第 第 22 章 计算机图形系统综述章 计算机图形系统综述

计算机图形系统计算机图形系统 是以计算机为中心的图形系统。是以计算机为中心的图形系统。

其基本组成包括两部分其基本组成包括两部分

11 、硬件平台、硬件平台

22 、软件平台、软件平台

平台 (Platform)

用户面对的计算机工作环境。

1 、硬件平台 : 计算机系统和图形设备 2 、软件平台 包括系统软件、图形软件、图形开发工具、图形软件标准等

计算机图形系统

主机

显示器键盘 , 鼠标 , 光笔等输入设备硬盘 , 光盘等存储设备

绘图仪

用户

OS

图形软件包

图形应用程序

软件平台

硬件平台

微机微机

工作站工作站

中小型机中小型机

大型机大型机

计算机网络计算机网络

图形系统的硬件工作平台类型图形系统的硬件工作平台类型

输入子系统输入子系统键盘、鼠标、光笔等键盘、鼠标、光笔等

输出子系统输出子系统显示设备、硬拷贝设备、声频输出设备显示设备、硬拷贝设备、声频输出设备

主机系统主机系统 存储系统存储系统

磁盘、磁带、光盘、磁盘阵列、优盘等磁盘、磁带、光盘、磁盘阵列、优盘等 网络子系统网络子系统

ModemModem 、、网络接口等网络接口等

计算机图形系统硬件的通常配置计算机图形系统硬件的通常配置

处理速度处理速度有关因素：图形软件、图形处理算法、硬件因素有关因素：图形软件、图形处理算法、硬件因素

存储容量存储容量内存、外存、显示缓存内存、外存、显示缓存

处理精度处理精度输入精度输入精度输出精度输出精度

计算机图形系统的硬件性能要求计算机图形系统的硬件性能要求

视频显示设备

刷新式 CRT 显示器 随机扫描显示器 光栅扫描显示器 彩色 CRT 显示器

直视存储管显示器 平板显示器

视频显示设备

刷新式阴极射线管显示器

CRT 显示器

Cathode-Ray tube

工作原理：电子枪发射的电子束经过聚焦系统和偏转系统的作用，打在荧光屏上，激活荧光物质发荧光。

CRT 的基本结构

电子枪 控制栅极电子枪 控制栅极

聚焦系统聚焦系统

偏转系统偏转系统

荧光屏荧光屏

刷新式 CRT 显示器

电子枪荧光屏亮度控制？

CRT 显示器的组成 _____ 电子枪

控制栅极

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

荧光屏亮度控制

聚焦系统作用

CRT 显示器的组成 _____ 聚焦系统

偏转系统作用

CRT 显示器的组成 _____ 偏转系统

CRT 显示器的组成 _____ 荧光屏

•余辉

从发光开始到光衰减到正常亮度的 1/10 的时

间。

荧光物质的分类：

•短余辉荧光物质

•长余辉荧光物质

CRT 显示器的组成 _____ 荧光屏

CRT 显示器•屏幕的刷新

电子束周期性地回到同一点的方式来保持图象。

每隔一定时间重新显示屏幕上已经显示过的图形。

刷新式 CRT

屏幕分辨率屏幕分辨率

屏幕分辨率三种表示方法•光点直径

•水平方向上的光点数 x 垂直方向上的光点数

r(x ×y)

•显示器精度 dpi

光点直径光点直径

CRT 屏幕上发光荧光层亮点的亮度分布图

区别 CRT 屏幕上两个亮点

显示器的基本概念及技术指标显示器的基本概念及技术指标

点距 点距 ((Dot Pitch)Dot Pitch)

扫描频率 扫描频率 ((scanning frequency)scanning frequency)

带宽 带宽 ((Band Width)Band Width)

显示器的基本概念及技术指标显示器的基本概念及技术指标 点距点距 ((Dot Pitch)Dot Pitch)

光点的光点的直径，显示器的物理光点尺寸。直径，显示器的物理光点尺寸。荧光屏上两个相邻的相同颜色磷光点之间荧光屏上两个相邻的相同颜色磷光点之间的最短距离。的最短距离。单位：单位： mmmm

显示器的基本概念及技术指标显示器的基本概念及技术指标显示器的显示器的扫描频率扫描频率 ((scanning frequencyscanning frequency))

也叫刷新率也叫刷新率 ((refresh frequency)refresh frequency)。。

分为：分为： 行频行频 ((Horizontal scanning frequency)Horizontal scanning frequency)

场频场频 ((Vertical scanning frequency)Vertical scanning frequency)

显示器的基本概念及技术指标显示器的基本概念及技术指标 行频行频 ((Horizontal scanning frequency)Horizontal scanning frequency)

