02 计算机图形学基础(第二版) (陆枫何云峰 编著)

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1、第二章计算机图形系统及图形硬件 计算机图形系统图形输入设备图形显示设备显示子系统图形硬拷贝设备OpenGL图形软件包 1 2 1计算机图形系统 计算机图形系统的功能计算机图形系统的结构 2 3 计算机图形系统的功能 图2 1计算机图形系统的功能 4 计算机图形系统的结构 图2 2计算机图形系统的结构 2 2图形输入设备 键盘 keyboard 键盘能用来进行屏幕坐标的输入 菜单选择 图形功能选择 以及输入那些如辅助图形显示的图片标记等非图形数据 5 图形输入设备 鼠标器 mouse 当推动鼠标器在平面上移动时 鼠标将记录移动的方向和距离 这个方向和距离被传送给计算机 转换成对应的光标的位移 6

2、 图形输入设备 光笔 lightpen 7 图2 3光笔的结构 图形输入设备 触摸屏 touchscreen 当用手指或者小杆触摸屏幕时 触点位置便以光学的 红外线式触摸屏 电子的 电阻式触摸屏和电容式触摸屏 或声音的 声音探测式 方式记录下来 8 图形输入设备 操纵杆 joystick 操纵杆是由一根小的垂直杠杆组成的可摇动装置 该杠杆装配在一个其四周可移动的底座上用来控制屏幕光标 9 图形输入设备 跟踪球 Trackball 和空间球 Spaceball 10 图2 4跟踪球 图2 5空间球 图形输入设备 数据手套 DataGlove 是一种戴在手上的传感器 可以用来抓住 虚拟对象 它由一

3、系列检测手和手指运动的传感器构成 用来提供关于手的位置和方向的信息 11 图形输入设备 数字化仪 Digitizer 用于在二维或三维的图形对象上扫描 以输入一系列二维或三维的坐标值 这些坐标值代表的坐标点 在系统中将以直线段或曲线段连接 以逼近图形对象的描绘曲线或表面形状 12 图形输入设备 图像扫描仪 Scaner 图像扫描仪可直接把图纸 图表 照片 广告画等输入到计算机中 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 并按图像方式进行存储 13 图形输入设备 声频输入系统视频输入系统 14 2 3图形显示设备 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设备 1

4、5 阴极射线管 CRT CRT CathodeRayTube 是一种真空器件 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 CRT从结构上分为 电子枪 偏转系统 荧光屏 16 阴极射线管 CRT 17 电子枪 偏转系统 荧光屏 图2 6CRT的结构 阴极射线管 CRT 电子枪 产生一个沿管轴 Z轴 方向前进的高速的细电子束轰击荧光屏 具有足够的电流强度 电流的大小和有无必须是可控的 具有很高的速度 在荧光屏上应能聚焦很小的光亮 以保证显示器有足够的分辨率 18 阴极射线管 CRT 19 图2 7CRT电子枪的结构 阴极射线管 CRT 偏转系

5、统为了在荧光屏上显示图形及字符 必须用电子束偏转扫描来实现 20 图2 8磁偏转 阴极射线管 CRT 枕形失真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 只有在偏转角很小时 偏转角与偏转电流之间才成直线性关系 由于荧光屏四角距中心最远 偏转角较大 同样的偏转电流增量所造成的偏转距离增量最大 21 阴极射线管 CRT 22 图2 9枕形失真与桶形失真 枕形失真的校正将产生偏转磁场的锯齿形电流预先产生一些失真 将偏转磁场做成略有不均匀性 接近管轴中央处略强 周围略弱 阴极射线管 CRT 23 图2 10电偏转 阴极射线管 CRT 荧光屏 PhosphorScreen 荧光屏是用荧光粉涂

6、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 荧光粉的性能要求是 发光颜色满足标准白色 发光效率高 余辉时间合适以及寿命长等 24 25 三基色原则主要结构 三色荧光屏 三支电子枪 荫罩板 彩色阴极射线管 荫罩式 图2 11三色荧光屏 26 彩色阴极射线管 荫罩式 图2 12三支电子枪 27 彩色阴极射线管 荫罩式 图2 13荫罩 28 为了避免混色 荧光点的面积比电子束截面要大些 只有15 左右的电子到达屏幕 荫罩吸收大量电子 容易发热变形 管子的亮度低 要提高管子的亮度 则需提高第二阳极的高压 图2 14原理图 29 彩色阴极射线管 荫罩式 图2 15黑底荫

7、罩管 30 CRT图形显示器 随机扫描的图形显示器直视存储管图形显示器光栅扫描的图形显示器 31 向量 vector 显示器 笔划 Strokewriting 显示器 随机扫描 random scan 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 随机扫描的图形显示器 32 随机扫描的图形显示器 图2 16随机扫描图形显示器的工作原理 33 无冗余扫描 速度快 图像清晰 比光栅系统更高的分辨率 生成光滑线条 不能显示逼真场景 和电视标准不一致 驱动系统也较复杂 随机扫描的图形显示器 34 直视存储管DVST direct v

8、iewstoragetube 从表面上看直视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 直视存储管图形显示器 35 直视存储管图形显示器 图2 17直视存储管图形显示器的工作原理 工作原理 36 无需刷新 很复杂的图形都可以在极高的分辨率下无闪烁地显示 成本较低 不能显示彩色 不能局部修改 擦除和重画过程可能持续较长时间 直视存储管图形显示器 37 光栅扫描图形显示器 图2 18光栅扫描原理 工作原理 光栅扫描是控制电子束按某种光栅形状进行的顺序扫描 而字符 图像是靠Z轴信号控制辉亮来形成的 图2 19光栅扫描图形显示器的工作原理 39 刷新缓冲存储器

