計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課件：2 圖形系統(tǒng)概述

1、2020/10/8,Chapter 1,圖形系統(tǒng)概述 Introduction to Graphics System,2020/10/8,一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)包括以下五個(gè)主要部分: 計(jì)算機(jī)(computer) 顯示處理器DPU（專門的CPU,專作圖形顯示處理） 顯示設(shè)備(Display devices) 輸入設(shè)備(Input devices) 輸出設(shè)備(硬拷貝)( Output devices),計(jì)算機(jī)圖形外圍設(shè)備Graphics Peripheral devices,2020/10/8,計(jì)算機(jī),顯示處理器,輸入設(shè)備,顯示器,繪圖機(jī),打印機(jī),簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng),(graph plotte

2、r),(printer),(computer),(DPU),(Display),(Input devices),2020/10/8,圖形輸入設(shè)備的邏輯功能分類 定位(Locator)：輸入點(diǎn)的坐標(biāo) 賦值(VaLuator)：輸入數(shù)字或字符串 選擇(Choice)：從選擇集中挑選一個(gè)元素(命令、操作數(shù)或?qū)ο蟮龋?拾取(Pick)：拾取圖形（操作對(duì)象）。表現(xiàn)是該圖形變色、閃爍或增亮，實(shí)際是在存儲(chǔ)用戶圖形的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中找到存放該圖形的幾何參數(shù)地址及其屬性的地址，以便操作。,圖形輸入設(shè)備(input devices),2020/10/8,一種移動(dòng)光標(biāo)和做選擇操作的計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備.用于定位和拾取(選圖).

3、 原理：把鼠標(biāo)器的移動(dòng)距離和方向的信息變成脈沖送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)再把脈沖轉(zhuǎn)換成鼠標(biāo)器光標(biāo)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，指示位置。 分類：光電式，光機(jī)式和機(jī)械式,鼠標(biāo)器(mouse),2020/10/8,光筆是一種能檢測(cè)光信號(hào)的裝置. 兩種工作模式:拾取(選圖)和定位 原理：對(duì)電子束打到特定象素點(diǎn)時(shí)熒光涂層瞬時(shí)發(fā)射的突發(fā)光敏感，產(chǎn)生電脈沖經(jīng)整形后作為中斷信號(hào)送給計(jì)算機(jī)和顯示控制器，使該電子束坐標(biāo)位置被記錄。,光筆(light pen),2020/10/8,是一種定位設(shè)備,一種能對(duì)物體觸摸產(chǎn)生反映的屏幕. 電阻式觸摸屏：兩層導(dǎo)電和高透明的薄膜涂層，相隔0.0025mm，在x和y方向測(cè)量接觸時(shí)電阻的變化，確定位置.

4、電容式觸摸屏：接近透明的金屬涂層覆蓋在玻璃表面，測(cè)量接觸時(shí)電容的改變，來確定位置. 紅外線式觸摸屏：手指遮擋x和y方向發(fā)射的紅外光束，引起接受光的光電器件發(fā)生電平變化，確定位置. 聲表面波觸摸屏：測(cè)量觸及到的地方使聲波發(fā)生的衰減，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)坐標(biāo)傳給計(jì)算機(jī).,觸摸屏(touch panel),2020/10/8,將圖形轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能接收的數(shù)字形式的設(shè)備。 包括圖板（內(nèi)部布滿金屬柵格）和定位器（可移動(dòng)）兩個(gè)主要部分.,坐標(biāo)數(shù)字化儀 (data tablet),原理：電流通過定位器上電感線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，使正下方的金屬柵格上產(chǎn)生感應(yīng)電流。根據(jù)該金屬柵格的位置，判斷出定位器位置，以坐標(biāo)的形式傳給計(jì)算機(jī),2

