計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)概述 計(jì)算機(jī)圖形學(xué) 課件

第2章

計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)概述

IntroductiontoGraphicsSystem

交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

提綱

■圖形系統(tǒng)硬件

?輸入設(shè)備(Inputdevices)

?輸出設(shè)備(Outputdevices)

?圖形處理器(Graphicsprocessor)

■圖形系統(tǒng)軟件

?計(jì)算機(jī)圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)

?通用圖形軟件包的基本功能

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

圖形輸入設(shè)備(inputdevices)

■定位設(shè)備(locatordevices)：

?坐標(biāo)數(shù)字化儀(datatablet)

?鼠標(biāo)器(mouse)

?跟蹤球(trackball)

?操縱桿(joystick)

?觸摸屏(touchpanel)：分電阻式,電容式，紅外線式,聲表面波式。

?光筆(lightpen)

■鍵盤(pán)(keyboard)

■圖象掃描儀(imagescaner)

■三維輸入設(shè)備：有控制球、操縱合、數(shù)據(jù)手套、跟蹤器。

■智能化(intelligent)輸入設(shè)備

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

二

普

標(biāo)空間球

掃

描

儀

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

圖形輸出設(shè)備(outputdevices)

■圖形顯示器：

71打印機(jī)(printer)

■CRT顯示器

?隨機(jī)掃描顯示器(矢量發(fā)生器)

?存儲(chǔ)管式顯示器

刁繪圖儀

?光柵掃描顯示器(graphplotter)

■平板顯示器

?液晶顯示器(LCD)“三維顯示設(shè)備

?等離子(plasma)顯示器

?Flat-planeCRTdisplay

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

CRT(Cathoderaytube)顯小器工作原理(1)

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

CRT顯示器工作原理(2)

■名詞解釋:

象素(pixel-pictureelement)

分辨率(resolution)

幀緩沖存儲(chǔ)器(framebuffer)

位面(planes)

■單色(monochrome)顯示器

■每個(gè)像素占用1個(gè)bit

■灰度(grayed)顯示器

■每個(gè)像素占用多個(gè)bit

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

CRT顯示器工作原理(3)

■衡量CRT性能的指標(biāo)

■屏幕尺寸大小

■點(diǎn)距

■分辨率

■畫(huà)面刷新頻率

■帶寬

交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

彩色CRT顯示器

hiectron

蔭罩法(shadow-

maskCRT)

■三個(gè)電子槍

■三個(gè)熒光點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)像素

■各像素與蔭罩板上的洞對(duì)

應(yīng)

o

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

(真)全彩色系統(tǒng)(fullcolorsystem)

若

(可

有

2同

4

位

時(shí)2

4

個(gè)

真

顯

位

彩

示

色

2(面

))8(

3每

H

1種

6

7基

7

7色

2

18

6個(gè)

種

位

顏

面

色)

1o

交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

刷新

■特得寺點(diǎn):

慕螂2只起疆信矗

作原理類似

■排緘窺蒯___麗____此__一__醯格祐勤B

藕喉翳i希皿瑜鰥rifi胡摘熒屏破癡形小

隨機(jī)式(random)

attrib

■肺慚頻W質(zhì)

(a)

量好，：總好

■應(yīng)

光柵式(raster)fra|5Wr=t%

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（C）(d)

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續(xù)

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

光柵掃描顯示系統(tǒng)工作原理

(raster-scandisplaysystem)

應(yīng)用程序發(fā)出繪圖命令

一解析成顯示處理器可接受命令格式

存放在刷新存儲(chǔ)器中

刷新存儲(chǔ)器中所有的繪圖命令組成一個(gè)顯示文件

由顯示處理器負(fù)責(zé)解釋執(zhí)行(刷新)

一視頻控制器控制驅(qū)動(dòng)電子槍在屏幕上繪圖

修改圖形，實(shí)際是修改顯示文件中的某些繪圖命令

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

光柵掃描顯示系統(tǒng)邏輯部件

幀級(jí)沖器

說(shuō)刎拴市I」希帆斯探作不例14

交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

簡(jiǎn)單光柵掃描圖形顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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改進(jìn)的光柵掃描圖形顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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具有專用顯示處理器的光柵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

