交互式计算机图形处理系统

0
2NDAC
有N个位面的帧缓存 0-2N-1灰度等级 帧缓存
1 0
电子枪 CRT光栅
红色枪 绿色枪 蓝色枪
0
DAC DAC DAC
1
0
0
寄存器
CRT光栅
位面技术（3/3）
红绿蓝三个位面，组合成8种颜色
Black Blue Green Cyan
Red Magenta Yellow White红ຫໍສະໝຸດ 0 0 0光栅扫描的显示系统
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
隔行扫描（Interlaced scan）工作原理
一帧完整的画面分成两场，即奇数场与偶数场 场频= 帧频 * 2 一帧1／30秒，一场1／60秒 帧频30HZ ，场频60HZ 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
扫描仪的指标 分辨率 光学分辨率：单位长度上能采样信息点数 插值分辨率：驱动软件插值计算得到的分辨率 扫描分辨率：扫描时的实际输入分辨率
原稿尺寸
原稿放大倍数：如光学分辨率为6000dpi，所需图像分辨率 为300dpi，则可放大20倍
位深度/色深度：可获取图像的最大灰度级数、最多颜色数
交互式计算机图形处理系统
Computer + 人 = 交互式 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
Personal Computer图形处理系统
个人计算机（PC）+ 图形输入输出设备 + 图形支撑软件 传统PC采用复杂指令集技术（CISC）和windows操作系统 单任务操作模式和二维图形处理能力 打印机 绘图仪 鼠标器 键盘
图形输出设备（2）
彩色CRT 渗透型 常用于随机扫描显示器(电子束的移动方 式是随机的，取决于显示命令) 用射线穿透法 多枪型 常用于光栅扫描显示器（固定顺序扫描） 用影孔板法
射线穿透法（beam penetration）
原理：双层荧光涂层，红绿两种发光物质，不同速度 电子束穿透荧光层的深浅，决定所产生的颜色
显存分成若干颜色的位平面（bit plane） 各平面上相同位置的每一位和屏幕上的一个像素对应， 即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， 位平面越多，可表达的色彩越丰富，增加一个位面， 色彩就增加一倍
位面技术（2/3）
0 1
N位寄存器 0 1 0
刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数
某种CRT产生稳定图像所需要的最小刷新频率 =1秒/余辉时间 像素(Pixel)：构成屏幕（图像）的最小元素 分辨率(Resolution)：CRT在水平或竖直方向单位长度上能识 别的最大像素个数，也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
色调灵敏度
斯坦福大学著名图形学专家Marc Levoy曾带领30人工作小组于90年 代末期对文艺复兴时期雕刻大师米 开朗基罗的众多艺术品进行扫描， 保存其形状和面片信息，为此专门 设计了一套硬件和软件系统 扫描数据量惊人，仅大卫像就有20 亿个多边形和7000张彩色图像，总 共需要72G的磁盘容量
简单光栅扫描图形显示系统
帧缓存为系统内存任一块区 域，视频控制器能直接存取 该区域以刷新屏幕
典型的光栅扫描图形显示系统
帧缓存可以是专用的存储器 也可是系统内存中的一块固定 区域
帧缓冲存储器（Frame Buffer）
也称刷新存储器(Refreshing Buffer),简称帧缓冲器，俗称 显存,用于存储屏幕上像素的颜色值
图像扫描仪（Image Scanner）
滚筒式扫描仪 由电子分色机发展而来，用光电倍增管作为 颜色感受器，将光信号转换为电信号 扫描图像质量相对较高，可扫描幅面较大 平板式扫描仪 采用电荷耦合器件CCD 通过由透镜和反射镜组成的光学系统， 将图像数据传送到光敏CCD芯片上， 采用半导体芯片捕获图像数据
图形输入设备（3）
头盔式显示器（HMD） 将观察者头部位置及运动方向输 入计算机，计算机就可以调整观 察者所看到的视景，使图像呈现 更趋于真实 利用特殊光学设备对图像进行处 理，使图像看上去立体感更强 把用户的视觉、听觉和其他感觉 封装起来，产生一种身在虚拟环 境中的错觉
图形输入设备（4）
3个位面、分辩率是1024×1024的显示器 需要3×1024×1024（3145728）位的存储器
若存储器位数固定，则屏幕分辩率与同时可用颜色种数成反比 1兆字节的帧缓存 若设分辩率为640×480，则帧缓存每个单元可有24位，可能 同时显示224种颜色 若设分辩率为1024×768，则每个单元分得的位数仅略多于8， 只能工作于256色显示模式下
荫罩式（点状）影孔板工作原理
红、绿、蓝三基色
三色荧光点（很小并充分靠近--〉像素） 三支电子枪 电子枪、影孔板中的一个 小孔和荧光点呈一直线
每个小孔与一个像素（即 三个荧光点）对应
图形输出设备（3）
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）
图形输入设备（1）
三维鼠标和空间球：根据球在不同方向受到的推拉压力来实 现定位和选择
空间球 三维鼠标
图形输入设备（2）
数据手套（Data glove） 可测量出手的位置和形状，实现环境中的虚拟手及其对虚 拟物体的操纵 数据手套通过手指上的弯曲、扭曲传感器和手掌上的弯度、 弧度传感器，确定手及关节的位置和方向
