计算机图形学第二章

第2章计算机图形系统综述内容：视频显示设备输入设备硬拷贝（输出）设备图形软件图形系统标准2/1/202312.1、视频显示设备阴极射线管彩色阴极射线管随机扫描显示系统光栅扫描系统2/1/202322.1.1阴极射线管（CRT)阴极射线管(CRT-CathodeRayTube)组成：包括电子枪、加速结构、聚焦系统、偏转系统、荧光屏2/1/20233工作原理电子束由电子枪发出，经过聚焦系统、加速系统和磁偏转系统就会到达荧光屏的特定位置。由于荧光物质在高速电子的轰击下会发生电子跃迁，即电子吸收到能量从低能态变为高能态。由于高能态很不稳定，在很短的时间内荧光物质的电子会从高能态重新回到低能态，这时将发出荧光，屏幕上的那一点就会亮了。2/1/20234要保持显示一幅稳定的画面，必须不断地发射电子束刷新频率刷新一次是指电子束从上到下扫描一次的过程刷新频率高到一定值后，图象才能稳定显示2/1/20235电子枪电灯丝，阴极和控制栅组成。阴极：由灯丝加热发出电子束，控制栅：加上负电压后，能够控制通过其中小孔的带负电的电子束的强弱。通过调节负电压高低来控制电子数量，即控制荧光屏上相应点的亮度。2/1/20236加速电极加正的高压电（几万伏），使电子束高速运动。聚焦系统保证电子束在轰击屏幕时，汇聚成很细的点。2/1/20237偏转系统控制电子束，采用静电场或磁场，产生偏转。电子束要到达屏幕的边缘时，所需的偏转角度增大。到达屏幕最边缘的偏转角度被称为最大偏转角最大偏转角是衡量系统性能的最重要的指标，显示器长短与此有关CRT显示器屏幕越大整个显象管就越长2/1/20238荧光屏荧光物质：当它被电子轰击时发出亮光持续发光时间：电子束离开某点后，该点的亮度值衰减到初始值1/10所需的时间刷新(Refresh)：为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数2/1/202392.1.2光栅扫描显示器几种显示方式随机扫描的显示系统光栅扫描的显示系统逐行扫描隔行扫描2/1/2023102.1.2.1随机扫描显示器特点：电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分。逻辑部件：刷新存储器(RefreshingBuffer),视频处理器（DPU:DisplayProcessingUnit）和CRT2/1/202311工作原理应用程序发出绘图命令，解析成显示处理器可接受命令格式，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)，再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。2/1/2023122.1.2.2光栅扫描显示系统特点：光栅扫描扫描线水平回扫期垂直回扫期帧2/1/202313几个概念行频、帧频水平扫描频率为行频。垂直扫描频率为帧频。隔行扫描、逐行扫描隔行扫描方式是先扫奇数行扫描线，再扫数偶行扫描线。2/1/202314像素(Pixel:PictureCell)：构成屏幕（图像）的最小元素整个屏幕被扫描线分成n行，每行有m个点，每个点为一个象素。整个屏幕有m×n个象素。分辨率是指CRT在水平或垂直方向的单位长度上能分辨出的最大光点（象素）数，分为水平分辨率和垂直分辨率。通常用屏幕上象素的数目来表示。比如上述的n行，每行m点的屏幕分辨率为m×n。分辨率越高，相邻象素点之间的距离越小，显示的字符或图像也就越清晰。分辨率受显示器生产工艺、扫描频率以及显示存储器容量的限制。2/1/202315点距相邻象素点之间的距离，与分辨率指标相关。显示速度指显示字符、图形特别是动态图像的速度，与显示器的分辨率及扫描频率有关。可用最大带宽（水平象素数×垂直象素数×最大帧频）来表示。2/1/202316色彩与亮度等级亮度等级又称灰度，主要指单色显示器的亮度变化。色彩包括可选择显示器颜色的数目以及一帧画面可同时显示的颜色数，与荧光屏的质量有关，并受显示存储器VRAM容量的影响。