计算机图形系统组成.docx

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计算机图形系统组成

图形系统硬件及软件功能、软件标准调查报告

1．计算机图形硬件

1.图形计算机系统

●硬件性能与一般计算机系统相比，要求主机性能更高、速度更快、存储容量更大、外设种类更齐全

●目前，面向图形应用的计算机系统包括：

（1）微型计算机

●开放式体系结构

●体积小、价格低廉、用户界面友好

●一种普及的图形计算机系统

●CPU*以Intel和AMD公司提供的为主

●操作系统以微软公司的windows为主

●厂商以IBM、Dell、Acer和联想公司为主

（2）工作站

●具有高速的科学计算、丰富的图形处理、灵活的窗口以及网络管理功能

●交互式计算机系统

●主要应用领域：

办公自动化、文字处理、文字编辑、工程与产品的设计与绘图、工业模拟、艺术模拟

●主要厂商：

HP、IBM、SGI

（3）计算机网络

（3）中小型计算机

●一类高级的、大规模计算机工作环境

●一般在特定的部门、单位和应用领域采用

●建立大型信息系统的重要环境

●具有强大的处理能力、集中控制和管理能力、海量数据存储能力

●一般情况下，图形系统在这类平台上作为一种图形子系统来独立运行和工作

2.图形设备

（1）图形输入设备

1　键盘

●常用的图形输入设备

●用于屏幕坐标的输入、菜单的选择、图形功能选择、输入非图形数据

●普通键盘、带手写输入板、无线键盘

2　鼠标

●常用的图形输入设备

●用于图形定位、选取等图形操作

●有线鼠标、无线鼠标

3　操纵杆、跟踪球和空间球

●操作杆

A.由一个手柄通过一个球形轴承半固定在底座上，在手柄运动时带动一对电位器或电脉冲产生器产生位置信号，控制屏幕上光标的坐标

B.一般用于游戏和虚拟现实系统中

C.将纯粹的物理动作（手部运动）完完全全地转换成数字形式（一连串0或1组成的计算机语言）

●跟踪球和空间球

A.根据球在不同方向收到的推或拉的压力来实现定位和选择的，从而控制屏幕上光标的位置

B.游戏、虚拟系统、动画、CAD等应用中一般作三维定位设备和选取设备

4　触摸屏系统

●新型输入设备

●目前最方便、最自然的人机交互方式

●适用人群广、坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流

●应用广泛：

公共信息场所

5　集成输入板

●将使用者的手的影像映射到屏幕上，使用者通过屏幕上的虚拟手来操作窗体上的对象

●完成了键盘、鼠标、书写板、触摸板、触摸屏五件设备的所有输入功能

●根本意义在于人机界面上的改革和创新

●开创的“动态图形用户界面（DGUI）”结合了触摸技术和传统图形界面的优势，是真正意义上的“自然用户界面”

6　图形扫描仪

●从专用工具变为家用计算机外设做典型的代表

●直接把图形和图像扫描到计算机中以像素信息进行存储的设备

●传统扫描仪：

普通平板扫描仪（扫描面积大）、手持扫描仪（手持灵活）

●三维扫描仪（3D扫描仪）

A.采集实物表面各个点的位置信息

B.结构与传统扫描仪不同

C.生成的文件不是常见的图像文件，而是能精确描述物体三维结构的一系列坐标数据

D.从结构来讲，分为激光式和机械式

●机械式：

依靠一个机械臂触摸物体的表面，以获得物体的三维数据

●激光式：

由激光代替机械臂来完成这个工作

E.三维数据远大于常见图像的二维数据，扫描速度慢、视物体大小和精确度底，扫描时间不等

7　数字化仪

●一种吧图形转变成计算机能接收的数字形式的专用设备

●基本工作原理：

采用电磁感应技术，通常由电磁感应数据板、游标触笔和相应的电子电路组成。

数据板中布满了金属栅格，当触笔在数据板上移动时，其正下方的金属栅格上就会产生相应的感应电流。

根据已产生电流的金属栅格的位置，就可以判断出触笔当前的几何位置，按动按钮，数字化仪则将此时对应的命令符号和该点的位置坐标值排列成有序的一组信息，然后通过接口（多用串行接口）传送到主计算机。

