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1、第二章 交互式计算机图形处理系统计算机学院苏小红2023/5/20 2023/5/20 1 1交互式计算机图形处理系统Computer+人=交互式Personel Computer 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，能力），速度更快，存储容量更大，外设种类更齐全外设种类更齐全图形加速卡，大屏幕显示器图形加速卡，大屏幕显示器2023/5/20 2023/5/20 2 2硬件发展图形输入设备的发展n n第一阶段：控制开关、穿孔纸等第一阶段：控制开关、穿孔纸等n n第二阶段：键盘、光笔第二阶
2、段：键盘、光笔n n第三阶段：二维定位设备，如鼠标、坐标数字化第三阶段：二维定位设备，如鼠标、坐标数字化仪、跟踪球、触摸屏、操纵杆、扫描仪等仪、跟踪球、触摸屏、操纵杆、扫描仪等n n第四阶段：三维输入设备（如三维鼠标、空间球、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、表情等数据手套、数据衣），用户的手势、表情等2023/5/20 2023/5/20 3 3l 图形输出(显示、打印）设备l 阴极射线管显示器（CRT）l 液晶显示器（LCD）l 绘图仪l 打印机 2023/5/20 2023/5/20 4 4未来显示器发光聚合物技术发光聚合物技术n n 坚不可摧；
3、柔韧性好，可以卷起来 坚不可摧；柔韧性好，可以卷起来n n 显示画面具有无与伦比的清晰度 显示画面具有无与伦比的清晰度n n 真正的平面直角 真正的平面直角采用空气等离子体技术采用空气等离子体技术n n 空气等离子体可想象成一个个微型霓虹灯，红绿蓝三种 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 不同颜色的像素n n 显示屏薄，挂在墙上 显示屏薄，挂在墙上n n 无锯齿现象，分辨率好 无锯齿现象，分辨率好n n 无需刷新缓存，重量轻，无辐射 无需刷新缓存，重量轻，无辐射n n 价格贵 价格贵2023/5/20 2023/5/20 5 5CRT 显示器分类阴极射线管（CRT）
4、（Cathode Ray Tube）单色CRT彩色CRT2023/5/20 2023/5/20 6 6l 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2023/5/20 2023/5/20 7 7荧光屏 l 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)：在假定
5、 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）2023/5/20 2023/5/20 8 8彩色CRTn n渗透型渗透型常用于随机扫描显示器 常用于随机扫描显示器射线穿透法 射线穿透法n n多枪型多枪型常用于光栅扫描显示器 常用于光栅扫描显示器影孔板法（阴罩法）影孔板法（阴罩法）彩色阴极射线管2023/5/20 2023/5/20 9 9射线穿透法（beam penetration）n n原理：原理：两层荧光涂层，红色光和
6、绿色光两种发两层荧光涂层，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，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2023/5/20 2023/5/20 10 10影孔板法n n 原理：影孔板被安装在荧光屏的内表面，用于精确定位 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 像素的位置n n 影孔板的类型点状影孔板点状影孔板 代表：大多数球面与柱面显像管代表：大多数球面与柱面显像管栅格式影孔板栅格式影孔板 代表：代表：SonySony的的TrinitronTrinitron与
7、与MitsubishiMitsubishi的的 DiamondtronDiamondtron显像管显像管沟槽式影孔板沟槽式影孔板 代表：代表：LGLG的的FlatronFlatron显像管显像管2023/5/20 2023/5/20 11 11n n 点状影孔板工作原理红、绿、兰三基色 红、绿、兰三基色三色荧光点（很小并充分靠近 三色荧光点（很小并充分靠近-像素）像素）三支电子枪 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2023/5/20 2023/5/20 12 12CRT 显示器分类直视存储管式（Di
8、rect-View Storage Tubes）n n利用管子本身存储信息，类似于一个长余辉的利用管子本身存储信息，类似于一个长余辉的CRTCRT，不必刷新，不必刷新刷新式n n随机扫描式（随机扫描式（Random-ScanRandom-Scan）n n光栅扫描式（光栅扫描式（Raster-ScanRaster-Scan）2023/5/20 2023/5/20 13 13随机扫描的显示系统特点n n 数据表示：矢量表示，只有端点信息，无线段中间点 数据表示：矢量表示，只有端点信息，无线段中间点n n 扫描方式：电子束像一支快速移动的画笔，可随意移动，只 扫描方式：电子束像一支快速移动的画笔，可
9、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 扫描荧屏上要显示的部分，与示波器工作原理类似n n 显示图形：几何属性（显示图形：几何属性（geometric attribute geometric attribute）为主，线架图）为主，线架图n n 优点：扫描速度快，分辨率高，线条质量好，易修改，交互 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 性好，动态性能好n n 缺点：价格贵，只能显示线画图形，应用于军事、缺点：价格贵，只能显示线画图形，应用于军事、CAD CAD 领域 领域2023/5/20 2023/5/20 14 14光栅扫描的显示系统特点：