"交"互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphic寸s廠期沒(méi)有

模擬信號(hào)輸出

O

O

算

圖形處理器計(jì)

芯

主

片RAMDAC

控

■俗稱顯卡機(jī)

信

制

■CGAEGAVGA號(hào)

■TVGASVGAXGASXG

■工作原理

顯存

■顯示主芯片

■顯卡的核心，俗稱GPU

■代替CPU完成部分圖形處理功能，掃描轉(zhuǎn)換、幾何變換、裁剪、光

柵操作、紋理映射等等

■各圖形函數(shù)基本上都集成在這里

■存儲(chǔ)將要顯示的圖形信息

-保存圖形運(yùn)算的中間數(shù)據(jù)

■它與顯示主芯片的關(guān)系，就像計(jì)算機(jī)的內(nèi)存之于CPU一樣

■R4MD4C

■視頻存儲(chǔ)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器

■在視頻處理中，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)

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

總結(jié)1—幾個(gè)數(shù)量關(guān)系

幀緩存容量--N

位面數(shù)一L

可顯示的不同顏色的數(shù)量-m

m=2：N=L*屏幕分辨率(bits)

刷新速率F:最小要求速率>30幀/秒

帶寬T：T>F*屏幕分辨率

*像素訪問(wèn)周期=1/(刷新速率*屏幕分辨率)

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

總結(jié)2—沖突的存在

■影響顯示器成本的因素：

■分辨率

■可顯示的不同顏色數(shù)

■幀緩存容量

幀緩存容量與可顯示顏色數(shù)、分辨率之間存在沖突

■解決之道？！

■查色表

-隔行掃描

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

查色表(look-uptable--LUT)

---------?XmaxLook-uptable

Framebuffer

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隔行掃描(interleavedscan)

解決刷新頻率與刷新周期之間矛盾的方法

一幀完整的畫(huà)面分成兩場(chǎng)（奇數(shù)場(chǎng)與偶數(shù)場(chǎng)）

場(chǎng)頻=幀頻*2（如：幀頻30Hz，場(chǎng)頻60HZ）

交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

總結(jié)3—光柵顯示系統(tǒng)的特點(diǎn)

■優(yōu)點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)使其占據(jù)了市場(chǎng)主流

?成本低

?易于繪制填充圖形

?灰度和色彩豐富，圖像逼真

?可以和電視機(jī)兼容

?刷新頻率一定，與圖形的復(fù)雜程度無(wú)關(guān)

■缺點(diǎn)：

?需要掃描轉(zhuǎn)換

?掃描轉(zhuǎn)換速度偏低，交互操作響應(yīng)慢

?分辨率偏低，有階梯效應(yīng)

缺點(diǎn)正在被克服

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

走向平面的顯像管

■球面顯象管

■表面：球面的一部分

■時(shí)間：~90年代初

■柱面顯象管

■表面：柱面的一部分，垂直方向上平直，水平方向上有彎曲

■時(shí)間：90年代中期

■平面直角顯象管

■表面：球面的一部分，接近于平面，曲率相對(duì)比球面柱狀管小，反光及四角失

真現(xiàn)象減少

■時(shí)間：90年代中后期

■純平顯象管

■表面：純平面，水平和垂直方向平面如鏡，色彩和亮度對(duì)比鮮明

■適合影像處理、多媒體展示、影片欣賞

■時(shí)間：90年代后期

■市場(chǎng)上的主流顯象管

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

LCD顯示器（1/5）

■CRT顯示器的缺點(diǎn)：

■屏幕的加大導(dǎo)致顯象管的加長(zhǎng)，體積加大，使用

時(shí)候受到空間的限制

■利用電子槍發(fā)射電子束來(lái)產(chǎn)生圖像，產(chǎn)生輻射與

電磁波干擾，長(zhǎng)期使用對(duì)健康不利

節(jié)省放置空間的短管

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

LCD顯示器(2/5)

