【计算机图形学】零 · 计算机图形系统概述

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

2 图形显示设备

2.1 彩色CRT显示器

工作原理：如上图所示，

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）
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）
通过加速系统进行加速。
通过水平偏转板和垂直偏转板进行偏转。
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

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；

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

像素：构成图像（屏幕）的最小元素。
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。

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

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，X置0，Y加1。
逻辑结构

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