圖形系統(tǒng)及圖形硬件

圖形系統(tǒng)及圖形硬件1第一頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五2.1計算機圖形系統(tǒng)計算機圖形系統(tǒng)的功能計算機圖形系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2第二頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五計算機圖形系統(tǒng)的功能圖2.1計算機圖形系統(tǒng)的功能3第三頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五計算機圖形系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2.2計算機圖形系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)4第四頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五2.2圖形輸入設(shè)備鍵盤（keyboard）鍵盤能用來進行屏幕坐標的輸入、菜單選擇、圖形功能選擇，以及輸入那些如輔助圖形顯示的圖片標記等非圖形數(shù)據(jù)。5第五頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五圖形輸入設(shè)備鼠標器（mouse）當推動鼠標器在平面上移動時，鼠標將記錄移動的方向和距離，這個方向和距離被傳送給計算機，轉(zhuǎn)換成對應的光標的位移。6第六頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五圖形輸入設(shè)備光筆(lightpen)圖2.3光筆的結(jié)構(gòu)7第七頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五圖形輸入設(shè)備觸摸屏(touchscreen)當用手指或者小桿觸摸屏幕時，觸點位置便以光學的（紅外線式觸摸屏）、電子的（電阻式觸摸屏和電容式觸摸屏）或聲音的（聲音探測式）方式記錄下來。8第八頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五圖形輸入設(shè)備操縱桿(joystick)操縱桿是由一根小的垂直杠桿組成的可搖動裝置，該杠桿裝配在一個其四周可移動的底座上用來控制屏幕光標。9第九頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五圖形輸入設(shè)備跟蹤球（Trackball）和空間球（Spaceball）圖2.4跟蹤球圖2.5空間球10第十頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五圖形輸入設(shè)備數(shù)據(jù)手套(DataGlove)是一種戴在手上的傳感器，可以用來抓住“虛擬對象”，它由一系列檢測手和手指運動的傳感器構(gòu)成，用來提供關(guān)于手的位置和方向的信息。11第十一頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五圖形輸入設(shè)備數(shù)字化儀(Digitizer)用于在二維或三維的圖形對象上掃描，以輸入一系列二維或三維的坐標值。這些坐標值代表的坐標點，在系統(tǒng)中將以直線段或曲線段連接，以逼近圖形對象的描繪曲線或表面形狀。12第十二頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五圖形輸入設(shè)備圖像掃描儀(Scaner)圖像掃描儀可直接把圖紙、圖表、照片、廣告畫等輸入到計算機中，在將它們傳過一個光學掃描機構(gòu)時，灰度或彩色等級被記錄下來，并按圖像方式進行存儲。13第十三頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五圖形輸入設(shè)備聲頻輸入系統(tǒng)視頻輸入系統(tǒng)14第十四頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五2.3圖形顯示設(shè)備陰極射線管彩色陰極射線管CRT圖形顯示器平板顯示器三維觀察設(shè)備15第十五頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五陰極射線管（CRT）CRT（CathodeRayTube）是一種真空器件，它利用電磁場產(chǎn)生高速的、經(jīng)過聚焦的電子束，偏轉(zhuǎn)到屏幕的不同位置轟擊屏幕表面的熒光材料而產(chǎn)生可見圖形。CRT從結(jié)構(gòu)上分為：電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、熒光屏。16第十六頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五陰極射線管（CRT）電子槍偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)熒光屏圖2.6CRT的結(jié)構(gòu)17第十七頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五陰極射線管（CRT）電子槍：產(chǎn)生一個沿管軸（Z軸）方向前進的高速的細電子束轟擊熒光屏。具有足夠的電流強度。電流的大小和有無必須是可控的。具有很高的速度。在熒光屏上應能聚焦很小的光亮，以保證顯示器有足夠的分辨率。