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1、第2章 交互式计算机图形处理系 统软件学院 1 1交互式计算机图形处理系统lComputer + 人 = 交互式lPersonel Computer图形处理系统lworkstation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2 2交互式计算机图形处理系统 图形输入设备 图形输出设备 图形系统及其标准3 3图形输入设备硬件发展 第一阶段：l控制开关、穿孔纸等 第二阶段：l键盘、光笔 第三阶段：l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：l三维输入设备（如三维鼠标、空间球、数据
2、手套 、数据衣）l智能人机接口：用户的手势、表情、语音等4 4图形输入设备分类 最常用的图形输入设备就是基本的计算机输 入设备键盘和鼠标 跟踪球和空间球都是根据球在不同方向受到 的推或拉的压力来实现定位和选择。 数据手套则是通过传感器和天线来获得和发 送手指的位置和方向的信息。这几种输入设备在虚拟现实场景的构造和漫 游中特别有用。5 5三维鼠标空间球根据球在不同方向受到的推或拉的压力 来实现定位和选择 图形输入设备6 6图形输入设备 数据手套(Data glove) 可测量出手的位置和形状，从而实现环境中的虚拟手及其对 虚拟物体的操纵。 数据手套通过手指上的弯曲、扭曲传感器和手掌上的弯度、 弧
3、度传感器，确定手及关节的位置和方向。7 7图形输入设备 光笔是一种检测光的装置，它直接在屏幕上 操作，拾取位置。光笔结构示意图8 8图形输入设备 扫描仪常用类型 滚筒式 由电子分色机发展而来，用光电倍增管作为颜色 感受器，将光信号转换为电信号 扫描图像质量相对较高，可扫描幅面更大 平板式 采用电荷耦合器件CCD （ Charge Coupled Device ）9 9图形输入设备 扫描仪工作原理 用光源照射原稿 投射光线经过一组光学镜头射到CCD器件上，得到元件的 颜色信息 再经过模/数转换器，图象数据暂存器等 最终输入到计算机1010图形输入设备 指标 分辨率 光学分辨率：单位长度上能采样信
4、息点数 插值分辨率：驱动软件插值计算得到的分辨率 扫描分辨率：扫描时的实际输入分辨率 能放置原稿的原稿尺寸 原稿放大倍数 如光学分辨率为6000dpi，所需图像分辨率为300dpi， 则可放大20倍1111图形输入设备 指标 位深度、色深度 决定可以获取图像的最大灰度级数、最多颜色数 最高密度范围 决定图像的暗调层次，越大越好 色调灵敏度 制造商不公开1212图形输入设备 数码相机 采用的摄像感应器有两种 CCD CMOS：便宜，质量相对较差1313图形输入设备l图形输入的一个特殊领域 真实物体的三维信息的输入 l零件进行大规模生产必须在计算机中生成三维实体模 型 这个模型有时要通过已有的实物
5、零件得到 采集实物表面各个点的位置信息l扫描保存古代名贵的雕塑和其它艺术品的三维信息 在计算机中产生这些艺术品的三维模型 1414l美国斯坦福大学计算机系的著名图 形学专家Marc Levoy曾经带领他 的30人工作小组（包括美国斯坦福 大学及美国华盛顿大学的教师和学 生）l于19981999学年在意大利，专门 对文艺复兴时代的雕刻大师米开朗 基罗的众多艺术品进行扫描，保存 其形状和面片信息l专门设计了一套硬件和软件系统l数据量惊人，光大卫像就有20亿个 多边形和7000张彩色图象，总共需 要72G的磁盘容量l实体图形输入的一个颠峰之作 图形输入设备1515图形输入设备l三维数字化仪 l工作原
6、理 电磁感应技术 由一块数据板和一根触笔组成 数据板中布满了金属栅格，当触笔在数据 板上移动时，其正下方的金属栅格上就会 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 以判断出触笔当前的几何位置 许多数字化仪提供了多种压感电流，用不 同的压力就会有不同的信息传向计算机 1616美术家数字化仪（带压力传感器，无绳触笔）通过控制笔的压力绘制不同风格的画WaCom手写板 ：绘画汉王：汉字输入图形输入设备1717l图形输出 图形输出包括图形的显示和图形的绘制 图形显示指的是在屏幕上输出图形 图形绘制通常指把图形画在纸上，也称硬拷 贝，打印机和绘图仪是两种最常用的硬拷贝 设备1818l图形输
7、出(显示、打印）设备：l阴极射线管显示器（CRT），液晶显示器（ LCD）等l绘图仪，打印机，l双监视器图形工作站lMediaWall多屏幕系统监视器阵列交易展示、大型会议博物馆、旅客候机厅等 1919图形显示器l阴极射线管CRTl彩色阴极射线管CRT射线穿透法 影孔板法l随机扫描显示系统l光栅扫描系统2020CRT显示器分类l阴极射线管（CRT） Cathode Ray Tube 单色CRT 彩色CRT2121l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
8、可见的图形结构图2222电子枪l电灯丝的组成 阴极 l由灯丝加热发出电子束 控制栅 l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 l通过调节负电压高低来控制电子数量 l即控制荧光屏上相应点的亮度2323聚焦系统通过电场和磁场控制电子束变细，保证亮点足够小，提高分辩率加速电极加正的高压电（几万伏）使电子束高速运动 控制静电场或磁场，使电子束产生偏转，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。偏转系 统2424荧光屏荧光物质：吸收电子束而发光l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l刷新(Refresh)：为了让荧光物质保持一个稳定的
