第2章計算機圖形系統1第2章計算機圖形系統2.1計算機圖形系統的組成2.2硬件系統2.2.1圖形顯示設備2.2.2圖形處理器2.2.3圖形輸入設備2.3相關軟件系統2.4圖形標準22.1計算機圖形系統的組成計算機圖形系統是一個由軟、硬相互結合的有機整體。數據結構應用程序圖形子程序包交互裝置主機顯示處理器輸出通道一般工作過程3第2章計算機圖形系統2.1計算機圖形系統的組成2.2硬件系統2.2.1圖形顯示設備2.2.2圖形處理器2.2.3圖形輸入設備2.3相關軟件系統2.4圖形標準42.2硬件系統2.2.1圖形顯示設備2.2.2圖形處理器2.2.3圖形輸入設備52.2.1圖形顯示設備圖形輸出包括圖形的顯示和圖形的繪制，圖形顯示指的是在屏幕上輸出圖形。圖形繪制通常指把圖形畫在紙上，也稱硬拷貝。打印機和繪圖儀是兩種最常用的硬拷貝設備。62.2.1圖形顯示設備圖形顯示器的發展：CRT隨機掃描顯示器存儲管顯示器光柵掃描顯示器LCD、PDP三維顯示器…72.2.1圖形顯示設備1.陰極射線管(CRT)2.光柵掃描顯示器3.LCD顯示器4.等離子顯示器5.其它顯示設備6.光柵掃描顯示系統8燈絲控制柵陰極加速系統偏轉系統聚焦系統1.陰極射線管CRT熒光粉涂層9陰極射線管(CRT-CathodeRayTube)組成：包括電子槍(燈絲、陰極)、控制柵、加速結構、聚焦系統、偏轉系統、熒光屏工作原理：高速的電子束由電子槍發出，經過聚焦系統、加速系統和偏轉系統就會到達熒光屏的特定位置。由于熒光物質在高速電子的轟擊下會發生電子躍遷，即電子吸收到能量從低能態變為高能態。由于高能態很不穩定，在很短的時間內熒光物質的電子會從高能態重新回到低能態，這時將發出熒光，屏幕上的那一點就會點亮。1.陰極射線管CRT10控制柵(電平控制器)是用來控制電子束的強弱的，當加上正電壓時，電子束就會大量通過，將會在屏幕上形成較亮的點，當控制電平加上負電壓時，依據所加電壓的大小，電子束被部分或全部阻截，通過的電子很少，屏幕上的點也就比較暗。聚焦系統是一個電透鏡，能使眾多的電子聚集于一點。加速系統使電子達到轟擊激發熒光屏應有的速度。最后由磁偏轉系統來達到指定位置1.陰極射線管CRT11熒光物質：當它被電子轟擊時發出亮光。持續發光時間：電子束離開某點后，該點的亮度值衰減到初始值1/10所需的時間刷新(Refresh)：為了讓熒光物質保持一個“穩定”的亮度值，必須不斷轟擊熒光物質。電子束要到達屏幕的邊緣時，偏轉角度就會增大。到達屏幕最邊緣的偏轉角度被稱為最大偏轉角。CRT顯示器的屏幕越大整個顯象管就越長。1.陰極射線管CRT12要保持顯示一幅穩定的畫面，必須不斷地發射電子束。刷新頻率：每秒重繪次圖像的次數。刷新頻率高到一定值后，圖象才能穩定顯示。50-120Hz1.陰極射線管CRT分辨率(Resolution)：CRT在水平或豎直方向單位長度上能識別的最大光點數，單位通常為dpi(dotsperinch)。在假定屏幕尺寸一定的情況下，也可用整個屏幕所能容納的最大光點個數描述，如640*480，1024*768等。像素(Pixel:PictureCell)：構成屏幕(圖像)的最小元素。132.光柵掃描顯示器光柵掃描：電子束按固定的掃描順序從左到右，自上而下進行掃描。幾個概念：掃描線、幀、水平回掃期、垂直回掃期…水平回掃垂直回掃掃描線電子束掃描過程示意圖14幾個概念：行頻、幀頻：

水平掃描頻率為行頻。垂直掃描頻率為幀頻。逐行掃描、隔行掃描：

