第2章 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)

1、第2章 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)1. 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成2. 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的功能3. 計(jì)算機(jī)圖形硬件設(shè)備4. 計(jì)算機(jī)圖形軟件2.1 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)概述n計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成n計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建的，所以計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)包括以下4部分：1. 計(jì)算機(jī)硬件2. 圖形輸入輸出設(shè)備3. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件4. 計(jì)算機(jī)圖形軟件圖形系統(tǒng)基本功能框圖顯示器交互輸出計(jì)算輸入存貯數(shù)據(jù)庫圖形輸出設(shè)備圖形輸入設(shè)備l圖形輸入l圖形計(jì)算l圖形交互l圖形輸出l圖形存儲2.1 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)概述n計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的功能n圖形輸入設(shè)備n圖形顯示設(shè)備2.2 計(jì)算機(jī)圖形硬件設(shè)備2.2.1 圖形輸入設(shè)備n鍵盤、鼠標(biāo)n跟蹤球和空

2、間球n操縱桿n圖形輸入板n數(shù)據(jù)手套n數(shù)字化儀n掃描儀n觸摸屏n光筆n聲頻輸入系統(tǒng)圖形輸入設(shè)備的發(fā)展：第一階段：控制開關(guān)、穿孔紙等；第二階段：鍵盤；第三階段：二維定位設(shè)備，如鼠標(biāo)、光筆、圖形輸入板、觸摸屏、掃描儀、數(shù)字化儀等；第四階段：三維輸入設(shè)備（如空間球數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣），用戶的手勢、表情等；第五階段：用戶的思維；2.2.2 圖形顯示設(shè)備n刷新式CRT(陰極射線顯像管)n光柵掃描 & 隨機(jī)掃描n光柵掃描系統(tǒng)n平板顯示器n立體顯示 nCRT - Cathode-ray tubenCRT基本部件刷新式CRT電子槍聚焦系統(tǒng) 加速系統(tǒng)磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)加熱燈絲金屬陰極 控制柵極水平偏轉(zhuǎn)板垂直偏轉(zhuǎn)板電

3、子束熒光屏 光點(diǎn)概念CRT 屏幕上受激熒光點(diǎn)的能量分布圖光點(diǎn)（熒光層亮點(diǎn)） 電子束打在顯示器的熒光屏，顯示器能夠顯示的最小發(fā)光點(diǎn) - 硬件最小圖像點(diǎn) 光點(diǎn)物理直徑 光點(diǎn)亮度下降到最大亮度的60%處的直徑。例如0.28mm, 0.19mm點(diǎn)距 熒光屏上兩個相鄰的相同顏色磷光點(diǎn)之間的最短距離。單位：mm兩個熒光亮點(diǎn)的間隔大于光點(diǎn)物理直徑時，兩個亮點(diǎn)是可區(qū)分的屏幕分辨率(Resolution)CRT上無重疊顯示的最大光點(diǎn)數(shù)表示方法：水平光點(diǎn)數(shù)x垂直光點(diǎn)數(shù)光點(diǎn)物理直徑DPI Dots per Inch例子n例如：已知屏幕分辨率為1024x768，光點(diǎn)物理尺寸0.28mm，需要購買多大的顯示器？n解：1

4、 inch = 2.54cmn屏幕長 ：a=1024*0.28mm=286.72mmn屏幕寬 ：b=768*0.28mm=215.04mmn對角線長：sqrt(a2+b2)=358.4mm n結(jié)果: 大約 14inch.隨機(jī)掃描n在隨機(jī)掃描系統(tǒng)中電子束只掃向圖形所在的屏幕位置。一次畫出圖形的一條線。光柵掃描n光柵掃描系統(tǒng)中電子束自頂向下全屏掃描, 一次一行。電子束在每一行中移動時，根據(jù)圖形定義變換強(qiáng)度，由屏幕亮點(diǎn)構(gòu)成圖案。光柵掃描系統(tǒng)n構(gòu)成n幀緩沖存儲器 (Frame Buffer) n視頻控制器 (Video Controller)n顯示處理器 (Display Processor / GP

