计算机图形学图形设备和系统.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,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,*,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,*,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,/10/2,第1页,2.1 图形设备,图形显示设备,图形输出包含图形显示和图形绘制，,图形显示,指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惯用硬拷贝设备,/10/2,第2页,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,/10/2,第3页,阴极射线管(,CRT-,Cathode Ray Tube,),组成：包含电子枪、加速结构、聚焦系统、偏转系统、荧光屏,阴极射线管（CRT),/10/2,第4页,阴极射线管(CRT),工作原理,高速电子束由,电子枪,发出，经过,聚焦系统、加速系统,和,磁偏转系统,就会抵达荧光屏特定位置。因为荧光物质在高速电子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。因为高能态很不稳定，在很短时间内荧光物质电子会从高能态重新回到低能态，这时将发出荧光，屏幕上那一点就会亮了,/10/2,第5页,要保持显示一幅稳定画面，必须不停地发射电子束,刷新频率,刷新,一次是指电子束从上到下扫描一次过程,刷新频率高到一定值后，图象才能稳定显示,/10/2,第6页,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，能够控制经过其中小孔带负电电子束强弱。经过调整负电压高低来控制电子数量，即控制荧光屏上对应点亮度。,/10/2,第7页,聚焦系统,确保电子束在轰击屏幕,时，汇聚成很细点。,加速电极,加正高压电（几万伏），使电子束高速运动。,/10/2,第8页,偏转系统,控制电子束，静电场或磁场，产生偏转。,电子束要抵达屏幕边缘时，偏转角度就会增大。抵达屏幕最边缘偏转角度被称为,最大偏转角,最大偏转角,是衡量系统性能最主要指标，显示器长短与此相关,CRT,显示器屏幕越大整个显象管就越长,/10/2,第9页,荧光屏,荧光物质：,当它被电子轰击时发出亮光,连续发光时间：,电子束离开某点后，该点亮度值衰减到初始值1/10所需时间,刷新(,Refresh)：,为了让荧光物质保持一个稳定亮度值,刷新频率：,每秒钟重绘屏幕次数,某种,CRT,产生稳定图像所需要最小刷新频率,=1秒/荧光物质连续发光时间比如）=1000,/40=25Hz,/10/2,第10页,荧光屏,像素(,Pixel:Picture Cell)：,组成屏幕（图像）最小元素,分辨率(,Resolution)：,CRT,在水平或竖直方向单位长度上能识别最大像素个数，单位通常为,dpi（dots per inch)。,在假定屏幕尺寸一定情况下，也可用整个屏幕所能容纳像素个数描述，如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等,/10/2,第11页,产生彩色惯用方法：,射线穿透法,影孔板法,2.1.2 彩色阴极射线管,/10/2,第12页,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深浅，决定所产生颜色,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,/10/2,第13页,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：,只能产生有限几个颜色,/10/2,第14页,2.1.2 彩色阴极射线管-,影孔板法,影孔板法,原理：,影孔板被安装在荧光屏内表面，用于,准确定位,像素位置,外层玻璃,荧光涂层,影孔板,/10/2,第15页,影孔板类型,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,Trinitron,与,Mitsubishi,Diamondtron,显像管,沟槽式影孔板,代表：,LG,Flatron,显像管,/10/2,第16页,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,/10/2,第17页,显示器能同时显示颜色个数,假如每支电子枪发出电子束强度有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,调整各电子枪发生电子束中所含电子数目，即可控制各色光点亮度。,/10/2,第18页,球面显示器与柱面显示器,普通显象管采取都是,点状影孔板,显象管，显象管表面呈略微凸起球面状，故称之为“,球面管,”。而柱面显象管采取,荫栅式,结构，它表面在水平方向依然略微凸起，不过在垂直方向上却是笔直，呈圆柱状，故称之为“,柱面管,”,惯用,点状影孔板,显象管有日本索尼企业特丽珑管（,Trinitron）,和三菱企业钻石珑管（,Diamondtron）,/10/2,第19页,荫栅式彩色,CRT,显色原理,/10/2,第20页,柱面和球面显示器点距定义示意图,/10/2,第21页,2.1.3 随机扫描显示系统,特点：电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示部分。