第2章 图形系统.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,主讲教师：尉秀梅,计算机图形学,第,2,章,图形系统,2025/5/26 周一,2,第二章 图形系统,2.1,图形系统的组成,图形系统的组成,图形输入设备,图形绘图设备,图形软件,图形系统分类,2.,2,图形显示原理,2.3,图形系统的体系结构,2.4,图形系统标准及软件,2025/5/26 周一,3,图形系统组成,图形系统,=,硬件设备,+,软件系统,现代计算机图形系统与一般计算机系统最主要的,差别,是具有图形的输入、输出设备以及必要的交互工具。,一个非交互式计算机图形系统只是通常的计算机系统外加图形设备；而一个交互式计算机图形系统则是,人与计算机,及图形设备协调运行的系统。,2025/5/26 周一,4,图形系统组成,交互式图形系统,=,硬件设备,+,软件系统,+,人,2025/5/26 周一,5,图形输入设备,各种图形模型的建立、操作和修改都离不开图形,输入,设备。,常用的图形,输入,设备有：,键盘、鼠标,光笔、数字化仪,触摸板、图形扫描仪、手写输入板,语音输入、数据手套,2025/5/26 周一,6,1,光笔,光笔有,选图和跟踪,两种基本功能。,选图（又称标定或指点）是对显示器,上已显示的图形或字符进行加工处理。,跟踪是用光笔拖动光标实现定位，可用于图形编辑。,2025/5/26 周一,7,光笔的优缺点,优点,不需要特殊的显示屏幕，与触摸屏的设备相比较，价格便宜许多；,在一些不适宜使用鼠标的地方，可起到替代作用。,缺点,手和笔迹可能将遮挡屏幕图像的一部分；,会造成手腕的疲劳；,光笔不能检测黑暗区域内的位置；,会因房间背景光的影响产生误读现象。,2025/5/26 周一,8,2,数字化仪和手写输入板,（,1,）数字化仪,数字化仪是一种把图形转变为计算机能接受的数字形式的专用设备，它可以采样几何图形上的关键数据点，然后由程序进行处理。,2025/5/26 周一,9,数字化仪的主要技术指标,：,最大有效幅面,指能够有效地进行数字化操作的最大面积，一般按照工程图纸的规格来划分。,数字化的速率,每秒几点到几百点，多采用可变方式，由用户选择。,最高分辨率,指输出坐标显示值增加,1,的最小可能距离，一般每毫米几十线到几百线。最高分辨率取决于电磁技术。,2025/5/26 周一,10,（,2,）手写输入板,手写输入板是最常见的定位设备，工作原理与数字化仪基本相同，不同之处是前者的台面较小，分辨率也低；而后者的台面较大，分辨率和精度也高。,2025/5/26 周一,11,3,触摸屏,触摸屏是一种定位设备，它通过手指触摸屏幕显示的物体或位置来实现选择的操作。根据采用的技术不同分为电子式、光学式和声学式触摸屏。,2025/5/26 周一,12,（,1,）电子触摸屏,将一个两层导电和高透明度的物质做的薄膜涂层涂在玻璃或塑料表面上，再装到屏幕上，或直接涂到屏幕上。,两个透明涂层之间约有,0.0025mm,的距离，当手指触到屏幕时，在接触点产生一个电接触，使该点处的电阻发生变化。通过测得电阻的改变量就能确定触摸的位置。,2025/5/26 周一,13,（,2,）光学触摸屏,利用红外线和光电转换原理制成。,与屏幕尺寸相仿的框架的水平和垂直边框上各安装均匀密布的红外线发送器和接收器。,使用时把框架安装在屏幕四周，用手指在屏幕上点一下，在指点处障碍物挡住了一条垂直红外线和一条水平红外线，相应的两个红外线接收器发出电信号，根据发出信号的接收器所在位置可知障碍物所在点坐标，将坐标值送入计算机进行处理。,2025/5/26 周一,14,（,3,）声学触摸屏,由发射器、反射器和触摸屏等组成，其中发射器和反射器一起工作。,声源发射器沿玻璃板的水平和垂直方向交替地发射高频声波脉冲，当用手指触摸屏幕时，有一部分声波被反射回声源处，通过计算声波脉冲从发射到反射回声源发射器的时间间隔，来确定手指的位置。,2025/5/26 周一,15,4,图形扫描仪,图形扫描仪是直接把图形（如工程图纸）和图像（如照片、广告画等）扫描并输入到计算机中，以像素信息进行存储表示的设备。,2025/5/26 周一,16,5,数字墨水,数字墨水是一种新的以人为中心的人机界面技术，它充分利用了书写的自然性和墨水丰富的表达能力，可直接使用手写内容。