计算机图形学第二章.ppt

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1、第二章第二章 图形设备与系统图形设备与系统l图形输入设备：二维：鼠标、图形输入板、跟踪球、光笔、触摸 屏、操纵杆、扫描仪 三维：空间球、数据手套 l图形输出(显示、打印）系统：阴极射线管显示器，液晶显示器，等离子显示器，绘图仪,打印机，第二章第二章 图形设备与系统图形设备与系统2.1 图形显示器图形显示器l阴极射线管阴极射线管(CRT)组成：包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏组成：包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏工作原理：电子枪发射电子束，经过聚焦系统、加速电极、工作原理：电子枪发射电子束，经过聚焦系统、加速电极、偏转系统，轰击到荧光屏的不同部位，被其内表面的偏转

2、系统，轰击到荧光屏的不同部位，被其内表面的荧光物质吸收，发光产生可见的图形。荧光物质吸收，发光产生可见的图形。结构结构2.1.1 阴极射线管阴极射线管电子枪电子枪n电灯丝，阴极和控制栅组成。n阴极：由灯丝加热发出电子束，n控制栅：加上负电压后，能够控制通过其中小孔的带负电的电子束的强弱。通过调节负电压高低来控制电子数量，即控制荧光屏上相应点的亮度。2.1.1 阴极射线管阴极射线管聚焦系统聚焦系统n通过电场和磁场控制电子束，“变细”，保证亮点足够小，提高分辩率加速电极 加正的高压电（几万伏），使电子束高速运动。2.1.1 阴极射线管阴极射线管偏转系统偏转系统n控制电子束，静电场或磁场，产生偏转，

3、最大偏转角是衡量系统性能的最重要的指标，显示器长短与此有关。2.1.1 阴极射线管阴极射线管荧荧光光屏屏 荧光物质：吸收电子束而发光荧光物质：吸收电子束而发光l 持续发光时间：电子束离开某点后，该点的亮度值衰减到初持续发光时间：电子束离开某点后，该点的亮度值衰减到初始值始值1/101/10所需的时间所需的时间l 刷新刷新(Refresh)(Refresh)：为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值：为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值l 刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数l像素像素(Pixel:Picture Cell)(Pixel:Picture Cell)：构成屏幕（图像

4、）的最小元素：构成屏幕（图像）的最小元素l 分辨率分辨率(Resolution)(Resolution)：CRTCRT在水平或竖直方向单位长度上能在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大像素个数，单位通常为识别的最大像素个数，单位通常为dpidpi（dots per inch)dots per inch)。在。在假定屏幕尺寸一定的情况下，也可用整个屏幕所能容纳的像素假定屏幕尺寸一定的情况下，也可用整个屏幕所能容纳的像素个数描述，如个数描述，如640640*480480，800800*600600，10241024*768768，12801280*10241024等等等等某种CRT产生稳定图像所需

5、要的最小刷新频率=1秒/荧光物质的持续发光时间（例如）=1000/40=25Hz2.1.1 阴极射线管阴极射线管n产生彩色的常用方法：射线穿透法、影孔板法n射线穿透法n应用：主要用于画线显示器n优点：成本低n缺点：只能产生有限几种颜色电子束电子束荧光涂层荧光涂层产生颜色产生颜色低速电子束低速电子束较低速电子束较低速电子束较高速电子束较高速电子束高速电子束高速电子束2.1.2 2.1.2 彩色阴极射线管彩色阴极射线管外层玻璃荧光涂层影孔板影孔板2.1.2 彩色阴极射线管彩色阴极射线管2.1.2 彩色阴极射线管彩色阴极射线管电子枪、影孔板中的一个小孔和荧光荧光点点呈一直线；每个小孔与一个像素（即三

