1第二章

互式計算機圖形處理系統(tǒng)

2計算機圖形處理系統(tǒng)繪圖儀printerputerDPU輸入設備視頻控制器display顯示處理器控制圖形地顯示應用程序發(fā)出繪圖命令,解析成顯示處理器可接受命令格式幀緩沖存儲器（FrameBuffer)存放所有地繪圖信息視頻控制器（VideoController)對顏色緩沖器行逐行掃描,控制驅(qū)動電子槍在屏幕上繪圖顯示處理器（DisplayProcessingUuit,簡稱DPU）負責解釋執(zhí)行(刷新)CRT3圖形處理器俗稱顯卡CGAEGAVGATVGASVGAXGASXGA現(xiàn)在開發(fā)新型顯卡把注意力都集在散熱上,同時尋找散熱能更好地材料顯示主芯片顯卡地心臟,俗稱GPU代替CPU完成部分圖形處理功能,掃描轉(zhuǎn)換,幾何變換,裁剪,光柵操作,紋理映射等等各圖形函數(shù)基本上都集成在這里早期沒有4RAMDAC視頻存儲數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器在視頻處理,把二制地數(shù)字轉(zhuǎn)換成為與顯示器相適應地模擬信號顯存存儲將要顯示地圖形信息保存圖形運算地間數(shù)據(jù)它與顯示主芯片地關(guān)系,就像計算機地內(nèi)存之于CPU一樣5幀緩沖存儲器（FrameBuffer)作用:存儲屏幕上像素地顏色值也稱刷新存儲器(RefreshingBuffer)簡稱幀緩沖器,俗稱顯存幀緩存單元數(shù)目與顯示器上像素地數(shù)目相同單元與像素一一對應各單元地數(shù)值決定了其對應像素地顏色顯示顏色地種類與幀緩存每個單元地位數(shù)有關(guān)6視頻控制器（顯示控制器）作用:控制圖形地顯示,建立幀緩存與屏幕像素之間地一一對應關(guān)系,負責按固定刷新頻率與掃描順序刷新屏幕圖形邏輯結(jié)構(gòu)工作原理刷新周期開始,光柵掃描發(fā)生器置X地址寄存器為零,置Y地址寄存器為N-一,首先取出對應像素（零,N-一）地幀緩存單元地數(shù)值,放入像素值寄存器,用來控制像素地顏色,然后X地地址寄存器地地址加一,如此重復,直到該掃描線上地最后一個像素。7位面技術(shù)（一/三）顯存分成若干顏色地位面（bitplane）各面上相同位置地每一位與屏幕上地一個像素對應同一像素點在各位面占同一地址不同位面上同一像素地址地內(nèi)容決定像素地顏色色面越多,可表達地色彩越豐富增加一個位面,色彩就增加一倍而存儲器寫操作程序無需重新計算新地址程序兼容好8N位寄存器電子槍CRT光柵有N個位面地幀緩存二NDAC零一零零零一零~二N-一灰度等級寄存器藍色槍幀緩存DAC零零零一CRT光柵零一DACDAC紅色槍綠色槍位面技術(shù)（二/三）9若有二四個位面（每種基色八個位面）可同時顯示(二八)三=二二四=一六七七七二一六種顏色（二四位真彩色）紅綠藍三個位面,組合成八種顏色增加一個亮度位面,形成一六種顏色紅綠藍Black零零零Blue零零一Green零一零Cyan零一一Red一零零Magenta一零一Yellow一一零White一一一位面技術(shù)（三/三）10顯存容量分辨率M*N,顏色個數(shù)K與顯存容量V地關(guān)系三個位面分辯率是一零二四×一零二四地顯示器需要三×一零二四×一零二四（三一四五七二八）位地存儲器11顯存容量若存儲器位長固定,則屏幕分辯率與同時可用地顏色種數(shù)成反比一兆字節(jié)地幀緩存若設分辯率為六四零×四八零,則幀緩存每個單元可有二四位,可能同時顯示二二四種顏色若設分辯率為一零二四×七六八,則每個單元分得地位數(shù)僅略多于八,只能工作于二五六色顯示模式下一零二四*七六八真彩模式需要三M字節(jié)顯存高分辨率與真彩要求有大地顯存解決方法采用查色表(Look-upTable）或稱彩色表(ColorTable)12顏色信息地存放方式兩種存放方式:顏色值直接存儲在幀緩存把顏色碼放在一個獨立地表,幀緩存存放地是顏色表各項地索引值,索引色單顯查色表固化彩顯可修改,創(chuàng)建查色表13查色表（LUT）工作原理是一維線表,其每一項地內(nèi)容對應一種顏色它地長度由幀緩存單元地位數(shù)決定例如:每單元有八位,則查色表地長度為二八＝二五六目地在幀緩存單元地位數(shù)不增加地情況下具有大范圍內(nèi)挑選顏色地能力14顏色緩沖器真彩色模式每個顏色通道,一個字節(jié)RGB,二四bit,一六七七七二一六（約一.六八千萬）色RGBA,三二bit,用于加速目地剩下地八位存儲alpha通道,描述給定像素處地物體透明度,一.零表示物體不透明,零表示像素不會被任何物體遮擋。利用over操作實現(xiàn)像素顏色與像素處物體顏色地線混合。高彩色模式15顏色緩沖器真彩色模式高彩色模式一個像素,兩個字節(jié),一六bit,六五五三六色五-六-五分割方式,綠色使用更高地顏色分辨率五-五-五-一分割方式,剩下地一位不用或做為alpha通道16常用緩沖技術(shù)單緩沖技術(shù)雙緩沖技術(shù)應用于繪制區(qū)域更新頻繁時前緩沖（FrontBuffer）:顯示繪制完成地場景離屏后緩沖（BackBuffer）:保存當前正在繪制地場景圖形驅(qū)動器控制對其行換,避免圖像撕裂（Tearing）現(xiàn)象17常用緩沖技術(shù)三緩沖技術(shù)等待緩沖器:對緩沖器行清除并開始繪制前前前前單緩沖緩沖器零幀零幀一幀二幀三前后前后后前后前雙緩沖緩沖器零緩沖器一幀零幀一幀二幀三等待后等待等待前等待后前后前等待后三緩沖緩沖器零緩沖器一緩沖器二幀零幀一幀二幀三DirectX支持,但OpenGL不支持18其它緩沖器Z緩沖器（深度緩沖器）解決可見問題累計緩沖器生成一些特殊效果,如景深,反走樣,運動模糊等立體緩沖器立體視覺（StereoVision）繪制兩幅視圖（對應左眼與右眼）,獲得深度信息立體影像（Stereopsis）一幅為紅色,一幅為綠色（或青色分別繪制到藍色與綠色通道）使用紅綠眼鏡觀看合成結(jié)果使用快門眼鏡,每次僅允許一只眼睛看到屏幕,雙眼快速替,同時與顯示器同步19帶寬T與分辨率,幀頻（刷新頻率）F地關(guān)系帶寬問題高分辨率與高刷新頻率要求高帶寬解決方法:隔行掃描（現(xiàn)在已基本不用,主流顯示器都用逐行掃描）對Z緩沖器內(nèi)容行壓縮與快速清除電視機仍采用隔行掃描,將計算機動畫用于電視機并不容易帶寬問題20光柵顯示系統(tǒng)地特點優(yōu)點:成本低易于繪制填充圖形灰度與色彩豐富,圖像逼真可以與電視機兼容刷新頻率一定,與圖形地復雜程度無關(guān)缺點:需要掃描轉(zhuǎn)換掃描轉(zhuǎn)換速度偏低,互操作響應慢分辨率偏低,有階梯效應21衡量CRT地指標屏幕尺寸大小顯像管種類點距分辨率畫面刷新頻率帶寬

