1、2020/10/8,Chapter 1,圖形系統(tǒng)概述 Introduction to Graphics System,2020/10/8,一個簡單的計算機圖形系統(tǒng)包括以下五個主要部分: 計算機(computer) 顯示處理器DPU（專門的CPU,專作圖形顯示處理） 顯示設備(Display devices) 輸入設備(Input devices) 輸出設備(硬拷貝)( Output devices),計算機圖形外圍設備Graphics Peripheral devices,2020/10/8,計算機,顯示處理器,輸入設備,顯示器,繪圖機,打印機,簡單的計算機圖形系統(tǒng),(graph plotte

2、r),(printer),(computer),(DPU),(Display),(Input devices),2020/10/8,圖形輸入設備的邏輯功能分類 定位(Locator)：輸入點的坐標 賦值(VaLuator)：輸入數(shù)字或字符串 選擇(Choice)：從選擇集中挑選一個元素(命令、操作數(shù)或對象等） 拾取(Pick)：拾取圖形（操作對象）。表現(xiàn)是該圖形變色、閃爍或增亮，實際是在存儲用戶圖形的數(shù)據(jù)結構中找到存放該圖形的幾何參數(shù)地址及其屬性的地址，以便操作。,圖形輸入設備(input devices),2020/10/8,一種移動光標和做選擇操作的計算機輸入設備.用于定位和拾取(選圖).

3、 原理：把鼠標器的移動距離和方向的信息變成脈沖送給計算機，計算機再把脈沖轉換成鼠標器光標的坐標數(shù)據(jù)，指示位置。 分類：光電式，光機式和機械式,鼠標器(mouse),2020/10/8,光筆是一種能檢測光信號的裝置. 兩種工作模式:拾取(選圖)和定位 原理：對電子束打到特定象素點時熒光涂層瞬時發(fā)射的突發(fā)光敏感，產生電脈沖經整形后作為中斷信號送給計算機和顯示控制器，使該電子束坐標位置被記錄。,光筆(light pen),2020/10/8,是一種定位設備,一種能對物體觸摸產生反映的屏幕. 電阻式觸摸屏：兩層導電和高透明的薄膜涂層，相隔0.0025mm，在x和y方向測量接觸時電阻的變化，確定位置.

4、電容式觸摸屏：接近透明的金屬涂層覆蓋在玻璃表面，測量接觸時電容的改變，來確定位置. 紅外線式觸摸屏：手指遮擋x和y方向發(fā)射的紅外光束，引起接受光的光電器件發(fā)生電平變化，確定位置. 聲表面波觸摸屏：測量觸及到的地方使聲波發(fā)生的衰減，轉換為相應坐標傳給計算機.,觸摸屏(touch panel),2020/10/8,將圖形轉換成計算機能接收的數(shù)字形式的設備。 包括圖板（內部布滿金屬柵格）和定位器（可移動）兩個主要部分.,坐標數(shù)字化儀 (data tablet),原理：電流通過定位器上電感線圈產生磁場，使正下方的金屬柵格上產生感應電流。根據(jù)該金屬柵格的位置，判斷出定位器位置，以坐標的形式傳給計算機,2

5、020/10/8,圖形掃描儀是直接把圖形和圖象掃描輸入到計算機中，以象素信息進行存儲表示的設備。 原理：用光源照射原稿，投射光線經一組光學鏡頭射到電荷耦合器件（CCD）上，在經模/數(shù)轉換器，圖象數(shù)據(jù)暫存器等，最終輸入到計算機中。,圖形掃描儀(image scanner),2020/10/8,打印機(printer) (1)針打點陣打印機 (2)噴墨打印機：噴墨頭 (3)激光打印機：感光鼓、打底電暈絲、上粉盒、轉移電暈絲 感光鼓旋轉通過打底電暈絲，使鼓表面整個帶電； 經過處理的打印數(shù)據(jù)控制激光的發(fā)射，激光反射到感光鼓，使被照點失去電荷，在鼓上形成磁化圖象； 感光鼓旋轉至上粉盒，磁化的點吸附炭粉，

