1、交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军1第第1章章 交互式计算机交互式计算机图形系统图形系统交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军21.1 图形系统的组成图形系统的组成 交互式计算机图形系统是交互式计算机图形系统是用户、计算机、用户、计算机、图形设备、软件图形设备、软件组成的协调运行的系统。组成的协调运行的系统。交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军31.2 图形系统的图形系统的功能及性能要求功能及性能要求一、基本功能一、基本功能 图形系统虽然在不断发展、变化，基本功能是图形系统虽然在不断发展、变化，基本功能是永恒的，不外乎：永恒的，不外乎：计算、存储、交互、输入、输出计算、
2、存储、交互、输入、输出二、性能要求二、性能要求交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军4来自用户对图形系统的性能要求来自用户对图形系统的性能要求1.1.数据处理速度（实时性要求）数据处理速度（实时性要求）硬件因素：硬件因素：CPU/CPU/数字处理器数字处理器/图形显示处理器、图形显示处理器、内存内存/外存外存/高速缓存、高速缓存、I/OI/O端口、总线性能等。端口、总线性能等。2.2.数据处理精度（真实性要求）数据处理精度（真实性要求）图形信息的输入图形信息的输入/输出质量，如显示分辨率、色输出质量，如显示分辨率、色彩容量等。彩容量等。交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军53.3
3、.处理存储容量（复杂性要求）处理存储容量（复杂性要求）内、外存显设备缓冲区的存储容量。内、外存显设备缓冲区的存储容量。4.4.系统界面交互功能（交互性要求）系统界面交互功能（交互性要求）与输入设备、用户界面系统有关。与输入设备、用户界面系统有关。交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军61.3 图形系统的硬件平台图形系统的硬件平台一、图形系统的类型一、图形系统的类型平台：用户面对的一个计算机工作环境。分硬件平平台：用户面对的一个计算机工作环境。分硬件平 台和软件平台。台和软件平台。硬件平台：由计算机和图形设备组成，是软件平台硬件平台：由计算机和图形设备组成，是软件平台 的物理支撑。的物理支
4、撑。1.1.微型计算机系统微型计算机系统特点：特点：处理速度、存储容量、显示性能不断提高；处理速度、存储容量、显示性能不断提高；价廉物美，使用面最广。价廉物美，使用面最广。交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军72.2.工作站系统工作站系统 配有高性能、高分辨率的图形显示控制系统。配有高性能、高分辨率的图形显示控制系统。特点：特点：强大的计算能力和图形处理能力；拥有强大的计算能力和图形处理能力；拥有工程所需的软、硬件环境支持。特别适于形成一种工程所需的软、硬件环境支持。特别适于形成一种工程开发环境。性工程开发环境。性/价比很高。价比很高。3.3.中小型计算机系统中小型计算机系统 高级的、
5、大规模的计算机工作环境。用于大型高级的、大规模的计算机工作环境。用于大型信息系统的环境。信息系统的环境。特点：特点：具有强大的处理能力，数据的并行或分布式具有强大的处理能力，数据的并行或分布式处理能力，集中控制和管理能力，海量数据存储能处理能力，集中控制和管理能力，海量数据存储能力。在计算机世界中自占一域，具有强大的竞争力。力。在计算机世界中自占一域，具有强大的竞争力。交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军84.4.计算机网络计算机网络 可由上述三种单独组网，或由各类机器联合组网。可由上述三种单独组网，或由各类机器联合组网。形成基于网络平台的图形系统，使应用范围更远更宽。形成基于网络平台
6、的图形系统，使应用范围更远更宽。特点：特点：可充分发挥各机器的性能和特点，以达到很高可充分发挥各机器的性能和特点，以达到很高的性能价格比。的性能价格比。是用户向计算机输送信息的装置。（是用户向计算机输送信息的装置。（能将图像能将图像的明暗的明暗/颜色变换成数字形式，或将描述图形的数据颜色变换成数字形式，或将描述图形的数据和命令等转换成电信号传送给计算机。和命令等转换成电信号传送给计算机。二、图形系统的外部设备二、图形系统的外部设备 1.1.图形输入设备图形输入设备交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军9 例如：键盘、鼠标器、光笔、操纵杆、轨迹球、例如：键盘、鼠标器、光笔、操纵杆、轨迹球、