,2025/5/26 周一,17,数字墨水的处理包括了数字墨水的表示、压缩和显示，智能的墨水分析，墨水标记和注解，墨水的智能操作以及墨水存储和搜索等技术。,数字墨水可用,“,墨水格式,”,（,ink,文件）进行保存。,数字墨水技术是自鼠标问世以来最重大的人机交流模式转变。,数字墨水结合了个人计算机强大的计算和处理能力以及纸的易用性。,5,数字墨水,2025/5/26 周一,18,6,数据手套,数据手套测量戴者手指的运动，并传送给计算机，复杂的数据手套也测量肘和腕的运动。,数据手套可包含控制按钮，也可作为输出设备。,数据手套能够指向、,握紧或推动物体。,2025/5/26 周一,19,数据手套由一系列检测手和手指三维位置和运动的传感器构成。,也可以使用机电技术，在手套的指关节中嵌入压力传感器。,2025/5/26 周一,20,7,三维鼠标（,3D Mouse,）,是三维空间控制器的一种，有六个自由度，分别描述三维对象的宽度、深度、高度、,俯仰角、转动角、偏转角。,三维鼠标产生的空间位置是相对的，多用于需要三维空间绝对定位技术的应用系统（如虚拟现实系统）。,2025/5/26 周一,21,绘图设备,1,喷墨绘图机,喷墨绘图机是一种光栅类型的图形,输出,设备，基本原理是将小墨点喷射到介质上。,2025/5/26 周一,22,喷墨绘图机的分辨率取决于墨滴的大小，也就是喷嘴的大小。,某些喷墨绘图机可以接收视频及数字信号，因此可用于光栅显示屏幕的硬拷贝，此时图像分辨率受到视频输入分辨率的限制。,绘图设备,2025/5/26 周一,23,2,激光打印机,激光打印机是一种既可用于打印字符又可用于绘图的设备,。,绘图设备,2025/5/26 周一,24,激光打印机的优点,有效利用了激光定向性、单色性和能量密集性，并结合了电子扫描技术的高灵敏度和快速存取等特性。,输出图形图像的质量非常高，分辨率可达,300,600,点,/,英寸。,图形及文本质量非常高，可直接作为制版的原稿,。,绘图设备,2025/5/26 周一,25,3,笔式绘图机,笔式绘图机是,矢量型,设备，在操作过程中，绘图笔相对纸作随意移动。笔式绘图机分为滚筒式和平板式。,滚筒式绘图机,平板式绘图机,绘图设备,2025/5/26 周一,26,（,1,）滚筒式绘图机,笔和纸都是运动的。绘图纸卷在滚筒上，步进电机带动链轮作正向和反向旋转，带动图纸作,X,方向的正向和负向运动，滚筒上方的笔架可存放多支画笔，画笔由另一个步进电机带动作,Y,方向的正负向往返运动，两种运动的结合使画笔画出各种图形。,方向步进电机,滚筒式绘图机结构,Y,方向步进电机,X,笔架,落笔,抬笔,+,X,+,Y,2025/5/26 周一,27,（,2,）平板式绘图机,绘图笔在纸上沿,X,和,Y,两个方向运动，图纸通常静止不动，装有笔架的导轨作,X,方向移动，笔架在导轨上作,Y,方向移动，两种运动配合画出多种图形。,平板式绘图机结构,X,方向步进电机,Y,方向步进电机,+,Y,抬笔,落笔,+,X,2025/5/26 周一,28,图形软件,图形,应用软件,：解决某种图形应用问题的软件,图形,支撑软件,：由一组公用的图形子程序组成,图形应用,数据结构,：是生成图形的数据基础。,2025/5/26 周一,29,图形系统分类,用于专业图形工作站的图形系统,用于,PC,的图形系统,用于嵌入式设备的图形系统,2025/5/26 周一,30,第,2,章 图形系统,2.1,图形系统的组成,2.,2,图形硬件显示原理,图形显示设备及工作原理：,CRT,，,LCD,，等离子,显示方式：随机、存储式、光栅,典型光栅显示器：,CRT,、,LCD,光栅显示系统,颜色查找表,2.3,图形系统的体系结构,2.4,图形系统标准及软件,2025/5/26 周一,31,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达到荧光屏的特定位置。,荧光物质在高速电子的轰击下发生电子跃迁。,彩色,CRT,显示器的彩色是如何产生的？,荧光屏上涂有三种荧光物质，他们分别能发出,红、绿、蓝,三种颜色的光。,2025/5/26 周一,32,液晶显示器,-LCD,工作原理：,两块玻璃板的每一块都有一个光偏振器，与另一块成合适的角度，内夹液晶材料。,在一块板上排放水平透明导体的行，另一块板上则放置垂直导体列，两行、列导体交叉处定位一个像素位置。,2025/5/26 周一,33,等离子显示器,工作原理：,采用近几年来高速发展的等离子平面屏幕技术，一般有三层玻璃板组成，称为等离子显示器的三层结构。