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Introduction to Computer Graphics_2_

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Introduction to Computer Graphics_2_ Powered By Docstoc
					 Lecture 2
图形系统的组成
     图形系统的组成
•图形系统硬件
• 显示设备
• 输入设备
• 硬拷贝设备
•图形系统软件
• Coordinate Representations
• Graphics Functions
   2.1 显示设备
      交互式图 形系统 中一般均以图 形显 示器作为 最基
本的输 出设备 。大部分图 形显 示器的核心是阴极射线 管
( Cathode Ray Tubes )
  Cathode Ray Tubes(CRT)

• 现在最常用的显示设备
• 高电压
• 加热的灯丝
• 电子聚焦系统
• 垂直和水平偏转系统
• 电子束打中荧光物质产生小光点
  CRT Structure

                             Focusing
                             Anode                                      Phosphor Coated Screen
           Control Grid                  Vertical deflection plate

  Cathode




Heating
Filament                  Horizontal deflection plate


                                                        Electron Beam
     电子束及其控制
•    电 子束的亮度是通过调节电 子枪发 射的电 子数来改变 的。由阴极
    发 射出的电 子通过 控制栅 ,当控制栅 加有负电 位时 ,可使发 射出的
    电 子减少,当负 到一定限度时 ,可使电 子束截止。既然荧 光屏的发 光
    亮度决定于射到屏幕上电 子数的多少,所以改变 控制栅 上的电 位就
    可改变显 示亮度。
•    电 子束在发 射途中要互相排斥,因此有发 散开来的趋势 。用聚焦系
    统 可把电 子束聚成一点。聚焦系统 的电 极上加有一定的电 位,此电
    位形成的电场 把电 子束聚焦成一细 束。
•      用电场 或磁场 可控制电 子束的偏转 。上图 所示是用电场实现 偏
    转 的情况。电 子束通过 两对 偏转 板:垂直偏转 板及水平偏转 板,每
    对 板上加有与电 子束在该 方向上的偏转 量成比例的电 位差。当电 子
    束通过 一对 偏转 板时 ,它总 偏向具有较 高电 位的极板。在上图 中,
    电 子束首先通过 水平偏转 板发 生水平偏移,然后通过 垂直偏转 板而
    发 生垂直偏移,这样电 子束就可打在屏幕上的任一点。
  荧光物质

•余辉 :余辉 是指电 子束移去后荧 光屏可继续发 光的时
间。
•余辉时间 :短余辉 的荧 光物质 需要较 高的刷新速率,
以保持荧 幕上的画面不闪动 。短余辉 的荧 光屏常用于
动 画,而长 余辉荧 光屏较 适于显 示复杂稳 定的画面。
   随机扫描显示器(Random-Scan CRT)
在随机扫 描方式下,电 子束只射向屏幕上要显 示画面的部分。电 子束可在
屏幕上任意两个随机寻 址点间 画出一条直线 (矢量),用直线 可组 成各种画
面,因此,随机扫 描显 示器又称为 矢量显 示器。CRT上组 成一个画面的线 段
可按指定的顺 序画出及刷新。
      随机扫描显示器(Random-Scan CRT)
•早期的计算机显示设备:基于示波器的显示设备
•使用垂直/水平偏转电压控制 X,Y坐标
优点
• 有很高的画线质量(Excellent for line drawings)
• 高的分辨率(Generally high resolution)
缺点
• 不能显示逼真的阴影场景(Can not display realistic shaded images)
• 不支持彩色(Not capable of color)
Common Example
Oscilloscopes
  光栅扫描显示器(Raster Scan)
光栅扫 描由屏幕的顶 部开始,由左至右扫过 一行称为 一
条扫 描线 ,如此由上而下扫 描全屏(称为 一帧 )。由于光
栅扫 描系统 是以存储 屏幕每一点的亮度信息来表示一幅
画面的,所以它特别 适合于显 示具有浓 淡及彩色填充区
域的图 形,而矢量显 示系统 一般只限用于画线 。
   光栅扫描显示器(Raster Scan)
光栅显示(Raster Displays)
• 光栅: 多个点形成的矩阵(A rectangular array of points or
  dots)
• 像素: 光栅的一个显示元素或一个点(One dot or picture
  element of the raster)
• 扫描线:一行像素( A row of pixels)
     光栅扫描显示器(Raster Scan)

光栅显示(Raster Displays)
• Frame must be “refreshed” to draw new images
• As new pixels are struck by electron beam, others are decaying
• Electron beam must hit all pixels frequently to eliminate flicker
• Critical frequency
   – Typically 60 times/sec
   – Varies with intensity, individuals, phosphor persistence,
     lighting...
  光栅扫描显示器(Raster Scan)