通常为多任务操作模式
主要内容
交互式计算机图形系统 图形输入设备 图形输出设备 GPU介绍 OpenGL图形库简介
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、 操纵杆等 扫描仪 第四阶段 三维输入设备：如三维鼠标、空间球、数据手套等 智能人机接口：用户的手势、表情、语音等
绿 0 0 1
蓝 0 1 0
0
1 1 1 1
1
0 0 1 1
1
0 1 0 1
增加一个亮度位面，形成16种颜色
若有24个位面（每种基色8个位面），可同时显示(28)3 =224=16777216种颜色（24位真彩色）
显存容量
分辨率M*N、颜色个数K与显存容量V的关系
V M N log2 K
交互式计算机图形处理系统
哈尔滨工业大学计算机学院 唐好选
2013年5月15日
主要内容
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交互式计算机图形系统的组成
图形输入设备
通 用 外 部 设 备
计算机
图形输出设备
图 形 显 示 终 端
交互式计算机图形处理系统的功能
这是实体图形输入的一个颠峰之作
图形输入设备（5）
数码相机
图形输入的一个特殊领域
主要用于“真实物体三维信息输入”
图形输入设备（6）
三维数字化仪
电磁感应原理 由一块数据板和一根触笔组成 数据板中布满了金属栅格，当触笔移动 时，其正下方金属栅格会产生感应电流 根据已产生电流的金属栅格的位置，可 判断触笔当前的几何位置 许多数字化仪提供了多种压感电流，用 不同压力就会有不同的信息传向计算机
应用程序发出绘图命令 →解析成显示处理器可接受的命令格式 存放在刷新存储器中 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释执行(刷新) →视频控制器控制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
图形处理器
图形处理器：俗称显卡 CGA EGA VGA TVGA SVGA XGA SXGA
图形输入设备（7）
美术家数字化仪
带压力传感器，无绳触笔 通过控制笔的压力绘制不同风格的画
主要内容
交互式计算机图形系统 图形输入设备 图形输出设备 GPU介绍 OpenGL图形库简介
图形输出设备
阴极射线管显示器（CRT：Cathode Ray Tube
）
单色CRT
彩色CRT 液晶显示器（LCD） 绘图仪，打印机 双监视器图形工作站 Media-Wall多屏幕系统——监视器阵列
计算功能：包括形体设计和分析的算法程序库及描述 形体的数据库。最基本的功能有点线面的表示及其求 交、分类、几何变换，光色模型的建立和计算等 存储功能：存储形体几何元素的拓扑信息和属性信息 对话功能：包括图形观察、选择和拾取等操作 输入功能：将形体的定位、定形尺寸及必要的参数和 命令输入到计算机中 输出功能：文字、图形、图像信息的展示
荧光涂层 产生颜色 低速电子束 电子束 较低速电子束 较高速电子束
高速电子束
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
外层玻璃
荧光涂层
影孔板的类型
点状影孔板（荫罩式）：球面显像管 栅格式影孔板（荫栅式）：柱面显像管 沟槽式影孔板：Flatron显像管
彩色图形显示器 TVGA卡
Work Station图形处理系统
图形工作站 + 图形输入输出设备 + 图形支撑软件 工作站是具有高速的科学计算、丰富的图形处理、灵活的窗
口及网络管理功能的交互式计算机系统
工作站一般采用RISC结构处理器 操作系统多为UNIX 专门用于处理图形 具备二维和三维图形处理能力
随机扫描显示系统
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：以几何属性（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
显示主芯片
显卡的核心，俗称GPU 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 各图形函数基本上都集成在这里
显存
存储将要显示的图形信息 保存图形运算的中间数据 它与显示主芯片的关系，就像计算机的内存与CPU一样
RAMDAC
视频存储数字模拟转换器 在视频处理中，把二进制的数字转换成为和显示器相适应 的模拟信号
图形输出设备（1）
阴极射线管(CRT)
组成：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
荧光屏的指标
余辉时间：持续发光时间，从电子束离开某点后，该点的亮度 值衰减到初始值所需要的时间 刷新(Refresh)：为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值
计算机图形处理系统
绘图仪 Computer
DPU
视频控制器 输入设备
display
printer
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 Unit，简称DPU） CRT
光栅扫描显示系统工作原理
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 显示颜色的种类与帧缓存中每个单元的位数有关
视频控制器（显示控制器）
作用：控制图形的显示，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
位面技术（1/3）