隔行掃描方式是先掃偶數行掃描線，再掃奇數行掃描線。像素： 構成屏幕(圖像)的最小元素。整個屏幕被掃描線分成n行，每行有m個點，每個點為一個象素，則整個屏幕有m×n個象素。2.光柵掃描顯示器15幾個概念：分辨率：

是指CRT在水平或垂直方向的單位長度上能分辨出的最大象素數，分為水平分辨率和垂直分辨率。通常用屏幕上象素的數目來表示。比如上述的n行，每行m點的屏幕分辨率為m×n。 分辨率越高，相鄰象素點之間的距離越小，顯示的字符或圖像也就越清晰。 分辨率受顯示器生產工藝、掃描頻率以及顯示存儲器容量的限制。2.光柵掃描顯示器16幾個概念：顯示速度： 指顯示字符、圖形特別是動態圖像的速度。與顯示器的分辨率及掃描頻率有關。可用最大帶寬（水平象素數×垂直象素數×最大幀頻）來表示。色彩與亮度等級： 亮度等級又稱灰度級，主要指單色顯示器的亮度變化。色彩包括可選擇顯示器顏色的數目以及一幀畫面可同時顯示的顏色數，與熒光屏的質量有關，并受顯示存儲器VRAM容量的影響。2.光柵掃描顯示器17幾個概念：圖像刷新：由于CRT內側的熒光粉在接受電子束的轟擊時，只能維持短暫的發光，根據人眼視覺暫留的特性，需要不斷進行刷新才能有穩定的視覺效果。 因此刷新是指以每秒30幀以上的頻率反復掃描，不斷地顯示每一幀圖像。圖像的刷新頻率等于幀掃描的頻率（幀頻），用每秒刷新的幀數表示。目前刷新頻率標準為每秒50~120幀。2.光柵掃描顯示器182.光柵掃描顯示器優點：成本低；色彩豐富；畫點設備，刷新頻率一定，與圖形的復雜程度無關，易于修改圖形。CRT固有的物理結構限制了它的發展(缺點)：屏幕的加大必然導致顯象管的加長，顯示器的體積必然要加大，在制造、使用的時候就會受到限制；CRT顯示器是利用電子槍發射電子束來產生圖像，容易受電磁波干擾；長期電磁輻射會對人們健康產生不良影響。192.光柵掃描顯示器產生彩色的常用方法：射線穿透法影孔板法202.光柵掃描顯示器射線穿透法原理：兩層熒光涂層，紅色光和綠色光兩種發光物質，電子束轟擊穿透熒光層的深淺，決定所產生的顏色。應用：主要用于畫線顯示器優點：成本低缺點：只能產生有限幾種顏色電子束熒光涂層產生顏色低速電子束較低速電子束較高速電子束高速電子束212.光柵掃描顯示器外層玻璃熒光涂層影孔板影孔板法原理：彩色CRT顯示器的熒光屏上涂有三種熒光物質，它們分別能發紅、綠、藍三種顏色的光。而電子槍(三支)也發出三束電子束來激發這三種物質，中間通過一個控制柵格(影孔板、蔭罩)來決定三束電子到達的位置。蔭罩熒光點222.光柵掃描顯示器三束電子經過蔭罩的選擇，分別到達三個熒光點的位置。通過控制三個電子束的強弱就能控制屏幕上點的顏色。影孔板被安裝在熒光屏的內表面，用于精確定位像素的位置。外層玻璃熒光涂層影孔板蔭罩熒光點23點狀影孔板工作原理：紅、綠、藍三色熒光點：三角形排列，很小并充分靠近→形成一個像素；三支電子槍：調節各電子槍發生的電子束強度，即可控制各色光點亮度；2.光柵掃描顯示器電子槍、影孔板中的一個小孔和熒光點呈一直線；每個小孔與一個像素（即三個熒光點）對應。顯示器能同時顯示的顏色個數：如果每支電子槍發出的電子束的強度有256個等級，則顯示器能同時顯示256*256*256=16M種顏色，稱為真彩系統。24影孔板的類型(與熒光點排列有關):點狀影孔板(蔭罩式)代表：大多數球面顯像管柵格式影孔板(蔭柵式)代表：Sony的Trinitron與Mitsubishi的Diamondtron顯像管溝槽式影孔板代表：LG的Flatron顯像管2.