計算機(jī)圖形學(xué)第二章

計算機(jī)圖形學(xué)第二章第1頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四圖形輸入設(shè)備： 二維：鼠標(biāo)、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(jī)，第二章圖形設(shè)備與系統(tǒng)第2頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四2.1圖形顯示器2.1.1陰極射線管2.1.2彩色陰極射線管射線穿透法影孔板法2.1.3隨機(jī)掃描顯示系統(tǒng)2.1.4光柵掃描系統(tǒng)第3頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四陰極射線管(CRT)組成：包括電子槍、聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、熒光屏工作原理：電子槍發(fā)射電子束，經(jīng)過聚焦系統(tǒng)、加速電極、 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，轟擊到熒光屏的不同部位，被其內(nèi)表面的 熒光物質(zhì)吸收，發(fā)光產(chǎn)生可見的圖形。結(jié)構(gòu)2.1.1陰極射線管第4頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四電子槍電燈絲，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(fù)電壓后，能夠控制通過其中小孔的帶負(fù)電的電子束的強(qiáng)弱。通過調(diào)節(jié)負(fù)電壓高低來控制電子數(shù)量，即控制熒光屏上相應(yīng)點(diǎn)的亮度。2.1.1陰極射線管第5頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四聚焦系統(tǒng)通過電場和磁場控制電子束，“變細(xì)”，保證亮點(diǎn)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(yùn)動。2.1.1陰極射線管第6頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制電子束，靜電場或磁場，產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，最大偏轉(zhuǎn)角是衡量系統(tǒng)性能的最重要的指標(biāo)，顯示器長短與此有關(guān)。2.1.1陰極射線管第7頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四熒光屏

熒光物質(zhì)：吸收電子束而發(fā)光持續(xù)發(fā)光時間：電子束離開某點(diǎn)后，該點(diǎn)的亮度值衰減到初始值1/10所需的時間刷新(Refresh)：為了讓熒光物質(zhì)保持一個穩(wěn)定的亮度值刷新頻率：每秒鐘重繪屏幕的次數(shù)像素(Pixel:PictureCell)：構(gòu)成屏幕（圖像）的最小元素分辨率(Resolution)：CRT在水平或豎直方向單位長度上能識別的最大像素個數(shù)，單位通常為dpi（dotsperinch)。在假定屏幕尺寸一定的情況下，也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(chǎn)生穩(wěn)定圖像所需要的最小刷新頻率=1秒/熒光物質(zhì)的持續(xù)發(fā)光時間（例如）=1000/40=25Hz2.1.1陰極射線管第8頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四產(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(yīng)用：主要用于畫線顯示器優(yōu)點(diǎn)：成本低缺點(diǎn)：只能產(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彩色陰極射線管第9頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四影孔板法原理：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2.1.2彩色陰極射線管第10頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四影孔板的類型點(diǎn)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2.1.2彩色陰極射線管第11頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四點(diǎn)狀影孔板工作原理紅、綠、蘭三基色三色熒光點(diǎn)（很小并充分靠近--〉像素）三支電子槍電子槍、影孔板中的一個小孔和熒光點(diǎn)呈一直線；每個小孔與一個像素（即三個熒光點(diǎn)）對應(yīng)2.1.2彩色陰極射線管第12頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四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(qiáng)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(diǎn)亮度。2.1.2彩色陰極射線管第13頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四*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今后的主流顯象管第14頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四*LCD顯示器*采用空氣等離子體技術(shù)，空氣等離子體可想象成一個個微型霓虹燈，紅綠藍(lán)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(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。第15頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四2.1.3隨機(jī)掃描的顯示系統(tǒng)特點(diǎn)：電子束可隨意移動，只掃描熒屏上要顯示的部分。邏輯部件：刷新存儲器(RefreshingBuffer),顯示處理器（DPU:DisplayProcessingUuit）和CRT第16頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四工作原理

應(yīng)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(fù)責(zé)解釋執(zhí)行(刷新)，→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。2.1.3隨機(jī)掃描的顯示系統(tǒng)第17頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四2.1.4光柵掃描的顯示系統(tǒng)光柵掃描顯示系統(tǒng)特點(diǎn)：光柵掃描掃描線幀水平回掃期垂直回掃期第18頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四繪圖過程2.1.4光柵掃描的顯示系統(tǒng)第19頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四-顯示器的分辨率電子束按固定的掃描順序進(jìn)行掃描N條掃描線，每條掃描線有M個像素，M*N顯示器的分辨率。

2.1.4光柵掃描的顯示系統(tǒng)第20頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四邏輯部件：幀緩沖存儲器（FrameBuffer)，視頻控制（VideoController)，顯示處理器（DisplayProcessor），CRT幀緩沖存儲器簡稱幀緩沖器，俗稱顯存作用：存儲屏幕上像素的顏色值幀緩存中單元數(shù)目與顯示器上像素的數(shù)目相同，單元與像素一一對應(yīng)，各單元的數(shù)值決定了其對應(yīng)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(guān)（圖示幀緩沖器的每個單元只有一位）。

