2、计算机图形学的设备-系统

第2讲、图形设备、系统一、图形输入设备二、图形显示设备三、图形绘制设备四、图形处理器和图形系统图形输入设备•图形图象输入设备分类•典型设备概述–鼠标与轨迹球–数字化仪–数码相机–扫描仪图形输入设备分类•字符输入设备：键盘•指点输入设备：鼠标、轨迹球、触摸板、•指点杆、光笔•坐标输入设备：数字化仪、手写输入板•控制设备：操纵杆、数据手套•图象输入设备：图象扫描仪、数码相机图形输入设备(鼠标)最常见的输入设备之一，计算机系统标准配置之一，属相对坐标输入设备。基本原理是：移动鼠标时，移动方向和移动距离的信息被转化为电脉冲并传送给计算机，计算机再将脉冲转换为鼠标光标的坐标数据。轨迹球的结构和工作原理与鼠标相似，常作为鼠标的替代品。1、鼠标图形输入设备(鼠标)1）、鼠标分类•根据硬件实现方法：机械式、光电式、光机式•根据按键数量、类型：二键、三键、带滚轮•根据接口类型：串口、PS/2、USB•根据输入坐标维数：二维、三维图形输入设备(鼠标)2）、光电式鼠标工作原理：利用LED与光敏元件的组合来测量位移，使用时必须放在一块刻有间隔相同网格的反光板上。LED发出的光线经过反射后被光敏元件所接受，由于板上刻有网格，鼠标移动时反射到光敏元件上的光线会出现有规律的明暗间隔，光线强时光敏元件产生的电流或电压较高，反之则低，从而形成电脉冲。特点：可靠性高、精度高、成本高、使用不便。图形输入设备(鼠标)反射光输出电压或电流刻线(不反光)LED光敏元件发射光LED光敏元件发射光光电式鼠标工作原理示意图图形输入设备(鼠标)3）、光机式鼠标工作原理：采用两对发光---检测元件来检测鼠标的位移，发光管与光电管之间有一个齿轮，发射光线可以通过齿轮缺口照射到光电管上，但会被齿轮的齿遮挡。鼠标底部中心有小球，部分露出底部。移动时摩擦力使小球转动，带动齿轮转动，光线被间歇性遮断。接受端有两只光敏元件，可以检测明暗变化，对码盘转动计数，同时可根据两只光敏元件亮暗的顺序检测转动方向。特点：可靠性较低、精度较低、成本低、使用方便。图形输入设备(鼠标)光机式鼠标构造发光管光电管齿轮光电管发光管齿轮滚动球滚轮齿轮轴按键按键压紧轮图形输入设备(鼠标)4）、机械式鼠标工作原理：采用两对机械码盘来检测鼠标的位移。鼠标底部中心有小球，部分露出底部。移动时摩擦力使小球转动，小球带动机械码盘转动，码盘转动计数以检测相对偏移量，同时可利用码盘转动方向检测鼠标移动方向。特点：可靠性低、精度较高、成本高、使用方便。图形输入设备(鼠标)5）、其他类型鼠标Web鼠标：带滚动轮的鼠标三维鼠标：工作原理完全不同于二维鼠标轨迹球：倒置的鼠标笔记本电脑的指点设备：触摸板与指点杆图形输入设备(数字化仪)一种图形定位设备，属坐标输入设备：通常由两个主要部分组成：数字化板：亦称感应板，是一个坚固的、内部布满金属栅格阵列的绝缘平面图板，在有效区域内放置数字化底图；游标：亦称标示器，提供图形的位置等信息，常用的有2、4或16键，每个键都可以赋予特定的功能。为了便于操作，有时带底部支架。背面有一系列连接口。X坐标标Y坐标标图形输入设备(数字化仪)1）、数字化仪工作原理Y脉冲发生器X脉冲发生器时钟脉冲计数器Y行写线X行写线数字化仪结构示意图工作方式：•点方式•流方式•增量方式图形输入设备(数字化仪)2）、异步通讯协议•串行通讯与并行通讯打印机计算机①②③④···数字化仪计算机···①②③④···图形输入设备(数字化仪)•异步通讯协议规则起始位识别标记（1）空格（0）数据位奇偶位停止位异步通讯协议数据组成图形输入设备(数码相机)DigitalCamera，又称做数字照相机，是一种新兴的图像捕捉设备。最早出现于80年代中期，在90年代初期已经有部分新闻工作者开始使用。但是当时由于技术不成熟、成本过高等诸多因素的制约，因此只在新闻、出版等较少的专业领域内得到应用。