光柵掃描顯示器25蔭柵式彩色CRT顯色原理RGB紅綠藍蔭柵熒光屏26柱面和球面顯示器點距定義示意圖RGGBB0.25mmRGBG點距為.25的柱面顯示器d=0.28mm0.22mm0.31mm點距為.28的球面顯示器2.光柵掃描顯示器273.LCD顯示器LCD(LiquidCrystalDisplay)顯示器基本原理：液晶是一種介于液體和固體之間的特殊物質，它具有液體的流態性質和固體的光學性質。當液晶受到電壓的影響時，就會改變它的物理性質而發生形變，此時通過它的光的折射角度就會發生變化，而產生不同色彩。283.LCD顯示器液晶顯示器LCD(LiquidCrystalDisplay)通常是由六層薄板組成的平板式顯示器。反射層水平極板水平網格線液晶層垂直網格線垂直極板觀察方向293.LCD顯示器LCD顯示器的基本指標：可視角度；點距(兩個液晶顆粒（光點）之間的距離)、分辨率；響應時間；可視角度303.LCD顯示器LCD顯示器的優點：外觀小巧；不存在刷新的問題。不會產生CRT那樣的因為刷新頻率低而出現的閃爍現象；工作電壓低，功耗小，節約能源；沒有電磁輻射。缺點：壽命短、怕震動、溫度敏感；分辨率相對較低，色彩不夠鮮艷，視角窄，且價格偏高。隨著工藝的進步，缺點已逐步得到克服，目前已成為計算機的首選配置314.等離子顯示器PDP等離子顯示器是一種利用氣體放電的顯示裝置。這種屏幕采用了等離子管作為發光元件。大量的等離子管排列在一起構成屏幕。每個等離子管對應的小室內充有惰性氣體。在等離子管電極間加上高壓后，封在兩層玻璃之間的等離子管小室中的氣體會產生紫外光，從而激發平板顯示器上的紅綠藍三基色熒光粉發出可見光。水平網格線（Y向地址）玻璃極板單元(燈泡陣列)垂直網格線（X向地址）觀察方向高電壓點亮(不同電壓，不同灰度)，低電壓維持。324.等離子顯示器特點

：無需“刷新”

；色彩豐富；視角大；大尺寸…缺點：光點大，分辨率只能達到中等水平；氣體發光和熄滅的過渡時間太長，限制圖形的生成速度。335.其它顯示設備硬拷貝設備打印機繪圖儀…三維顯示設備東芝3D顯示器ActualitySystems的3D顯示器

345.其它顯示設備356.光柵掃描顯示系統光柵掃描顯示器可以看作是一個像素的矩陣(畫點設備)。所顯示的圖形實際上是一些具有各種屬性(顏色)的像素的集合。36普通顯卡（早期）6.光柵掃描顯示系統視頻控制器：建立幀緩存與屏幕像素之間的一一對應，負責 刷新。幀緩沖器：存儲用于刷新的圖像信息的存儲器。可以是專用 的存儲器，也可以是系統內存中的一塊固定區域。較為典型的光柵掃描圖形顯示系統的結構BusCPU系統內存幀緩沖器視頻控制器Disp376.光柵掃描顯示系統幀緩沖器以黑白二值顯示器為例386.光柵掃描顯示系統幀緩存中的單元數目與顯示器上像素的數目相同，單元與像素一一對應，各單元的數值決定了其對應像素的顏色。幀緩沖存儲器的分辨率：通常用X方向（行）和Y方向（列）可尋址的地址數的乘積來表示。顯示顏色的種類與幀緩存中每個單元的位數有關。39顯存問題高分辨率和真彩要求有大的幀緩存；曾經是個問題！解決方法：采用查色表(LookupTable）6.光柵掃描顯示系統406.光柵掃描顯示系統優點：易于繪制填充圖形；色彩豐富；與圖形的復雜程度無關；易于修改圖形。缺點：需要掃描轉換；會產生混淆(走樣)。