CG02 图形系统

2020/1/261计算机图形学第二章计算机图形系统及硬件基础Contents•概述•图形显示原理•绘图设备•图形输入设备兰州理工大学22.1概述2.1.1计算机图形系统•计算机图形软件系统通用编程软件包：GKS、PHIGS、OpenGL专用应用软件包：AutoCAD、3DMax、Photoshop、CorelDRAW•计算机图形硬件系统用来生成、处理和显示图形，通常由以下三部分构成：–中央处理器–图形输出设备–图形输入设备兰州理工大学3中央处理器（CPU）•中央处理器完成对图形的描述、建立、修改等各种计算，并对图形实现有效的存储。•许多外设所增加的固化的图形处理功能，可接受更高级的绘图命令，实现图形的缓冲，以及完成大部分图形函数的功能，从而大大减轻了CPU的负担。兰州理工大学4图形输入设备•常用的图形输入设备–键盘–鼠标•另外–跟踪球、空间球–光笔、触摸板、图形扫描仪–数字化仪、手写输入板–语音输入–数据手套兰州理工大学5图形输出设备•包括图形显示设备和图形绘制设备–图形显示设备:用于在屏幕上输出图形•基于阴极射线管的监视器•液晶显示器•等离子显示器–图形绘制设备:用于把图形画在纸上，也称硬拷贝•打印机•绘图仪兰州理工大学62.1.2图形的输入输出处理流程•一个计算机图形系统至少应具有计算、存储、输入、输出、交互等基本功能，关系如下：兰州理工大学7图形输出设备输出显示器交互计算存储数据库输入图形输入设备图形系统基本功能框图1.计算功能计算功能包括：1）图形的描述、分析和设计；2）图形的平移、旋转、投影、透视等几何变换；3）曲线、曲面的生成；4）图形之间相互关系的检测等。兰州理工大学82.存储功能和输入功能•存储功能图形数据库可以存放各种图形的几何数据及图形之间的相互关系，并能快速方便地实现对图形的删除、增加、修改等操作。•输入功能通过图形输入设备可将基本的图形数据（如点、线等）和各种绘图命令输入到计算机中，从而构造更复杂的几何图形。兰州理工大学93.输出功能和交互功能•输出功能图形数据经过计算后可在显示器上显示当前的状态以及经过图形编辑后的结果，同时还能通过绘图仪、打印机等设备实现硬拷贝输出，以便长期保存。•交互功能设计人员可通过显示器或其他人机交互设备直接进行人机通信，对计算结果和图形利用定位、拾取等手段进行修改，同时对设计者或操作员输入的错误给以必要的提示和帮助。兰州理工大学10图形的基本处理流程•利用各种图形输入设备及软件或其他交互设备将图形输入到计算机中，以便进行处理；•在计算机内部对图形进行各种变换（如几何变换、投影变换）和运算（如图形的并、交、差运算等）；•处理后，将图形转换成图形输出系统便于接受的表示形式，并在输出设备上输出；•在交互式的系统中上述过程可重复进行多次，直至产生满意的结果。兰州理工大学112.2图形显示原理图形显示设备主要有以下三种：–CRT显示器–液晶显示器–等离子显示器兰州理工大学122.2.1CRT显示器1.CRT显示器显示原理CRT显示器主要由阴极、电平控制器（即控制极）、聚焦系统、加速系统、偏转系统和阳极荧光粉涂层组成，这六部分都在真空管内。兰州理工大学13兰州理工大学14阴极射线管（CRT,CathodeRayTube）——利用电场产生高速的聚焦电子束，通过偏转系统控制，最终轰击荧光屏的不同部位，产生可见的图形2.彩色CRT显示器的显示原理•RGB模型由红、绿、蓝三种颜色组成的原色系统称为RGB模型。它是定义于某个红绿蓝颜色坐标系统中的单位立方体。坐标原点代表黑色，坐标点(1,1,1)代表白色。坐标轴上的顶点代表三个基色，余下的顶点则代表每一个基色的补色。