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第二章 计算机图形硬件及绘图系统

计算机图形系统

计算机图形系统功能

计算机系统结构

图形输入设备

• 键盘

键盘能用来进行屏幕坐标的输入、菜单选择、图形功能选择，控制图形的移动、旋转、图形拉近、推远等。

• 鼠标

当拖动鼠标器在显示屏上移动时，鼠标将记录移动的方向和距离，这个方向和距离被传送给计算机，转换成对应的光标的位移。

• 光笔

• 触摸屏

当用手指或者小杆触摸屏幕时，触点位置便以光学的（红外线式触摸屏）、电子的（电阻式触摸屏和电容式触摸屏）或声音的（声音探测式）方式记录下来。

• 操纵杆

操纵杆是由一根小的垂直杠杆组成的可摇动装置，该杠杆装配在一个其四周可移动的底座上用来控制屏幕光标。

• 数据手套

是一种戴在手上的传感器，可以用来抓住“虚拟对象”，它由一系列检测手和手指运动的传感器构成，用来提供关于手的位置和方向的信息。

• 数字化仪

用于在二维或三维的图形对象上扫描，以输入一系列二维或三维的坐标值。这些坐标值代表的坐标点，在系统中将以直线段或曲线段连接，以逼近图形对象的描绘曲线或表面形状。

• 图像扫描仪

图像扫描仪可直接把纸质文稿、图纸、图表、照片等输入到计算机中，当它们通过一个光学扫描机构时，灰度或彩色等级被记录下来，并按图像方式进行存储。

图形显示设备

阴极射线管（CRT）

一种真空器件，它利用电磁场产生高速的、经过聚焦的电子束，偏转到屏幕的不同位置轰击屏幕表面的荧光材料而产生可见图形。

CRT从结构上分为：电子枪、偏转系统、荧光屏。

电子枪：产生一个沿管轴（Z轴）方向前进的高速的细电子束轰击荧光屏。

• 具有足够的电流强度
• 电流的大小和有无必须是可控的
• 具有很高的速度
• 在荧光屏上应能聚焦很小的光亮，以保证显示器有足够的分辨率

偏转系统：

了在荧光屏上显示图形及字符，必须用电子束偏转扫描来实现。

荧光屏：

用荧光粉涂敷在玻璃底壁上制成的，常用沉积法涂敷荧光粉。玻璃底壁要求无气泡，表面光学抛光。
荧光粉的性能要求是：发光颜色满足标准白色、发光效率高、余辉时间合适以及寿命长等。

彩色阴极射线管——荫罩式

三基色原则
主要结构：三色荧光屏、三支电子枪、荫罩板

三色荧光屏：

电子枪、荫罩：

• 为了避免混色，荧光点的面积比电子束截面要大些
• 只有15%左右的电子到达屏幕
• 荫罩吸收大量电子，容易发热变形
• 管子的亮度低，要提高管子的亮度，则需提高第二阳极的高压

CRT图形显示器

随机扫描的图形显示器

随机扫描图形显示器中，电子束的定位和偏转具有随机性，即电子束的扫描轨迹随显示内容而变化，只在需要的地方扫描，而不必全屏扫描

随机描显示器的工作原理

优点：无冗余扫描、速度快、图像清晰、比光栅系统更高的分辨率、生成光滑线条。
缺点：不能显示逼真场景、和电视标准不一致、驱动系统也较复杂。

光栅扫描显示器

光栅扫描原理

光栅扫描是控制电子束按某种光栅形状进行的顺序扫描，而字符、图像是靠Z轴信号控制辉亮来形成

光栅扫描显示器结构

扫描转换过程：像素信息从应用程序转换并放入帧缓冲区的过程称之为扫描转换过程。

显示子系统

显示子系统的结构

简单的光栅图形显示子系统：

早期的光栅图形显示子系统：

现代的光栅图形子系统：

帧缓冲存储器：用来存储像素颜色（灰度）值的存储器。

双缓存：

一个缓存用来刷新的同时，另一个写入数据信息，尔后这两个缓存可互换角色。
这种方式称为双缓存，它可以使得显示的动画流畅而没有滑动感。

显示控制器

又称视频控制器，依据设定的显示工作方式，自主地不断地读取帧缓存中的图像点阵（包括图形、字符文本），将它们转换成 R、G、B三色信号并配以同步信号送至显示器，即可刷新屏幕。

显示处理器

又称图形控制器，把CPU从图形显示处理的事务中解脱出来，扫描转换待显示的图形以及某些附加的操作等。

绘制流水线

包括三个阶段：应用程序阶段、几何阶段、光栅阶段。

绘制流水线结构：

相关概念

光点：显示器能够显示的最小的发光点。

像素点：按当前的图形显示分辨率所能提供的最小元素点。

屏幕分辨率：也称为光栅分辨率，决定了显示系统最大的可能分辨率。任何显示控制器所提供的分辨率也不能超过这个物理分辨率，通常用水平方向上的光点数与垂直方向上的光点数的乘积来表示。

显示分辨率：计算机显示器所能够提供的显示模式分辨率。

• 对于文本显示方式，显示分辨率用水平和垂直方向上所能显示的字符总数的乘积表示。
• 对于图形显示方式，则用水平和垂直方向上所能显示的像素点总数的乘积表示
• 显示分辨率不同，它所对应的像素点大小也不同

存储分辨率：指帧缓冲区的大小，一般用缓冲区的字节数表示。

• 不仅与显示分辨率有关，还与像素点的色彩有关。

• 帧缓存大小的计算：

  $$x方向的像素点数\times y方向像素点数\times {\log }_{2}n÷8(byte)$$

分辨率：

屏幕分辨率决定了所能显示的最高分辨率

显示分辨率和存储分辨率对所能显示的图形分辨率有控制作用。

显示器带宽计算：

$$带宽=A\times 水平像素点数\times 垂直像素点数\times 刷新频率（A常取1.344）$$

屏幕上一个像素点，对应帧缓存的一组信息

• 组合像素法
• 颜色位面法

在组合像素法中：

• 一个图形像素点的全部信息被编码为一个数据字节，按照一定方式，存储到帧缓存中。
• 编码字节的长度与点的属性（颜色、灰度等）有关

在颜色位面法中：

• 帧缓存被分成若干独立的存储区域，每个区域称为一个位面。
• 每一个图形像素点在每个位面中占一位。
• 通过几个位面中的同一位组合成一个像素颜色

具有24位面彩色帧缓存显示器：

颜色查找表：

也称为调色板，是由高速的随机存储器组成，用来存储表达像素色彩的代码。

此时，帧缓存存储器的每一位像素对应单元代码不再代表该像素色彩值，而作为查色表的地址索引。

具有24位面彩色帧缓存和10位颜色查找表的显示器：

显示长宽比：

即水平点数与垂直点数之比，要求屏幕在两个方向上相同像素点数产生同样长度的线段，保证图形不发生畸变。

图形硬拷贝设备

打印机

打印机是画点设备，击式打印机主要指针式打印机，它隔着色带将某种点阵图案压在纸上；非撞击式打印机包括激光打印机、喷墨打印机、热转印打印机、染料热升华打印机和静电打印机等。

绘图仪

笔式绘图仪（Pen Plotter）是画线设备。笔式绘图仪可分为：平板式绘图仪、滚筒式绘图仪。