图像刷新由于CRT内侧的荧光粉在接受电子束的轰击时，只能维持短暂的发光，根据人眼视觉暂留的特性，需要不断进行刷新才能有稳定的视觉效果，因此刷新是指以每秒30帧以上的频率反复扫描不断地显示每一帧图像。图像的刷新频率等于帧扫描的频率（帧频），用每秒刷新的帧数表示。目前刷新频率标准为每秒50~120帧。2/1/2023172.1.2.3黑白光栅扫描显示器黑白光栅显示器的逻辑框图如上：其中帧缓存是一块连续的计算机存储器。对于黑白单灰度显示器每一象素需要一位存储器，对一个024×1024象素组成的黑白单灰度显示器所需要的最小缓存为220(位)，并在一个位面上。一个位面的缓存只能存储黑白图形，帧缓存是数字设备，光栅显示器是模拟设备，因而还需要数模转换器(DAC)。2/1/202318在光栅图形显示器中需要足够的位面和帧缓存结合起来才能反映图形的颜色和灰度等级。如下图是一个具有N位面灰度等级的帧缓存。显示器上每个象素的亮度是由N位面中对应的每个象素位置的内容控制的。该存储器的中的二进制的数被翻译成灰度等级，范围是0到2N-1之间。2/1/2023192.1.2.4彩色光栅扫描显示器彩色光栅扫描显示器利用能发射不同颜色光的荧光层的组合来显示彩色图形。产生彩色的常用方法：射线穿透法影孔板法（荫罩法）2/1/202320射线穿透法原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光物质，电子束轰击穿透荧光层的深浅，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(红、橙、黄、绿)、色彩质量差2/1/202321荫罩法(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2/1/202322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2/1/202323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2/1/202324调节各电子枪发生的电子束中所含电子的数目，即可控制各色光点亮度。显示器能同时显示的颜色个数: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，称为真彩系统2/1/202325球面显示器与柱面显示器普通的显象管采用的都是点状影孔板显象管，显象管的表面呈略微凸起的球面状，故称之为“球面管”。而柱面显象管采用荫栅式结构，它的表面在水平方向仍然略微凸起，但是在垂直方向上却是笔直的，呈圆柱状，故称之为“柱面管”常用的点状影孔板显象管有日本索尼公司的特丽珑管（Trinitron）和三菱公司的钻石珑管（Diamondtron）2/1/2023262/1/202327柱面和球面显示器点距定义示意图2/1/202328彩色光栅扫描逻辑图下图是彩色光栅显示器的逻辑图，对于红、绿、蓝三原色有三个位面的帧缓存和三个电子枪。2/1/202329每个颜色的电子枪可以通过增加帧缓存位面来提高颜色种类的灰度等级。如上图，每种原色电子枪有8个位位面的帧缓存和8位的数模转换器，每种原色可有256中灰度，三种原色的组合将是(28)3=224。2/1/202330若每个单元有24位（每种基色占8位）即显示系统可同时产生224种颜色（24位真彩色）。分辨率M×N、颜色个数K与显存大小V的关系:2/1/2023313个位面分辩率是1024×1024的显示器，需要3×1024×1024（3145728）位的存储器。若存储器位长固定，则屏幕分辩率与同时可用的颜色种数成反比关系。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。2/1/202332显存问题高分辨率和真彩要求有大的显存；1024*768真彩模式需要3M字节显存曾经是个问题！