5、020/10/8,圖形掃描儀是直接把圖形和圖象掃描輸入到計(jì)算機(jī)中，以象素信息進(jìn)行存儲(chǔ)表示的設(shè)備。 原理：用光源照射原稿，投射光線經(jīng)一組光學(xué)鏡頭射到電荷耦合器件（CCD）上，在經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，圖象數(shù)據(jù)暫存器等，最終輸入到計(jì)算機(jī)中。,圖形掃描儀(image scanner),2020/10/8,打印機(jī)(printer) (1)針打點(diǎn)陣打印機(jī) (2)噴墨打印機(jī)：噴墨頭 (3)激光打印機(jī)：感光鼓、打底電暈絲、上粉盒、轉(zhuǎn)移電暈絲 感光鼓旋轉(zhuǎn)通過打底電暈絲，使鼓表面整個(gè)帶電； 經(jīng)過處理的打印數(shù)據(jù)控制激光的發(fā)射，激光反射到感光鼓，使被照點(diǎn)失去電荷，在鼓上形成磁化圖象； 感光鼓旋轉(zhuǎn)至上粉盒，磁化的點(diǎn)吸附炭粉，

6、在鼓上形成要打印的炭粉圖象； 打印紙從鼓和轉(zhuǎn)移電暈絲中通過，轉(zhuǎn)移電暈絲產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場(chǎng)使炭粉脫離鼓，在紙上形成炭粉圖象。再經(jīng)熔凝部件，定型在打印紙上。,圖形輸出設(shè)備(output devices)(1),2020/10/8,繪圖儀(graph plotter) (1)靜電繪圖儀： 寫頭根據(jù)象素化的圖象信號(hào)控制每根極針放出高電壓，以靜電的方式將圖象信號(hào)轉(zhuǎn)換到紙上，帶電的紙通過墨水槽時(shí)，墨水的炭微粒帶正電，被紙上電子吸附，在紙上形成圖象。 (2)筆式繪圖儀(自動(dòng)繪圖機(jī)) 繪圖筆按輸出圖形信號(hào)分別在x和y方向驅(qū)動(dòng)。 滾筒式繪圖機(jī)：在滾筒上畫圖 平板式繪圖機(jī)：在平板上畫圖,圖形輸出設(shè)備(output d

7、evices)(2),2020/10/8,圖形顯示設(shè)備(displays),圖形顯示器： (displays) 陰極射線管(CRT-Cathode ray tube )顯示器 隨機(jī)掃描顯示器(Random-scan display) 存儲(chǔ)管式顯示器 光柵掃描顯示器(Raster-scan display) 平板顯示器 液晶顯示器(LCD-liquid-crystal display ) 等離子(plasma)顯示器,2020/10/8,(1)構(gòu)造和功能(Principle of CRT display),CRT陰極射線管(Cathode Ray Tube)(1),陰極,熒光屏,光子,2020/

8、10/8,1)電子槍:燈絲、陰極、柵極、加速電極、聚焦系統(tǒng)。 控制柵：柱狀的金屬桿，加負(fù)電壓，可控制通過其中間小孔的帶負(fù)電的電子束的強(qiáng)弱，進(jìn)而控制熒光屏相應(yīng)點(diǎn)的亮度。 加速電極：加正的高電壓（達(dá)幾萬伏），使經(jīng)過聚焦的電子束高速運(yùn)動(dòng)。 聚焦系統(tǒng)：通過電場(chǎng)或磁場(chǎng)控制電子束，使電子束變細(xì)，保證轟擊熒光屏?xí)r產(chǎn)生的亮點(diǎn)足夠小。,CRT陰極射線管(2),2020/10/8,CRT陰極射線管(3),2)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng):由垂直和水平兩個(gè)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)構(gòu)成.控制電子束在水平和豎直方向上的偏轉(zhuǎn)。 靜電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)（管內(nèi)）,兩組極板加偏轉(zhuǎn)電壓形成靜電場(chǎng)。速度快，滿屏偏轉(zhuǎn)3微秒，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。 電磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)（管外）,兩組線圈加偏

