第二讲图形设备与系统

1、计算机图形学计算机图形学吴 伟计算机学院e-mail: wuwei_2第二讲 图形设备与系统2.1 图形显示设备图形显示设备2.2 图形系统及其标准图形系统及其标准计算机图形学课程计算机图形学课程computer graphics course3图形设备简介第第2讲讲图形设备与系统图形设备与系统42.1 图形显示器第第2讲讲图形设备与系统图形设备与系统52.1.1 阴极射线管（阴极射线管（crt）第第1节节图形显示器图形显示器6电子枪7聚焦系统8偏转系统第第1节节图形显示器图形显示器9荧光（1/2）第第1节节图形显示器图形显示器10荧光屏（2/2）第第1节节图形显示器图形显示器11电子束电子束

2、荧光涂层荧光涂层产生颜色产生颜色低速电子束低速电子束较低速电子束较低速电子束较高速电子束较高速电子束高速电子束高速电子束2.1.2 彩色阴极射线管第第1节节图形显示器图形显示器12外层玻璃外层玻璃荧光涂层荧光涂层影孔板影孔板影孔板法第第1节节图形显示器图形显示器13影孔板的类型第第1节节图形显示器图形显示器14点状影孔板原理第第1节节图形显示器图形显示器 电子枪 光点 荧光点 荧光粉 荫罩栅 15显示器能同时显示的颜色个数显示器能同时显示的颜色个数如果每支电子枪发出的电子束的强度有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个等级，则显示器能同时显示256*256*256

3、=16m种颜色，称为种颜色，称为真彩系统真彩系统调节各电子枪发生的电子束中调节各电子枪发生的电子束中所含电子的数目，即可控制各所含电子的数目，即可控制各色光点亮度。色光点亮度。点状影孔板原理（2/2)第第1节节图形显示器图形显示器16纯平显示器类别表面形状产生时间代表球面显象球面显象管管球面的一部分球面的一部分90年代初年代初柱面显象柱面显象管管柱面的一部分，垂直柱面的一部分，垂直方向上平直，水平方方向上平直，水平方向上有弯曲向上有弯曲90年代中期年代中期sony公司的公司的trinitron，mitsubishi公司的公司的diamondtron平面直角平面直角显象管显象管球面的一部分，类似

4、球面的一部分，类似于平面于平面90年代中后年代中后期期现在市场上的主流显象管现在市场上的主流显象管纯平显象纯平显象管管纯平面纯平面90年代后期年代后期sony公司的公司的fd trinitron，mitsubishi公司的公司的diamondtron，samsung公司的公司的danyflat，lg公司的公司的flatron第第1节节图形显示器图形显示器17液晶显示器18液晶显示器19未来显示器第第1节节图形显示器图形显示器202.1.3 随机扫描的显示系统l特点：特点：电子束可随意移动，只扫描荧屏上要电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分。显示的部分。l逻辑部件：刷新存储器逻辑部件：刷新

5、存储器(refreshing buffer),显示处理器（显示处理器（dpu:display processing unit）和）和crt第第1节节图形显示器图形显示器21应用程序发出绘图命令，应用程序发出绘图命令，解析成显示处理器可解析成显示处理器可接受命令格式，存放在刷新存储器中。接受命令格式，存放在刷新存储器中。刷新存储器中所刷新存储器中所有的绘图命令组成一个显示文件，由显示处理器负责解有的绘图命令组成一个显示文件，由显示处理器负责解释执行释执行(刷新刷新)， 驱动电子枪在屏幕上绘图驱动电子枪在屏幕上绘图。 修改图形，实际是修改显示文件中的某些绘图命令。修改图形，实际是修改显示文件中的某

6、些绘图命令。 工作原理第第1节节图形显示器图形显示器 cpu 系统存储器 显示缓存 显示处理器 系 统 总 线 输入/输出设备 视频监视器 222.1.4 光栅扫描的显示系统第第1节节图形显示器图形显示器23绘图过程第第1节节图形显示器图形显示器24电子束按固定的扫描顺序进行扫描电子束按固定的扫描顺序进行扫描n条扫描线，每条扫描线，每条条扫描线有扫描线有m个像素，个像素，m * n显示器的分辨率显示器的分辨率。分辨率第第1节节图形显示器图形显示器2526彩显： 位平面 位平面 位平面 数模转换 红红 帧缓冲器与彩色显示 24 位 8 位 8 位 8 位 蓝蓝 绿绿 红红 绿绿 蓝蓝 1024x

