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1、第第2讲：交互式图形处理系统讲：交互式图形处理系统第二章：交互式图形处理系统v 交互式图形系统组成交互式图形系统组成v 图形输入输出设备图形输入输出设备v 虚拟现实技术虚拟现实技术v OpenGL图形标准图形标准1 1 交互式图形系统组成交互式图形系统组成vComputer+人=交互式v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，外设种类更齐全v图形加速卡，大屏幕显示器vPersonel Computer图形处理系统vworkstation图形处理系统1 1 交互式图形系统组成交互式图形系统组成图形应用程序图形应用程序图形子程序库图形子程序库图形设备驱动程序图形设备驱动程序
2、各种图形输入各种图形输入/输出设备输出设备图形输入设备的发展图形输入设备的发展 第一阶段：控制开关、穿孔纸等第一阶段：控制开关、穿孔纸等2 2 图形输入设备图形输入设备2 2 图形输入设备图形输入设备图形输入设备的发展 第二阶段：键盘、光笔第二阶段：键盘、光笔图形输入设备的发展图形输入设备的发展 第三阶段：二维定位设备，如鼠标、坐标数字化仪、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、扫描仪等跟踪球、触摸屏、操纵杆、扫描仪等2 2 图形输入设备图形输入设备图形输入设备的发展图形输入设备的发展2 2 图形输入设备图形输入设备图形输入设备的发展图形输入设备的发展 第四阶段
3、：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2 2 图形输入设备图形输入设备t图形输出图形输出(显示、打印）设备显示、打印）设备n 阴极射线管显示器（阴极射线管显示器（CRT）n 液晶显示器（液晶显示器（LCD）n 绘图仪绘图仪n 打印机打印机 3 3 图形输出设备图形输出设备CRTCRT显示器分类显示器分类v阴极射线管（阴极射线管（CRT）（）（Cathode Ray Tube）v单色单色CRTv彩色彩色CRTt阴极射线管阴极射线管(CRT)组成组成：包括电子枪、聚焦系统、加速电极
4、、偏转系统、：包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏荧光屏工作原理工作原理：电子枪发射电子束，经过聚焦系统、加速：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。面的荧光物质吸收，发光产生可见的图形。结构结构荧光屏 t荧光物质：吸收电子束而发光荧光物质：吸收电子束而发光t余辉时间：持续发光时间，电子束离开某点后，该点余辉时间：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的亮度值衰减到初始值t刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数t
5、像素像素(Pixel)：构成屏幕（图像）的最小元素：构成屏幕（图像）的最小元素t分辨率分辨率(Resolution)：在假定：在假定 屏幕尺寸一定的情况下，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等等等等某种某种CRT产生稳定图像所需要的最小刷新频率产生稳定图像所需要的最小刷新频率=1秒秒/荧光物质的持续发光时间（荧光物质的持续发光时间（Hz）v彩色CRT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多枪型多枪型 常用于光栅扫描显示器常用于
6、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v射线穿透法（射线穿透法（beam penetration）原理：原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光两层荧光涂层，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，决定物质，不同速度电子束穿透荧光层的深浅，决定所产生的颜色所产生的颜色应用：应用：主要用于画线显示器主要用于画线显示器优点：优点：成本低成本低缺点：缺点：只能产生有限几种颜色只能产生有限几种颜色v影孔板法影孔板法 原理：影孔板被安装在荧光屏的内表面，用于精确定位像素原理：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的位置 影孔板的类型影孔板的
7、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：Sony的的Trinitron与与Mitsubishi的的 Diamondtron显像管显像管沟槽式影孔板沟槽式影孔板 代表：代表：LG的的Flatron显像管显像管 点状影孔板工作原理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如果每支电子枪发出的电子束的强度有256个个等级，则显示器能同时显示等级，则显示器能同时显示256*256*256=
8、16M种颜色，称为真彩色系统种颜色，称为真彩色系统4 CRT显示器分类v直视存储管式（直视存储管式（Direct-View Storage Tubes）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CRT，不必，不必刷新刷新v刷新式刷新式 随机扫描式（随机扫描式（Random-Scan）光栅扫描式（光栅扫描式（Raster-Scan）随机扫描的显示系统v特点 数据表示：矢量表示，只有端点信息，无线段中间点矢量表示，只有端点信息，无线段中间点 扫描方式：电子束像一支快速移动的画笔，可随意移电子束像一支快速移动的画笔，可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分，与示波器
