圖形輸入輸出設備.ppt

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1 2020 3 31 第二章交互式計算機圖形處理系統(tǒng)計算機學院蘇小紅 2 2020 3 31 交互式計算機圖形處理系統(tǒng) Computer 人 交互式 PersonelComputer圖形處理系統(tǒng) workstation圖形處理系統(tǒng) 要求主機性能更高 強大的浮點運算能力 速度更快 存儲容量更大 外設種類更齊全圖形加速卡 大屏幕顯示器 3 2020 3 31 硬件發(fā)展 圖形輸入設備的發(fā)展第一階段 控制開關 穿孔紙等第二階段 鍵盤 光筆第三階段 二維定位設備 如鼠標 坐標數字化儀 跟蹤球 觸摸屏 操縱桿 掃描儀等第四階段 三維輸入設備 如三維鼠標 空間球 數據手套 數據衣 用戶的手勢 表情等 4 2020 3 31 圖形輸出 顯示 打印 設備陰極射線管顯示器 CRT 液晶顯示器 LCD 繪圖儀打印機 5 2020 3 31 未來顯示器 發(fā)光聚合物技術堅不可摧 柔韌性好 可以卷起來顯示畫面具有無與倫比的清晰度真正的平面直角 采用空氣等離子體技術空氣等離子體可想象成一個個微型霓虹燈 紅綠藍三種不同顏色的像素顯示屏薄 掛在墻上無鋸齒現象 分辨率好無需刷新緩存 重量輕 無輻射價格貴 6 2020 3 31 CRT顯示器分類 陰極射線管 CRT CathodeRayTube 單色CRT彩色CRT 7 2020 3 31 陰極射線管 CRT 組成 包括電子槍 聚焦系統(tǒng) 加速電極 偏轉系統(tǒng) 熒光屏工作原理 電子槍發(fā)射電子束 經過聚焦系統(tǒng) 加速電極 偏轉系統(tǒng) 轟擊到熒光屏的不同部位 被其內表面的熒光物質吸收 發(fā)光產生可見的圖形 結構 8 2020 3 31 熒光屏 熒光物質 吸收電子束而發(fā)光余輝時間 持續(xù)發(fā)光時間 電子束離開某點后 該點的亮度值衰減到初始值刷新頻率 每秒鐘重繪屏幕的次數像素 Pixel 構成屏幕 圖像 的最小元素分辨率 Resolution 在假定屏幕尺寸一定的情況下 可用整個屏幕所能容納的像素個數描述 如640 480 800 600 1024 768 1280 1024等等 某種CRT產生穩(wěn)定圖像所需要的最小刷新頻率 1秒 熒光物質的持續(xù)發(fā)光時間 Hz 9 2020 3 31 彩色CRT滲透型常用于隨機掃描顯示器射線穿透法多槍型常用于光柵掃描顯示器影孔板法 陰罩法 彩色陰極射線管 10 2020 3 31 射線穿透法 beampenetration 原理 兩層熒光涂層 紅色光和綠色光兩種發(fā)光物質 不同速度電子束穿透熒光層的深淺 決定所產生的顏色 應用 主要用于畫線顯示器優(yōu)點 成本低缺點 只能產生有限幾種顏色 11 2020 3 31 影孔板法原理 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 影孔板的類型點狀影孔板代表 大多數球面與柱面顯像管柵格式影孔板代表 Sony的Trinitron與Mitsubishi的Diamondtron顯像管溝槽式影孔板代表 LG的Flatron顯像管 12 2020 3 31 點狀影孔板工作原理紅 綠 蘭三基色三色熒光點 很小并充分靠近 像素 三支電子槍 如果每支電子槍發(fā)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 稱為真彩色系統(tǒng) 13 2020 3 31 CRT顯示器分類 直視存儲管式 Direct ViewStorageTubes 利用管子本身存儲信息 類似于一個長余輝的CRT 不必刷新刷新式隨機掃描式 Random Scan 光柵掃描式 Raster Scan 14 2020 3 31 隨機掃描的顯示系統(tǒng) 特點數據表示 矢量表示 只有端點信息 無線段中間點掃描方式 電子束像一支快速移動的畫筆 可隨意移動 只掃描熒屏上要顯示的部分 與示波器工作原理類似顯示圖形 幾何屬性 geometricattribute 為主 線架圖優(yōu)點 掃描速度快 分辨率高 線條質量好 易修改 交互性好 動態(tài)性能好缺點 價格貴 只能顯示線畫圖形 應用于軍事 CAD領域 15 2020 3 31 光柵掃描的顯示系統(tǒng) 特點 數據表示 像素矩陣掃描方式 從上到下 從左到右 與電視工作原理類似顯示圖形 幾何屬性 視覺屬性 Visualattribute 真實感圖形 16 2020 3 31 顯示器的分辨率電子束按固定的掃描順序掃描N條掃描線 每條掃描線有M個像素 M N顯示器的分辨率 幀 17 2020 3 31 邏輯部件 幀緩沖存儲器 FrameBuffer 視頻控制器 VideoController 顯示處理器 DisplayProcessingUuit 簡稱DPU CRT 18 2020 3 31 幀緩沖存儲器 FrameBuffer 作用 存儲屏幕上像素的顏色值也稱刷新存儲器 RefreshingBuffer 簡稱幀緩沖器 俗稱顯存 幀緩存中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 顯示顏色的種類與幀緩存中每個單元的位數有關 19 2020 3 31 位面 bitplane 技術 把顯存分成若干色平面 各平面上相同位置的每一位和屏幕上的一個像素對應 