18第十八頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五陰極射線管（CRT）圖2.7CRT電子槍的結(jié)構(gòu)19第十九頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五陰極射線管（CRT）偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)為了在熒光屏上顯示圖形及字符，必須用電子束偏轉(zhuǎn)掃描來實現(xiàn)。圖2.8磁偏轉(zhuǎn)20第二十頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五陰極射線管（CRT）枕形失真當偏轉(zhuǎn)線圈的匝數(shù)一定時，偏轉(zhuǎn)電流I與偏轉(zhuǎn)角的正弦成正比。只有在偏轉(zhuǎn)角很小時，偏轉(zhuǎn)角與偏轉(zhuǎn)電流之間才成直線性關(guān)系。由于熒光屏四角距中心最遠，偏轉(zhuǎn)角較大，同樣的偏轉(zhuǎn)電流增量所造成的偏轉(zhuǎn)距離增量最大。21第二十一頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五陰極射線管（CRT）圖2.9枕形失真與桶形失真枕形失真的校正將產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)磁場的鋸齒形電流預先產(chǎn)生一些失真；將偏轉(zhuǎn)磁場做成略有不均勻性，接近管軸中央處略強，周圍略弱。22第二十二頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五陰極射線管（CRT）圖2.10電偏轉(zhuǎn)23第二十三頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五陰極射線管（CRT）熒光屏（PhosphorScreen）熒光屏是用熒光粉涂敷在玻璃底壁上制成的，常用沉積法涂敷熒光粉。玻璃底壁要求無氣泡，表面光學拋光。熒光粉的性能要求是：發(fā)光顏色滿足標準白色、發(fā)光效率高、余輝時間合適以及壽命長等。24第二十四頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五三基色原則主要結(jié)構(gòu)：三色熒光屏、三支電子槍、蔭罩板彩色陰極射線管——蔭罩式圖2.11三色熒光屏25第二十五頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五彩色陰極射線管——蔭罩式圖2.12三支電子槍26第二十六頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五彩色陰極射線管——蔭罩式圖2.13蔭罩27第二十七頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五為了避免混色，熒光點的面積比電子束截面要大些。只有15%左右的電子到達屏幕。蔭罩吸收大量電子，容易發(fā)熱變形。管子的亮度低，要提高管子的亮度，則需提高第二陽極的高壓。圖2.14原理圖28第二十八頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五彩色陰極射線管——蔭罩式圖2.15黑底蔭罩管29第二十九頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五CRT圖形顯示器隨機掃描的圖形顯示器直視存儲管圖形顯示器光柵掃描的圖形顯示器30第三十頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五向量（vector）顯示器、筆劃（Strokewriting）顯示器。隨機掃描（random-scan）的圖形顯示器中電子束的定位和偏轉(zhuǎn)具有隨機性，即電子束的掃描軌跡隨顯示內(nèi)容而變化，只在需要的地方掃描，而不必全屏掃描。隨機掃描的圖形顯示器31第三十一頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五隨機掃描的圖形顯示器圖2.16隨機掃描圖形顯示器的工作原理32第三十二頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五無冗余掃描、速度快、圖像清晰、比光柵系統(tǒng)更高的分辨率、生成光滑線條；不能顯示逼真場景、和電視標準不一致、驅(qū)動系統(tǒng)也較復雜。隨機掃描的圖形顯示器33第三十三頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五直視存儲管DVST（direct-viewstoragetube）從表面上看直視存儲管的特性極象一個有長余輝的熒光屏，一條線一旦畫在屏幕上，在一小時之內(nèi)都將是可見的。直視存儲管圖形顯示器34第三十四頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五直視存儲管圖形顯示器圖2.17直視存儲管圖形顯示器的工作原理工作原理35第三十五頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五無需刷新；很復雜的圖形都可以在極高的分辨率下無閃爍地顯示；成本較低；不能顯示彩色；不能局部修改；擦除和重畫過程可能持續(xù)較長時間。直視存儲管圖形顯示器36第三十六頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五光柵掃描圖形顯示器圖2.18光柵掃描原理水平掃描（顯示）水平回掃（消隱）垂直回掃（消隱）37第三十七頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五