,第一层里面涂有导电材料的垂直条；中间层使用许多小氖气灯泡构成的平板阵列，每个灯泡处于“开”或“关”状态；第三层的表面涂有导电材料的水平条。,2025/5/26 周一,34,显示方式,-,随机扫描（矢量显示器）,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,。,2025/5/26 周一,35,显示方式,-,随机扫描,随机扫描显示器是为,画线应用,设计的，由于图形,修改方便,，因此交互性能较好，图形可以作无限放大，而不会出现锯齿状。但不能显示色彩逼真图形，另外图形的显示质量与一帧的画线数量有关，当一帧线划太多，无法维持,30,60,帧,/,秒的刷新频率时，就会出现满屏闪烁。,2025/5/26 周一,36,显示方式,-,直视存储管,为了克服随机扫描显示器的,不断刷新,的缺点，发展了利用显示器本身来存储信息的技术：,20,世纪,60,年代后期,表面上看存储管的特性极象一个有长余辉的荧光屏，一条线一旦画在屏幕上，在一小时之内都将是可见的。,电子束写在屏幕后的涂有介质的网格上，然后由一个独立的读数电子枪将图案复制到屏幕上。直视存储管显示时间可持续,近,1,个小时,，清除需,1/2,秒。其优点是显示时,无闪烁,显示分辨率高（,203203,平方毫米有,10241024,光点），价格低。缺点是显示,速度慢,，,不易修改,，只能画,线框图,，只能一次擦除整屏的图形，无法修改部分图形。不能用作动态显示。,2025/5/26 周一,37,显示方式,-,光栅扫描显示,电子束依照,固定的扫描线和规定的扫描顺序,进行扫描。电子束先从荧光屏,左上角,开始，向右扫一条水平线，然后迅速地回扫到左边偏下一点的位置，再扫第二条水平线，照此固定的路径及顺序扫下去，直到最后一条水平线，即完成了整个屏幕的扫描。在扫描时，电子束的强度不断变化来建立,亮点的图案。,2025/5/26 周一,38,显示方式,-,光栅扫描显示,由于,CRT,内侧的荧光粉在接受电子束的轰击时，只能维持短暂的发光，根据人眼视觉暂留的特性，需要,不断进行刷新,才能有稳定的视觉效果，因此刷新是指以每秒30帧以上的频率反复扫描不断地显示每一帧图像。图像的刷新频率等于帧扫描的频率（帧频），用每秒刷新的帧数表示。目前刷新频率标准为,每秒50120帧,。,2025/5/26 周一,39,显示方式,-,光栅扫描显示,图形定义存放在帧缓冲存储器中，帧缓存保存了对应屏幕所有点的亮度值。每个屏幕点称作,象素,，由于光栅扫描,CRT,对屏幕上每个象素都有存储亮度信息的能力，因此它能较好地用于包含,细微阴影和彩色场景,的逼真显示。,2025/5/26 周一,40,显示方式,-,光栅扫描显示,光栅扫描显示器中，屏幕图形是依靠,帧缓存,进行刷新的，而视频控制器是负责刷新的部件，它建立了帧缓存中的单元与屏幕象素之间一一对应的关系。,视频控制器的逻辑结构如下图所示：,X,、,Y,寄存器用来存放屏幕象素的坐标，存储在帧缓存中该象素对应位置的值被取出，并用来控制,CRT,电子束的强度。从左到右，从上到下，对一帧的每一个象素都进行处理后，又重复上述过程进行下一轮的刷新。,2025/5/26 周一,41,显示方式,-,光栅扫描显示,优点：,它不仅可以显示物体的,轮廓线,，而且由于能对每一象素的灰度或色彩控制，因而可以进行,实面积填充,，这就使得输出真实感图形成为可能。此外，它可以和电视兼容，价格远低于随机扫描显示器。自,80,年代以来，已成为显示器市场的主流。,缺点：,从应用程序中将图形的描述,转换,成帧缓存中象素信息的过程（扫描转换）比较,费时,，相应的软件比较复杂。另外，在,显示斜线,时，还存在线条边缘的,阶梯,效应。,2025/5/26 周一,42,特点：,刷新缓冲存储器（,refresh buffer,）或称帧缓冲存储器（,frame buffer,）,象素（,pixel,或,pel,，是,picture element,的简写）,象素信息从应用程序转换并放入帧缓冲区的过程称之为扫描转换过程,走样,画点设备，画线是近似的，有阶梯效果，线的亮度不均匀；,需大容量帧存；,便于表现实体图形,2025/5/26 周一,43,帧缓存：,显示器由像素组成，每个像素具有,灰度和颜色,，所有像素的灰度和颜色保存在一个专门的内存区域中，这就是,帧缓存存储器,，简称帧缓存，又称,显存,。