第2章图形输入输出设备课件.ppt

1,2022/12/20,第二章图形系统,2,2022/12/20,交互式计算机图形处理系统,Computer + 人 = 交互式,Personel Computer图形处理系统,workstation图形处理系统,要求主机性能更高（强大的浮点运算能力），速度更快，存储容量更大，外设种类更齐全图形加速卡，大屏幕显示器,3,2022/12/20,计算机图形软件系统通用编程软件包： GKS、PHIGS、OpenGL专用应用软件包： AutoCAD、3DMax、Photoshop、CorelDRAW计算机图形硬件系统图形输入、输出设备图形显示设备,交互式计算机图形处理系统,4,2022/12/20,软件应用软件图形软件数据库高级语言操作系统,输入设备键盘鼠标数字化仪光笔扫描仪,输出设备显示器绘图仪打印机,人员,主 机,硬件,计算机图形系统,5,2022/12/20,功能要求计算存储输入输出对话性能要求处理速度（与硬件有关）存储容量（随机存储容量、外部存储容量、显示缓冲区容量）处理精度（图形采集，分辨率、色彩显示等，软件有关）,图形系统基本功能与性能,6,2022/12/20,硬件发展,图形输入设备的发展第一阶段：控制开关、穿孔纸等第二阶段：键盘、光笔第三阶段：二维定位设备，如鼠标、坐标数字化仪、跟踪球、触摸屏、操纵杆、扫描仪等第四阶段：三维输入设备（如三维鼠标、空间球、数据手套、数据衣），用户的手势、表情等,7,2022/12/20,数字化仪和图形输入板是常见的定位设备，其中全电子式坐标数字化仪由于精度高，使用方便，得到普遍应用。这种设备利用电磁感应原理：在台板的X方向上有许多水平方向的平行印刷线，Y方向上是垂直方向的平行印刷线。游标中装有一个线圈，当线圈中通有交流信号时，十字交叉丝的中心便产生一个电磁场，当游标在台板上运动时，台板下的印刷线上就会产生感应电流。印刷板周围的多路开关等线路可以检测出最大信号的位置，即十字叉线中心所在的位置，从而得到该点的坐标值。图形输入板（Tablet）工作原理相同于数字化仪，只是面积较小而已。 数字化仪时常用来拾取放在它上面的工程图上的大量点，经数字化后存储起来，以此作为图形输入一种手段。,8,2022/12/20,操纵杆，跟踪球是将位移量转变成屏幕光标移动的输入设备。,触摸屏容许用手指触摸显示的物体或屏幕位置来实现选择，典型应用是对用图符或菜单表示的处理选项进行选择。目前广泛应用于公告查询系统。触摸屏的工作原理分电容、电阻和声波等。,图象扫描仪:（Image Scanner）是直接把视图、图表、彩色和黑白照片扫描输入到计算机中，以像素信息进行存储表示的设备。扫描仪的幅面有A0,A1,A4等。扫描仪的分辨率是指在原稿的单位长度（英寸）上取样的点数，单位是dpi（dot per inch)，常用分辨率为300dpi1000dpi之间。扫描图形分辨率越高，所需的存储空间就越大。,9,2022/12/20,清华紫光扫描仪,10,2022/12/20,数据手套:（Data Glove）通常用于虚拟环境中，可用来抓住“虚拟”对象。手套由一系列检测手和手指运动的传感器构成。发送天线和接收天线之间的电磁耦合，用来提供关于手的位置和方向的信息。发送和接收天线各自由一组三个相互垂直的线圈构成，形成三维笛卡儿坐标系统。来自手套的输入，可用来定位或操纵虚拟环境中的对象。,11,2022/12/20,使用数据手套同计算机交互示图：,12,2022/12/20,声音系统：（VoiceSystem）使用语音识别技术，把人们说的话转换成计算机能懂的数字代码。这样的代码能使其可以用于各种各样的应用程序,从口授文本变成字处理的文档、到说话控制计算机的功能。在计算机图形系统中可被用作接收声音命令的输入设备，可用于图形操作或输入数据等。,13,2022/12/20,摄像头：可以将摄像直接输入计算机,14,2022/12/20,图形输出(显示、打印）设备阴极射线管显示器（CRT）液晶显示器（LCD）绘图仪打印机绘图仪：主要有笔绘式、喷墨式和静电式三类。笔绘式绘图仪可分为平台式、滚筒式、平面电机式以及小型式四种。这是近些年来应用较多的图形输出设备。,15,2022/12/20,打印机：根据打印机制式的不同，打印机有点阵式打印机和激光打印机两种。点阵式打印机又分为针打点阵打印机、静电点阵打印机、喷墨点阵打印机、热转换打印机等。,针打点阵打印机,16,2022/12/20,喷墨打印机,17,2022/12/20,大幅面打印机,18,2022/12/20,未来显示器,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,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，挂在墙上无锯齿现象，分辨率好无需刷新缓存，重量轻，无辐射价格贵,19,2022/12/20,图形显示器,CRT,液晶,等离子,随机扫描显示器,存储管式显示器,光栅扫描式显示器,图形显示器,逐行扫描,隔行扫描,3层玻璃板许多氖气灯泡；平板阵列；不需刷新,6层薄板（平板式显示器）第3层为液晶层（长晶线）晶体一旦极化，将保持，通过晶体管开关改变,20,2022/12/20,CRT显示器分类,阴极射线管（CRT）（Cathode Ray Tube）单色CRT彩色CRTCRT：利用电场产生高速的聚焦电子束，通过偏转系统控制，最终轰击荧光屏的不同部位，产生可见的图形。