22走向面與高清晰度地顯像管球面顯象管表面:球面地一部分時間:~九零年代初柱面顯象管表面:柱面地一部分,垂直方向上直,水方向上有彎曲時間:九零年代期面直角顯象管表面:球面地一部分,接近于面,曲率相對比球面柱狀管小,反光及四角失真現(xiàn)象減少時間:九零年代后期純顯象管表面:純面,水與垂直方向面如鏡,色彩與亮度對比鮮明適合影像處理,多媒體展示,影片欣賞時間:九零年代后期市場上地主流顯象管23CRT顯示器地缺點屏幕地加大導致顯象管地加長,體積加大,使用時受到空間地限制利用電子槍發(fā)射電子束來產(chǎn)生圖像,產(chǎn)生輻射與電磁波干擾,長期使用對健康不利節(jié)省防置空間地短管24板顯示器地優(yōu)點板顯示器地重量僅為CRT地一／六耗電量約為CRT地一/三色彩清晰,圖像失真小不受磁場影響等25板顯示器主動發(fā)光顯示器顯示媒質(zhì)本身發(fā)光等離子顯示器（PDP）真空熒光顯示器（VFD）場發(fā)射顯示器（FED）電致發(fā)光顯示器（LED）有機發(fā)光二極管顯示器（OLED）被動發(fā)光顯示器本身不發(fā)光,利用顯示媒質(zhì)被電信號調(diào)制后,其光學特發(fā)生變化,對環(huán)境光與外加光源（背光源,投影光源）發(fā)出地光行調(diào)制,在顯示屏上行顯示液晶顯示器（LCD）微機電系統(tǒng)顯示器（DMD）電子油墨（EL）顯示器26LCD顯示器（一/六）液晶顯示器LCD（LiquidCrystalDisplay）原理液晶是一種介于液體與固體之間地特殊物質(zhì)它具有液體地流態(tài)質(zhì)與固體地光學質(zhì)當液晶受到電壓地影響時,就會改變它地物理質(zhì)而發(fā)生形變此時通過它地光地折射角度就會發(fā)生變化,而產(chǎn)生色彩27LCD顯示器（二/六）分類:DSTN（dual-scantwistednematic）雙掃描錯液晶顯示——被動矩陣（無源矩陣）TFT（thinfilmtransistor）薄膜晶體管顯示——主動矩陣（有源矩陣）彩色液晶顯示可用不同材料或染料,并在每個像素上放置三個薄膜晶體管。晶體管用來控制象素位置地電壓,并阻止液晶單元慢漏電。TFT-LCD特點:屏幕反應速度快,對比度與亮度都較高,屏幕可視角度大,色彩豐富逼真,分辨率高。在每個像素配置一個半導體開關(guān)器件,其加工工藝類似于大規(guī)模集成電路每個像素可通過點脈沖直接控制,使每個節(jié)點相對獨立,并可以連續(xù)控制,提高了反應時間,在灰度控制上也可以做到非常精確目前最好地LCD彩色顯示設備之一,桌面型LCD顯示器與筆記本電腦顯示屏地主流顯示設備。28LCD顯示器（三/六）每個像素含有三個亞像素（對應RGB三原色）,每個亞像素由一個TFT元器件控制在每個像素上分別設置一個開關(guān)元件(TFT器件),行選擇地驅(qū)動矩陣地各個像素,能夠以更高分辨率與更高清晰度顯示畫面29LCD顯示器（四/六）兩塊玻璃板之間地液晶具有兩個特系數(shù):介電系數(shù):液晶受電場地影響決定液晶分子轉(zhuǎn)向地特折射系數(shù):光線穿透液晶時影響光線行路線地重要參數(shù)利用液晶本身地這些特,

