第2章 图形输入输出设备

12019/10/3第二章交互式计算机图形处理系统计算机学院苏小红22019/10/3交互式计算机图形处理系统Computer+人=交互式PersonelComputer图形处理系统workstation图形处理系统要求主机性能更高（强大的浮点运算能力），速度更快，存储容量更大，外设种类更齐全图形加速卡，大屏幕显示器32019/10/3硬件发展图形输入设备的发展第一阶段：控制开关、穿孔纸等第二阶段：键盘、光笔第三阶段：二维定位设备，如鼠标、坐标数字化仪、跟踪球、触摸屏、操纵杆、扫描仪等第四阶段：三维输入设备（如三维鼠标、空间球、数据手套、数据衣），用户的手势、表情等42019/10/3图形输出(显示、打印）设备阴极射线管显示器（CRT）液晶显示器（LCD）绘图仪打印机52019/10/3未来显示器发光聚合物技术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真正的平面直角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，红绿蓝三种不同颜色的像素显示屏薄，挂在墙上无锯齿现象，分辨率好无需刷新缓存，重量轻，无辐射价格贵62019/10/3CRT显示器分类阴极射线管（CRT）（CathodeRayTube）单色CRT彩色CRT72019/10/3阴极射线管(CRT)–组成：包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏–工作原理：电子枪发射电子束，经过聚焦系统、加速电极、偏转系统，轰击到荧光屏的不同部位，被其内表面的荧光物质吸收，发光产生可见的图形。–结构82019/10/3荧光屏荧光物质：吸收电子束而发光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刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数像素(Pixel)：构成屏幕（图像）的最小元素分辨率(Resolution)：在假定屏幕尺寸一定的情况下，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=1秒/荧光物质的持续发光时间（Hz）92019/10/3彩色CRT渗透型常用于随机扫描显示器射线穿透法多枪型常用于光栅扫描显示器影孔板法（阴罩法）彩色阴极射线管102019/10/3射线穿透法（beampenetration）原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光物质，不同速度电子束穿透荧光层的深浅，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112019/10/3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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122019/10/3点状影孔板工作原理红、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，称为真彩色系统132019/10/3CRT显示器分类直视存储管式（Direct-ViewStorageTubes）利用管子本身存储信息，类似于一个长余辉的CRT，不必刷新刷新式随机扫描式（Random-Scan）光栅扫描式（Raster-Scan）142019/10/3随机扫描的显示系统特点数据表示：矢量表示，只有端点信息，无线段中间点扫描方式：电子束像一支快速移动的画笔，可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分，与示波器工作原理类似显示图形：几何属性（geometricattribute）为主，线架图优点：扫描速度快，分辨率高，线条质量好，易修改，交互性好，动态性能好缺点：价格贵，只能显示线画图形，应用于军事、CAD领域152019/10/3光栅扫描的显示系统特点：数据表示：像素矩阵扫描方式：从上到下，从左到右，与电视工作原理类似显示图形：几何属性+视觉属性（Visualattribute），真实感图形162019/10/3显示器的分辨率电子束按固定的扫描顺序扫描N条扫描线，每条扫描线有M个像素，M*N显示器的分辨率。帧172019/10/3绘图仪printerComputerDPU输入设备视频控制器display逻辑部件：–帧缓冲存储器（FrameBuffer)–视频控制器（VideoController)–显示处理器（DisplayProcessingUuit，简称DPU）–CRT182019/10/3帧缓冲存储器（FrameBuffer)作用：存储屏幕上像素的颜色值也称刷新存储器(RefreshingBuffer)简称帧缓冲器，俗称显存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。192019/10/3位面（bitplane）技术把显存分成若干色平面，各平面上相同位置的每一位和屏幕上的一个像素对应，同一像素点在各位面占同一地址，不同位面上同一像素地址中的内容决定像素的颜色。色平面越多，可表达的色彩越丰富。增加一个位面，色彩就增加一倍，而存储器写操作程序无需重新计算新地址，程序兼容性好。