9、轉(zhuǎn)電流形成電磁場(chǎng)。 速度慢，滿屏偏轉(zhuǎn)30微秒。 3)熒光屏:涂有熒光粉,電子束轟擊熒光涂層的某一小區(qū),產(chǎn)生光子,產(chǎn)生可見亮點(diǎn)（光點(diǎn)）.,2020/10/8,（2）CRT顯示器的性能指標(biāo)： 余輝時(shí)間:電子束離開熒光屏某點(diǎn)后,該點(diǎn)亮度衰減到1/10(10)的時(shí)間. 為獲得穩(wěn)定的畫面，需不斷重復(fù)繪制圖形，即不斷刷新。 長(zhǎng)：適于靜態(tài)圖形顯示；短：適于動(dòng)態(tài)圖形顯示。 分辨率:CRT上單位長(zhǎng)度能顯示的不重疊光點(diǎn)（象素）數(shù). 影響因素：熒光物質(zhì)的類型、聚焦系統(tǒng)、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，確定象素位置的計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)、存儲(chǔ)象素信息的介質(zhì)，數(shù)模轉(zhuǎn)換的精度及速度。,CRT陰極射線管(4),2020/10/8,基本原理: 不同的熒光物

10、質(zhì)有著不同的發(fā)光顏色,利用三基色原理,將紅、綠、藍(lán)、三基色按不同的強(qiáng)度比例混合可得到各種顏色。,彩色CRT(1),2020/10/8,彩色CRT(2),(1)滲透型彩色CRT(射線穿透法): 熒光屏上涂有兩層熒光粉,不同速度的電子射線能穿透不同的熒光粉層而發(fā)出不同顏色的光. 熒光物質(zhì)：紅色（外層）和綠色（內(nèi)層） 顏色：電子束速度決定光點(diǎn)顏色。低速電子束只激激勵(lì)外層熒光物質(zhì)發(fā)紅光；高速電子穿透外層而激勵(lì)內(nèi)層熒光物質(zhì)發(fā)綠光；中速電子同時(shí)激勵(lì)兩層物質(zhì)發(fā)組合光（橙色和黃色光）。 主要用于隨機(jī)掃描顯示器。成本低，但只能產(chǎn)生四種顏色。圖形顯示質(zhì)量沒有其它方法好。,2020/10/8,彩色CRT(3),(2

11、)多槍型彩色CRT(影孔板法): 熒光屏上每個(gè)象素處分布著呈三角形排列的三個(gè)熒光點(diǎn)（分別為紅、綠、蘭三種顏色的熒光物質(zhì)）。 兩種排列方式在同一掃描行上交替采用。,2020/10/8,彩色CRT(4),彩色CRT的三支電子槍分別與三種熒光點(diǎn)對(duì)應(yīng)，即每支電子槍發(fā)出的電子束專門轟擊某一類熒光物質(zhì)。 在電子槍和熒光屏之間設(shè)有影孔板,板上的每個(gè)小孔與一個(gè)象素（三個(gè)熒光點(diǎn)）對(duì)應(yīng)。,2020/10/8,彩色CRT(5),熒光屏上的熒光點(diǎn)，影空板上的小孔和電子槍處于一條直線，某一電子槍的電子束只能轟擊它所對(duì)應(yīng)的熒光點(diǎn)。,2020/10/8,彩色CRT(6),調(diào)解各電子槍發(fā)出的電子束中所含電子的數(shù)目，可控制各象

12、素中三個(gè)熒光點(diǎn)所發(fā)出的三色光的亮度，混合后產(chǎn)生不同的顏色。,2020/10/8,彩色CRT(7),通常用于光柵掃描顯示器，能產(chǎn)生范圍廣的多的顏色。,2020/10/8,2020/10/8,彩色CRT(4),1）若彩色CRT的電子槍只能處于開和關(guān)兩個(gè)狀態(tài)，能產(chǎn)生幾種顏色？,2228種,2）若每個(gè)電子槍發(fā)出的電子束的強(qiáng)度有256個(gè)級(jí)別，能顯示幾種顏色？,25625625616M種（真彩色顯示系統(tǒng)）,2020/10/8,CRT陰極射線管(5),(3)CRT顯示器的類型:,2020/10/8,隨機(jī)掃描顯示器(1) Random-scan display,隨機(jī)掃描圖形顯示器中電子束的定位和偏轉(zhuǎn)具有隨機(jī)性