近年来，随着电子技术的不断成熟，数码相机在性能不断提高的同时成本在逐步降低。伴随着电脑的不断普及，数码相机必将成为继键盘、鼠标和扫描仪之后的主流输入设备。图形输入设备(数码相机)1）、数码相机的感光器件CCD感光器件CMOS感光器件CCD(Charge－CoupledDevice)电荷耦合器是1970年以来发展起来的一种半导体器件，起步早、技术成熟，在数码相机、扫描仪、摄像机中得到广泛的应用。互补金属氧化物场效应管简称CMOS（C：Complement互补；M:Metal金属；O:Oxide二氧化硅；S:Semiconductor场效应管)，在数码相机中是指新一代数码相机采用的CMOS光电传感器。CMOS光电传感器使用的光敏元件、光敏元件排列方式与前述CCD电荷耦合器相同，只是在光电转换后信息传送方式不同。图形输入设备(数码相机)2）、感光器件特点对比CCD感光器件CMOS感光器件信号读取电路复杂；电路集成度低，制作成本高；图象信号处理速度低；重量大，体积大；技术较成熟，图象成像质量高。信号读取简单；电路集成度高，制作成本低；图象信号处理速度很高；重量轻，体积小；干扰大，图象质量差。图形输入设备(数码相机)3）、数码相机性能指标分辨率：数码相机的分辨率取决于相机内光敏元件的数目；色深度：用于描述数码相机对色彩的分辨能力，取决于其内部的ADC（AnalogueDigitalConverter，模数转换器）。贮存能力及压缩方式：内存和附加的可移动存储介质是决定数码相机贮存能力的两个因素；相对感光度：用来衡量胶片感光速度和感光灵敏度的度量；数据输出形式：多采用串行通信接口，也有使用USB和红外接口；LCD(液晶显示)监视；连续拍摄、视频输出、音频记录、特写模式等；图形输入设备(扫描仪)1）、扫描仪的分类按感光器件：CCD、CIS和光电倍增管；按扫描方式：手持式、平板式和滚筒式；按幅面大小：手持式扫描仪，中等幅面的台式扫描仪和大幅面的工程图扫描仪；按用途：通用型扫描仪和专用型扫描仪；按扫描介质：反射式扫描仪和透射式扫描仪以及既可扫反射稿又可扫透射稿的多用途扫描仪；图形输入设备(扫描仪)CIS扫描仪A4幅面CCD扫描仪A3幅面CCD扫描仪图形输入设备(扫描仪)2）、扫描仪工作原理a照明系统光电变换模/数转换器计算机存储扫描系统同步信号发生器图形输入设备(扫描仪)2)、扫描仪工作原理bCCD扫描仪ABCDDDEFGHA机箱B扫描稿件C灯管D反射镜E光学透镜F分光棱镜GCCD阵列HA/D变换器图形输入设备(扫描仪)2)、扫描仪工作原理cCIS扫描仪传感器阵列LEDCIS扫描仪结构原理图RGB图形输入设备(扫描仪)光电倍增管2)、扫描仪工作原理d图形输入设备(扫描仪)3)、三种扫描仪特点对比光电倍增管扫描仪CIS扫描仪CCD扫描仪图象质量较好；分辨率较高；光学系统复杂，价格较高；可以进行立体扫描；扫描速度较快；扫描精度较好；色彩还原较好；体积、重量较小，功耗较低；图象质量较差；分辨率较低；无复杂光学系统，制造简单，价格低；不能进行立体扫描；扫描速度较快；扫描精度较差；色彩还原较差；体积、重量很小，功耗很低；图象质量极高；分辨率极高；由于光电倍增管成本较高，整体价格很高；可以进行立体扫描；扫描速度很慢；扫描精度极高；色彩还原非常好；体积、重量很大，功耗很大；图形输入设备(扫描仪)4）、扫描仪技术参数•分辨率：光学与插值分辨率、光学与机械分辨率；•色深度：通常在24～36Bits，最高可达48Bits；•扫描幅面：幅面越大，价格越高；•扫描精度：高精度扫描仪的成本也是高高在上；•接口方式：SCSI最快，并口最便宜，USB最方便；•扫描速度：幅面越大越慢。