,21,2022/12/20,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,22,2022/12/20,荧光屏,荧光物质：吸收电子束而发光余辉时间：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刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数像素(Pixel)：构成屏幕（图像）的最小元素（上图例：24*24）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)。分辨率取决于荧光物质的类型、聚焦系统和偏转系统； 在假定 屏幕尺寸一定的情况下，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（Hz）,23,2022/12/20,主要性能参数与显示标准,显示分辨率颜色亮度等级数目画图速度显示标准： （CGA，VGA，SVGAAdapter）荧光屏点距,24,2022/12/20,彩色CRT渗透型常用于随机扫描显示器射线穿透法多枪型常用于光栅扫描显示器影孔板法（阴罩法）红、绿、蓝（RGB）任何颜色可以用这三种荧光粉相混而成（每个小点直径0.1mm）另一个颜色模型CMY(青、洋红、黄),彩色阴极射线管,25,2022/12/20,射线穿透法（beam penetration）原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光物质，不同速度电子束穿透荧光层的深浅，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,26,2022/12/20,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,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,27,2022/12/20,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,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，称为真彩色系统,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,28,2022/12/20,CRT显示器分类,直视存储管式（Direct-View Storage Tubes）利用管子本身存储信息，类似于一个长余辉的CRT，不必刷新刷新式随机扫描式（Random-Scan）光栅扫描式（Raster-Scan）,29,2022/12/20,随机扫描的显示系统,特点数据表示：矢量表示，只有端点信息，无线段中间点扫描方式：电子束像一支快速移动的画笔，可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分，与示波器工作原理类似显示图形：几何属性（geometric attribute）为主，线架图优点：扫描速度快，分辨率高，线条质量好，易修改，交互性好，动态性能好缺点：价格贵，只能显示线画图形，应用于军事、CAD领域,30,2022/12/20,光栅扫描的显示系统,特点：数据表示：像素矩阵扫描方式：从上到下，从左到右，与电视工作原理类似显示图形：几何属性+视觉属性（Visual attribute），真实感图形,31,2022/12/20,显示器的分辨率电子束按固定的扫描顺序扫描N条扫描线，每条扫描线有M个像素，M * N显示器的分辨率。,帧,32,2022/12/20,1.屏幕分辨率（光栅分辨点）与显示器物理屏幕尺寸和荧光涂层的质量有关，对它的量度是采用光点进行计算的。2.显示分辨率 计算机的显卡所能提供的显示模式分辨率。3.存储分辨率 是指帧缓冲区的大小。帧缓冲区中的像素位置是按亮度值的二维数组组成的，对应于屏幕坐标的位置，光栅中的像素数目称为显示处理器的分辨率。屏幕分辨率决定了图形系统所能显示的最高分辨率。,33,2022/12/20,特点 光栅扫描式显示器是一种画点设备，可看作是一个点阵单元发生器，并可控制每个点阵单元的亮度。 每个可寻址的点阵单元称为一个像素（ pixel ）。 显示器在水平和垂直方向上能够寻址的像素数称为分辨率。 锯齿现象：走样（aliasing）。反走样（antialiasing）,34,2022/12/20,逻辑部件：帧缓冲存储器（Frame Buffer)视频控制器（Video Controller)显示处理器（Display Processing Uuit，简称DPU）CRT,35,2022/12/20,帧缓冲存储器（Frame Buffer)作用：存储屏幕上像素的颜色值也称刷新存储器(Refreshing Buffer)简称帧缓冲器，俗称显存,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。,36,2022/12/20,位面（bit plane）技术,把显存分成若干色平面，各平面上相同位置的每一位和屏幕上的一个像素对应，同一像素点在各位面占同一地址，不同位面上同一像素地址中的内容决定像素的颜色。,色平面越多，可表达的色彩越丰富。,增加一个位面，色彩就增加一倍，而存储器写操作程序无需重新计算新地址，程序兼容性好。,37,2022/12/20,38,2022/12/20,若有24个位面（每种基色8个位面）则可同时显示(28)3 =224=16777216种颜色（24位真彩色）。,红绿蓝三个位面，组合成8种颜色,增加一个亮度位面，形成16种颜色,39,2022/12/20,显存容量问题,分辨率M*N、颜色个数K与显存容量V的关系,40,2022/12/20,显存容量问题,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。