,逻辑部件：刷新存放器(,Refreshing Buffer),显示处理器（,DPU:Display Processing Uuit）,和,CRT,/10/2,第22页,应用程序发出绘图命令，解析成显示处理器可,接收命令格式，存放在刷新存放器中。刷新存放器中所,有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一些绘图命令,。,工作原理,/10/2,第23页,2.1.4 光栅扫描显示系统,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,/10/2,第24页,几个概念,行频、帧频,水平扫描频率为行频。垂直扫描频率为帧频。,逐行扫描、隔行扫描,隔行扫描方式是先扫奇数行扫描线，再扫偶数行扫描线。,/10/2,第25页,几个概念,象素,整个屏幕被扫描线分成,n,行，每行有,m,个点，每个点为一个象素。整个屏幕有,m n,个象素。,分辨率,是指,CRT,在水平或垂直方向单位长度上能分辨出最大光点（象素）数，分为水平分辨率和垂直分辨率。通惯用屏幕上象素数目来表示。比如上述,n,行，每行,m,点屏幕分辨率为,m n。,分辨率越高，相邻象素点之间距离越小，显示字符或图像也就越清楚。分辨率受显示器生产工艺、扫描频率以及显示存放器容量限制。,/10/2,第26页,几个概念,点距,相邻象素点之间距离，与分辨率指标相关。,显示速度,指显示字符、图形尤其是动态图像速度，与显示器分辨率及扫描频率相关。可用最大带宽（水平象素数 垂直象素数 最大帧频）来表示。,/10/2,第27页,几个概念,色彩与亮度等级,亮度等级又称灰度，主要指单色显示器亮度改变。色彩包含可选择显示器颜色数目以及一帧画面可同时显示颜色数，与荧光屏质量相关，并受显示存放器,VRAM,容量影响。,图像刷新,因为,CRT,内侧荧光粉在接收电子束轰击时，只能维持短暂发光，依据人眼视觉暂留特征，需要不停进行刷新才能有稳定视觉效果，所以刷新是指以每秒30帧以上频率重复扫描不停地显示每一帧图像。图像刷新频率等于帧扫描频率（帧频），用每秒刷新帧数表示。当前刷新频率标准为每秒50120帧。,/10/2,第28页,几个概念帧缓冲存放器（显示存放器）,存放用于刷新图像信息存放器。帧缓冲存放器大小通惯用,X,方向（行）和,Y,方向（列）可寻址地址数乘积来表示，称为帧缓冲存放器分辨率。,/10/2,第29页,-,显示器分辨率,电子束按固定扫描次序进行扫描,N,条扫描线，每条,扫描线有,M,个像素，,M*N,显示器分辨率。,/10/2,第30页,逻辑部件：,帧缓冲存放器,（,Frame Buffer)，,视频控制器,（,Video Controller)，,显示处理器,（,Display Processor），,CRT,帧缓冲存放器,作用：存放屏幕上像素颜色值,简称帧缓冲器，俗称,显存,/10/2,第31页,帧缓存中单元数目与显示器上像素数目相同，单元与像素一一对应，各单元数值决定了其对应像素颜色。,显示颜色种类与帧缓存中每个单元位数相关（图示帧缓冲器每个单元只有一位）。,/10/2,第32页,黑白光栅扫描显示器,黑白光栅显示器逻辑框图如上：其中帧缓存是一块连续计算机存放器。对于黑白单灰度显示器每一象素需要一位存放器，对一个10241024象素组成黑白单灰度显示器所需要最小缓存为2,20,，并在一个位面上。一个位面缓存只能存放黑白图形，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)。,/10/2,第33页,彩色光栅扫描显示器,在光栅图形显示器中需要足够位面和帧缓存结合起来才能反应图形颜色和灰度等级。以下列图是一个含有,N,位面灰度等级帧缓存。显示器上每个象素亮度是由,N,位面中对应每个象素位置内容控制。该存放器中二进制数被翻译成灰度等级，范围是0到2,N-1,之间。,/10/2,第34页,彩色光栅扫描显示器,下列图是彩色光栅显示器逻辑图，对于红、绿、蓝三原色有三个位面帧缓存和三个电子枪。,/10/2,第35页,彩色光栅扫描显示器,每个颜色电子枪能够经过增加帧缓存位面来提升颜色种类灰度等级。如上图，每种原色电子枪有8个位位面帧缓存和8位数模转换器，每种原色可有256中灰度，三种原色组合将是(2,8,),3,=2,24,。,/10/2,第36页,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,关系,/10/2,第37页,彩色光栅扫描显示器,3,个位面分辩率是10241024显示器，需要310241024（3145728）位存放器。若,存放器位长固定，则屏幕分辩率与同时可用颜色种数成反比关系。,1兆字节帧缓存，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，则每个单元分得位数仅略多于8，只能工作于256色显示模式下。,/10/2,第38页,彩色光栅扫描显示器,显存问题,高分辨率和真彩要求有大显存；,曾经是个问题！,处理方法：采取,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3,M,字节显存,/10/2,第39页,查色表（,look up Table）,是一维线性表，其每一项内容对应一个颜色，,它长度由帧缓存单元位数决定,，比如：每单元有8位，则查色表长度为2,8,256,目标：在帧缓存单元位数不增加情况下，含有,大范围内挑选颜色能力,：,/10/2,第40页,存放方式,颜色信息在帧缓存中两种存放方式：一是颜色值直接存放在帧缓存中。