许多数字化仪提供了多种压感电流，用不同的压力就会有不同的信息传向计算机。

●一块超大面积的手写板，用户可以通过用专门的电磁感应压感笔或光笔在上面写或者画图形，并传输给计算机系统

●高精度的数字化仪适用于适用于地质、测绘等行业

●普通的数字化仪适用于工程、机械、服装设计等行业

8　数据手套

●通过传感器和天线获得和发送手指的位置和方向的信息

●适用于需要多自由度手模型对虚拟物体进行复杂操作的虚拟现实系统

●本身不提供与空间位置有关的信息，必须与位置跟踪设备连用

（2）图形输出设备

1　观察显示设备

●见（3）

2　打印机

●将绘制的图像输出到纸片或其他媒体上的设备

●喷墨打印机、针式打印机、激光打印机（广泛用于办公自动化（OA）、各种计算机辅助设计（CAD）系统领域）

3　绘图仪

●精确地绘图

●将图形准确地绘制在图纸上并输出（供工程技术人员参考）

●从原理上分，分为笔式、喷墨式、热敏式、静电式

●从结构上分，分为平台式、滚筒式

A.平台式绘图仪：

在计算机信号的控制下，笔或喷墨头沿X、Y方向移动，而纸在平面上不动从而进行绘图

B.滚筒式绘图仪：

笔或喷墨头沿X方向移动，纸沿Y方向移动，可以绘制较长的图样

●单色、彩色

A.彩色喷墨绘图仪绘图线型多，速度快、分辨率高，价格不高

4　激光照相排版设备

●使计算机里的图文生到胶片上，为印刷提供了可晒版的胶片，大大地缩短了制作周期，提高了响应信息的速度

（3）图形显示与观察设备

1　阴极射线管显示器（CRT）

●CRT显示器发展历程：

存储管式显示器、随机扫描显示器（矢量显示器）、光栅扫描显示器（刷新式光栅扫描显示器，彩色光栅扫描显示器）

●主要用途：

构造显示系统，俗称显像管

●缺点

A.屏幕的加大导致显像管的加长，体积加大，使用时候受到空间限制

B.利用电子枪发射电子束来产生图像，产生辐射与电磁波干扰，长期使用对健康不利

●单色显示器：

每个像素占用1个bit

●灰度显示器：

每个像素占用多个bit

●衡量CRT性能的指标

（a）屏幕尺寸大小

（b）点距

（c）分辨率

（d）画面刷新率

（e）带宽

●阴极射线管中的加热灯丝使得金属阴极发射大量电子，电子飞出去多少受栅极所加电压控制。

电子枪发出的电子，经过聚焦系统和加速系统产生高速聚焦的电子束，再经过磁偏转系统到达荧光屏的特定位置，轰击荧光屏表面的荧光物质，在荧光屏上产生足够小的光点，光点称为像素，从而产生可见图形

●要保持荧光屏上有稳定的图像就必须不断地发射电子束，刷新一次指电子束从上到下将荧光屏扫描一次，只有刷新频率高到一定值后，图像才能稳定显示

●阴极射线管可以利用能够发射不同颜色的荧光粉的组合来产生彩色图形。

彩色CRT显示器的荧屏上涂有三种荧光物质，分别能发出红、绿、蓝三种颜色的光。

红、绿、蓝三支电子枪装在同一管颈中，电子枪发射这三束电子来激发这三种物质，中间通过一个控制栅格来决定三术电子到达的位置。

根据屏幕上荧光点的排列不同，控制栅格也就不一样

●光栅扫描显示系统的逻辑部件

A.帧缓存器

B.视频控制器

C.显示处理器

●光栅扫描显示系统工作原理

A.应用程序发出绘图命令->解析成显示处理器可接受命令格式，存放在刷新存储器中

B.刷新存储器中所有的绘图命令组成一个显示文件

C.由显示处理器负责解释执行（刷新）->视频控制器控制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）

