图形输入输出设备.ppt

1、1,2020/9/24,交互式计算机图形处理系统,Computer + 人 = 交互式,Personel Computer图形处理系统,workstation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,2,2020/9/24,硬件发展,图形输入设备的发展 第一阶段：控制开关、穿孔纸等 第二阶段：键盘、光笔 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 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,3,2020/9/24,图形输出(显示、打印）设备

2、阴极射线管显示器（CRT） 液晶显示器（LCD） 绘图仪 打印机,4,2020/9/24,未来显示器,发光聚合物技术 坚不可摧；柔韧性好，可以卷起来 显示画面具有无与伦比的清晰度 真正的平面直角,采用空气等离子体技术 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 显示屏薄，挂在墙上 无锯齿现象，分辨率好 无需刷新缓存，重量轻，无辐射 价格贵,5,2020/9/24,CRT显示器分类,阴极射线管（CRT）（Cathode Ray Tube） 单色CRT 彩色CRT,6,2020/9/24,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

3、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,7,2020/9/24,荧光屏,荧光物质：吸收电子束而发光 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 刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数 像素(Pixel)：构成屏幕（图像）的最小元素 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）

4、,8,2020/9/24,彩色CRT 渗透型 常用于随机扫描显示器 射线穿透法 多枪型 常用于光栅扫描显示器 影孔板法（阴罩法）,彩色阴极射线管,9,2020/9/24,射线穿透法（beam penetration） 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,10,2020/9/24,影孔板法 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,影孔板的类型 点状影孔板 代表：大多数球面与柱面显像管 栅格式影孔板 代表：Sony的Trinitron与Mitsubi

5、shi的 Diamondtron显像管 沟槽式影孔板 代表：LG的Flatron显像管,11,2020/9/24,点状影孔板工作原理 红、绿、兰三基色 三色荧光点（很小并充分靠近-像素） 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,12,2020/9/24,CRT显示器分类,直视存储管式（Direct-View Storage Tubes） 利用管子本身存储信息，类似于一个长余辉的CRT，不必刷新 刷新式 随机扫描式（Random-Scan） 光栅扫描式（Raster-Scan）,13,2020/9/24,

6、随机扫描的显示系统,特点 数据表示：矢量表示，只有端点信息，无线段中间点 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 显示图形：几何属性（geometric attribute）为主，线架图 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 缺点：价格贵，只能显示线画图形，应用于军事、CAD领域,14,2020/9/24,光栅扫描的显示系统,特点： 数据表示：像素矩阵 扫描方式：从上到下，从左到右，与电视工作原理类似 显示图形：几何属性+视觉属性（Visual attribute），真实感图形,15,2020/9/24,

7、显示器的分辨率 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,16,2020/9/24,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,17,2020/9/24,帧缓冲存储器（Frame Buffer) 作用：存储屏幕上像素的颜色值 也称刷新存储器(Refreshing Buffer) 简称帧缓冲器，俗称显存,帧缓存中单元数目与显示器上像素的数目相同 单元与像素一一对应 各单元的数值决定了其对应像素的颜色。 显示

8、颜色的种类与帧缓存中每个单元的位数有关。,18,2020/9/24,位面（bit plane）技术,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。,19,2020/9/24,20,2020/9/24,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）。,红绿蓝三个位面，组合成8种颜色,增加一个亮度位面，形成16种颜色,21,

9、2020/9/24,显存容量问题,分辨率M*N、颜色个数K与显存容量V的关系,22,2020/9/24,显存容量问题,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,高分辨率和真彩要求有大的显存；,解决方法：采用查色表(Look-up Table）,23,2020/9/24,查色表（LUT）,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,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。,颜色信息在帧缓存中的两种存放方式： 颜色值直接存储在帧缓存中。 把颜色码放在一个独立的表中，帧缓存存放的

10、是颜色表中各项的索引值，索引色。 单色系统：查色表固化 彩显：可修改、创建查色表。,24,2020/9/24,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,25,2020/9/24,隔行扫描（Interlaced scan）工作原理,场频：= 帧频 * 2,一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。,26,2020/9/24,视频控制器（显示控制

11、器）,作用： 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,27,2020/9/24,显示处理器,显示处理器 Display Processing Uuit，简称DPU 作用： 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,28,2020/9/24,光栅显示系统的特点 优点： 成本低 易于绘制填充图形 灰度和色彩丰富，图像逼真 可以和电视机兼容 刷新频率一定，与图形的复杂程度无关 缺点： 需要扫描转换 扫描转换速度偏低，交互操作响应慢 分辨率偏低，有阶梯效应,29,2020/9/24,图形软件发展及软件标准形

12、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。,30,2020/9/24,通用的、与设备无关的图形标准 GKS (Graphics Kernel System

13、) (第一个官方标准，1977) PHIGS(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 DirectX (MS) Xlib (X-Window系统) OpenGL (SGI) Adobe公司Postscript,31,2020/9/24,开放式的三维图形软件包OpenGL,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。 目前，包括Microsoft

14、、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。 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。,32,2020/9/24,OpenGL的优越性,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； 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； 使用简便，效率高。,33,2020/9/24,OpenGL图形库的功能,一共有100多个函数。其中核心函数有115个 除了提供基本的点