第1讲计算机图形系统概述.

中南大学地球科学与信息物理学院地理信息系计算机图形系统概述1讲授：邓浩讲师[e-mail]计算机图形系统的组成图形硬件设备输入设备输出设备图形硬件显示系统图形软件系统2计算机图形系统的组成图形硬件设备输入设备输出设备图形硬件显示系统图形软件系统3计算机图形系统的组成硬件与软件硬件输入设备输出设备图形处理设备软件软件包应用程序4计算机图形系统的基本功能计算：图形处理（如图形变换、光照等）存储：远程和本机输入：人机交互及数据文件等输出：显示器、打印机等对话图形：人机交互5计算机图形系统的组成图形硬件设备输入设备输出设备图形硬件显示系统图形软件系统6图形硬件设备图形输入设备键盘鼠标数字化仪光笔触摸屏点扫描仪7图形输入设备激光扫描仪89图形输入设备LiDar（激光雷达）数据以点云方式呈现每个点具有位置和回波强度信息10图形输入设备LiDar机载11计算机图形系统的组成图形硬件设备输入设备输出设备图形硬件显示系统图形软件系统12图形绘制设备绘图仪笔式绘图仪（矢量设备）静电绘图仪（光栅设备）打印机点阵式打印机喷墨打印机激光打印机13图形显示设备多数采用显示器作为图形显示设备分类：（器件发光性质）阴极射线管CRT(CathodeRayTube)特点：亮度高、对比度好、色彩鲜艳缺点：体积大，笨重平板型显示器：液晶、等离子特点：器件薄，适合便携缺点：亮度和对比度相对较低、色彩不够鲜艳，价格偏高14阴极射线管（CRT）工作原理一种真空器件，它利用电磁场产生高速的、经过聚焦的电子束，偏转到屏幕的不同位置，轰击屏幕表面的荧光材料，从而产生可见图形主要组成部分电子枪聚焦系统加速电极偏转系统荧光屏15电子枪灯丝，阴极和控制栅组成灯丝：产生热量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16聚焦系统及加速电极聚焦系统通过电场和磁场控制电子束“变细”，保证亮点足够小，提高分辨率加速电极加正的高压电（几万伏）使电子束高速运动17偏转系统及荧光屏偏转系统控制电子束，静电场或磁场，产生偏转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荧光屏荧光物质：吸收电子束而发光发光原理荧光物质在高速电子的轰击下，电子吸收能量从低能态变为高能态；由于高能态很不稳定，在很短时间内荧光物质的电子会从高能态重新回到低能态，这时就发出荧光，屏幕上的那一点就会亮18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影像在视网膜上持续的时间为1/20秒19两种显示系统随机扫描（random－scan）电子束可以任意移动，画线设备光栅扫描（raster－scan）电子束按固定扫描线和次序进行，画点设备20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的部分对应的显示器为画线设备逻辑部件刷新存储器(RefreshingBuffer)显示处理器（DPU:DisplayProcessingUnit）21刷新(Refresh)：为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数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）荧光物质的持续发光时间40毫秒最小刷新频率就是1000/40=25Hz一般要60Hz才不容易察觉到闪烁85Hz以上才能让人眼感到舒适阴极射线管的技术指标像素(Pixel:PictureCell)：构成屏幕（图像）的最小元素分辨率(Resolution)CRT在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大像素个数，单位通常为dpi（dotsperinch)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分辨率越高显示的图形就越精细决定分辨率的因素：荧光物质类型、聚焦系统和偏转系统23彩色阴极射线管利用发射不同颜色光的荧光物质的组合来显示彩色图形电子束穿透法荫罩法荫栅法24电子束穿透法原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光物质，不同速度电子束穿透荧光层的深浅，决定所产生的颜色优缺点：成本低，只能产生有限几种颜色应用：主要用于画线显示器25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荫罩法荫罩法工作原理每个像素处有3个荧光点，呈三角形排列三支电子枪对应红、绿、蓝三基色电子枪、荫罩栅格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球面屏幕26亮度调节各电子枪发生的电子数目，可控制各色光点亮度27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荫栅法：与荫罩基本一致28平面屏幕特丽珑/钻石珑29液晶显示器（LCD）LCD：LiquidCrystalDisplay液晶的电光效应当液晶分子的某种排列状态在电场作用下变为另一种排列状态时，液晶的光学性质随之改变液晶显示的机理通过能阻塞或传递光的液晶材料，传递来自周围的或内部光源的偏振光30液晶显示器（LCD）结构：六层薄板组成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31观察方向液晶显示器（LCD）32液晶显示器（LCD）33液晶显示器（LCD）眼镜型液晶显示屏34计算机图形系统的组成图形硬件设备输入设备输出设备图形硬件显示系统图形软件系统35图形显示系统组成（光栅式）显示设备：