●荫罩式显像管

⏹一般用三角形的排列方式

⏹三束电子经过荫罩的选择，分别到达三个荧光点的位置

⏹通过调节电子枪发射的电子束中所含的电子的多少，可以控制击中的相应荧光点的亮度，因此以不同的强度击中荧光点，就能够在像素点上生成极其丰富的颜色

⏹三个电子枪

⏹三个荧光点构成一个像素

⏹各像素与荫罩板上的洞对应

v图形处理器

（1）显卡

（2）核心：

显示主芯片GPU

●代替CPU完成部分图形处理功能

●各图形函数基本上集成在这里

（3）显存

●存储将要显示的图形信息

●保存图形运算的中间数据

●与显示主芯片的关系，像计算机内存之于CPU

（4）视频存储数字模拟转换器RAMDAC

●在视频处理中，把二进制的数字转换成为和显示器相适应的模拟信号

总结

v数量关系

●帧缓存容量N=L*屏幕分辨率（bits）

●位面数L

●可显示的不同颜色数量m=2^L

●刷新速率F>30帧/秒

●带宽T>F*N

●像素访问周期=1/（刷新速率F*帧缓存容量N）

v影响显示器成本的因素

●分辨率

●可显示的不同颜色数

●帧缓存容量（与可显示颜色数、分辨率之间存在冲突）

解决方法：

（1）查色表

（2）隔行扫描（解决刷新频率与刷新周期之间矛盾的方法）

A.一帧完整的画面分为两场（奇数场与偶数场）

B.场频=帧频*2

v光栅显示系统的特点

●优点：

使其占据市场主流

（1）成本低

（2）易于绘制填充图形

（3）灰度色彩丰富，图像逼真

（4）可以与电视机兼容

（5）刷新频率一定，与图像复杂度无关

●缺点：

正在被克服

（1）需要扫描转换

（2）扫描转换率速度偏低，交互操作响应慢

（3）分辨率偏低，有阶梯效应

2　液晶显示器（LCD）

●液晶：

一种介于液体与固体之间的特殊物质，具有液体的流态性质和固体的光学性质。

具有液体的流态体制和固体的光学性质

●当液晶收到电压的影响时，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

●外观轻便、工作电压低、功耗小、节约能源、没有电磁辐射、无闪烁现象，已替代CRT显示器成为主流

●液晶屏幕后面有一个背光，光源先传过第一层偏光板，再来到液晶体上，当光线透过液晶体时，会产生光线的色泽改变。

从液晶体射出来的光线，再经过一块彩色滤光片以及第二块偏光板。

由于两块偏光板的偏振方向成90度，再加上电压的变化和一些其他装置，就能显示颜色了

●两个基本技术指标

A.可视角度

⏹液晶的成像原理是通过光的折射，因此在不同的角度看液晶显示屏必然有不同的效果

⏹能看到清晰图像的最大角度即可视角度

⏹左右两边最大角度相加

⏹CR10、CR5两种标准来判断液晶显示器的可视角度

B.点距和分辨率

⏹点距：

两个液晶颗粒（光点）之间的距离（0.28~0.32mm能得到较好的显示效果）

⏹分辨率：

即其真实分辨率，只有在真实分辨率下液晶显示器才能得到最佳的显示效果

3　等离子显示器（PRP）

●基本显示原理：

显示屏上排列了上千个密封的小低压气体室，电流激发气体时使其发出肉眼看不到的紫外光，碰击后面玻璃上的红、绿、蓝三色荧光体，使其发出我们在显示器上所看到的可见光

●各个单元的结构完全相同，不会出现图像几何畸变

●亮度均匀，不收磁场影响，有很好的环境适应能力

●不存在聚焦问题，不会产生显像管的色彩漂移现象，表面平直使大屏幕边角处的失真和色纯度变化得到彻底改善

●亮度高、色彩还原性好、灰度丰富、对迅速变化的画面响应速度快

4　3D显示器

●需佩戴立体眼镜和无需佩戴立体眼镜两大立体显示技术体系

●需佩戴立体眼镜

A.传统的3D电影在荧幕上有两组图像（来源于在拍摄时的互成角度的两台摄影机），观众必须戴上偏振镜才能消除重影（让一只眼只接受一组图像），形成视差并建立立体感

●无需佩戴立体眼镜

A.利用自动立体显示技术即所谓的“真3D技术”

B.利用所谓的视差栅栏，使两只眼睛分别接受不同的图像来形成立体效果

●平面显示器要形成立体感的影像，必须至少提供两组相位不同的图像

●带有视差栅栏的显示器提供了两组图像，而两组图像之间存在90度的相位差

5　投影机

●主流投影机：

LCD投影机

A.技术：

透射式投影技术

B.优点：

投影画面色彩还原真实鲜艳、色彩饱和度高、光利用率高、比用相同瓦数光源灯的DLP投影机有更高的ANSI流明光输出

C.缺点：

黑色层次表现不好，对比度：

500:

