计算机图形学第2章学习教案

会计学1计算机图形学第2章第一页，共135页。第1页/共134页第二页，共135页。2.1：图形(túxíng)输入设备键盘鼠标器光笔触摸屏操作(cāozuò)杆跟踪球本节内容(nèiróng)：数据手套数字化仪图象扫描仪声频输入系统视频输入系统第2页/共134页第三页，共135页。2.1：图形输入(shūrù)设备键盘(jiànpán)（Keyboard）有ASCII编码键、命令控制键和功能键，是计算机的一种最基本(jīběn)的输入设备，用于输入非图形数据。第3页/共134页第四页，共135页。2.1：图形(túxíng)输入设备鼠标（Mouse）将移动距离及方向的信息变成数字(shùzì)脉冲信息，由计算机转换成光标的坐标数据，或采用光学感应器检测鼠标的运动；第4页/共134页第五页，共135页。2.1：图形(túxíng)输入设备光笔(ɡuānɡbǐ)（LightPen）利用笔尖处的孔，荧光屏上的光透过透镜聚集到光导纤维，传至光电倍增器，形成电信号，以此来选择(xuǎnzé)屏幕的位置坐标

缺陷：遮挡住屏幕，操作不便；容易疲劳；所有屏幕象素都要具有非零亮度；受环境光影响，有可能误读第5页/共134页第六页，共135页。2.1：图形(túxíng)输入设备触摸屏（TouchScreen）用手指触摸屏幕的位置进行(jìnxíng)选择：

光学触摸屏利用红外线发生和接受装置检测光线的遮挡情况导致的电平变化，或通过测量投射屏幕两边的阴影范围来确定手指的位置。

电子触摸屏是由相互间有一较小距离的两块透明板构成，其中一块涂有导电材料另一块涂有电阻材料。利用两涂层间的电阻和电容的变化确定触摸位置。

声学触摸屏利用手触及使声波发生衰减，从而转换为X，Y坐标的。第6页/共134页第七页，共135页。2.1：图形输入(shūrù)设备操纵杆（Joystick）提供对屏幕光标(ɡuānɡbiāo)的环绕操作，系统对操纵杆的移动和压力做出响应第7页/共134页第八页，共135页。2.1：图形输入(shūrù)设备跟踪(gēnzōng)球（Trackball）跟踪球用作两维定位设备，利用附加的电压计量器测量球的旋转量和方向，通常安装在键盘(jiànpán)和鼠标上；空间球则提供六个自由度。第8页/共134页第九页，共135页。2.1：图形输入(shūrù)设备数据(shùjù)手套（DataGlove）由一系列检测手和手指(shǒuzhǐ)运动的传感器组成，发送天线和接收天线之间的电磁耦合，可以提供关于手位置和方向的信息第9页/共134页第十页，共135页。2.1：图形输入(shūrù)设备数字化仪（Digitizer）用来给物体作画，或交互选择坐标位置的常用设备，可以输入二维或三维物体的坐标值，一般，数字化仪通过对物体的扫描，并输入一组坐标位置，相互连接后，以逼近(bījìn)曲线或表面形状第10页/共134页第十一页，共135页。2.1：图形输入(shūrù)设备图象(túxiànɡ)扫描仪（Scanner）可直接把图纸、图表、照片等输入到计算机中，在将它们传过一个光学扫描机构时，灰度或彩色等级被记录下来，并按图象方式进行(jìnxíng)存储，目前绝大多数采用的固态器件是电荷耦合器件，常用的分辨率是300－1000dpi（DotPerInch）第11页/共134页第十二页，共135页。2.1：图形输入(shūrù)设备声频输入(shūrù)系统（VoiceInputSystem）也称为声音输入系统(xìtǒng)，在某些图形工作站中，采用话音识别器作为输入设备，以接收操作者的命令。第12页/共134页第十三页，共135页。2.1：图形(túxíng)输入设备视频输入(shūrù)系统（VideoInputSystem）用于输入视频图形和图象信息。视频信号采集板（卡）、视频信号输入卡、视频信号处理装置，其中大量采用了数字信号处理芯片（DSP）。目前微机流行采用视霸卡（videoblaster）采集图形图象，经过编码(biānmǎ)和压缩后，存储在计算机中，以后可读出送到计算机显示器或电视机中。第13页/共134页第十四页，共135页。2.4：图形(túxíng)绘制设备本节内容(nèiróng)：打印机绘图仪第14页/共134页第十五页，共135页。第15页/共134页第十六页，共135页。点阵(diǎnzhèn)式输出设备：如常见的针式打印机,喷墨式绘图仪,静电式绘图仪.图形被分解成点阵(diǎnzhèn)输出。矢量式输出设备：可分为平面式绘图仪和滚筒式绘图仪。第16页/共134页第十七页，共135页。2.4：图形(túxíng)绘制设备打印机（Printer）打印机是画点设备，是主要的图形(túxíng)硬拷贝设备，分为撞击式（Impact）和非撞击式（Nonimpact）：撞击式打印机主要指针式打印机；非撞击式打印机包括激光、喷墨、热转印、燃料热升华、静电等多种打印机。第17页/共134页第十八页，共135页。2.4：图形绘制(huìzhì)设备绘图仪（Plotter）笔式绘图仪（PenPlotter）是一种划线(huáxiàn)设备，从原理上分为笔式、喷墨式、热敏式、静电式等，从结构上又分为两种：