光栅显示(Raster Displays)
• 逐行扫 描:目前主要采用逐行扫 描方式。
• 隔行扫 描:光栅 从上到下分两场 隔行扫过 屏幕,首先显 示
  偶数行(如0,2,4,…)的场 ,然后显 示奇数行(如1,3,5,
  …)的场 。采用这 种隔行扫 描方式,可在保证显 示信息量
  的前提下降低设备带宽 的要求,因而降低了成本,当显 示
  分辨率很高时 ,用隔行扫 描方式会使画面产 生闪烁 。
    彩色阴极射线管(Color CRT)

Color CRTs are much more complicated
• 需要更精确的几何定位(Requires manufacturing very
  precise geometry)
• 在荧光屏使用彩色荧光粉(Uses a pattern of color
  phosphors on the screen)
• Why red, green, and blue phosphors?




  Delta electron gun arrangement   In-line electron gun arrangement
    彩色阴极射线管(Color CRT)

Color CRTs have
• Three electron guns
• A metal shadow mask to differentiate the beams
  液晶显示器 (Liquid Crystal Displays)

原理:是将液晶置于两片导电 玻璃之间 ,靠两个电
 极间电场 的驱动 ,引起液晶分子扭曲排列,以控
 制光源透射或遮蔽功能,在电 源关开之间产 生明
 暗而将图 像显 示出来,若加上彩色滤 光片,则 可
 显 示彩色图 像。
液晶显示器 (Liquid Crystal Displays)




•当玻璃基板没有加入电场时,光线透过偏光板
跟着液晶做90度扭转,通过下方偏光板,液晶
面板显示白色
液晶显示器 (Liquid Crystal Displays)




当玻璃基板加入电场时,液晶分子产生配列变化
,光线通过液晶分子空隙维持原方向,被下方偏
光板遮蔽,光线被吸收无法透出,液晶面板显示
黑色 。
若加上彩色滤光片,则可显示彩色影像.
   等离子显示器( Plasma Display )
• 等离子显 示器采用等离子管作为发 光元器件,大量的等离子管
  排列在一起构成屏幕,每个等离子 对应 的小室内都充有氖 、氙
  气体。
• 在等离子管电 极间 加上高压 后,封在两层 玻璃之间 的等离子管
  小室中的气体会产 生紫外光激发 平板显 示屏上的红 、绿 、蓝 三
  原色荧 光粉发 出可见 光。
• 每个等离子管作为 一个像素,由这 些像素的明暗和颜 色变 化组
  合产 生具有不同灰度和彩色的图 像。
其它显示设备-立体眼镜
其它显示设备-3D Displays
  光栅扫 描显 示系统 的基本组 成
光栅扫 描显 示系统 的基本组 成


  图形命令   显示处理器   帧缓存   视频控制器   CRT
     帧缓 冲存储 器(Frame   Buffers)

帧缓 冲存储 器(Frame Buffer)简 称为帧缓 存或显 存,它是屏幕所显 示
 画面的一个直接映像,又称为 位映射图 (Bit Map)或光栅 。帧缓 存的每
 一存储单 元对应 屏幕上的一个像素,整个帧缓 存则对应 一帧图 像。
帧缓 冲存储 器的分辨率可以为 :
640 x 480 x 8
1280 x 1024 x 8
1280 x 1024 x 24
1Bit位面,单色系统




          1 bit
        2 levels



        Electron
           Gun
    3Bit位面,8色系统

3


                                    red

                                    green
                                        blue




    COLOR:    black   red   green       blue       yellow       cyan       magenta
    white
          R    0      1     0       0          1            0          1             1
          G    0      0     1       0          1            1          0             1
          B    0      0     0       1          0            1          1             1
    24Bit位面,真彩色系统
24 bitplanes, 8 bits per color gun.
24 bitplanes, 8 bits per color gun.   224 = 16,777,216
                                      224 = 16,777,216

                     8
                     8




              8
              8




       8
       8
   颜色查找表(Color Look-Up Tables)
•采用这 种显 示模式时 ,帧缓 冲器各单 元中所存的不是
相应 像素的颜 色值 ,而是存放CLT中各项 的索引值 (或称
地址),用帧缓 冲器中所存的索引值 可在CLT中查 找出真
正的颜 色值 。
•例如帧缓 冲器的每单 元有8位,可组 合出个地址,则
CLT的长 度为 256。若CLT中存放的颜 色代码 R,G,B均
为 4位,则总 的颜 色数为 种 。
          颜色查找表(Color Look-Up Tables)



y                                                                                          RED
    max
                                                                                           GREEN
                                                       255
                                                                                           BLUE
                                         1
                                     1
                                 0
      y                      0
                         0           67                                                            Pixel displayed
                        0
                    1                                                        1001 1010   0001
                   0
                                                        67 100110100001                            at x', y'
                                                                              R    G      B
              Pixel in
              bit map                                    0
     0        at x', y'
          0         x                        x
                                                 max

