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1、2023/7/30,1,Chapter 2Overview of Graphics Systems,图形系统构成体系结构图形系统硬件平台图形系统软件平台,2023/7/30,2,2.1 Component of Graphics Systems,图形输入图形计算图形交互图形输出图形存储,2023/7/30,3,2.2 Architecture of graphics system,2023/7/30,4,最底层是硬件层；其次设备驱动程序层；再上是硬件抽象层（Hardware Abstract Layer）,实现OS的通用性；OS层的图形操作依赖于HAL层，可做到设备无关；OS层上是图形软件包层
2、，该层以图形库函数的形式提供给应用程序，它的实现可分别基于OS的图形子模块、设备驱动程序和硬件实现；,2023/7/30,5,应用程序层通常直接调用图形软件包提供的函数实现图形的建立和管理，当然应用程序也可基于OS提供的图形API实现，或基于驱动程序提供的基本图形实现函数实现，甚至直接读写硬件端口、寄存器以及显存实现图形应用。,2023/7/30,6,2.3.3 Video Display Devices(视频显示设备),Refresh CRT(刷新式CRT)Refresh CRT Types(类型)Color CRT MonitorsDVST（direct-view storge tube）
3、直视存储管Flat-panel Displays 平板显示器Comparison 对比,2023/7/30,7,Electron gun(heated cathode+control grid)电子枪-加热阴极+控制栅极Focusing system 聚焦系统Accelerating system 加速阳极Deflection system 偏转系统Phosphor-coated screen 荧光屏,A.Refresh CRT,CRT-Cathode-Ray Tube 阴极射线管,2023/7/30,8,显示原理电子枪发射的电子束经过聚焦系统和偏转系统的作用，打在荧光屏上某一位置，使涂于该处
4、的荧光物质发光形成一个小光点。,2023/7/30,9,高速的电子束由电子枪发出，经过聚焦系统、加速系统和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，,2023/7/30,10,由于荧光屏发射的光会很快衰减，要保持显示一幅稳定的画面，必须不断地发射电子束，在某处反复重画图像。在屏幕上重复画图的这个频率就叫做刷新频率。,2023/7/30,11,荧光屏亮度控制？在控制栅极上施加电压来控制电子束的强弱的，当加上正电压时，电子束就会大量通过，将会在屏幕上形
5、成较亮的点，当控制电平加上负电压时，依据所加电压的大小，电子束被部分或全部阻截，通过的电子很少，屏幕上的点也就比较暗。,+,Electron Gun,2023/7/30,12,聚焦系统作用？偏转系统作用？,Focusing system&Deflection System,2023/7/30,13,Phosphor-coated screen（荧光屏）,荧光质两种状态:受激态和基本态 Persistence(余辉):定义为荧光质从发光开始到衰减到最大亮度的10%的这段时间。,2023/7/30,14,Persistence(余辉):is defined as the time it takes
6、 the emitted light from the screen to decay to one-tenth of its original intensity.Refresh CRT:采用电子束周期性地回到同一点的方式来保持图象的CRT。,2023/7/30,15,光点概念,CRT 屏幕上受激荧光点的能量分布图,Def.光点 电子束打在显示器的荧光屏，显示器能够显示的最小发光点-硬件最小图象点光点物理直径 光点亮度下降到最大亮度的60%处的直径,2023/7/30,16,Resolution屏幕分辨率,Def.CRT上无覆盖显示的最大光点数表示方法：水平点数x垂直点数光点物理直径DPI（
7、点每英寸）4 影响因素荧光质类型、亮度大小以及聚焦和偏转系统,2023/7/30,17,Example,e.g.已知屏幕分辨率为1024x768，光点物理尺寸.28mm，需要购买多大的显示器？解：1 inch=2.54cm 屏幕长：a=1024*0.28mm=286.72mm 屏幕宽：b=768*0.28mm=215.04mm 对角线长：sqrt(a2+b2)=358.4mm 结果:about 14inch.,2023/7/30,18,Def.在屏幕的两个方向产生相等长度的线段所需的垂直点数和水平点数之比。如：3/4表示？也可以解释为水平点数和垂直点数的比值如：640X480,800X600,
