《Computer Graphics with OpenGL》计算机图形学读书笔记 01——计算机图形学硬件

   这里是《Computer Graphics with OpenGL》英文原版第四版的读书笔记，预计每一章写一篇读书笔记。
   本篇为第一章，简要介绍计算机图形学的相关硬件设施。

视频显示设备

刷新式阴极射线显像管CRT（Refresh Cathode-Ray Tubes）

从电子枪中发射电子束，经过若干部件后将荧光粉图层的特定点点亮，并根据刷新率定时发送电子束（否则，被点亮的图层位置会迅速消失）。主要构造如下：

• a high positive voltage：正电极，用于加速电子束
• a high negative voltage：负电极，用于减少通过的电子数量，以控制到达荧光粉图层的电子数量，进而绘制出特定的亮度或光照强度
• the focusing system：聚焦系统，用于将电子集中，降低电子束的半径，有电场、磁场两种形式（使用磁场可以得到更小的半径）
• defletion：偏移，使用水平和竖直两组线圈，分别控制电子束在横向和纵向的偏移距离，以到达不同的屏幕位置
• collide：碰撞，电子束在经过上述系列操作后终于到达荧光粉图层，发生碰撞，其部分能量转化为热能消散掉，剩余能量使其变成了更高的量子能状态（激发量子态），并在一定时间后恢复正常状态，同时发射光子——光线的频率（即颜色）与激发量子态和正常状态之间的能量差异成正比

CRT中有许多不同的荧光粉图层，其主要区别是它们的持久性（persistence）——所有的激发量子态电子恢复原始状态所消耗的时间，通常用其光强回落到当前期望值的1/10来表示。

发射到某一点的电子束所点亮的区域亮度从其中心位置到边缘服从高斯分布。因此相邻两点的交叉处要求光线强度已经下降到60%以下，否则会发生色彩重叠。在不发生色彩重叠的情况下一个CRT所能展示的最多的点的数目称为分辨率（resolution）。

光栅扫描显示器（Raster-Scan Displays）
是CRT最常用的图形显示器，将每一像素的信息存储在帧缓存中。
缓存的深度定义为每一像素中存储信息的字节数。字节数为1——位图文件（bitmap），为二值文件；字节数大于1——像素映射（pixmap），为多彩模式
通常是按照行列依次扫描，并根据刷新频率进行更新

随机扫描显示器（Random-Scan Displays）
只绘制屏幕上有图像的部分（如某点到某点的一条线段），无法绘制真实渲染的场景

彩色CRT显示器
方式一：射束穿透（beam-penetration），设置若干层不同颜色的荧光粉图层，使用不同速度的电子去激活不同的图层，可显示的颜色很少
方式二：遮罩（shadow-mask），通过带孔洞的遮罩将RGB三种颜色的光打到同一目标位置，通过颜色混合显示不同的效果。
全彩/真彩——每一像素存储24位字节的图像系统（即R、G、B各占8位）

平板显示器（Flat-Panel Displays）
比CRT更加轻薄，可分为发射型（将电能转化为光能）、非发射型（使用光学效应将太阳光或其他光转化成图像）两类。主要类型如下：

• 等离子面板（Plasma panels）：发射型，在两块玻璃板（上面分别放置水平、竖直的导体）中充入混合气体，通过导体控制气体形成电子和离子
• 薄膜电致发光显示器（thin-film electroluminescent displays）：发射型，将等离子面板中间填充的混合气体更换为荧光粉图层
• 发光二极管（light-emitting diode, LED）：发射型，按照像素矩阵排列若干发光二极管
• 液晶显示屏（liquid-crystal display, LCD）：非发射型，通过控制液晶来控制光线通过时是否发生偏转，从而控制该束光线是否会顺利通过，可分为被动/主动两种

三维显示设备（Three-Demensional Viewing Devices）
可根据物体距相机的距离进行不同的显示，可用于医学扫描、地震预测等方面

立体与虚拟现实系统（Stereoscopic and Virtual-Reality Systems）
在人的左右眼位置分别放置不同的图像，显示的是从该位置到场景的角度上所看到的影像。有两种形式：

• 佩戴特殊设备（如，眼镜），根据位置、旋转等信息显示相应图像
• 使用显示设备在三维世界中投影物体

光栅扫描系统

可以在系统内存中开辟一个专门区域，用于图形显示的处理和帧缓冲的存取。存取时按照该像素点在笛卡尔坐标系中的坐标读取信息，并使用某种方式显示到屏幕上

图形工作站和显示系统

在实际应用中，除了传统的显示设备，还有如下几种：

• 多屏显示器：可用于同时显示多个场景或某个场景的多个角度，可用于监控、手术等
• 曲面显示器：可以使不同方向的人都可以看到屏幕上的内容
• 控制中心：通过显示屏和操作杆（或触摸屏）的组合，来完成某一系统的各项控制功能

输入设备

• 键盘：除了传统的字母键盘，还可以附加数字、旋转等其他按键功能
• 鼠标
• 轨迹球（二维）、空间球（三维）：其中空间球并不真正移动，而是根据其各个维度所感受到的压力进行位置控制
• 控制杆：也可分为实际移动、压力控制两种方式
• 数据手套：多用于虚拟现实系统中
• 数字转换器：将屏幕输入转化为一系列离散的坐标点信息，应用如触摸屏、点读机
• 图像扫描
• 触摸屏：光学触摸屏——使用LED技术；电子触摸屏——使用两个有微小间距的平板
• 光笔：应用较少
• 声音系统：音控

硬拷贝设备

即打印技术，可分为两类：
- 击打式（impact）打印机：使用点阵打印头，按照像素进行打印
- 非击打式（nonimpact）打印机：如激光、喷墨、静电、热敏等