13、，電子束可以在任意方向自由移動(dòng)。又稱畫線式或矢量式顯示器。,2020/10/8,隨機(jī)掃描顯示器(2),電子束掃描過程,箭頭所指為電子束的掃描方向，電子束只掃熒光屏上要顯示圖形的部分,2020/10/8,A,B,產(chǎn)生從點(diǎn)A到點(diǎn)B的一條線段.,從P點(diǎn)用暗矢量x=xA-xp, y=yA-yp移到A; 用亮矢量x=xB-xA, y=yB-yA從 AB;,隨機(jī)掃描顯示器(3),2020/10/8,隨機(jī)掃描顯示系統(tǒng) （1）,系統(tǒng)分三個(gè)部件：刷新存儲(chǔ)器，顯示處理器(DPU)和CRT,2020/10/8,隨機(jī)掃描顯示系統(tǒng)（2）,工作原理： 1）應(yīng)用程序發(fā)出繪圖命令； 2）命令解釋成顯示處理器的命令格式 ，存放

14、在刷新存儲(chǔ)器中。所有繪圖命令組成一個(gè)顯示文件。 3）顯示處理器解釋執(zhí)行顯示文件(每秒至少執(zhí)行30次），驅(qū)動(dòng)電子槍在屏幕上繪圖。,2020/10/8,隨機(jī)掃描顯示系統(tǒng)（3）,注：1)顯示器使用低余輝的熒光粉，需重復(fù)刷新（30Hz）形成穩(wěn)定圖形。 2)通過修改顯示文件中的顯示命令來修改屏幕圖形。,缺點(diǎn)：需要不斷取出刷新存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的圖形信息來刷新屏幕。由于存取信息速度的限制，在顯示穩(wěn)定圖形時(shí)的畫線長(zhǎng)度有限，且造價(jià)較高。,2020/10/8,為解決隨機(jī)掃描的重復(fù)刷新工作而發(fā)展的.,存儲(chǔ)管式圖形顯示器（1）,2020/10/8,存儲(chǔ)管式圖形顯示器（2）,先用寫入槍將圖形信息“寫”在存儲(chǔ)柵（細(xì)網(wǎng)柵格，涂

15、有絕緣材料）上（只寫一次）： 存儲(chǔ)柵表面被寫入電子束轟擊的地方會(huì)發(fā)生二次電子發(fā)射，在寫入電子束經(jīng)過的表面就產(chǎn)生正電荷，這些正電荷組成靶像。,2020/10/8,存儲(chǔ)管式圖形顯示器（3）,讀出電子槍（泛流槍）發(fā)出連續(xù)低能電子流把存儲(chǔ)柵網(wǎng)上圖形“重寫” 在屏幕上： 電子以低速度被吸引到存儲(chǔ)柵的正電荷上（存有圖形信息的部分），而被存儲(chǔ)柵的其余部分所排斥。被吸引過去的電子直接通過存儲(chǔ)柵并轟擊熒光材料。,2020/10/8,存儲(chǔ)管式圖形顯示器（4）,收集柵（細(xì)金屬網(wǎng)）使讀出的電子流均勻，并以垂直方向接近屏幕。,2020/10/8,存儲(chǔ)管式圖形顯示器（5）,圖形擦除： 給存儲(chǔ)柵加正脈沖，使其充電到收集極同

16、樣的電壓。讀出電子被帶正電荷的存儲(chǔ)柵吸引過去，使其放電到等于讀出電子槍的陰極電壓，圖形被擦除。,2020/10/8,存儲(chǔ)管式圖形顯示器（6）,優(yōu)點(diǎn)：不用刷新。缺點(diǎn)：1）不能有選擇的擦去圖形，不適于動(dòng)態(tài)圖形顯示；2）不能用光筆；3）屏幕的反差較弱。,2020/10/8,工作原理：光柵掃描CRT中,電子束依照固定的掃描線和規(guī)定的掃描順序,自上而下,從左到右掃描.通過圖形點(diǎn)亮度和背景亮度不同來顯示要繪制的圖形。,光柵掃描顯示器(raster scan display),2020/10/8,幀(Frame)：一次掃描產(chǎn)生的圖象。 回掃：水平回掃和垂直回掃 象素(pixel):顯示屏上一個(gè)光點(diǎn)的灰度值存

