第04章-图形硬件与图形软件标准化(冲突文件2014年4月19日31时6分26秒)

计算机图形学第4章图形硬件与图形软件标准化第4章

图形硬件与图形软件标准化计算机图形系统用来生成、处理和显示图形，通常由以下三部分构成：中央处理器：完成对图形的描述、建立、修改等各种计算，并对图形实现有效的存储图形输出设备：包括图形显示设备和图形绘制设备图形输入设备：常用的图形输入设备有键盘，鼠标。第4章

图形硬件与图形软件标准化一个计算机图形系统至少应具有计算、存储、输入、输出、交互等基本功能4.1图形输入设备图形输入设备主要分为两大类：定位设备捡取设备图形逻辑设备通常分6类4.1.1键盘键盘内部主要结构包括控制电路板、按键、底板和面板等键盘通常采用行列扫描法来确定所在的行列位置，得到位置编码，再转换为ASCII码台式机键盘，笔记本电脑键盘和工控机键盘机械式和电容式键盘人体工程学键盘多媒体键盘无线键盘4.1.2鼠标鼠标器是一种移动光标进行选择的计算机输入设备鼠标器的基本工作是，当移动鼠标器时，它把移动距离及方向的信息变成电脉冲数送给计算机，计算机再把脉冲数转换成相对坐标数据，通过屏幕显示光标，从而达到指示位置的目的。光电式，光机式，机械式三维鼠标4.1.3键盘与鼠标的接口及其标准AT接口PS/2接口USB接口4.1.4触摸屏触摸屏是一种定位设备，它通过手指触摸屏幕显示的物体或位置来实现选择的操作。根据采用的技术不同分为电子式、光学式和声学式触摸屏4.1.4触摸屏电容式触摸屏将一个两层导电和高透明度的物质做的薄膜涂层涂在玻璃或塑料表面上，再装到屏幕上，或直接涂到屏幕上。两个透明涂层之间约有0.0025mm的距离，当手指触到屏幕时，在接触点产生一个电接触，使该点处的电阻发生变化。通过测得电阻的改变量就能确定触摸的位置红外线式触摸屏利用红外线和光电转换原理制成。与屏幕尺寸相仿的框架的水平和垂直边框上各安装均匀密布的红外线发送器和接收器。使用时把框架安装在屏幕四周，用手指在屏幕上点一下，在指点处障碍物挡住了一条垂直红外线和一条水平红外线，相应的两个红外线接收器发出电信号，根据发出信号的接收器所在位置可知障碍物所在点坐标，将坐标值送入计算机进行处理声学触摸屏由发射器、反射器和触摸屏等组成，其中发射器和反射器一起工作。声源发射器沿玻璃板的水平和垂直方向交替地发射高频声波脉冲，当用手指触摸屏幕时，有一部分声波被反射回声源处，通过计算声波脉冲从发射到反射回声源发射器的时间间隔，来确定手指的位置。4.1.5坐标数字化仪坐标数字化仪是一种把图形转变成计算机能接收的数字形式的专用设备，其基本工作原理是采用电磁感应技术。通常在一块布满金属栅格的绝缘平面板上放置一个可移动的定位设备，当有电流通过该定位设备上的电感线圈时，便会产生相应的磁场，从而使其正下方的金属栅格上产生相应的感应电流。根据已产生电流的金属栅格的位置，就可以判断出定位设备当前所处的几何位置。然后将这种位置信息，以坐标的形式传送给计算机，就实现了数字化的功能。4.1.5坐标数字化仪手写输入板是最常见的定位设备，工作原理与数字化仪基本相同，不同之处是前者的台面较小，分辨率也低；而后者的台面较大，分辨率和精度也高4.1.5坐标数字化仪机械式数字化仪超声波式数字化仪全电子式数字化仪三维数字化仪4.1.6图形扫描仪图形扫描仪是直接把图形（如工程图纸）和图像（如照片、广告画等）扫描并输入到计算机中，以像素信息进行存储表示的设备4.1.6图形扫描仪电荷耦合器件(CCD)扫描仪的工作原理用光源照射被扫描的材料，投射光线经过一组光学镜头射到CCD器件上，再经模/数转换器，图像数据暂存器等，最终输入到计算机或图形/文字输出设备中。为了使投射在被扫描材料上的光线分布均匀，扫描仪中使用的是长条形光源。4.1.7数码相机数码相机的工作就是通过CCD元件把光信号转换为数字信号的过程不同于扫描仪只能拍摄平面景物，它可以拍摄任何景物，也可以拍摄运动物体不同于数码摄像机拍摄的是视频，其拍摄的是图像，二者目前逐渐融合4.1.8手写笔手写笔的出现就是为了输入中文，使用者不需要再学习其它的输入法就可以很轻松的输入中文，当然这还需要专门的手写识别软件。