ComputerGraphicsSystem

1、Computer Graphics SystemLectured by Hua YanAgendanComponents of CG systemnCG System HardwarenQ&AComponents of CG System主机主机显示器显示器键盘、键盘、光笔光笔硬盘等外硬盘等外设设绘图仪绘图仪人人OS图形软件包图形软件包图形应用图形应用程序程序图形输入图形输入图形计算图形计算图形交互图形交互图形输出图形输出图形存储图形存储CG System Hardwaren视频显示设备视频显示设备n图形输入设备图形输入设备n图形工作站图形工作站n图形硬拷贝设备图形硬拷贝设备CG System

2、 HardwarenQuestions?nCRT 、 LCD、LED、平板显示、平板显示n随机扫描随机扫描 vs.光栅扫描光栅扫描n电子抢、荧光质、光点、分辨率电子抢、荧光质、光点、分辨率n刷新频率刷新频率n像素像素n扫描转换、扫描转换、GPUn硬拷贝硬拷贝 视频显示设备视频显示设备n刷新式刷新式CRTn光栅扫描光栅扫描 & 随机扫描随机扫描n光栅扫描系统光栅扫描系统n彩色彩色CRTn平板显示器平板显示器 nCRT Cathode-ray tube视频显示设备视频显示设备 刷新式刷新式CRTnCRT基本部件基本部件n电子枪（加热阴极电子枪（加热阴极+控制栅极）控制栅极）n聚焦系统聚焦系统n加速

3、阳极加速阳极n偏转系统偏转系统n荧光屏荧光屏视频显示设备视频显示设备 刷新式刷新式CRT电子枪电子枪 聚焦系统聚焦系统加速系统加速系统磁偏转系统磁偏转系统加热灯丝加热灯丝金属阴极金属阴极 控制栅极控制栅极水平偏转板水平偏转板 垂直偏转板垂直偏转板电子束电子束荧光屏荧光屏视频显示设备视频显示设备 刷新式刷新式CRT工作原理：高速的电子束由工作原理：高速的电子束由电子枪电子枪发出，经过发出，经过聚焦聚焦系统系统、加速系统加速系统和和偏转系统偏转系统就会到达就会到达荧光屏荧光屏的特定的特定位置。由于荧光物质在高速电子的轰击下会发生电位置。由于荧光物质在高速电子的轰击下会发生电子跃迁，即电子吸收到能量

4、从低能态变为高能态，子跃迁，即电子吸收到能量从低能态变为高能态，由于高能态很不稳定，在很短的时间内荧光物质的由于高能态很不稳定，在很短的时间内荧光物质的电子会从高能态重新回到低能态，这时将发出荧光，电子会从高能态重新回到低能态，这时将发出荧光，屏幕上产生亮点。要保持显示一幅稳定的画面，必屏幕上产生亮点。要保持显示一幅稳定的画面，必须不断地发射电子束。须不断地发射电子束。视频显示设备视频显示设备 刷新式刷新式CRT电子枪基本构件：阴极、控制栅极电子枪基本构件：阴极、控制栅极荧光屏亮度控制？荧光屏亮度控制？在控制栅极上施加电压来控制电子束在控制栅极上施加电压来控制电子束的强弱。当加上正电压时，电子

5、束就的强弱。当加上正电压时，电子束就会大量通过，将会在屏幕上形成较亮会大量通过，将会在屏幕上形成较亮的点，当控制电平加上负电压时，依的点，当控制电平加上负电压时，依据所加电压的大小，电子束被部分或据所加电压的大小，电子束被部分或全部阻截，通过的电子很少，屏幕上全部阻截，通过的电子很少，屏幕上的点也就比较暗。的点也就比较暗。视频显示设备视频显示设备 刷新式刷新式CRT聚焦系统聚焦系统 作用是使众多的电子到达荧光屏时聚集于一点，否作用是使众多的电子到达荧光屏时聚集于一点，否则由于电子的相互排斥产生散焦现象。聚焦既可以用则由于电子的相互排斥产生散焦现象。聚焦既可以用电场实现，也可以用磁场实现。电场实

