Transcript 第二章 图形系统综述 交互式图形系统的组成 视频显示设备 随机扫描系统

第二章 图形系统综述
交互式图形系统的组成
视频显示设备
随机扫描系统
光栅扫描系统
输入设备
硬拷贝设备
图形软件
交互式图形系统的组成
• 硬件系统
–主计算机
–图形显示器 、绘图仪、打印机
–键盘、鼠标仪、图形输入板
–磁盘、磁带、光盘机
• 软件系统
– 操作系统 DOS
MS-Windows
UNIX Linux
– 高级语言 Visual C++ VB PASCAL ...
– 图形软件 GKS
PHIGS
OPEN GL ...
– 应用软件 CorelDraw,
AutoCAD ...
应用程序系统
应用程序
应用操作
应用数据
用户接口
命令接收
与解释
接口数据
显示处理
图形系统
图形软件
图形输入
图形输出
操作系统
输入驱动
输出驱动
图形输入设备
图形输出设备
操作系统
视频显示设备
• CRT (Cathod-Ray Tube)显示器
To 8-9
–随机扫描显示器: Vector / Random Display to
–存储管显示器--- Storage Tube Display To 6
–光栅扫描显示器---Raster Display to 17
• 平板显示器
–液晶显示器 To 17
–等离子体显示器 to
• 三维观察设备
To 26
21
15
CRT电子枪原理
CRT工作原理
刷新式CRT工作原理
构造
 阴极：灯丝
 控制栅极：控制电子发出的多少
 聚焦系统
 加速阳极
 XY向偏转系统
 荧光屏：荧光物质点阵，象素
工作过程
受控电子束，在聚焦系统、加速系统、
偏转系统作用下轰击荧光屏发光
• 余辉时间 从发光到亮度衰减成1/10的时间
• 刷新 30帧（1/30秒）
• 分辩率( resolution) Pixel 图2.5
彩色CRT监视器
• 彩色荧光层
• 荫罩法
RGB三支电子枪
荫罩
帧缓存
调色板
光栅扫描系统
Raster Scan Display
• 原理
–CPU-显示处理器-显示缓存-视頻控制器-屏幕
• 帧缓存
Frame Buffer
• 颜色的数据表示
–位，RGB模型
黑白系统（1 bit 二值系统）
单色灰度系统 （多位 8bit 256级）
RGB三色系统
–位平面
–组织方式
– 彩色表 Color Table
–光栅操作
读、写、复制
R
1
0
0
G
0
1
0
B
0
0
1
帧缓存的概念
屏幕
1 0 1 0 1 1 0 1
768
像素寄存器
(x,y)
位平面
1024
Frame Buffer
每一个象素点有多少种颜色可以选择？
屏幕上可以同时出现多少种颜色？
(x,y)
28
0 0 0 1 0 1 0 0
R
0
G
B
屏幕
20
(x,y)
768
(x,y)
？
1024
255
24 bit
color lookup table
颜色查找表（color lookup table)
每一个象素点有多少种颜色可以选择？
屏幕上可以同时出现多少种颜色？
显示控制器
display controller
• 光栅扫描图形系统结构
CPU
memory Frame Buf.
Video controller
BUS
I/O设备
视频控制器的刷新操作
y
(x,y)
光栅扫描生成器
x
寄存器
y
寄存器
颜色
数据
屏幕坐标系
像素寄存器
存储器地址
帧缓存
x
强度
光栅扫描显示处理器
• 显示处理器 Displays Processor 独立的CPU
任务:扫描转换 Scan conversion
计算、绘图
随机扫描显示器
Random scan displays
•
•
•
•
•
•
工作原理
显示文件
画线指令
刷新周期
缺点：划线长度受限
优点：分辨率高，线平滑
随机扫描系统
Random-scan
• CRT电子束在图形部分移动,逐条线划.