电子枪每秒在屏幕上扫描过的水平线数，也叫水电子枪每秒在屏幕上扫描过的水平线数，也叫水平扫描频率。平扫描频率。单位单位 : : KHzKHz 表示：表示： hh

场频场频 ((Vertical scanning frequency)Vertical scanning frequency)

每秒钟重复绘制显示画面的次数，即重绘率， 每秒钟重复绘制显示画面的次数，即重绘率， 也叫垂直扫描频率、帧频。也叫垂直扫描频率、帧频。单位： 单位： Hz Hz 表示： 表示： v v

显示器的基本概念及技术指标显示器的基本概念及技术指标 r(x)r(x)

水平扫描的点数水平扫描的点数 r(y)r(y)

每帧扫描线数每帧扫描线数

相互关系：相互关系：理论行频 理论行频 hh＝＝ r(y) r(y) ××vv

实际行频 实际行频 hh＝＝ r(y)r(y) ××v v ×× (1.5 (1.5 1.2)1.2)

显示器的基本概念及技术指标显示器的基本概念及技术指标 带宽带宽

单位时间内扫描的点数。单位时间内扫描的点数。

单位： 单位： MHzMHz

理论带宽 理论带宽 B= r(x) ×r(y) ×vB= r(x) ×r(y) ×v

实际实际带宽带宽 BB＝＝ [r(x)/0.8] ×[r(y)/0.93] ×v[r(x)/0.8] ×[r(y)/0.93] ×v

已知屏幕分辨率为已知屏幕分辨率为 10241024x768x768 ，，光点物理尺光点物理尺

寸寸 ø.28mmø.28mm ，，需要购买多大的显示器？需要购买多大的显示器？

显示纵横比显示纵横比

刷新式刷新式 CRTCRT 显示器分类显示器分类

随机扫描显示器随机扫描显示器

光栅扫描显示器光栅扫描显示器

随机扫描显示器随机扫描显示器Random_scanRandom_scan

向量显示器、笔划显示器、笔迹显示器向量显示器、笔划显示器、笔迹显示器

图形由线条组成图形由线条组成

随机扫描显示器电子束扫描方式

随机扫描显示器随机扫描显示器

直线的绘制直线的绘制

矢量发生器矢量发生器模拟矢量发生器模拟矢量发生器数字矢量发生器数字矢量发生器

随机扫描显示器随机扫描显示器

随机扫描显示器图形信息存储随机扫描显示器图形信息存储

显示列表显示列表

随机扫描显示器优、缺点随机扫描显示器优、缺点

光栅扫描显示器

电子束扫描方式电子束扫描方式

图形信息存储图形信息存储

适用范围适用范围

光栅扫描显示器光栅扫描显示器

光栅扫描光栅扫描

图形由点图形由点 (( 像素点像素点 )) 组成组成

光栅扫描显示器光栅扫描显示器

计算机接口

像素发生器

字符存储器

字符发生器

帧缓存器

帧缓存扫描器

视频发生器 显示器

CPU

光栅显示系统原理图

光栅扫描系统组成光栅扫描系统组成

帧缓冲存储器帧缓冲存储器 像素发生器像素发生器 帧缓存扫描器帧缓存扫描器 视频发生器视频发生器

光栅扫描显示器光栅扫描显示器

帧缓冲存储器帧缓冲存储器帧缓冲器帧缓冲器 ((frame buffer)frame buffer) 、刷新缓冲器、刷新缓冲器((refresh buffer)refresh buffer)

像素点像素点 Pixel (Picture element)Pixel (Picture element)

光栅扫描显示器光栅扫描显示器

像素发生器像素发生器显示处理器显示处理器 ((display processor)display processor)

扫描变换扫描变换

光栅扫描显示器光栅扫描显示器

帧缓存扫描器帧缓存扫描器

视频发生器视频发生器 视频控制器视频控制器 ((video controller)video controller)

显示控制器显示控制器 ((display controller)display controller)

光栅扫描显示器电子束扫描方式

光栅扫描系统与随机扫描系统光栅扫描系统与随机扫描系统的比较的比较

优点：优点：

缺点缺点

适用范围适用范围

彩色彩色 CRTCRT 显示器显示器

电子渗透法电子渗透法

荫罩法荫罩法

电子渗透法电子渗透法

工作原理：工作原理：

应用应用

电子束 荧光屏

荫罩法 荫罩法

多枪型彩色多枪型彩色 CRTCRT 显示器显示器原理：原理：

混合荧光物质混合荧光物质电子枪电子枪荫罩荫罩

应用应用

荫罩法荫罩法

RGB

红 绿 兰

荫栅

荧光屏

荫罩法荫罩法

直视存储管显示器直视存储管显示器 DVSTDVST

工作原理工作原理

主电子枪聚焦与偏转系统

从电子枪 屏幕

存储栅

收集栅

直视存储管显示器直视存储管显示器 DVSTDVST

优点优点缺点缺点

平板显示器平板显示器

Flat_panel displayFlat_panel display

分类分类发射显示器发射显示器 ((Emissive displays)Emissive displays)非发射显示器非发射显示器 ((Nonemissive displays)Nonemissive displays)