7、数值化仪，扫描仪、摄像机、触摸屏、数据手套、声数值化仪，扫描仪、摄像机、触摸屏、数据手套、声音输入音输入。随着计算机技术的发展，原来的图形输入物理设随着计算机技术的发展，原来的图形输入物理设备的功能在不断充实和完善，新的图形输入物理设备备的功能在不断充实和完善，新的图形输入物理设备又在不断涌现又在不断涌现。交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军10定位定位(Locator)：输入一个点的坐标。输入一个点的坐标。笔划笔划(Stroke):Stroke):输入一系列点的坐标。输入一系列点的坐标。数值数值(Valuator):Valuator):输入一个整数或实数。输入一个整数或实数。选择选择
8、(Choice):Choice):由一个整数得到某种选择。由一个整数得到某种选择。拾取拾取（PickPick）：）：选取图形元素。选取图形元素。字符串字符串（StringString）：）：输入一串字符。输入一串字符。事实上，实际的图形输入设备通常是若干逻辑输事实上，实际的图形输入设备通常是若干逻辑输入功能的组合。入功能的组合。可见，图形输入设备从物理上分是无限的；但可见，图形输入设备从物理上分是无限的；但从逻辑从逻辑功能上分是有限的，至今不外乎六种：功能上分是有限的，至今不外乎六种：交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军11 在图形输入设备中还有一个特殊的领域，那在图形输入设备中还有一
9、个特殊的领域，那就是就是真实物体的三维信息的输入真实物体的三维信息的输入。一个应用一个应用是要对已有的实物零件进行大规模的是要对已有的实物零件进行大规模的生产，需要通过生产，需要通过激光扫描激光扫描来采集实物零件表面各来采集实物零件表面各个点的位置信息，以便在计算机中生成三维实体个点的位置信息，以便在计算机中生成三维实体模型。模型。另一个应用另一个应用就是扫描保存古代名贵的雕塑和其就是扫描保存古代名贵的雕塑和其它艺术品的三维信息，这样可以在计算机中产生它艺术品的三维信息，这样可以在计算机中产生这些艺术品的三维模型。这些艺术品的三维模型。交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军12 美国斯坦
10、福大学计算机系的著名图形学专家美国斯坦福大学计算机系的著名图形学专家Marc Marc LevoyLevoy曾经带领他的曾经带领他的3030人的工作小组于人的工作小组于2019201920192019学学年专门在意大利对文艺复兴时代的雕刻大师米开朗基年专门在意大利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。罗的众多艺术品进行扫描，保存其形状和面片信息。工作难度相当大，他们为此专门设计了一套硬件和软工作难度相当大，他们为此专门设计了一套硬件和软件系统。数据量也惊人，件系统。数据量也惊人，光大卫像就有光大卫像就有2020亿个多边形亿个多边形和和70007000张彩
11、色图象，总共需要张彩色图象，总共需要7272G G的磁盘容量的磁盘容量。这次工作可以说是实体图形输入的一个颠峰之作。这次工作可以说是实体图形输入的一个颠峰之作。交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军13交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军14 是计算机图形系统的重要设备；是反馈用户（设是计算机图形系统的重要设备；是反馈用户（设计人员计人员/操作人员）了解设计过程实时状态的一个操作人员）了解设计过程实时状态的一个“窗口窗口”。借助它和图形输入设备，用户可动态地对。借助它和图形输入设备，用户可动态地对所设计图形进行修改、编辑，即实现交互操作。所设计图形进行修改、编辑，即实现交互操作。
12、图形显示器采用的图形显示技术有：图形显示器采用的图形显示技术有：阴极射线阴极射线管管(CRT)技术、平板显示器技术。技术、平板显示器技术。但因制造成本、分但因制造成本、分辩率、色彩等方面的原因辩率、色彩等方面的原因,CRT技术仍是目前显示设技术仍是目前显示设备中用得最多的主要技术。备中用得最多的主要技术。2.2.图形显示设备图形显示设备交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军15 结构（结构（图图1-51-5a/P.12)a/P.12)（1）CRTCRT技术显示器技术显示器 1 1）阴极射线管）阴极射线管交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军16 工作工作原理原理 阴极阴极 发射发射
