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1、2023/7/12,计算机图形学,1,第二章 图形设备与系统,2.1 图形显示设备2.2 图形系统及其标准,2023/7/12,计算机图形学,2,2.1 图形设备,图形显示设备图形输出包括图形的显示和图形的绘制，图形显示指的是在屏幕上输出图形图形绘制通常指把图形画在纸上，也称硬拷贝，打印机和绘图仪是两种最常用的硬拷贝设备,2023/7/12,计算机图形学,3,2.1 图形显示器,2.1.1 阴极射线管2.1.2 彩色阴极射线管射线穿透法影孔板法2.1.3 随机扫描显示系统2.1.4 光栅扫描系统,2023/7/12,计算机图形学,4,阴极射线管(CRT-Cathode Ray Tube)组成：
2、包括电子枪、加速结构、聚焦系统、偏转系统、荧光屏,阴极射线管（CRT),2023/7/12,计算机图形学,5,阴极射线管(CRT),工作原理高速的电子束由电子枪发出，经过聚焦系统、加速系统和磁偏转系统就会到达荧光屏的特定位置。由于荧光物质在高速电子的轰击下会发生电子跃迁，即电子吸收到能量从低能态变为高能态。由于高能态很不稳定，在很短的时间内荧光物质的电子会从高能态重新回到低能态，这时将发出荧光，屏幕上的那一点就会亮了,2023/7/12,计算机图形学,6,要保持显示一幅稳定的画面，必须不断地发射电子束刷新频率刷新一次是指电子束从上到下扫描一次的过程刷新频率高到一定值后，图象才能稳定显示,202
3、3/7/12,计算机图形学,7,电子枪,电灯丝，阴极和控制栅组成。阴极：由灯丝加热发出电子束，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。,2023/7/12,计算机图形学,8,聚焦系统,保证电子束在轰击屏幕时，汇聚成很细的点。加速电极加正的高压电（几万伏），使电子束高速运动。,2023/7/12,计算机图形学,9,偏转系统,控制电子束，静电场或磁场，产生偏转。电子束要到达屏幕的边缘时，偏转角度就会增大。到达屏幕最边缘的偏转角度被称为最大偏转角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CRT显示
4、器屏幕越大整个显象管就越长,2023/7/12,计算机图形学,10,荧光屏,荧光物质：当它被电子轰击时发出亮光持续发光时间：电子束离开某点后，该点的亮度值衰减到初始值1/10所需的时间刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数,某种CRT产生稳定图像所需要的最小刷新频率=1秒/荧光物质的持续发光时间例如：一种荧光物质持续光时间40毫秒，刷新频率为1000/40=25帧/秒，发光时间短，适用于动态图形显示。发光时间长，适用于静态图形显示,2023/7/12,计算机图形学,11,荧光屏,像素(Pixel:Picture Cell)：构成屏幕（图像）的最小元素分辨率(Resolution)：CRT在水平或竖直方
5、向单位长度上能识别的最大像素个数，单位通常为dpi（dots per inch)。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个数描述，如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等,2023/7/12,计算机图形学,12,产生彩色的常用方法：射线穿透法影孔板法,2.1.2 彩色阴极射线管,2023/7/12,计算机图形学,13,2.1.2 彩色阴极射线管-射线穿透法,原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光物质，电子束轰击穿透荧光层的深浅，决定所产生的颜色,电子束,荧光涂层,产生颜色,低速电子束,较低速电子束,较高速电子束,高速电子束,2023/7/
6、12,计算机图形学,14,彩色阴极射线管-射线穿透法,应用：主要用于画线显示器优点：成本低缺点：只能产生有限几种颜色 图形质量比较差,2023/7/12,计算机图形学,15,2.1.2 彩色阴极射线管-影孔板法,影孔板法原理：通常用于光栅扫描显示器中，颜色范围广，每个像素有三个荧光点（红、绿、蓝三基色）。影孔板被安装在荧光屏的内表面，用于精确定位像素的位置,外层玻璃,荧光涂层,影孔板,2023/7/12,计算机图形学,16,影孔板的类型点状影孔板代表：大多数球面与柱面显像管荫栅式影孔板代表：Sony的Trinitron与Mitsubishi的Diamondtron显像管沟槽式影孔板代表：LG的