,灰度：颜色数,k,位平面,：,log,2,k,（位数）,一般来说，分辨率,m*n,，颜色数,k,与显存大小,v,之间存在如下关系：,V=m*n*log,2,k,2025/5/26 周一,44,例,1,：,灰度等级为,256,级，分辨率为,2048,*,1024,的显示器，至少需要的帧缓存容量为多少,MB,？,V=2048*1024*log,2,256=2,11,*2,10,*8=2,(11+10+3),=2,24,bit=2,24,bit/2,20,*2,3,=2MB,例,2,：,分辨率为,1024,*,1024,的显示器，其位平面为,24,，则帧缓存容量至少为多少字节？,V=1024*1024*24/8B=2,10,*2,10,*3=2,(10+10),*3B=3MB,V=m*n*log,2,k,2025/5/26 周一,45,光栅显示器,光栅显示：台式机和投影显示器的显示技术有多种。这些显示器的分辨率和物理尺寸各不相同。编程人员通常假设,像素,排成矩形阵列，又称为,光栅,。,2025/5/26 周一,46,光栅显示器,彩色阴极射线管,(CRT),液晶显示器（,LCD,）,2025/5/26 周一,47,光栅显示器,-CRT,阴极射线管,(CRT-Cathode Ray Tube),组成：包括电子枪、加速结构、聚焦系统、偏转系统、荧光屏,2025/5/26 周一,48,光栅显示器,-CRT,产生彩色的常用方法：,射线穿透法,影孔板法,射线穿透法,：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,2025/5/26 周一,49,彩色阴极射线管-,影孔板法,外层玻璃,荧光涂层,影孔板,影孔板法,:,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,2025/5/26 周一,50,彩色阴极射线管-,影孔板法,点状影孔板工作原理,红、绿、蓝,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,2025/5/26 周一,51,显示器能显示颜色个数：,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。,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=16,M,种颜色，称为,真彩系统,彩色阴极射线管-,影孔板法,2025/5/26 周一,52,影孔板的类型,点状影孔板,代表：大多数球面与柱面显像管,栅格式影孔板,代表：,Sony,的,Trinitron,与,Mitsubishi,的,Diamondtron,显像管,沟槽式影孔板,代表：,LG,的,Flatron,显像管,彩色阴极射线管-,影孔板法,2025/5/26 周一,53,荫栅式彩色,CRT,显色原理,荫栅式,2025/5/26 周一,54,柱面和球面显示器点距定义示意图,点距示意,2025/5/26 周一,55,液晶显示器,-LCD,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,2025/5/26 周一,56,LiquidCrystalDisplay,（液晶）,LCD,显示器的优点,外观小巧精致，厚度只有6.58,cm,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,2025/5/26 周一,57,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。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。,液晶显示器的工作原理是利用液晶的物理特性，在,通电时导通,，使液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；,不通电时,，排列则变得混乱，,阻止,光线通过。