1,2020/9/12,第二章 交互式計(jì)算機(jī)圖形處理系統(tǒng)計(jì)算機(jī)學(xué)院蘇小紅,2,2020/9/12,交互式計(jì)算機(jī)圖形處理系統(tǒng),Computer + 人 = 交互式,Personel Computer圖形處理系統(tǒng),workstation圖形處理系統(tǒng),要求主機(jī)性能更高（強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算能力），速度更快，存儲容量更大，外設(shè)種類更齊全 圖形加速卡，大屏幕顯示器,3,2020/9/12,硬件發(fā)展,圖形輸入設(shè)備的發(fā)展 第一階段：控制開關(guān)、穿孔紙等 第二階段：鍵盤、光筆 第三階段：二維定位設(shè)備，如鼠標(biāo)、坐標(biāo)數(shù)字化儀、跟蹤球、觸摸屏、操縱桿、掃描儀等 第四階段：三維輸入設(shè)備（如三維鼠標(biāo)、空間球、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣），用戶的手勢、表情等,4,2020/9/12,圖形輸出(顯示、打?。┰O(shè)備 陰極射線管顯示器（CRT） 液晶顯示器（LCD） 繪圖儀 打印機(jī),5,2020/9/12,未來顯示器,發(fā)光聚合物技術(shù) 堅(jiān)不可摧；柔韌性好，可以卷起來 顯示畫面具有無與倫比的清晰度 真正的平面直角,采用空氣等離子體技術(shù) 空氣等離子體可想象成一個(gè)個(gè)微型霓虹燈，紅綠藍(lán)三種不同顏色的像素 顯示屏薄，掛在墻上 無鋸齒現(xiàn)象，分辨率好 無需刷新緩存，重量輕，無輻射 價(jià)格貴,6,2020/9/12,CRT顯示器分類,陰極射線管（CRT）（Cathode Ray Tube） 單色CRT 彩色CRT,7,2020/9/12,陰極射線管(CRT) 組成：包括電子槍、聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、熒光屏 工作原理：電子槍發(fā)射電子束，經(jīng)過聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏 轉(zhuǎn)系統(tǒng)，轟擊到熒光屏的不同部位，被其內(nèi)表面的 熒光物質(zhì)吸收，發(fā)光產(chǎn)生可見的圖形。 結(jié)構(gòu),8,2020/9/12,熒光屏,熒光物質(zhì)：吸收電子束而發(fā)光 余輝時(shí)間：持續(xù)發(fā)光時(shí)間，電子束離開某點(diǎn)后，該點(diǎn)的亮度值衰減到初始值 刷新頻率：每秒鐘重繪屏幕的次數(shù) 像素(Pixel)：構(gòu)成屏幕（圖像）的最小元素 分辨率(Resolution)：在假定 屏幕尺寸一定的情況下，可用整個(gè)屏幕所能容納的 像素個(gè)數(shù)描述，如640*480，800*600，1024*768， 1280*1024等等,某種CRT產(chǎn)生穩(wěn)定圖像所需要的最小刷新頻率 =1秒/熒光物質(zhì)的持續(xù)發(fā)光時(shí)間（Hz）,9,2020/9/12,彩色CRT 滲透型 常用于隨機(jī)掃描顯示器 射線穿透法 多槍型 常用于光柵掃描顯示器 影孔板法（陰罩法）,彩色陰極射線管,10,2020/9/12,射線穿透法（beam penetration） 原理：兩層熒光涂層，紅色光和綠色光兩種發(fā)光物質(zhì)，不同速度電子束穿透熒光層的深淺，決定所產(chǎn)生的顏色,應(yīng)用：主要用于畫線顯示器 優(yōu)點(diǎn)：成本低 缺點(diǎn)：只能產(chǎn)生有限幾種顏色,11,2020/9/12,影孔板法 原理：影孔板被安裝在熒光屏的內(nèi)表面，用于精確定位像素的位置,影孔板的類型 點(diǎn)狀影孔板 代表：大多數(shù)球面與柱面顯像管 柵格式影孔板 代表：Sony的Trinitron與Mitsubishi的 Diamondtron顯像管 溝槽式影孔板 代表：LG的Flatron顯像管,12,2020/9/12,點(diǎn)狀影孔板工作原理 紅、綠、蘭三基色 三色熒光點(diǎn)（很小并充分靠近-像素） 三支電子槍,如果每支電子槍發(fā)出的電子束的強(qiáng)度有256個(gè)等級，則顯示器能同時(shí)顯示256*256*256=16M種顏色，稱為真彩色系統(tǒng),13,2020/9/12,CRT顯示器分類,直視存儲管式（Direct-View Storage Tubes） 