应用应用

平板显示器平板显示器

发射显示器发射显示器 ((Emissive displays)Emissive displays)

原理原理

类型类型

等离子体显示板、薄膜光电显示器、发光二等离子体显示板、薄膜光电显示器、发光二

极管极管

平板显示器平板显示器 ______ 发射显示器发射显示器

等离子体显示板等离子体显示板 ((plasma panel)plasma panel)

薄膜光电显示器薄膜光电显示器

((thin_film electroluminescent display)thin_film electroluminescent display)

发光二极管发光二极管 ((LED)LED)

平板显示器平板显示器 ______ 非发射显示器非发射显示器

非发射显示器非发射显示器 ((Nonemissive Nonemissive

displays)displays)

原理原理

类型类型

液晶显示器液晶显示器 ((LCD)LCD)

平板显示器平板显示器 ______ 非发射显示器非发射显示器

液晶显示器液晶显示器 ((LCD)LCD)

LCDLCD 液晶显示器液晶显示器Liquid-crystal displaysLiquid-crystal displays

On State -- crystal state

LCDLCD 液晶显示器液晶显示器

Off State -- liquid state

LCD 液晶显示器

类型 无源矩阵 有源矩阵

液晶显示器液晶显示器 ((LCD)LCD)

重要指标：重要指标：

优点优点

缺点缺点

显示器的比较显示器的比较

CRT 等离子体 LCD耗电 fair fair excellent

尺寸 excellent excellent fair

重量 poor excellent excellent

亮度 excellent excellent fair-good

对比度 excellent+ good fair

可视角度 excellent excellent+ poor

价格 low high low

光栅扫描系统图形信息存储光栅扫描系统图形信息存储

帧缓冲区帧缓冲区

像素点像素点 Pixel (Picture element) Pixel (Picture element)

显示分辨率显示分辨率 && 色深色深

帧缓冲区容量 = 显示分辨率 x 色深

位图 (bitmap)

像素图 (pixmap)

真彩色

帧缓冲区容量计算

逐行扫描逐行扫描

同步扫描、连续扫描同步扫描、连续扫描

隔行扫描隔行扫描

光栅显示器的两种电子束扫描方式

改善屏幕闪烁改善屏幕闪烁

延长余辉延长余辉

减小亮度减小亮度

提高刷新率提高刷新率

举例举例

已知显示分辨率为已知显示分辨率为 10241024x768, x768, 支持真彩色图支持真彩色图形显示，试问需要预留多大的显示缓冲区？形显示，试问需要预留多大的显示缓冲区？

16 16 colors? colors?

256 colors? 256 colors?

1616 位色？位色？

光栅扫描系统图形属性信息存储光栅扫描系统图形属性信息存储 图形 图形

像素点像素点

帧缓冲区帧缓冲区

图形方式下颜色、灰度信息的存储图形方式下颜色、灰度信息的存储

光栅扫描系统图形属性信息存储光栅扫描系统图形属性信息存储

帧缓冲区

压缩象素法压缩象素法 (( 线性链接法线性链接法 ))

颜色位面法颜色位面法

光栅扫描系统图形属性信息存储光栅扫描系统图形属性信息存储

压缩象素法压缩象素法

象素点的全部信息被编码成象素点的全部信息被编码成一个数据一个数据，，

按照行优先顺序存储到显示缓冲区中。按照行优先顺序存储到显示缓冲区中。

Example: 8x8, 单色 , 压缩象素法

0 1 2 3 4 5 6 7 x

y

01234567

10100110

帧缓冲区

(0,0)~(7,0)(0,1)~(7,1)(0,2)~(7,2)(0,3)~(7,3)(0,4)~(7,4)(0,5)~(7,5)(0,0)~(7,0)(0,1)~(7,1)

Example: 8x8, 16 colors, 压缩象素法

A0000000

A0000001A0000002

A0000003

A000001FA000001E

A000001D

A000001C

....

(0,0) (1,0)(2,0) (3,0)(4,0) (5,0)(6,0) (7,0). . . . . .