6、在鼓上形成要打印的炭粉圖象； 打印紙從鼓和轉移電暈絲中通過，轉移電暈絲產生更強的磁場使炭粉脫離鼓，在紙上形成炭粉圖象。再經熔凝部件，定型在打印紙上。,圖形輸出設備(output devices)(1),2020/10/8,繪圖儀(graph plotter) (1)靜電繪圖儀： 寫頭根據(jù)象素化的圖象信號控制每根極針放出高電壓，以靜電的方式將圖象信號轉換到紙上，帶電的紙通過墨水槽時，墨水的炭微粒帶正電，被紙上電子吸附，在紙上形成圖象。 (2)筆式繪圖儀(自動繪圖機) 繪圖筆按輸出圖形信號分別在x和y方向驅動。 滾筒式繪圖機：在滾筒上畫圖 平板式繪圖機：在平板上畫圖,圖形輸出設備(output d

7、evices)(2),2020/10/8,圖形顯示設備(displays),圖形顯示器： (displays) 陰極射線管(CRT-Cathode ray tube )顯示器 隨機掃描顯示器(Random-scan display) 存儲管式顯示器 光柵掃描顯示器(Raster-scan display) 平板顯示器 液晶顯示器(LCD-liquid-crystal display ) 等離子(plasma)顯示器,2020/10/8,(1)構造和功能(Principle of CRT display),CRT陰極射線管(Cathode Ray Tube)(1),陰極,熒光屏,光子,2020/

8、10/8,1)電子槍:燈絲、陰極、柵極、加速電極、聚焦系統(tǒng)。 控制柵：柱狀的金屬桿，加負電壓，可控制通過其中間小孔的帶負電的電子束的強弱，進而控制熒光屏相應點的亮度。 加速電極：加正的高電壓（達幾萬伏），使經過聚焦的電子束高速運動。 聚焦系統(tǒng)：通過電場或磁場控制電子束，使電子束變細，保證轟擊熒光屏時產生的亮點足夠小。,CRT陰極射線管(2),2020/10/8,CRT陰極射線管(3),2)偏轉系統(tǒng):由垂直和水平兩個偏轉系統(tǒng)構成.控制電子束在水平和豎直方向上的偏轉。 靜電偏轉系統(tǒng)（管內）,兩組極板加偏轉電壓形成靜電場。速度快，滿屏偏轉3微秒，結構復雜，成本高。 電磁偏轉系統(tǒng)（管外）,兩組線圈加偏

9、轉電流形成電磁場。 速度慢，滿屏偏轉30微秒。 3)熒光屏:涂有熒光粉,電子束轟擊熒光涂層的某一小區(qū),產生光子,產生可見亮點（光點）.,2020/10/8,（2）CRT顯示器的性能指標： 余輝時間:電子束離開熒光屏某點后,該點亮度衰減到1/10(10)的時間. 為獲得穩(wěn)定的畫面，需不斷重復繪制圖形，即不斷刷新。 長：適于靜態(tài)圖形顯示；短：適于動態(tài)圖形顯示。 分辨率:CRT上單位長度能顯示的不重疊光點（象素）數(shù). 影響因素：熒光物質的類型、聚焦系統(tǒng)、偏轉系統(tǒng)，確定象素位置的計算機字長、存儲象素信息的介質，數(shù)模轉換的精度及速度。,CRT陰極射線管(4),2020/10/8,基本原理: 不同的熒光物

10、質有著不同的發(fā)光顏色,利用三基色原理,將紅、綠、藍、三基色按不同的強度比例混合可得到各種顏色。,彩色CRT(1),2020/10/8,彩色CRT(2),(1)滲透型彩色CRT(射線穿透法): 熒光屏上涂有兩層熒光粉,不同速度的電子射線能穿透不同的熒光粉層而發(fā)出不同顏色的光. 熒光物質：紅色（外層）和綠色（內層） 顏色：電子束速度決定光點顏色。低速電子束只激激勵外層熒光物質發(fā)紅光；高速電子穿透外層而激勵內層熒光物質發(fā)綠光；中速電子同時激勵兩層物質發(fā)組合光（橙色和黃色光）。 主要用于隨機掃描顯示器。成本低，但只能產生四種顏色。圖形顯示質量沒有其它方法好。,2020/10/8,彩色CRT(3),(2

