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1、1/46第第4章章 二维图形的光栅显示二维图形的光栅显示4.1 计算机显示系统计算机显示系统4.2 扫描转换扫描转换 2/46显示系统是由显示器（显示系统是由显示器（Monitor）和显示控制适配器）和显示控制适配器（Adapter,又称显示卡或图形卡）两部分组成。显示器的又称显示卡或图形卡）两部分组成。显示器的作用是将电信号转换为可以直接观察到的字符、图形或图作用是将电信号转换为可以直接观察到的字符、图形或图像，是像，是CAD中最为重要的人机交互设备。中最为重要的人机交互设备。4.1.1 CRT工作原理工作原理 以前采用阴极射线管以前采用阴极射线管CRT（Cathode Ray Tube）技
2、术）技术。但液晶显示但液晶显示LCD(Liquid Crystal Display)等技术设计的液等技术设计的液晶显示器已获得应用。晶显示器已获得应用。4.1 计算机显示系统计算机显示系统3/461.单色单色CRT它利用电场产生高速的聚焦电子束，偏转到屏幕表面的不它利用电场产生高速的聚焦电子束，偏转到屏幕表面的不同部位，以产生可见的图形。同部位，以产生可见的图形。主要组成部分：电子枪、聚焦系统、偏转系统和荧光屏。主要组成部分：电子枪、聚焦系统、偏转系统和荧光屏。CRT显示器简易结构图显示器简易结构图4/46 当电子束离开荧光点后，其亮度值随时间按指数规律衰当电子束离开荧光点后，其亮度值随时间按
3、指数规律衰减。余辉时间就是指光亮度衰减到初始减。余辉时间就是指光亮度衰减到初始1/10所需的时间。余所需的时间。余辉时间非常短暂，一般在辉时间非常短暂，一般在0.51ms之间。之间。计算机计算机CRT图形显示卡图形显示卡电子束产生的光点直径通常为电子束产生的光点直径通常为0.250.5mm。分辨率：一个分辨率：一个CRT在水平或垂直方向上能够识别出的最大光在水平或垂直方向上能够识别出的最大光 点数称为分辨率，如点数称为分辨率，如640480,1024768等。有时，等。有时，也把分辨率理解成所能识别的光点的最小距离。也把分辨率理解成所能识别的光点的最小距离。xyxy屏屏幕幕5/462.彩色彩色
4、CRTRGB颜色模型：颜色模型：RGB(0,0,0)black(1,0,1)magentablue(0,0,1)(1,1,1)white(1,1,0)yellow(0,1,0)greencyan(0,0,1)(1,0,0)redgray axisRGB颜色空间颜色空间颜色的加法过程：颜色的加法过程：从黑色开始，通过从黑色开始，通过增加适当的颜色分增加适当的颜色分量值产生所需要的量值产生所需要的颜色。这种过程与颜色。这种过程与显示器的工作原理显示器的工作原理极其相似。极其相似。颜色坐标（颜色坐标（r,g,b),它既它既能表示颜色又能表示能表示颜色又能表示亮度。亮度。6/46 CRT屏幕内部涂有很
5、多组呈三角形的荧光粉，每一组有三屏幕内部涂有很多组呈三角形的荧光粉，每一组有三个荧光点，当某组荧光粉被激励时，分别发出红、绿、蓝三个荧光点，当某组荧光粉被激励时，分别发出红、绿、蓝三个基色。个基色。荫罩式彩色荫罩式彩色CRT显色原理示意图显色原理示意图7/46CRT的的刷新频率是指每秒重画图像的次数。为了得到刷新频率是指每秒重画图像的次数。为了得到稳定的画面，通常刷新频率应为稳定的画面，通常刷新频率应为3050帧帧/秒。秒。8/464.1.2 图形显示器的工作原理图形显示器的工作原理根据电子束的扫描方式，显示器分为随机扫描式显根据电子束的扫描方式，显示器分为随机扫描式显示器和光栅扫描式显示器。