7、Flatron显像管,2023/7/12,计算机图形学,17,2.1.2 彩色阴极射线管-影孔板法,点状影孔板工作原理红、绿、兰三基色三色荧光点（很小并充分靠近-像素）三支电子枪,电子枪、影孔板中的一个小孔和荧光点呈一直线；每个小孔与一个像素（即三个荧光点）对应,2023/7/12,计算机图形学,18,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,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。,2023/7/12,计算机图形学,19,球面显示器与柱面显示器普通的显象管采用的都是
8、点状影孔板显象管，显象管的表面呈略微凸起的球面状，故称之为“球面管”。而柱面显象管采用荫栅式结构，它的表面在水平方向仍然略微凸起，但是在垂直方向上却是笔直的，呈圆柱状，故称之为“柱面管”常用的柱面显象管有日本索尼公司的特丽珑管（Trinitron）和三菱公司的钻石珑管（Diamondtron）,2023/7/12,计算机图形学,20,2.1.3 随机扫描的显示系统,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CRT,2023/7/12,计算机图形学,21,应用
9、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。,工作原理,2023/7/12,计算机图形学,22,2.1.4 光栅扫描的显示系统,光栅扫描显示系统特点：光栅扫描扫描线帧水平回扫期垂直回扫期,2023/7/12,计算机图形学,23,逻辑部件：帧缓冲存储器（Frame Buffer)，视频控制器（Video Controller)，显示处理器（Display Processor），CRT帧缓冲存储器作用：存储屏幕上像素的颜色值简
10、称帧缓冲器，俗称显存,2023/7/12,计算机图形学,24,像素所呈现的颜色或灰度由数值表示，视频控制器刷新时，需反复读这些数值。用来存储像素颜色（灰度）值的存储器就称为帧缓冲存储器。简称帧缓冲器（显存）。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。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）。,2023/7/12,计算机图形学,25,黑白光栅扫描显示器,黑白光栅显示器的逻辑框图如上：其中帧缓存是一块连续的计算机存储器。对于黑白单灰度显示器每一象素需要一位存储器，对一个10241024象素组成的黑白单灰度显
11、示器所需要的最小缓存为220，并在一个位面上。一个位面的缓存只能存储黑白图形，帧缓存是数字设备，光栅显示器是模拟设备，因而还需要数模转换器(DAC)。,2023/7/12,计算机图形学,26,彩色光栅扫描显示器,在光栅图形显示器中需要足够的位面和帧缓存结合起来才能反映图形的颜色和灰度等级。如下图是一个具有N位面灰度等级的帧缓存。显示器上每个象素的亮度是由N位面中对应的每个象素位置的内容控制的。该存储器的中的二进制的数被翻译成灰度等级，范围是0到2N-1之间。,2023/7/12,计算机图形学,27,彩色光栅扫描显示器,下图是彩色光栅显示器的逻辑图，对于红、绿、蓝三原色有三个位面的帧缓存和三个电
12、子枪。,2023/7/12,计算机图形学,28,彩色光栅扫描显示器,每个颜色的电子枪可以通过增加帧缓存位面来提高颜色种类的灰度等级。如上图，每种原色电子枪有8个位位面的帧缓存和8位的数模转换器，每种原色可有256中灰度，三种原色的组合将是(28)3=224。,2023/7/12,计算机图形学,29,彩色光栅扫描显示器,若每个单元有24位（每种基色占8位）即显示系统可同时产生224种颜色（24位真彩色）。分辨率M*N、颜色个数K与显存大小V的关系,2023/7/12,计算机图形学,30,彩色光栅扫描显示器,3个位面分辩率是10241024的显示器，需要310241024（3145728）位的存储
13、器。若存储器位长固定，则屏幕分辩率与同时可用的颜色种数成反比关系。1兆字节的帧缓存，若设分辩率为640480，则帧缓存每个单元可有24位，可能同时显示224种颜色，若设分辩率为1024768，则每个单元分得的位数仅略多于8，只能工作于256色显示模式下。,2023/7/12,计算机图形学,31,彩色光栅扫描显示器,显存问题高分辨率和真彩要求有大的显存；曾经是个问题！解决方法：采用查色表(Lookup Table）或称彩色表(Color Table)查色表工作原理,1024*768真彩模式需要3M字节显存,2023/7/12,计算机图形学,32,查色表（look up Table）,是一维线性表