兰州理工大学15RGB颜色立方体兰州理工大学16彩色阴极射线管红、绿、蓝（RGB）任何颜色可以用这三种荧光粉相混而成（每个小点直径0.1mm）另一个颜色模型CMY(青、洋红、黄)产生彩色的常用方法：射线穿透法、影孔板法兰州理工大学17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。显示的颜色个数彩色CRT光栅扫描显示器有三个电子枪，它的荧光屏上涂有三种荧光物质，分别能发红、绿、蓝三种颜色的光。电子枪通常成三角形排列，与CRT屏幕上的三角形红、绿、蓝荧光点相对应。兰州理工大学18电子枪和对应的荧光点必须在一条直线上。为保证每个电子枪都能击中对应颜色的荧光点，在电子枪和荧光屏之间放置一个有孔的金属网格（即荫罩）。调整彩色电子枪的排布方式可让三个电子束都汇聚于荫罩上。这样，某颜色的电子束通过荫罩后，就可避免和另外两种颜色的荧光点相交，而只能与自己对应颜色的荧光点相交。兰州理工大学19刷新频率•将图形的几何信息转换成存储在帧缓存中的光栅（点阵）图像并以一定格式的视频图像显示的过程叫扫描转换。•刷新一次指电子束从上到下将荧光屏扫描一次，只有刷新频率高到一定值后，图像才能稳定显示。大约达到每秒60帧，即60Hz时，人眼才能感觉到屏幕不闪烁，要使人眼觉得舒服，一般必须有85Hz以上的刷新频率。兰州理工大学20隔行扫描技术•每一帧分为两个场显示，每个场只包含一半画面。两个场是交错的，一个场包含所有的奇数扫描行，另一个场包含所有的偶数扫描行，两个场以1/60秒的时间间隔交替显示。•扫描从奇数场左上角开始，每一行都是自左向右。电子束在横向扫描的同时以一个较低的速率向下移动，当扫描线到达屏幕右端时，就将其隐去并迅速返回屏幕左端。这个过程称为水平回扫。接着下一奇数行重复这一过程。兰州理工大学21•当整场扫描完毕时，扫描线正好停在底部的中央。接着扫描线迅速回到屏幕顶部中央，这就是奇数场垂直回扫。•接着进行偶数场扫描，偶数场扫描结束于屏幕右下角，垂直回扫后电子束返回屏幕左上角。兰州理工大学22奇数场从第一行开始，水平回扫用虚线表示有7条扫描线的隔行扫描3.光栅扫描式图形显示器1)是画点设备，可看成一个点阵单元发生器，并可控制每个点阵单元的亮度。2)发出的电于束的偏转方式是固定的，自上而下，从左到右扫描在荧光屏上形成光栅形状。3)图形是通过电子束扫描到光栅上的图形象素点时呈现的亮度或颜色与光栅背景的亮度或颜色不同而衬托出的，可形成多级灰度或颜色的图像。兰州理工大学234)由于图像是由像素阵列组成，显示一幅图像所需要的时间等于显示整个光栅所需的时间，而与图像的复杂程度无关。综上，可把光栅图形显示器看做许多离散点组成的矩阵，每个点都可以发光。除非特殊情况，一般在矩阵中是不能直接从一个点到另一个点（或一个像素到另一个像素）画一条笔直的直线，但可以用一系列的点（或像素）来近似地表示这条直线。兰州理工大学24显然，只有画水平、垂直或正方形的对角线时，才能用点或像素画出一条真正的直线，其他情况下的直线均呈阶梯状，这种现象称为走样或锯齿(如下图所示)。采用反走样技术可适当减轻阶梯效果。兰州理工大学25光栅化的直线帧缓冲存储器（帧缓存）实现光栅CRT图形显示器的最常见方法是使用帧缓存。1)帧缓冲存储器是一块连续的存储空间。2)光栅中的每个像素在帧缓存中至少要有1位（bit）,每个像素1位的存储空间称为位面（bitplane）。画面就是由帧缓存中的这些位信息组成的。3)图形在计算机中是一位一位产生的，每一个存储位只有0或1两个状态，因此一个位面的帧缓存只能产生黑白图形。兰州理工大学264)帧缓存是数字设备，光栅显示器是模拟设备，要把帧缓存中的信息在光栅显示器屏幕上输出必须经过数字/模拟转换，这个工作由DAC（数模转换器）完成。兰州理工大学27具有1位帧缓存的黑白光栅显示器结构图光栅图形显示器中需要有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。