計算機圖形學第4章圖形硬件與圖形軟件標準化第4章

圖形硬件與圖形軟件標準化計算機圖形系統用來生成、處理和顯示圖形，通常由以下三部分構成：中央處理器：完成對圖形的描述、建立、修改等各種計算，并對圖形實現有效的存儲圖形輸出設備：包括圖形顯示設備和圖形繪制設備圖形輸入設備：常用的圖形輸入設備有鍵盤，鼠標。第4章

圖形硬件與圖形軟件標準化一個計算機圖形系統至少應具有計算、存儲、輸入、輸出、交互等基本功能4.1圖形輸入設備圖形輸入設備主要分為兩大類：定位設備撿取設備圖形邏輯設備通常分6類4.1.1鍵盤鍵盤內部主要結構包括控制電路板、按鍵、底板和面板等鍵盤通常采用行列掃描法來確定所在的行列位置，得到位置編碼，再轉換為ASCII碼臺式機鍵盤，筆記本電腦鍵盤和工控機鍵盤機械式和電容式鍵盤人體工程學鍵盤多媒體鍵盤無線鍵盤4.1.2鼠標鼠標器是一種移動光標進行選擇的計算機輸入設備鼠標器的基本工作是，當移動鼠標器時，它把移動距離及方向的信息變成電脈沖數送給計算機，計算機再把脈沖數轉換成相對坐標數據，通過屏幕顯示光標，從而達到指示位置的目的。光電式，光機式，機械式三維鼠標4.1.3鍵盤與鼠標的接口及其標準AT接口PS/2接口USB接口4.1.4觸摸屏觸摸屏是一種定位設備，它通過手指觸摸屏幕顯示的物體或位置來實現選擇的操作。根據采用的技術不同分為電子式、光學式和聲學式觸摸屏4.1.4觸摸屏電容式觸摸屏將一個兩層導電和高透明度的物質做的薄膜涂層涂在玻璃或塑料表面上，再裝到屏幕上，或直接涂到屏幕上。兩個透明涂層之間約有0.0025mm的距離，當手指觸到屏幕時，在接觸點產生一個電接觸，使該點處的電阻發生變化。通過測得電阻的改變量就能確定觸摸的位置紅外線式觸摸屏利用紅外線和光電轉換原理制成。與屏幕尺寸相仿的框架的水平和垂直邊框上各安裝均勻密布的紅外線發送器和接收器。使用時把框架安裝在屏幕四周，用手指在屏幕上點一下，在指點處障礙物擋住了一條垂直紅外線和一條水平紅外線，相應的兩個紅外線接收器發出電信號，根據發出信號的接收器所在位置可知障礙物所在點坐標，將坐標值送入計算機進行處理聲學觸摸屏由發射器、反射器和觸摸屏等組成，其中發射器和反射器一起工作。聲源發射器沿玻璃板的水平和垂直方向交替地發射高頻聲波脈沖，當用手指觸摸屏幕時，有一部分聲波被反射回聲源處，通過計算聲波脈沖從發射到反射回聲源發射器的時間間隔，來確定手指的位置。4.1.5坐標數字化儀坐標數字化儀是一種把圖形轉變成計算機能接收的數字形式的專用設備，其基本工作原理是采用電磁感應技術。通常在一塊布滿金屬柵格的絕緣平面板上放置一個可移動的定位設備，當有電流通過該定位設備上的電感線圈時，便會產生相應的磁場，從而使其正下方的金屬柵格上產生相應的感應電流。根據已產生電流的金屬柵格的位置，就可以判斷出定位設備當前所處的幾何位置。然后將這種位置信息，以坐標的形式傳送給計算機，就實現了數字化的功能。4.1.5坐標數字化儀手寫輸入板是最常見的定位設備，工作原理與數字化儀基本相同，不同之處是前者的臺面較小，分辨率也低；而后者的臺面較大，分辨率和精度也高4.1.5坐標數字化儀機械式數字化儀超聲波式數字化儀全電子式數字化儀三維數字化儀4.1.6圖形掃描儀圖形掃描儀是直接把圖形（如工程圖紙）和圖像（如照片、廣告畫等）掃描并輸入到計算機中，以像素信息進行存儲表示的設備4.1.6圖形掃描儀電荷耦合器件(CCD)掃描儀的工作原理用光源照射被掃描的材料，投射光線經過一組光學鏡頭射到CCD器件上，再經模/數轉換器，圖像數據暫存器等，最終輸入到計算機或圖形/文字輸出設備中。