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第二章 图形系统综述

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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. 图形系统.

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slide1

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

slide2
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 ...
slide3

图形系统

操作系统

slide4
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 15
    • 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 21
  • 三维观察设备 To 26
slide7
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
slide9
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

raster scan display
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 G B

1 0 0

0 1 0

0 0 1

slide12

帧缓存的概念

屏幕

1 0 1 0 1 1 0 1

像素寄存器

(x,y)

(x,y)

768

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?

slide13

28

0 0 0 1 0 1 0 0

R G B

0

屏幕

20

(x,y)

(x,y)

768

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?

display controller
显示控制器display controller
  • 光栅扫描图形系统结构

Video controller

memory

Frame Buf.

CPU

BUS

I/O设备

slide15
视频控制器的刷新操作

y

(x,y)

光栅扫描生成器

x

寄存器

x

y

寄存器

颜色

数据

屏幕坐标系

强度

存储器地址

像素寄存器

帧缓存

slide16
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

random scan displays
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
random scan
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
  • 字符发生器

I/O设备

e s tornado
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
slide24
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
slide25
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。
slide26
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。
slide27
图形系统标准化
  • GKS (2D,3D)
  • PHIGS
  • OpenGL
  • 其他
slide28
图形标准的作用位置

Initial Graphics Exchange System

IGES,STEP

应用系统

数据库

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

元文件

输入程序

CGM

gks graphics kernal system
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)
slide30
坐标变换
    • 规范化坐标变换 WC NDC
    • 工作站坐标变换 NDC DC
    • 建模变换和投影变换
  • 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
slide31
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
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
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

opengl1
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)
opengl2
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。