9、工作原理动，只扫描荧屏上要显示的部分，与示波器工作原理类似类似 显示图形：几何属性（几何属性（geometric attribute）为主，）为主，线架图线架图 优点：优点：扫描速度快，分辨率高，线条质量好，易修改，扫描速度快，分辨率高，线条质量好，易修改，交互性好，动态性能好交互性好，动态性能好 缺点：缺点：价格贵，只能显示线画图形，应用于军事、价格贵，只能显示线画图形，应用于军事、CAD领域领域光栅扫描的显示系统v特点：数据表示：数据表示：像素矩阵像素矩阵 扫描方式：扫描方式：从上到下，从左到右，与电视工作原理从上到下，从左到右，与电视工作原理类似类似 显示图形：显示图形：几何属性几何属性
10、+视觉属性（视觉属性（Visual attribute），真实感图形），真实感图形显示器的分辨率显示器的分辨率u电子束按固定的扫描顺序扫描电子束按固定的扫描顺序扫描N条扫描条扫描线，每条扫描线有线，每条扫描线有M个像素，个像素，M*N显示显示器的分辨率。器的分辨率。帧帧逻辑部件：逻辑部件：帧缓冲存储器（帧缓冲存储器（Frame Buffer)视频控制器（视频控制器（Video Controller)显示处理器（显示处理器（Display Processing Uuit，简称，简称DPU）CRT绘图仪绘图仪printerComputerDPU输入设备输入设备视频控制器视频控制器displayv
11、帧缓冲存储器（帧缓冲存储器（Frame Buffer)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 也称刷新存储器也称刷新存储器(Refreshing Buffer)简称帧缓冲器，俗称简称帧缓冲器，俗称显存显存t帧缓存中单元数目与显示器上像素的数目相同帧缓存中单元数目与显示器上像素的数目相同t单元与像素一一对应单元与像素一一对应t各单元的数值决定了其对应像素的颜色。各单元的数值决定了其对应像素的颜色。t显示颜色的种类与帧缓存中每个单元的位数有关。显示颜色的种类与帧缓存中每个单元的位数有关。位面（bit plane）技术v把显存分成若干把显存分成若干色平面色平面，各平面上相同位置的，
12、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。址中的内容决定像素的颜色。t色平面越多，可表达的色彩越丰富。色平面越多，可表达的色彩越丰富。t增加一个位面，色彩就增加一倍，而存储器写操作增加一个位面，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。程序无需重新计算新地址，程序兼容性好。N位寄存器电子枪CRT光栅有N个位面的帧缓存2NDAC01 000102N-1灰度等级寄存器寄存器蓝色枪帧缓存帧缓存DAC0001CRT光
13、栅01DACDAC红色枪绿色枪v若有24个位面（每种基色8个位面）则可同时显示(28)3=224=16777216种颜色（24位真彩色）。红绿蓝三个位面，组合成红绿蓝三个位面，组合成8种颜色种颜色l增加一个亮度位面，形成增加一个亮度位面，形成16种颜色种颜色红红绿绿蓝蓝Black000Blue001Green010Cyan011Red100Magenta101Yellow110White111显存容量问题显存容量问题v分辨率M*N、颜色个数K与显存容量显存容量V的关系KNMV2log显存容量问题显存容量问题v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
14、需要真彩模式需要3M字节显存字节显存v 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；解决方法：采用查色表解决方法：采用查色表(Look-up Table）查色表（LUT）v 是一维线性表，其每一项的内容对应一种颜色，是一维线性表，其每一项的内容对应一种颜色，它它的长度由帧缓存单元的位数决定的长度由帧缓存单元的位数决定v目的：在帧缓存单元的位数不增加的情况下，目的：在帧缓存单元的位数不增加的情况下，具有具有大范围内挑选颜色的能力。大范围内挑选颜色的能力。v 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：颜色值直接存储在帧缓存中。颜色值直接存储在帧缓存中。把颜
15、色码放在一个独立的表中，帧缓存存放的是颜色表中各项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。的索引值，索引色。v 单色系统：查色表固化单色系统：查色表固化v 彩显：可修改、创建查色表。彩显：可修改、创建查色表。视频控制器（显示控制器）v作用：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，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刷新屏幕图形屏幕图形显示处理器v 显示处理器显示处理器 Display Processing Unit，简称，简称DPUv 作用：作用：代替代替CPU完成部分图
16、形处理功能，扫描转换、完成部分图形处理功能，扫描转换、几何变换、裁剪、光栅操作、纹理映射等等几何变换、裁剪、光栅操作、纹理映射等等v光栅显示系统的特点 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 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，有阶梯效应光栅显示设备光栅显示设备矢量输出设备矢量输出设备 图形软件发展及软件标准形成图形软件发展及软件标准形成 三种类型的计算机图形软件系统：三种类型的计算机图形软件系统：(1)用某种语言写成的子程序包用某种语言写成的子程序包 如如:GKS(Graphics Kernel System)PHIGS(Programmers Herarchical Iuteractive Graphics system)GL 便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低