图形显示设备显示方式-随机扫描•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),显示处理器（DPU:DisplayProcessingUuit）和CRT图形显示设备•为了克服随机扫描显示器的不断刷新的缺点，发展了利用显示器本身来存储信息的技术:20世纪60年代后期•表面上看存储管的特性极象一个有长余辉的荧光屏，一条线一旦画在屏幕上，在一小时之内都将是可见的。•电子束写在屏幕后的涂有介质的网格上，然后由一个独立的读数电子枪将图案复制到屏幕上。直视存储管显示时间可持续近1个小时，清除需1/2秒。其优点是显示时无闪烁,显示分辨率高(203×203平方毫米有1024×1024光点)，价格低。缺点是显示速度慢,不易修改,不能用作动态显示。显示方式-直视存储管图形显示设备•电子束依照固定的扫描线和规定的扫描顺序进行扫描。电子束先从荧光屏左上角开始，向右扫一条水平线，然后迅速地回扫到左边偏下一点的位置，再扫第二条水平线，照此固定的路径及顺序扫下去，直到最后一条水平线，即完成了整个屏幕的扫描。在扫描时，电子束的强度不断变化来建立亮点的图案。显示方式-光栅扫描显示图形显示设备一、视频显示原理（1）接口计算机显示存储器象素值色彩查找表CRT控制器颜色亮度信号监视器显示控制卡的组成图形显示设备P1P2P3PnP3P1Pn彩色表100P2DAC显存的组织方法（a）组合像素结构（b）位平面结构电子枪图形显示设备3红蓝绿DAC010DACDAC一个简单的彩色帧缓冲存储器图形显示设备8888位DAC红蓝绿8位DAC8位DAC010001111010110000000110一个具有24位面的彩色帧缓冲存储器图形显示设备•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KNMV2log图形显示设备•3个位面分辩率是1024×1024的显示器，需要显存的大小是多少KB?•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。图形显示设备•CRT显示器–球面荫罩式显示器（球面显示器）–荫栅式显示器（柱面显示器）–沟状荫罩显示器（柱面、平面显示器）•平板式显示器–受光型：液晶显示器–发光型：LED、等离子体、场致发射显示器•大屏幕投影仪–CRT投影仪、液晶投影仪、液晶光阀投影仪图形显示设备CRT显示器工作原理CRT结构示意图加热灯丝聚焦阳极垂直偏转板阴极控制栅极加速阳极水平偏转板电子束荫罩荧光涂覆层电子枪图形显示设备彩色CRT显示器荫罩结构a.点状荫罩结构b.荫栅结构c.沟状荫罩结构大多数球面与柱面显像管Sony的Trinitron与Mitsubishi的DiamondtronLG的Flatron显像管图形显示设备点状荫罩：结构简单，易于加工，成本低。表面是球面，在边缘和四角变形严重，使用时电子撞击荫罩产生热量导致画面失真加重；荫栅：电子束通过率高，亮度大，加工成本高。表面呈柱状，垂直失真小。为增加结构强度，导致表面有明显的暗线；沟状荫罩：电子束通过率较高，亮度较大，加工成本较高。失真小，结构强度较大，适合应用于纯平显示器。图形显示设备•场频：又称为“垂直扫描频率”，也就是屏幕的刷新频率。指每秒钟屏幕刷新的次数，通常以赫兹(Hz)表示，它可以理解为每秒钟重画屏幕的次数。•分辨率：在屏幕大小为定数的情况下，分辨率越高，显示器性能越好，相应的价格也越高。•行频：指电子枪每秒在荧光屏上扫描过的水平线数量，单位是kHz，等于“行数×场频”。图形显示设备纯平CRT显示器纯平面显示器是最近几年出现的新型显示器，这种显示器表面是完全平面，没有任何弧度，也称镜面显示器。采用超薄型的“沟状荫罩”，解决了超薄罩板易变形的问题。开发纯平面显像管的另一难题难题偏转线圈。必须设计完善的补偿电路来克服宽频带的扫描。纯平面的显示器，在视觉效果上都会感觉图像有点向里凹陷。总体上看，纯平显示器失真小、光线反射少、辐射小，是CRT显示器的发展方向。图形显示设