计算机图形学概论论文

计算机图形学概论论文

题目：图形显示原理

姓名：谢春晖

学号;08315122

学院：机械与电子工程学院

专业：机械电子工程

通过课堂的学习我们了解了计算机图形学的图形学的一些专业知识，首先我们明白了，图形的显示过程，扫描显示原理，光栅扫描显示，随机扫描显示等等关于计算机图形学的相关知识。

一，图形显示过程

图形的显示过程应该从硬件和软件两个方面来说。就硬件方面来说，当电子束扫描到屏幕上某一像素的位置（坐标）时，显示器中的显示处理器dpu（display processing unit）会同时从对应的显示缓冲单元中取出像素值，并以此查找彩色表的地址，从该地址处得到该像素的红、绿、蓝三基色分量，经d／a转换后分别控制三基色电子枪，使屏幕上该像素显示出三基色的混合色。在图2示例中，彩色表的红、绿分量分别为15，而蓝分量为0，因此，屏幕上该像素的颜色会是黄色。

就软件方面来说，要完成图形显示的初始化及图形的加工。这里，初始化的意思是要将计算机的显示方式设置为显示器所能够显示的某一种模式，并将所有的显示缓冲单元清零，另外，对彩色表的每一个单元要分别填上预定的颜色值，使彩色索引与具体的颜色联系起来。

图形加工则是图形软件的主要任务，其主要内容是：根据需要显示的图形内容，随时改写显示缓冲单元的内容。这是因为屏幕上显示的图形是由显示卡上显示缓冲区中的内容唯一决定的。一旦在显示缓冲单元中写入要求的彩色索引值，图形就自然在屏幕上显示出来了。

二，扫描显示原理

1.光栅扫描显示

（1）光栅扫描显示的帧：在刷新式CRT光栅扫描方式中，电子束总是不断地从左到右、从上到下反复扫描整个屏幕。电子束从左到右(横向)扫描一次为一条扫描线。在每条扫描线末端，电子束返回到屏幕的左边，又开始显示下一条扫描线。从屏幕顶部到屏幕底部(纵向)的扫描线构成一帧图像。一帧图像是显示系统执行一次全屏幕循环扫描(一次屏幕刷新)所产生的图像。每帧终了，电子束返回到屏幕的左上角，开始下一帧。在扫描过程中，只要在对应时刻、对应位置控制电子束的强度就能显示所要的图形。

（2）光栅扫描的逐行扫描：扫描线在屏幕上自上而下一条一条地扫描。当电子束从左到右到达屏幕的右边在每条扫描线末端，电子束返回到屏幕的左边，又开始显示下一条扫描线。在回扫过程中，电子束几乎不发射出电子，而且速度也很快。水平回扫(horizontal retrace)：每条扫描线扫过后，返回到屏幕左端。垂直回扫(vertical retrace)：当电子束到达屏幕底部时，又返回到屏幕左上角。然后，从头开始扫描下一帧。

（3）光栅扫描的隔行扫描：某些系统采用隔行(interlaced)刷新方式，每帧显示分为两趟：第一趟：电子束从顶到底，一行隔一行地扫描。第二趟：垂直回扫后，电子束则再扫描另一半扫描线。以这种方式的隔行扫描使在逐行扫描所需时间的一半时就能看到整个屏幕显示。隔行扫描技术主要用于较慢的刷新速率。例如，对一个较老的每秒30帧的非隔行扫描显示，可注意到它的闪烁。采用隔行扫描，两趟中的每一趟可以1/60秒完成，也就是说，刷新速率接近每秒60帧。这是避免闪烁且提供相邻扫描线包含类似的显示信息的有效技术，也是降低成本而不增加闪烁感的有效办法。

（4）光栅扫描刷新频率：光栅扫描显示器每秒刷新的循环数称CRT的刷新频率。

一般，光栅扫描显示器的刷新是按每秒60到80帧的速率进行的，但有些系统设计成更高的刷新速率。刷新频率以每秒多少周期或赫兹(HZ)为单位来描述：一个周期对应于一帧。每秒60帧的刷新频率为60HZ。（注意：刷新频率与物体的复杂度无关，也不会因物体的复杂度而影响其显示的质量。）

（5）光栅扫描显示的过程：光栅扫描显示是通过读取帧缓冲器的强度值，并在屏幕的适当位置显示图像。光栅显示的基本指令如下形式：read(I,x,y,z)读存储器的位置I中z的内容 x和y是由I的地址确定的；z中是颜色值或灰度等级值。write(x,y,z)指令完成屏幕上对应位置的显示。主要的显示循环是：对所有存储器存储单元I，执行：read(I,x,y,z)；write(x,y,z)。每执行一次循环称为屏幕刷新。如果N是刷新存储器的大小，那么显示控制器总是执行N对指令。

（6）帧缓冲器与颜色种类：帧缓冲器每一个存储单元的位长决定了一幅画面上能同时显示的不同灰度的数目或颜色的种类，

若帧缓冲器存储单元的位长为n，那么，帧缓冲器能支持一幅画面上同时显示的灰度等级或颜色种类数为2n：在采用彩色表之前，由帧缓冲器决定的一幅画面上能同时显示的灰度等级数或颜色种类与显示器能显示的灰度等级数或颜色种类数相同。物理屏幕一幅画面上可以同时显示的颜色种类数小于或等于物理屏幕象素总数。