,1024*768真彩模式需要3M字节显存,高分辨率和真彩要求有大的显存；,解决方法：采用查色表(Look-up Table）,41,2022/12/20,查色表（LUT）,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,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。,颜色信息在帧缓存中的两种存放方式：颜色值直接存储在帧缓存中。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，索引色。单色系统：查色表固化彩显：可修改、创建查色表。,42,2022/12/20,带宽T与分辨率、帧频（刷新频率）F的关系带宽问题高分辨率和高刷新频率要求高带宽解决方法：隔行扫描,带宽问题,43,2022/12/20,隔行扫描（Interlaced scan）工作原理,场频：= 帧频 * 2,一帧完整的画面分成两场，即奇数场与偶数场,优点：降低了闪烁效应；只需逐行的一半时间即可显示一屏画面，降低了对扫描频率的要求，也降低了成本；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。,44,2022/12/20,目前，高质量CRT的每个象素点对应24位，每支电子枪允许256级电压设置。每个象素具有24个存储位的RGB彩色系统通常称为全彩色系统或真彩色系统。 当每个象素点对应24位，每个象素有224=16777216种彩色选择，近1千7百万种彩色选择。,显示卡中VRAM同显示系统的关系： 用于显示器屏幕刷新的数据存储在显示卡的VRAM 中，因此相应于显示器屏幕的分辨率必须有足够的VRAM存储显示数据。,45,2022/12/20,例如：如果屏幕的分辨率是640480，则如果是一个只能显示黑白图形的显示器，则需要VRAM的大小为： （640480）/8=38400 Bytes3.8KB 如果是一个每个象素显示256个灰度级的图形显示器，则每个象素需要8位存储单元，需要VRAM的大小为： 640480=307200 Bytes307KB 如果是一个彩色显示器，且每种基色均咳显示256个亮度级，则每个象素需要24位存储单元，需要VRAM的大小为： 6404803=921600 Bytes921KB 如果屏幕的分辨率是10241024的彩色显示器，且每种基色均咳显示256个亮度级，需要VRAM的大小为： 102410243=3145728 Bytes3MB,46,2022/12/20,视频控制器（显示控制器）,作用：制图形的显示，建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应关系，负责按固定刷新频率和扫描顺序刷新屏幕图形,47,2022/12/20,显示处理器,显示处理器Display Processing Uuit，简称DPU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,48,2022/12/20,光栅显示系统的特点优点：成本低易于绘制填充图形灰度和色彩丰富，图像逼真可以和电视机兼容刷新频率一定，与图形的复杂程度无关缺点：需要扫描转换扫描转换速度偏低，交互操作响应慢分辨率偏低，有阶梯效应,49,2022/12/20,思考题,1.考虑一个分辨率为1024*1024的光栅系统，如果一个像素点需要4位二进制位来存储信息，那么总共需要多大的光栅存储量（以字节表示）？如果每一像素需要用8位二进制位来存储信息又需要多大的存储容量？2.对上题中的每一光栅，如果一个显示控制器以每秒30帧的速度刷新一次屏幕，那么每秒可以访问多少像素？每一像素的访问时间又是多少？3.显示器的屏幕大小通常由屏幕的对角线的长度来表示，一个19英寸的显示器表示其屏幕对角线的长度为19英寸，如果这个屏幕在X和Y两个方向上的分辨率相等，即可显示1024*1024个像素点，每个像素点的直径是多少？并求出显示器的精度是多少dpi?(1mm=0.03937inch),50,2022/12/20,4.显示器 的刷新频率有时像扫描速率一样用HZ（赫兹）为单位表示，它代表了每秒可以显示的扫描线的数目。如果一个系统的垂直回扫时间是整个刷新周期时间的8%，那么，要在每秒内刷新一个1024*1024的显示器60次，需要的扫描速率是多少KHZ？5.一个图形显示卡可以分别支持640*350和800*600分辨率的显示模式，如果一个像素需要4位二进制来存储信息，两者应当各采用多大的图形缓冲区？如果每一点能有256中颜色，两者又应当采用多大的图形缓冲区？,51,2022/12/20,6.在图形方式下，对于单色显示，帧缓冲区中一个字节8位对应8个像素点，对于4色显示，则用两个字节对应8个像素点。如果单色显示的一个字节的内容为10101010，现要求转换成4色显示（用蓝色10）,那么与其对应的编码是？,52,2022/12/20,参考答案,1.（1024*1024）/2=512KB 1024*1024=1MB2. 30*1024*1024=30MB (1/30)*(1/1024)=1/30MB=32.6微妙3. 设直角边为x ,则x=13.8inch=350mm 350/1024=.34 1024/13.8=74dpi4. (1/(1/60)*(1/1024)=1/60K=61.44KHZ*1(0.92)=66.78KHZ5. (640*350)/2 (800*600)/2 640*350 800*6006. 1000100010001000,