1、12第2章 計算機圖形系統2.1 計算機圖形系統的組成計算機圖形系統的組成2.2 硬件系統2.2.1 圖形顯示設備2.2.2 圖形處理器2.2.3 圖形輸入設備2.3 相關軟件系統2.4 圖形標準32.1 計算機圖形系統的組成n計算機圖形系統是一個由軟、硬相互結合的有機整體。數據結構應用程序圖形子程序包交互裝置主機顯示處理器輸出通道一般工作過程42.2.1 圖形顯示設備n圖形輸出包括圖形的顯示和圖形的繪制，圖形顯示指的是在屏幕上輸出圖形。n圖形繪制通常指把圖形畫在紙上，也稱硬拷貝。n打印機和繪圖儀是兩種最常用的硬拷貝設備。52.2.1 圖形顯示設備n圖形顯示器的發展：CRT隨機掃描顯示器存儲管

2、顯示器光柵掃描顯示器LCD、PDP三維顯示器6燈絲控制柵陰極加速系統偏轉系統聚焦系統1. 陰極射線管CRT熒光粉涂層7n陰極射線管(CRT- Cathode Ray Tube)n組成：包括電子槍(燈絲、陰極)、控制柵、加速結構、聚焦系統、偏轉系統、熒光屏n工作原理：n高速的電子束由電子槍發出，經過聚焦系統、加速系統和偏轉系統就會到達熒光屏的特定位置。由于熒光物質在高速電子的轟擊下會發生電子躍遷，即電子吸收到能量從低能態變為高能態。由于高能態很不穩定，在很短的時間內熒光物質的電子會從高能態重新回到低能態，這時將發出熒光，屏幕上的那一點就會點亮。1. 陰極射線管CRT8n控制柵(電平控制器)是用來

3、控制電子束的強弱的，當加上正電壓時，電子束就會大量通過，將會在屏幕上形成較亮的點，當控制電平加上負電壓時，依據所加電壓的大小，電子束被部分或全部阻截，通過的電子很少，屏幕上的點也就比較暗。n聚焦系統是一個電透鏡，能使眾多的電子聚集于一點。n加速系統使電子達到轟擊激發熒光屏應有的速度。最后由磁偏轉系統來達到指定位置1. 陰極射線管CRT9n熒光物質：當它被電子轟擊時發出亮光。n持續發光時間：電子束離開某點后，該點的亮度值衰減到初始值1/10所需的時間n刷新(Refresh)：為了讓熒光物質保持一個“穩定”的亮度值，必須不斷轟擊熒光物質。n電子束要到達屏幕的邊緣時，偏轉角度就會增大。到達屏幕最邊緣

4、的偏轉角度被稱為最大偏轉角。nCRT顯示器的屏幕越大整個顯象管就越長。1. 陰極射線管CRT10n要保持顯示一幅穩定的畫面，必須不斷地發射電子束。n刷新頻率：每秒重繪次圖像的次數。刷新頻率高到一定值后，圖象才能穩定顯示。50-120Hz1. 陰極射線管CRTn分辨率(Resolution)：CRT在水平或豎直方向單位長度上能識別的最大光點數，單位通常為dpi(dots per inch)。在假定屏幕尺寸一定的情況下，也可用整個屏幕所能容納的最大光點個數描述，如640*480，1024*768等。n像素(Pixel:Picture Cell)：構成屏幕(圖像)的最小元素。112. 光柵掃描顯示器

5、n光柵掃描：電子束按固定的掃描順序從左到右，自上而下進行掃描。n幾個概念：n掃描線、幀、水平回掃期、垂直回掃期水平回掃垂直回掃掃描線電子束掃描過程示意圖12n幾個概念：n行頻、幀頻： 水平掃描頻率為行頻。垂直掃描頻率為幀頻。n逐行掃描、隔行掃描： 隔行掃描方式是先掃偶數行掃描線，再掃奇數行掃描線。n像素： 構成屏幕(圖像)的最小元素。整個屏幕被掃描線分成 n 行，每行有 m 個點，每個點為一個象素，則整個屏幕有 m n 個象素。2. 光柵掃描顯示器13n分辨率： 是指CRT在水平或垂直方向的單位長度上能分辨出的最大象素數，分為水平分辨率和垂直分辨率。通常用屏幕上象素的數目來表示。比如上述的 n

6、 行，每行 m 點的屏幕分辨率為 m n 。 分辨率越高，相鄰象素點之間的距離越小，顯示的字符或圖像也就越清晰。 分辨率受顯示器生產工藝、掃描頻率以及顯示存儲器容量的限制。2. 光柵掃描顯示器142. 光柵掃描顯示器n優點：n成本低；n色彩豐富；n畫點設備，刷新頻率一定，與圖形的復雜程度無關，易于修改圖形。nCRT固有的物理結構限制了它的發展(缺點)：n屏幕的加大必然導致顯象管的加長，顯示器的體積必然要加大，在制造、使用的時候就會受到限制；nCRT顯示器是利用電子槍發射電子束來產生圖像，容易受電磁波干擾；n長期電磁輻射會對人們健康產生不良影響。152. 光柵掃描顯示器n產生彩色的常用方法：n射