工作原理：光柵掃描是控制電子束按某種光柵形狀進行的順序掃描，而字符、圖像是靠Z軸信號控制輝亮來形成的。圖2.19光柵掃描圖形顯示器的工作原理第三十八頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五刷新緩沖存儲器（refreshbuffer）或稱幀緩沖存儲器（framebuffer）。像素（pixel或pel，是pictureelement的簡寫）。像素信息從應用程序轉(zhuǎn)換并放入幀緩沖區(qū)的過程稱之為掃描轉(zhuǎn)換過程。光柵掃描圖形顯示器39第三十九頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五低電壓、輕小型、數(shù)字化顯示器件。平板顯示器（flat-paneldisplay）的分類：非發(fā)射顯示器（none-emissivedisplay）發(fā)射顯示器（emissivedisplay）平板顯示器（flat-paneldisplay）40第四十頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五液晶顯示器等離子體顯示板（PlasmaPanel）薄片光電顯示器（Thin-FilmElectroluminescentDisplay）發(fā)光二極管（Liquid-EmittingDiode,LED）平板顯示器（flat-paneldisplay）41第四十一頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五液晶分子的排列在微弱的外部電場、磁場或者應力、溫度變化等作用下非常容易改變。當液晶分子的某種排列狀態(tài)在電場作用下變?yōu)榱硪环N狀態(tài)時，液晶的光學性質(zhì)隨之改變，這種產(chǎn)生光被電場調(diào)制的現(xiàn)象稱為液晶的電光效應。液晶顯示器——原理42第四十二頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五圖2.20液晶顯示原理液晶顯示器——原理液晶顯示的機理是通過能阻塞或傳遞光的液晶材料，傳遞來自周圍的或內(nèi)部光源的偏振光。43第四十三頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五NW（NormalWhite）型的LCD：在液晶面板不施加電壓時，我們所看到的面板是透光的畫面，也就是亮的畫面。NB（NormalBlack）型的LCD：當對液晶面板不施加電壓時，面板無法透光。液晶顯示器——類型44第四十四頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五液晶顯示器——彩色液晶顯示器利用在一側(cè)的玻璃基板上加上一個彩色濾光片（CF，ColorFilter）實現(xiàn)彩色。彩色濾光片上均勻分布著紅、綠、藍色小點，每個小點有各自不同的灰度，相鄰的一組RGB小點構(gòu)成一個基本的彩色顯示單元，即一個像素。45第四十五頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五液晶顯示器——彩色圖2.21彩色濾光片排列方式46第四十六頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五液晶顯示器——分類扭曲向列型（TN，TwistedNematic）超扭曲向列型（STN，SuperTN）雙層超扭曲向列型（DSTN，DualScanTN）薄膜晶體管型（TFT，ThinFilmTransistor）47第四十七頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五等離子體顯示板圖2.22等離子體顯示板的基本結(jié)構(gòu)48第四十八頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五薄片光電顯示器圖2.23薄片光電顯示器的基本結(jié)構(gòu)49第四十九頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五發(fā)光二極管（LED）發(fā)光二極管采用二極管激發(fā)發(fā)光來顯示圖像。二極管以矩陣排列形成顯示器的像素位置。圖形的定義存儲在刷新緩沖器中。信息從刷新緩沖器讀出，并轉(zhuǎn)換為電壓施于二極管，在顯示器上產(chǎn)生發(fā)光圖案。50第五十頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五從變焦距的柔性震動鏡面反射CRT圖像三維觀察設(shè)備圖2.24采用震動鏡面的三維顯示系統(tǒng)51第五十一頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五顯示具立體感的視圖利用不同的刷新周期交替地顯示兩視圖；將屏幕分半；使用頭盔式結(jié)構(gòu)。三維觀察設(shè)備52第五十二頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五2.4顯示子系統(tǒng)光柵掃描圖形顯示子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)繪制流水線相關(guān)概念53第五十三頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五光柵掃描圖形顯示子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2.25簡單的光柵圖形顯示子系統(tǒng)54第五十四頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五圖2.26常用的光柵圖形顯示子系統(tǒng)光柵掃描圖形顯示子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)55第五十五頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五圖2.27發(fā)展的光柵圖形顯示子系統(tǒng)光柵掃描圖形顯示子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)56第五十六頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五幀緩沖存儲器：用來存儲像素顏色（灰度）值的存儲器。