6、现，也可以用磁场实现。偏转系统偏转系统 定位作用，决定电子束在荧光屏水平和垂直方向的定位作用，决定电子束在荧光屏水平和垂直方向的位移。分为磁偏转位移。分为磁偏转(30us)和静电偏转和静电偏转(3us)两类。两类。视频显示设备视频显示设备 刷新式刷新式CRT静电偏转有两对极板（一对水平、一对垂直）静电偏转有两对极板（一对水平、一对垂直）视频显示设备视频显示设备 刷新式刷新式CRT荧光屏荧光屏荧光质特性荧光质特性: 颜色颜色 、余辉时间、余辉时间荧光质两种状态荧光质两种状态: 受激态和基本态受激态和基本态余辉余辉时间时间: 定义为荧光质从发光开始到亮度衰减到定义为荧光质从发光开始到亮度衰减到最大

7、亮度的最大亮度的10%的这段时间。通常为的这段时间。通常为1060us长余辉荧光层适合显示复杂的静态图形，而短余辉长余辉荧光层适合显示复杂的静态图形，而短余辉荧光层适合动画应用荧光层适合动画应用刷新式刷新式CRT: 采用电子束周期性地回到同一点的方式来采用电子束周期性地回到同一点的方式来保持图象的保持图象的CRT。视频显示设备视频显示设备 刷新式刷新式CRT视频显示设备视频显示设备 刷新式刷新式CRTn显示器相关术语显示器相关术语n光点光点n屏幕分辨率屏幕分辨率n显示纵横比显示纵横比n点距点距n刷新频率，行频，场频，带宽刷新频率，行频，场频，带宽n像素像素n帧缓冲区帧缓冲区n 光点概念光点概念

8、CRT 屏幕上受激荧光点屏幕上受激荧光点的能量分布图的能量分布图光点（荧光层亮点）光点（荧光层亮点） 电子束打在显示器的荧光屏，电子束打在显示器的荧光屏，显示器能够显示的最小发光点显示器能够显示的最小发光点 - 硬件最小图像点硬件最小图像点 光点物理直径光点物理直径 光点亮度下降到最大亮度的光点亮度下降到最大亮度的60%处的直径。例如处的直径。例如0.28mm, 0.19mm点距点距荧光屏上两个相邻的相同颜色磷荧光屏上两个相邻的相同颜色磷光点之间的最短距离。光点之间的最短距离。单位：单位：mm两个荧光亮点的间隔大两个荧光亮点的间隔大于光点物理直径时，两于光点物理直径时，两个亮点是可区分的个亮点

9、是可区分的屏幕分辨率屏幕分辨率ResolutionDef. CRT上无重叠显示的最大光点数上无重叠显示的最大光点数表示方法表示方法：水平光点数水平光点数x垂直光点数垂直光点数光点物理直径光点物理直径DPI Dots per Inch4 相关因素相关因素荧光质类型荧光质类型 、亮度大小以及聚焦和偏转系统、亮度大小以及聚焦和偏转系统Examplene.g. 已知屏幕分辨率为已知屏幕分辨率为1024x768，光点物，光点物理尺寸理尺寸.28mm，需要购买多大的显示器？，需要购买多大的显示器？n解：解：1 inch = 2.54cmn屏幕长屏幕长 ：a=1024*0.28mm=286.72mmn屏幕宽

10、屏幕宽 ：b=768*0.28mm=215.04mmn对角线长：对角线长：sqrt(a2+b2)=358.4mm nResult: about 14inch.视频显示设备视频显示设备 光栅扫描与随机扫描光栅扫描与随机扫描n光栅与随机扫描显示器是最常见的两种刷新光栅与随机扫描显示器是最常见的两种刷新式式CRTn电子束扫描方式电子束扫描方式n图形信息存储图形信息存储n适用范围适用范围光栅扫描光栅扫描光栅光栅扫描系统中电子束自顶向下全屏扫描扫描系统中电子束自顶向下全屏扫描, 一次一行。电一次一行。电子束在每一行中移动时，根据图形定义变换强度，由屏子束在每一行中移动时，根据图形定义变换强度，由屏幕亮点