6、个荧光点荧光点）对应2.1.2 彩色阴极射线管彩色阴极射线管n显示器能同时显示的颜色个数如果每支电子枪发出的电子束的强度有256个等级，则显示器能同时显示256*256*256=16M种颜色，称为真彩系统l调节各电子枪发生的电子束中所含电子的数目，即可控制各色光点亮度。2.1.2 彩色阴极射线管彩色阴极射线管*纯平显示器纯平显示器*LCD显示器显示器*n采用空气等离子体技术，n空气等离子体可想象成一个个微型霓虹灯，红绿蓝三种不同颜色的像素。n显示屏薄，挂在墙上。n发光聚合物技术，坚不可摧；柔韧性好，可以卷起来；显示画面具有无与伦比的清晰度。真正的平面直角。2.1.3 随机扫描的显示系统随机扫描

7、的显示系统特点：电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分。逻辑部件：刷新存储器(Refreshing Buffer),显示处理器（DPU:Display Processing Uuit）和CRTl工作原理 应用程序发出绘图命令，解析成显示处理器可接受命令格式，存放在刷新存储器中。刷新存储器中所有的绘图命令组成一个显示文件，由显示处理器负责解释执行(刷新)，驱动电子枪在屏幕上绘图。修改图形，实际是修改显示文件中的某些绘图命令。2.1.3 随机扫描的显示系统随机扫描的显示系统2.1.4 光栅扫描的显示系统光栅扫描的显示系统n绘图过程2.1.4 光栅扫描的显示系统光栅扫描的显示系统-显示器的分辨率

8、l电子束按固定的扫描顺序进行扫描N条扫描线，每条扫描线有M个像素，M*N显示器的分辨率。2.1.4 光栅扫描的显示系统光栅扫描的显示系统n逻辑部件：帧缓冲存储器（Frame Buffer)，视频控制（Video Controller)，显示处理器（Display Processor），CRTn帧缓冲存储器简称帧缓冲器，俗称显存l帧缓存中单元数目与显示器上像素的数目相同，单元与像素一一对应，各单元的数值决定了其对应像素的颜色。l显示颜色的种类与帧缓存中每个单元的位数有关（图示帧缓冲器的每个单元只有一位）。2.1.4 光栅扫描的显示系统光栅扫描的显示系统彩显：彩显：n若每个单元有24位（每种基色占

9、8位）即显示系统可同时产生224种颜色（24位真彩色）n分辨率M*N、颜色个数K与显存大小V的关系KNMV2log2.1.4 光栅扫描的显示系统光栅扫描的显示系统彩显：彩显：n显存问题n高分辨率和真彩要求有大的显存；n曾经是个问题！n解决方法：采用查色表(Lookup Table）或称彩色表(Color Table)n查色表工作原理1024*768真彩模式需要真彩模式需要3M字节显存字节显存2.1.4 光栅扫描的显示系统光栅扫描的显示系统n是一维线性表，其每一项的内容对应一种颜色，它的长度由帧缓存单元的位数决定，例如：每单元有8位，则查色表的长度为28256n目的：在帧缓存单元的位数不增加的情

10、况下，具有大范围内挑选颜色的能力：2.1.4 光栅扫描的显示系统光栅扫描的显示系统存放方式存放方式n颜色信息在帧缓存中两种存放方式：一是颜色值直接存储在帧缓存中。二是把颜色码放在一个独立的表中，帧缓存存放的是颜色表中各项的索引值，颜色范围扩充了。n单色系统：查色表固化n彩显：可修改、创建查色表。2.1.4 光栅扫描的显示系统光栅扫描的显示系统带宽T与分辨率、帧频F的关系带宽问题高分辨率和高的刷新频率要求有高带宽-依然是个问题！解决方法：隔行扫描（现在已经基本不用，主流 显示器都采用逐行扫描方式）隔行扫描的：把一帧分两场，即奇数场与偶数场场频：=2*帧频FNMT2.1.4 光栅扫描的显示系统光栅