雙緩存：一個緩存用來刷新的同時，另一個寫入數(shù)據(jù)信息，爾后這兩個緩存可互換角色。這種方式稱為雙緩存，它可以使得顯示的動畫流暢而沒有滑動感。光柵掃描圖形顯示子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)57第五十七頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五顯示控制器（DisplayController），又稱視頻控制器（VideoController），主要功能是依據(jù)設(shè)定的顯示工作方式，自主地、反復不斷地讀取幀緩存中的圖像點陣（包括圖形、字符文本）數(shù)據(jù)，將它們轉(zhuǎn)換成R、G、B三色信號并配以同步信號送至顯示器，即可刷新屏幕。光柵掃描圖形顯示子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)58第五十八頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五顯示處理器（DisplayProcessor），又稱圖形控制器（GraphicsController）或顯示協(xié)處理器（DisplayCoprocessor），它把CPU從圖形顯示處理的事務中解脫出來，其主要任務是掃描轉(zhuǎn)換待顯示的圖形以及某些附加的操作等。光柵掃描圖形顯示子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)59第五十九頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五圖形子系統(tǒng)的圖形繪制功能常常采用流水線（Pipeline）結(jié)構(gòu)繪制，或者稱為管線繪制。繪制流水線的基本結(jié)構(gòu)從概念上包括三個階段應用程序階段幾何階段光柵階段繪制流水線60第六十頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五繪制流水線圖2.28繪制流水線的結(jié)構(gòu)61第六十一頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五分辨率像素與幀緩存顏色查找表顯示長寬比屏幕坐標系相關(guān)概念62第六十二頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五光點一般是指電子束打在顯示器的熒光屏上，顯示器能夠顯示的最小的發(fā)光點。像素點是指圖形顯示在屏幕上時候，按當前的圖形顯示分辨率所能提供的最小元素點。相關(guān)概念——分辨率63第六十三頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五屏幕分辨率，也稱為光柵分辨率，它決定了顯示系統(tǒng)最大可能的分辨率，任何顯示控制器所提供的分辨率也不能超過這個物理分辨率。通常用水平方向上的光點數(shù)與垂直方向上的光點數(shù)的乘積來表示。相關(guān)概念——分辨率64第六十四頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五顯示分辨率是計算機顯示控制器所能夠提供的顯示模式分辨率，實際應用中簡稱為顯示模式。對于文本顯示方式，顯示分辨率用水平和垂直方向上所能顯示的字符總數(shù)的乘積表示。對于圖形顯示方式，則用水平和垂直方向上所能顯示的象素點總數(shù)的乘積表示。顯示分辨率不同，它所對應的象素點大小也不同。相關(guān)概念——分辨率65第六十五頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五圖形的存儲分辨率是指幀緩沖區(qū)的大小，一般用緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù)表示。存儲分辨率不僅與顯示分辨率有關(guān)，還與像素點的色彩有關(guān)。幀緩存大小的計算：x方向的像素點數(shù)×y方向的像素點數(shù)×log2n/8（BYTE）

其中：n為顏色數(shù)或灰度等級數(shù)相關(guān)概念——分辨率66第六十六頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五屏幕分辨率決定了所能顯示的最高分辨率。顯示分辨率和存儲分辨率對所能顯示的圖形分辨率有控制作用。顯示器中的分辨率

帶寬=A*水平像素點數(shù)*垂直像素點數(shù)*刷新頻率