6、示器和光栅扫描式显示器。随机扫描方式指屏幕上的图形是按矢量线段一笔一随机扫描方式指屏幕上的图形是按矢量线段一笔一笔画出的，其顺序完全按用户的绘图指令来决定。笔画出的，其顺序完全按用户的绘图指令来决定。对于光栅扫描方式，电子束按照从左到右，从上到对于光栅扫描方式，电子束按照从左到右，从上到下按固定节拍扫描，遇到图形时，相应的栅格发光，下按固定节拍扫描，遇到图形时，相应的栅格发光，由此显示图形或字符。由此显示图形或字符。9/46基本工作过程：要显示的图形由计算机加工成显示器的基本工作过程：要显示的图形由计算机加工成显示器的显示指令显示指令显示文件，存储在显示器的缓冲存储器中。显示文件，存储在显示器
7、的缓冲存储器中。CPUSystem MemoryDisplayProcessorMonitorSystem BusI/O Devices随机扫描所绘制的图形只能是单线条图形。随机扫描所绘制的图形只能是单线条图形。绘制速度与图形的复杂程度有关。绘制速度与图形的复杂程度有关。1.随机扫描显示器随机扫描显示器简单随机扫描系统的体系结构简单随机扫描系统的体系结构10/462.光栅扫描显示器光栅扫描显示器光栅扫描显示器的工作原理是：光栅扫描显示器的工作原理是：首先，屏幕网格化。首先，屏幕网格化。xyxy屏屏幕幕mn个像素个像素其次，图形光栅化。它其次，图形光栅化。它用帧缓存（用帧缓存（frame buf
8、fer）存储每个像素点的光亮存储每个像素点的光亮度值。度值。最后，光栅化的像素值由偏转及颜色系统，在最后，光栅化的像素值由偏转及颜色系统，在CRT屏幕显示。屏幕显示。11/46特点：特点：帧缓存中存放的不是显示指令，而是对应每个像帧缓存中存放的不是显示指令，而是对应每个像素的亮度或色彩信息。素的亮度或色彩信息。可用于显示真实感的图形。可用于显示真实感的图形。光栅显示与原始图形的复杂程度无关。光栅显示与原始图形的复杂程度无关。屏幕上的每个像素都对应帧缓冲存储器的若干位。屏幕上的每个像素都对应帧缓冲存储器的若干位。各种扫描转换算法已固化在硬件中。各种扫描转换算法已固化在硬件中。图形的近似表示。图形
9、的近似表示。12/46CPUSystem MemoryVideoControllerMonitorSystem BusI/O Devices简单的光栅扫描系统的体系结构简单的光栅扫描系统的体系结构帧缓存可以位于系统内存的任何地方。帧缓存可以位于系统内存的任何地方。显示控制器存取帧缓存刷新屏幕。显示控制器存取帧缓存刷新屏幕。13/46CPUSystem MemoryVideoControllerMonitorSystem BusI/O DevicesFrameBuffer系统内存中一个固定区域作为帧缓存区使用。系统内存中一个固定区域作为帧缓存区使用。显示控制器直接存取帧缓存中的像素颜色值。显示控
10、制器直接存取帧缓存中的像素颜色值。具有固定帧缓存的光栅扫描系统的体系结构具有固定帧缓存的光栅扫描系统的体系结构14/46CPUVideoControllerMonitorSystem BusI/O DevicesDisplayProcessor MemoryFrameBufferDisplayProcessorSystemMemory具有显示处理器的光栅扫描系统的体系结构具有显示处理器的光栅扫描系统的体系结构显示处理器的主要任务是进行扫描转换（显示处理器的主要任务是进行扫描转换（Scan-Conversion）15/464.1.3 图形显示卡图形显示卡 图形显示的核心部分是图形加速芯片。图形加
11、速芯图形显示的核心部分是图形加速芯片。图形加速芯片是一个固化了一定数量最常用基本图形程序模块的集成片是一个固化了一定数量最常用基本图形程序模块的集成电路，它大大减轻了电路，它大大减轻了CPU的负荷，加快了图形操作速度。的负荷，加快了图形操作速度。图形适配器从接口形式可分为图形适配器从接口形式可分为ISA,VESA,PCI和和AGP等。等。1.普通显示卡。如普通显示卡。如CGA、EGA、VGA、TVGA。这种卡。这种卡的图形处理完全由主机的图形处理完全由主机CPU完成，价格低廉。完成，价格低廉。16/46PCI总线总线显示卡显示卡硬盘硬盘网卡网卡CPU处理器处理器系统内存系统内存传统传统PCI芯