解决方法之一：采用查找表(LookupTable）或称彩色表(ColorTable)查找表工作原理2/1/202333查找表（lookupTable）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，例如：每单元有8位，则查找表的长度为28＝256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：2/1/202334例子2/1/202335所以色彩存放方式颜色信息在帧缓存中两种存放方式：一、是颜色值直接存储在帧缓存中。二、是把颜色码放在一个独立的表中，帧缓存存放的是颜色表中各项的索引值，颜色范围扩充了。如查找表2/1/202336带宽T与分辨率M*N、帧频F的关系带宽问题–高分辨率和高的刷新频率要求有高带宽–解决方法：隔行扫描（现在已经基本不用，主流显示器都采用逐行扫描方式）–隔行扫描的：把一帧分两场，即奇数场与偶数场–场频：==2*帧频2/1/2023372.1.2.5隔行扫描工作原理一帧完整的画面分成两场。一场1／60秒，（场频60HZ），（帧频30HZ）画面更新频率仍为60HZ，降低了闪烁效应，每一场1／60秒内，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。2/1/202338光栅扫描显示器的特点优点：成本低易于绘制填充图形色彩丰富刷新频率一定，与图形的复杂程度无关易于修改图形优点使其占据了市场主流缺点：需要扫描转换会产生混淆缺点正在被克服2/1/2023392.1.3光栅扫描系统简单的光栅扫描图形显示系统的结构其中，帧缓存为系统内存任一块区域，视频控制器能够直接存取该区域以刷新屏幕。2/1/202340逻辑部件：帧缓冲存储器（FrameBuffer)，视频控制器（VideoController)，显示处理器（DisplayProcessor），CRT帧缓冲存储器作用：存储屏幕上像素的颜色值简称帧缓冲器，俗称显存2/1/202341帧缓冲存储器(显示存储器)存储用于刷新的图像信息的存储器。帧缓冲存储器的大小通常用X方向（行）和Y方向（列）可寻址的地址数的乘积来表示，称为帧缓冲存储器的分辨率。2/1/202342较为典型的光栅扫描图形显示系统的结构其中，帧缓存可以是专用的存储器，也可以是系统内存中的一块固定区域。2/1/202343视频控制器作用：建立帧缓存与屏幕像素之间一一对应的关系，负责刷新逻辑结构2/1/202344工作原理刷新周期开始，光栅扫描发生器置X地址寄存器为0，置Y地址寄存器为Ymax，首先取出对应像素（0，Ymax）的帧缓存单元的数值,放入像素值寄存器，用来控制像素的颜色，然后X的地址寄存器的地址加1，如此重复，直到该扫描线上的最后一个像素。采用双缓冲机制（DoubleBuffer)普通显卡=视频控制器+显存2/1/202345显示处理器作用：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、纹理映射等等主要任务：扫描转换扫描转换（定义）：将应用程序给出的图形定义数字转换为一组象素强度值，并存放在帧缓存中，这个过程称为扫描转换。2/1/202346具有专用显示处理器的光栅显示系统的结构图形加速卡=视频控制器+显存+显示处理器2/1/202347图形处理器图形处理器是图形系统结构的重要元件，是连接计算机和显示终端的纽带早期的图形处理器只包含简单的存储器和帧缓冲区，它们实际上只起了一个图形的存储和传递作用，一切操作都必须有CPU来控制现在的图形处理器不单单存储图形，而且能完成大部分图形函数，专业的图形卡已经具有很强的3D处理能力，大大减轻了CPU的负担,提高了显示质量和显示速度2/1/202348图形处理器的组成显示主芯片显卡的核心，俗称GPU，它的主要任务是对系统输入的视频信息进行构建和渲染显示缓存用来存储将要显示的图形信息以及保存图形运算的中间数据显存的大小和速度直接影响着主芯片性能的发挥数字模拟转换器（RAMDAC）它的作用就是把二进制的数字转换成为和显示器相适应的模拟信号2/1/202349显卡工作原理简单示意图2/1/202350*纯平显示器*走向平面的显像管球面显象管：表面：球面的一部分时间：~90年代初柱面显象管：表面：柱面的一部分，垂直方向上平直，水平方向上有弯曲时间：90年代中期代表：Sony公司的Trinitron，Mitsubishi公司的Diamondtron2/1/202351•平面直角显象管表面：球面的一部分，类似于平面时间：90年代中后期•纯平显象管表面：纯平面时间：90年代后期代表：Sony公司的FDTrinitron，Mitsubishi公司的Diamondtron，Samsung公司的DanyFlat，LG公司的Flatron现在的主流显象管2/1/202352*LCD(液晶显示器)*CRT固有的物理结构限制了它向更广的显示领域发展屏幕的加大必然导致显象管的加长，显示器的体积必然要加大，在使用时候就会受到空间的限制CRT显示器是利用电子枪发射电子束来产生图像，容易受电磁波干扰长期电磁辐射会对人们健康产生不良影响2/1/202353LCD显示器的优点外观小巧精致，厚度只有2~8cm左右。不会产生CRT那样的因为刷新频率低而出现的闪烁现象工作电压低，功耗小，节约能源基本没有电磁辐射，对人体健康没有任何影响2/1/202354液晶显示器的构成液晶显示器LCD组成部分：主要有水平光偏振器、垂直光偏振器、液晶材料（杆）、透明电极基板等构成液晶显示器LCD(LiquidCrystalDisplay)显示原理是：通过能阻塞或传递光的液晶材料，传递内部光源的偏振光2/1/202355液晶显示器结构（扭曲向列相显示（TN））2/1/202356LCD显示器基本原理液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质，它具有液体的流态性质和固体的光学性质。当液晶受到电压的影响时，就会改变它的物理性质而发生形变，此时通过它的光的折射角度就会发生变化，而产生色彩液晶屏幕后面有一个背部光源，这个光源先穿过第一层偏光板，再来到液晶体上，而当光线透过液晶体时，就会产生光线的色泽改变，从液晶体射出来的光线，还得必须经过第二块偏光板2/1/202357超扭曲向列相（STN）显示顾名思义，“超扭曲”即扭曲角应很大，要超过90°，这是一种目前应用较多的点阵式液晶显示器件。STN模式的产品结构基本和TN模式是一样的，只不过盒中液晶分子排列不是沿着90°扭曲排列，而是80°～360°扭曲排列2/1/202358液晶显示有主动式和被动式两种被动式液晶屏幕有STN（SuperTN超扭曲向列LCD）和DSTN（DoublelayerSuperTN双层超扭曲向列LCD）等最流行的主动式液晶屏幕是TFT（ThinFilmTransistor薄膜晶体管）主动式液晶显示器使用了FET场效晶体管以及共通电极，这样可以让液晶体在下一次的电压改变前一直保持电位状态。这样主动式液晶显示器就不会产生在被动式液晶显示器中常见的鬼影、或是画面延迟的残像等2/1/202359LCD显示器的基本指标可视角度视线与屏幕中心法向量成一定角度时，人们就不能清晰地看到屏幕图象，而那个能看到清晰图象的最大角度被我们称为可视角度。一般所说的可视角度是指左右两边的最大角度相加。工业上有CR10（ContrastRatio）、CR5两种标准来判断液晶显示器的可视角度2/1/202360点距与分辨率点距就是两个液晶颗粒（光点）之间的距离，一般0.24-0.32mm就能得到较好的显示效果液晶显示器的分辨率是指其真实分辨率，表示水平方向的像素点数与垂直方向的像素点数的乘积目前市场上绝大多数LCD所采用的液晶面板都是6bit面板，它只能显示262144种色彩（64×64×64＝262144），而只有8bit面板可以显示16777216种颜色（256×256×256＝16777216）。LCD显示器的基本指标2/1/202361CRT显示器基本不会出现屏幕“点缺陷”，而液晶

显示器的“点缺陷（包含坏点或暗点、亮点）”从液

晶诞生至今就一直存在。所谓的LCD的点缺陷就是液

晶显示屏中某个像素损坏，出现一个持续发亮、不