同时手写笔还具有鼠标的作用，可以代替鼠标操作Windows，并可以作画电阻压力式电磁压感式电容触控式4.2图形输出设备将计算机中的图形数据转化为可视化的图形，并以某种形式输出向量型和光栅扫描4.2.1图形显示设备1.阴极射线管CRTCRT显示器主要由阴极、电平控制器（即控制极）、聚焦系统、加速系统、偏转系统和阳极荧光粉涂层组成，这六部分都在真空管内1.阴极射线管CRT2.彩色阴极射线管一个CRT能显示不同颜色的图形是通过把产生不同颜色的荧光物质进行组合而实现的。常用射线穿透法和影孔板法实现彩色显示由红、绿、蓝三种颜色组成的原色系统称为RGB模型。它是定义于某个红绿蓝颜色坐标系统中的单位立方体。坐标原点代表黑色，坐标点(1,1,1)代表白色。坐标轴上的顶点代表三个基色，余下的顶点则代表每一个基色的补色2.彩色阴极射线管彩色CRT光栅扫描显示器有三个电子枪，它的荧光屏上涂有三种荧光物质，分别能发红、绿、蓝三种颜色的光。电子枪通常成三角形排列，与CRT屏幕上的三角形红、绿、蓝荧光点相对应2.彩色阴极射线管电子枪和对应的荧光点必须在一条直线上。为保证每个电子枪都能击中对应颜色的荧光点，在电子枪和荧光屏之间放置一个有孔的金属网格（即荫罩）。调整彩色电子枪的排布方式可让三个电子束都汇聚于荫罩上。这样，某颜色的电子束通过荫罩后，就可避免和另外两种颜色的荧光点相交，而只能与自己对应颜色的荧光点相交2.彩色阴极射线管刷新一次指电子束从上到下将荧光屏扫描一次，只有刷新频率高到一定值后，图像才能稳定显示。大约达到每秒60帧，即60Hz时，人眼才能感觉到屏幕不闪烁，要使人眼觉得舒服，一般必须有85Hz以上的刷新频率2.彩色阴极射线管隔行扫描当电子束从屏幕的上半部分移到下半部时，屏幕上半部分的亮度就有了可以观察到的衰减，于是画面下半部分显得更亮。事实上最亮的部分会不断移动，从而产生闪烁现象。由于当时的扫描技术难以达到较快的速度，所以采用隔行扫描的方法，以使得上下扫描较为平均，降低闪烁现象逐行扫描3.随机扫描的图形显示器随机扫描的图形显示器中电子束的定位和偏转具有随机性，即电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分基本工作过程：从显示文件中取出绘制命令，送到显示控制器，由显示控制器控制电子束的偏转，从而绘制图形轨迹4.存储管式图形显示器随机扫描的图形显示器使用了一个独立的存储器来存储图形信息，然后不断地取出这些信息来刷新屏幕。由于存取信息速度的限制，使得显示稳定图形时的画线长度有限，且造价较高。针对这些问题，70年代后期发展了利用管子本身来存储信息的技术，这就是存储管技术。5.光栅扫描式图形显示器画点设备，可看成一个点阵单元发生器，并可控制每个点阵单元的亮度。发出的电于束的偏转方式是固定的，自上而下，从左到右扫描在荧光屏上形成光栅形状。图形是通过电子束扫描到光栅上的图形象素点时呈现的亮度或颜色与光栅背景的亮度或颜色不同而衬托出的，可形成多级灰度或颜色的实面积自然图像。由于图像是由像素阵列组成，显示一幅图像所需要的时间等于显示整个光栅所需的时间，而与图像的复杂程度无关。可把光栅图形显示器看做许多离散点组成的矩阵，每个点都可以发光，用一系列的点（或像素）来近似地表示图形。5.光栅扫描式图形显示器实现光栅CRT图形显示器的最常见方法是使用帧缓存。光栅中的每个像素在帧缓存中至少要有1位（bit）,每个像素1位的存储容量称为位面（bitplane）。画面就是由帧缓存中的这些位信息组成的。图形在计算机中是一位一位产生的，每一个存储位只有0或1两个状态，因此一个位面的帧缓存只能产生黑白图形。帧缓冲存储器是一块连续的存储空间。帧缓存是数字设备，光栅显示器是模拟设备，要把帧缓存中的信息在光栅显示器屏幕上输出必须经过数字/模拟转换，这个工作由DAC（数模转换器）完成5.光栅扫描式图形显示器光栅图形显示器中需要有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5.