13、 控制极控制极 控制电控制电 聚焦系统聚焦系统 细电子束细电子束 灯丝加热灯丝加热 电子流电子流 控制辉度强弱控制辉度强弱 子流量子流量加速极加速极 高能量电子束高能量电子束 偏转系统偏转系统 电子束轰击电子束轰击 荧光屏荧光屏 垂直垂直/水平水平 荧光物质荧光物质 亮点亮点/图形图形 交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军17用用CRT产生彩色显示的有两种基本技术：产生彩色显示的有两种基本技术：射线穿透射线穿透法法（电子束渗透法）、（电子束渗透法）、影孔板法影孔板法（荫罩法）。（荫罩法）。电子束电子束 荧光屏荧光屏红红/绿荧光质层绿荧光质层 显示的颜色取决于电子显示的颜色取决于电子束穿
14、入荧光质层的深度，束穿入荧光质层的深度，即决定于加速电压控制的即决定于加速电压控制的电子束速度。电子束速度。特点：廉价、四色、图特点：廉价、四色、图形质量低。用于随机扫描形质量低。用于随机扫描显示器。显示器。2 2）彩色阴极射线管）彩色阴极射线管 A A。渗透法渗透法交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军18电子枪电子枪 影孔板影孔板荧光屏 一个三元组（三个一个三元组（三个荧光点激活混合成彩荧光点激活混合成彩色光点）色光点）彩色彩色CRT的色彩变化的色彩变化是通过改变和组合三是通过改变和组合三电子束的强度等级实电子束的强度等级实现的。每个荧光点的现的。每个荧光点的颜色取决于红、绿、颜色取
15、决于红、绿、蓝三种荧光质的受激蓝三种荧光质的受激量。量。像像素素 B B。荫罩法荫罩法交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军19电子枪电子枪 影孔板影孔板荧光屏 一个三元组（三个一个三元组（三个荧光点激活混合成彩荧光点激活混合成彩色光点）色光点）关闭红关闭红/绿枪得蓝色；绿枪得蓝色；三点激发强度相等产三点激发强度相等产生白色；生白色；黄色黄色=红红+绿，紫色绿，紫色=蓝蓝+红；青色红；青色=相同比例相同比例的蓝和绿。的蓝和绿。低档图形系统只能控低档图形系统只能控制电子束的开制电子束的开/关，限关，限定定8 8种颜色；种颜色；交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军20电子枪电子枪 影
16、孔板影孔板荧光屏 一个三元组（三个一个三元组（三个荧光点激活混合成彩荧光点激活混合成彩色光点）色光点）高级图形系统可控制电子束的任意强度，可产生高级图形系统可控制电子束的任意强度，可产生上百万种颜色。如何实现？上百万种颜色。如何实现？（R，G，B）0-关，关，1-开开（0，0，0）-黑黑（1，1，1）-白白（1，0，0）-红红（0，1，0）-绿绿（0，0，1）-蓝蓝（1，1，0）-黄黄（1，0，1）-紫紫（0，1，1）-青青交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军21 荫罩式显示器缺点：荫罩式显示器缺点：如荧光屏是球面的，几如荧光屏是球面的，几何失真大，三角形的荧何失真大，三角形的荧光点排
17、列造成即使点很光点排列造成即使点很密很细也不会特别清晰。密很细也不会特别清晰。近几年荫栅式显示器近几年荫栅式显示器逐渐流行起来。其工作逐渐流行起来。其工作原理如图所示原理如图所示C C。荫栅式显示器荫栅式显示器交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军22两者的区别：两者的区别：原理上只是光线的选择方式和荧光点的原理上只是光线的选择方式和荧光点的排列不同。但显示效果也有明显的区别，荫栅式显象排列不同。但显示效果也有明显的区别，荫栅式显象管亮度更高，色彩更鲜艳。管亮度更高，色彩更鲜艳。荫栅示与荫罩式的荧光屏的点排列：荫栅示与荫罩式的荧光屏的点排列：交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军2
18、3 例如，索尼公司的例如，索尼公司的特丽珑管特丽珑管（TrinitronTrinitron）和三菱和三菱公司的公司的钻石珑管钻石珑管（DiamondtronDiamondtron）两种荫栅式显象管。两种荫栅式显象管。荫栅式显示器有柱面和平面显示器荫栅式显示器有柱面和平面显示器。柱面管柱面管由于由于在垂直方向上平坦，因此与球面管相比几何失真更小，在垂直方向上平坦，因此与球面管相比几何失真更小，而且能将屏幕上方的光线反射到下方而不是直射入人而且能将屏幕上方的光线反射到下方而不是直射入人眼中，因而大大减弱了眩光。眼中，因而大大减弱了眩光。平面显示器平面显示器是近两年刚是近两年刚刚推出的产品，荧光屏为
19、完全平面，大大提高了图形刚推出的产品，荧光屏为完全平面，大大提高了图形的显示质量。由于平面显示器的高清晰度、低失真以的显示质量。由于平面显示器的高清晰度、低失真以及对人眼的低伤害，已经越来越得到人们的喜爱。及对人眼的低伤害，已经越来越得到人们的喜爱。交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军24又叫矢量又叫矢量/画线式显示器。在随机扫描的画线式显示器。在随机扫描的CRTCRT中，电子中，电子束象一支快速移动的画笔，实际勾画出要显示的图形；束象一支快速移动的画笔，实际勾画出要显示的图形；没有固定的扫描线和规定的扫描顺序，可根据需要在没有固定的扫描线和规定的扫描顺序，可根据需要在荧光屏面任意方向