11、扫描的显示系统隔行扫描隔行扫描工作原理n2.1.4 光栅扫描的显示系统光栅扫描的显示系统n简单的光栅扫描图形显示系统的结构n较为典型的光栅扫描图形显示系统的结构其中，帧缓存为系统内存任一块区域，视频控制器能够直接存取该区域以刷新屏幕。其中，帧缓存可以是专用的存储器，也可以是系统内存中的一块固定区域。2.1.4 光栅扫描的显示系统光栅扫描的显示系统）普通显卡=视频控制器+显存2.1.4 光栅扫描的显示系统光栅扫描的显示系统n作用：代替CPU完成部分图形处理功能，扫描转换、几何变换、裁剪、光栅操作、纹理映射等等n具有专用显示处理器的光栅显示系统的结构图形加速卡=视频控制器+显存+显示处理器2.1.

12、4 光栅扫描的显示系统光栅扫描的显示系统n光栅显示系统的特点n优点：n成本低n易于绘制填充图形n色彩丰富n刷新频率一定，与图形的复杂程度无关n易于修改图形n缺点：n需要扫描转换n会产生混淆缺点正在被克服优点使其占据了市场主流2.1.4 光栅扫描的显示系统光栅扫描的显示系统2.2 图形系统及其标准图形系统及其标准n硬件，图形 I/O 设备，系统软件，图形软件。n图形软件：通用编程软件包，专用应用软件包。n通用类：提供一个可用于高级程序语言的图形功能扩展集(比如，OpenGL).n基本功能：图元生成，属性设置（颜色，.）选择观察及实施变换等。n专用类：不关心图形操作过程（比如，CAD系统。图形系统

13、标准图形系统标准n图形标准：图形系统及其相关应用系统中各界面之间进行数据传送和通信的接口标准，以及供图形应用程序调用的子程序功能及其格式标准，前者称为数据及文件格式标准，后者称为子程序界面标准。图形系统标准分类图形系统标准分类n面向图形设备的接口标准：计算机图形元文件(CGM)，(CRT,Mouse,)计算机图形接口(CGI).设备驱动程序。CGI（ISO DP 9636)n-提供控制图形硬件的一种与设备无关的方法n-也可看作图形设备驱动程序的一种标准。n-在用户程序和虚拟设备之间，以一种独立于设备的方式提供图形信息的描述和通信。CGM(ISO IS8632)CGM(ISO IS8632)-与

14、设备无关的语义、词法定义的图形文件格式。-规定了生成、存储、传送图形信息的格式。-面向系统和系统开发者，和CGI配套提供。-通用性是其关键属性。GKS-提供了在应用程序和图形输入输出设备之间的 功能接口。-与语言无关。-GKS提供了一个称为元文件的顺序文件接口-应用程序的所有图形资源由GKS控制（通过GKS元文件-GKSM）-GKSM用于:图形信息存档；系统传送图形信息；在GKS应用程序间传送图形信息；与图形信息相关的非图形信息的存储和复用。PHIGS（ISO IS9592）-向应用程序员提供的控制图形设备的图形系统接口；-图形数据按层次结构组织；-提供动态修改和绘制显示图形数据的手段。是一个

15、高度动态化和交互式图形系统。GLn图形程序库，nUNIX下运行，nOpenGL微机，n分类：基本图素；坐标变换；设置属性和显示方式；I/O 处理；真实图形显示。IGESIGES（基本图形转换规范）（基本图形转换规范）n-Initial Graphics Exchange Specificationn-作用：不同的CAD/CAM系统之间交换数据。n-文件格式是ASCII码，五节：开始节，目录入口(DE)，参数(DP)节，整体节和结束节。STEPSTEP（产品模型数据转换标准）（产品模型数据转换标准）n-Standard for the Exchange of Product model Data.n-覆盖产品整个生命周期n-强调建立能存入数据库中的一个产品模型的完整表示。n-克服IGES中的问题和缺点。