光栅扫描式图形显示器显示器上每个像素的亮度由N个位面中对应的每个像素位置的内容共同决定，即每一位的二进制被存入指定的寄存器中,该寄存器中二进制的数被翻译成灰度等级，其范围在0-2N-1之间。为避免帧缓存的增加，可采用颜色查找表来提高灰度级别。帧缓存中的位面号为颜色查找的索引，颜色查找表必须有2N项，每一项具有W位字宽。当W>N时，可有2N灰度等级，但每次只有2N个不同灰度等级可用。若要使用2N种以外的灰度等级，需改变颜色查找表中的内容（重装颜色查找表）。5.光栅扫描式图形显示器由于只有三种原色，所以可用三个位面实现一个简单的彩色帧缓冲存储器。下图为简单的彩色光栅显示器，由分别对应红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色的三个位面的帧缓存，DAC，三个电子枪和CRT光栅组成。5.光栅扫描式图形显示器对每个颜色的电子枪可通过增加帧缓存位面来提高颜色种类的灰度等级。如下图，每种原色电子枪有8个位面的帧缓存和8位的DAC，每种原色有28种灰度等级，三种原色的组合有224种颜色。这种显示器称为全色光栅扫描图形显示器，其帧缓存称为全色帧缓存6.液晶显示器LCDCRT的缺陷：体积大：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像管的加长、显示器体积的加大，在使用时候就会受到空间的限制；电磁波干扰：另外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。液晶显示器的优势：LCD显示器外观小巧精致，厚度只有6.5~8cm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。没有电磁辐射，对人体健康没有任何影响。6.液晶显示器LCD液晶显示器（LCD）依驱动方式分为静态驱动、单纯矩阵驱动和主动矩阵驱动3种。1.液晶的物理特性液晶即液态晶体，具有线状结晶结构的分子，可象液体那样流动。液晶分子的排列柔软易变形，受电场、磁场、温度、应力等外部条件作用时会重新排列。当通电和不通电时液晶分子处于两种不同的排列，一种排列光线容易通过，而另一种排列阻止光线通过。6.液晶显示器LCD单色液晶显示器的原理在液晶显示器中，液晶是灌入两个列有细槽的平面之间。液晶显示器依靠极化滤光器（片）影响光线穿过液晶。自然光线是朝所有方向随机发散的。极化滤光器实际是一系列逐步变细的平行线，这些线阻断不与它们平行的所有光线。只有两个滤光器的线完全平行，或者通过第一个极化滤光器的光线本身已扭转到与第二个极化滤光器相匹配，光线才得以穿过第二个极化滤光器。如下图所示，两个极化滤光器互相垂直，穿过第一个极化滤光器的光线，经过扭曲的液晶后，光线被扭曲90°，正好可以穿过第二个极化滤光器6.液晶显示器LCD但若为液晶加一个电压，液晶分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，将被第二个滤光器挡住。总之，加电光线将被阻断，不加电光线将射出液晶材料本身不发光，所以显示屏两边设有作为光源的灯管。液晶显示屏背面有一块背光板和反光膜，背光板由荧光物质组成，可以发射光线，提供均匀的背景光源。背光板发出的光线穿过第一层偏振过滤层后进入液晶层。液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。玻璃板与液晶材料之间的透明电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，从而改变屏幕上相应像素的亮度6.液晶显示器LCD彩色LCD要具备专门处理彩色显示的色彩过滤层。彩色LCD面板中的每一个像素由3个液晶单元格构成，每一个单元格前面都分别有红色、绿色或蓝色的过滤器。这样，通过不同单元格的光线可在屏幕上显示出不同的颜色。7.等离子显示器等离子显示器由密封在玻璃膜夹层中的晶格矩阵（光栅）组成，每个晶格充有低压气体。在高电压作用下，气体会电解。电解后的气体称为等离子体，所以这种显示器称为等离子显示器。当电子又重新与原子结合在一起时，能量就会以光子的形式释放出来，这时气体就会释放出具有特征的辉光。等离子显示器有交流(AC)激发的、直流(DC)激发的、交直流(AC/DC)混合激发的三种类型要点亮某个地址的气泡，开始要在相应行上加较高的电压，气泡点亮后，可用低电压维持气泡的亮度。关掉某个气泡，只要将相应的电压降低。改变控制电压，可使等离子板显示不同灰度的图形7.等离子显示器等离子显示器的特点优点：–重量较轻、完全无X射线辐射；–屏幕亮度非常均匀，不存在明显的亮区和暗区；–不存在某些区域聚焦不良或散焦的毛病；–屏幕更平展，观察视角更大。