20、上连续扫描。荧光屏面任意方向上连续扫描。应用程序显示命令工作过程：从工作过程：从显示文件存储器显示文件存储器中取出由应用程序的图中取出由应用程序的图形命令转换而来的形命令转换而来的显示命令显示命令（如画线（如画线/显示字符指令显示字符指令/数字）送到数字）送到显示控制器显示控制器,由其控制电子束运动由其控制电子束运动,形成显形成显示。示。为避免图形的闪烁，须对图形不断地重画（刷为避免图形的闪烁，须对图形不断地重画（刷新），速度为新），速度为=30=30次次/秒。秒。3）随机扫描显示器随机扫描显示器交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军25交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军26
21、特点：特点：价格高，分辨率、对比度高，可动态显示、价格高，分辨率、对比度高，可动态显示、局部修改。局部修改。两支电子枪两支电子枪:高速高速“写出写出”枪枪画图形于存储栅上画图形于存储栅上;低速低速“扫描扫描”枪枪保持画面显示。保持画面显示。两块两块“栅网板栅网板”:涂绝缘材料的存储栅；使电子流涂绝缘材料的存储栅；使电子流均匀的收集栅。（均匀的收集栅。（P.11,图图1-2(b)）特点：特点：价格低，分辨率很高，但不能动态显示、价格低，分辨率很高，但不能动态显示、无法局部修改。无法局部修改。4）随机扫描存储管式显示器随机扫描存储管式显示器交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军27 光栅扫描
22、显示器屏幕可看作是由一组离散的阵列小网光栅扫描显示器屏幕可看作是由一组离散的阵列小网格构成。这些小网格称为格构成。这些小网格称为像素像素。光栅扫描显示器上所显示的图形是用一系列紧靠该图光栅扫描显示器上所显示的图形是用一系列紧靠该图形路径的像素表示。如下图所示形路径的像素表示。如下图所示的直线。可见，图形具有的直线。可见，图形具有明显的阶梯状，是一种逼明显的阶梯状，是一种逼近表示。近表示。5）光栅扫描显示器光栅扫描显示器交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军28 显示器屏幕上的一幅图像称为一帧，每一帧内容都显示器屏幕上的一幅图像称为一帧，每一帧内容都是由是由“帧缓存帧缓存(储储)器器”存储
23、记录。存储记录。实现光栅式显示器实现光栅式显示器的最常用方法是采用的最常用方法是采用帧缓存器。帧缓存器。在帧缓存器中的图形信息经过组织，与显示器上的在帧缓存器中的图形信息经过组织，与显示器上的像素阵列一一对应；每一像素至少与帧缓存器中的一像素阵列一一对应；每一像素至少与帧缓存器中的一位（位（bitbit）相对应，也可以与若干相对应，也可以与若干位位相对应。相对应。例如：例如：“1024“1024x1024x N”x1024x N”的帧缓存器的帧缓存器,表示对应的显示器分表示对应的显示器分辨率为辨率为10241024x1024,x1024,具有具有 N N 位面色彩或灰度等级的帧位面色彩或灰度等
24、级的帧缓存器。缓存器。光栅扫描显示器的显示原理光栅扫描显示器的显示原理交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军29 N=1(1个位面个位面),帧缓存器中的每一位对应于显示屏上的一帧缓存器中的每一位对应于显示屏上的一个像素个像素:1DAC帧缓存器光栅光栅CRTCRT1位位帧缓存的黑白显示器结构图帧缓存的黑白显示器结构图0010 1 02N DAC2N=3(3个位个位面面帧帧缓存缓存)CRTN位位帧缓存的黑白灰度光栅显示器结构图帧缓存的黑白灰度光栅显示器结构图交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军30010DACDACDAC对于彩色显示器对于彩色显示器,三种原色用三个位面对应三种原色用三
25、个位面对应:红绿蓝帧缓存器帧缓存器(N=3)N=3)光栅光栅CRTCRT简单的帧缓存简单的帧缓存彩色彩色光栅光栅显示器显示器结构图结构图有有8种色彩种色彩交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军31显示器怎样才能获得更丰富的色彩显示器怎样才能获得更丰富的色彩?8位8位8位具有24位面的帧缓存可获得256X256X256种色彩。交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军32 CRT CRT显示器历经发展，目前技术已经越来越成熟，显示器历经发展，目前技术已经越来越成熟，显示质量也越来越好，大屏幕也逐渐成为主流，但显示质量也越来越好，大屏幕也逐渐成为主流，但CRTCRT固有的物理结构限制了它向