202019/10/3N位寄存器电子枪CRT光栅有N个位面的帧缓存2NDAC0100010~2N-1灰度等级寄存器蓝色枪帧缓存DAC0001CRT光栅01DACDAC红色枪绿色枪212019/10/3若有24个位面（每种基色8个位面）则可同时显示(28)3=224=16777216种颜色（24位真彩色）。红绿蓝三个位面，组合成8种颜色增加一个亮度位面，形成16种颜色红绿蓝Black000Blue001Green010Cyan011Red100Magenta101Yellow110White111222019/10/3显存容量问题分辨率M*N、颜色个数K与显存容量V的关系KNMV2log232019/10/3显存容量问题若存储器位长固定，则屏幕分辩率与同时可用的颜色种数成反比关系。1024*768真彩模式需要3M字节显存高分辨率和真彩要求有大的显存；解决方法：采用查色表(Look-upTable）242019/10/3查色表（LUT）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。颜色信息在帧缓存中的两种存放方式：颜色值直接存储在帧缓存中。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，索引色。单色系统：查色表固化彩显：可修改、创建查色表。252019/10/3•带宽T与分辨率、帧频（刷新频率）F的关系•带宽问题–高分辨率和高刷新频率要求高带宽–解决方法：隔行扫描带宽问题FNMT262019/10/3隔行扫描（Interlacedscan）工作原理场频：=帧频*2一帧完整的画面分成两场，即奇数场与偶数场优点：降低了闪烁效应；只需逐行的一半时间即可显示一屏画面，降低了对扫描频率的要求，也降低了成本；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。272019/10/3视频控制器（显示控制器）作用：制图形的显示，建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应关系，负责按固定刷新频率和扫描顺序刷新屏幕图形282019/10/3显示处理器显示处理器DisplayProcessingUuit，简称DPU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292019/10/3光栅显示系统的特点优点：成本低易于绘制填充图形灰度和色彩丰富，图像逼真可以和电视机兼容刷新频率一定，与图形的复杂程度无关缺点：需要扫描转换扫描转换速度偏低，交互操作响应慢分辨率偏低，有阶梯效应302019/10/3图形软件发展及软件标准形成三种类型的计算机图形软件系统：(1)用某种语言写成的子程序包如:GKS(GraphicsKernelSystem)PHIGS(Programmer’sHerarchicalIuteractiveGraphicssystem)GL便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低(2）扩充计算机语言，使其具有图形生成和处理的功能如：TurboC，AutoLisp等。简练、紧凑、执行速度快，但不可移植（3）专用图形系统：效率高，但系统开发量大，可移植性差。312019/10/3通用的、与设备无关的图形标准GKS(GraphicsKernelSystem)(第一个官方标准，1977)PHIGS(Programmer’sHerarchicalIuteractiveGraphicssystem)一些非官方图形软件，广泛应用于工业界，成为事实上的标准DirectX(MS)Xlib(X-Window系统)OpenGL(SGI)Adobe公司Postscript322019/10/3开放式的三维图形软件包OpenGLOpenGL是近几年发展起来的一个性能卓越的三维图形标准，它是在SGI等多家世界闻名的计算机公司的倡导下，以SGI的GL三维图形库为基础制定的一个通用共享的开放式三维图形标准。目前，包括Microsoft、SGI、IBM、SUN、HP等大公司都采用了OpenGL做为三维图形标准，许多软件厂商也纷纷以OpenGL为基础开发出自己的产品。其中比较著名的产品包括：动画制作软件Softimage和3DStudioMAX、仿真软件OpenInventor、VR软件WorldToolKit、CAM软件ProEngineer、GIS软件ARC/INFO等等。332019/10/3OpenGL的优越性独立于窗口系统和操作系统，以它为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植；可与VisualC++紧密接口，便于实现机械手的有关计算和图形算法，可保证算法的正确性和可靠性；使用简便，效率高。342019/10/3OpenGL图形库的功能一共有100多个函数。其中核心函数有115个除了提供基本的点、线、多边形的绘制函数外，还提供了复杂的三维物体（球、锥、多面体、茶壶等）以及复杂曲线和曲面（如Bezier、NURBS等曲线或曲面）绘制函数。基本几何变换和投影变换。颜色模式设置光照和材质设置纹理映射功能位图显示和图象增强：反走样(Antialiasing)和雾(fog)的特殊图象效果处理双缓存(DoubleBuffering)动画：双缓存即前台缓存和后台缓存，即后台缓存计算场景、生成画面，前台缓存显示后台缓存已画好的画面。