8、1024X768,显示纵横比Aspect ratio,2023/7/30,19,Raster-Scan Displays 光栅扫描显示设备,电子束扫描方式图形信息存储适用范围,2023/7/30,20,电子束扫描方式,光栅系统中电子束自顶向下全屏扫描,一次一行。电子束在每一行中移动时，根据图形定义变换强度，由屏幕亮点构成图案。(P.29),2023/7/30,21,Refresh Rate刷新率,Concept行频-电子枪每秒在屏幕上扫描过的水平线数，以KHz为单位，水平扫描频率；r(y)帧频-每秒钟重复绘制显示画面的次数，即重绘率，以Hz为单位，垂直扫描频率；v 点频-单位时间内在每条扫描线
9、上显示的频点数总和，以MHz为单位。,2023/7/30,22,Flicker闪烁,Definition：电子束击打荧光物质不及时，到亮度消失后再刷新，就会产生闪烁现象。How to eliminate?如何消除？延长余辉减小亮度提高刷新率,2023/7/30,23,图形信息存储,图形定义存储在被称作帧缓冲区(Frame Buffer)的内存区域中，FB存储一组对应屏幕所有点的强度值。视频控制器(P.2931),2023/7/30,24,2023/7/30,25,帧缓冲区位于内存固定区域,2023/7/30,26,像素与显示分辨率,Pixel(Picture element)像素点软件规定的最
10、小图象点显示分辨率 计算机显示控制器所能提供的分辨率，通常称为显示模式（图形模式、文本模式）度量方法：像素、字符 表示方法：水平像素数X垂直像素数 xxx色 水平字符数X垂直字符数,2023/7/30,27,帧缓冲区容量=显示分辨率x色深Color Depth 色深：存储每个象素点信息所需 要的位数。如某点颜色是黑白的，则只需要1位就可以了。,帧缓冲区容量计算,2023/7/30,28,Example,e.g.已知显示分辨率为1024x768,支持true color真彩，试问需要预留多大的帧缓冲区？解：1024x768x24bits=1024x768x3bytes16 colors?256
11、colors?16位色？1024x768x4bits,1024x768x1bytes,1024x768x16bits,2023/7/30,29,适于逼真显示包含细微阴影和色彩模式的场景,适用范围,2023/7/30,30,Random-Scan Displays,电子束扫描方式图形信息存储适用范围,2023/7/30,31,电子束扫描方式,在随机扫描系统中电子束只扫向图形所在的屏幕位置。一次画出图形的一条线。(P.23),2023/7/30,32,图形信息存储,图形定义为一组画线命令，这些命令存储在被称为刷新显示文件(Refresh Display File)的内存区域。为了显示指定的图形，系
12、统周期性的按显示文件中的一组命令，依次画出其组成线条。,2023/7/30,33,Random-Scan systems are designed for line-drawing applications 适于画线应用,适用范围,2023/7/30,34,2023/7/30,35,C.Color CRT Monitors彩色CRT监视器,Beam-penetration 电子渗透法Shadow-mask 荫罩法,2023/7/30,36,电子渗透法,工作原理：在屏幕上涂上多层不同的荧光粉。发射颜色由电子束在荧光粉中的穿透深度决定。一般涂两层荧光质，通常红色或绿色荧光质涂于CRT屏幕的内层，显
13、示的色彩取决于电子束穿入荧光层的深度。,电子束,2023/7/30,37,summary,随机扫描显示器产生彩色的廉价方法仅能获得4种颜色（红绿黄橙）图片质量差,2023/7/30,38,荫罩技术,Three Electron Guns三枪Shadow Mask荫罩,2023/7/30,39,Electron Guns&Shadow Mask,2023/7/30,40,summary,光栅显示器产生彩色的方法通过变换三个电子枪发出的电子束的强度获得色彩变化图片质量好,2023/7/30,41,D.Direct-View Storage Tubes,Idea:A DVST 将图片信息以电荷分布存