二是把颜色码放在一个独立表中，帧缓存存放是颜色表中各项索引值，颜色范围扩充了。,单色系统：查色表固化,彩显：可修改、创建查色表。,/10/2,第41页,带宽,T,与分辨率、帧频,F,关系,带宽问题,高分辨率和高刷新频率要求有高带宽,-依然是个问题！,处理方法：隔行扫描（现在已经基本不用，,主流显示器都采取逐行扫描方式）,隔行扫描：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,/10/2,第42页,隔行扫描工作原理,一帧完整画面分成两场。,一场160秒，（场频60,HZ），（,帧频30,HZ）,画面更新频率仍为60,HZ，,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二分之一。降低了视频控制器存取帧缓存速度及传输带宽要求。,/10/2,第43页,简单光栅扫描图形显示系统结构,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。,/10/2,第44页,较为经典光栅扫描图形显示系统结构,其中，帧缓存能够是专用存放器，也能够是系统内存中一块固定区域。,/10/2,第45页,视频控制器,作用：,建立帧缓存与屏幕像素之间一一对应，负责,刷新,逻辑结构,/10/2,第46页,视频控制器,工作原理,刷新周期开始，光栅扫描发生器置,X,地址存放器为0，置,Y,地址存放器为,N-1，,首先取出对应像素（0，,N-1）,帧缓存单元数值,放入像素值存放器，用来控制像素颜色，然后,X,地址存放器地址加一，如此重复，直到该扫描线上最终一个像素。,双缓冲机制（,Double Buffer),普通显卡=视频控制器+显存,/10/2,第47页,显示处理器,作用：代替,CPU,完成部分图形处理功效，扫描转换、几何变换、裁剪、光栅操作、纹理映射等等,/10/2,第48页,显示处理器,含有专用显示处理器光栅显示系统结构,图形加速卡=视频控制器+显存+显示处理器,/10/2,第49页,优点：,成本低,易于绘制填充图形,色彩丰富,刷新频率一定，与图形复杂程度无关,易于修改图形,缺点：,需要扫描转换,会产生混同（走样）,缺点正在被克服,优点使其占据了市场主流,光栅显示系统特点,/10/2,第50页,LCD显示器,CRT,固有物理结构限制了它向更广显示领域发展,屏幕加大必定造成显象管加长，显示器体积必定要加大，在使用时候就会受到空间限制,CRT,显示器是利用电子枪发射电子束来产生图像，轻易受电磁波干扰,长久电磁辐射会对人们健康产生不良影响,/10/2,第51页,LCD,显示器优点,外观小巧精巧，厚度只有6.58,cm,左右。,不会产生,CRT,那样因为刷新频率低而出现闪烁现象,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,/10/2,第52页,索尼企业两款,LCD,外形,/10/2,第53页,液晶显示器组成,液晶显示器,LCD(Liquid Crystal Display),是由六层薄板组成平板式显示器,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,/10/2,第54页,LCD显示器基本原理,液晶是一个介于液体和固体之间特殊物质，它含有液体流态性质和固体光学性质。当液晶受到电压影响时，就会改变它物理性质而发生形变，此时经过它光折射角度就会发生改变，而产生色彩,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，就会产生光线色泽改变，从液晶体射出来光线，还得必须经过一块彩色滤光片以及第二块偏光板,/10/2,第55页,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 TN,双层超扭曲向列,LCD）,等,最流行主动式液晶屏幕是,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，这么能够让液晶体在下一次电压改变前一直保持电位状态。这么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鬼影、或是画面延迟残像等,/10/2,第56页,LCD显示器基本指标,可视角度,视线与屏幕中心法向成一定角度时，人们就不能清楚地看到屏幕图象，而那个能看到清楚图象最大角度被我们称为可视角度。普通所说可视角度是指左右两边最大角度相加。工业上有,CR10（Contrast Ratio）、CR5,两种标准来判断液晶显示器可视角度,/10/2,第57页,LCD显示器基本指标,点距与分辨率,液晶屏幕点距就是两个液晶颗粒（光点）之间距离，普通0.280.32,mm,就能得到很好显示效果,通常所说液晶显示器分辨率是指其真实分辨率，表示水平方向像素点数与垂直方向像素点数乘积,/10/2,第58页,液晶显示器缺点,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,。