14、，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28256目的：在帧缓存单元的位数不增加的情况下，具有大范围内挑选颜色的能力：,2023/7/12,计算机图形学,33,查色表,图形系统为更灵活控制图形和颜色的变化，往往不直接将帧缓冲器中的数值作图显示的亮度值，而是先经过颜色查找表（又称调色板)结构产生变换值来控制光点的亮度。工作方式：显存中某位值颜色表地址 屏幕上的亮度,2023/7/12,计算机图形学,34,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
15、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,彩色光栅扫描显示器,2023/7/12,计算机图形学,35,帧缓冲器：分页,帧缓冲器的容量往往设计得比屏幕画面的位图大得多，也就是说，帧缓冲器可以同时存放多幅画面的位图，这时帧缓冲器区域可分成若干页面，每个页面存放一幅位图，并通过控制器就实现不同画面的切换。页面的大小可以划分得比屏幕位图大得多，甚至是整个帧缓冲器，这时，从程序员的角度来看，可输出显示的画面将远大于实际的物理屏幕，此时物理屏幕仅是一个窗口，它显示的不过是全部画面的一部分，通过上下滚动(Scroll)和左右移屏(Pan)功能，用户可以看到帧缓冲器中的整
16、个画面。,2023/7/12,计算机图形学,36,隔行扫描工作原理,一帧完整的画面分成两场。一场160秒，（场频60HZ），（帧频30HZ）画面更新频率仍为60HZ，降低了闪烁效应，每一场160秒内，帧缓存中数据量比逐行扫描少一半。降低了视频控制器存取帧缓存的速度及传输带宽的要求。,2023/7/12,计算机图形学,37,简单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。,2023/7/12,计算机图形学,38,较为典型的光栅扫描图形显示系统的结构,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。,2023/7/12,
17、计算机图形学,39,视频控制器,作用：建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应，负责刷新逻辑结构,普通显卡=视频控制器+显存,2023/7/12,计算机图形学,40,显示处理器,低档图形显示系统，扫描转换工作直接由CPU类完成。任务：扫描转换待显示的图形。简单的：直线、圆弧、多边形等，复杂的：光栅操作（像素块的移动、拷贝），几何变换、裁剪、消隐，,2023/7/12,计算机图形学,41,显示处理器,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,2023/7/12,计算机图形学,42,优点：成本低易于绘制填充图形色彩丰富刷新频率一定，与图形的复杂程度无关易于修改图形
18、缺点：需要扫描转换会产生混淆,缺点正在被克服,优点使其占据了市场主流,光栅显示系统的特点,2023/7/12,计算机图形学,43,几个概念,行频、帧频行频又称水平扫描频率，是电子枪每秒在屏幕上扫描过的水平线条数。帧频又称垂直扫描频率，是每秒钟屏幕重复绘制显示画面的次数，即重绘率。,2023/7/12,计算机图形学,44,几个概念,带宽 这是表示显示器显示能力的一个综合指标。带宽指每秒钟扫描的象素个数；即单位时间内每条扫描线上显示的象素数总和。带宽越大表明显示器显示控制能力越强，显示效果越佳。现在的显示器带宽基本都能能达到80MHz，若能达到100MHz或110MHz以上则更好。,2023/7/
19、12,计算机图形学,45,几个概念,色彩与亮度等级亮度等级又称灰度，主要指单色显示器的亮度变化。色彩包括可选择显示器颜色的数目以及一帧画面可同时显示的颜色数，与荧光屏的质量有关，并受显示存储器VRAM容量的影响。,2023/7/12,计算机图形学,46,几个概念,显示速度指显示字符、图形特别是动态图像的速度，与显示器的分辨率及扫描频率有关。可用最大带宽（水平象素数 垂直象素数 最大帧频）来表示。,2023/7/12,计算机图形学,47,矢量图形(随机显示系统)和光栅图形(光栅扫描系统)的属性对照,显示效率 对形体的复杂度十分敏感对形体的复杂度不敏感存储量需求 变化的，依赖于景物的复杂度 很大，
20、但恒定不变屏幕显示的走样现象没有走样会产生走样,2023/7/12,计算机图形学,48,矢量图形(随机显示系统)和光栅图形(光栅扫描系统)的属性对照,画线设备画点设备物体显示与屏幕刷新物体显示嵌入屏幕刷新过程 扫描变换独立于屏幕刷新过程几何变换连续的，变换作用于几何定义的形体 离散的，变换作用于区域内的所有象素,2023/7/12,计算机图形学,49,矢量图形(随机显示系统)和光栅图形(光栅扫描系统)的属性对照,集合运算和块操作困难，需要解析计算容易显示区域内部的能力没有，仅能显示边界 有，浓淡或纹理与数字图象相容性不相容完全相容定量测量精确，但是计算复杂 简单，但是近似值,2023/7/12