缺点：–价格较高；–显示屏上的玻璃较薄使屏幕较脆弱。8.投影机CRT投影机，LCD投影机，DLP投影机CRT已基本淘汰LCD色彩还原性能好；结构合理，稳定程度高；接驳、衍生功能极其丰富，一般可接驳复合视频、S端子、音频、RS-232通信、Com口、USB口等LCD通常体形偏大，但功能完善，亮度高，适用于较大型的场合8.投影机DLP(DigitalLightProcessor)也即数字光束处理器美国德州仪器公司研发DLP以DMD数字微镜作为成像器件每片DMD由很多微镜组成，每个微镜对应一个像素点，物理分辨率就是由微镜的数目决定的微镜分启通和断开两种工作状态。为了获得不同的亮度，微镜启通和断开的速率还可以改变，工作时得用成千上万个微镜器件，并由DLP板进行控制工作过程：光源所发白光，经分色轮被分成不同时段的红绿蓝三束色光。三色光经DMD反射成像，最后三色像分时间先后进行叠加，还原出原色投放屏幕8.投影机DLP使得灰度等级提高，图像噪声消失，画面质量稳定，数字图像非常精确DLP投影机清晰度高，画面均匀，色彩锐利，可以随意变焦，调整十分方便体形较小，适合小型场合总的来说，LCD和DLP两者各有优势LCD应用面相对来说多一些，而DLP对比度高，使得表现文字更清晰有力在显示动态图像时，由于图像刷新速度较快，LCD技术有优势4.2.2图形绘制设备显示设备只能在屏幕上产生各种图形，若要将计算机图形画在纸上，则需要常用的图形绘制设备，也称之为硬拷贝设备，如打印机和绘图仪1.打印机打印机是廉价的产生图形的硬拷贝设备，从机械动作上常分为撞击式和非撞击式两种。撞击式打印机使成型字符通过色带印在纸上，如行式打印机、点阵式打印机等。非撞击式打印机常用的技术有：喷墨技术、激光技术等，这类打印设备速度快，噪声小，已逐渐替代以往的撞击式打印机。1.打印机热感应式喷墨技术（thermalinkjettechnology）是利用一个薄膜电阻器，在墨水喷出区中将小于0.5%的墨水加热，形成一个汽泡。这个汽泡以极快的速度（小于10微秒）扩展开来，迫使墨滴从喷嘴喷出。由于墨水在高温下易发生化学变化，墨水微粒的方向性与体积大小不好掌握，打印线条边缘容易参差不齐，一定程度的影响了打印质量，这都是它的不足之处。喷墨打印机在打印图像时，需要进行一系列的繁杂程序。当打印机喷头快速扫过打印纸时，它上面的无数喷嘴就会喷出无数的小墨滴，从而组成图像中的像素。打印头上，一般都有48个或48个以上的独立喷嘴喷出各种不同颜色的墨水。1.打印机激光打印机主要由感光鼓、粉盒、打底电晕丝和转移电晕丝等组成1.打印机激光打印机开始工作时，感光鼓旋转通过打底电晕丝，使整个感光鼓的表面带上电荷1.打印机打印机处理器将打印数据转换成可以驱动打印引擎动作的类似数据表的信号组，并送至激光发射器。发射器发射的激光照射在多棱反射镜上，反射镜的旋转和激光的发射同时进行，依照打印数据来决定激光的发射或停止。每个光点打在反射镜上，随着反射镜的转动，不断变换角度，将激光点反射到感光鼓上，感光鼓上被激光照到的点将失去电荷，在感光鼓表面形成一幅肉眼看不到的磁化图像1.打印机感光鼓旋转到上粉盒，其表面被磁化的点将吸附碳粉，从而在感光鼓上形成将要打印的碳粉图像1.打印机打印纸从感光鼓和转移电晕丝之间通过，转移电晕丝将产生比感光鼓上更强的磁场，碳粉受吸引从感光鼓上脱离，向转移电晕丝方向移动，结果是在不断向前运动的打印纸上形成碳粉图像。打印纸继续向前运动，通过高温的溶凝部件，定型在打印纸上，产生永久图像1.