11、构成图案。幕亮点构成图案。(P.29)n刷新率相关术语刷新率相关术语n行频行频-电子枪每秒在屏幕上扫描过的水平线数，电子枪每秒在屏幕上扫描过的水平线数，以以KHz为单位，也称作水平扫描频率，记为为单位，也称作水平扫描频率，记为h；n场频场频-每秒钟重复绘制显示画面的次数，即重绘每秒钟重复绘制显示画面的次数，即重绘率，以率，以Hz为单位，也称作垂直扫描频率为单位，也称作垂直扫描频率/帧频，帧频，记为记为v； n点频点频-单位时间内在每条扫描线上显示的频点数单位时间内在每条扫描线上显示的频点数总和，以总和，以MHz为单位，也称作带宽，记为为单位，也称作带宽，记为B；n三者关系三者关系n若若r(x)

12、表示水平扫描的点数；表示水平扫描的点数； nr(y)表示每帧扫描线数；表示每帧扫描线数；n则则hr(y) v；nB= r(x) r(y) vnDef.系统能显示的像素列数与行数之比。系统能显示的像素列数与行数之比。nDef. 在屏幕的两个方向产生相等长度的线段所需在屏幕的两个方向产生相等长度的线段所需的垂直点数和水平点数之比。的垂直点数和水平点数之比。n640X480, 800X600,1024X768显示纵横比显示纵横比Aspect ration逐行扫描逐行扫描(non-interlaced)n隔行扫描隔行扫描(interlaced)及意义及意义n闪烁现象闪烁现象n如何消除？如何消除？n延长

13、余辉延长余辉n减小亮度减小亮度n提高刷新率提高刷新率图形信息存储图形信息存储n图形定义为一组屏幕点信息，图形定义为一组屏幕点信息，荧光屏上所有点的荧光屏上所有点的强度值存储在被称作帧缓冲区强度值存储在被称作帧缓冲区(Frame Buffer)的的内存区域中，一一对应。内存区域中，一一对应。帧缓冲区帧缓冲区显示控制器显示控制器 显示器显示器 n适于逼真显示包含细微阴影和色彩模式适于逼真显示包含细微阴影和色彩模式的场景的场景适用范围适用范围随机扫描随机扫描在随机扫描系统中电子束只扫向图形所在的屏在随机扫描系统中电子束只扫向图形所在的屏幕位置。一次画出图形的一条线。幕位置。一次画出图形的一条线。 (

14、P.31)图形信息存储图形信息存储n图形图形定义为一组画线命令，存储在被称为刷定义为一组画线命令，存储在被称为刷新显示文件新显示文件(Refresh Display File)的内存的内存区域。区域。刷新显示刷新显示文件文件显示控制器显示控制器 显示器显示器 n适于画线应用适于画线应用适用范围适用范围随机扫描显示器随机扫描显示器 光栅扫描显示器光栅扫描显示器 电子束扫描方式电子束扫描方式 电子束只扫向图形所在的电子束只扫向图形所在的屏幕位置。一次一条线。屏幕位置。一次一条线。随机系统的刷新速率依赖随机系统的刷新速率依赖于显示的线数；于显示的线数；3060HZ；100,000条条 。电子束自顶向

15、下全屏扫描电子束自顶向下全屏扫描逐行扫描逐行扫描/隔行扫描隔行扫描刷新率、闪烁刷新率、闪烁图形定义图形定义 图形定义为一组画线命令，图形定义为一组画线命令，存储在被称为刷新显示文存储在被称为刷新显示文件的内存区域。件的内存区域。 图形定义为一组屏幕点信图形定义为一组屏幕点信息，存储在被称作帧缓冲息，存储在被称作帧缓冲区的内存区域。区的内存区域。Pixel (Picture element)Pixel (Picture element)像素点像素点 帧缓冲区容量帧缓冲区容量=显示分辨显示分辨率率x x色深色深 适用范围适用范围 适于画线应用适于画线应用 适于逼真显示包含细微阴适于逼真显示包含细微