7、1024x24=25165824 位 27彩显：n若每个单元有若每个单元有24位（每种基色占位（每种基色占8位）即显示位）即显示系统可同时产生系统可同时产生224种颜色（种颜色（24位真彩色位真彩色）。）。n分辨率分辨率m*n、颜色个数、颜色个数k与显存大小与显存大小v的关系的关系knmv2log第第1节节图形显示器图形显示器28彩显：n3个位面分辩率是个位面分辩率是10241024的显示器，需要的显示器，需要310241024（3145728）位的存储器。）位的存储器。n若存储器位长固定，则屏幕分辩率与同时可用的若存储器位长固定，则屏幕分辩率与同时可用的颜色种数成反比关系。颜色种数成反比关系

8、。1兆字节的帧缓存，若设分辩率为兆字节的帧缓存，若设分辩率为640480，则帧缓存每个单元可有则帧缓存每个单元可有24位，可能同时显示位，可能同时显示224种颜色，种颜色，若设分辩率为若设分辩率为1024768，则每个单元分得的，则每个单元分得的位数仅略多于位数仅略多于8，只能工作于，只能工作于256色显示模式下。色显示模式下。29彩显：n显存问题显存问题n高分辨率和真彩要求有大的显存；高分辨率和真彩要求有大的显存；n曾经是个问题！曾经是个问题！n解决方法：采用解决方法：采用查色查色(lookuptable） 或称或称彩色表彩色表(color table)n查色表工作原理查色表工作原理1024

9、*768真彩模式需要真彩模式需要3m字节显存字节显存第第1节节图形显示器图形显示器30查色表(look up table)第第1节节图形显示器图形显示器31查色表(look up table)32存放方式第第1节节图形显示器图形显示器33fnmt第第1节节图形显示器图形显示器34n一帧完整的画面分成两场。一帧完整的画面分成两场。n一场一场160秒，（场频秒，（场频60hz），（帧频），（帧频30hz）画面更新频率仍为）画面更新频率仍为60hz，降低，降低了闪烁效应，每一场了闪烁效应，每一场160秒内，帧缓秒内，帧缓存中数据量比逐行扫描少一半。存中数据量比逐行扫描少一半。降低了降低了视频控制器存

10、取帧缓存的速度及传输带视频控制器存取帧缓存的速度及传输带宽的要求。宽的要求。 第第1节节图形显示器图形显示器35简单：简单：其中，帧缓存为系统内存其中，帧缓存为系统内存任一块区域，视频控制器任一块区域，视频控制器能够直接存取该区域以刷能够直接存取该区域以刷新屏幕。新屏幕。典型：典型：其中，帧缓存可以是专用其中，帧缓存可以是专用的存储器，也可以是系统的存储器，也可以是系统内存中的一块固定区域。内存中的一块固定区域。光栅扫描图形显示系统的结构第第1节节图形显示器图形显示器36 视频控制器n作用：作用：建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应，负责刷新负责刷新n逻辑结构逻

11、辑结构n工作原理工作原理刷新周期开始，光栅扫描发生器置刷新周期开始，光栅扫描发生器置x地址寄存器为地址寄存器为0，置置y地址寄存器为地址寄存器为n-1，首先取出对应像素（，首先取出对应像素（0，n-1）的帧缓存单元）的帧缓存单元的数值的数值, 放入像素值寄存器，用来控制像素的颜色，然后放入像素值寄存器，用来控制像素的颜色，然后x的地址寄存的地址寄存器的地址加一，如此重复，直到该扫描线上的最后一个像素。器的地址加一，如此重复，直到该扫描线上的最后一个像素。双缓冲机制（双缓冲机制（double buffer)37 显示处理器作用：作用：代替代替cpu完成部分图形处理功能，完成部分图形处理功能，扫描