41第2章計算機圖形系統2.1計算機圖形系統的組成2.2硬件系統2.2.1圖形顯示設備2.2.2圖形處理器2.2.3圖形輸入設備2.3相關軟件系統2.4圖形標準422.2.2圖形處理器圖形處理器圖形處理器是圖形系統結構的重要元件，是連接計算機和顯示終端的紐帶。早期的圖形處理器只包含簡單的視頻控制器和幀緩沖區，它們實際上只起了一個圖形的存儲和傳遞作用，一切操作都必須有CPU來控制。現在的圖形處理器不單單存儲圖形，而且能完成大部分圖形函數，專業的圖形卡已經具有很強的3D處理能力，大大減輕了CPU的負擔，提高了顯示質量和顯示速度。432.2.2圖形處理器圖形處理器的組成顯示主芯片：顯卡的核心，俗稱GPU，它的主要任務是對系統輸入的視頻信息進行構建和渲染(Rending)；GPURAMDAC顯存主機控制信號模擬信號輸出顯示緩存：用來存儲將要顯示的圖形信息以及保存圖形運算的中間數據；顯存的大小和速度直接影響著主芯片性能的發揮。數字模擬轉換器（RAMDAC）：它的作用就是把二進制的數字轉換成為和顯示器相適應的模擬信號。顯卡簡單示意圖44第2章計算機圖形系統2.1計算機圖形系統的組成2.2硬件系統2.2.1圖形顯示設備2.2.2圖形處理器2.2.3圖形輸入設備2.3相關軟件系統2.4圖形標準452.2.3圖形輸入設備常用的圖形輸入設備分為兩種：向量型圖形輸入設備它采取跟蹤軌跡、記錄坐標點的方法輸入圖形。常用的有數字化儀（繪圖板）、鼠標器、光筆等。光柵掃描型圖形輸入設備它采取逐行掃描、按一定密度采樣的方式輸入圖形。常用的有掃描儀和攝像機等。462.2.3圖形輸入設備三維掃描鍵盤鼠標操縱桿跟蹤球、空間球繪圖板(數字化儀)觸摸屏47第2章計算機圖形系統2.1計算機圖形系統的組成2.2硬件系統2.2.1圖形顯示設備2.2.2圖形處理器2.2.3圖形輸入設備2.3相關軟件系統2.4圖形標準482.3軟件系統計算機圖形軟件可分為兩大類：通用編程軟件包

提供一個可用于高級程序語言的圖形功能擴展集。常常是函數庫，提供了生成各種圖形、實現圖形的處理和輸入輸出操作、控制和處理各種圖形設備以及交互過程中的各種事件。(如，OpenGL，Directx等)專用應用軟件包

具有圖形處理能力的交互式圖形軟件系統，為非程序員提供的而且往往應用于某些領域。不關心圖形操作的具體過程。(如，AutoCAD、3DSMAX等)492.3.1通用編程軟件包OpenGL：OpenGL是OpenGraphicsLib的縮寫，是一套三維圖形處理庫，也是該領域的工業標準。OpenGL源于SGI公司為其圖形工作站開發的IRISGL，在跨平臺移植過程中發展成為OpenGL。OpenGL實際上是一個開放的三維圖形軟件包，它獨立于窗口系統和操作系統，以它為基礎開發的應用程序可以十分方便地在各種平臺間移植；OpenGL與C/C++緊密接合，便于實現圖形的相關算法，并可保證算法的正確性和可靠性；OpenGL使用簡便，效率高。502.3.1通用編程軟件包Microsoft、SGI、IBM、DEC、SUN、HP等大公司都采用了OpenGL作為三維圖形標準。許多軟件廠商也紛紛以OpenGL為基礎開發出自己的產品，包括動畫制作軟件SoftImage和3DStudioMAX、仿真軟件OpenInventor、VR軟件WorldToolKit、CAD軟件Pro/Engineer、GIS軟件ARC/INFO等等。512.3.1通用編程軟件包ACIS是美國SpatialTechnology公司推出的三維幾何造型引擎，為各種3D造型應用的開發提供了幾何造型平臺。