16、阴影和色彩模式的场景影和色彩模式的场景光栅扫描系统光栅扫描系统n构成(P.39-41)n帧缓冲存储器(Frame Buffer) n视频控制器(Video Controller)n显示处理器(Display Processor / GPU)n帧缓冲存储器帧缓冲存储器(frame buffer) 图形定义，保存一组对应屏幕所有点的强度值像素点Pixel ：每个屏幕点;the smallest addressable unit on a display screen or bitmapped image光栅扫描系统光栅扫描系统n视频控制器视频控制器基本刷新操作n有两个寄存器用来存放屏幕像素的坐标n

17、存储在帧缓冲器中该像素对应位置的值被取出，并用来设置CRT电子束的强度值光栅扫描系统光栅扫描系统n显示处理器显示处理器将应用程序给出的图形定义数字化为一组像素强度值，并存放在帧缓冲器中扫描变换：将给定直线和其他几何对像的图形命令转换为一组离散的强度值光栅扫描系统光栅扫描系统光栅扫描系统光栅扫描系统简单的光栅图简单的光栅图形系统结构形系统结构帧缓冲区位于帧缓冲区位于内存固定区域内存固定区域nCPU不再处理不再处理图形数据，专图形数据，专用图形处理器用图形处理器GPUn独立的图形数独立的图形数据存储区域据存储区域n显示显示分辨率分辨率 计算机显示控制器所能提供的分辨率，通常称为计算机显示控制器所能

18、提供的分辨率，通常称为显示模式（图形模式、文本模式）显示模式（图形模式、文本模式） 度量度量方法：方法：像像素、字符素、字符 表示方法：水平表示方法：水平像像素数素数X垂直垂直像像素数素数 xxx色色 水平字符数水平字符数X垂直字符数垂直字符数帧缓冲区容量计算帧缓冲区容量计算色深概念色深概念(Color Depth) 像素点信息的长度，以比特像素点信息的长度，以比特(bit)为单位。为单位。 例例1：简单的黑白光栅系统，像素点只需一个比特：简单的黑白光栅系统，像素点只需一个比特控制屏幕点的亮度，控制屏幕点的亮度， 1表示该点电子束开通，表示该点电子束开通，0表明电子束关闭。此时色深为表明电子束

19、关闭。此时色深为1bit。 例例2：彩色光栅系统支持显示：彩色光栅系统支持显示16色，像素点需要色，像素点需要4bits代表不同颜色，例如代表不同颜色，例如0001代表蓝色。此时代表蓝色。此时色深为色深为4bits。帧缓冲区容量帧缓冲区容量= 显示分辨率显示分辨率x色深色深帧缓冲区容量计算帧缓冲区容量计算Examplene.g. 已知显示分辨率为已知显示分辨率为1024x768, 支持支持true color真彩，试问需要预留多大的帧真彩，试问需要预留多大的帧缓冲区？缓冲区？n解：解：1024x768x24bits=1024x768x3bytesn16 colors? 256 colors?

20、16位色？位色？n1024x768x4bits, 1024x768x1bytes, 1024x768x16bits彩色彩色 CRT n利用能发射不同颜色光的荧光层的组合利用能发射不同颜色光的荧光层的组合来显示彩色图形来显示彩色图形nCRT产生彩色的基本技术产生彩色的基本技术n电子电子穿穿透法透法 用于随机扫描显示器用于随机扫描显示器n荫罩法荫罩法 用于光栅扫描系统用于光栅扫描系统电子穿透法电子穿透法n工作原理：两层工作原理：两层荧光质，通常红荧光质，通常红色或绿色荧光质色或绿色荧光质涂于涂于CRT屏幕的屏幕的内层，显示的色内层，显示的色彩取决于电子束彩取决于电子束穿入荧光层的深穿入荧光层的深度

