(shí)施變換等。選擇觀察及實(shí)施變換等。n專用類專用類：不關(guān)心圖形操作過程（比如，：不關(guān)心圖形操作過程（比如，cad系統(tǒng)。系統(tǒng)。第第2講講圖形設(shè)備與系統(tǒng)圖形設(shè)備與系統(tǒng)40圖形系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)第第2節(jié)節(jié)圖形系統(tǒng)及其標(biāo)準(zhǔn)圖形系統(tǒng)及其標(biāo)準(zhǔn)41圖形系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)分類n面向圖形設(shè)備的接口標(biāo)準(zhǔn)：面向圖形設(shè)備的接口標(biāo)準(zhǔn)：計(jì)算機(jī)圖形元文件計(jì)算機(jī)圖形元文件

14、(cgm)，(crt,mouse,)計(jì)算機(jī)圖形接口計(jì)算機(jī)圖形接口(cgi).設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。n面向應(yīng)用軟件的標(biāo)準(zhǔn)：面向應(yīng)用軟件的標(biāo)準(zhǔn)：程序員層次交互式圖形系統(tǒng)程序員層次交互式圖形系統(tǒng)（phigs）,gl (圖形程序包圖形程序包)（三維）圖形核心系統(tǒng)（三維）圖形核心系統(tǒng)（3d-)gksn面向圖形應(yīng)用系統(tǒng)中工程和產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型面向圖形應(yīng)用系統(tǒng)中工程和產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型及其文件格式：及其文件格式： 基本圖形轉(zhuǎn)換規(guī)范（基本圖形轉(zhuǎn)換規(guī)范（iges） 產(chǎn)品數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)范（產(chǎn)品數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)范（step）第第2節(jié)節(jié)圖形系統(tǒng)及其標(biāo)準(zhǔn)圖形系統(tǒng)及其標(biāo)準(zhǔn) iges，stepgks，gks-3dphigs，open g

15、lcgicgm圖形系統(tǒng)中各界面的標(biāo)準(zhǔn)圖形數(shù)據(jù)應(yīng)用程序圖形程序包設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序圖形硬件42cgi（iso dp 9636)第第2節(jié)節(jié)圖形系統(tǒng)及其標(biāo)準(zhǔn)圖形系統(tǒng)及其標(biāo)準(zhǔn)43cgm（iso is8632)- 與設(shè)備無關(guān)的語義、詞法定義的圖形文件與設(shè)備無關(guān)的語義、詞法定義的圖形文件格式。格式。- 規(guī)定了生成、存儲、傳送圖形信息的格式。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，和面向系統(tǒng)和系統(tǒng)開發(fā)者，和cgi配套提供。配套提供。- 通用性是其關(guān)鍵屬性。通用性是其關(guān)鍵屬性。第第2節(jié)節(jié)圖形系統(tǒng)及其標(biāo)準(zhǔn)圖形系統(tǒng)及其標(biāo)準(zhǔn)44gksn提供了在應(yīng)用程序和圖形輸入輸出設(shè)備之間提供了在應(yīng)用程序和圖形輸

16、入輸出設(shè)備之間的功能接口。的功能接口。n與語言無關(guān)。與語言無關(guān)。ngks提供了一個(gè)稱為元文件的順序文件接口提供了一個(gè)稱為元文件的順序文件接口n應(yīng)用程序的所有圖形資源由應(yīng)用程序的所有圖形資源由gks控制（通過控制（通過gks元文件元文件-gksm）ngksm用于用于:圖形信息存檔；系統(tǒng)傳送圖形信圖形信息存檔；系統(tǒng)傳送圖形信息；在息；在gks應(yīng)用程序間傳送圖形信息；與圖應(yīng)用程序間傳送圖形信息；與圖形信息相關(guān)的非圖形信息的存儲和復(fù)用。形信息相關(guān)的非圖形信息的存儲和復(fù)用。第第2節(jié)節(jié)圖形系統(tǒng)及其標(biāo)準(zhǔn)圖形系統(tǒng)及其標(biāo)準(zhǔn)45phigs（iso is9592）n向應(yīng)用程序員提供的控制圖形設(shè)備的圖形系向應(yīng)用程序員提供的控制圖形設(shè)備的圖形系統(tǒng)接口；統(tǒng)接口；n圖形數(shù)據(jù)按層次結(jié)構(gòu)組織；圖形數(shù)據(jù)按層次結(jié)構(gòu)組織；n提供動(dòng)態(tài)修改和繪制顯示圖形數(shù)據(jù)的手段。提供動(dòng)態(tài)修改和繪制顯示圖形數(shù)據(jù)的手段。是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)化和交互式圖形系統(tǒng)。是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)化和交互式圖形系統(tǒng)。第第2節(jié)節(jié)圖形系統(tǒng)及其標(biāo)準(zhǔn)圖形系統(tǒng)及其標(biāo)準(zhǔn)46gln圖形程序庫，圖形程序庫，nunix下運(yùn)行，下運(yùn)行，nopengl微機(jī)，微機(jī)，n分類：基本圖素；坐標(biāo)變換；設(shè)置屬性分類：基本圖素；坐標(biāo)變換；設(shè)置屬性和顯示方式；和顯示方式；i/o 處理；真實(shí)圖形顯示。處理；真實(shí)圖形顯示。第第2節(jié)節(jié)圖