1）滚筒式绘图机（DrumPlotter）：

两只步进电机带动绘图纸和绘图工具笔运动，控制两只步进电机协调动作进行绘图。绘图工具可以是笔，或彩色喷墨头。

2）平板式绘图机（FlatbedPlotter）：

图纸平铺，横梁和笔架运动。这种绘图仪目前已经很少见。

第18页/共134页第十九页，共135页。2.2：图形显示(xiǎnshì)设备CRT图形(túxíng)显示器光栅扫描显示器：

扫描转换过程(guòchéng)：象素信息从应用程序转换并放入帧缓冲区的过程(guòchéng)。帧频：又称垂直扫描频率，是每秒钟屏幕重复绘制显示画垂直回扫，场扫描：每帧终了，电子束返回左上端。面的次数，即重绘率。第19页/共134页第二十页，共135页。2.2：图形(túxíng)显示设备阴极射线管彩色阴极射线管CRT图形显示器平板显示器三维观察(guānchá)设备本节内容(nèiróng)：第20页/共134页第二十一页，共135页。第21页/共134页第二十二页，共135页。2.2：图形显示(xiǎnshì)设备阴极射线管（CathodeRayTurbo）目前图形显示设备(shèbèi)大多数是基于阴极射线管CRT的监视器。

CRT是一种真空器件(qìjiàn)，它利用电磁场产生高速的、经过聚焦的电子束，偏转到屏幕的不同位置轰击屏幕表面的荧光材料，而产生可见图形。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，屏幕上的对应点就辉亮，不同象素的辉亮状态就产生了可见图形。第22页/共134页第二十三页，共135页。第23页/共134页第二十四页，共135页。2.2：图形显示(xiǎnshì)设备阴极射线管（CathodeRayTurbo）CRT由电子枪、偏转系统、荧光屏三个基本部分组成：电子枪：由加热器，金属阴极、电平控制器组成；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(gāodī)来控制电子数量，即控制荧光屏上相应点的亮度；CRT它的主要功能是产生一个沿管轴（Z轴）方向前进的细电子束轰击荧光屏，电子束应满足下列要求：a.具有足够的电流强度b.电流的大小和有无必须是可控的c.具有很高的速度d.在屏幕上能聚焦很小的光亮，以保证显示器足够的分辨率第24页/共134页第二十五页，共135页。2.2：图形(túxíng)显示设备阴极射线管（CathodeRayTurbo）电子枪结构(jiégòu)：灯丝阴极栅极加速极第二阳极第三阳极石墨层玻璃灯丝阴极栅极加速极聚焦极第二、四阳极石墨层玻璃（b)四极电子枪（a)三极电子枪聚焦系统是一个电透镜，保证(bǎozhèng)电子束在轰击屏幕时，汇聚成很细的点。加速电极：加正高压电（几万伏），使电子束高速运动。第25页/共134页第二十六页，共135页。2.2：图形显示(xiǎnshì)设备阴极射线管（CathodeRayTurbo）偏转系统：

主要作用是控制电子束，静电场或磁场，产生偏转。电子束偏转有电偏转和磁偏转两种方法(fāngfǎ)：a.磁偏转磁偏转系统是利用磁场使电子束产生偏转，扫描荧光屏产生字符或图形。b.电偏转电子束通过两对金属偏转板，电子朝正电压的极板偏转第26页/共134页第二十七页，共135页。2.2：图形(túxíng)显示设备阴极射线管（CathodeRayTurbo）磁偏转电偏转(piānzhuǎn)第27页/共134页第二十八页，共135页。2.2：图形显示(xiǎnshì)设备阴极射线管（CathodeRayTurbo）偏转系统：