為了使投射在被掃描材料上的光線分布均勻，掃描儀中使用的是長條形光源。4.1.7數碼相機數碼相機的工作就是通過CCD元件把光信號轉換為數字信號的過程不同于掃描儀只能拍攝平面景物，它可以拍攝任何景物，也可以拍攝運動物體不同于數碼攝像機拍攝的是視頻，其拍攝的是圖像，二者目前逐漸融合4.1.8手寫筆手寫筆的出現就是為了輸入中文，使用者不需要再學習其它的輸入法就可以很輕松的輸入中文，當然這還需要專門的手寫識別軟件。同時手寫筆還具有鼠標的作用，可以代替鼠標操作Windows，并可以作畫電阻壓力式電磁壓感式電容觸控式4.2圖形輸出設備將計算機中的圖形數據轉化為可視化的圖形，并以某種形式輸出向量型和光柵掃描4.2.1圖形顯示設備1.陰極射線管CRTCRT顯示器主要由陰極、電平控制器（即控制極）、聚焦系統、加速系統、偏轉系統和陽極熒光粉涂層組成，這六部分都在真空管內1.陰極射線管CRT2.彩色陰極射線管一個CRT能顯示不同顏色的圖形是通過把產生不同顏色的熒光物質進行組合而實現的。常用射線穿透法和影孔板法實現彩色顯示由紅、綠、藍三種顏色組成的原色系統稱為RGB模型。它是定義于某個紅綠藍顏色坐標系統中的單位立方體。坐標原點代表黑色，坐標點(1,1,1)代表白色。坐標軸上的頂點代表三個基色，余下的頂點則代表每一個基色的補色2.彩色陰極射線管彩色CRT光柵掃描顯示器有三個電子槍，它的熒光屏上涂有三種熒光物質，分別能發紅、綠、藍三種顏色的光。電子槍通常成三角形排列，與CRT屏幕上的三角形紅、綠、藍熒光點相對應2.彩色陰極射線管電子槍和對應的熒光點必須在一條直線上。為保證每個電子槍都能擊中對應顏色的熒光點，在電子槍和熒光屏之間放置一個有孔的金屬網格（即蔭罩）。調整彩色電子槍的排布方式可讓三個電子束都匯聚于蔭罩上。這樣，某顏色的電子束通過蔭罩后，就可避免和另外兩種顏色的熒光點相交，而只能與自己對應顏色的熒光點相交2.彩色陰極射線管刷新一次指電子束從上到下將熒光屏掃描一次，只有刷新頻率高到一定值后，圖像才能穩定顯示。大約達到每秒60幀，即60Hz時，人眼才能感覺到屏幕不閃爍，要使人眼覺得舒服，一般必須有85Hz以上的刷新頻率2.彩色陰極射線管隔行掃描當電子束從屏幕的上半部分移到下半部時，屏幕上半部分的亮度就有了可以觀察到的衰減，于是畫面下半部分顯得更亮。事實上最亮的部分會不斷移動，從而產生閃爍現象。由于當時的掃描技術難以達到較快的速度，所以采用隔行掃描的方法，以使得上下掃描較為平均，降低閃爍現象逐行掃描3.隨機掃描的圖形顯示器隨機掃描的圖形顯示器中電子束的定位和偏轉具有隨機性，即電子束可隨意移動，只掃描熒屏上要顯示的部分基本工作過程：從顯示文件中取出繪制命令，送到顯示控制器，由顯示控制器控制電子束的偏轉，從而繪制圖形軌跡4.存儲管式圖形顯示器隨機掃描的圖形顯示器使用了一個獨立的存儲器來存儲圖形信息，然后不斷地取出這些信息來刷新屏幕。由于存取信息速度的限制，使得顯示穩定圖形時的畫線長度有限，且造價較高。針對這些問題，70年代后期發展了利用管子本身來存儲信息的技術，這就是存儲管技術。5.光柵掃描式圖形顯示器畫點設備，可看成一個點陣單元發生器，并可控制每個點陣單元的亮度。發出的電于束的偏轉方式是固定的，自上而下，從左到右掃描在熒光屏上形成光柵形狀。圖形是通過電子束掃描到光柵上的圖形象素點時呈現的亮度或顏色與光柵背景的亮度或顏色不同而襯托出的，可形成多級灰度或顏色的實面積自然圖像。由于圖像是由像素陣列組成，顯示一幅圖像所需要的時間等于顯示整個光柵所需的時間，而與圖像的復雜程度無關。可把光柵圖形顯示器看做許多離散點組成的矩陣，每個點都可以發光，用一系列的點（或像素）來近似地表示圖形。5.光柵掃描式圖形顯示器實現光柵CRT圖形顯示器的最常見方法是使用幀緩存。光柵中的每個像素在幀緩存中至少要有1位（bit）,每個像素1位的存儲容量稱為位面（bitplane）。畫面就是由幀緩存中的這些位信息組成的。圖形在計算機中是一位一位產生的，每一個存儲位只有0或1兩個狀態，因此一個位面的幀緩存只能產生黑白圖形。幀緩沖存儲器是一塊連續的存儲空間。幀緩存是數字設備，光柵顯示器是模擬設備，要把幀緩存中的信息在光柵顯示器屏幕上輸出必須經過數字/模擬轉換，這個工作由DAC（數模轉換器）完成5.光柵掃描式圖形顯示器光柵圖形顯示器中需要有足夠的位面和幀緩存結合起來才能反映圖形的顏色和灰度等級5.光柵掃描式圖形顯示器顯示器上每個像素的亮度由N個位面中對應的每個像素位置的內容共同決定，即每一位的二進制被存入指定的寄存器中,該寄存器中二進制的數被翻譯成灰度等級，其范圍在0-2N-1之間。為避免幀緩存的增加，可采用顏色查找表來提高灰度級別。幀緩存中的位面號為顏色查找的索引，顏色查找表必須有2N項，每一項具有W位字寬。當W>N時，可有2N灰度等級，但每次只有2N個不同灰度等級可用。若要使用2N種以外的灰度等級，需改變顏色查找表中的內容（重裝顏色查找表）。5.光柵掃描式圖形顯示器由于只有三種原色，所以可用三個位面實現一個簡單的彩色幀緩沖存儲器。下圖為簡單的彩色光柵顯示器，由分別對應紅(R)、綠(G)、藍(B)三原色的三個位面的幀緩存，DAC，三個電子槍和CRT光柵組成。5.光柵掃描式圖形顯示器對每個顏色的電子槍可通過增加幀緩存位面來提高顏色種類的灰度等級。如下圖，每種原色電子槍有8個位面的幀緩存和8位的DAC，每種原色有28種灰度等級，三種原色的組合有224種顏色。這種顯示器稱為全色光柵掃描圖形顯示器，其幀緩存稱為全色幀緩存6.液晶顯示器LCDCRT的缺陷：體積大：CRT固有的物理結構限制了它向更廣的顯示領域發展，屏幕的加大必然導致顯像管的加長、顯示器體積的加大，在使用時候就會受到空間的限制；電磁波干擾：另外CRT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，長期電磁輻射會對人們健康產生不良影響。液晶顯示器的優勢：LCD顯示器外觀小巧精致，厚度只有6.5~8cm左右。不會產生CRT那樣的因為刷新頻率低而出現的閃爍現象。工作電壓低，功耗小，節約能源。沒有電磁輻射，對人體健康沒有任何影響。6.液晶顯示器LCD液晶顯示器（LCD）依驅動方式分為靜態驅動、單純矩陣驅動和主動矩陣驅動3種。1.液晶的物理特性液晶即液態晶體，具有線狀結晶結構的分子，可象液體那樣流動。液晶分子的排列柔軟易變形，受電場、磁場、溫度、應力等外部條件作用時會重新排列。當通電和不通電時液晶分子處于兩種不同的排列，一種排列光線容易通過，而另一種排列阻止光線通過。6.液晶顯示器LCD單色液晶顯示器的原理在液晶顯示器中，液晶是灌入兩個列有細槽的平面之間。液晶顯示器依靠極化濾光器（片）影響光線穿過液晶。自然光線是朝所有方向隨機發散的。極化濾光器實際是一系列逐步變細的平行線，這些線阻斷不與它們平行的所有光線。只有兩個濾光器的線完全平行，或者通過第一個極化濾光器的光線本身已扭轉到與第二個極化濾光器相匹配，光線才得以穿過第二個極化濾光器。如下圖所示，兩個極化濾光器互相垂直，穿過第一個極化濾光器的光線，經過扭曲的液晶后，光線被扭曲90°，正好可以穿過第二個極化濾光器6.液晶顯示器LCD但若為液晶加一個電壓，液晶分子又會重新排列并完全平行，使光線不再扭轉，將被第二個濾光器擋住。總之，加電光線將被阻斷，不加電光線將射出液晶材料本身不發光，所以顯示屏兩邊設有作為光源的燈管。液晶顯示屏背面有一塊背光板和反光膜，背光板由熒光物質組成，可以發射光線，提供均勻的背景光源。背光板發出的光線穿過第一層偏振過濾層后進入液晶層。液晶層中的水晶液滴都被包含在細小的單元格結構中，一個或多個單元格構成屏幕上的一個像素。玻璃板與液晶材料之間的透明電極分為行和列，在行與列的交叉點上，通過改變電壓而改變液晶的旋光狀態，從而改變屏幕上相應像素的亮度6.液晶顯示器LCD彩色LCD要具備專門處理彩色顯示的色彩過濾層。彩色LCD面板中的每一個像素由3個液晶單元格構成，每一個單元格前面都分別有紅色、綠色或藍色的過濾器。這樣，通過不同單元格的光線可在屏幕上顯示出不同的顏色。7.等離子顯示器等離子顯示器由密封在玻璃膜夾層中的晶格矩陣（光柵）組成，每個晶格充有低壓氣體。在高電壓作用下，氣體會電解。電解后的氣體稱為等離子體，所以這種顯示器稱為等離子顯示器。當電子又重新與原子結合在一起時，能量就會以光子的形式釋放出來，這時氣體就會釋放出具有特征的輝光。等離子顯示器有交流(AC)激發的、直流(DC)激發的、交直流(AC/DC)混合激發的三種類型要點亮某個地址的氣泡，開始要在相應行上加較高的電壓，氣泡點亮后，可用低電壓維持氣泡的亮度。關掉某個氣泡，只要將相應的電壓降低。改變控制電壓，可使等離子板顯示不同灰度的圖形7.等離子顯示器等離子顯示器的特點優點：–重量較輕、完全無X射線輻射；–屏幕亮度非常均勻，不存在明顯的亮區和暗區；–不存在某些區域聚焦不良或散焦的毛病；–屏幕更平展，觀察視角更大。

缺點：–價格較高；–顯示屏上的玻璃較薄使屏幕較脆弱。8.投影機CRT投影機，LCD投影機，DLP投影機CRT已基本淘汰LCD色彩還原性能好；結構合理，穩定程度高；接駁、衍生功能極其豐富，一般可接駁復合視頻、S端子、音頻、RS-232通信、Com口、USB口等LCD通常體形偏大，但功能完善，亮度高，適用于較大型的場合8.投影機DLP(DigitalLightProcessor)也即數字光束處理器美國德州儀器公司研發DLP以DMD數字微鏡作為成像器件每片DMD由很多微鏡組成，每個微鏡對應一個像素點，物理分辨率就是由微鏡的數目決定的微鏡分啟通和斷開兩種工作狀態。為了獲得不同的亮度，微鏡啟通和斷開的速率還可以改變，工作時得用成千上萬個微鏡器件，并由DLP板進行控制工作過程：光源所發白光，經分色輪被分成不同時段的紅綠藍三束色光。三色光經DMD反射成像，最后三色像分時間先后進行疊加，還原出原色投放屏幕8.投影機DLP使得灰度等級提高，圖像噪聲消失，畫面質量穩定，數字圖像非常精確DLP投影機清晰度高，畫面均勻，色彩銳利，可以隨意變焦，調整十分方便體形較小，適合小型場合總的來說，LCD和DLP兩者各有優勢LCD應用面相對來說多一些，而DLP對比度高，使得表現文字更清晰有力在顯示動態圖像時，由于圖像刷新速度較快，LCD技術有優勢4.2.2圖形繪制設備顯示設備只能在屏幕上產生各種圖形，若要將計算機圖形畫在紙上，則需要常用的圖形繪制設備，也稱之為硬拷貝設備，如打印機和繪圖儀1.打印機打印機是廉價的產生圖形的硬拷貝設備，從機械動作上常分為撞擊式和非撞擊式兩種。撞擊式打印機使成型字符通過色帶印在紙上，如行式打印機、點陣式打印機等。非撞擊式打印機常用的技術有：噴墨技術、激光技術等，這類打印設備速度快，噪聲小，已逐漸替代以往的撞擊式打印機。1.打印機熱感應式噴墨技術（thermalinkjettechnology）是利用一個薄膜電阻器，在墨水噴出區中將小于0.5%的墨水加熱，形成一個汽泡。這個汽泡以極快的速度（小于10微秒）擴展開來，迫使墨滴從噴嘴噴出。由于墨水在高溫下易發生化學變化，墨水微粒的方向性與體積大小不好掌握，打印線條邊緣容易參差不齊，一定程度的影響了打印質量，這都是它的不足之處。噴墨打印機在打印圖像時，需要進行一系列的繁雜程序。當打印機噴頭快速掃過打印紙時，它上面的無數噴嘴就會噴出無數的小墨滴，從而組成圖像中的像素。打印頭上，一般都有48個或48個以上的獨立噴嘴噴出各種不同顏色的墨水。1.打印機激光打印機主要由感光鼓、粉盒、打底電暈絲和轉移電暈絲等組成1.打印機激光打印機開始工作時，感光鼓旋轉通過打底電暈絲，使整個感光鼓的表面帶上電荷1.打印機打印機處理器將打印數據轉換成可以驅動打印引擎動作的類似數據表的信號組，并送至激光發射器。發射器發射的激光照射在多棱反射鏡上，反射鏡的旋轉和激光的發射同時進行，依照打印數據來決定激光的發射或停止。每個光點打在反射鏡上，隨著反射鏡的轉動，不斷變換角度，將激光點反射到感光鼓上，感光鼓上被激光照到的點將失去電荷，在感光鼓表面形成一幅肉眼看不到的磁化圖像1.打印機感光鼓旋轉到上粉盒，其表面被磁化的點將吸附碳粉，從而在感光鼓上形成將要打印的碳粉圖像1.打印機打印紙從感光鼓和轉移電暈絲之間通過，轉移電暈絲將產生比感光鼓上更強的磁場，碳粉受吸引從感光鼓上脫離，向轉移電暈絲方向移動，結果是在不斷向前運動的打印紙上形成碳粉圖像。打印紙繼續向前運動，通過高溫的溶凝部件，定型在打印紙上，產生永久圖像1.打印機激光打印機的優點：有效利用了激光定向性、單色性和能量密集性，并結合了電子掃描技術的高靈敏度和快速存取等特性輸出圖形圖像的質量非常高，分辨率可達300～600點/英寸圖形及文本質量非常高，可直接作為制版的原稿2.繪圖儀主要種類有筆繪式、噴墨式、和靜電式。筆繪式：筆式繪圖儀分為滾筒式和平板式靜電繪圖儀：是一種光柵掃描設備，利用靜電同極相斥異極相吸的原理制成噴墨式：采用噴墨的方式繪圖，其繪圖的速度比普通筆式要快得多，而且所繪彩色圖效果更好2.繪圖儀單色靜電繪圖儀把像素化后的繪圖數據輸出至靜電寫頭上，靜電寫頭雙行排列，寫頭內裝有許多針狀電極。寫頭隨輸入信號控制每根極針放出高壓電，繪圖紙正好橫跨在寫頭與背板電極之間，紙通過寫頭時，寫頭便把圖像信號轉換成負電信號依附到紙上。帶電的繪圖紙經過墨盒時因為墨水的碳微粒帶正電，所以墨水被紙上的電子吸附，在紙上形成圖像2.繪圖儀彩色靜電繪圖儀的原理與單色靜電繪圖儀的原理基本相同，不同之處是彩色繪圖須將圖紙往返多次，分別套上紫、黃、青、黑四種不同顏色的墨盒。2.繪圖儀筆式繪圖機是矢量型設備，在操作過程中，繪圖筆相對紙作隨意移動。筆式繪圖機分為滾筒式和平板式2.繪圖儀滾筒式繪圖機

筆和紙都是運動的。繪圖紙卷在滾筒上，步進電機帶動鏈輪作正向和反向旋轉，帶動圖紙作X方向的正向和負向運動，滾筒上方的筆架可存放多支畫筆，畫筆由另一個步進電機帶動作Y方向的正負向往返運動，兩種運動的結合使畫筆畫出各種圖形2.繪圖儀平板式繪圖機

繪圖筆在紙上沿X和Y兩個方向運動，圖紙通常靜止不動，裝有筆架的導軌作X方向移動，筆架在導軌上作Y方向移動，兩種運動配合畫出多種圖形4.3圖形處理設備圖形設備按其功能可以分為輸入設備、圖形存儲設備（可選）、圖形處理設備和圖形輸出設備圖形處理設備是圖形系統的核心4.3.1圖形處理設備圖形處理器由主芯片、緩存、數模轉換器組成比較有名的是蘋果的圖形工作站顯卡也可以看作是圖形處理器4.3.2視頻控制器視頻控制器的作用是建立幀緩存與屏幕像素之間的一一對應關系，負責刷新。刷新周期開始時，光柵掃描發生器置X地址寄存器為0，置Y地址寄存器為N-1.首先取出對應像素(0,N-1)的幀緩存單元的數值，放入像素值寄存器，用來控制像素的顏色，然后X的地址寄存器的地址加1，如此重復，直到該掃描線上的最后一個像素4.3.3顯示處理器顯卡根據CPU提供的指令和有關數據將程序運行過程和結果進行相應的處理、并轉換成顯示器能夠接受的文字和圖形顯示信號，通過屏幕顯示出來。顯示器必須依靠顯卡提供的顯示信號才能顯示出各種字符和圖像。

常見顯卡的結構中包括：顯卡BIOS芯片、圖形處理芯片、顯存、數模轉換器(RAMDAC)芯片、接口等4.3.3顯示處理器顯卡BIOS芯片顯卡BIOS芯片主要用于保存VGA(VideoGraphicsArray，視頻圖形陣列)BIOS程序。VGABIOS是視頻圖形卡基本輸入、輸出系統，主要用于顯卡上各器件之間正常運行時的控制和管理，BIOS程序的技術性能對整個顯卡的性能有很大影響。圖形處理芯片圖形處理芯片是顯卡的核心，可將它看作是完成圖像生成與操縱的、獨立于CPU的一個本地處理器，它管理與系統總線的接口，這個接口應具有零等待的猝發式傳送能力。圖形處理芯片的主要作用是依據設定的顯示工作方式，自主地、反復不斷地讀取顯示存儲器中的圖像點陣數據，將它們轉換成R、G、B三色信號并配以同步信號送至顯示器，即刷新屏幕。圖形處理芯片應具有：1)一個由系統總線至顯示存儲器總線的通路，以支持屏幕的修改或更新2)顏色查找表的功能3)圖形加速功能4.3.3顯示處理器3.顯示存儲器主要用來保存由圖形芯片處理好的各幀圖形顯示數據，然后由數模轉換器讀取并逐幀轉換為模擬視頻信號再提供給顯示器使用。顯存的大小直接影響到顯卡可以顯示的顏色多少和可以支持的最高分辨率。衡量顯存的技術性能的指標數據存取速度（可通過工作時鐘頻率體現）顯存容量單端口顯存：從顯示芯片讀取數據以及向RAMDAC傳輸數據都是經過同一個端口，這樣數據的讀寫和傳輸就無法同時進行。雙端口顯存：可以同時進行數據的“讀”和“寫”，從而提高了顯存的效率，滿足了高分辨圖形顯示的需要。數模轉換