利用管子本身存儲信息，類似于一個(gè)長余輝的CRT，不必刷新 刷新式 隨機(jī)掃描式（Random-Scan） 光柵掃描式（Raster-Scan）,14,2020/9/12,隨機(jī)掃描的顯示系統(tǒng),特點(diǎn) 數(shù)據(jù)表示：矢量表示，只有端點(diǎn)信息，無線段中間點(diǎn) 掃描方式：電子束像一支快速移動(dòng)的畫筆，可隨意移動(dòng)，只掃描熒屏上要顯示的部分，與示波器工作原理類似 顯示圖形：幾何屬性（geometric attribute）為主，線架圖 優(yōu)點(diǎn)：掃描速度快，分辨率高，線條質(zhì)量好，易修改，交互性好，動(dòng)態(tài)性能好 缺點(diǎn)：價(jià)格貴，只能顯示線畫圖形，應(yīng)用于軍事、CAD領(lǐng)域,15,2020/9/12,光柵掃描的顯示系統(tǒng),特點(diǎn)： 數(shù)據(jù)表示：像素矩陣 掃描方式：從上到下，從左到右，與電視工作原理類似 顯示圖形：幾何屬性+視覺屬性（Visual attribute），真實(shí)感圖形,16,2020/9/12,顯示器的分辨率 電子束按固定的掃描順序掃描N條掃描線，每條 掃描線有M個(gè)像素，M * N顯示器的分辨率。,幀,17,2020/9/12,邏輯部件： 幀緩沖存儲器（Frame Buffer) 視頻控制器（Video Controller) 顯示處理器（Display Processing Uuit，簡稱DPU） CRT,18,2020/9/12,幀緩沖存儲器（Frame Buffer) 作用：存儲屏幕上像素的顏色值 也稱刷新存儲器(Refreshing Buffer) 簡稱幀緩沖器，俗稱顯存,幀緩存中單元數(shù)目與顯示器上像素的數(shù)目相同 單元與像素一一對應(yīng) 各單元的數(shù)值決定了其對應(yīng)像素的顏色。 顯示顏色的種類與幀緩存中每個(gè)單元的位數(shù)有關(guān)。,19,2020/9/12,位面（bit plane）技術(shù),把顯存分成若干色平面，各平面上相同位置的每一位和屏幕上的一個(gè)像素對應(yīng)，同一像素點(diǎn)在各位面占同一地址，不同位面上同一像素地址中的內(nèi)容決定像素的顏色。,色平面越多，可表達(dá)的色彩越豐富。,增加一個(gè)位面，色彩就增加一倍，而存儲器寫操作程序無需重新計(jì)算新地址，程序兼容性好。,20,2020/9/12,21,2020/9/12,若有24個(gè)位面（每種基色8個(gè)位面）則可同時(shí)顯示(28)3 =224=16777216種顏色（24位真彩色）。,紅綠藍(lán)三個(gè)位面，組合成8種顏色,增加一個(gè)亮度位面，形成16種顏色,22,2020/9/12,顯存容量問題,分辨率M*N、顏色個(gè)數(shù)K與顯存容量V的關(guān)系,23,2020/9/12,顯存容量問題,若存儲器位長固定，則屏幕分辯率與同時(shí)可用的顏色種數(shù)成反比關(guān)系。,1024*768真彩模式需要3M字節(jié)顯存,高分辨率和真彩要求有大的顯存；,解決方法：采用查色表(Look-up Table）,24,2020/9/12,查色表（LUT）,是一維線性表，其每一項(xiàng)的內(nèi)容對應(yīng)一種顏色，它的長度由幀緩存單元的位數(shù)決定,目的：在幀緩存單元的位數(shù)不增加的情況下，具有大范圍內(nèi)挑選顏色的能力。,顏色信息在幀緩存中的兩種存放方式： 顏色值直接存儲在幀緩存中。 把顏色碼放在一個(gè)獨(dú)立的表中，幀緩存存放的是顏色表中各項(xiàng)的索引值，索引色。 單色系統(tǒng)：查色表固化 彩顯：可修改、創(chuàng)建查色表。,25,2020/9/12,帶寬T與分辨率、幀頻（刷新頻率）F的關(guān)系 帶寬問題 高分辨率和高刷新頻率要求高帶寬 解決方法：隔行掃描,帶寬問題,26,2020/9/12,隔行掃描（Interlaced scan）工作原理,場頻：= 幀頻 * 2,一幀完整的畫面分成兩場，即奇數(shù)場與偶數(shù)場,優(yōu)點(diǎn)： 降低了閃爍效應(yīng)； 只需逐行的一半時(shí)間即可顯示一屏畫面，降低了對掃描頻率的要求，也降低了成本； 幀緩存中數(shù)據(jù)量比逐行掃描少一半，降低了視頻控制器存取幀緩存的速度及傳輸帶寬的要求。