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 操作系统

视频显示设备 CRT (Cathod-Ray Tube) 显示器 To 8-9 To 8-9 – 随机扫描显示器 : Vector / Random Display to 15 to 15 – 存储管显示器 --- Storage Tube Display To 6 To 6 – 光栅扫描显示器 ---Raster Display to 17 to 17 平板显示器 – 液晶显示器 To 17 To 17 – 等离子体显示器 to 21 to 21 三维观察设备 To 26 To 26

CRT 电子枪原理

CRT 工作原理

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

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

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

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？ 屏幕 Frame Buffer 像素寄存器 位平面 帧缓存的概念 (x,y)

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？ 屏幕 24 bit ？ R G B (x,y) color lookup table

显示控制器 display controller 光栅扫描图形系统结构 I/O 设备 CPU memoryFrame Buf. Video controller BUS

视频控制器的刷新操作 光栅扫描生成器 x 寄存器 x 寄存器 y 寄存器 y 寄存器 存储器地址 像素寄存器 帧缓存 强度 x y 屏幕坐标系 (x,y) 颜色 数据 颜色 数据

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

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

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

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

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

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。

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。

图形系统标准化 GKS （ 2D,3D) PHIGS OpenGL 其他

应用系统 图形系统 GKS, PHIGS, OpenGL 图形标准的作用位置 设备 驱动 设备 驱动 设备 驱动 CGI 元文件 输出程序 元文件 输入程序 CGM 数据库 IGES,STEP I Initial Graphics Exchange System Standard for the Exchange ofProduct model Data

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)

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

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 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 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

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 ）

OpenGL 与其他系统的接口 与 Microsoft 、 SGI 、 IBM 、 DEC 、 SUN 、 HP 系统接口 OpenGL for ＭＳ Windows 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 。