显示器显示处理器图形处理功能视频控制器：控制显示设备通过访问帧缓冲来刷新屏幕显示缓存帧缓存深度缓存等可以在内存或显示控制器中36图形显示系统主要组成帧缓冲存储器（FrameBuffer)视频控制器（VideoController)显示处理器（DisplayProcessor）37帧缓冲存储器作用：存储屏幕上像素的颜色值简称帧缓存（显存中的部分存储单元）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（黑白显示系统的帧缓冲器的每个单元只有一位）38391寄存器DAC电子枪帧缓冲存储器CRT光栅黑白光栅显示器工作状况图位面技术帧缓存分成若干颜色的位平面（bitplane）位平面上位置和屏幕上的一个像素对应同一像素点在各位面占同一地址不同位面上同一像素地址中的内容决定像素的颜色位平面越多，可表达的色彩越丰富增加一个位面，色彩就增加一倍40410寄存器2NDAC电子枪帧缓冲存储器10N010NN=32CRT光栅N位面灰度等级光栅显示器工作状况图2N级420寄存器2NDAC电子枪帧缓冲存储器10N010NN=32CRT光栅N位面灰度等级光栅显示器工作状况图2N级红绿蓝三个位面，组合成8种颜色增加一个位面，形成16种颜色若有24个位面（每种基色8个位面），可同时显示(28)3=224=16777216种颜色（24位真彩色）43红绿蓝Black000Blue001Green010Cyan011Red100Magenta101Yellow110White11144帧缓存容量分辨率M*N、颜色个数K与显存大小V的关系说明一般像素颜色用RGB三基色表示例：颜色为24位真彩色、分辨率是1024×1024的显示器，需要1024×1024×log2224/8＝3MBytesKNMV2log45帧缓存容量的问题若存储器位长固定，则屏幕分辨率与同时可用的颜色种数成反比关系例：1兆字节的帧缓存若设分辨率为640×480，则帧缓存每个单元可有24位，可能同时显示224种颜色若设分辨率为1024×768，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46解决方法：采用颜色查找表(Look-upTable)方法颜色查找表由高速的随机存储器组成，用来存储表达像素色彩的代码把颜色码放在一个独立的表（颜色查找表）中，帧缓存中每一像素对应单元的代码不再代表该像素的颜色码，而是作为颜色查找表的地址索引在帧缓存单元的位数不增加的情况下，能够大范围内挑选颜色的能力47480寄存器2WDAC电子枪帧缓冲存储器10N010NN=32CRT光栅具有颜色查找表的N位面灰度等级帧缓冲存储器2N表项101111WW=42W为总光强等级2N为每次可显示光强等级视频控制器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工作原理:刷新周期开始，依次取出帧缓存单元的数值，放入像素值寄存器，用来控制像素的颜色，然后X的地址寄存器的地址加一，如此重复，直到该扫描线上的最后一个像素，转下行，X置0，Y加149显示（图形）处理器(GPU)GPU:GraphicsProcessingUnit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50显示卡Video/GraphicsCard显示卡=视频控制器+显存+图像处理器51显示卡GPUnVidiaGeForce(1000/1100)QuadroAMDRADEOM(HD8000)Fire显存速率（GDDR5）大小（1GByte）位宽（512bit）视频控制器52光栅扫描显示系统的优缺点优点：成本低易于绘制填充图形灰度和色彩丰富，图像逼真可以和电视机兼容刷新频率一定，与图形的复杂程度无关缺点：需要扫描转换扫描转换速度偏低，交互操作响应慢分辨率偏低，有阶梯（锯齿）效应53计算机图形系统的组成图形硬件设备输入设备输出设备图形硬件显示系统图形软件系统54图形软件标准指图形系统及其相关应用系统中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核心图形系统(CGS)计算机图形核心系统(GKS)程序员层次交互式图形系统(PHIGS)开放式图形库(OpenGL)微软DirectX库55图形软件标准第一层次：面向硬件系统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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：建立在驱动程序之上完成图元的生成、设备的管理等功能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：面向用户主要任务是建立图形数据结构，定义、修改和输出图形具有较强的交互功能，使用方便，容易阅读，便于维护和移植OpenGL、Direct3D属于这一层次56OpenGLOpenGL=OpenGraphicsLibrary工业标准跨编程语言、跨平台的应用程序接口约350个函数移动平台OpenGLESWhynotDirect3DWindowsonly57OpenGL5858面向用户图形系统的基本功能基本图形绘制（线画、填充图元等）图形变换几何变换投影变换图元着色光照效果纹理映射…OpenGL图形操作步骤根据基本图形单元建立景物模型，并且对所建立的模型进行数学描述（OpenGL中把：点、线、多边形、图像作为基本图形单元）把景物模型放在三维空间中的合适的位置，并且设置视点（viewpoint）以观察所感兴趣的景观计算模型中所有物体的色彩，其中的色彩根据应用要求来确定，同时确定光照条件、纹理粘贴方式等把景物模型的数学描述及其色彩信息转换至计算机屏幕上的像素，这个过