1 2020 3 31 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 3 31 交互式計(jì)算機(jī)圖形處理系統(tǒng) Computer 人 交互式 PersonelComputer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 3 31 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 3 31 圖形輸出 顯示 打印 設(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 3 31 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個微型霓虹燈 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 3 31 CRT顯示器分類 陰極射線管 CRT CathodeRayTube 單色CRT彩色CRT 7 2020 3 31 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 3 31 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 可用整個屏幕所能容納的像素個數(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 3 31 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 3 31 射線穿透法 beampenetration 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 3 31 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 3 31 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 3 31 CRT顯示器分類 直視存儲管式 Direct ViewStorageTubes 利用管子本身存儲信息 類似于一個長余輝的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 3 31 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的畫筆 可隨意移動 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 geometricattribute 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 3 31 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 Visualattribute 真實(shí)感圖形 16 2020 3 31 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個像素 M N顯示器的分辨率 幀 17 2020 3 31 邏輯部件 幀緩沖存儲器 FrameBuffer 視頻控制器 VideoController 顯示處理器 DisplayProcessingUuit 簡稱DPU CRT 18 2020 3 31 幀緩沖存儲器 FrameBuffer 作用 存儲屏幕上像素的顏色值也稱刷新存儲器 RefreshingBuffer 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單元的位數(shù)有關(guān) 19 2020 3 31 位面 bitplane 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 3 31 21 2020 3 31 若有24個位面 每種基色8個位面 則可同時(shí)顯示 28 3 224 16777216種顏色 24位真彩色 紅綠藍(lán)三個位面 組合成8種顏色 增加一個亮度位面 形成16種顏色 22 2020 3 31 顯存容量問題 分辨率M N 顏色個數(shù)K與顯存容量V的關(guān)系 23 2020 3 31 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 upTable 24 2020 3 31 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 3 31 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 3 31 隔行掃描 Interlacedscan 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 3 31 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 3 31 顯示處理器 顯示處理器DisplayProcessingUuit 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 3 31 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 3 31 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 GraphicsKernelSystem PHIGS Programmer sHerarchicalIuteractiveGraphicssystem 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 TurboC 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 3 31 通用的 與設(shè)備無關(guān)的圖形標(biāo)準(zhǔn)GKS GraphicsKernelSystem 第一個官方標(biāo)準(zhǔn) 1977 PHIGS Programmer sHerarchicalIuteractiveGraphicssystem 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 3 31 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 動畫制作軟件Softimage和3DStudioMAX 仿真軟件OpenInventor VR軟件WorldToolKit CAM軟件ProEngineer GIS軟件ARC INFO等等 33 2020 3 31 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VisualC 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 3 31 OpenGL圖形庫的功能 一共有100多個函數(shù) 其中核心函數(shù)有115個除了提供基本的點(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 DoubleBuffering 動畫 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