17、放在幀存的一個(gè)單元中,這個(gè)能被獨(dú)立定義亮度和顏色的最小單元被稱為象素.,概念,2020/10/8,光柵掃描顯示系統(tǒng)邏輯部件raster-scan display system,幀緩存器(frame buffer)：顯存 視頻控制器(video controller)：負(fù)責(zé)刷新，不可缺 顯示處理器(display processor) CRT,2020/10/8,幀緩沖器(顯存):保存每個(gè)象素的灰度或彩色值的存儲(chǔ)器. 幀緩沖器的單元個(gè)數(shù)與屏幕象素的數(shù)目相同. 一個(gè)單元可有多個(gè)位(bit)，各單元內(nèi)存放的數(shù)值決定了其對(duì)應(yīng)的象素顏色。,幀緩沖器（1）,2020/10/8,位圖(Bitmap):在光柵

18、掃描情況下，幀存儲(chǔ)器中存放的不是顯示指令,而是對(duì)應(yīng)各個(gè)象素的明暗或灰度信息,這種信息稱為位圖.,幀緩沖器（2）,單色單灰度,2020/10/8,位平面:幀緩沖器中各單元顏色值的同權(quán)重位置的二進(jìn)制位 (bit)構(gòu)成的平面. 幀緩沖器中值單元的二進(jìn)制位數(shù)即是位平面數(shù). 幀緩沖器的位平面數(shù)決定了顯示器能同時(shí)顯示的灰度級(jí)或顏色數(shù).,單色單灰度,幀緩沖器（3）,2020/10/8,分辨率與可同時(shí)顯示顏色,顯示器能同時(shí)顯示的顏色種類與幀緩沖器容量有關(guān) 假定顯示器分辨率為MN，需要同時(shí)顯示K種顏色，則幀緩沖存儲(chǔ)器的容量V至少要求為 V=MNlog2K,在固定V的情況下，屏幕分辨率與可用的顏色種數(shù)是成反比關(guān)系

19、的。,2020/10/8,問題,高分辨率和真彩色模式顯示的要求： 1）大容量的幀緩沖器 2）要求視頻控制器對(duì)幀緩沖器有快的存取速率，通信線路有較大的傳輸帶寬,解決辦法： 1）采用查色表機(jī)制 2）采用隔行掃描,2020/10/8,查色表（1）,查色表：一維線性表，表中每一項(xiàng)的內(nèi)容對(duì)應(yīng)一種顏色。 長(zhǎng)度由幀緩沖器單元的位數(shù)決定。 采用查色表時(shí)，幀緩沖器各單元保存的不是相應(yīng)象素的顏色值，而是查色表各項(xiàng)的索引值。 按這個(gè)索引值在查色表對(duì)應(yīng)表項(xiàng)中取出的數(shù)才是真正的顏色值。,2020/10/8,查色表(look-up table-LUT)（2）,幀緩沖器,查色表,顯示器,2020/10/8,隔行掃描(int

20、erleaved scan)(1),解決刷新頻率與刷新周期之間矛盾的方法,2020/10/8,每次掃描一場(chǎng),頻率提高一倍.增加畫面的穩(wěn)定性,減少閃爍. 兩場(chǎng)一幀,信息量未少. 幀緩存中信息量比逐行掃描降低一半,對(duì)線路的高頻通帶和存取速度要求降低.,隔行掃描(interleaved scan)(2),2020/10/8,視頻控制器(video controller),作用： 負(fù)責(zé)刷新的部件，建立了幀緩沖器單元與屏幕象素間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。 注：幀緩沖器單元及屏幕象素的位置由坐標(biāo)（x，y）表示。,2020/10/8,視頻控制器(video controller),視頻控制器的邏輯結(jié)構(gòu),2020/10/8,顯示處理器,作用：掃描轉(zhuǎn)換待顯示的圖形；進(jìn)行光柵操作：象素塊的移動(dòng)，拷貝，修改；進(jìn)行幾何變換、紋理映射等操作。 掃描轉(zhuǎn)換：計(jì)算出表示圖形的每個(gè)象素的坐標(biāo)并將其顏色值寫入相應(yīng)的幀緩沖器單元。,2020/10/8,光柵系統(tǒng)的組織,經(jīng)歷了一個(gè)發(fā)展的過程，通常包括： 幀緩存器(frame buffer) 視頻控制器(video controller)：不可缺少 顯示處理器(display processor) CRT,2020/10/8,簡(jiǎn)單的光柵掃描圖形顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu),2020/10/8,較為典型的光柵掃描圖形顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu),