图形输入输出设备.ppt

第二章 交互式计算机图形处理系统 计算机学院 苏小红 DateDate 1 1 交互式计算机图形处理系统 lComputer + 人 = 交互式 lPersonel Computer图形处理系统 lworkstation图形处理系统 要求主机性能更高（强大的浮点运算 能力），速度更快，存储容量更大， 外设种类更齐全 图形加速卡，大屏幕显示器 DateDate 2 2 硬件发展 图形输入设备的发展 n第一阶段：控制开关、穿孔纸等 n第二阶段：键盘、光笔 n第三阶段：二维定位设备，如鼠标、坐标数字化 仪、跟踪球、触摸屏、操纵杆、扫描仪等 n第四阶段：三维输入设备（如三维鼠标、空间球 、数据手套、数据衣），用户的手势、表情等 DateDate 3 3 l图形输出(显示、打印）设备 l阴极射线管显示器（CRT） l液晶显示器（LCD） l绘图仪 l打印机 DateDate 4 4 未来显示器 l 发光聚合物技术 n坚不可摧；柔韧性好，可以卷起来 n显示画面具有无与伦比的清晰度 n真正的平面直角 l 采用空气等离子体技术 n空气等离子体可想象成一个个微型霓虹灯，红绿蓝三种 不同颜色的像素 n显示屏薄，挂在墙上 n无锯齿现象，分辨率好 n无需刷新缓存，重量轻，无辐射 n价格贵 DateDate 5 5 CRT显示器分类 l阴极射线管（CRT）（Cathode Ray Tube） l单色CRT l彩色CRT DateDate 6 6 l阴极射线管(CRT) 组成：包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏 工作原理：电子枪发射电子束，经过聚焦系统、加速电极、偏 转系统，轰击到荧光屏的不同部位，被其内表面的 荧光物质吸收，发光产生可见的图形。 结构 DateDate 7 7 荧光屏 l荧光物质：吸收电子束而发光 l余辉时间：持续发光时间，电子束离开某点后，该点的亮度值衰减到初始值 l刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数 l像素(Pixel)：构成屏幕（图像）的最小元素 l分辨率(Resolution)：在假定 屏幕尺寸一定的情况下，可用整个屏幕所能容纳的 像素个数描述，如640*480，800*600，1024*768， 1280*1024等等 某种CRT产生稳定图像所需要的最小刷新频率 =1秒/荧光物质的持续发光时间（Hz） DateDate 8 8 l彩色CRT n渗透型 l常用于随机扫描显示器 l射线穿透法 n多枪型 l常用于光栅扫描显示器 l影孔板法（阴罩法） 彩色阴极射线管 DateDate 9 9 l射线穿透法（beam penetration） n原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发 光物质，不同速度电子束穿透荧光层的深浅， 决定所产生的颜色 应用：主要用于画线显示器 优点：成本低 缺点：只能产生有限几种颜色 DateDate1010 l影孔板法 n原理：影孔板被安装在荧光屏的内表面，用于精确定位 像素的位置 n影孔板的类型 l点状影孔板 代表：大多数球面与柱面显像管 l栅格式影孔板 代表：Sony的Trinitron与Mitsubishi的 Diamondtron显像管 沟槽式影孔板 代表：LG的Flatron显像管 DateDate1111 n点状影孔板工作原理 l红、绿、兰三基色 l三色荧光点（很小并充分靠近-像素） l三支电子枪 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，称为真彩色系统 DateDate1212 CRT显示器分类 l直视存储管式（Direct-View Storage Tubes） n利用管子本身存储信息，类似于一个长余辉的CRT ，不必刷新 l刷新式 n随机扫描式（Random-Scan） n光栅扫描式（Raster-Scan） DateDate1313 随机扫描的显示系统 l特点 n数据表示：矢量表示，只有端点信息，无线段中间点 n扫描方式：电子束像一支快速移动的画笔，可随意移动，只 扫描荧屏上要显示的部分，与示波器工作原理类似 n显示图形：几何属性（geometric attribute）为主，线架图 n优点：扫描速度快，分辨率高，线条质量好，易修改，交互 性好，动态性能好 n缺点：价格贵，只能显示线画图形，应用于军事、CAD领域 DateDate1414 光栅扫描的显示系统 l特点： n数据表示：像素矩阵 n扫描方式：从上到下，从左到右，与电视工作原理 类似 n显示图形：几何属性+视觉属性（Visual attribute ），真实感图形 DateDate1515 显示器的分辨率 l电子束按固定的扫描顺序扫描N条扫描线，每条 扫描线有M个像素，M * N显示器的分辨率。 帧 DateDate1616 绘图仪 printer Computer DPU 输入设备 视频控制器display 逻辑部件： 帧缓冲存储器（Frame Buffer) 视频控制器（Video Controller) 显示处理器（Display Processing Uuit，简称DPU） CRT DateDate1717 l 帧缓冲存储器（Frame Buffer) n作用：存储屏幕上像素的颜色值 n也称刷新存储器(Refreshing Buffer) n简称帧缓冲器，俗称显存 l帧缓存中单元数目与显示器上像素的数目相同 l单元与像素一一对应 l各单元的数值决定了其对应像素的颜色。 l显示颜色的种类与帧缓存中每个单元的位数有关。 DateDate1818 位面（bit plane）技术 l把显存分成若干色平面，各平面上相同位置 的每一位和屏幕上的一个像素对应，同一像 素点在各位面占同一地址，不同位面上同一 像素地址中的内容决定像素的颜色。 色平面越多，可表达的色彩越丰富。 增加一个位面，色彩就增加一倍，而存储器写操作程序无需 重新计算新地址，程序兼容性好。 DateDate1919 N位寄存器 电子枪 CRT光栅 有N个位面的帧缓存 2NDAC 01 0 0 0 1 02N-1灰度等级 寄存器 蓝色枪 帧缓存 DAC 0 0 0 1 CRT光栅 0 1DAC DAC 红色枪 绿色枪 DateDate2020 l 若有24个位面（每种基色8个位面）则可同时显示 (28)3 =224=16777216种颜色（24位真彩色）。 l红绿蓝三个位面，组合成8种颜色 l增加一个亮度位面，形成16种颜色 红绿蓝 Black000 Blue001 Green010 Cyan011 Red100 Magenta101 Yellow110 White111 DateDate2121 显存容量问题 l分辨率M*N、颜色个数K与显存容量V的关系 DateDate2222 显存容量问题 l若存储器位长固定，则屏幕分辩率与同时可用的 颜色种数成反比关系。 1024*768真彩模式需要3M字节显存 l 高分辨率和真彩要求有大的显存； n解决方法：采用查色表(Look-up Table） DateDate2323 查色表（LUT） l 是一维线性表，其每一项的内容对应一种颜色，它的长度 由帧缓存单元的位数决定 l 目的：在帧缓存单元的位数不增加的情况下，具有大范围 内挑选颜色的能力。 l 颜色信息在帧缓存中的两种存放方式： n颜色值直接存储在帧缓存中。 n把颜色码放在一个独立的表中，帧缓存存放的是颜色 表中各项的索引值，索引色。 l 单色系统：查色表固化 l 彩显：可修改、创建查色表。 DateDate2424 带宽T与分辨率、帧频（刷新频率）F的关系 带宽问题 高分辨率和高刷新频率要求高带宽 解决方法：隔行扫描 带宽问题带宽问题 DateDate2525 隔行扫描（Interlaced scan）工作原理 l 场频：= 帧频 * 2 l一帧完整的画面分成两场，即奇数场与偶数场 优点： 降低了闪烁效应； 只需逐行的一半时间即可显示一屏画面，降低了对扫描频率 的要求，也降低了成本； 帧缓存中数据量比逐行扫描少一半，降低了视频控制器存取 帧缓存的速度及传输带宽的要求。 DateDate2626 视频控制器（显示控制器） l作用： n制图形的显示，建立帧缓存与屏幕像素之间的一一 对应关系，负责按固定刷新频率和扫描顺序刷新 屏幕图形 DateDate2727 显示处理器 l 显示处理器 nDisplay Processing Uuit，简称DPU l 作用： n代替CPU完成部分图形处理功能，扫描转换、几何变 换、裁剪、光栅操作、纹理映射等等 DateDate2828 l 光栅显示系统的特点 n优点： l成本低 l易于绘制填充图形 l灰度和色彩丰富，图像逼真 l可以和电视机兼容 l刷新频率一定，与图形的复杂程度无关 n缺点： l需要扫描转换 l扫描转换速度偏低，交互操作响应慢 l分辨率偏低，有阶梯效应 DateDate2929 图形软件发展及软件标准形成 三种类型的计算机图形软件系统： (1)用某种语言写成的子程序包 如: GKS (Graphics Kernel System) PHIGS (ProgrammersHerarchical Iuteractive Graphics system ) GL 便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低 (2）扩充计算机语言，使其具有图形生成和处理的功能 如：Turbo C，AutoLisp等。 简练、紧凑、执行速度快，但不可移植 （3）专用图形系统：效率高，但系统开发量大，可移 植性差。 DateDate3030 通用的、与设备无关的图形标准 lGKS (Graphics Kernel System) (第一个官方标准，1977) lPHIGS(Programmers Herarchical Iuteractive Graphics system) 一些非官方图形软件，广泛应用于工业界，成为事实上的标准 lDirectX (MS) lXlib (X-Window系统) lOpenGL (SGI) lAdobe公司Postscript DateDate3131 开放式的三维图形软件包OpenGL l OpenGL是近几年发展起来的一个性能卓越的三维图 形标准，它是在SGI等多家世界闻名的计算机公司的 倡导下，以SGI的GL三维图形库为基础制定的一个通 用共享的开放式三维图形标准。 l 目前，包括Microsoft、SGI、IBM、SUN、HP等大公 司都采用了OpenGL做为三维图形标准，许多软件厂 商也纷纷以OpenGL为基础开发出自己的产品。 l 其中比较著名的产品包括：动画制作软件Softimage 和3D Studio MAX、仿真软件Open Inventor、VR软 件World Tool Kit、CAM软件ProEngineer、GIS软件 ARC/INFO等等。 DateDate3232 OpenGL的优越性 l独立于窗口系统和操作系统，以它为基础开发 的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植 ； l可与Visual C+紧密接口，便于实现机械手的 有关计算和图形算法，可保证算法的正确性和 可靠性； l使用简便，效率高。 DateDate3333 OpenGL图形库的功能 l 一共有100多个函数。其中核心函数有115个 l 除了提供基本的点、线、多边形