9、 refreshbuffer 或称帧缓冲存储器 framebuffer 像素 pixel或pel 是pictureelement的简写 像素信息从应用程序转换并放入帧缓冲区的过程称之为扫描转换过程 光栅扫描图形显示器 40 低电压 轻小型 数字化显示器件 平板显示器 flat paneldisplay 的分类 非发射显示器 none emissivedisplay 发射显示器 emissivedisplay 平板显示器 flat paneldisplay 41 液晶显示器等离子体显示板 PlasmaPanel 薄片光电显示器 Thin FilmElectroluminescentDisplay

10、 发光二极管 Liquid EmittingDiode LED 平板显示器 flat paneldisplay 42 液晶分子的排列在微弱的外部电场 磁场或者应力 温度变化等作用下非常容易改变 当液晶分子的某种排列状态在电场作用下变为另一种状态时 液晶的光学性质随之改变 这种产生光被电场调制的现象称为液晶的电光效应 液晶显示器 原理 43 图2 20液晶显示原理 液晶显示器 原理 液晶显示的机理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 44 NW NormalWhite 型的LCD 在液晶面板不施加电压时 我们所看到的面板是透光的画面 也就是亮的画面 NB Normal

11、Black 型的LCD 当对液晶面板不施加电压时 面板无法透光 液晶显示器 类型 45 液晶显示器 彩色 液晶显示器利用在一侧的玻璃基板上加上一个彩色滤光片 CF ColorFilter 实现彩色 彩色滤光片上均匀分布着红 绿 蓝色小点 每个小点有各自不同的灰度 相邻的一组RGB小点构成一个基本的彩色显示单元 即一个像素 46 液晶显示器 彩色 图2 21彩色滤光片排列方式 47 液晶显示器 分类 扭曲向列型 TN TwistedNematic 超扭曲向列型 STN SuperTN 双层超扭曲向列型 DSTN DualScanTN 薄膜晶体管型 TFT ThinFilmTransistor 4

12、8 等离子体显示板 图2 22等离子体显示板的基本结构 49 薄片光电显示器 图2 23薄片光电显示器的基本结构 50 发光二极管 LED 发光二极管采用二极管激发发光来显示图像 二极管以矩阵排列形成显示器的像素位置 图形的定义存储在刷新缓冲器中 信息从刷新缓冲器读出 并转换为电压施于二极管 在显示器上产生发光图案 51 从变焦距的柔性震动镜面反射CRT图像 三维观察设备 图2 24采用震动镜面的三维显示系统 52 显示具立体感的视图利用不同的刷新周期交替地显示两视图 将屏幕分半 使用头盔式结构 三维观察设备 2 4显示子系统 光栅扫描图形显示子系统的结构绘制流水线相关概念 53 光栅扫描图形

13、显示子系统的结构 54 图2 25简单的光栅图形显示子系统 55 图2 26常用的光栅图形显示子系统 光栅扫描图形显示子系统的结构 56 图2 27发展的光栅图形显示子系统 光栅扫描图形显示子系统的结构 帧缓冲存储器 用来存储像素颜色 灰度 值的存储器 双缓存 一个缓存用来刷新的同时 另一个写入数据信息 尔后这两个缓存可互换角色 这种方式称为双缓存 它可以使得显示的动画流畅而没有滑动感 57 光栅扫描图形显示子系统的结构 显示控制器 DisplayController 又称视频控制器 VideoController 主要功能是依据设定的显示工作方式 自主地 反复不断地读取帧缓存中的图像点阵 包

14、括图形 字符文本 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 即可刷新屏幕 58 光栅扫描图形显示子系统的结构 显示处理器 DisplayProcessor 又称图形控制器 GraphicsController 或显示协处理器 DisplayCoprocessor 它把CPU从图形显示处理的事务中解脱出来 其主要任务是扫描转换待显示的图形以及某些附加的操作等 59 光栅扫描图形显示子系统的结构 60 图形子系统的图形绘制功能常常采用流水线 Pipeline 结构绘制 或者称为管线绘制 绘制流水线的基本结构从概念上包括三个阶段应用程序阶段几何阶段光栅阶段 绘制流水线 61 绘制

15、流水线 图2 28绘制流水线的结构 62 分辨率像素与帧缓存颜色查找表显示长宽比屏幕坐标系 相关概念 63 光点一般是指电子束打在显示器的荧光屏上 显示器能够显示的最小的发光点 像素点是指图形显示在屏幕上时候 按当前的图形显示分辨率所能提供的最小元素点 相关概念 分辨率 64 屏幕分辨率 也称为光栅分辨率 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也不能超过这个物理分辨率 通常用水平方向上的光点数与垂直方向上的光点数的乘积来表示 相关概念 分辨率 65 显示分辨率是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

16、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 相关概念 分辨率 66 图形的存储分辨率是指帧缓冲区的大小 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 还与像素点的色彩有关 帧缓存大小的计算 x方向的像素点数 y方向的像素点数 log2n 8 BYTE 其中 n为颜色数或灰度等级数 相关概念 分辨率 67 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有控制作用 显示器中的分辨率带宽 A 水平像素点数 垂直像素点数 刷新频率A常取1 344 相关概念 分辨率 68 屏幕上一个象素点就对应帧缓存中的一组信息 组合像素法 PackedPixelMethod 颜色位面法 ColorPlaneMethod 相关概念 像素与帧缓存 69 在组合像素法中 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 相关概念 像素与帧缓存 图2 29组合象素法 70 在颜色位面法中 帧缓存