5、U)光柵掃描系統(tǒng)n圖形定義為一組屏幕點(diǎn)信息，屏幕上所有點(diǎn)（像素）的強(qiáng)度值存儲在被稱作幀緩沖區(qū)(Frame Buffer)的內(nèi)存區(qū)域中。幀緩沖區(qū)視頻控制器 顯示器 光柵掃描系統(tǒng)n視頻控制器基本刷新操作n有兩個寄存器用來存放屏幕像素的坐標(biāo)n存儲在幀緩沖器中該像素對應(yīng)位置的值被取出，并用來設(shè)置CRT電子束的強(qiáng)度值光柵掃描系統(tǒng)簡單的光柵圖形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)幀緩沖區(qū)位于內(nèi)存固定區(qū)域光柵掃描系統(tǒng)nCPU不再處理圖形數(shù)據(jù)，專用圖形處理器GPUn獨(dú)立的圖形數(shù)據(jù)存儲區(qū)域光柵掃描系統(tǒng)幀緩沖區(qū)容量計(jì)算n顯示分辨率 計(jì)算機(jī)顯示控制器所能提供的分辨率，通常稱為顯示模式（圖形模式、文本模式） 度量方法：像素、字符 表示方法：水平

6、像素數(shù)X垂直像素數(shù) xxx色 水平字符數(shù)X垂直字符數(shù)幀緩沖區(qū)容量計(jì)算n色深概念(Color Depth) 像素點(diǎn)信息的長度，以比特(bit)為單位。 例1：簡單的黑白光柵系統(tǒng)，像素點(diǎn)只需一個比特控制屏幕點(diǎn)的亮度，1表示該點(diǎn)電子束開通，0表明電子束關(guān)閉。此時色深為1bit。 例2：彩色光柵系統(tǒng)支持顯示16色，像素點(diǎn)需要4bits代表不同顏色，例如0001代表藍(lán)色。此時色深為4bits。n幀緩沖區(qū)容量= 顯示分辨率x色深例子n例如：已知顯示分辨率為1024x768, 支持true color真彩，試問需要預(yù)留多大的幀緩沖區(qū)？n解：1024x768x24bits=1024x768x3bytes平板顯

7、示器n定義平板顯示器代表一類比CRT體積小、重量輕、低功耗的視頻設(shè)備。n分類n發(fā)射型顯示器 - 轉(zhuǎn)換電能為光, 例如 LED, 等離子板(氣體放電顯示器), 薄膜光電顯示器n非發(fā)射型顯示器 -利用光學(xué)效應(yīng)將太陽光或其他光源轉(zhuǎn)換為圖形模式,例如 LCD等離子板(氣體放電顯示器)n結(jié)構(gòu)n兩塊帶有水平和垂直導(dǎo)電帶的玻璃板n氖氣充入兩塊玻璃板之間的區(qū)域n顯示原理在成對的水平和垂直導(dǎo)電帶上施加點(diǎn)火電壓，使導(dǎo)電帶交叉點(diǎn)處的氖氣進(jìn)入輝光放電的等離子區(qū)液晶顯示器LCDn液晶的概念物質(zhì)的三種狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。固態(tài)物質(zhì)的分子之間的方向和位置總是保持不變。而液態(tài)物質(zhì)的分子正好相反。方向和位置總是不停變換。但是

8、液晶介于液態(tài)和固態(tài)之間：既可以象固體中的分子保持方向又可象液體中的分子自由移動。液晶是在1888年，由奧地利植物學(xué)家Reinitzer發(fā)現(xiàn)的，是一種介于固體與液體之間，具有規(guī)則性分子排列的有機(jī)化合物。 液晶顯示器LCDn顯示原理通過阻塞或傳遞來自周圍的或內(nèi)部光源的偏振光形成圖案.LCD基本結(jié)構(gòu)觀察方向垂直偏光板垂直配向膜液晶層水平配向膜水平偏光板反射層開態(tài)開態(tài) 關(guān)態(tài)關(guān)態(tài) 立體顯示為觀察者的每只眼睛給出不同的視圖來提供三維效果，從而場景帶有深度。色差式3D眼鏡偏振光3D眼鏡快門式3D眼鏡2.2.3 圖形繪制設(shè)備n常見的圖形繪制設(shè)備有打印機(jī)、繪圖儀等。打印機(jī)種類較多，具體見P17圖2-22.2.3

9、 計(jì)算機(jī)圖形軟件n2.3.1 計(jì)算機(jī)圖形軟件分類n計(jì)算機(jī)圖形軟件一般分為圖形應(yīng)用軟件和支撐軟件。n圖形應(yīng)用軟件n圖形應(yīng)用軟件是解決某種應(yīng)用問題的圖形軟件，是圖形系統(tǒng)中的核心部分，它包括各種圖形生成和圖形處理技術(shù)，是圖形技術(shù)在不同應(yīng)用中的抽象，是整個應(yīng)用軟件的一部分，通常由用戶編寫或與設(shè)計(jì)者一起編寫。計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)圖圖形形軟軟件件圖形應(yīng)用軟件圖形應(yīng)用軟件圖形支撐軟件圖形支撐軟件功能子程序基本子程序設(shè)備驅(qū)動程序圖形支撐軟件n圖形支撐軟件一般指一組公用圖形子程序，用來擴(kuò)展系統(tǒng)中原有高級語言和操作系統(tǒng)的圖形處理功能。圖形支撐軟件通?？煞譃槿齻€層次：n第一層面向系統(tǒng)：是最底層的軟件，主要解決圖形設(shè)備與主機(jī)