由于偏转系统的作用，电子束要到达屏幕的边缘(biānyuán)时，偏转角度就会增大。到达屏幕最边缘(biānyuán)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第28页/共134页第二十九页，共135页。2.2：图形显示(xiǎnshì)设备阴极射线管（CathodeRayTurbo）枕形失真(shīzhēn)桶形失真(shīzhēn)注意：电子穿出偏转磁场后，是沿着圆周运动的切线的方向射向屏幕的，可以导出，当偏转线圈的匝数一定时，偏转电流I与偏转角的正弦成正比。由于屏幕四角距中心最远，会造成光栅的枕形失真。对此，可将产生偏转磁场的锯齿形电流预先产生一些失真；或是通过“桶形失真”抵消“枕形失真”第29页/共134页第三十页，共135页。2.2：图形显示(xiǎnshì)设备阴极射线管（CathodeRayTurbo）荧光屏：荧光屏是用荧光粉涂敷在玻璃底壁上制成的，常用沉积法涂敷荧光粉。玻璃底壁要求无气泡，表面光学抛光。对荧光粉的性能要求是：a.具发光颜色满足标准(biāozhǔn)白色b.发光效率高的c.余辉时间合适d.寿命长第30页/共134页第三十一页，共135页。2.2：图形(túxíng)显示设备阴极射线管（CathodeRayTurbo）荧光物质：当它被电子轰击时发出亮光，如硫化锌和硅酸锌的混合物。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1/10所需的时间电子停止轰击到亮度值衰减到初始值1/10所需的时间。短余辉可显示动画，长余辉可显示静态图象，通常CRT荧光粉的余辉时间为5－40ms。刷新：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。分辨率：像素(Pixel:PictureCell)：构成屏幕（图像）的最小元素。屏幕亮点无重叠显示的最多点数；或垂直和水平方向每厘米可绘制的点数；或两个方向的总点数。两个相邻(xiānɡlín)亮点显现的间隔应大于具有约60％亮点中心亮度的位置上每个亮点的直径。荧光屏的相关(xiāngguān)概念：第31页/共134页第三十二页，共135页。分辨率(Resolution)：CRT在水平或竖直方向单位长度上能识别(shíbié)的最大像素个数，单位通常为dpi（dotsperinch)。在假定屏幕尺寸一定的情况下，也可用整个屏幕所能容纳的像素个数描述，如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等某种CRT产生稳定图像所需要的最小刷新频率(pínlǜ)=1秒/荧光物质的持续发光时间（例如）=1000/40=25Hz第32页/共134页第三十三页，共135页。2.2：图形(túxíng)显示设备阴极射线管（CathodeRayTurbo）CRT屏幕上发光(fāɡuānɡ)荧光层亮点的亮度分布满足高斯分布当两个荧光(yíngguāng)发光亮点间隔大于亮点亮度衰减到60％最大值的亮点的直径时，两亮点是可区分的第33页/共134页第三十四页，共135页。2.2：图形显示(xiǎnshì)设备彩色(cǎisè)阴极射线管屏幕产生(chǎnshēng)彩色的常用方法：射线穿透法、影孔板法影孔板法：原理：荫罩被安装在荧光屏的内表面，用于精确定位像素的位置

利用三基色原理（红、绿、蓝），将三色影像同时显示在一个管屏上，合成一副彩色图象。第34页/共134页第三十五页，共135页。2.2：图形显示(xiǎnshì)设备彩色(cǎisè)阴极射线管影孔板法原理：

荧光屏上涂有有序排列的R，G，B三色(sānsè)荧光点，荧光屏后面1cm处安装荫罩板，板上密排小孔与一组三色(sānsè)小点对应，三支电子枪的电子束交汇于小孔中心，再各自打在对应小点上。第35页/共134页第三十六页，共135页。2.2：图形显示(xiǎnshì)设备彩色(cǎisè)阴极射线管影孔板法原理：

调节各电子枪发射电子束的强度，即可控制各色光点亮度。若每支电子枪的电子束强度有256个等级，则显示器能同时显示256*256*256种颜色，称为(chēnɡwéi)真彩系统。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(chēnɡwéi)真彩系统显示器能同时显示的颜色个数第36页/共134页第三十七页，共135页。2.2：图形(túxíng)显示设备彩色(cǎisè)阴极射线管影孔板法原理：

电子枪的安装呈“品”字形，其间互成120度，组成一个等边三角形。为使三只枪同时击中一组荧光(yíngguāng)点，每支枪略向管轴倾斜。点状荫罩工作原理红、绿、兰三基色三色荧光点（很小并充分靠近--〉像素）三支电子枪电子枪、荫罩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）对应第37页/共134页第三十八页，共135页。2.2：图形(túxíng)显示设备彩色(cǎisè)阴极射线管影孔板法原理：

为了避免混色，荧光点的面积比电子束截面(jiémiàn)要大些只有15%左右的电子到达屏幕，大部分被荫罩挡住致其发热第38页/共134页第三十九页，共135页。2.2：图形(túxíng)显示设备彩色(cǎisè)阴极射线管影孔板法原理：

为了改进普通荫罩管的缺点，研制出了黑底荫罩管。主要是把荧光小点的面积缩小(suōxiǎo)到等于实际发光面积，且小孔间隙用石墨涂敷。第39页/共134页第四十页，共135页。2.2：图形显示(xiǎnshì)设备彩色(cǎisè)阴极射线管影孔板类型(lèixíng)：

a）点状影孔板：大多数球面与柱面显像管b）荫栅式影孔板：Sony的Trinitron与Mitsubishi的Diamondtron显像管c）沟槽式影孔板：LG的Flatron显像管外层玻璃荧光涂层影孔板第40页/共134页第四十一页，共135页。2.2：图形显示(xiǎnshì)设备影孔板类型：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（点状荫罩显象管），显象管的表面呈略微凸起的球面状，故称之为“球面管”。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(dànshì)在垂直方向上却是笔直的，呈圆柱状，故称之为“柱面管”。常用的荫栅式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）RGB红绿兰荫栅荧光屏彩色(cǎisè)阴极射线管第41页/共134页第四十二页，共135页。柱面和球面(qiúmiàn)显示器点距定义示意图第42页/共134页第四十三页，共135页。2.2：图形显示(xiǎnshì)设备彩色(cǎisè)阴极射线管射线穿透(chuāntòu)法：