14、储在荧光屏后。,2023/7/30,42,D.Direct-View Storage Tubes,DVST vs.Refresh CRT不需要刷新,可以用很高的分辨率来显示复杂的图形，无闪烁不显示彩色察除（一部分图形）和重画要花费较长的时间largely replaced by raster system,2023/7/30,43,E.Flat-Panel Displays,DefinitionClassesEmissive displays发射显示器Nonemissive displays非发射显示器,2023/7/30,44,Definition,Refers to a class of
15、video devices that have reduced volume weight,and power requirements compared to a CRT.指一类和CRT比起来具有更小的体积，更轻的重量和更低的功耗的一类视频设备。P33,2023/7/30,45,Classes 类型,Emissive displays 发射显示器 转换电能为光,例如 LED（发光二极管）,等离子板(气体放电显示器),薄膜光电显示器；Nonemissive displays非发射显示器利用光学效应将太阳光或其他光源转换为图形模式,例如 LCD（液晶显示器）,2023/7/30,46,LCD液晶
16、显示器Liquid-crystal displays,液晶的概念物质的三种状态：固态、液态和气态。固态物质的分子之间的方向和位置总是保持不变。而液态物质的分子正好相反。方向和位置总是不停变换。但是液晶介于液态和固态之间：既可以象固体中的分子保持方向又可象液体中的分子自由移动。液晶是在1888年，由奥地利植物学家Reinitzer发现的，是一种介于固体与液体之间，具有规则性分子排列的有机化合物。,2023/7/30,47,F.Comparison of different monitor types,2023/7/30,48,2.3 Hardware Platform,输入设备:键盘,鼠标,跟踪
17、球和空间球,Joysticks,数字化仪,Scanner,Light pens,数据手套,Touch Panels(P.4451)Output devices:CRT monitor,LCD,LED,printerStorage subsystem:disk,tape,CD，etcNetwork subsystem:modem,network adapter,router,hub.,2023/7/30,49,Def.to keep screen image eternally（永久地）,we need hardcopy devices.Such as printer,plotter(绘图仪).
18、Printer type impact 击打式nonimpact 非击打式,2.3.1 Hard-Copy Devices,2023/7/30,50,硬件性能需求,Processing speed(hardware performance,graph algorithm)处理速度Storage capacity(display buffer)存储容量Processing precision(I/O quality,DPI:Dots Per Inch)处理精度,2023/7/30,51,2.4 Software Platform,软件平台定义图形软件类型图形软件标准图形编程,2023/7/30,
19、52,软件平台是指：两大类,Operating System Environment(DOS,WINDOWS,UNIX,LINUX,.)操作系统环境Tool Environment 工具环境,2023/7/30,53,2.4.2 Types of Graphics Software,通用编程软件包-为C,FORTRAN一类的高级语言编程提供一组图形函数。基本功能有：生成基本图形元素如直线、圆等、属性设置、视图选择以及图形变换功能等。专用应用软件包-为非程序员设计,用户可生成图形而无需考虑图形生成原理.例如 CAD.,2023/7/30,54,2.4.3 图形软件标准,目的:可移植性ISO&ANSI（美国国家标准化组织）Standards:GKS-Graphical Kernel System图形核心系统 PHIGS-Programmers Hierarchical Interactive Graphics Standards 程序员分层交互图形标准 CGI-Computer Graphics Interface 计算机图形接口 CGM-Computer Graphics Metafile 计算机图形元文件：规定图形存档和传输标准,2023/7/30,55,2023/7/30,56,B.编程方法,