(0,7) (1,7)(2,7) (3,7)(4,7) (5,7)(6,7) (7,7)

0 1 2 3 4 5 6 7 x

y

01234567

压缩象素法压缩象素法

结论：结论：

颜色位面法颜色位面法

显示缓冲区分成显示缓冲区分成 NN 个独立的存储区域个独立的存储区域 ((NN 个位面个位面 ),),

每个位面控制一种颜色或灰度，每个位面控制一种颜色或灰度，

通过通过 NN 个位面的同一位组合成像素数据。个位面的同一位组合成像素数据。

Example: 8x8, 16 colors, 颜色位面法

0 1 2 3 4 5 6 7 x

y

01234567

(0,2)~(7,2)

(0,1)~(7,1)

A0000000

A0000001

A0000002

A0000003

A0000007

A0000006

A0000005

A0000004

(0,0)~(7,0)

(0,3)~(7,3)

(0,4)~(7,4)

(0,5)~(7,5)

(0,6)~(7,6)

(0,7)~(7,7)

(0,0)~(7,0)

(0,0)~(7,0)

(0,0)~(7,0)

思考：像素点寻址思考：像素点寻址

相关因素相关因素分辨率分辨率色深色深屏幕坐标位置 屏幕坐标位置 像素信息存放方式像素信息存放方式

偏移量计算偏移量计算 ((offset)offset)

思考：思考：帧缓冲区装人帧缓冲区装人 ________ 例例11

已知分辨率为 已知分辨率为 640640x200, x200, 单色显示单色显示 , , 采用压缩采用压缩

象素法，在屏幕上绘制第一条水平线，帧缓冲象素法，在屏幕上绘制第一条水平线，帧缓冲

区起始地址为区起始地址为 A0000HA0000H ，，帧缓冲区装人？帧缓冲区装人？

如果采用四色显示，在屏幕上绘制第一条水平如果采用四色显示，在屏幕上绘制第一条水平

蓝色直线，帧缓冲区装人？蓝色直线，帧缓冲区装人？

Example 2Example 2

分辨率为 分辨率为 320320x200, 16x200, 16 色显示色显示 , , 采用压缩象素采用压缩象素

法，屏幕坐标法，屏幕坐标 ((x,y)x,y) ，，试求地址偏移量。试求地址偏移量。

若采用颜色位面法，地址偏移量？若采用颜色位面法，地址偏移量？

类型打印机绘图仪图形胶片制作设备视频图像制作设备

图形硬拷贝设备

打印机类型

击打式非击打式

图形硬拷贝设备

图形软件类型图形软件类型

通用图形软件包通用图形软件包

专用图形软件包专用图形软件包

图形显示系统图形显示系统

组成组成显示器显示器显示卡显示卡视频视频 BIOSBIOS

显示卡显示卡

结构

总线接口

信号接口

信号接口信号接口

显示设备类型显示设备类型电视机电视机复合显示器复合显示器RGBRGB 显示器显示器

信号接口类型信号接口类型射频信号接口：图象信息射频信号接口：图象信息 ++ 载波信号载波信号复合视频信号接口：图象信息复合视频信号接口：图象信息直接信号接口：数字信号直接信号接口：数字信号 // 模拟信号模拟信号

数字单显（数字单显（ MDAMDA，， HGCHGC）） 数字彩显（数字彩显（ CGACGA，， EGAEGA））模拟彩显（模拟彩显（ VGA & laterVGA & later））

视频 BIOS

•视频 BIOS

配合显示控制器完成图形处理，并为图

形程序设计提供最基本的图形和视频支

持程序。

视频视频 BIOSBIOS 功能表功能表 ((INT 10H)INT 10H)

子功能号 子功能 输入参数 输出参数

AH= 00H 设置显示模式

AL= 模式号(0-13H)

无

屏幕写图形点

AL= 颜色代码CX= 象素列号DX= 象素行号

无

屏幕读图形点

CX= 象素列号DX= 象素行号

(AL)= 象素点信息

AH= 0CH

AH= 0DH

B3. Graphics Library

Turbo C Graphics LibraryMFC CDC ClassOpenGL Graphics Library

Turbo C Graphics Library

基本图形生成功能基本图形属性获取和设置功能简单图形管理功能

Example: Turbo C graphics function

#include "graphics.h"

void main(){ int driver=DETECT,mode; initgraph(&driver,&mode,""); set_color(GREEN); rectangel(10,200,200,300); getch(); restorecrtmode();}

MFC CDC Class

OpenGL Graphics Library

#include " gl\gl.h "#include " gl\glu.h "#include " gl\glaux.h "

Example 1

MOV AH, 0

MOV AL,12H

INT 10H

设 VGA 显示模式为 640x480， 16 色

Example 2

void putpixel(int x,int y,uchar c)

{ union REGS r;

r.h.ah =0x0c;

r.h.al = c;

r.h.cx = x;

r.h.dx = y;Int86(0x10,&r,&r);

}

设计一个 C 函数，实现写屏幕图形点功能