26、更广的显示领域发展。固有的物理结构限制了它向更广的显示领域发展。屏幕的加大必然导致显象管的加长，显示器的体屏幕的加大必然导致显象管的加长，显示器的体积加大，使用时就会受到积加大，使用时就会受到空间的限制空间的限制。另外，由于。另外，由于CRTCRT显示器是利用电子枪发射电子束来产生图像，产显示器是利用电子枪发射电子束来产生图像，产生生辐射与电磁波干扰辐射与电磁波干扰便成为其最大的弱点，而且长期便成为其最大的弱点，而且长期使用会对人们健康产生不良影响。使用会对人们健康产生不良影响。人们推出了人们推出了平板技术显示器平板技术显示器。（2）平板技术显示器）平板技术显示器交互式计算机图形学 南京航空航
27、天大学 伍铁军33 属于非发射平板显示器。属于非发射平板显示器。利用光学效应，将太利用光学效应，将太阳光或其它光源的光，转换为图形图案。阳光或其它光源的光，转换为图形图案。生成图形的机理：生成图形的机理：通过能阻塞或传递光的液晶通过能阻塞或传递光的液晶材料，传递或阻塞来自周围的或内部光源的偏振光。材料，传递或阻塞来自周围的或内部光源的偏振光。用于计算器、电子表、手机、寻呼机、商务通、用于计算器、电子表、手机、寻呼机、商务通、便携式便携式/笔记本计算机等仪器上。笔记本计算机等仪器上。特点：特点：体积小、功耗体积小、功耗/价格低，但分辨率价格低，但分辨率/对比度对比度低、色彩低、色彩/灰度等级不丰
28、富。灰度等级不丰富。1)1)液晶显示器液晶显示器(LCDLiquid-crystal display)LCDLiquid-crystal display)交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军34 液晶是一种介于液体和固体之间的液晶是一种介于液体和固体之间的线状结晶结构分线状结晶结构分子子，它具有液体的流态性质和固体的光学性质。当液，它具有液体的流态性质和固体的光学性质。当液晶受到电压的影响时，因液晶分子重新排列就会发生晶受到电压的影响时，因液晶分子重新排列就会发生形变而改变它的物理性质，此时通过它的光的折射角形变而改变它的物理性质，此时通过它的光的折射角度就会发生变化，而产生色彩。度就
29、会发生变化，而产生色彩。液晶屏幕后面通常有一个液晶屏幕后面通常有一个背光背光，这个光源先穿过，这个光源先穿过第一层第一层偏光板偏光板，再来到，再来到液晶体液晶体上，而当光线透过液晶上，而当光线透过液晶体时，就会产生光线的色泽改变，从液晶体射出来的体时，就会产生光线的色泽改变，从液晶体射出来的光线，还须经过一块光线，还须经过一块彩色滤光片彩色滤光片以及第二块偏光板。以及第二块偏光板。由于两块偏光板的由于两块偏光板的偏振方向偏振方向成成9090度，再加上电压的变度，再加上电压的变化和一些其他的装置，液晶显示器就能显示我们想要化和一些其他的装置，液晶显示器就能显示我们想要的颜色了。的颜色了。交互式计
30、算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军35两块玻璃板上分别有一个互成一定角度的光偏振器；两块玻璃板上分别有一个互成一定角度的光偏振器；还分别排放有水平还分别排放有水平/垂直的透明导体行垂直的透明导体行/列。两行列列。两行列导体交叉处定义一个像素位置。导体交叉处定义一个像素位置。交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军36关态关态交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军37属于发射平板显示器。属于发射平板显示器。在高压电的作用下，气体被在高压电的作用下，气体被电离，电子从原子中游离出。当电子又重新与原子电离，电子从原子中游离出。当电子又重新与原子结合在一起时，能量会以光子的形式释放出来，此
31、结合在一起时，能量会以光子的形式释放出来，此时气体就会释放出具有特征的橙红色辉光。还有薄时气体就会释放出具有特征的橙红色辉光。还有薄片光电显示器、发光二极管等。片光电显示器、发光二极管等。特点：特点：有很好的动态特性，分辨率有很好的动态特性，分辨率/对比度高，对比度高，功耗低，但价格高。功耗低，但价格高。2 2）等离子显示器）等离子显示器交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军38交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军39图象生成器显示存储器彩色表 监视器主机CRT控制器读/写读同步信号象素值颜色(亮度)1.图象生成器根据主机发送来的绘图命令图象生成器根据主机发送来的绘图命令,把图画
