計(jì)算機(jī)圖形學(xué)電子教案c2..

1、12第2章 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)2.1 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成2.2 硬件系統(tǒng)2.2.1 圖形顯示設(shè)備2.2.2 圖形處理器2.2.3 圖形輸入設(shè)備2.3 相關(guān)軟件系統(tǒng)2.4 圖形標(biāo)準(zhǔn)32.1 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成n計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)是一個(gè)由軟、硬相互結(jié)合的有機(jī)整體。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用程序圖形子程序包交互裝置主機(jī)顯示處理器輸出通道一般工作過程42.2.1 圖形顯示設(shè)備n圖形輸出包括圖形的顯示和圖形的繪制，圖形顯示指的是在屏幕上輸出圖形。n圖形繪制通常指把圖形畫在紙上，也稱硬拷貝。n打印機(jī)和繪圖儀是兩種最常用的硬拷貝設(shè)備。52.2.1 圖形顯示設(shè)備n圖形顯示器的發(fā)展：CRT隨機(jī)掃描顯示器存儲(chǔ)管

2、顯示器光柵掃描顯示器LCD、PDP三維顯示器6燈絲控制柵陰極加速系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)聚焦系統(tǒng)1. 陰極射線管CRT熒光粉涂層7n陰極射線管(CRT- Cathode Ray Tube)n組成：包括電子槍(燈絲、陰極)、控制柵、加速結(jié)構(gòu)、聚焦系統(tǒng)、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、熒光屏n工作原理：n高速的電子束由電子槍發(fā)出，經(jīng)過聚焦系統(tǒng)、加速系統(tǒng)和偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)就會(huì)到達(dá)熒光屏的特定位置。由于熒光物質(zhì)在高速電子的轟擊下會(huì)發(fā)生電子躍遷，即電子吸收到能量從低能態(tài)變?yōu)楦吣軕B(tài)。由于高能態(tài)很不穩(wěn)定，在很短的時(shí)間內(nèi)熒光物質(zhì)的電子會(huì)從高能態(tài)重新回到低能態(tài)，這時(shí)將發(fā)出熒光，屏幕上的那一點(diǎn)就會(huì)點(diǎn)亮。1. 陰極射線管CRT8n控制柵(電平控制器)是用來

3、控制電子束的強(qiáng)弱的，當(dāng)加上正電壓時(shí)，電子束就會(huì)大量通過，將會(huì)在屏幕上形成較亮的點(diǎn)，當(dāng)控制電平加上負(fù)電壓時(shí)，依據(jù)所加電壓的大小，電子束被部分或全部阻截，通過的電子很少，屏幕上的點(diǎn)也就比較暗。n聚焦系統(tǒng)是一個(gè)電透鏡，能使眾多的電子聚集于一點(diǎn)。n加速系統(tǒng)使電子達(dá)到轟擊激發(fā)熒光屏應(yīng)有的速度。最后由磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)來達(dá)到指定位置1. 陰極射線管CRT9n熒光物質(zhì)：當(dāng)它被電子轟擊時(shí)發(fā)出亮光。n持續(xù)發(fā)光時(shí)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(shí)間n刷新(Refresh)：為了讓熒光物質(zhì)保持一個(gè)“穩(wěn)定”的亮度值，必須不斷轟擊熒光物質(zhì)。n電子束要到達(dá)屏幕的邊緣時(shí)，偏轉(zhuǎn)角度就會(huì)增大。到達(dá)屏幕最邊緣

4、的偏轉(zhuǎn)角度被稱為最大偏轉(zhuǎn)角。nCRT顯示器的屏幕越大整個(gè)顯象管就越長(zhǎng)。1. 陰極射線管CRT10n要保持顯示一幅穩(wěn)定的畫面，必須不斷地發(fā)射電子束。n刷新頻率：每秒重繪次圖像的次數(shù)。刷新頻率高到一定值后，圖象才能穩(wěn)定顯示。50-120Hz1. 陰極射線管CRTn分辨率(Resolution)：CRT在水平或豎直方向單位長(zhǎng)度上能識(shí)別的最大光點(diǎn)數(shù)，單位通常為dpi(dots per inch)。在假定屏幕尺寸一定的情況下，也可用整個(gè)屏幕所能容納的最大光點(diǎn)個(gè)數(shù)描述，如640*480，1024*768等。n像素(Pixel:Picture Cell)：構(gòu)成屏幕(圖像)的最小元素。112. 光柵掃描顯示器