由两层荧光涂层：红色光和绿色光两种发光物质构成，电子束轰击穿透(chuāntòu)荧光层的深浅，决定所产生的颜色特点：主要用于随机扫描等画线显示器；成本低；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第43页/共134页第四十四页，共135页。2.2：图形显示(xiǎnshì)设备彩色(cǎisè)阴极射线管射线穿透法：

当图形彩色转换速度很快时，相应的高压转换速度亦迅速，这对转换速度、精度、和功耗都提出(tíchū)了很高的要求；另外它通常只能产生有限的几种颜色电子束荧光涂层产生颜色低速电子束较低速电子束较高速电子束高速电子束第44页/共134页第四十五页，共135页。2.2：图形显示(xiǎnshì)设备CRT图形(túxíng)显示器随机扫描显示器：

图形显示器中电子束的定位和偏转(piānzhuǎn)具有随机性，即电子束的扫描轨迹随显示内容而变化，只在需要的地方扫描，而不必全屏扫描。故也称其为向量显示器或笔划显示器。第45页/共134页第四十六页，共135页。随机扫描(sǎomiáo)的显示系统特点：电子束可随意移动，只扫描(sǎomiáo)荧屏上要显示的部分。逻辑部件：刷新存储器(RefreshingBuffer)，显示处理器（DPU:DisplayProcessingUuit）和CRT第46页/共134页第四十七页，共135页。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)，→驱动(qūdònɡ)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。工作(gōngzuò)原理第47页/共134页第四十八页，共135页。2.2：图形(túxíng)显示设备CRT图形(túxíng)显示器随机扫描显示器：

随机扫描显示器设计(shèjì)成每秒30到60次画出图形的所有线缺点：只能显示线画图形不能显示逼真场景、和电视标准不一致、驱动系统也较复杂。处理100000条短线。显示的线条很少时候，则延迟每个刷新周期，否则可能烧坏荧光屏。优点：无冗余扫描、速度快、图象清晰、比光栅系统更高的分辨率、生成光滑线条。条。高性能的向量系统在这样的速度中能第48页/共134页第四十九页，共135页。2.2：图形显示(xiǎnshì)设备CRT图形(túxíng)显示器直视存储管显示器：

其工作原理类似一个(yīɡè)有长余辉的荧光屏，一条线一旦画在屏幕上，在一小时之内都将是可见的。优点：缺点：不能显示彩色、不能局部修改、擦除和重画过程对复杂图形来讲，可能要几秒钟无需刷新、复杂图形都能在极高分辨率下无闪烁显示；成本低；第49页/共134页第五十页，共135页。2.2：图形(túxíng)显示设备CRT图形(túxíng)显示器光栅扫描显示器：

在该系统系统中，电子束横向扫描屏幕，一次一行，从顶到底顺次进行。当电子束横向沿每一行移动时，电子束的强度不断变化(biànhuà)来建立亮点的图案。故称其为画点设备第50页/共134页第五十一页，共135页。光栅扫描的显示(xiǎnshì)系统光栅扫描显示系统(xìtǒng)特点：光栅扫描扫描线帧水平回扫期垂直回扫期第51页/共134页第五十二页，共135页。2.2：图形显示(xiǎnshì)设备CRT图形(túxíng)显示器光栅扫描显示器：

刷新速率：每秒60到80帧，即60Hz或80Hz。水平回扫，行扫描：对于每一行，扫描线扫过后(guòhòu)，返回屏幕左端。垂直回扫，场扫描：每帧终了，电子束返回左上端。

逐行扫描和隔行扫描：隔行扫描是先扫偶数行扫描线，再扫奇数行，主要用于较慢的刷新速率，以避免闪烁。刷新缓冲存储器（refreshbuffer）或称帧缓冲存储器（framebuffer）第52页/共134页第五十三页，共135页。几个(jǐɡè)概念行频、帧频水平扫描频率(pínlǜ)为行频。垂直扫描频率(pínlǜ)为帧频。逐行扫描、隔行扫描隔行扫描方式是先扫奇数行扫描线，再扫偶数行扫描线。第53页/共134页第五十四页，共135页。几个(jǐɡè)概念象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(dānwèi)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。第54页/共134页第五十五页，共135页。几个(jǐɡè)概念点距相邻象素点之间的距离，与分辨率指标相关(xiāngguān)。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。第55页/共134页第五十六页，共135页。几个(jǐɡè)概念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(xūyào)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。第56页/共134页第五十七页，共135页。几个(jǐɡè)概念帧缓冲存储器（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(chéngjī)来表示，称为帧缓冲存储器的分辨率。第57页/共134页第五十八页，共135页。显示器的分辨率电子束按固定(gùdìng)的扫描顺序进行扫描N条扫描线，每条扫描线有M个像素，则M*N为显示器的分辨率。

第58页/共134页第五十九页，共135页。逻辑部件：帧缓冲存储器（FrameBuffer)，视频控制器（VideoController)，显示(xiǎnshì)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，俗称显存第59页/共134页第六十页，共135页。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（图示帧缓冲器的每个单元只有(zhǐyǒu)一位）。16位色的系统可以同时显示16*16*16=4096色第60页/共134页第六十一页，共135页。2.2：图形(túxíng)显示设备平板(píngbǎn)图形显示器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显示器利用电子枪发射电子束，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。