10、的通訊、接口等問題，又稱設(shè)備驅(qū)動程序，是一些最基本的輸入、輸出子程序，要求程序質(zhì)量高，它是面向系統(tǒng)的，而不是面向用戶的。n第二層即面向系統(tǒng)又面向用戶：建立在設(shè)備驅(qū)動程序之上，又稱基本子程序，包括生成基本圖形元素，對設(shè)備進(jìn)行管理的各程序模塊，既面向系統(tǒng)又面向用戶。n第三層面向用戶：在基本子程序基礎(chǔ)上編寫，也稱功能子程序，是在一級圖形軟件基礎(chǔ)上編制的，其主要任務(wù)是建立圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，定義、修改和輸出圖形；以及建立各圖形設(shè)備之間的聯(lián)系，要具有較強(qiáng)的交互功能，它是面向用戶的。2.3.2 用戶接口設(shè)計(jì)用戶接口確定用戶與計(jì)算機(jī)如何進(jìn)行信息交換。包括用戶通過什么途徑與圖形系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)系，通過什么手段來操作系統(tǒng)的

11、功能實(shí)現(xiàn)等。最重要的就是高效率和對用戶的友好性用戶接口的設(shè)計(jì)包括如下手段：用戶接口的設(shè)計(jì)包括如下手段：2.3.2 用戶接口設(shè)計(jì)1. 顯示屏幕的有效利用（1）信息顯示的布局合理性。（2）充分而又正確地使用圖符 圖標(biāo)分應(yīng)用符和控制圖符（3）恰當(dāng)?shù)厥褂酶鞣N表示方法進(jìn)行選擇性信息顯示。25 %25 %50 %50 %25 %25 %2.3.2 用戶接口設(shè)計(jì)2.反饋：就是動態(tài)地顯示系統(tǒng)運(yùn)行中所發(fā)生的一些變化，以便更有效地進(jìn)行交互作用。3.一致性原則：是指在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)時，應(yīng)遵從統(tǒng)一的、簡單的規(guī)則，保證不出現(xiàn)例外和特殊的情況。按用戶認(rèn)為最正常、最合乎邏輯的方式去做。4.減少記憶量：重要的是喚醒用戶的

12、識別而不是記憶。例如：工具欄菜單功能提示。2.3.2 用戶接口設(shè)計(jì)5.回退和出錯處理6.聯(lián)機(jī)幫助：為用戶提供聯(lián)機(jī)幫助(On-Line Help)措施，能在用戶操作過程中的任何時刻提供請求幫助。7.視覺效果設(shè)計(jì)：這里強(qiáng)調(diào)的是色彩的使用。8. 適應(yīng)不同的用戶：提供多種方法使軟件能適應(yīng)不同熟練程度的用戶。2.3.3 基本交互繪圖技術(shù) 回顯 約束：在圖形繪制過程中對圖形的方向、對齊方式等進(jìn)行規(guī)定和校準(zhǔn)。 網(wǎng)格：疊加在屏幕繪圖坐標(biāo)區(qū)的矩形網(wǎng)格可以用來定位和對準(zhǔn)物體或文本 。 引力域：將靠近某一點(diǎn)的任意輸入位置“吸引”到該點(diǎn)上來，好象在該點(diǎn)的周圍產(chǎn)生一個“引力域”。選擇圖符的回顯2.3.3 基本交互繪圖技術(shù) 橡皮筋技術(shù)：針對輸入要求，動態(tài)地、連續(xù)地將輸入過程表現(xiàn)出來，直到產(chǎn)生用戶滿意的輸入結(jié)果為止。 草擬技術(shù)：用以實(shí)現(xiàn)用戶任意畫圖的要求。 拖動：是將圖形對象在空間移動的過程動態(tài)地、連續(xù)地表示出來，直到滿足用戶的位置要求為止。 旋轉(zhuǎn) 變形圖形工作站和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)n圖形工作站一種專業(yè)從事圖形、圖像（靜態(tài)）、圖像（動態(tài)）與視頻工作的高檔次專用電腦的總稱，要求系統(tǒng)具有很強(qiáng)的圖形處理能力。常見工作站品牌：Sun