12、转换、几何变换、裁剪、光栅操扫描转换、几何变换、裁剪、光栅操作、纹理映射等作、纹理映射等具有专用显示处理器的光栅显示系统的结构具有专用显示处理器的光栅显示系统的结构38优点：优点：n成本低成本低n易于绘制填充图形易于绘制填充图形n色彩丰富色彩丰富n刷新频率一定，与图形的复杂程度无关刷新频率一定，与图形的复杂程度无关n易于修改图形易于修改图形缺点：缺点：n需要扫描转换需要扫描转换n会产生混淆会产生混淆缺点正在被克服优点使其占据了市场主流光栅显示系统的优点第第1节节图形显示器图形显示器39n硬件，图形硬件，图形 i/o 设备，系统软件，图形软件。设备，系统软件，图形软件。n图形软件图形软件：通用编

13、程软件包，专用应用软件包。：通用编程软件包，专用应用软件包。n通用类通用类：提供一个可用于高级程序语言的图形：提供一个可用于高级程序语言的图形功能扩展集功能扩展集(比如，比如，opengl).n基本功能基本功能：图元生成，属性设置（颜色，：图元生成，属性设置（颜色，.）选择观察及实施变换等。选择观察及实施变换等。n专用类专用类：不关心图形操作过程（比如，：不关心图形操作过程（比如，cad系统。系统。第第2讲讲图形设备与系统图形设备与系统40图形系统标准第第2节节图形系统及其标准图形系统及其标准41图形系统标准分类n面向图形设备的接口标准：面向图形设备的接口标准：计算机图形元文件计算机图形元文件

14、(cgm)，(crt,mouse,)计算机图形接口计算机图形接口(cgi).设备驱动程序。设备驱动程序。n面向应用软件的标准：面向应用软件的标准：程序员层次交互式图形系统程序员层次交互式图形系统（phigs）,gl (图形程序包图形程序包)（三维）图形核心系统（三维）图形核心系统（3d-)gksn面向图形应用系统中工程和产品数据模型面向图形应用系统中工程和产品数据模型及其文件格式：及其文件格式： 基本图形转换规范（基本图形转换规范（iges） 产品数据转换规范（产品数据转换规范（step）第第2节节图形系统及其标准图形系统及其标准 iges，stepgks，gks-3dphigs，open g

15、lcgicgm图形系统中各界面的标准图形数据应用程序图形程序包设备驱动程序图形硬件42cgi（iso dp 9636)第第2节节图形系统及其标准图形系统及其标准43cgm（iso is8632)- 与设备无关的语义、词法定义的图形文件与设备无关的语义、词法定义的图形文件格式。格式。- 规定了生成、存储、传送图形信息的格式。规定了生成、存储、传送图形信息的格式。- 面向系统和系统开发者，和面向系统和系统开发者，和cgi配套提供。配套提供。- 通用性是其关键属性。通用性是其关键属性。第第2节节图形系统及其标准图形系统及其标准44gksn提供了在应用程序和图形输入输出设备之间提供了在应用程序和图形输

16、入输出设备之间的功能接口。的功能接口。n与语言无关。与语言无关。ngks提供了一个称为元文件的顺序文件接口提供了一个称为元文件的顺序文件接口n应用程序的所有图形资源由应用程序的所有图形资源由gks控制（通过控制（通过gks元文件元文件-gksm）ngksm用于用于:图形信息存档；系统传送图形信图形信息存档；系统传送图形信息；在息；在gks应用程序间传送图形信息；与图应用程序间传送图形信息；与图形信息相关的非图形信息的存储和复用。形信息相关的非图形信息的存储和复用。第第2节节图形系统及其标准图形系统及其标准45phigs（iso is9592）n向应用程序员提供的控制图形设备的图形系向应用程序员提供的控制图形设备的图形系统接口；统接口；n图形数据按层次结构组织；图形数据按层次结构组织；n提供动态修改和绘制显示图形数据的手段。提供动态修改和绘制显示图形数据的手段。是一个高度动态化和交互式图形系统。是一个高度动态化和交互式图形系统。第第2节节图形系统及其标准图形系统及其标准46gln图形程序库，图形程序库，nunix下运行，下运行，nopengl微机，微机，n分类：基本图素；坐标变换；设置属性分类：基本图素；坐标变换；设置属性和显示方式；和显示方式；i/o 处理；真实图形显示。处理；真实图形显示。第第2节节图