5、n光柵掃描：電子束按固定的掃描順序從左到右，自上而下進(jìn)行掃描。n幾個(gè)概念：n掃描線、幀、水平回掃期、垂直回掃期水平回掃垂直回掃掃描線電子束掃描過程示意圖12n幾個(gè)概念：n行頻、幀頻： 水平掃描頻率為行頻。垂直掃描頻率為幀頻。n逐行掃描、隔行掃描： 隔行掃描方式是先掃偶數(shù)行掃描線，再掃奇數(shù)行掃描線。n像素： 構(gòu)成屏幕(圖像)的最小元素。整個(gè)屏幕被掃描線分成 n 行，每行有 m 個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)為一個(gè)象素，則整個(gè)屏幕有 m n 個(gè)象素。2. 光柵掃描顯示器13n分辨率： 是指CRT在水平或垂直方向的單位長(zhǎng)度上能分辨出的最大象素?cái)?shù)，分為水平分辨率和垂直分辨率。通常用屏幕上象素的數(shù)目來表示。比如上述的 n

6、 行，每行 m 點(diǎn)的屏幕分辨率為 m n 。 分辨率越高，相鄰象素點(diǎn)之間的距離越小，顯示的字符或圖像也就越清晰。 分辨率受顯示器生產(chǎn)工藝、掃描頻率以及顯示存儲(chǔ)器容量的限制。2. 光柵掃描顯示器142. 光柵掃描顯示器n優(yōu)點(diǎn)：n成本低；n色彩豐富；n畫點(diǎn)設(shè)備，刷新頻率一定，與圖形的復(fù)雜程度無關(guān)，易于修改圖形。nCRT固有的物理結(jié)構(gòu)限制了它的發(fā)展(缺點(diǎn))：n屏幕的加大必然導(dǎo)致顯象管的加長(zhǎng)，顯示器的體積必然要加大，在制造、使用的時(shí)候就會(huì)受到限制；nCRT顯示器是利用電子槍發(fā)射電子束來產(chǎn)生圖像，容易受電磁波干擾；n長(zhǎng)期電磁輻射會(huì)對(duì)人們健康產(chǎn)生不良影響。152. 光柵掃描顯示器n產(chǎn)生彩色的常用方法：n射

7、線穿透法n影孔板法162. 光柵掃描顯示器n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。n應(yīng)用：主要用于畫線顯示器n優(yōu)點(diǎn)：成本低n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172. 光柵掃描顯示器外層玻璃熒光涂層影孔板n影孔板法原理：彩色CRT顯示器的熒光屏上涂有三種熒光物質(zhì)，它們分別能發(fā)紅、綠、藍(lán)三種顏色的光。而電子槍(三支)也發(fā)出三束電子束來激發(fā)這三種物質(zhì)，中間通過一個(gè)控制柵格(影孔板、蔭罩)來決定三束電子到達(dá)的位置。蔭罩熒光點(diǎn)182. 光柵掃描顯示器n三束電子經(jīng)過蔭罩的選擇，分別

8、到達(dá)三個(gè)熒光點(diǎn)的位置。通過控制三個(gè)電子束的強(qiáng)弱就能控制屏幕上點(diǎn)的顏色。n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蔭罩熒光點(diǎn)19n點(diǎn)狀影孔板工作原理：n紅、綠、藍(lán)三色熒光點(diǎn)：三角形排列，很小并充分靠近形成一個(gè)像素；n三支電子槍：調(diào)節(jié)各電子槍發(fā)生的電子束強(qiáng)度，即可控制各色光點(diǎn)亮度；2. 光柵掃描顯示器n電子槍、影孔板中的一個(gè)小孔和熒光點(diǎn)呈一直線；n每個(gè)小孔與一個(gè)像素（即三個(gè)熒光點(diǎn)）對(duì)應(yīng)。n顯示器能同時(shí)顯示的顏色個(gè)數(shù)：n如果每支電子槍發(fā)出的電子束的強(qiáng)度有256個(gè)等級(jí)，則顯示器能同時(shí)顯示256*256*256=16M種顏色，稱為真彩系統(tǒng)。20n影孔板的類型(與熒光點(diǎn)

9、排列有關(guān)):n點(diǎn)狀影孔板(蔭罩式)代表：大多數(shù)球面顯像管n柵格式影孔板(蔭柵式)代表：Sony的Trinitron與Mitsubishi的Diamondtron顯像管n溝槽式影孔板代表：LG的Flatron顯像管2. 光柵掃描顯示器213. LCD顯示器nLCD (Liquid Crystal Display)顯示器基本原理：n液晶是一種介于液體和固體之間的特殊物質(zhì)，它具有液體的流態(tài)性質(zhì)和固體的光學(xué)性質(zhì)。當(dāng)液晶受到電壓的影響時(shí)，就會(huì)改變它的物理性質(zhì)而發(fā)生形變，此時(shí)通過它的光的折射角度就會(huì)發(fā)生變化，而產(chǎn)生不同色彩。223. LCD顯示器n液晶顯示器LCD(Liquid Crystal Displ