11、)多槍型彩色CRT(影孔板法): 熒光屏上每個象素處分布著呈三角形排列的三個熒光點（分別為紅、綠、蘭三種顏色的熒光物質）。 兩種排列方式在同一掃描行上交替采用。,2020/10/8,彩色CRT(4),彩色CRT的三支電子槍分別與三種熒光點對應，即每支電子槍發(fā)出的電子束專門轟擊某一類熒光物質。 在電子槍和熒光屏之間設有影孔板,板上的每個小孔與一個象素（三個熒光點）對應。,2020/10/8,彩色CRT(5),熒光屏上的熒光點，影空板上的小孔和電子槍處于一條直線，某一電子槍的電子束只能轟擊它所對應的熒光點。,2020/10/8,彩色CRT(6),調解各電子槍發(fā)出的電子束中所含電子的數(shù)目，可控制各象

12、素中三個熒光點所發(fā)出的三色光的亮度，混合后產生不同的顏色。,2020/10/8,彩色CRT(7),通常用于光柵掃描顯示器，能產生范圍廣的多的顏色。,2020/10/8,2020/10/8,彩色CRT(4),1）若彩色CRT的電子槍只能處于開和關兩個狀態(tài)，能產生幾種顏色？,2228種,2）若每個電子槍發(fā)出的電子束的強度有256個級別，能顯示幾種顏色？,25625625616M種（真彩色顯示系統(tǒng)）,2020/10/8,CRT陰極射線管(5),(3)CRT顯示器的類型:,2020/10/8,隨機掃描顯示器(1) Random-scan display,隨機掃描圖形顯示器中電子束的定位和偏轉具有隨機性

13、，電子束可以在任意方向自由移動。又稱畫線式或矢量式顯示器。,2020/10/8,隨機掃描顯示器(2),電子束掃描過程,箭頭所指為電子束的掃描方向，電子束只掃熒光屏上要顯示圖形的部分,2020/10/8,A,B,產生從點A到點B的一條線段.,從P點用暗矢量x=xA-xp, y=yA-yp移到A; 用亮矢量x=xB-xA, y=yB-yA從 AB;,隨機掃描顯示器(3),2020/10/8,隨機掃描顯示系統(tǒng) （1）,系統(tǒng)分三個部件：刷新存儲器，顯示處理器(DPU)和CRT,2020/10/8,隨機掃描顯示系統(tǒng)（2）,工作原理： 1）應用程序發(fā)出繪圖命令； 2）命令解釋成顯示處理器的命令格式 ，存放

14、在刷新存儲器中。所有繪圖命令組成一個顯示文件。 3）顯示處理器解釋執(zhí)行顯示文件(每秒至少執(zhí)行30次），驅動電子槍在屏幕上繪圖。,2020/10/8,隨機掃描顯示系統(tǒng)（3）,注：1)顯示器使用低余輝的熒光粉，需重復刷新（30Hz）形成穩(wěn)定圖形。 2)通過修改顯示文件中的顯示命令來修改屏幕圖形。,缺點：需要不斷取出刷新存儲器中存儲的圖形信息來刷新屏幕。由于存取信息速度的限制，在顯示穩(wěn)定圖形時的畫線長度有限，且造價較高。,2020/10/8,為解決隨機掃描的重復刷新工作而發(fā)展的.,存儲管式圖形顯示器（1）,2020/10/8,存儲管式圖形顯示器（2）,先用寫入槍將圖形信息“寫”在存儲柵（細網柵格，涂

15、有絕緣材料）上（只寫一次）： 存儲柵表面被寫入電子束轟擊的地方會發(fā)生二次電子發(fā)射，在寫入電子束經過的表面就產生正電荷，這些正電荷組成靶像。,2020/10/8,存儲管式圖形顯示器（3）,讀出電子槍（泛流槍）發(fā)出連續(xù)低能電子流把存儲柵網上圖形“重寫” 在屏幕上： 電子以低速度被吸引到存儲柵的正電荷上（存有圖形信息的部分），而被存儲柵的其余部分所排斥。被吸引過去的電子直接通過存儲柵并轟擊熒光材料。,2020/10/8,存儲管式圖形顯示器（4）,收集柵（細金屬網）使讀出的電子流均勻，并以垂直方向接近屏幕。,2020/10/8,存儲管式圖形顯示器（5）,圖形擦除： 給存儲柵加正脈沖，使其充電到收集極同