,27,2020/9/12,視頻控制器（顯示控制器）,作用： 制圖形的顯示，建立幀緩存與屏幕像素之間的一一對應(yīng)關(guān)系，負(fù)責(zé)按固定刷新頻率和掃描順序刷新屏幕圖形,28,2020/9/12,顯示處理器,顯示處理器 Display Processing Uuit，簡稱DPU 作用： 代替CPU完成部分圖形處理功能，掃描轉(zhuǎn)換、幾何變換、裁剪、光柵操作、紋理映射等等,29,2020/9/12,光柵顯示系統(tǒng)的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)： 成本低 易于繪制填充圖形 灰度和色彩豐富，圖像逼真 可以和電視機(jī)兼容 刷新頻率一定，與圖形的復(fù)雜程度無關(guān) 缺點(diǎn)： 需要掃描轉(zhuǎn)換 掃描轉(zhuǎn)換速度偏低，交互操作響應(yīng)慢 分辨率偏低，有階梯效應(yīng),30,2020/9/12,圖形軟件發(fā)展及軟件標(biāo)準(zhǔn)形成,三種類型的計(jì)算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)： (1)用某種語言寫成的子程序包 如: GKS (Graphics Kernel System) PHIGS (ProgrammersHerarchical Iuteractive Graphics system ) GL 便于移植和推廣、但執(zhí)行速度相對較慢，效率低 (2）擴(kuò)充計(jì)算機(jī)語言，使其具有圖形生成和處理的功能 如：Turbo C，AutoLisp等。 簡練、緊湊、執(zhí)行速度快，但不可移植 （3）專用圖形系統(tǒng)：效率高，但系統(tǒng)開發(fā)量大，可移植性差。,31,2020/9/12,通用的、與設(shè)備無關(guān)的圖形標(biāo)準(zhǔn) GKS (Graphics Kernel System) (第一個(gè)官方標(biāo)準(zhǔn)，1977) PHIGS(Programmers Herarchical Iuteractive Graphics system) 一些非官方圖形軟件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)界，成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn) DirectX (MS) Xlib (X-Window系統(tǒng)) OpenGL (SGI) Adobe公司Postscript,32,2020/9/12,開放式的三維圖形軟件包OpenGL,OpenGL是近幾年發(fā)展起來的一個(gè)性能卓越的三維圖形標(biāo)準(zhǔn)，它是在SGI等多家世界聞名的計(jì)算機(jī)公司的倡導(dǎo)下，以SGI的GL三維圖形庫為基礎(chǔ)制定的一個(gè)通用共享的開放式三維圖形標(biāo)準(zhǔn)。 目前，包括Microsoft、SGI、IBM、SUN、HP等大公司都采用了OpenGL做為三維圖形標(biāo)準(zhǔn)，許多軟件廠商也紛紛以O(shè)penGL為基礎(chǔ)開發(fā)出自己的產(chǎn)品。 其中比較著名的產(chǎn)品包括：動(dòng)畫制作軟件Softimage和3D Studio MAX、仿真軟件Open Inventor、VR軟件World Tool Kit、CAM軟件ProEngineer、GIS軟件ARC/INFO等等。,33,2020/9/12,OpenGL的優(yōu)越性,獨(dú)立于窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，以它為基礎(chǔ)開發(fā)的應(yīng)用程序可以十分方便地在各種平臺間移植； 可與Visual C+緊密接口，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的有關(guān)計(jì)算和圖形算法，可保證算法的正確性和可靠性； 使用簡便，效率高。,34,2020/9/12,OpenGL圖形庫的功能,一共有100多個(gè)函數(shù)。其中核心函數(shù)有115個(gè) 除了提供基本的點(diǎn)、線、多邊形的繪制函數(shù)外，還提供了復(fù)雜的三維物體（球、錐、多面體、茶壺等）以及復(fù)雜曲線和曲面（如Bezier、NURBS等曲線或曲面）繪制函數(shù)。 基本幾何變換和投影變換。 顏色模式設(shè)置 光照和材質(zhì)設(shè)置 紋理映射功能 位圖顯示和圖象增強(qiáng) ：反走樣(Antialiasing)和霧(fog)的特殊圖象效果處理 雙緩存(Double Buffering)動(dòng)畫：雙緩存即前臺緩存和后臺緩存，即后臺緩存計(jì)算場景、生成畫面，前臺緩存顯示后臺緩存已畫好的畫面。,