21、,计算机图形学,50,LCD显示器,CRT固有的物理结构限制了它向更广的显示领域发展屏幕的加大必然导致显象管的加长，显示器的体积必然要加大，在使用时候就会受到空间的限制CRT显示器是利用电子枪发射电子束来产生图像，容易受电磁波干扰长期电磁辐射会对人们健康产生不良影响,2023/7/12,计算机图形学,51,LCD显示器的优点外观小巧精致，厚度只有6.58cm左右。不会产生CRT那样的因为刷新频率低而出现的闪烁现象工作电压低，功耗小，节约能源没有电磁辐射，对人体健康没有任何影响,2023/7/12,计算机图形学,52,索尼公司的两款LCD外形,2023/7/12,计算机图形学,53,LCD显示器
22、的构成,液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display)是由六层薄板组成的平板式显示器,反射层,水平极板,水平网格线,液晶层,垂直网格线,垂直极板,观察方向,2023/7/12,计算机图形学,54,LCD显示器基本原理,液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质，它具有液体的流态性质和固体的光学性质。当液晶受到电压的影响时，就会改变它的物理性质而发生形变，此时通过它的光的折射角度就会发生变化，而产生色彩,2023/7/12,计算机图形学,55,液晶显示有主动式和被动式两种,被动式液晶屏幕有STN（Super TN超扭曲向列LCD）和DSTN（Double layer Super T
23、N双层超扭曲向列LCD）等最流行的主动式液晶屏幕是TFT（Thin Film Transistor薄膜晶体管）主动式液晶显示器使用了FET场效晶体管以及共通电极，这样可以让液晶体在下一次的电压改变前一直保持电位状态。这样主动式液晶显示器就不会产生在被动式液晶显示器中常见的鬼影、或是画面延迟的残像等,2023/7/12,计算机图形学,56,LCD显示器的基本指标,可视角度视线与屏幕中心法向成一定角度时，人们就不能清晰地看到屏幕图象，而那个能看到清晰图象的最大角度被我们称为可视角度。一般所说的可视角度是指左右两边的最大角度相加。工业上有CR10（Contrast Ratio）、CR5两种标准来判断
24、液晶显示器的可视角度,2023/7/12,计算机图形学,57,LCD显示器的基本指标,点距与分辨率液晶屏幕的点距就是两个液晶颗粒（光点）之间的距离，一般0.280.32mm就能得到较好的显示效果通常所说的液晶显示器的分辨率是指其真实分辨率，表示水平方向的像素点数与垂直方向的像素点数的乘积,2023/7/12,计算机图形学,58,液晶显示器的缺点,寿命短、怕震动、温度敏感分辨率相对较低，色彩不够鲜艳，且价格偏高。,2023/7/12,计算机图形学,59,*纯平显示器*,走向平面的显像管球面显象管：表面：球面的一部分时间：90年代初柱面显象管：表面：柱面的一部分，垂直方向上平直，水平方向上有弯曲时
25、间：90年代中期代表：Sony公司的Trinitron，Mitsubishi公司的Diamondtron,2023/7/12,计算机图形学,60,*纯平显示器*,走向平面的显像管平面直角显象管表面：球面的一部分，类似于平面时间：90年代中后期90年代中后期纯平显象管表面：纯平面时间：90年代后期代表：Sony公司的FD Trinitron，Mitsubishi公司的Diamondtron，Samsung公司的DanyFlat，LG公司的Flatron现在市场上的主流显象管,2023/7/12,计算机图形学,61,*纯平显示器*,纯平显示器的技术指标点距：0.26mm,0.25mm,0.24mm
26、带宽：110M208M最大分辨率：1600*1200/85，1280*1024/85对比度：亮度不均匀性：闪烁：功耗：100w左右主要产品LG的未来窗，美格的平面龙（Sony显象管），ADI的MicroScan（Sony显象管），三星700IFT等等,2023/7/12,计算机图形学,62,*未来显示器*,采用空气等离子体技术，无须刷新缓冲存储器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。显示屏薄，挂在墙上。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，无锯齿现象。真正的平面直角。,2023/7/12,计算机图形学,63,2.2 图形系统及其