32、在显把图画在显示存储器中示存储器中,即在显示存储器中生成所显示画面的位图即在显示存储器中生成所显示画面的位图.（3）光栅扫描显示器的工作过程）光栅扫描显示器的工作过程1）光栅扫描显示器的组成）光栅扫描显示器的组成交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军40图象生成器显示存储器彩色表 监视器主机CRT控制器读/写读同步信号象素值颜色(亮度)交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军41图象生成器显示存储器彩色表 监视器主机CRT控制器读/写读同步信号象素值颜色(亮度)3.显示存储器中读出的数据显示存储器中读出的数据(象素值象素值),经过查彩色表后经过查彩色表后,转换转换成成RGB三原色的亮
33、度三原色的亮度,在不使用彩色表的显示器中在不使用彩色表的显示器中,象素值象素值直接是三原色的亮度值直接是三原色的亮度值.交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军42图象生成器显示存储器彩色表 监视器主机CRT控制器读/写读同步信号象素值颜色(亮度)4.4.颜色亮度信号也称为图象信号或视频信号颜色亮度信号也称为图象信号或视频信号,它控制着它控制着CRTCRT电子束的通、断、强和弱，从而在电子束的通、断、强和弱，从而在CRTCRT屏幕上形成屏幕上形成一帧与显示存储器中所存映象相对应的可见显示画面一帧与显示存储器中所存映象相对应的可见显示画面.交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军43交互
34、式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军44 光栅显示系统离不开图形处理器，图形处理器光栅显示系统离不开图形处理器，图形处理器是图形系统结构的重要元件，是连接计算机和显示是图形系统结构的重要元件，是连接计算机和显示终端的纽带。终端的纽带。有显示系统就有图形处理器（俗称有显示系统就有图形处理器（俗称显卡显卡），早），早期的显卡只包含简单的期的显卡只包含简单的系统存储器和帧缓冲存储器系统存储器和帧缓冲存储器，它们只起了图形的它们只起了图形的存储和传递存储和传递作用，作用，一切操作都必一切操作都必须有须有CPUCPU来控制来控制。这对于文本和一些简单的图形来说。这对于文本和一些简单的图形来说是足够的
35、，但是当要处理复杂场景特别是一些真实是足够的，但是当要处理复杂场景特别是一些真实感的三维场景，这种系统是无法完成任务的。感的三维场景，这种系统是无法完成任务的。2)图形处理器图形处理器交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军45 后来发展的图形处理器新增加了有后来发展的图形处理器新增加了有图形处理功能图形处理功能（如扫描转换、光栅操作等）的（如扫描转换、光栅操作等）的显示处理器显示处理器；不仅；不仅存存储图形储图形，而且，而且能完成大部分图形函数能完成大部分图形函数，大大减轻了，大大减轻了CPUCPU的负担，提高了显示能力和显示速度。的负担，提高了显示能力和显示速度。因为这种图形处理系统有
36、因为这种图形处理系统有两个处理器两个处理器（CPUCPU、显示显示处理器）、处理器）、三个存储器三个存储器（系统存储器、显示处理存储（系统存储器、显示处理存储器、帧缓冲存储器）。系统存储器存放由器、帧缓冲存储器）。系统存储器存放由CPUCPU执行的程执行的程序、图形指令、操作系统命令等；显示处理存储器存序、图形指令、操作系统命令等；显示处理存储器存放扫描转换、光栅操作的程序；帧缓冲存储器存放扫放扫描转换、光栅操作的程序；帧缓冲存储器存放扫描转换、光栅操作所产生的图像。描转换、光栅操作所产生的图像。交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军46 随着电子技术的发展，显卡技术含量越来越高，随着电
37、子技术的发展，显卡技术含量越来越高，功能越来越强，许多专业的图形卡已经具有很强的功能越来越强，许多专业的图形卡已经具有很强的3 3D D处理能力处理能力，这些，这些3 3D D图形卡图形卡已走向个人计算机。已走向个人计算机。一些专业的显卡具有的晶体管数甚至比同时代一些专业的显卡具有的晶体管数甚至比同时代的的CPUCPU的晶体管数还多。如的晶体管数还多。如20002000年加拿大年加拿大ATIATI公司公司推推出的出的RADEONRADEON显卡芯片显卡芯片含有含有3 3千万颗晶体管，达到每秒千万颗晶体管，达到每秒1515亿个像素填写率。亿个像素填写率。交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁
38、军47 一个显卡的主要配件有一个显卡的主要配件有显示主芯片、显示缓存显示主芯片、显示缓存（简称显存）、数字模拟转换器（简称显存）、数字模拟转换器（RAMDACRAMDAC）。）。交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军48 显示主芯片显示主芯片是显卡的核心，俗称是显卡的核心，俗称GPUGPU，主要任务主要任务是对系统输入的视频信息进行构建和渲染，各图形是对系统输入的视频信息进行构建和渲染，各图形函数基本上都集成在这里。如现在许多函数基本上都集成在这里。如现在许多3 3D D卡都支持卡都支持的的OpenGLOpenGL硬件加速功能和硬件加速功能和DirectXDirectX功能以及各种纹理功
39、能以及各种纹理渲染功能就是在这里实现的。渲染功能就是在这里实现的。显卡主芯片的能力直接决定了显卡的能力。显卡主芯片的能力直接决定了显卡的能力。3 3dfxdfx公司的公司的VoodooVoodoo系列，系列，S3S3公司的公司的GXGX系列，系列，nVIDIAnVIDIA公司的公司的TNT2TNT2，GeForce256GeForce256以及用于专业领域的以及用于专业领域的Quadro(Quadro(俗称俗称GeForce GL)GeForce GL)都指的是显卡主芯片的代都指的是显卡主芯片的代号。号。交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军49 显存是用来存储将要显示的图形信息以及保存
40、显存是用来存储将要显示的图形信息以及保存图形运算的中间数据的，它与显示主芯片的关系，图形运算的中间数据的，它与显示主芯片的关系，就像计算机的内存与就像计算机的内存与CPUCPU之间一样密不可分。之间一样密不可分。显存的大小和速度直接影响着主芯片性能的发显存的大小和速度直接影响着主芯片性能的发挥，简单地说当然是越大越好、越快越好。挥，简单地说当然是越大越好、越快越好。早期的早期的显存类型有显存类型有FPM(Fast Page Mode)RAMFPM(Fast Page Mode)RAM和和EDO EDO(Extended Data Out)RAM(Extended Data Out)RAM，现在
41、很流行的是现在很流行的是SGRAM SGRAM(Synchronous Graphics RAM)(Synchronous Graphics RAM)和和SDRAM SDRAM(Synchronous DRAM)(Synchronous DRAM)。交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军503）显示存储器）显示存储器交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军51图形模式图形模式 此时每个字符的点阵信息均直接存放在显示此时每个字符的点阵信息均直接存放在显示存储器中存储器中,因而字符的显示位置可以以象素为单位在屏因而字符的显示位置可以以象素为单位在屏幕上任意定位幕上任意定位,也可以随意改变
42、单个字符的大小、方向也可以随意改变单个字符的大小、方向或字符串的走向，但或字符串的走向，但编辑修改操作比较麻烦编辑修改操作比较麻烦。文字模式文字模式 显示存储器中存放的是字符的编码（显示存储器中存放的是字符的编码（ASCII或汉字码）及其属性，其字符的点阵信息一般放在只读或汉字码）及其属性，其字符的点阵信息一般放在只读存储器中（字符发生器或字库）。存储器中（字符发生器或字库）。交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军52文字模式下字符显示原理文字模式下字符显示原理显示存储器字库屏幕41ASCII A AA A交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军53单色显示时，单色显示时，每个象素一
43、般只用一位来表示，屏幕上整每个象素一般只用一位来表示，屏幕上整个画面的位图信息集中存放在显示存储器的一个体个画面的位图信息集中存放在显示存储器的一个体（BlockBlock）中。中。彩色显示器或单色多灰度显示时，彩色显示器或单色多灰度显示时，每个象素需要使用多每个象素需要使用多个二进位表示。主要有两种结构形式：个二进位表示。主要有两种结构形式：组合象素结构组合象素结构 位平面结构位平面结构交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军54 画面上的每个象素的所有位均集中存放在单个画面上的每个象素的所有位均集中存放在单个存储体中。存储体中。P1P2Pn-1Pn交互式计算机图形学 南京航空航天大学
44、伍铁军55 象素的每一位各自存放在不同的存储体（位平象素的每一位各自存放在不同的存储体（位平面）中。由于使用了多个存储体，可以一次读面）中。由于使用了多个存储体，可以一次读出更多的象素信息，降低了对显存工作速度的出更多的象素信息，降低了对显存工作速度的要求。在中高图形显示器中广泛使用。要求。在中高图形显示器中广泛使用。p1p2p3交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军56 显示存储器的容量往往设计的比屏幕画显示存储器的容量往往设计的比屏幕画面的位图大得多，显示存储器中可以同时存面的位图大得多，显示存储器中可以同时存放多幅画面的位图。这时显存区域将划分成放多幅画面的位图。这时显存区域将划分