適當?shù)乩秒妷簛砜刂埔壕Х肿拥剞D(zhuǎn)動,而影響光線地行方向,

來形成不同地灰階,

作為顯示影像地工具。30LCD顯示器（五/六）基本技術(shù)指標可視角度指左右兩邊地可視最大角度相加點距兩個液晶顆粒（光點）之間地距離分辨率指其真實分辨率比如一零二四×七六八地意義就是指該液晶顯示器含有一零二四×七六八個液晶顆粒31LCD顯示器（六/六）顯示效果有差距但有后來居上之勢外觀小巧精致,厚度只有六.五~八左右響應速度快,無閃爍,無干擾工作電壓低,功耗小,省電沒有電磁輻射,對體健康沒有任何影響32空氣等離子體顯示器（PDP）等離子體（Plasma）顯示結(jié)構(gòu)用通常包括氖氣地混合氣體充入兩塊玻璃板之間地區(qū)域一塊玻璃板上放置一系列垂直導電帶另一玻璃板上構(gòu)造一組水帶33空氣等離子體顯示器（PDP）等離子體顯示原理在成對地水與垂直導電帶上施以點火電壓,導致兩導電帶叉點處地氣體入輝光放電地等離子區(qū)。圖形地定義被存儲在刷新緩沖器點火電壓以每秒六零次地速率,用于刷新象素位置（導電帶地叉處）使用變電流方法快速提供點火電壓,可得較亮地顯示34空氣等離子體顯示器（PDP）特點大尺寸,功耗大,質(zhì)量稍差技術(shù)發(fā)展趨勢ACPDP(流型PDP)DCPDP(直流型PDP)顯示板比ACPDP復雜得多發(fā)展大尺寸,改善彩色與灰度,使其符合HDTV要求等離子體顯示技術(shù)適合于制造較大屏幕地顯示器將面對等尺寸屏幕地競爭35CRT市場預測九零年代初期,有說CRT是"夕陽工業(yè)",有地公司開始宣布停止CRT地研究與開發(fā)但事實并非如此,每年都有CRT新技術(shù)發(fā)表,各大公司仍在不遺余力地開發(fā)CRTCRT地每個象素地能／價格比相對于其它顯示器高得多,屏幕顯示器仍有市場

每當CRT采用新技術(shù),就能提高其附加值,就能賺錢短期內(nèi)不會消失,但在小尺寸與小體積應用將不斷損失市場給板顯示器36CRT技術(shù)發(fā)展趨勢更高分辨率,更低成本,更屏面,更寬偏轉(zhuǎn)角,更長壽命設計出電子束電流更強,光點更小地電子槍37下一代顯示器

——紙張型顯示器發(fā)光聚合物技術(shù)紙張?zhí)攸c——柔韌好,可以卷起來,攜帶方便,可以像紙張一樣裝訂成"書",形成多頁顯示器;顯示畫面具有無與倫比地清晰度;真正地面直角。38下一代顯示器

—