（7）帧缓冲器、分辨率与颜色种类：假定显示器的分辨率为m×n，需要同时显示k种颜色，那么帧缓冲器的容量v至少要求为：

或者，假定显示器的分辨率为m×n，帧缓冲器的容量为v，那么，可以同时显示颜色种类数k可表示为：

通俗地讲：帧缓冲器的容量一定时，分辨率越大，帧缓冲器中每个单元可分配的位长越小，可同时显示的颜色种类也越少。例如：具有1M字节的帧缓冲器：若分辨率为640×480，则帧缓冲器每单元的位长就为24位；若分辨率为1024×768，则帧缓冲器每单元的位长就为略多于8位；

（8）帧缓冲器的位平面：组合像素结构：每个像素的所有位均集中存储在单个存储器中。位平面结构：像素的每一位各自存放在不同的存储体，这样，一幅画面上所有象素的相同位存储在同一存储体内，这就是位平面。由于使用多个存储体，可一次同时读出更多的像素信息，降低了对帧缓冲器工作速度的要求，在中、高性能的图形显示器中得到广泛采用。一般情况下，帧缓冲器的每个单元有多少位就可分成多少个位平面。位平面的数目就是帧缓冲器的深度，也就是颜色的深度（灰度等级或颜色种类）。即：若帧缓冲器的位平面的数目为n，则屏幕上一次可同时显示的颜色种类/灰度等级数是2n。

（9）彩色显示的位平面：:用于高分辨率彩色显示时所需要的帧缓冲器的开销是相当高的。作为帧缓冲器可能要求几兆字节存贮量，这由该系统的分辨率决定。每个像素24位，而屏幕分辨率为1024×1024的系统需要1024×1024 ×24 ÷ 8≈ 3MB存贮量作帧缓冲器。

（10）帧缓冲器的分页：帧缓冲器的容量往往设计得比屏幕画面的位图大得

多。这时，帧缓冲器区域分成若干页面，每个页面存放一幅屏幕画面。帧缓冲器可以同时存放多幅画面的位图通过控制器实现不同画面的切换。页面的大小可以划分得比屏幕位图大得多，甚至是整个帧缓冲器。从程序员的角度来看，可输出显示的画面将远大于实际的物理屏幕，此时，物理屏幕仅是一个窗口，它显示的不过是全部画面的一部分。

二，随机扫描显示

（1）随机扫描显示：随机扫描(random-scan)显示的基本指令通常包含下列形式：P(X,Y) 将电子束定位在点(X,Y)位置上；S(Z) 置电子束的亮度值为Z。为显示一个物体，必须产生指令序列来表示物体形状。假设：S1、S2、S3、……、Sn为相应于形成一特定显示的n个物体的序列。 Si一般以线段为单位。那么，控制显示的处理机就不断执行下列循环序列：S1；S2；……；Sn当需要修改第i 个物体的形状时，仅仅需要修改相应的序列Si。修改的结果在下一次刷新时得到体现。

（2）随机扫描显示特点：随机扫描显示的图形定义存放在称为刷新显示文件存储区的一组画线命令，供显示处理器解释和控制显示。:刷新显示文件称为显示列表、显示程序或刷新缓存。为显示指定的图形系统周期地按显示文件中的一组命令，依次画出其组成线条；当所有画线命令处理完后，系统周期地返回到该列表的第一条画线命令。也称向量(vector)显示器/笔划(stoke-writing)显器/笔迹(calligraphic)显示器。随机扫描(random-scan)显示的电子束扫描过程随产生的图形不同而不同。CRT的电子束只在屏幕的图形部分移动；图形的组成线条由随机扫描按任意指定的顺序一条线一条线地绘出并刷新。

(3)光栅图形显示器的工作原理:在图形显示卡上都有一个由视频存储器vram组成的显示缓冲区，它接受并暂存计算机送来的图形图像数字信息，经d ／a转换为模拟信号后，再送到显示器去显示。早期的mda卡上仅有4kb容量的显示缓冲存储器，到标准vga卡时容量增至512kb。增强vga卡一般为1mb容量，而目前扩展功能的显示卡上，显示缓冲区的容量已达到2mb到4mb。

（4）光栅扫描系统的优缺点：光栅扫描系统一问世就迅速占据了该领域的主导地位，主要由于它具有如下优于随机扫描显示系统的特点：刷新频率固定，与图形的复杂度无关：光栅扫描显示器的刷新过程有固定顺序，刷新控制部件简单。对于随机扫描显示系统来说，当显示文件较小时，刷新频率会很高；但显示文件很大时，刷新频率就会降低，从而导致显示复杂图形时出现闪烁效应。易于绘制填充图形，具有丰富的颜色：光栅显示系统中构成图形的最小图形元素为像素，只要计算出屏幕位于给定区域以内的所有像素，并赋予一定的颜色，就能完成图形的填充。光栅系统的主要缺点一是图形显示时需要扫描转换，这个过程相当费时；二是会出现直线段不直、图形边界呈阶梯状等走样现象。但随着显示器分辨率的提高和计算机性能的增强，这些缺点正逐渐被克服。