                  Bit map                                    Look-up table                         Display
    视频 控制器
视频 控制器是完成CRT屏幕上图 形刷新显 示的部件,它
可以把帧缓 冲器上存储 的亮度值 代码转换为 控制光栅
上相应 像素亮度的模拟电压 ,以便在扫 描过 程中显 示出
帧 存中的图 形。
                X地址寄存器
         线性地址




                           光栅扫描
                            发生器
                                  水平与垂直
  帧缓冲器




                                   偏转信号
                Y地址寄存器



                像素颜色值寄存器          像素颜色值
  光栅扫描系统的组成(Raster System)
图 形显 示系统 要显 示的图 形一般均以图 形命令的形式
存放在主机的应 用程序中。例如,如果要画一个填充三角
形,则应 当有一段绘 制三角形及指明填充色的命令组 成
的程序。用显 示处 理器可把应 用程序中的图 形命令翻译
成为 存储 在帧缓 冲器中的像素亮度值
    光栅扫描系统的组成(Raster System)
Architecture of a raster graphics system with a
display processor
硬拷贝设备-打印机
硬拷贝设备-绘图仪
硬拷贝设备-绘图仪
  图 形软 件及图 形软 件标 准
图 形系统 中的硬设备 要在图 形软 件的驱动 下才能工作。
早期的图 形软 件,一般使用现 有的高级语 言编 写,或把
现 有的高级语 言的功能加以扩 充,使具有图 形处 理的功
能。
为 了使编 写的程序有较 好的可移植性,让 使用图 形系统
的人不重复编 写同样 的图 形程序,出现 了多种商用图 形
软 件包。
  图 形软 件的层 次结 构及功能
整个计 算机系统 可抽象成为 一个层 次结 构。最内层为 系
统 硬件设备 ,由内向外依次为 管理及调 度计 算机的操作
系统 ,各种程序设计语 言、数据库 管理等系统软 件,文
字及图 形处 理等应 用软 件及用户应 用程序。
在计 算机CRT上绘 制图 形可在不同的层 次上实现 ,如既
可以用某种程序语 言中的绘图语 言也可使用各种专 用的
图 形应 用软 件。
  图 形软 件的层 次结 构及功能
在最内层 主要是解决图 形设备 与计 算机的通信问题 ,即
各种设备 的驱动 程序,由于要求这 些程序要有较 高的效
率,所以常用汇编语 言或效率较 高的高级语 言编 写。驱
动 程序常常是操作系统设备 管理程序的一部分,多由硬
件设备 厂商提供。
较 外层 的核心是用某种语 言编 写的图 形元素绘 制、变换
、处 理的程序,它们 是图 形软 件包的核心部分,这 部分常
可在不同的机器上移植,以提高 图 形软 件包的生命期。
  图 形软 件标 准
最近几年,随着大型通用图 形软 件包的发 展,出现 了图
形软 件包功能标 准化的要求,国际 及各国的标 准化组织
已研制了若干种图 形标 准。这 些标 准的出发 点是为 了提
高软 件的灵活性。一个图 形软 件包按标 准图 形功能设计
,就可在不同的硬件系统 之间 移植,并可适用于各种场
合,这 将大大减少图 形程序开发 的工作量。
  图 形软 件标 准
应对 三个软 件接口实现标 准化
第一个接口是应 用程序与图 形软 件包的接口。图 形软 件
包是一组 常用的图 形处 理子程序的集合,它的标 准化可
实现图 形软 件包及应 用程序在源程序级 的可移植性。
第二个接口是图 形软 件包与硬件设备 之间 的接口,它的
标 准化可使图 形软 件独立于设备 。
第三个接口是图 形数据接口,它规 定了图 形数据文件的
格式。图 形数据接口的标 准化可使图 形数据文件独立于
系统 。
  应用程序接口标准
(1)CORE图形标准
(2)GKS图形核心系统
(3)程序员层次结构交互式图形标准 PHIGS
  图形设备接口标准
目前已拟订 的图 形设备 接口标 准是美国ANSI 制定的虚
拟设备 接口VDI .
此标 准是实现 与设备 无关的核心软 件(如GKS)与依赖
于设备 的代码 之间连 接的接口标 准。
  图形数据接口标准
目前,已拟订 的图 形数据接口标 准是美国ANSI制订 的虚
拟设备 文件VDM .
此接口可以描述画面的数据信息,以与 设备 无关的方式
传递 及存储 数据。

				
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posted:4/10/2014
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