10、n n数据表示：像素矩阵数据表示：像素矩阵n n扫描方式：从上到下，从左到右，与电视工作原理扫描方式：从上到下，从左到右，与电视工作原理类似类似n n显示图形：几何属性显示图形：几何属性+视觉属性（视觉属性（Visual Visual attributeattribute），真实感图形），真实感图形2023/5/20 2023/5/20 15 15显示器的分辨率l 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2023/5/20 2023/5/20 16 16绘图仪printerComputerDPU输入设备视频控制器display逻辑部件：帧缓冲存
11、储器（Frame Buffer)视频控制器（Video Controller)显示处理器（Display Processing Uuit，简称DPU）CRT2023/5/20 2023/5/20 17 17帧缓冲存储器（帧缓冲存储器（Frame Buffer)Frame Buffer)n n 作用：存储屏幕上像素的颜色值 作用：存储屏幕上像素的颜色值n n 也称刷新存储器 也称刷新存储器(Refreshing Buffer)Refreshing Buffer)n n 简称帧缓冲器，俗称 简称帧缓冲器，俗称 显存 显存l 帧缓存中单元数目与显示器上像素的数目相同l 单元与像素一一对应l 各单元的
12、数值决定了其对应像素的颜色。l 显示颜色的种类与帧缓存中每个单元的位数有关。2023/5/20 2023/5/20 18 18位面（bit plane）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。2023/5/20 2023/5/20 19 19N 位寄存器电子枪CRT 光栅有N 个位面的帧缓存2NDAC0 1 000102N-1灰度等级寄存器蓝色枪帧缓存DAC0001CRT
13、光栅01DACDAC红色枪绿色枪2023/5/20 2023/5/20 20 20若有 若有24 24 个位面（每种基色 个位面（每种基色8 8 个位面）则可同时显示 个位面）则可同时显示(2(28 8)3 3=2=224 24=16777216=16777216 种颜色（种颜色（24 24 位真彩色）。位真彩色）。l 红绿蓝三个位面，组合成8种颜色l 增加一个亮度位面，形成16种颜色红 红 绿 绿 蓝 蓝Black Black 0 0 0 0 0 0Blue Blue 0 0 0 0 1 1Green Green 0 0 1 1 0 0Cyan Cyan 0 0 1 1 1 1Red Red
14、 1 1 0 0 0 0Magenta Magenta 1 1 0 0 1 1Yellow Yellow 1 1 1 1 0 0White White 1 1 1 1 1 12023/5/20 2023/5/20 21 21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2023/5/20 2023/5/20 22 22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；高分辨率和真彩要求有大的显存；n n 解决方法：采用查色表 解决方法：采用查色表(Look-up Table Look-u
15、p Table）2023/5/20 2023/5/20 23 23查色表（LUT）是 是 一 一 维 维 线 线 性 性 表 表，其 其 每 每 一 一 项 项 的 的 内 内 容 容 对 对 应 应 一 一 种 种 颜 颜 色 色，它 它 的 的 长 长 度 度由帧缓存单元的位数决定 由帧缓存单元的位数决定目 目 的 的：在 在 帧 帧 缓 缓 存 存 单 单 元 元 的 的 位 位 数 数 不 不 增 增 加 加 的 的 情 情 况 况 下 下，具 具 有 有 大 大 范 范 围 围内挑选颜色的能力 内挑选颜色的能力。颜色信息在帧缓存中的两种存放方式：颜色信息在帧缓存中的两种存放方式：n
16、n 颜色值直接存储在帧缓存中。颜色值直接存储在帧缓存中。n n 把颜色码放在一个独立的表中，帧缓存存放的是颜色 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。表中各项的索引值，索引色。单色系统：查色表固化 单色系统：查色表固化彩显：可修改、创建查色表。彩显：可修改、创建查色表。2023/5/20 2023/5/20 24 24 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2023/5/20 2023/5/20 25 25隔行扫描（Interlaced scan）工作原理场频场频：=帧频帧频*22l 一帧
17、完整的画面分成两场，即奇数场与偶数场优点优点：n n 降低了闪烁效应；降低了闪烁效应；n n 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 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；的要求，也降低了成本；n n 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。帧缓存的速度及传输带宽的要求。2023/5/20 2023/5/20 26 26视频控制器（显示控制器）作用：n n制图形的显示，建立帧缓存与屏幕像素之间的一一制图形的显示，建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应关系
18、，负责按固定刷新频率和扫描顺序对应关系，负责按固定刷新频率和扫描顺序刷新屏幕图形屏幕图形2023/5/20 2023/5/20 27 27显示处理器显示处理器显示处理器n n Display Processing Uuit Display Processing Uuit，简称，简称DPU DPU作用：作用：n n 代 代 替 替CPU CPU 完成部分图形处理功能，扫描转换、几何变 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 换、裁剪、光栅操作、纹理映射等等2023/5/20 2023/5/20 28 28光栅显示系统的特点光栅显示系统的特点n n 优点：优点：成本低 成本低易于绘制填充图形 易于绘制填充图形灰度和色彩丰富，图像逼真 灰度和色彩丰富，图像逼真可以和电视机兼容 可以和电视机兼容刷新频率一定，与图形的复杂程度无关 刷新频率一定，与图形的复杂程度无关n n 缺点：缺点：需要扫描转换 需要扫描转换扫描转换速度偏低，交互操作响应慢 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 分辨率偏低，有阶梯效应2023/5/20 2023/5/20 29 29