A常取1.344相關(guān)概念——分辨率67第六十七頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五屏幕上一個象素點就對應幀緩存中的一組信息。組合像素法（PackedPixelMethod）顏色位面法（ColorPlaneMethod）相關(guān)概念——像素與幀緩存68第六十八頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五在組合像素法中，一個圖形象素點的全部信息被編碼成一個數(shù)據(jù)字節(jié)，按照一定方式存儲到幀緩存中，編碼字節(jié)的長度與點的屬性（如顏色、灰度等）有關(guān)。相關(guān)概念——像素與幀緩存圖2.29組合象素法69第六十九頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五在顏色位面法中，幀緩存被分成若干獨立的存儲區(qū)域，每一個區(qū)域稱為一個位面（BitPlane），每個位面控制一種顏色或者灰度，每一個圖形象素點在每個位面中占一位，通過幾個位面中的同一位組合成一個象素。相關(guān)概念——像素與幀緩存圖2.30顏色位面法70第七十頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五圖2.31具有24位面彩色幀緩存的顯示器第七十一頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五顏色查找表也稱調(diào)色板，是由高速的隨機存儲器組成，用來儲存表達象素色彩的代碼。此時幀緩沖存儲器中每一象素對應單元的代碼不再代表該象素的色彩值，而是作為查色表的地址索引。相關(guān)概念——顏色查找表72第七十二頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五圖2.32具有24位面彩色幀緩存和10位顏色查找表的顯示器第七十三頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五顯示長寬比，即水平點數(shù)與垂直點數(shù)之比。要求在屏幕兩個方向上相同像素點數(shù)產(chǎn)生同樣長度的線段，以使圖形不至發(fā)生畸變。相關(guān)概念——顯示長寬比74第七十四頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五相關(guān)概念——屏幕坐標系圖2.33不同顯示器的坐標75第七十五頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五2.5圖形硬拷貝設(shè)備打印機繪圖儀76第七十六頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五打印機打印機是畫點設(shè)備。擊式打印機主要指針式打印機，它隔著色帶將某種點陣圖案壓在紙上。非撞擊式打印機包括激光打印機、噴墨打印機、熱轉(zhuǎn)印打印機、染料熱升華打印機和靜電打印機等。77第七十七頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五繪圖儀筆式繪圖儀（PenPlotter）是畫線設(shè)備。筆式繪圖儀可分為平板式繪圖儀（FlatbedPlotter）和滾筒式繪圖儀（DrumPlotter）78第七十八頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五2.6OpenGL圖形軟件包OpenGL的主要功能OpenGL的繪制流程OpenGL的基本語法OpenGL的程序?qū)嵗?9第七十九頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五OpenGL圖形軟件包OpenGL是SGI（SiliconGraphicsInc.）公司對IRISGL進行改進，擴展可移植性，形成的一個跨平臺開放式圖形編程接口。目前，OpenGL標準由1992年成立的獨立財團OpenGLArchitectureReviewBoard（ARB）以投票方式產(chǎn)生，并制成規(guī)范文檔公布。80第八十頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五OpenGL的主要功能模型繪制模型觀察顏色模式光照應用圖像效果增強位圖和圖像處理81第八十一頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五OpenGL的主要功能紋理映射實時動畫交互技術(shù)82第八十二頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五OpenGL的繪制流程——工作方式圖2.34OpenGL圖形處理系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中的層次結(jié)構(gòu)一個完整的窗口系統(tǒng)的OpenGL圖形處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為：最底層為圖形硬件，第二層為操作系統(tǒng)，第三層為窗口系統(tǒng)，第四層為OpenGL，最上面的層為應用軟件。83第八十三頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五OpenGL的繪制流程——流水線圖2.35一條簡化的OpenGL繪制流水線OpenGL命令將被放在一個命令緩沖區(qū)中，這樣命令緩沖區(qū)中包含了大量的命令、頂點數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)。當緩沖區(qū)被清空時，緩沖區(qū)中的命令和數(shù)據(jù)都將傳遞給流水線的下一個階段。84第八十四頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五OpenGL的基本語法——相關(guān)庫OpenGL核心庫：glOpenGL實用程序庫：gluOpenGL編程輔助庫：auxOpenGL實用程序工具包（OpenGLutilitytoolkit，GLUT）：glutWindows專用庫：wgl85第八十五頁，共八十九頁，編輯于2023年，星期五OpenGL的基本語法——命名規(guī)則