,2025/5/26 周一,58,液晶显示器,LCD(Liquid Crystal Display),是由,六层薄板,组成的平板式显示器,液晶屏幕后面有一个背光，这个光源先穿过第一层偏光板，再来到液晶体上，而当光线透过液晶体时，就会产生光线的色泽改变，从液晶体射出来的光线，还得必须经过一块彩色滤光片以及第二块偏光板,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,LCD,显示器基本原理,2025/5/26 周一,59,单色液晶显示器的原理,在液晶显示器中，液晶是灌入两个列有细槽的平面之间。,液晶显示器,依靠,极化滤光器,（片）影响光线穿过液晶。自然光线是朝所有方向随机发散的。极化滤光器实际是一系列逐步变细的平行线，这些线阻断不与它们平行的所有光线。只有两个滤光器的线完全平行，或者通过第一个极化滤光器的光线本身已扭转到与第二个极化滤光器相匹配，光线才得以穿过第二个极化滤光器。,2025/5/26 周一,60,如下图所示，两个极化滤光器互相垂直，穿过第一个极化滤光器的光线，经过扭曲的液晶后，光线被扭曲,90,，正好可以穿过第二个极化滤光器。,光线,方向,光线穿透示意图,2025/5/26 周一,61,但若为液晶加一个电压，液晶分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，将被第二个滤光器挡住。总之，加电光线将被阻断，不加电光线将射出，如下图所示,光线阻断示意图,2025/5/26 周一,62,液晶材料本身不发光，所以显示屏两边设有作为光源的灯管。,液晶显示屏背面有一块背光板和反光膜，背光板由荧光物质组成，可以发射光线，提供均匀的背景光源。,背光板发出的光线穿过第一层偏振过滤层后进入液晶层。液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。,玻璃板与液晶材料之间的透明电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，从而改变屏幕上相应像素的亮度。,2025/5/26 周一,63,彩色液晶显示器的工作原理,彩色,LCD,要具备专门处理彩色显示的色彩过滤层。,彩色,LCD,面板中的每一个像素由,3,个,液晶单元格构成，每一个单元格前面都分别有红色、绿色或蓝色的过滤器。这样，通过不同单元格的光线可在屏幕上显示出不同的颜色。,2025/5/26 周一,64,LCD,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,视角太小、亮度和对比度不够大,光栅显示器,-LCD,2025/5/26 周一,65,等离子显示器,等离子显示器是新一代显示设备，它采用了近几年来高速发展的等离子平面屏幕技术。,2025/5/26 周一,66,1.,等离子显示器的工作原理,等离子显示器由密封在玻璃膜夹层中的晶格矩阵（光栅）组成，每个晶格充有,低压气体,。,在高电压作用下，气体会电离解。电离解后的气体称为,等离子体,，所以这种显示器称为等离子显示器。,当电子又重新与原子结合在一起时，能量就会以光子的形式释放出来，这时气体就会释放出具有特征的辉光。,2025/5/26 周一,67,等离子显示器有交流,(,AC,),激发的、直流,(,DC,),激发的、交直流,(,AC/DC,),混合激发的三种类型。直流激发的等离子显示器的基本结构如下图所示。,阴极,玻璃,电介质隔板,透明阳极,玻璃,气泡,要点亮某个地址的气泡，开始要在相应行上加较高的电压，气泡点亮后，可用低电压维持气泡的亮度。关掉某个气泡，只要将相应的电压降低。改变控制电压，可使等离子板显示不同灰度的图形。,2025/5/26 周一,68,2.,等离子显示器的特点,优点：,重量较轻、完全无,X,射线辐射,；,屏幕亮度非常均匀，不存在明显的亮区和暗区；,不存在某些区域聚焦不良或散焦的毛病；,屏幕更平展，观察视角更大,。,缺点：,价格较高；,显示屏上的玻璃较薄使屏幕较脆弱。,2025/5/26 周一,69,3,种显示技术的比较,性质,阴极射线管,液晶显示器,等离子显示器,功耗,大,小,中,屏幕,大,小,大,厚度,大,小,小,平面度,一般,好,好,亮度,好,适中,好,分辨率,中,一般,好,对比度,中,差,好,灰度等级,好,差,好,视角,大,小,大,色彩,丰富,中,丰富,价格,低,中,高,2025/5/26 周一,70,光栅扫描显示系统,象素的亮度范围取决于帧缓存的位数。在简单的黑白显示中，每个象素只有两个亮度值：亮、暗，因此每个象素只需一位来控制屏幕位置的亮度。