7、線穿透法n影孔板法162. 光柵掃描顯示器n射線穿透法原理：兩層熒光涂層，紅色光和綠色光兩種發光物質，電子束轟擊穿透熒光層的深淺，決定所產生的顏色。n應用：主要用于畫線顯示器n優點：成本低n缺點：只能產生有限幾種顏色電子束熒光涂層產生顏色低速電子束較低速電子束較高速電子束高速電子束172. 光柵掃描顯示器外層玻璃熒光涂層影孔板n影孔板法原理：彩色CRT顯示器的熒光屏上涂有三種熒光物質，它們分別能發紅、綠、藍三種顏色的光。而電子槍(三支)也發出三束電子束來激發這三種物質，中間通過一個控制柵格(影孔板、蔭罩)來決定三束電子到達的位置。蔭罩熒光點182. 光柵掃描顯示器n三束電子經過蔭罩的選擇，分別

8、到達三個熒光點的位置。通過控制三個電子束的強弱就能控制屏幕上點的顏色。n影孔板被安裝在熒光屏的內表面，用于精確定位像素的位置。外層玻璃熒光涂層影孔板蔭罩熒光點19n點狀影孔板工作原理：n紅、綠、藍三色熒光點：三角形排列，很小并充分靠近形成一個像素；n三支電子槍：調節各電子槍發生的電子束強度，即可控制各色光點亮度；2. 光柵掃描顯示器n電子槍、影孔板中的一個小孔和熒光點呈一直線；n每個小孔與一個像素（即三個熒光點）對應。n顯示器能同時顯示的顏色個數：n如果每支電子槍發出的電子束的強度有256個等級，則顯示器能同時顯示256*256*256=16M種顏色，稱為真彩系統。20n影孔板的類型(與熒光點

9、排列有關):n點狀影孔板(蔭罩式)代表：大多數球面顯像管n柵格式影孔板(蔭柵式)代表：Sony的Trinitron與Mitsubishi的Diamondtron顯像管n溝槽式影孔板代表：LG的Flatron顯像管2. 光柵掃描顯示器213. LCD顯示器nLCD (Liquid Crystal Display)顯示器基本原理：n液晶是一種介于液體和固體之間的特殊物質，它具有液體的流態性質和固體的光學性質。當液晶受到電壓的影響時，就會改變它的物理性質而發生形變，此時通過它的光的折射角度就會發生變化，而產生不同色彩。223. LCD顯示器n液晶顯示器LCD(Liquid Crystal Displ

10、ay)通常是由六層薄板組成的平板式顯示器。液晶層233. LCD顯示器nLCD顯示器的基本指標：n可視角度；n點距(兩個液晶顆粒（光點）之間的距離)、分辨率；n響應時間；可視角度243. LCD顯示器nLCD顯示器的優點：n外觀小巧；n不存在刷新的問題。不會產生CRT那樣的因為刷新頻率低而出現的閃爍現象；n工作電壓低，功耗小，節約能源；n沒有電磁輻射。n缺點：n壽命短、怕震動、溫度敏感；n分辨率相對較低，色彩不夠鮮艷，視角窄，且價格偏高。n隨著工藝的進步，缺點已逐步得到克服，目前已成為計算機的首選配置254. 等離子顯示器PDPn等離子顯示器是一種利用氣體放電的顯示裝置。這種屏幕采用了等離子管

11、作為發光元件。大量的等離子管排列在一起構成屏幕。每個等離子管對應的小室內充有惰性氣體。在等離子管電極間加上高壓后，封在兩層玻璃之間的等離子管小室中的氣體會產生紫外光，從而激發平板顯示器上的紅綠藍三基色熒光粉發出可見光。n高電壓點亮(不同電壓，不同灰度)，低電壓維持。264. 等離子顯示器n特點 ：n無需“刷新” ；色彩豐富；視角大；大尺寸n缺點：n光點大，分辨率只能達到中等水平；n氣體發光和熄滅的過渡時間太長，限制圖形的生成速度。275. 其它顯示設備n硬拷貝設備n打印機n繪圖儀nn三維顯示設備東芝3D顯示器 Actuality Systems的3D顯示器 286. 光柵掃描顯示系統n光柵掃描

12、顯示器可以看作是一個像素的矩陣(畫點設備)。所顯示的圖形實際上是一些具有各種屬性(顏色)的像素的集合。29普通顯卡（早期）6. 光柵掃描顯示系統視頻控制器：建立幀緩存與屏幕像素之間的一一對應，負責刷新。幀緩沖器：存儲用于刷新的圖像信息的存儲器。可以是專用 的存儲器，也可以是系統內存中的一塊固定區域。較為典型的光柵掃描圖形顯示系統的結構BusCPU系統內存幀緩沖器視頻控制器Disp306. 光柵掃描顯示系統以黑白二值顯示器為例31的邏輯框圖如上。n對于黑白單灰度顯示器，每一象素需要一位存儲器，對一個10241024象素組成的黑白單灰度顯示器所需要的最小緩存為220，并在一個位面上。n一個位面的緩