1左右

●家庭影院型、便携商务型、教育会议型、主流工程型、专业剧院型

6　立体眼镜

●利用人类左眼与右眼影像视角间距的视差，因而产生有三度空间感的三维效果

7　立体相机

●一种双镜头或多镜头的相机

●使相机模拟人的双目视觉观察系统，利用两个镜头同时拍摄图像时形成两幅图像之间的视差可以计算出图像的深度信息，进一步得到该图像的三维信息

8　多通道立体环幕系统

●采用多台投影机组合而成的多通道大屏幕展示系统

●更大的显示尺寸、更宽的视野、更多的显示内容、更高的显示分辨率、更具冲击力和沉浸感的视觉效果

●用于模拟仿真、系统控制、科学研究

●院校和科博馆是该技术最大应用场所

9　立体影院

●立体电影即利用人双眼的视角差和汇聚功能制作的可产生立体效果的电影。

放映电影时两幅画面重叠在银幕上，通过特制的眼镜或者幕前辐射状半椎体投射光栅，使观众左眼看到从左视角拍摄的画面，右眼看到从右视角拍摄的画面，通过双眼的会聚功能合成立体视觉影像

●3D影院：

在普通投影数字电影基础上，在片源制作时，片源画面使左右眼错位2路显示，每通道投影画面使用两台摄影机投射相关画面，通过偏振镜片与偏振眼镜，片源左右画面分别对应投射到观众左右眼球，从而产生立体临场效果

●4D影院：

在3D影院的基础上加上观众周边环境的各种特效

10　显示适配器（显卡）

●图形系统结构的重要元件

●连接计算机和显示终端的纽带

●作用：

控制显示器的显示方式

✧显示器中也有控制电路，但起主要作用的还是显卡

●主要配件：

显示主芯片、显示缓存（显存）、数字/模拟转换器（RAMDAC）

●作用过程：

在CPU的控制下，将主机送来的显示数据通过总线传送到显卡上的主芯片，然后显示主芯片对数据进行处理，并将处理数据存放到显存中。

显卡从显存中将数据传送到RAMDAC并进行数/模转换。

RAMDAC将模拟信号通过VGA接口输送到显示器，最后再由显示器输出各种各样的图像

●核心——显示主芯片（图形处理单元）

⏹主要任务：

对系统输入的视频信息进行构建和渲染，各图形函数基本上都集中在这里

●显存

⏹用来存储要显示的图形信息以及保存图形运算的中间数据

⏹与显示主芯片密不可分

⏹大小和速度直接影响着主芯片性能的发挥

●RAMDAC即数字/模拟转换器

⏹在视频处理中，作用是把二进制的数字转换成与显示器相适应的模拟信号

二．计算机图形软件

●计算机图形软件分为图形应用数据结构、图形应用软件、图形支撑软件三部分。

这三者都处于计算机系统之内而与外部的图形设备进行连接。

三者之间彼此相互联系、互相调用、互相支持，形成计算机图形系统的整个软件部分

1.图形应用数据结构

⏹图形数据文件、图形基元模型、子模/字体库、图案模型、几何描述数据

⏹对应一组图形数据文件，其中存放着将要生成的图形对象的全部信息（定义物体的所有组成部分的形状和大小的几何信息；与图形相关的拓扑信息；与这个物体图形显示有关的所有属性信息；非几何数据信息）

⏹数据以图形文件的形式存放于计算机中，根据不同的系统硬件和结构组成不同的数据结构，或者形成一种通用的或专用的数据集

⏹正确地表达了物体的性质、结构和行为，构成了物体的模型

⏹计算机图形系统根据这类信息的详细描述生成对应的图形，并完成这些图形的操作和处理

⏹是生成图形的数据基础

2.图形应用软件

⏹图形处理软件、图形生成软件、图形用户接口、图形辅助控制、图形工具软件

⏹解决某种应用问题的图形软件

⏹计算机图形系统的核心部分

⏹包括各种图形生成和处理技术

⏹包括若干辅助操作，如性能模拟、分析计算、后处理、用户接口、系统维护、菜单提示以及维护等，从而构成一个功能完整的图形软件系统环境

⏹图形应用软件从图形应用数据结构中获取物体的几何模型和属性等，按照应用要求进行各种处理，然后根据从图形输入设备经图形支撑软件送来的命令、控制信息、参数和数据、完成命令分析、处理和交互式操作，构成和修改被处理物体的模型，形成更新后的图形数据文件并保存

3.图形支撑软件

⏹操作系统图形扩展、图形BIOS程序、语言图形语句、图形子程序库、图形软件包

⏹由一组公用的图形子程序组成

⏹扩展了系统中原有高级语言和操作系统的图形处理功能

⏹标准图形支撑软件在操作系统上建立了面向图形的输入、输出、生成、修改等功能命令、系统调用和定义标准，而且对用户透明，与所采用的图形设备无关，同时具有高级语言的接口