■液晶顯示器

■LCD(LiquidCrystalDisplay)

■原理

■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

■此融通過(guò)它的光的折射角度就會(huì)發(fā)生變現(xiàn),而產(chǎn)

生色彩

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

LCD顯示器(3/5)

■液晶屏幕后面有一個(gè)背光

■這個(gè)光源先穿過(guò)第一層偏光板,再來(lái)到液晶體上

■當(dāng)光線透過(guò)液晶體時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生光線的色澤改變

■從液晶體射出來(lái)的光線，再經(jīng)過(guò)一塊彩色濾光束以及第

二塊偏光板

■由于兩塊偏光板的偏振方向成90度，再加上電壓的變化

和一些其他裝置，就能顯示我們想要的顏色了

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

LCD顯示器(4/5)

■基本技術(shù)指標(biāo)

■可視角度

?指左右兩邊的可視最大角度相加

■點(diǎn)距

?兩個(gè)液晶顆粒(光點(diǎn))之間的距離

■分辨率

?指其真實(shí)分辨率

?比如1024X768的含義就是指該液晶顯示器含

有1024X768個(gè)液晶顆粒

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

LCD顯示器(5/5)

■顯示效果有差距

■但有后來(lái)居上之勢(shì)

■外觀小巧精致，厚度只有6.5~8cm左右

■液晶象素總是發(fā)光，只有加上不發(fā)光的電壓時(shí)該

點(diǎn)才變黑，不會(huì)產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象

■工作電壓低，功耗小，節(jié)約能源

■沒(méi)有電磁輻射，對(duì)人體健康沒(méi)有任何影響

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

LCOS顯示器(1/3)

■LCOS(LiquidCrystalonSilicon)-有源點(diǎn)陣

反射式液晶顯示技術(shù)

■LCD與CMOS集成電路有機(jī)結(jié)合的反射型新

型顯示技術(shù)

■具備大屏幕、高亮度、高分辨率、省電等優(yōu)勢(shì)

■可能是HDTV的背投影技術(shù)發(fā)展的主要方向

■目前CRT技術(shù)大屏幕投影電視機(jī)的主要競(jìng)爭(zhēng)者

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

LCOS顯示器(2/3)

■與LCD技術(shù)最大的不同是

■LCD是利用光源穿過(guò)LCD作調(diào)變，屬于穿透式

成像

■LCOS是利用反射的架構(gòu)，光源發(fā)射出來(lái)的光

并不會(huì)穿透LCOS面板，屬于反射式成像

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

LCOS顯示器(3/3)

■存在的問(wèn)題：

■行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，各家推出的LCOS應(yīng)用產(chǎn)品

各具特色，專利技術(shù)也不一樣，上游配套產(chǎn)品

比較復(fù)雜，如光學(xué)鏡頭、光機(jī)、燈、屏幕等

■LCOS制造工藝存在瓶頸，良品率受制約，成

本相對(duì)較高

■從目前產(chǎn)品性能、價(jià)格與現(xiàn)有市場(chǎng)分析，現(xiàn)

階段的LCOS技術(shù)還難以與LCD技術(shù)抗衡

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

空氣等離子體顯示器

■空氣等離子體可想象成一個(gè)個(gè)微型霓虹燈,

紅綠藍(lán)三種不同顏色的像素。

■顯示屏薄，掛在墻上

?無(wú)鋸齒現(xiàn)象，分辨率好

■無(wú)需刷新緩存，重量輕，無(wú)輻射

■價(jià)格貴

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

未來(lái)顯示器

■發(fā)光聚合物技術(shù)

■堅(jiān)不可摧；柔韌性好，可以卷起來(lái);

■顯示畫(huà)面具有無(wú)與倫比的清晰度；

■真正的平面直角。

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

計(jì)算機(jī)圖形軟件分類及標(biāo)準(zhǔn)

?圖形軟件系統(tǒng)分類

-子程序包（如：GKS,PH工GS,GL）

便于移植和推廣、但執(zhí)行速度相對(duì)較慢，效率低

?為語(yǔ)言擴(kuò)充出圖形功能（如：TurboC,AutoLisp）

簡(jiǎn)練、緊湊、執(zhí)行速度快，但不可移植

?專用的圖形系統(tǒng)