兰州理工大学28显示器上每个像素的亮度由N个位面中对应的每个像素位置的内容共同决定，即每一位的二进制被存入指定的寄存器中,该寄存器中二进制的数被翻译成灰度等级，其范围在0～2N－1之间。具有N位帧缓存的黑白灰度光栅显示器结构图为避免帧缓存的增加，可采用颜色查找表来提高灰度级别，如下图所示，帧缓存中的位面号为颜色查找的索引，颜色查找表必须有2N项，每一项具有W位字宽。当W大于N时，可有2W灰度等级，但每次只有2N个不同灰度等级可用。若要使用2N种以外的灰度等级，需改变颜色查找表中的内容（重装颜色查找表）。兰州理工大学29具有N位帧缓存和W位颜色查找表的光栅显示器结构图兰州理工大学30一个简单的彩色帧缓冲存储器由于只有三种原色，所以可用三个位面实现一个简单的彩色帧缓冲存储器。下图为简单的彩色光栅显示器，由分别对应红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色的三个位面的帧缓存，DAC，三个电子枪和CRT光栅组成。兰州理工大学31对每个颜色的电子枪可通过增加帧缓存位面来提高颜色种类的灰度等级。如下图，每种原色电子枪有8个位面的帧缓存和8位的DAC，每种原色有28种灰度等级，三种原色的组合有224种颜色。这种显示器称为全色光栅扫描图形显示器，其帧缓存称为全色帧缓存。一个具有24位面的彩色帧缓冲存储器若各组位面存放的不是直接的颜色值而是颜色查找表的地址索引，则全色帧缓存的颜色还可进一步丰富。兰州理工大学32一个具有24位面的彩色帧缓存和10位颜色查找表的结构图光栅扫描显示器的主要性能参数•分辨率–指显示器在屏幕水平(垂直)方向可显示多少像素–分辨率越高，显示的字符或图像越清晰•亮度等级数目和色彩–指单种颜色亮度可变化的数目–亮度等级范围的提升可使图像看上去更柔和自然•点距–指相邻像素点之间的距离（即像素的直径）•显示速度–指显示字符、图形，特别是动态图像的速度兰州理工大学334.随机扫描的图形显示器•随机扫描的图形显示器是画线设备，在屏幕上显示一条直线是从屏幕上的一个可编址点直接画到另一个可编址点。•电子束的定位和偏转具有随机性，在某一时刻，显示屏上只有一个光点发光，因而可画出线很细的图形，故又称之为画线式显示器。兰州理工大学34基本工作过程•从显示文件存储器中取出画线指令或显示字符指令、方式指令，送到显示控制器。•显示控制器控制电子束的偏转，轰击荧光屏上的荧光材料，从而呈现出一条发亮的图形轨迹。•由于屏幕采用短余辉的荧光粉，因此，必须不断地重复扫描显示文件（即刷新），以获得稳定的画面。兰州理工大学352.2.2液晶显示器液晶显示器（LCD）依驱动方式分为静态驱动、单纯矩阵驱动和主动矩阵驱动3种。兰州理工大学361.液晶的物理特性•液晶即液态晶体，具有线状结晶结构的分子，可象液体那样流动。•液晶分子的排列柔软易变形，受电场、磁场、温度、应力等外部条件作用时会重新排列。•当通电和不通电时液晶分子处于两种不同的排列，一种排列光线容易通过，而另一种排列阻止光线通过。兰州理工大学372.单色液晶显示器的原理•在液晶显示器中，液晶是灌入两个有细槽的平面之间。•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。兰州理工大学38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。兰州理工大学39光线穿透示意图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，如下图所示兰州理工大学40光线阻断示意图兰州理工大学41•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