27、标准,分类：基本图形软件-支撑软件应用图形软件-专用软件基本图形软件实现方法图形软件包修改高级语言专用高级图形语言图形软件标准,2023/7/12,计算机图形学,64,图形系统,硬件，图形 I/O 设备，系统软件，图形软件。图形软件：通用编程软件包，专用应用软件包。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).基本功能：图元生成，属性设置（颜色，.）选择观察及实施变换等。专用类：不关心图形操作过程（比如，CAD系统。,2023/7/12,计算机图形学,65,图形支撑软件,第一层次是面向系统的，主要解决图形设备与计算机的通讯接口等问题，称为设备驱动程序，包括一些最基本
28、的输入、输出程序，事实上，设备驱动程序现在已被作为操作系统一部分，由操作系统或设备硬件厂商开发；第二层次是建立在驱动程序之上，完成图元的生成、设备的管理等功能，目前这个层次上的图形支撑软件已经标准化，如GKS、PHIGS、CGI等；第三层次是在中间层基础上编写的，其主要任务是建立图形数据结构，定义、修改和输出图形，它是面向用户的，要求具有较强的交互功能，使用方便，风格好，概念明确，容易阅读，便于维护和移植，OpenGL、DirectX便属于这一层次的软件。,2023/7/12,计算机图形学,66,图形系统标准,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
29、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。,2023/7/12,计算机图形学,67,图形标准的作用位置,应用系统,图形系统,GKS,PHIGS,OPEN GL,设备驱动,设备驱动,设备驱动,CGI,元文件输出程序,元文件输入程序,CGM,数据库,IGES,STEP,2023/7/12,计算机图形学,68,可移植性的四个方面,应用程序在不同系统间的可移植性;应用程序和图形设备的可移植性;图形数据的可移植性;程序员的可移植性。,2023/7/12,计算机图形学,69,图形系统标准分类,面向图形设备的接口标准：计算机图形元文件(CGM)，(CRT,M
30、ouse,)计算机图形接口(CGI).设备驱动程序。面向应用软件的标准：程序员层次交互式图形系统（PHIGS）,GL(图形程序包)（三维）图形核心系统（3D-)GKS面向图形应用系统中工程和产品数据模型及其文件格式：基本图形转换规范（IGES）产品数据转换规范（STEP）,2023/7/12,计算机图形学,70,CGI（ISO DP 9636),-提供控制图形硬件的一种与设备无关的方法。-也可看作图形设备驱动程序的一种标准。-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。,2023/7/12,计算机图形学,71,CGM（ISO IS8632),-与设备无关的语义、词
31、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。,2023/7/12,计算机图形学,72,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。,2023/7/12,计算机图形学,73,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；
32、-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。是一个高度动态化和交互式图形系统。,2023/7/12,计算机图形学,74,GL,图形程序库，UNIX下运行，OpenGL微机，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。,2023/7/12,计算机图形学,75,IGES（基本图形转换规范）,-Initial Graphics Exchange Specification-作用：不同的CAD/CAM系统之间交换数据。-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。,2023/7/12,计算机图形学,76,STEP（产品模型数据转换标准）,-Standard for the Exchange of Product model Data.-覆盖产品整个生命周期-强调建立能存入数据库中的一个产品模型的完整表示。-克服IGES中的问题和缺点。,2023/7/12,计算机图形学,77,持续发光时间刷新像素 CRT的分辨率阴极射线管的组成部分及其功能射线穿透法及影孔板法产生彩色的工作原理随机扫描显示系统的逻辑部件及工作机理光栅扫描显示系统的逻辑部件及工作机理查色表及其工作原理显存大小、屏幕分辨率及可同时显示的颜色数目之间的关系图形系统及其标准,概念与术语,