效率高，但系統(tǒng)開(kāi)發(fā)量大，可移植性差。

?圖形學(xué)軟件功能標(biāo)準(zhǔn)化

?1974年ACMSIGGRAPH舉辦“與機(jī)器無(wú)關(guān)的圖形技術(shù)會(huì)議”

?成立了一個(gè)圖形標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)開(kāi)始標(biāo)準(zhǔn)的制定

?ISO和ANSI批準(zhǔn)的第一個(gè)國(guó)際圖形標(biāo)準(zhǔn)是：GKS

?事實(shí)上的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)并存，如：OpenGL,DirectX等

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)圖形（工程》

數(shù)據(jù)庫(kù)

分

子)IGES,STEP

據(jù)

程

兩

序及

類

界

文.

面

件

標(biāo)

格

準(zhǔn)

式

標(biāo)

準(zhǔn)

屏幕磁盤(pán)

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

數(shù)據(jù)及文件格式標(biāo)準(zhǔn)

■各界面間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和通信

接口標(biāo)準(zhǔn)。包括：

■CGI(ComputerGraphicsInterface)

■CGM(ComputerGraphicMetafile)

■IGES(InitialGraphicsExchange

Specification)

■STEP(STandardfortheExchangeof

Productmodeldata)

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

子程序界面標(biāo)準(zhǔn)

?供圖形應(yīng)用程序調(diào)用的子程序

功能及格式標(biāo)準(zhǔn)。包括：

?GKS(GraphicsKernelSystem)

?PHIGS(Programmer^Hierarchical

InteractiveGraphicsSystem)

?GL(GraphicLibrary)

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

計(jì)算機(jī)圖形接口CGI

■標(biāo)準(zhǔn)號(hào)是ISODP9636o

■與ANSI在1985年公布的VDI(Virtual

DeviceInterface)是一致的。

■可看作是圖形設(shè)備驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

計(jì)算機(jī)圖形元文件（CGM）

■標(biāo)準(zhǔn)號(hào)是ISOIS8632

■通過(guò)元文件產(chǎn)生器生成并通過(guò)原文件解釋

器與CGI（驅(qū)動(dòng)器）配套使用。

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

基本圖形轉(zhuǎn)換規(guī)范IGES

■是實(shí)際上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

■目的：處理在不同的CAD/CAM系統(tǒng)間進(jìn)行的

數(shù)據(jù)交換。

■內(nèi)容：定義了一套表示CAD/CAM系統(tǒng)中常用

的幾何和非幾何數(shù)據(jù)格式以及響應(yīng)的文件結(jié)構(gòu)。

■使用：由系統(tǒng)中的IGES前、后處理器完成

IGES格式文件的輸出、輸入。

■問(wèn)題：數(shù)據(jù)不精確、數(shù)據(jù)量太大等

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)STEP

■具體組成包括：

■描述方法標(biāo)準(zhǔn)

■實(shí)現(xiàn)方法標(biāo)準(zhǔn)

■一致性測(cè)試方法與工具標(biāo)準(zhǔn)

■信息模型標(biāo)準(zhǔn)

■應(yīng)用協(xié)議

■96年成為ISO標(biāo)準(zhǔn)。

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

圖形核心系統(tǒng)GKS和GKS-3D

■GKS是一個(gè)二維圖形

標(biāo)準(zhǔn)，GKS-3D是它

的擴(kuò)展，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)是

ISOIEC8806-4o

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交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-InteractiveComputerGraphics

PHIGS和PHIGS*

■Programmer'sHierarchicalInteractiveGraphics

System,功能：

-向應(yīng)用程序員提供控制圖形設(shè)備的接口

-圖形數(shù)據(jù)按層次結(jié)構(gòu)自知，使多層次的應(yīng)用模型能方便地應(yīng)用

PHIGS進(jìn)行描述

■提供動(dòng)態(tài)修改和繪制