9、亮度值l刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数l像素(Pixel)：构成屏幕（图像）的最小元素l分辨率(Resolution)：CRT在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大像素个数单位通常为dpi（dots per inch)。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 =1秒/荧光物质的持续发光时间 （例如）=1000/40=25Hz2525l彩色CRT 渗透型l常用于随机扫描显示器l射线穿透法 多枪型l常用于光栅扫描显示器l影孔板法彩色阴极射线管2626l射线穿
10、透法（beam penetration） 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2727l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 的位置外层玻璃荧光涂层影孔板2828影孔板的类型l点状影孔板（荫罩式）代表：球面显像管l栅格式影孔板（荫栅式）代表：柱面显像管日本索尼公司的特丽珑管（Trinitron）三菱公司的钻石珑管（Diamondtron ） l沟槽式影孔板代表：LG的Fla
11、tron显像管2929l荫罩式（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 ） 三支电子枪电子枪、影孔板中的一个小 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3030显示器能同时显示的颜色个数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 真彩系统l调节各电子枪 发出的电子束中 所含电子的数目 ，即可控制各色 光点亮度。3131 球面显示器与柱面显示器l普通的显象管采用的都是点状影孔板显象 管，显象管的表面呈略微凸起的球面状， 故称之为“球面管”。而柱面显象管采用荫 栅式结构，它的
12、表面在水平方向仍然略微 凸起，但是在垂直方向上却是笔直的，呈 圆柱状，故称之为“柱面管”l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）3232l荫罩式显示器的缺点： 球面荧光屏，几何失真大 三角形的荧光点排列造成即 使点很密很细也不会特别清 晰l最近几年 荫栅式显示器逐渐流行起来 3333l原理的区别 光线的选择方式和荧光点的排列不同 l荫栅式显象管的优点 亮度更高，色彩也更鲜艳 柱面和平面显示器 3434R GG BB0.25mmd=0.28mm0.22mm0.31mmR GBG点距为.25的柱 面显示器点距为.28的球
13、面显示器柱面和球面显示器点距定义示意图3535CRT显示器分类l直视存储管式（Direct-View Storage Tubes ） 利用管子本身存储信息，类似于一个长余辉的CRT ，不必刷新l刷新式 随机扫描式（Random-Scan） 光栅扫描式（Raster-Scan）3636随机扫描的显示系统l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（geometric attribute）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
14、能好 缺点：价格贵，只能显示线画图形，应用于军事、CAD领 域3737光栅扫描的显示系统l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（Visual attribute），真 实感图形3838隔行扫描（Interlaced scan）工作原 理l场频= 帧频 * 2 一帧130秒，一场160秒 帧频30HZ ，场频60HZl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
15、速度及传输带宽的要求。 3939计算机图形处理系统绘图仪printerComputerDPU输入设备视频控制器display显示处理器控制图形的显示逻辑部件： 帧缓冲存储器（Frame Buffer)视频控制器（Video Controller)显示处理器（Display Processing Uuit，简称DPU）CRT4040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) 视频控制器控制驱动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 光栅扫描显示系统工作原理4141l图形处理器 俗称显卡 CGA EGA VGA TVGA SVGA XGA SXGA l工作原理 l显示主芯片 显卡的核心，俗称GPU 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 各图形函数基本上都集成在这里 l显存 存储将要显示的图形信息 保存图形运算的中间数据 它与显示主芯片的关系，就像计算机的内存之于CPU一样 lRAMDAC 视频存储数字模拟转换器 在视频处理中，把二进制的数字转换成为和显示器相适应的模拟信 号 4242l简单的光栅扫描图