12、片卡芯片卡132MB/s528MB/s传统的传统的PCI总线结构总线结构2.有图形处理芯片的图形显示卡。基于有图形处理芯片的图形显示卡。基于PCI总线并集成总线并集成有图形处理芯片，如有图形处理芯片，如 Intel 82786 和和 TMS 34020。显示卡主要用于解决输入输出总线速度远远慢于显示卡主要用于解决输入输出总线速度远远慢于CPU内部内部处理速度的问题。处理速度的问题。17/463.基于基于AGP的图形卡的图形卡与传统的显示卡相比，与传统的显示卡相比，AGP(Advanced Graphics Port)在在传输总线上有较大改进。它把主存与显存直接连接起来，传输总线上有较大改进。它
13、把主存与显存直接连接起来，是新一代图形卡接口。是新一代图形卡接口。PCI总线总线硬盘硬盘网卡网卡声卡声卡显示卡显示卡系统内存系统内存AGP芯片卡芯片卡132MB/s528MB/sCPU处理器处理器AGP总线结构总线结构18/46显示卡一般都有显示缓存。根据不同的要求，显示缓存有显示卡一般都有显示缓存。根据不同的要求，显示缓存有2MB,4MB,8MB等配置。等配置。19/464.2 扫描转换扫描转换 4.2.1 扫描转换的必要性扫描转换的必要性计算机图形学中所研究的图形是从客观世界物体中抽象出来计算机图形学中所研究的图形是从客观世界物体中抽象出来的带灰度（或彩色）及形状的图或形。计算机中表示一个
14、图的带灰度（或彩色）及形状的图或形。计算机中表示一个图形常用的方法有两种：形常用的方法有两种：（1）点阵法：是用具有灰度或色彩的点阵表示图形的一种）点阵法：是用具有灰度或色彩的点阵表示图形的一种方法，它强调由哪些点组成，并具有什么灰度或色彩。方法，它强调由哪些点组成，并具有什么灰度或色彩。（2）参数法：）参数法：是以计算机中所记录的形状参数与属性参数是以计算机中所记录的形状参数与属性参数表示图形的一种方法。形状参数可以是描述其形状的方程的表示图形的一种方法。形状参数可以是描述其形状的方程的系数、线段的起点和终点等；属性参数则包括灰度、色彩、系数、线段的起点和终点等；属性参数则包括灰度、色彩、线
15、型等非几何属性。线型等非几何属性。通常将参数法描述的图形称为参数图形，也称矢量图形。而通常将参数法描述的图形称为参数图形，也称矢量图形。而把点阵法描述的图形叫做像素图形，简称图像。把点阵法描述的图形叫做像素图形，简称图像。20/46光栅图形的表示方法是点阵式，它的主要特点是面着色，光栅图形的表示方法是点阵式，它的主要特点是面着色，即在指定的平面区域着上所需要的颜色。与单纯由线条所即在指定的平面区域着上所需要的颜色。与单纯由线条所构成的线划图形相比，采用面着色绘制的光栅图形显得更构成的线划图形相比，采用面着色绘制的光栅图形显得更为生动、直观，真实感更强。为生动、直观，真实感更强。一般地，复杂的图
16、形是由基本的图形元素如点、线、圆及多一般地，复杂的图形是由基本的图形元素如点、线、圆及多边形构成的。这些图形元素通常是在连续的空间定义，而不边形构成的。这些图形元素通常是在连续的空间定义，而不是由离散图像空间中的像素定义。是由离散图像空间中的像素定义。图形系统的任务之一就是将在连续空间中定义的几何元图形系统的任务之一就是将在连续空间中定义的几何元素转化为图像空间中的像素表示。这一转化任务称为扫素转化为图像空间中的像素表示。这一转化任务称为扫描转换或光栅化。描转换或光栅化。矢量图形矢量图形光栅图形光栅图形扫描转换扫描转换21/46yx0101像素坐标像素坐标(0,0)扫描线扫描线y=0像素像素:方形区域方形区域用像素中心表示像素用像素中心表示像素像素、像素坐标、扫描线、屏幕坐标像素、像素坐标、扫描线、屏幕坐标yx0101屏幕坐标屏幕坐标(0,0)扫描线扫描线y=0用像素网格的左下角表示像素用像素网格的左下角表示像素22/464.2.2 点的扫描转换点的扫描转换设设(x,y)是图像区域中的一点，其中是图像区域中的一点，其中x,y均为实数。均为实数。我们需要将它转换为图像空间中的一个像素我们