10、ay)通常是由六層薄板組成的平板式顯示器。液晶層233. LCD顯示器nLCD顯示器的基本指標(biāo)：n可視角度；n點(diǎn)距(兩個(gè)液晶顆粒（光點(diǎn)）之間的距離)、分辨率；n響應(yīng)時(shí)間；可視角度243. LCD顯示器nLCD顯示器的優(yōu)點(diǎn)：n外觀小巧；n不存在刷新的問題。不會(huì)產(chǎn)生CRT那樣的因?yàn)樗⑿骂l率低而出現(xiàn)的閃爍現(xiàn)象；n工作電壓低，功耗小，節(jié)約能源；n沒有電磁輻射。n缺點(diǎn)：n壽命短、怕震動(dòng)、溫度敏感；n分辨率相對(duì)較低，色彩不夠鮮艷，視角窄，且價(jià)格偏高。n隨著工藝的進(jìn)步，缺點(diǎn)已逐步得到克服，目前已成為計(jì)算機(jī)的首選配置254. 等離子顯示器PDPn等離子顯示器是一種利用氣體放電的顯示裝置。這種屏幕采用了等離子管

11、作為發(fā)光元件。大量的等離子管排列在一起構(gòu)成屏幕。每個(gè)等離子管對(duì)應(yīng)的小室內(nèi)充有惰性氣體。在等離子管電極間加上高壓后，封在兩層玻璃之間的等離子管小室中的氣體會(huì)產(chǎn)生紫外光，從而激發(fā)平板顯示器上的紅綠藍(lán)三基色熒光粉發(fā)出可見光。n高電壓點(diǎn)亮(不同電壓，不同灰度)，低電壓維持。264. 等離子顯示器n特點(diǎn) ：n無需“刷新” ；色彩豐富；視角大；大尺寸n缺點(diǎn)：n光點(diǎn)大，分辨率只能達(dá)到中等水平；n氣體發(fā)光和熄滅的過渡時(shí)間太長(zhǎng)，限制圖形的生成速度。275. 其它顯示設(shè)備n硬拷貝設(shè)備n打印機(jī)n繪圖儀nn三維顯示設(shè)備東芝3D顯示器 Actuality Systems的3D顯示器 286. 光柵掃描顯示系統(tǒng)n光柵掃描

12、顯示器可以看作是一個(gè)像素的矩陣(畫點(diǎn)設(shè)備)。所顯示的圖形實(shí)際上是一些具有各種屬性(顏色)的像素的集合。29普通顯卡（早期）6. 光柵掃描顯示系統(tǒng)視頻控制器：建立幀緩存與屏幕像素之間的一一對(duì)應(yīng)，負(fù)責(zé)刷新。幀緩沖器：存儲(chǔ)用于刷新的圖像信息的存儲(chǔ)器?？梢允菍Ｓ?的存儲(chǔ)器，也可以是系統(tǒng)內(nèi)存中的一塊固定區(qū)域。較為典型的光柵掃描圖形顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)BusCPU系統(tǒng)內(nèi)存幀緩沖器視頻控制器Disp306. 光柵掃描顯示系統(tǒng)以黑白二值顯示器為例31的邏輯框圖如上。n對(duì)于黑白單灰度顯示器，每一象素需要一位存儲(chǔ)器，對(duì)一個(gè)10241024象素組成的黑白單灰度顯示器所需要的最小緩存為220，并在一個(gè)位面上。n一個(gè)位面的緩

13、存只能存儲(chǔ)黑白圖形，幀緩存是數(shù)字設(shè)備，光柵顯示器是模擬設(shè)備，因而還需要數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。6. 光柵掃描顯示系統(tǒng)1個(gè)位面32n在光柵圖形顯示系統(tǒng)中需要足夠的位面才能反映圖形的顏色和灰度等級(jí)。n如上圖是一個(gè)具有3個(gè)位面灰度等級(jí)的幀緩存。n顯示器上每個(gè)象素的亮度是由幀緩存中對(duì)應(yīng)單元的值所控制的。范圍是0到2N -1之間。6. 光柵掃描顯示系統(tǒng)3個(gè)位面33n下圖是彩色光柵顯示器的邏輯圖，對(duì)于紅、綠、藍(lán)三原色各為1bit的位面，因此有三個(gè)位面的幀緩存?？娠@示8種顏色。6. 光柵掃描顯示系統(tǒng)34n每個(gè)顏色可以通過增加幀緩存位面來提高顏色種類的灰度等級(jí)。n如下圖，每種原色有8個(gè)位面的幀緩存和8位的數(shù)模轉(zhuǎn)

