【计算机图形学】零 · 计算机图形系统概述

目录

1 计算机图形系统

1.1 组成

1.2 基本功能

2 图形显示设备

 2.1 彩色CRT显示器

2.2 LCD液晶显示器

2.3 性能指标

3 显示系统

3.1 主要组成

3.2 随机扫描显示系统

3.3 光栅扫描显示系统

3.4 其它知识

4 习题 


 

1 计算机图形系统

1.1 组成

  • 硬件:

    1. 输入设备

    2. 输出设备

    3. 存储设备

    4. 图形处理设备

  • 软件:
    1. 软件包
    2. 应用程序
    3. 应用模型

1.2 基本功能

  • 计算:图形处理
  • 存储:远程和本机
  • 输入:人机交互及数据文件等
  • 输出:显示器、打印机等
  • 对话图形:人机交互

【计算机图形学】零 · 计算机图形系统概述_第1张图片

2 图形显示设备

 2.1 彩色CRT显示器

【计算机图形学】零 · 计算机图形系统概述_第2张图片

工作原理:如上图所示,

  1. 电子枪由一个加热器、一个金属阴极和一个电平控制器组成,当加热器加到一定温度时,金属阴极上的电子就会摆脱束缚,发射出去。电平控制器用来控制电子束的强弱(①正电压:大量电子束通过,会在屏幕上形成较亮的点;②负电压:电子束被阻截,通过的数目减少,在屏幕上形成较暗的点)
  2. 电子枪发射出来的电子束是发散的,需要通过聚焦系统进行聚焦,使电子束变“细”,保证亮点足够小,提高分辨率。(聚焦系统是一个电透镜,能使众多电子聚集于一点)
  3. 通过加速系统进行加速。
  4. 通过水平偏转板和垂直偏转板进行偏转。
  5. 最后射在荧光屏上,荧光屏上有荧光物质,会吸收电子束而发光。

对于荧光屏:

  • 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1/10所需的时间。
  • 刷新:为了让荧光物质保持在一个稳定的亮度值,需要不断刷新。
  • 刷新频率:每秒钟重绘屏幕的次数。只有刷新频率达到一定值后,图像才能稳定显示。(每秒60帧时,人眼才能感觉不到屏幕闪烁)
  • CRT产生稳定图像所需要的最小刷新频率=1秒/荧光物质的持续发光时间。
    (例如)荧光物质的持续发光时间40
    毫秒,刷新频率就是 1000/40=25Hz

CRT优缺点:

  • 显示亮度高,色彩鲜艳,分辨率高
  • 功耗大,尺寸有限(越大越厚),有磁场,环境有限,对人体有害。

2.2 LCD液晶显示器

液晶的电光效应:当液晶分子的某种排列状态在电场作用下变为另一种排列状态时,液晶的光学性质随之改变。

液晶显示的机理:通过能阻塞或传递光的液晶材料,传递来自周围的或内部光源的偏振光。

结构:六层薄板

【计算机图形学】零 · 计算机图形系统概述_第3张图片

液晶层:液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质,它具有液体的流态性质和固体的光学性质。当液晶受到电压的影响时,就会改变它的物理性质而发生形变,此时通过它的光的折射角度就会发生变化,而产生色彩。

  • 液晶可以被光穿透,并影响光的偏振性;
  • 在液晶分子两端所加电压的不同,液晶分子的翻转程 度不同,根据液晶角度的不同透过光的偏振性也不同;

【计算机图形学】零 · 计算机图形系统概述_第4张图片

LCD优缺点:

  • LCD体积小,厚度薄,重量轻,耗能少,辐射低。
  • 色彩比CRT暗淡,分辨率较低。(现在的技术应该可以克服了)

2.3 性能指标

  1. 像素:构成图像(屏幕)的最小元素。
  2. 分辨率:
    • CRT在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大像素个数,单位通常为dpidots per inch)。
    • 在假定屏幕尺寸一定的情况下,也可用整个屏幕所能容纳的像素个数描述,如640*480800*6001024*7681280*1024 3840*2160等等。
    • 分辨率越高显示的图形就越精细。

3 显示系统

3.1 主要组成

  • 显示设备:显示器
  • 视频控制器:控制显示设备(有的含图形加速处理器),通过访问帧缓存来刷新屏幕。
  • 显示缓存存储器(帧缓存):可以在内存或显示控制器中。