13、存只能存儲黑白圖形，幀緩存是數字設備，光柵顯示器是模擬設備，因而還需要數模轉換器(DAC)。6. 光柵掃描顯示系統1個位面32n在光柵圖形顯示系統中需要足夠的位面才能反映圖形的顏色和灰度等級。n如上圖是一個具有3個位面灰度等級的幀緩存。n顯示器上每個象素的亮度是由幀緩存中對應單元的值所控制的。范圍是0到2N -1之間。6. 光柵掃描顯示系統3個位面33n下圖是彩色光柵顯示器的邏輯圖，對于紅、綠、藍三原色各為1bit的位面，因此有三個位面的幀緩存。可顯示8種顏色。6. 光柵掃描顯示系統34n每個顏色可以通過增加幀緩存位面來提高顏色種類的灰度等級。n如下圖，每種原色有8個位面的幀緩存和8位的數模轉

14、換器。因此，每種原色可有256種灰度，三種原色的組合將是(28)3=224。6. 光柵掃描顯示系統24個位面356. 光柵掃描顯示系統n優點：n易于繪制填充圖形；n色彩豐富；n與圖形的復雜程度無關；n易于修改圖形。n缺點：n需要掃描轉換；n會產生混淆(走樣)。362.2.2 圖形處理器n圖形處理器n圖形處理器是圖形系統結構的重要元件，是連接計算機和顯示終端的紐帶。n早期的圖形處理器只包含簡單的視頻控制器和幀緩沖區，它們實際上只起了一個圖形的存儲和傳遞作用，一切操作都必須有CPU來控制。n現在的圖形處理器不單單存儲圖形，而且能完成大部分圖形函數，專業的圖形卡已經具有很強的3D處理能力，大大減輕了

15、CPU的負擔，提高了顯示質量和顯示速度。372.2.2 圖形處理器n圖形處理器的組成n顯示主芯片：顯卡的核心，俗稱GPU，它的主要任務是對系統輸入的視頻信息進行構建和渲染(Rending)；GPURAMDAC顯 存主機控制信號模擬信號輸出n顯示緩存：用來存儲將要顯示的圖形信息以及保存圖形運算的中間數據；顯存的大小和速度直接影響著主芯片性能的發揮。n數字模擬轉換器（RAMDAC）：它的作用就是把二進制的數字轉換成為和顯示器相適應的模擬信號。顯卡簡單示意圖382.2.3 圖形輸入設備n常用的圖形輸入設備分為兩種：n向量型圖形輸入設備 n它采取跟蹤軌跡、記錄坐標點的方法輸入圖形。n常用的有數字化儀（

16、繪圖板）、鼠標器、光筆等。n光柵掃描型圖形輸入設備 n它采取逐行掃描、按一定密度采樣的方式輸入圖形。n常用的有掃描儀和攝像機等。392.2.3 圖形輸入設備三維掃描鍵盤鼠標操縱桿跟蹤球、空間球繪圖板(數字化儀)觸摸屏402.3 軟件系統n計算機圖形軟件可分為兩大類：n通用編程軟件包 提供一個可用于高級程序語言的圖形功能擴展集。(如，OpenGL，Directx等)n專用應用軟件包412.3.1 通用編程軟件包nOpenGL：OpenGL 是OpenGraphicsLib的縮寫，是一套三維圖形處理庫，也是該領域的工業標準。nOpenGL源于SGI公司為其圖形工作站開發的IRISGL，在跨平臺移植

17、過程中發展成為OpenGL。nOpenGL實際上是一個開放的三維圖形軟件包，它獨立于窗口系統和操作系統，以它為基礎開發的應用程序可以十分方便地在各種平臺間移植；nOpenGL與C/C+緊密接合，便于實現圖形的相關算法，并可保證算法的正確性和可靠性；OpenGL使用簡便，效率高。422.3.1 通用編程軟件包nMicrosoft、SGI、IBM、DEC、SUN、HP等大公司都采用了OpenGL作為三維圖形標準。n許多軟件廠商也紛紛以OpenGL為基礎開發出自己的產品，包括動畫制作軟件Soft Image和3D Studio MAX、仿真軟件Open Inventor、VR軟件World Tool Kit、CAD軟件Pro/Engineer、GIS軟件ARC/INFO等等。432.3.2 專用應用軟件包nAutoCADnPhotoShopn3DS MAXnMAYAn442.4 圖形系統標準n圖形標準：圖形系統及其相關應用系統中各界面之間進行數據傳送和通信的接口標準，以及供圖形應用程序調用的子程序功能及