21、。度。v0绿色荧光粉红色荧光粉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n技术特点技术特点n随机扫描显示器产生彩色的廉价方法随机扫描显示器产生彩色的廉价方法n仅能获得仅能获得4种颜色种颜色n图片图片质量差质量差荫罩技术荫罩技术n荫罩式荫罩式CRT主要结构主要结构n三色荧光层三色荧光层n三电子枪三电子枪n荫罩板荫罩板三色荧光层三色荧光层线排列模式线排列模式 三角排列模式三角排列模式电子枪和荫罩板电子枪和荫罩板显示原理显示原理 电子枪发出三束电子束，经过聚焦、偏转系统电子枪发出三束电子束，经过聚焦、偏转系统的作用到达荫罩板，通过荫罩的选择的作用到达荫罩

22、板，通过荫罩的选择(决定三束电决定三束电子到达的位置子到达的位置)，电子束分别到达三个荧光点的位，电子束分别到达三个荧光点的位置，置，激发对应的荧光点并在屏幕上显示一个彩色亮激发对应的荧光点并在屏幕上显示一个彩色亮点点。通过控制三个电子束的强弱就能控制屏幕上点。通过控制三个电子束的强弱就能控制屏幕上点的颜色。的颜色。荫罩法000010101010110001001011D/AD/AD/A红红绿绿蓝蓝CRT光光栅栅彩色电子枪彩色电子枪帧缓冲存储器帧缓冲存储器88N寄存器寄存器效果图DACn技术特点技术特点n光栅光栅显示器产生彩色的方法显示器产生彩色的方法n通过通过变换三个电子枪发出的电子束的强度

23、获得变换三个电子枪发出的电子束的强度获得色彩变化色彩变化n图片图片质量好质量好平板显示器平板显示器n定义定义平板显示器代表一类比平板显示器代表一类比CRT体积小、重量轻、低体积小、重量轻、低功耗的视频设备。功耗的视频设备。n分类分类n发射型显示器发射型显示器 - 转换电能为光转换电能为光, 例如例如 LED, 等等离子板离子板(气体放电显示器气体放电显示器), 薄膜光电显示器薄膜光电显示器n非发射型显示器非发射型显示器 -利用光学效应将太阳光或其利用光学效应将太阳光或其他光源转换为图形模式他光源转换为图形模式,例如例如 LCD等离子板等离子板(气体放电显示器气体放电显示器)n结构结构n两块带有

24、水平和垂直导电带的两块带有水平和垂直导电带的玻璃板玻璃板n氖气充入两块玻璃板之间的区氖气充入两块玻璃板之间的区域域n显示原理（显示原理（P.33） 在成对的水平和垂直导电带上施在成对的水平和垂直导电带上施加点火电压，使导电带交叉点处加点火电压，使导电带交叉点处的氖气进入辉光放电的等离子区的氖气进入辉光放电的等离子区液晶显示器液晶显示器LCDn液晶的概念液晶的概念物质的三种状态：固态、液态和气态。固态物质的分子之间的方向和位置总是保持不变。而液态物质的分子正好相反。方向和位置总是不停变换。但是液晶介于液态和固态之间：既可以象固体中的分子保持方向又可象液体中的分子自由移动。液晶是在液晶是在18881888年，由奥地利植物学家年，由奥地利植物学家ReinitzerReinitzer发现的，是一种介于固体与液体之间，发现的，是一种介于固体与液体之间，具有规则性分子排列的有机化合物。具有规则性分子排列的有机化合物。 n显示原理显示原理通过阻塞或传递通过阻塞或传递来自周围的或内来自周围的或内部光源的偏振光部光源的偏振光形成图案形成图案LCD 基本结构基本结构观察观察方向方向垂直垂直极板极板垂直垂直网格网格液晶液晶层层水平水平网格网格水平水