ACIS能夠安裝在多種平臺上，包括Windows、Linux、Unix、Solaris、AIX等。ACIS采用了軟件組件技術，用C++技術構造，它包含一整套的C++類和函數，開發人員可以使用這些類和函數構造一個面向終端用戶的2/3維軟件系統。ACIS是一個基于邊界表示法的造型引擎，集線框、曲面和實體造型于一體，并允許這三種表示共存于統一的數據結構中。522.3.1通用編程軟件包DirectX是一種圖形應用程序接口（API），它是一個提高系統性能的加速軟件，由微軟公司創建開發，微軟將其定義為“硬件設備無關性”。DirectX就是一系列的DLL(DynamicLinkLib)，通過這些DLL，程序員可以在無視于設備差異的情況下訪問底層的硬件。DirectX并不是一個單純的圖形API，它是一個用途廣泛的API，它包含有DirectGraphics(Direct3D+DirectDraw)、DirectInput、DirectPlay、DirectSound、DirectShow、DirectSetup和DirectMediaObjects等多個組件，它提供了一整套的多媒體接口方案。DirectX主要應用于游戲軟件的開發。微軟公司給眾多的軟、硬件商家提供一個共同開發的標準平臺(就是DirectX)，大家都遵循這個標準，硬件制造商按照此標準研發制造更好的產品，游戲程序員根據這套標準開發游戲。532.3.1通用編程軟件包Java3DAPI是Sun定義的用于實現3D顯示的接口。3D技術是底層的顯示技術，Java3D提供了基于Java的上層接口。Java3D把OpenGL和DirectX這些底層技術包裝在Java接口中。這種全新的設計使3D技術變得不再繁瑣并且可以加入到J2SE、J2EE的整套架構，這些特性保證了Java3D技術強大的擴展性。Java3D是一個獨立的可選組件，可以單獨下載。542.3.1通用編程軟件包與以上四種圖形API不同，VRML(VirtualRealityModelingLanguage)是一種標記語言，而不是一種API開發包。它使用VRML瀏覽器能讀懂的ASCⅡ文本格式來描述世界和鏈接。VRML的設計是從在Web上欣賞實時的3D圖像開始的。VRML既可以用來建立真實世界場景的模型，也可以建立虛構的三維世界，就像許多游戲那樣。552.3.2專用應用軟件包AutoCADPhotoShop3DSMAXMAYA…56第2章計算機圖形系統2.1計算機圖形系統的組成2.2硬件系統2.2.1圖形顯示設備2.2.2圖形處理器2.2.3圖形輸入設備2.3相關軟件系統2.4圖形標準572.4圖形系統標準圖形標準：圖形系統及其相關應用系統中各界面之間進行數據傳送和通信的接口標準，以及供圖形應用程序調用的子程序功能及其格式標準，前者稱為數據及文件格式標準，后者稱為子程序界面標準。圖形標準的制定是為了在不同的計算機系統和外設之間進行圖形應用軟件的移植。582.4圖形系統標準面向圖形設備的接口標準：計算機圖形元文件(CGM)計算機圖形接口(CGI)。(設備驅動程序)面向應用軟件的標準：程序員層次交互式圖形系統（PHIGS），GL(圖形程序包)三維圖形核心系統GKS-3D面向圖形應用系統中工程和產品數據模型及其文件格式：基本圖形轉換規范（IGES）產品數據轉換規范（STEP）592.4圖形系統標準圖形DBAPAP圖形程序包……圖形程序包設備驅動程序設備驅動程序