2.1.4光柵掃描的顯示系統(tǒng)第21頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四彩顯：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(guān)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(guān)系。1兆字節(jié)的幀緩存，若設(shè)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(shè)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。2.1.4光柵掃描的顯示系統(tǒng)第22頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四彩顯：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2.1.4光柵掃描的顯示系統(tǒng)第23頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四查色表（lookupTable）或稱

（colortable）是一維線性表，其每一項的內(nèi)容對應(yīng)一種顏色，它的長度由幀緩存單元的位數(shù)決定，例如：每單元有8位，則查色表的長度為28＝256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(nèi)挑選顏色的能力：2.1.4光柵掃描的顯示系統(tǒng)第24頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四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(dú)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(kuò)充了。單色系統(tǒng)：查色表固化彩顯：可修改、創(chuàng)建查色表。2.1.4光柵掃描的顯示系統(tǒng)第25頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四帶寬T與分辨率、幀頻F的關(guān)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：2.1.4光柵掃描的顯示系統(tǒng)第26頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四隔行掃描工作原理

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(yīng)，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。2.1.4光柵掃描的顯示系統(tǒng)第27頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四簡單的光柵掃描圖形顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為典型的光柵掃描圖形顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)其中，幀緩存為系統(tǒng)內(nèi)存任一塊區(qū)域，視頻控制器能夠直接存取該區(qū)域以刷新屏幕。其中，幀緩存可以是專用的存儲器，也可以是系統(tǒng)內(nèi)存中的一塊固定區(qū)域。2.1.4光柵掃描的顯示系統(tǒng)第28頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四視頻控制器作用：建立幀緩存與屏幕像素之間的一一對應(yīng)，負(fù)責(zé)刷新邏輯結(jié)構(gòu)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(yīng)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(fù)，直到該掃描線上的最后一個像素。雙緩沖機(jī)制（DoubleBuffer)普通顯卡=視頻控制器+顯存2.1.4光柵掃描的顯示系統(tǒng)第29頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四顯示處理器作用：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、紋理映射等等具有專用顯示處理器的光柵顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖形加速卡=視頻控制器+顯存+顯示處理器2.1.4光柵掃描的顯示系統(tǒng)第30頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四光柵顯示系統(tǒng)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：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(fù)雜程度無關(guān)易于修改圖形缺點(diǎn)：需要掃描轉(zhuǎn)換會產(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2.1.4光柵掃描的顯示系統(tǒng)第31頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四2.2圖形系統(tǒng)及其標(biāo)準(zhǔn)硬件，圖形I/O設(shè)備，系統(tǒng)軟件，圖形軟件。圖形軟件：通用編程軟件包，專用應(yīng)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(kuò)展集(比如，OpenGL).基本功能：圖元生成，屬性設(shè)置（顏色，….）選擇觀察及實施變換等。專用類：不關(guān)心圖形操作過程（比如，CAD系統(tǒng)。第32頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四圖形系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)圖形標(biāo)準(zhǔn)：圖形系統(tǒng)及其相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)中各界面之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和通信的接口標(biāo)準(zhǔn)，以及供圖形應(yīng)用程序調(diào)用的子程序功能及其格式標(biāo)準(zhǔn)，前者稱為數(shù)據(jù)及文件格式標(biāo)準(zhǔn)，后者稱為子程序界面標(biāo)準(zhǔn)。第33頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四圖形系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)分類面向圖形設(shè)備的接口標(biāo)準(zhǔn)：計算機(jī)圖形元文件(CGM)，(CRT,Mouse,…)計算機(jī)圖形接口(CGI).設(shè)備驅(qū)動程序。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)（PHIGS）,GL(圖形程序包)（三維）圖形核心系統(tǒng)（3D-)GKS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：基本圖形轉(zhuǎn)換規(guī)范（IGES）產(chǎn)品數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)范（STEP）第34頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四CGI（ISODP9636)--提供控制圖形硬件的一種與設(shè)備無關(guān)的方法--也可看作圖形設(shè)備驅(qū)動程序的一種標(biāo)準(zhǔn)。--在用戶程序和虛擬設(shè)備之間，以一種獨(dú)立于設(shè)備的方式提供圖形信息的描述和通信。第35頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四CGM(ISOIS8632)--與設(shè)備無關(guān)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(guān)鍵屬性。第36頁，共41頁，2023年，2月20日，星期四GKS--提供了在應(yīng)用程序和圖形輸入輸出設(shè)備之間的功能接口。--與語言無關(guān)。--GKS提供了一個稱為元文件的順序文件接口--應(yīng)用程序的所有圖形資源由GKS控制（通過GKS元文件-GKSM）--