如果要显示彩色并且亮度可变，就需要增加位，在高质量系统中，每个象素可多达,24,位（,红、绿、蓝,三基色，每种基色占,8,位：,83=24,位,），这时每个象素可显示,2,24,种亮度值。,2025/5/26 周一,71,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1024,1024象素组成的黑白单灰度显示器所需要的最小缓存为2,20,，并在一个,位面,上。,黑白光栅扫描显示器,2025/5/26 周一,72,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2,N-1,之间。,彩色光栅扫描显示器,2025/5/26 周一,73,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子枪。,彩色光栅扫描显示器,2025/5/26 周一,74,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个位面,的帧缓存和8位的数模转换器，每种原色可有256种灰度，三种原色的组合将是(2,8,),3,=2,24,。,彩色光栅扫描显示器,2025/5/26 周一,75,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2,24,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,2025/5/26 周一,76,彩色光栅扫描显示器,3个位面分辩率是10241024的显示器，需要显存的大小是多少,KB?,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2,24,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。,2025/5/26 周一,77,工作于高分辨率和真彩色模式下的光栅系统显示的图形精度高、质量好，但也带来两个问题：,1.,需要,大容量,的帧缓存，例如当屏幕分辨率为,10241024,，每个象素,24,位（以真彩色显示）时，帧缓存的容量需要：,1024102424/8=3M,字节,；,2.,要求视频控制器对帧缓存有较快的存取速度，通信线路有较大的传输带宽。,解决方法：采用查色表,(Lookup Table,）或称彩色表,(Color Table),2025/5/26 周一,78,查色表（,look up Table）,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。,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。,2025/5/26 周一,79,查色表（,look up Table）,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2,8,256,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：,2025/5/26 周一,80,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。,光栅显示系统的结构,-,简单,2025/5/26 周一,81,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。,普通显卡,=,视频控制器,+,显存,光栅显示系统的结构,-,典型,2025/5/26 周一,82,光栅显示系统的结构,-,专用,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,显示处理器,:,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,2025/5/26 周一,83,第,2,章 图形系统,2.1,图形系统的组成,2.,2,图形显示原理,2.3,图形系统的体系结构,图形流水线,图形处理器,2.4,图形系统标准及软件,2025/5/26 周一,84,图形系统的体系结构,图形系统的核心结构,图形系统的体系结构,图形硬件描述的是进行快速绘制所必需的硬件单元，它使用基于光栅的专用硬件体系结构，能够快速将三维物体绘制成计算机屏幕显示的像素。