亮或单色亮、不接受熄灭信号的死像素。2/1/202362液晶显示器的缺点寿命短、怕震动、温度、湿度敏感分辨率相对较低，色彩不够鲜艳，且价格偏高。2/1/202363*等离子显示器*采用空气等离子体技术2/1/202364一个等离子管发光原理2/1/202365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（霓虹燈的原理和日光燈相同只是換裝不同氣體而已），红绿蓝三种不同颜色的像素。显示屏薄，挂在墙上。采用发光聚合物技术，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，无锯齿现象。真正的平面直角。2/1/202366*图形工作站*具有完整人机交互界面，集高性能的计算和图形于一身，可配置大容量的内存和硬盘，I/O和网络功能完善，使用多任务多用户操作系统的小型通用个人化计算机系统。1983年美国APOLLO公司推出第一台适合计算机辅助设计（CAD）的工作站。现在全球最有名的图形工作站属SGI图形工作站。如工作站：SGIOnyx42/1/202367人机交互(HumanandComputerInterface)HCI是未来的计算机科学。我们已经花费了至少50年的时间来学习如何制造计算机以及如何编写计算机程序。下一个新领域自然是让计算机服务并适应于人类的需要，而不是强迫人类去适应计算机。----DanR.Olsen(CMU)2/1/2023682.2图形输入设备图形输入设备的发展第一阶段：控制开关、穿孔纸等等第二阶段：键盘第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏、语音等等，第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据手套、数据衣），用户的手势、表情等等第五阶段：用户的思维2/1/202369输入设备用于图形输入的设备很多，一般包括鼠标、键盘、跟踪球、空间球、操纵杆、数字化仪、拨号盘和按钮盒。对于一些特殊应用，还有包括数据手套、触摸板、图像扫描仪和声音系统。2/1/202370键盘主要用来录入文本、字符串的设备可以进行屏幕坐标输入菜单选择图形功能选择鼠标鼠标是给屏幕光标定位的小型手持屏幕图形定位输入设备。早期的鼠标主要用来绘制图形后来广泛应用于图形用户接口（Windows)的操作。2/1/202371跟踪球和空间球跟踪球用来进行二维定位的设备空间球空间球是用来进行三维定位的设备:于六个自由度VR场景的模拟交互操纵杆操纵杆主要是通过杆的实际移动来选择屏幕位置，其它操作是对杆上压力进行响应。2/1/202372数据手套数据手套是用来抓住虚拟对象的操作工具。手套由一系列检测手和手指运动的传感器构成。发送天线和接受天线之间的电磁耦合，可以提供关于手的位置和方向信息。发送和接受天线由一组三个相互垂直的线圈构成，形成三维笛卡儿坐标系统来自手套的输入，可以用来定位或操作虚拟场景中的对象。场景的二维投影可以在视频监视器上观察，也可以使用头套观察三维投影。2/1/2023732/1/202374利用液晶光阀高速切换左右眼图像原理，有有线和无限之分，可支持逐行和隔行立体显示观察，也可用无线眼镜进行多人团体VR效果观察，是目前最为流行和经济适用的VR观察设备。观察者可做空间上的自由移动头盔显示器三维立体眼镜2/1/202375大屏幕立体显示系统2/1/202376数字化仪数字化仪是在物体上进行绘画、着色或交互选择坐标位置的常用设备。数字化仪从形式上可以分为两种：即数字化仪（digitizer）和图形数据板（graphicstablet）。数字化仪是用来在所绘制对象上扫描并输入一组随机的坐标位置，相互之间用直线段连接，以逼近曲线或表面形状。图形数据板用来在平板表面上选定位置时，通过手持的光标或触笔激活二维坐标的输入。手持光标使用交叉的发丝（也叫十字叉丝）指示位置。触笔是直接点在数据板上来指示位置的笔型设备。2/1/202377另外还有声学数据板，它使用声波检测触笔的位置。三维数字化仪使用声音或电磁传播来记录位置。2/1/202378图像扫描仪主要用来对图形、图表、彩色和黑白照片或文本进行扫描，形成一个图像文件，存储到计算机中之后再进行处理。手持图像扫描仪平台式扫描仪滚动式扫描仪2/1/202379触摸板用手来触摸显示的物体或屏幕位置实现对图形的操作。触摸屏光学触摸板电子触摸板声学触摸板2/1/202380光笔通过检测来自CRT屏幕上某一点的光来选定屏幕位置。最早的交