打印机激光打印机的优点：有效利用了激光定向性、单色性和能量密集性，并结合了电子扫描技术的高灵敏度和快速存取等特性输出图形图像的质量非常高，分辨率可达300～600点/英寸图形及文本质量非常高，可直接作为制版的原稿2.绘图仪主要种类有笔绘式、喷墨式、和静电式。笔绘式：笔式绘图仪分为滚筒式和平板式静电绘图仪：是一种光栅扫描设备，利用静电同极相斥异极相吸的原理制成喷墨式：采用喷墨的方式绘图，其绘图的速度比普通笔式要快得多，而且所绘彩色图效果更好2.绘图仪单色静电绘图仪把像素化后的绘图数据输出至静电写头上，静电写头双行排列，写头内装有许多针状电极。写头随输入信号控制每根极针放出高压电，绘图纸正好横跨在写头与背板电极之间，纸通过写头时，写头便把图像信号转换成负电信号依附到纸上。带电的绘图纸经过墨盒时因为墨水的碳微粒带正电，所以墨水被纸上的电子吸附，在纸上形成图像2.绘图仪彩色静电绘图仪的原理与单色静电绘图仪的原理基本相同，不同之处是彩色绘图须将图纸往返多次，分别套上紫、黄、青、黑四种不同颜色的墨盒。2.绘图仪笔式绘图机是矢量型设备，在操作过程中，绘图笔相对纸作随意移动。笔式绘图机分为滚筒式和平板式2.绘图仪滚筒式绘图机

笔和纸都是运动的。绘图纸卷在滚筒上，步进电机带动链轮作正向和反向旋转，带动图纸作X方向的正向和负向运动，滚筒上方的笔架可存放多支画笔，画笔由另一个步进电机带动作Y方向的正负向往返运动，两种运动的结合使画笔画出各种图形2.绘图仪平板式绘图机

绘图笔在纸上沿X和Y两个方向运动，图纸通常静止不动，装有笔架的导轨作X方向移动，笔架在导轨上作Y方向移动，两种运动配合画出多种图形4.3图形处理设备图形设备按其功能可以分为输入设备、图形存储设备（可选）、图形处理设备和图形输出设备图形处理设备是图形系统的核心4.3.1图形处理设备图形处理器由主芯片、缓存、数模转换器组成比较有名的是苹果的图形工作站显卡也可以看作是图形处理器4.3.2视频控制器视频控制器的作用是建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应关系，负责刷新。刷新周期开始时，光栅扫描发生器置X地址寄存器为0，置Y地址寄存器为N-1.首先取出对应像素(0,N-1)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4.3.3显示处理器显卡根据CPU提供的指令和有关数据将程序运行过程和结果进行相应的处理、并转换成显示器能够接受的文字和图形显示信号，通过屏幕显示出来。显示器必须依靠显卡提供的显示信号才能显示出各种字符和图像。

常见显卡的结构中包括：显卡BIOS芯片、图形处理芯片、显存、数模转换器(RAMDAC)芯片、接口等4.3.3显示处理器显卡BIOS芯片显卡BIOS芯片主要用于保存VGA(VideoGraphicsArray，视频图形阵列)BIOS程序。VGABIOS是视频图形卡基本输入、输出系统，主要用于显卡上各器件之间正常运行时的控制和管理，BIOS程序的技术性能对整个显卡的性能有很大影响。图形处理芯片图形处理芯片是显卡的核心，可将它看作是完成图像生成与操纵的、独立于CPU的一个本地处理器，它管理与系统总线的接口，这个接口应具有零等待的猝发式传送能力。图形处理芯片的主要作用是依据设定的显示工作方式，自主地、反复不断地读取显示存储器中的图像点阵数据，将它们转换成R、G、B三色信号并配以同步信号送至显示器，即刷新屏幕。图形处理芯片应具有：1)一个由系统总线至显示存储器总线的通路，以支持屏幕的修改或更新2)颜色查找表的功能3)图形加速功能4.3.3显示处理器3.显示存储器主要用来保存由图形芯片处理好的各帧图形显示数据，然后由数模转换器读取并逐帧转换为模拟视频信号再提供给显示器使用。显存的大小直接影响到显卡可以显示的颜色多少和可以支持的最高分辨率。衡量显存的技术性能的指标数据存取速度（可通过工作时钟频率体现）显存容量单端口显存：从显示芯片读取数据以及向RAMDAC传输数据都是经过同一个端口，这样数据的读写和传输就无法同时进行。双端口显存：可以同时进行数据的“读”和“写”，从而提高了显存的效率，满足了高分辨图形显示的需要。数模转换