图形设备与系统.ppt

计算机图形学,吴 伟计算机学院,2,第二讲 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,计算机图形学课程Computer Graphics Course,3,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,图形设备简介,第2讲图形设备与系统,4,2.1 图形显示器,阴极射线管彩色阴极射线管射线穿透法影孔板法随机扫描显示系统光栅扫描系统,第2讲图形设备与系统,5,2.1.1 阴极射线管（CRT）,组成：电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光工作原理：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,第1节图形显示器,6,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。,7,聚焦系统,通过电场和磁场控制使电子束，“变细”，保证亮点足够小，提高分辨率加速电极 加正的高压电（几万伏），使电子束高速运动。,8,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。,第1节图形显示器,9,荧光（1/2）,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。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,第1节图形显示器,10,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,荧光屏（2/2）,第1节图形显示器,11,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,2.1.2 彩色阴极射线管,第1节图形显示器,12,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,影孔板法,第1节图形显示器,13,点状影孔板(荫罩式显像管)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,影孔板的类型,第1节图形显示器,14,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,点状影孔板原理,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,第1节图形显示器,15,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。,点状影孔板原理（2/2),第1节图形显示器,16,纯平显示器,第1节图形显示器,17,液晶显示器,液晶：液晶(Liquid Crystal)是一种介于固态和液态之间的物质，是具有规则性分子排列的有机化合物。其分子的排列柔软易变形，受电场、磁场、温度和应力等外部条件作用时，液晶分子会重新排列。液晶显示器的原理是利用液晶的物理特性：通电时，液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时，排列则变得混乱，阻止光线通过。与CRT设备相同，图形定义存储在刷新缓冲器中，以每秒60帧的速度刷新屏幕，以满足图像的更新和动画显示。,18,液晶显示器,可视角由于液晶显示器的背光管光源经折射和反射后输出时已有一定方向，超出这一范围观看则会产生色彩失真现象。可视角是用户在屏幕前观看画面可看得清楚的角度范围。分辨率,19,未来显示器,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。,第1节图形显示器,20,2.1.3 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 Unit）和CRT,第1节图形显示器,21,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。,工作原理,第1节图形显示器,22,2.1.4 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,第1节图形显示器,23,绘图过程,第1节图形显示器,24,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。,分辨率,第1节图形显示器,25,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 Processor），CRT帧缓冲存储器作用：存储屏幕上像素的颜色值简称帧缓冲器，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（图示帧缓冲器的每个单元只有一位）。,26,彩显：,27,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224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,第1节图形显示器,28,彩显：,3个位面分辩率是10241024的显示器，需要310241024（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640480，则帧缓存每个单元可有24位，可能同时显示224种颜色，若设分辩率为1024768，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。,29,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(LookupTable）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,第1节图形显示器,30,查色表(look up 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28256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：,第1节图形显示器,31,查色表(look up Table),32,存放方式,颜色信息在帧缓存中存放方式：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，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。,第1节图形显示器,33,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：把一帧分两场，即奇数场与偶数场场频：=2*帧频,彩显,第1节图形显示器,34,隔行扫描工作原理,一帧完整的画面分成两场。一场160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160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。,第1节图形显示器,35,简单：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。,典型：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。,光栅扫描图形显示系统的结构,第1节图形显示器,36,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,37,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,38,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,光栅显示系统的优点,第1节图形显示器,39,2.2 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。,第2讲图形设备与系统,40,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。,第2节图形系统及其标准,41,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）,第2节图形系统及其标准,42,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。,第2节图形系统及其标准,43,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。,第2节图形系统及其标准,44,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。,第2节图形系统及其标准,45,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。,第2节图形系统及其标准,46,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。,第2节图形系统及其标准,47,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。,第2节图形系统及其标准,48,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。,第2节图形系统及其标准,49,本讲小结,持续发光时间,刷新像素 CRT的分辨率阴极射线管的组成部分及其功能射线穿透法及影孔板法产生彩色的工作原理随机扫描显示系统的逻辑部件及工作机理光栅扫描显示系统的逻辑部件及工作机理查色表及其工作原理显存大小、屏幕分辨率及可同时显示的颜色数目之间的关系图形系统及其标准,第2讲图形设备与系统,