平板显示器是低电压、轻小型的数字化显示器件，一般(yībān)分为两类：非发射显示器和发射显示器。非发射显示器利用光学效应，主要指液晶显示器；发射显示器主要包括平板CRT、等离子显示器、薄片光电显示器、发光二极管等。第61页/共134页第六十二页，共135页。2.2：图形(túxíng)显示设备平板(píngbǎn)图形显示器液晶显示器：

液晶的电光效应：当液晶分子的某种排列状态在电场作用下变为另一种排列状态时，液晶的光学性质随之改变。液晶显示的机理(jīlǐ)是通过能阻塞或传递光的液晶材料，传递来自周围的或内部光源的偏振光。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。第62页/共134页第六十三页，共135页。2.2：图形显示(xiǎnshì)设备平板(píngbǎn)图形显示器等离子显示器：

采用空气等离子体(děnglízǐtǐ)技术，无须刷新缓冲存储器。空气等离子体(děnglízǐtǐ)通常用包括氖气在内的混合气体充入两块玻璃板之间。类似一个个微型霓虹灯，红绿蓝三种不同颜色的像素。显示屏薄，挂在墙上。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。第63页/共134页第六十四页，共135页。2.2：图形显示(xiǎnshì)设备平板(píngbǎn)图形显示器薄片光电显示器：

薄片光电显示器有与等离子体显示板类似的结构。不同之处在于：它在玻璃板中填充的是荧光(yíngguāng)物，而不是气体。第64页/共134页第六十五页，共135页。2.2：图形(túxíng)显示设备平板(píngbǎn)图形显示器发光二极管显示器：

常用于设计大型的室内(shìnèi)室外的显示屏。结构原理：二极管以矩阵排列形成显示器的象素位置缺点：暖色效应，即多数LED大屏幕显示器只具有暖色：即红色和绿色，以及两色的混合色“黄色”，整个显示色调偏黄。第65页/共134页第六十六页，共135页。2.2：图形显示(xiǎnshì)设备三维观察(guānchá)设备显示三维场景需要用三维观察设备。一种方式是采用从变焦距的柔性震动镜面反射CRT图象。第二种方式是利用(lìyòng)不同的刷新周期交替地显示两视图，为不同的眼镜显示不同的图象。第三种方式是采用虚拟现实中的头盔式结构。第66页/共134页第六十七页，共135页。2.3：图形(túxíng)显示子系统图形显示(xiǎnshì)子系统结构相关概念PC图形显示(xiǎnshì)卡本节内容(nèiróng)：第67页/共134页第六十八页，共135页。2.3：图形(túxíng)显示子系统图形显示(xiǎnshì)子系统结构常用的光栅(guāngshān)图形显示子系统常用光栅图形显示器结构中，缓冲存储器由显示控制器直接访问，它即可以使用系统主存的固定区域，又可以是专用的显示内存。第68页/共134页第六十九页，共135页。2.3：图形(túxíng)显示子系统相关(xiāngguān)概念光点(ɡuānɡdiǎn)：指电子束打在屏幕上，显示器所能显示的最小发亮点，一般用其直径来标明光点的大小。

象素点：指图形显示在屏幕上的时候，按当前的图形显示分辨率所能提供的最小元素点。

图形分辨率：

图形系统具有的实际屏幕图形精度称为图形分辨率图形显示中的分辨率有三种：屏幕分辨率、显示分辨率和存储分辨率。第69页/共134页第七十页，共135页。2.3：图形(túxíng)显示子系统相关(xiāngguān)概念屏幕(píngmù)分辨率：也称光栅分辨率，它决定了显示系统最大可能的分辨率，任何显示控制器所提供的分辨率均不能超过该物理分辨率。通常用水平方向与垂直方向上的光点数的乘积来表示。

显示分辨率：计算机显示控制器所能够提供的显示模式分辨率，实际应用中简称为显示模式。对于文本显示方式，显示分辨率用水平和垂直方向上所能显示的字符总数的乘积表示。对于图形显示方式，则用水平和垂直方向上所能显示的象素点总数的乘积表示。显示分辨率不同，它所对应的象素点大小也不同。第70页/共134页第七十一页，共135页。2.3：图形(túxíng)显示子系统相关(xiāngguān)概念存储(cúnchǔ)分辨率：

指帧缓冲区的大小，一般用缓冲区的字节数表示。存储分辨率不仅与显示分辨率有关，还与象素点色彩有关。帧缓存大小的计算＝：x方向的象素点数*y方向的象素点数*（log2n）/8其中：n为颜色数或灰度等级数。