16、樣的電壓。讀出電子被帶正電荷的存儲柵吸引過去，使其放電到等于讀出電子槍的陰極電壓，圖形被擦除。,2020/10/8,存儲管式圖形顯示器（6）,優(yōu)點：不用刷新。缺點：1）不能有選擇的擦去圖形，不適于動態(tài)圖形顯示；2）不能用光筆；3）屏幕的反差較弱。,2020/10/8,工作原理：光柵掃描CRT中,電子束依照固定的掃描線和規(guī)定的掃描順序,自上而下,從左到右掃描.通過圖形點亮度和背景亮度不同來顯示要繪制的圖形。,光柵掃描顯示器(raster scan display),2020/10/8,幀(Frame)：一次掃描產生的圖象。 回掃：水平回掃和垂直回掃 象素(pixel):顯示屏上一個光點的灰度值存

17、放在幀存的一個單元中,這個能被獨立定義亮度和顏色的最小單元被稱為象素.,概念,2020/10/8,光柵掃描顯示系統(tǒng)邏輯部件raster-scan display system,幀緩存器(frame buffer)：顯存 視頻控制器(video controller)：負責刷新，不可缺 顯示處理器(display processor) CRT,2020/10/8,幀緩沖器(顯存):保存每個象素的灰度或彩色值的存儲器. 幀緩沖器的單元個數(shù)與屏幕象素的數(shù)目相同. 一個單元可有多個位(bit)，各單元內存放的數(shù)值決定了其對應的象素顏色。,幀緩沖器（1）,2020/10/8,位圖(Bitmap):在光柵

18、掃描情況下，幀存儲器中存放的不是顯示指令,而是對應各個象素的明暗或灰度信息,這種信息稱為位圖.,幀緩沖器（2）,單色單灰度,2020/10/8,位平面:幀緩沖器中各單元顏色值的同權重位置的二進制位 (bit)構成的平面. 幀緩沖器中值單元的二進制位數(shù)即是位平面數(shù). 幀緩沖器的位平面數(shù)決定了顯示器能同時顯示的灰度級或顏色數(shù).,單色單灰度,幀緩沖器（3）,2020/10/8,分辨率與可同時顯示顏色,顯示器能同時顯示的顏色種類與幀緩沖器容量有關 假定顯示器分辨率為MN，需要同時顯示K種顏色，則幀緩沖存儲器的容量V至少要求為 V=MNlog2K,在固定V的情況下，屏幕分辨率與可用的顏色種數(shù)是成反比關系

19、的。,2020/10/8,問題,高分辨率和真彩色模式顯示的要求： 1）大容量的幀緩沖器 2）要求視頻控制器對幀緩沖器有快的存取速率，通信線路有較大的傳輸帶寬,解決辦法： 1）采用查色表機制 2）采用隔行掃描,2020/10/8,查色表（1）,查色表：一維線性表，表中每一項的內容對應一種顏色。 長度由幀緩沖器單元的位數(shù)決定。 采用查色表時，幀緩沖器各單元保存的不是相應象素的顏色值，而是查色表各項的索引值。 按這個索引值在查色表對應表項中取出的數(shù)才是真正的顏色值。,2020/10/8,查色表(look-up table-LUT)（2）,幀緩沖器,查色表,顯示器,2020/10/8,隔行掃描(int

20、erleaved scan)(1),解決刷新頻率與刷新周期之間矛盾的方法,2020/10/8,每次掃描一場,頻率提高一倍.增加畫面的穩(wěn)定性,減少閃爍. 兩場一幀,信息量未少. 幀緩存中信息量比逐行掃描降低一半,對線路的高頻通帶和存取速度要求降低.,隔行掃描(interleaved scan)(2),2020/10/8,視頻控制器(video controller),作用： 負責刷新的部件，建立了幀緩沖器單元與屏幕象素間的一一對應關系。 注：幀緩沖器單元及屏幕象素的位置由坐標（x，y）表示。,2020/10/8,視頻控制器(video controller),視頻控制器的邏輯結構,2020/10/8,顯示處理器,作用：掃描轉換待顯示的圖形；進行光柵操作：象素塊的移動，拷貝，修改；進行幾何變換、紋理映射等操作。 掃描轉換：計算出表示圖形的每個象素的坐標并將其顏色值寫入相應的幀緩沖器單元。,2020/10/8,光柵系統(tǒng)的組織,經歷了一個發(fā)展的過程，通常包括： 幀緩存器(frame buffer) 視頻控制器(video controller)：不可缺少 顯示處理器(display processor) CRT,2020/10/8,簡單的光柵掃描圖形顯示系統(tǒng)結構,2020/10/8,較為典型的光柵掃描圖形顯示系統(tǒng)結構,