• CPU--显示文件--DPU--SCREEN
• 显示指令
• 显示文件
• 图形的显示
I/O设备
• 字符发生器
高性能图形显示卡
E&S Tornado
• 分辨率最高到1920 x 1200
(24位显示缓存，24位Z-缓存）
• 双屏模式 2048 x 768
• 3D矢量 5M/s
• 3D三角形 5M/s
• 纹理填充 100M像素/s
图形软件
• 分类：
–基本图形软件---支撑软件
–应用图形软件---专用软件
• 基本图形软件实现方法
–图形软件包
–修改高级语言
–专用高级图形语言
• 图形软件标准
图形网络
• 图形服务器( Graphics Server)
监视器、处理器、输入设备
• 客户端（Client）
• 客户端运行图形应用程序将结果通过网络传送
至图形服务器上显示。
可移植性的四个方面
• 应用程序在不同系统间的可移植性;
• 应用程序和图形设备的可移植性;
• 图形数据的可移植性;
• 程序员的可移植性。
图形系统标准化
•
•
•
•
GKS （2D,3D)
PHIGS
OpenGL
其他
Initial Graphics Exchange System
应用系统
数据库
IGES,STEP
Standard for the Exchange
ofProduct model Data
I
GKS, PHIGS, OpenGL
图形系统
CGI
设备
驱动
设备
驱动
设备
驱动
元文件
输出程序
CGM
图形标准的作用位置
元文件
输入程序
图形系统的标准化
GKS-Graphics Kernal System
• 工作站
–输出型，输入型，输入/输出型，元文件输出，元文件输入，
图段存储器工作站
• 坐标系
–建模坐标系 MC（Modeling Coordinates）
–世界坐标系 WC(World Coordinates)
–观察和投影坐标系（Viewing Coordinates)
–规范化设备坐标系NDC(Normalized Device Coordinate)
–设备坐标系DC(Device Coordinate)
• 坐标变换
–规范化坐标变换 WC
–工作站坐标变换 NDC
–建模变换和投影变换
NDC
DC
• 图形输出原语
–折线 Polyline
–多点标记 Polymarker
–文字 Text
–填充区 Fill Area
–单元阵列 Cell Array
–广义图元 Generalized Drawing Primitive
• 图段 Segment
–可见性、醒目性、优先性、可检测性、图段变换
逻辑输入设备
•
•
•
•
•
•
定位设备 Locater
笔画设备 Stroke
定值设备 Valuator
选择设备 Choice
拾取设备 Pick
字符串设备 String
PHIGS(PHIGS +)
Programmer’s Hierarchical Interactive Graphics
System
• 图形的层次模型
• 层次结构描述文件
• 元素及属性
其他标准
CGI
CGM Computer Graphics Metafile
OpenGL
独立于程序设计语言的图形函数库
• 核心库 (gl)
基本图元，点、直线段、多边形、图案阵列…….
• OpenGL Utility glu 2维观察、表面绘制
• OpenGL Utility Toolkit glut 窗口系统，曲线和曲面绘制，
三维形体
与其他OS的接口；MS windows WGL
OpenGL功能
功能: 3维图形函数库
• 建模 基本的点、线、多边形的绘制函数；复杂的三维
物体（球、锥、多面体、茶壶等）以及复杂曲线和曲面
（例如 Bezier、等曲线或曲面）绘制函数
• 变换 基本变换和投影变换
• 颜色模式设置
• 光照和材质设置
光有辐射光（Emitted Light）、环境光（Ambient
Light）、漫反射光（Diffuse Light）和镜面光（Specular
Light）。材质是用光反射率
• 纹理映射（Texture Mapping）
• 位图显示和图象增强融合（Blending）、反走样
（Antialiasing）和雾（fog）的特殊图象效果处理
• 双缓存动画（Double Buffering）
OpenGL 与其他系统的接口
• 与Microsoft、SGI、IBM、DEC、SUN、HP 系统接口
• OpenGL for ＭＳWindows 图形库
OpenGL图形库一共有100多个函数。
 其中核心函数有115个，它们是最基本的函数，其前缀
是gl，
 OpenGL实用库（OpenGL utility library，GLU）的函数
功能更高一些，如绘制复杂的曲线曲面、高级坐标变换、
多边形分割等，共有43个，前缀为glu；
 OpenGL辅助库（OpenGL auxiliarylibrary，GLAUX）的
函数是一些特殊的函数，包括简单的窗口管理、输入事
件处理、某些复杂三维物体绘制等函数，共有31个，前
缀为aux。