三种分辨率的关系：屏幕分辨率决定了所能显示的最高分辨率；显示分辨率和存储分辨率对所能显示的图形分辨率也有控制作用；存储分辨率必须大于显示分辨率，否则不能显示应有的显示模式；第71页/共134页第七十二页，共135页。2.3：图形(túxíng)显示子系统相关(xiāngguān)概念文本方式：屏幕显示的工作方式为字符方式称为(chēnɡwéi)文本方式。文本方式下，屏幕分辨率表示了该显示器显示字符的能力。图形方式：屏幕显示的工作方式为绘图方式。只有在图形方式下才能执行各种图形的输入输出和操作功能。图形方式下也能显示字符，这时的字符可以作为图案（点阵字模）或图形（矢量字）处理，字符的大小和方向都是可变的。图形模式：图形方式下具体的显示方式称为(chēnɡwéi)图形模式。图形模式包括显示分辨率、同时能显示的色彩数目和页面个数。第72页/共134页第七十三页，共135页。2.3：图形(túxíng)显示子系统相关(xiāngguān)概念

象素和帧缓存：屏幕上一个象素点就对应帧缓存中的一组信息(xìnxī)。如何对应，通常采用两种方式：组合象素法，和颜色位面法。

组合象素法：在这种方式中，图形显示中一个图形象素点的全部信息被编码成一个数据字节，按照一定方式存储到帧缓存中，编码字节的长度与点的属性（如颜色、灰度等）有关。第73页/共134页第七十四页，共135页。2.3：图形(túxíng)显示子系统相关(xiāngguān)概念颜色(yánsè)位面法：在这种方法中，帧缓存被分成若干独立的存储区域，每一个区域称为一个位面（BitPlane），每个位面控制一种颜色或者灰度，每一个图形象素点在每个位面中占一位，通过几个位面中的同一位组合成一个象素。第74页/共134页第七十五页，共135页。黑白(hēibái)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1024×1024象素组成的黑白单灰度显示器所需要的最小缓存为220，并在一个位面上(miànshànɡ)。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)。第75页/共134页第七十六页，共135页。2.3：图形(túxíng)显示子系统相关(xiāngguān)概念颜色(yánsè)位面法：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。例如N位面灰度等级的帧缓存，其灰度等级范围是0到2N-1之间。对于黑白单灰度显示器每一象素需要一位存储器，对一个1024×1024象素组成的黑白单灰度显示器所需要的最小缓存为1024×1024，并在一个位面上。第76页/共134页第七十七页，共135页。黑白(hēibái)灰度光栅扫描显示器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(yīɡè)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。该存储器中的二进制的数被翻译成灰度等级，范围是0到2N-1之间。第77页/共134页第七十八页，共135页。2.3：图形(túxíng)显示子系统相关(xiāngguān)概念颜色(yánsè)位面法：对于彩色帧缓存，每个原色电子枪有8个位面，每种原色有256种颜色数（灰度），三种原色组合可产生256×256×256种颜色，称为全彩色（真彩色），其帧缓存称为全色帧缓存，这类帧缓存中每个象素点需要3个字节保存。第78页/共134页第七十九页，共135页。彩色(cǎisè)光栅扫描显示器下图是彩色(cǎisè)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。第79页/共134页第八十页，共135页。彩色(cǎisè)光栅扫描显示器每个颜色(yánsè)的电子枪可以通过增加帧缓存位面来提高颜色(yánsè)种类的灰度等级。如上图，每种原色电子枪有8个位面的帧缓存和8位的数模转换器，每种原色可有256种灰度，三种原色的组合将是(28)3=224。第80页/共134页第八十一页，共135页。彩色(cǎisè)光栅扫描显示器每个颜色(yánsè)的电子枪可以通过增加帧缓存位面来提高颜色(yánsè)种类的灰度等级。如上图，每种原色电子枪有8个位面的帧缓存和8位的数模转换器，每种原色可有256种灰度，三种原色的组合将是(28)3=224。第81页/共134页第八十二页，共135页。彩色(cǎisè)光栅扫描显示器若每个单元有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(dàxiǎo)V的关系

第82页/共134页第八十三页，共135页。彩色(cǎisè)光栅扫描显示器若存储器位长固定(gùdìng)，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。第83页/共134页第八十四页，共135页。彩色(cǎisè)光栅扫描显示器显存问题(wèntí)高分辨率和真彩要求有大的显存；曾经是个问题(wèntí)！解决方法：采用查色表(LookupTable）或称彩色表(ColorTable)查色表工作原理1024*768真彩模式(móshì)需要3M字节显存第84页/共134页第八十五页，共135页。2.3：图形(túxíng)显示子系统相关(xiāngguān)概念颜色(yánsè)查找表：如果颜色值直接存储在帧缓存中，那么对一些高分辨率和真彩要求的显存，如：1024×768真彩模式需要3M字节的帧缓存（显存）！而通常应用中只取256或512个颜色（灰度）等级。为降低帧缓存的负荷，可采用颜色查找表的方法，即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。第85页/共134页第八十六页，共135页。2.3：图形(túxíng)显示子系统相关(xiāngguān)概念颜色(yánsè)查找表：颜色查找表中每一项的内容对应一种颜色，表的长度由帧缓存单元的位数决定，例如：每单元有n位，则查色表的长度为2n，表中每项有w位字宽。