,/10/2,第59页,图形处理器,图形处理器是图形系统结构主要元件，是连接计算机和显示终端纽带,早期图形处理器只包含简单存放器和帧缓冲区，它们实际上只起了一个图形存放和传递作用，一切操作都必须有,CPU,来控制,现在图形处理器不单单存放图形，而且能完成大部分图形函数，专业图形卡已经含有很强3,D,处理能力，大大减轻了,CPU,负担,提升了显示质量和显示速度,/10/2,第60页,图形处理器组成,显示主芯片,显卡关键，俗称,GPU，,它主要任务是对系统输入视频信息进行构建和渲染,显示缓存,用来存放将要显示图形信息以及保留图形运算中间数据,显存大小和速度直接影响着主芯片性能发挥,数字模拟转换器（,RAMDAC）,它作用就是把二进制数字转换成为和显示器相适应模拟信号,/10/2,第61页,显卡工作原理简单示意图,/10/2,第62页,*纯平显示器*,走向平面显像管,球面显象管：,表面：球面一部分,时间：90年代初,柱面显象管：,表面：柱面一部分，垂直方向上平直，水平方向上有弯曲,时间：90年代中期,代表：,Sony,企业,Trinitron，Mitsubishi,企业,Diamondtron,/10/2,第63页,*纯平显示器*,走向平面显像管,平面直角显象管,表面：球面一部分，类似于平面,时间：90年代中后期,现在市场上主流显象管,纯平显象管,表面：纯平面,时间：90年代后期,代表：,Sony,企业,FD Trinitron，Mitsubishi,企业,Diamondtron，Samsung,企业,DanyFlat，LG,企业,Flatron,今后主流显象管,/10/2,第64页,*未来显示器*,采取空气等离子体技术，无须刷新缓冲存放器,空气等离子体可想象成一个个微型霓虹灯，红绿蓝三种不一样颜色像素。,显示器薄，挂在墙上。,发光聚合物技术，坚不可摧；柔韧性好，能够卷起来；显示画面含有没有与伦比清楚度，无锯齿现象。真正平面直角。,/10/2,第65页,含有完整人机交互界面，集高性能计算和图形于一身，可配置大容量内存和硬盘，,I/O,和网络功效完善，使用多任务多用户操作系统小型通用个人化计算机系统。,1983年美国,APOLLO,企业推出第一台适累计算机辅助设计（,CAD）,工作站。,现在全球最有名图形工作站属,SGI,图形工作站。,图形工作站,/10/2,第66页,虚拟现实系统,除了含有常规高性能计算机系统硬件和软件外，还必须对以下关键技术提供强有力支持。,能以实时速度生成含有逼真感景物图形（三维全彩色、有明暗、纹理和阴影图像）,能高精度实时跟踪用户头和手。,头戴显示器能产生高分辨率图像和较大视角。,/10/2,第67页,2.2 图形系统及其标准,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图形功效扩展集(比如，,OpenGL).,基本功效：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。,/10/2,第68页图形系统标准,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接口标准，以及供图形应用程序调用子程序功效及其格式标准，前者称为,数据及文件格式标准,，后者称为,子程序界面标准,。,/10/2,第69页,图形系统标准分类,面向图形设备接口标准：,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）图形关键系统（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/10/2,第70页,CGI（ISO DP 9636),-提供控制图形硬件一个与设备无关方法。,-也可看作图形设备驱动程序一个标准。,-在用户程序和虚拟设备之间，以一个独立于设备方式提供图形信息描述和通信。,/10/2,第71页,CGM（ISO IS8632),-与设备无关语义、词法定义图形文件格式。,-要求了生成、存放、传送图形信息格式。,-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。,/10/2,第72页,GKS,-提供了在应用程序和图形输入输出设备之间 功效接口。,-与语言无关。,-,GKS,提供了一个称为元文件次序文件接口,-应用程序全部图形资源由,GKS,控制（经过,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；与图形信息相关非图形信息存 储和复用。,/10/2,第73页,PHIGS（ISO IS9592）,-向应用程序员提供控制图形设备图形系统接口；,-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伎俩。是一个高度动态化和交互式图形系统。,/10/2,第74页,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。,/10/2,第75页,IGES（基本图形转换规范）,-Initial Graphics Exchange Specification,-作用：不一样,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。,/10/2,第76页,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一个产品模型完整表示。,-克服,IGES,中问题和缺点。,/10/2,第77页,连续发光时间,刷新,像素,CRT分辨率,阴极射线管组成部分及其功效,射线穿透法及影孔板法产生彩色工作原理,随机扫描显示系统逻辑部件及工作机理,光栅扫描显示系统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颜色数目之间关系,图形系统及其标准,概念与术语,/10/2,第78页,