3.2 随机扫描显示系统

电子束可以随意移动。

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特点:

  • 电子束可以随意移动,只扫描荧屏上要显示的部分像素。
  • 对应的显示器为画线设备。

工作原理:

  • 应用程序发出绘图命令 → 绘图命令被解析成显示处理器可接受的命令格式,存放在刷新存储器中 → 刷新存储器中所有的绘图命令组成一个显示文件,由显示处理器负责解释执行(刷新) → 驱动电子枪在屏幕上绘图。
  • 修改图形,实际上是修改显示文件中的某些绘图命令。
  • DPU每秒必须至少执行30次,即刷新频率为30Hz。

3.3 光栅扫描显示系统

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基本原理:电子束按照固定的扫描线和扫描顺序,从左到右,自上而下进行扫描,根据像素的值控制发光。(如上左图)

基本概念:(如上右图)

  • 扫描线:一条水平线(从左到右)
  • 帧:1次扫描生成的图像
  • 水平回扫期:水平线间的回扫期
  • 垂直回扫期:帧间的回扫期

分辨率:电子束按固定的扫描顺序进行扫描N条扫描线,每条扫描线有M个像素,M*N为显示器的分辨率。

3.4 其它知识

帧缓冲存储器(帧缓存)

  • 作用:存储屏幕上像素的颜色值。
  • 帧缓存中单元数目与显示器上像素的数目相同,单元与像素一一对应,各单元的数值决定了其对应像素的颜色。
  • 显示颜色的种类与帧缓存中每个单元的位数有关。(例:黑白→两种颜色→每个单元只需一位→一位就是0或者1)

帧缓存容量

  • 分辨率M*N、颜色个数K与缓存大小V的关系:   V\geq M*N*\left \lceil log_{2}K \right \rceil
  • 说明:
    • 一般像素颜色用RGB三基色表示,三个分量的值范围0-255
    • 若每个帧缓存中每个存储单元有24位(每种基色占8位)即显示系统最多可表示产生2^{24}种颜色(24位真彩色)
  • 例:颜色为24位真彩色、分辨率是1024×1024的显示器,需要1024*1024 * log_{2}2^{24} /8=3兆字节。
  • 若存储器容量固定,则屏幕分辨率与可用的颜色种数成反比关系,例:1兆字节的帧缓存:
    • 若设分辨率为640×480,则帧缓存每个单元可有24位,可表示224种颜色;
    • 若设分辨率为1024×768,则每个单元分得的位数仅略多于8,只能工作于256色显示模式。

视频控制器

  • 作用:建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应关系,负责刷新
  • 工作原理: 刷新周期开始,依扫描次序取出帧缓存单元的数值放入像素值寄存器,用来控制像素的颜色,然后X的地址寄存器的地址加一,如此重复,直到该扫描线上的最后一个像素,转下行,X0Y1。
  • 逻辑结构
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显示处理器

  • 作用:代替CPU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
  • 具有专用显示处理器的光栅显示系统的结构 

4 习题 

1. 简述光栅扫描显示系统的组成及各部分作用。

  • 帧缓冲存储器:存储屏幕上像素的颜色值。
  • 视频控制器:建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应关系,负责刷新。
  • 显示处理器:代替CPU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。
  • 显示器:CRT、LCD。

2. 全高清指支持1080P输出显示的显示器,分辨率为1920×1080 或更高。设一全高清显示器分辨率为1920×1080 ,每个像素的颜色值用24位表示,回答下列问题:

(1)帧缓存的大小为多少?

  • V\geq M*N*\left \lceil log_{2}K \right \rceil=1920*1080*24~bit=6075~KB

(2)目前PC机的显存大小为什么要比所求值大很多?

  • 显存还包括深度缓存、纹理内存等

(3一个16×16的窗口中的图形,最多同时可显示多少种颜色?

  • 16*16=256< 2^{24}\Rightarrow ans=256

【标清:720X576 PAL制,720X480 NTSC制;高清720P,1280X720 ;2K,2048X1556;4K,4096X3112】

3. 选择一个正确答案

1)显示设备一般采用下列                颜色模型;

             A. CMY    B. RGB   C. HSV   D. 都可以

2)下列物质中,            不是LCD需要的。

    A. 荧光物质   B. 光源   C. 液晶  D.  水平偏光板

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