【计算机图形学】零 · 计算机图形系统概述

墨蓝 2023-07-18 02:54 61阅读 0赞

**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

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> # 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

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1ZpY2lfXw_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

> # 2 图形显示设备 #

## 2.1 彩色CRT显示器 ##

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1ZpY2lfXw_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

**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**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1ZpY2lfXw_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

**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；

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1ZpY2lfXw_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

**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dpi（dots 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\*480，800\*600，1024\*768，1280\*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。

![20200323202157417.png][]

**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 ##

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1ZpY2lfXw_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][] ![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1ZpY2lfXw_size_16_color_FFFFFF_t_70 5][]

**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][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\}][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][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，X置0，Y加1。
 *  **逻辑结构**  
    ![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1ZpY2lfXw_size_16_color_FFFFFF_t_70 6][]

**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][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][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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