⏹采用标准图形支持软件即图形软件标准，不仅降低了软件研制的难度和费用，也便于应用软件在不同系统间的移植

⏹采用了图形软件标准后，图形应用软件的开发得到如下好处

A.与设备无关，即在图形软件标准基础上开发的各种图形应用软件，不必关心具体设备的物理性能和参数，可以在不同硬件系统之间方便地进行移植和运行

B.与应用无关，图形软件标准的各种图形输入、输出处理功能，考虑了多种应用的不同要求，因此具有很好地适应性

C.具有较高性能，即图形软件标准能够提供多种图形输出原语，能处理各种类型的图形输入设备的操作，允许对图形分段或进行各种变换

2．图形系统软件标准

1.计算机图形软件一般分为

1　扩充某种高级语言，使其具有图形生成和处理功能，简练、紧凑、执行速度快、不可移植

2　按国际标准或公司标准，用某种语言开发的图形子程序库（功能丰富、通用性强，不依赖于具体设备与系统，与多种语言均有接口，在此基础上开发的图形应用软件性能好、易于移植）

3　专用的图形系统，对某一类型的设备配置专用的图形生成语言，专用系统功能可做的更强，执行速度快、效率高，但系统开发工作量大、移植性差

2.图形软件标准是指系统的各界面之间进行数据传递和通信的接口标准，即图形界面标准，一般分为三个层面

1　图形应用程序与图形软件包之间的接口标准

2　图形软件包与硬件设备之间的接口标准

3　图形程序之间的数据交换接口标准

3.图形软件标准的特点主要体现在可移植性

1　应用程序在不同系统间的可移植性

2　应用程序与图形设备的无关性

3　图形数据本身的可移植性

4.发展历程

1　20世纪70年代后期，计算机图形在工程、控制、科学管理方面应用逐渐广泛。

为了图形软件向着通用、与设备无关的方向发展，提出了图形软件标准化的问题

2　1972年，美国国家标准局（ANSI）举行的ACMSIGGRAPH“与机器无关的图形技术”工作会议，提出了制定有关计算机图形标准的基本规则。

美国计算机协会（ACM）成立了图形标准化委员会，开始图形标准的制定和审批工作

3　1977年，美国计算机协会图形标准化委员会（ACMGSPC）提出“核心图形系统（GKS-GraphicalKernelSystem）”

4　1985年，GKS成为第一个计算机图形国际标准

5　1987年，国家标准化组织（ISO）宣布CGM（ComputerGraphicsMetafile）为国际标准，CGM成为第二个国际图形标准

5.图形软件标准

（1）数据及文件格式标准

●各界面进行数据传送和通信的接口标准

●计算机图形接口CGI

v标准号：

ISODP9636

v可看作是图形设备驱动标准

●计算机图形元文件CGM

v标准号：

ISOIS8632

v通过元文件产生器生产并通过元文件解释器与CGI配套使用

●基本图形转换规范IGES

v实际上的工业标准

v目的：

处理不同的CAD/CAM系统间的数据交换

v内容：

定义了一套表示CAD/CAM系统中常用的几何和非几何数据格式以及响应的文件结构

v使用：

由系统中的IGES前，后处理器完成IGES格式文件的输入、输出

v问题：

数据不精确，数据量太大

●产品模型数据转换标准STEP

v具体组成：

1　描述方法标准

2　实现方法标准

3　一致性测试方法和工具标准

4　信息模型标准

5　应用协议

（2）子程序界面标准

●供图形应用程序调用的子程序功能及格式标准

●图形核心系统GKS、GKS-3D

vGKS二维图形标准

vGKS-3D：

GKS的扩展

●PHIGS、PHIGS+

v向应用程序员提供控制图形设备的接口

v图形数据按层次结构组织，使多层次的应用模型能方便地应用PHIGS进行描述

v提供动态修改和绘制显示图形数据的手段

●图形功能库GL

v基本图素生成

v坐标变换

v设置图形属性和显示方式

v输入/输出处理

v真实图形显示

●计算机图形参考模型CGRM

v为计算机图形用户和计算机图形软件的开发者提供有关标准化方面的重要信息

v比较现有的和将来的计算机图形标准，描述它们之间的关系

6.通用编程图形软件包功能

（1）输出图元功能

（2）属性设置功能

（3）变换功能

（4）图段功能

（5）输入功能

（6）通用控制功能

7.可伸缩图形标准