目的：在帧缓存单元况下具有大范围内挑选颜注意：尽管采用查找表后可提高总光强等级(总颜色数)，但每屏可显示的颜色数还是受帧缓存中单个象素点所占用的位数决定位数不增加的情图中w>n时，可有2w个灰度等级。色的能力。第86页/共134页第八十七页，共135页。2.3：图形(túxíng)显示子系统相关(xiāngguān)概念显示(xiǎnshì)长宽比：即水平点数与垂直点数之比。要求在屏幕两个方向上相同象素点数产生同样长度的线段，以使图形不至发生畸变。例如，屏幕的长宽比为4:3，故显示分辨率就有640×480，800×600，1024×768等，它们均为4:3。800600第87页/共134页第八十八页，共135页。2.3：图形(túxíng)显示子系统相关(xiāngguān)概念屏幕(píngmù)坐标系：在坐标系中象素点（x，y）的坐标取值范围为0到x或y的最大分辨率减1。第88页/共134页第八十九页，共135页。2.3：图形(túxíng)显示子系统PC图形(túxíng)显示卡单字符显示卡：MDA（MonochromeDisplayAdapter）彩色图形显示卡：CGA（ColorGraphicsAdapter）增强型图形显示卡：EGA（ExtendedGraphicsAdapter）影像图形阵列：VGA（VideoGraphicsArray）高性能图形显示卡：SuperVGA、AcceleratedVGA、TVGA显示存储器的带宽：最大数据传输率（MB/s）刷新(shuāxīn)带宽：每帧象素点数×每象素占用字节×刷新(shuāxīn)速率第89页/共134页第九十页，共135页。查色表（lookupTable）是一维线性表，其每一项的内容对应一种(yīzhǒnɡ)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，则查色表的长度为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：第90页/共134页第九十一页，共135页。存放(cúnfàng)方式颜色(yánsè)信息在帧缓存中两种存放方式：一是颜色(yánsè)值直接存储在帧缓存中。二是把颜色(yánsè)码放在一个独立的表中，帧缓存存放的是颜色(yánsè)表中各项的索引值，颜色(yánsè)范围扩充了。单色系统：查色表固化彩显：可修改、创建查色表。第91页/共134页第九十二页，共135页。带宽T与分辨率、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(ɡéxínɡsǎomiáo)（现在已经不用，主流显示器都采用逐行扫描方式）隔行扫描(ɡéxínɡsǎomiáo)：把一帧分两场，即奇数场与偶数场场频：==2*帧频彩色(cǎisè)光栅扫描显示器第92页/共134页第九十三页，共135页。隔行扫描工作(gōngzuò)原理一帧完整的画面分成两场。一场1／60秒，（场频60HZ），（帧频(zhēnpín)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。第93页/共134页第九十四页，共135页。简单(jiǎndān)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(shìpín)控制器能够直接存取该区域以刷新屏幕。第94页/共134页第九十五页，共135页。典型的光栅扫描图形(túxíng)显示系统结构其中，帧缓存既可以是专用的存储器，也可以是系统内存中的一块(yīkuài)固定区域。第95页/共134页第九十六页，共135页。视频(shìpín)控制器作用：建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应，负责刷新(shuāxīn)逻辑结构第96页/共134页第九十七页，共135页。视频(shìpín)控制器工作原理——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N-1，首先取出对应像素（0，N-1）的帧缓存单元的数值(shùzí),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一，如此重复，直到该扫描线上的最后一个像素。双缓冲机制（DoubleBuffer)普通(pǔtōng)显卡=视频控制器+显存第97页/共134页第九十八页，共135页。显示(xiǎnshì)处理器作用(zuòyòng)：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、纹理映射等等第98页/共134页第九十九页，共135页。显示(xiǎnshì)处理器具有专用显示处理器的光栅显示系统(xìtǒng)的结构图形加速卡=视频(shìpín)控制器+显存+显示处理器第99页/共134页第一百页，共135页。优点：成本低易于绘制填充图形色彩丰富(fēngfù)刷新频率一定，与图形的复杂程度无关易于修改图形缺点：需要扫描转换会产生混淆（走样）光栅显示系统(xìtǒng)的特点第100页/共134页第一百零一页，共135页。LCD(LiquidCrystalDisplay)显示器CRT固有的物理结构限制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(fāshè)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第101页/共134页第一百零二页，共135页。LCD显示器的优点(yōudiǎn)