同一像素點在各位面占同一地址 不同位面上同一像素地址中的內容決定像素的顏色 色平面越多 可表達的色彩越豐富 增加一個位面 色彩就增加一倍 而存儲器寫操作程序無需重新計算新地址 程序兼容性好 20 2020 3 31 21 2020 3 31 若有24個位面 每種基色8個位面 則可同時顯示 28 3 224 16777216種顏色 24位真彩色 紅綠藍三個位面 組合成8種顏色 增加一個亮度位面 形成16種顏色 22 2020 3 31 顯存容量問題 分辨率M N 顏色個數K與顯存容量V的關系 23 2020 3 31 顯存容量問題 若存儲器位長固定 則屏幕分辯率與同時可用的顏色種數成反比關系 1024 768真彩模式需要3M字節(jié)顯存 高分辨率和真彩要求有大的顯存 解決方法 采用查色表 Look upTable 24 2020 3 31 查色表 LUT 是一維線性表 其每一項的內容對應一種顏色 它的長度由幀緩存單元的位數決定 目的 在幀緩存單元的位數不增加的情況下 具有大范圍內挑選顏色的能力 顏色信息在幀緩存中的兩種存放方式 顏色值直接存儲在幀緩存中 把顏色碼放在一個獨立的表中 幀緩存存放的是顏色表中各項的索引值 索引色 單色系統(tǒng) 查色表固化彩顯 可修改 創(chuàng)建查色表 25 2020 3 31 帶寬T與分辨率 幀頻 刷新頻率 F的關系帶寬問題高分辨率和高刷新頻率要求高帶寬解決方法 隔行掃描 帶寬問題 26 2020 3 31 隔行掃描 Interlacedscan 工作原理 場頻 幀頻 2 一幀完整的畫面分成兩場 即奇數場與偶數場 優(yōu)點 降低了閃爍效應 只需逐行的一半時間即可顯示一屏畫面 降低了對掃描頻率的要求 也降低了成本 幀緩存中數據量比逐行掃描少一半 降低了視頻控制器存取幀緩存的速度及傳輸帶寬的要求 27 2020 3 31 視頻控制器 顯示控制器 作用 制圖形的顯示 建立幀緩存與屏幕像素之間的一一對應關系 負責按固定刷新頻率和掃描順序刷新屏幕圖形 28 2020 3 31 顯示處理器 顯示處理器DisplayProcessingUuit 簡稱DPU作用 代替CPU完成部分圖形處理功能 掃描轉換 幾何變換 裁剪 光柵操作 紋理映射等等 29 2020 3 31 光柵顯示系統(tǒng)的特點優(yōu)點 成本低易于繪制填充圖形灰度和色彩豐富 圖像逼真可以和電視機兼容刷新頻率一定 與圖形的復雜程度無關缺點 需要掃描轉換掃描轉換速度偏低 交互操作響應慢分辨率偏低 有階梯效應 30 2020 3 31 圖形軟件發(fā)展及軟件標準形成 三種類型的計算機圖形軟件系統(tǒng) 1 用某種語言寫成的子程序包如 GKS GraphicsKernelSystem PHIGS Programmer sHerarchicalIuteractiveGraphicssystem GL便于移植和推廣 但執(zhí)行速度相對較慢 效率低 2 擴充計算機語言 使其具有圖形生成和處理的功能如 TurboC AutoLisp等 簡練 緊湊 執(zhí)行速度快 但不可移植 3 專用圖形系統(tǒng) 效率高 但系統(tǒng)開發(fā)量大 可移植性差 31 2020 3 31 通用的 與設備無關的圖形標準GKS GraphicsKernelSystem 第一個官方標準 1977 PHIGS Programmer sHerarchicalIuteractiveGraphicssystem 一些非官方圖形軟件 廣泛應用于工業(yè)界 成為事實上的標準DirectX MS Xlib X Window系統(tǒng) OpenGL SGI Adobe公司Postscript 32 2020 3 31 開放式的三維圖形軟件包OpenGL OpenGL是近幾年發(fā)展起來的一個性能卓越的三維圖形標準 它是在SGI等多家世界聞名的計算機公司的倡導下 以SGI的GL三維圖形庫為基礎制定的一個通用共享的開放式三維圖形標準 目前 包括Microsoft SGI IBM SUN HP等大公司都采用了OpenGL做為三維圖形標準 許多軟件廠商也紛紛以OpenGL為基礎開發(fā)出自己的產品 其中比較著名的產品包括 動畫制作軟件Softimage和3DStudioMAX 仿真軟件OpenInventor VR軟件WorldToolKit CAM軟件ProEngineer GIS軟件ARC INFO等等 33 2020 3 31 OpenGL的優(yōu)越性 獨立于窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng) 以它為基礎開發(fā)的應用程序可以十分方便地在各種平臺間移植 可與VisualC 緊密接口 便于實現機械手的有關計算和圖形算法 可保證算法的正確性和可靠性 使用簡便 效率高 34 2020 3 31 OpenGL圖形庫的功能 一共有100多個函數 其中核心函數有115個除了提供基本的點 線 多邊形的繪制函數外 還提供了復雜的三維物體 球 錐 多面體 茶壺等 以及復雜曲線和曲面 如Bezier NURBS等曲線或曲面 繪制函數 基本幾何變換和投影變換 顏色模式設置光照和材質設置紋理映射功能位圖顯示和圖象增強 反走樣 Antialiasing 和霧 fog 的特殊圖象效果處理雙緩存 DoubleBuffering 動畫 雙緩存即前臺緩存和后臺緩存 即后臺緩存計算場景 生成畫面 前臺緩存顯示后臺緩存已畫好的畫面