,2025/5/26 周一,85,图形系统的体系结构,大部分图形硬件设计为要完成一组固定的操作。这些操作被组织成流水线,流水线把顶点和像素依次放入各个阶段,实时图形学,流水线,：,2025/5/26 周一,86,图形系统的体系结构,用户程序,（或者说应用程序）：把数据以图元的形式提供给图形硬件，例如用来描述三维几何模型的点、线或多边形。同时也提供用于表面纹理映射的图像或者位图。,2025/5/26 周一,87,图形系统的体系结构,几何阶段,主要负责大部分多边形和顶点操作，可以将这个阶段进一步划分为如图所示的几个功能阶段。,2025/5/26 周一,88,图形系统的体系结构,给定经过变换和投影之后的顶点、颜色以及纹理坐标（均来自于几何阶段），,光栅阶段,的目的就是给每个像素正确配色，以便正确绘制整幅图像，这个过程称为,光栅化或者扫描转换,，也就是把屏幕空间的二维顶点转化为屏幕上的像素。,2025/5/26 周一,89,图形处理器,图形处理器是图形系统结构的重要元件，是连接计算机和显示终端的纽带，俗称,显卡,。,早期的图形处理器只包含简单的存储器和帧缓冲区，它们实际上只起了一个图形的存储和传递作用，一切操作都必须有,CPU,来控制,现在的图形处理器不单单存储图形，而且能完成大部分图形函数，专业的,图形卡,已经具有很强的,3D,处理能力，大大减轻了,CPU,的负担，提高了显示质量和显示速度。,2025/5/26 周一,90,图形处理器的组成,显示主芯片,显卡的核心，俗称,GPU,，,它的主要任务是对系统输入的视频信息进行构建和渲染,显示缓存,用来存储将要显示的图形信息以及保存图形运算的中间数据,显存的大小和速度直接影响着主芯片性能的发挥,数字模拟转换器（,RAMDAC）,它的作用就是把二进制的数字转换成为和显示器相适应的模拟信号,2025/5/26 周一,91,显卡工作原理简单示意图,图形处理器的组成,2025/5/26 周一,92,第二章 图形系统,2.1 图形系统的组成,2.2,图形显示原理,2.3,图形系统的体系结构,2.4,图形系统标准及软件,图形系统标准,图形软件,2025/5/26 周一,93,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。,2025/5/26 周一,94,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,Mouse,),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（3,D-,）,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）,2025/5/26 周一,95,图形系统标准,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。,CAD,系统。,2025/5/26 周一,96,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。,2025/5/26 周一,97,图形支撑软件,GDI+,：,Windows,图形显示接口，关于图形显示的函数库，通过它实现设备无关性。可以访问系统内存的视频缓冲，但不能访问显示内存，也不能充分利用一些显卡提供的特殊性能。简言之，,GDI+,对大多数商业程序来说已经远远足够，但对于多媒体图形图像或游戏来说它就太慢了。,2025/5/26 周一,98,图形支撑软件,DirectX,：一组低级“应用程序编程接口,(API)”,，可为,Windows,程序提供高性能的硬件加速多媒体支持。它能增强计算机的多媒体功能。可直接访问显卡与声卡的功能，确保多媒体程序能够充分利用高性能硬件。从而提供逼真的三维,(3D),图形与令人如醉如痴的音乐与声音效果。它包含,DirectDraw,Direct3D,DirectSound,等多个组件。,Microsoft,制定的标准并提供支持。,2025/5/26 周一,99,图形支撑软件,OpenGL,：一个独立于图形硬件的高效图形软件接口，一个开放的图形软件包,/,库，跨平台，可扩展。由,SGI,公司推出，被,IBM,，,Intel,，,Microsoft,等公司所采用的三维图形标准。它提供了近,200,个函数，利用其可以开发出现实世界相似的三维景象。,