外观小巧精致，厚度只有6.5~8cm左右。不会产生CRT那样(nàyàng)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第102页/共134页第一百零三页，共135页。LCD显示器的构成(gòuchéng)液晶(yèjīng)显示器是由六层薄板组成的平板式显示器反射层水平极板水平网格线液晶层垂直网格线垂直极板观察方向第103页/共134页第一百零四页，共135页。LCD显示器基本原理液晶是一种(yīzhǒnɡ)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光，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，还必须经过一块彩色滤光片以及第二块偏光板第104页/共134页第一百零五页，共135页。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(diànjí)，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第105页/共134页第一百零六页，共135页。LCD显示器的基本(jīběn)指标可视角度视线与屏幕中心法向成一定角度时，人们就不能清晰地看到屏幕图象(túxiànɡ)，而那个能看到清晰图象(túxiànɡ)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第106页/共134页第一百零七页，共135页。LCD显示器的基本(jīběn)指标点距与分辨率液晶屏幕的点距就是(jiùshì)两个液晶颗粒（光点）之间的距离，一般0.28~0.32mm就能得到较好的显示效果通常所说的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第107页/共134页第一百零八页，共135页。液晶(yèjīng)显示器的缺点寿命短、怕震动、温度敏感分辨率相对较低，色彩不够鲜艳(xiānyàn)，且价格相对偏高。第108页/共134页第一百零九页，共135页。图形(túxíng)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，一切操作都必须由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(yǐjing)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第109页/共134页第一百一十页，共135页。图形(túxíng)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(zhōngjiān)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第110页/共134页第一百一十一页，共135页。显卡工作原理(yuánlǐ)简单示意图第111页/共134页第一百一十二页，共135页。等离子显示器采用空气等离子体技术，无须刷新缓冲存储器空气等离子体可想象(xiǎngxiàng)成一个个微型霓虹灯，红绿蓝三种不同颜色的像素。发光聚合物技术，坚不可摧；柔韧性好，可以卷起来；显示画面具清晰，无锯齿现象。真正的平面直角。第112页/共134页第一百一十三页，共135页。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(shèjì)（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。图形工作站第113页/共134页第一百一十四页，共135页。虚拟现实(xūnǐxiànshí)系统除了具有常规的高性能计算机系统的硬件和软件(ruǎnjiàn)外，还必须对下列关键技术提供强有力的支持：能以实时的速度生成具有逼真感的景物图形（三维全彩色的、有明暗、纹理和阴影的图像）能高精度的实时跟踪用户的头和手。头戴显示器能产生高分辨率图像和较大的视角。第114页/共134页第一百一十五页，共135页。2.2图形系统及其标准(biāozhǔn)硬件，图形I/O设备(shèbèi)，系统软件，图形软件。图形软件：通用编程软件包，专用应用软件包。通用类：提供一个可用于高级程序语言的图形功能扩展集(比如，OpenGL). 基本功能：图元生成，属性设置（颜色，….）选择观察及实施变换等。专用类：不关心图形操作过程（CAD系统）。第115页/共134页第一百一十六页，共135页。图形系统标准(biāozhǔn)图形标准：图形系统及其相关应用系统中各界面之间进行数据传送和通信的接口标准，以及供图形应用程序调用的子程序功能及其格式(géshi)标准，前者称为数据及文件格式(géshi)标准，后者称为子程序界面标准。第116页/共134页第一百一十七页，共135页。图形系统标准(biāozhǔn)分类面向图形设备的接口标准：计算机图形元文件(CGM)，(CRT,Mouse,…)计算机图形接口(CGI).设备驱动程序。面向应用软件的标准：程序员层次交互式图形系统（PHIGS）,GL(图形程序包)（三维）图形核心系统（3D-GKS）面向图形应用系统中工程和产品数据模型及其文件格式：基本图形转换(zhuǎnhuàn)规范（IGES）产品数据转换(zhuǎnhuàn)规范（STEP）第117页/共134页第一百一十八页，共135页。CGI（ISODP9636)CGI(ComputerGraphicsInterface)提供控制图形硬件(yìnɡjiàn)的一种与设备无关的方法，是图形软件和图形硬件(yìnɡjiàn)之间的接口。也可看作图形设备驱动程序的一种标准。在用户程序和虚拟设备之间，以一种独立于设备的方式提供图形信息的描述和通信。第118页/共134页第一百一十九页，共135页。功能(gōngnéng)控制、查询及出错处理输出图素及其属性图段定义及处理输入(shūrù)及响应处理光栅图形处理第119页/共134页第一百二十页，共135页。CGM（ISOIS8632)CGM(ComputerGraphicsMetafile)是计算机图形元文件的缩写，提供图形数据接口，它规定了记录图形信息的数据文件格式，使程序与程序之间，或系统与系统之间相互交换图形数据成为可能。与设备无关的语义、词法定义的图形文件格式；规定了生成、存储、传送图形信息的格式；面向(miànxiànɡ)系统和系统开发者，和CGI配套提供；通用性是其关键属性。第120页/共134页第一百二十一页，共135页。图形(túxíng)元文件图形元文件规定了生成、存储、传送图形信息(xìnxī)的格式。目前常用两种类型的图形元文件，一种叫图形生成元文件，一种叫图段生成元文件。图形生成元文件的基本功能是生成多个与设备无关的图形定义，它提供了随机存取、传送、简捷定义图像的手段。CGM基本上属于这类元文件。图段生成元文件通过图形系统的某些接口生成完整的对话输出，GKS的元文件GKSM属于这类图形文件。CGM是一个静态的图形生成元文件，即它不能产生所定义图形的动态效果，例如不能实现动态的几何变换。第121页/共134页第一百二十二页，共135页。GKS是西德标准化协会提出的二维图形核心系统，1982年6月被ISO组织决定作为国际图形软件标准，提供了在应用程序和图形输入输出设备之间的功能接口。与语言无关(wúguān)。包括一系列交互式和非交互式图形设备的全部基本图形处理功能。如对图形进行生成、删除、复制等功能，对