45、成若干个页面，每个页面存放一幅位图。正在若干个页面，每个页面存放一幅位图。正在显示的页面称为工作页面或活动页面，其它显示的页面称为工作页面或活动页面，其它为非工作页面。为非工作页面。页面可以划分的比屏幕大得多，从而实页面可以划分的比屏幕大得多，从而实现漫游。现漫游。交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军57为什么要使用彩色表？为什么要使用彩色表？1.显示存储器的容量有限：显示存储器的容量有限：帧缓存每个单元的帧缓存每个单元的位数越多，显示色彩越丰富，但帧缓存就越大，位数越多，显示色彩越丰富，但帧缓存就越大，成本价格就越高。成本价格就越高。2.不同的使用情况，要求图象的颜色数量相差很不同的
46、使用情况，要求图象的颜色数量相差很大：多的需要几十万种甚至几百万种，少的只需大：多的需要几十万种甚至几百万种，少的只需几十、几百或几千种。几十、几百或几千种。3.在不增加在不增加帧缓存单元位数的前提下，具有在很帧缓存单元位数的前提下，具有在很大范围内挑选色彩的能力。大范围内挑选色彩的能力。4）彩色表的结构与使用）彩色表的结构与使用交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军58象素用八位表示，彩色表共有象素用八位表示，彩色表共有28 256个地址，彩色表的字长为个地址，彩色表的字长为12位，位，R/G/B各用各用4位定义，故该显示器共可以显示位定义，故该显示器共可以显示212 4096种颜色，
47、但每屏幕不同的颜色数仍只有种颜色，但每屏幕不同的颜色数仍只有256种。种。可见，用彩色表可见，用彩色表增加了调色板的色彩数量，但每一帧图像的色彩种类没有增加。增加了调色板的色彩数量，但每一帧图像的色彩种类没有增加。0100001167255671001 1010 00011100 0101 1000RGBCRT显存中x,y点屏幕上的x,y点彩色表交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军598位8位8位W=10（N=8）彩色表宽度彩色表宽度 W=10W=10，调色板的色彩总数调色板的色彩总数为为 （2 21010）3 3=2=230 30=1=1，073073，741741，824824种，
48、种，每帧屏幕可选的色彩数为（每帧屏幕可选的色彩数为（28）3=224 =16，777，216216种。种。思考1：交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军60思考2：光栅扫描显示器每显示一帧图像，都须扫描整个光栅扫描显示器每显示一帧图像，都须扫描整个CRTCRT屏幕。对于高分辨率显示器（像素多），则使刷新屏幕。对于高分辨率显示器（像素多），则使刷新帧缓存需要更多的时间，影响了显示的实时性。帧缓存需要更多的时间，影响了显示的实时性。例如：设单个像素的平均存取时间为例如：设单个像素的平均存取时间为200200纳秒，则：纳秒，则：存取一个存取一个 640 640 X 480 X 480 的帧缓存
49、器需要的帧缓存器需要0.06140.0614秒（秒（1616帧帧/秒）；存取秒）；存取1024 1024 X 1024 X 1024 的帧缓存器就需要的帧缓存器就需要0.210.21秒秒（5 5帧帧/秒）。秒）。4096 4096 X 4096 X 4096 的则需的则需0.30.3秒；对它若要达到最低刷秒；对它若要达到最低刷新频率新频率3030帧帧/秒，则存取单个像素的平均时间必须为秒，则存取单个像素的平均时间必须为 2 2纳秒。这在技术上是很难实现的，因为光在纳秒。这在技术上是很难实现的，因为光在 2 2纳秒的纳秒的时间内只通过时间内只通过 2 2英尺。英尺。对此，采用什么方法实现实时显示
50、？对此，采用什么方法实现实时显示？交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军613.3.图形硬拷贝设备图形硬拷贝设备打印机打印机：激光打印机：激光打印机、喷墨打印机、染料升华打喷墨打印机、染料升华打 印机印机绘图仪绘图仪：静电绘图仪、笔式（滚筒式、平板式）：静电绘图仪、笔式（滚筒式、平板式）绘图仪、热敏绘图仪绘图仪、热敏绘图仪交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军62交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军63随机矢量式交互式计算机图形学 南京航空航天大学 伍铁军64随机矢量式绘图机的性能指标最大绘图区域：431.8297mm 最大绘图速度：600mm/s 硬件分辨率：0.0125
