第2章 图形输入输出设备

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像素个数描述,如640*480,800*600,1024*768, 1280*1024等等
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彩色阴极射线管
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)
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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
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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Mitsubishi的 Diamondtron显像管 沟槽式影孔板 代表:LG的Flatron显像管
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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。
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OpenGL图形库的功能
如: GKS (Graphics Kernel System)
PHIGS (Programmer’sHerarchical 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。
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。
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带宽问题
•带宽T与分辨率、帧频(刷新频率)F的关系
T MNF
•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
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隔行扫描(Interlaced scan)工作原理
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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
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图形输出(显示、打印)设备
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CRT显示器分类
阴极射线管(CRT)(Cathode Ray Tube) 单色CRT 彩色CRT
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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
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
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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。
输入设备
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
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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
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踏实,奋斗,坚持,专业,努力成就 未来。20.12.1020.12.10Thurs day, December 10, 2020 弄虚作假要不得,踏实肯干第一名。13:09:5313:09:5313:0912/10/2020 1:09:53 PM 安全象只弓,不拉它就松,要想保安 全,常 把弓弦 绷。20.12.1013:09:5313:09Dec-2010-Dec-20 重于泰山,轻于鸿毛。13:09:5313:09:5313:09Thursday, December 10, 2020 不可麻痹大意,要防微杜渐。20.12.1020.12.1013:09:5313:09:53December 10, 2020 加强自身建设,增强个人的休养。2020年12月10日 下午1时 9分20.12.1020.12.10 追求卓越,让自己更好,向上而生。2020年12月10日星期 四下午1时9分53秒13:09:5320.12.10 严格把控质量关,让生产更加有保障 。2020年12月 下午1时 9分20.12.1013:09Dec ember 10, 2020 重规矩,严要求,少危险。2020年12月10日 星期四1时9分53秒13:09:5310 December 2020 好的事情马上就会到来,一切都是最 好的安 排。下 午1时9分53秒 下午1时 9分13:09:5320.12.10 每天都是美好的一天,新的一天开启 。20.12.1020.12.1013:0913:09:5313:09:53Dec-20 务实,奋斗,成就,成功。2020年12月10日 星期四1时9分53秒Thursday, December 10, 2020 抓住每一次机会不能轻易流失,这样 我们才 能真正 强大。20.12.102020年 12月10日星期 四1时9分53秒 20.12.10
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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
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图形软件发展及软件标准形成
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
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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,帧缓存存放的是颜色
第二章 交互式计算机图形处理系统
计算机学院 苏小红
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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
Personel Computer图形处理系统 workstation图形处理系统
一帧完整的画面分成两场,即奇数场与偶数场
场频:= 帧频 * 2
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。
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视频控制器(显示控制器)
目前,包括Microsoft、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。
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)
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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
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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
V M N log2 K
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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。
高分辨率和真彩要求有大的显存; 1024*768真彩模式需要3M字节显存
解决方法:采用查色表(Look-up Table)
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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
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)
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
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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
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CRT显示器分类
直视存储管式(Direct-View Storage Tubes)
类似 显示图形:几何属性+视觉属性(Visual
attribute),真实感图形
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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。

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绘图仪
Computer
DPU
视频控制器 display
printer
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
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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
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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。
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
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通用的、与设备无关的图形标准 GKS (Graphics Kernel System) (第一个官方标准,1977) PHIGS(Programmer’s Herarchical Iuteractive Graphics system)
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。
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0 1 0
N位寄存器 0 10
有N个位面的帧缓存
2NDAC
电子枪
0~2N-1灰度等级
0 1 0
寄存器
0 1 0
DAC DAC DAC
红色枪 绿色枪 蓝色枪
帧缓存
阴极射线管显示器(CRT) 液晶显示器(LCD) 绘图仪 打印机
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未来显示器
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
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
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
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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
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。
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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。
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CRT光栅 CRT光栅
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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
红绿蓝
Black
000
Blue
001
Green 0 1 0
Cyan
011
Red
100
Magenta 1 0 1
Yellow 1 1 0
White 1 1 1
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)。
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、线、多边形的绘制函数外,还提供了复 杂的三维物体(球、锥、多面体、茶壶等)以及复杂曲线和 曲面(如Bezier、NURBS等曲线或曲面)绘制函数。 基本几何变换和投影变换。 颜色模式设置 光照和材质设置 纹理映射功能 位图显示和图象增强 :反走样(Antialiasing)和雾(fog)的特殊 图象效果处理 双缓存(Double Buffering)动画:双缓存即前台缓存和后台缓 存,即后台缓存计算场景、生成画面,前台缓存显示后台缓 存已画好的画面。
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