14、換器。因此，每種原色可有256種灰度，三種原色的組合將是(28)3=224。6. 光柵掃描顯示系統(tǒng)24個(gè)位面356. 光柵掃描顯示系統(tǒng)n優(yōu)點(diǎn)：n易于繪制填充圖形；n色彩豐富；n與圖形的復(fù)雜程度無關(guān)；n易于修改圖形。n缺點(diǎn)：n需要掃描轉(zhuǎn)換；n會(huì)產(chǎn)生混淆(走樣)。362.2.2 圖形處理器n圖形處理器n圖形處理器是圖形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要元件，是連接計(jì)算機(jī)和顯示終端的紐帶。n早期的圖形處理器只包含簡(jiǎn)單的視頻控制器和幀緩沖區(qū)，它們實(shí)際上只起了一個(gè)圖形的存儲(chǔ)和傳遞作用，一切操作都必須有CPU來控制。n現(xiàn)在的圖形處理器不單單存儲(chǔ)圖形，而且能完成大部分圖形函數(shù)，專業(yè)的圖形卡已經(jīng)具有很強(qiáng)的3D處理能力，大大減輕了

15、CPU的負(fù)擔(dān)，提高了顯示質(zhì)量和顯示速度。372.2.2 圖形處理器n圖形處理器的組成n顯示主芯片：顯卡的核心，俗稱GPU，它的主要任務(wù)是對(duì)系統(tǒng)輸入的視頻信息進(jìn)行構(gòu)建和渲染(Rending)；GPURAMDAC顯 存主機(jī)控制信號(hào)模擬信號(hào)輸出n顯示緩存：用來存儲(chǔ)將要顯示的圖形信息以及保存圖形運(yùn)算的中間數(shù)據(jù)；顯存的大小和速度直接影響著主芯片性能的發(fā)揮。n數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（RAMDAC）：它的作用就是把二進(jìn)制的數(shù)字轉(zhuǎn)換成為和顯示器相適應(yīng)的模擬信號(hào)。顯卡簡(jiǎn)單示意圖382.2.3 圖形輸入設(shè)備n常用的圖形輸入設(shè)備分為兩種：n向量型圖形輸入設(shè)備 n它采取跟蹤軌跡、記錄坐標(biāo)點(diǎn)的方法輸入圖形。n常用的有數(shù)字化儀（

16、繪圖板）、鼠標(biāo)器、光筆等。n光柵掃描型圖形輸入設(shè)備 n它采取逐行掃描、按一定密度采樣的方式輸入圖形。n常用的有掃描儀和攝像機(jī)等。392.2.3 圖形輸入設(shè)備三維掃描鍵盤鼠標(biāo)操縱桿跟蹤球、空間球繪圖板(數(shù)字化儀)觸摸屏402.3 軟件系統(tǒng)n計(jì)算機(jī)圖形軟件可分為兩大類：n通用編程軟件包 提供一個(gè)可用于高級(jí)程序語言的圖形功能擴(kuò)展集。(如，OpenGL，Directx等)n專用應(yīng)用軟件包412.3.1 通用編程軟件包nOpenGL：OpenGL 是OpenGraphicsLib的縮寫，是一套三維圖形處理庫，也是該領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。nOpenGL源于SGI公司為其圖形工作站開發(fā)的IRISGL，在跨平臺(tái)移植

17、過程中發(fā)展成為OpenGL。nOpenGL實(shí)際上是一個(gè)開放的三維圖形軟件包，它獨(dú)立于窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，以它為基礎(chǔ)開發(fā)的應(yīng)用程序可以十分方便地在各種平臺(tái)間移植；nOpenGL與C/C+緊密接合，便于實(shí)現(xiàn)圖形的相關(guān)算法，并可保證算法的正確性和可靠性；OpenGL使用簡(jiǎn)便，效率高。422.3.1 通用編程軟件包nMicrosoft、SGI、IBM、DEC、SUN、HP等大公司都采用了OpenGL作為三維圖形標(biāo)準(zhǔn)。n許多軟件廠商也紛紛以O(shè)penGL為基礎(chǔ)開發(fā)出自己的產(chǎn)品，包括動(dòng)畫制作軟件Soft Image和3D Studio MAX、仿真軟件Open Inventor、VR軟件World Tool Kit、CAD軟件Pro/Engineer、GIS軟件ARC/INFO等等。432.3.2 專用應(yīng)用軟件包nAutoCADnPhotoShopn3DS MAXnMAYAn442.4 圖形系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)n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