【正文】 2/11 HPU 70 圖形系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) ? 用戶程序（或者說應(yīng)用程序）：把數(shù)據(jù)以圖元的形式提供給圖形硬件，例如用來描述三維幾何模型的點(diǎn)、線或多邊形。同時也提供用于表面紋理映射的圖像或者位圖。 像 素 處 理階 段幾 何 處 理階 段用 戶 程 序圖 元二 維 屏幕 坐 標(biāo)2022/2/11 HPU 71 圖形系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) ? 此階段是以每個頂點(diǎn)為基礎(chǔ)對幾何圖元進(jìn)行處理，并從三維坐標(biāo)變換為二維屏幕坐標(biāo)的過程。 ? 幾何階段主要負(fù)責(zé)大部分多邊形和頂點(diǎn)操作，可以將這個階段進(jìn)一步劃分為圖所示的幾個功能階段。 像 素 處 理階 段幾 何 處 理階 段用 戶 程 序圖 元二 維 屏幕 坐 標(biāo)投 影光 照模 型 與 視點(diǎn) 變 換屏 幕 影 射裁 減2022/2/11 HPU 72 圖形系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) ? 給定經(jīng)過變換和投影之后的頂點(diǎn)、顏色以及紋理坐標(biāo)（均來自于幾何階段），光柵階段的目的就是給每個像素正確配色，以便正確繪制整幅圖像，這個過程稱為光柵化或者掃描轉(zhuǎn)換，也就是把屏幕空間的二維頂點(diǎn)轉(zhuǎn)化為屏幕上的像素。 像 素 處 理階 段幾 何 處 理階 段用 戶 程 序圖 元二 維 屏幕 坐 標(biāo)2022/2/11 HPU 73 圖形處理器 ? 圖形處理器是圖形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要元件，是連接計(jì)算機(jī)和顯示終端的紐帶 ? 早期的圖形處理器只包含簡單的存儲器和幀緩沖區(qū)，它們實(shí)際上只起了一個圖形的存儲和傳遞作用，一切操作都必須有 CPU來控制 ? 現(xiàn)在的圖形處理器不單單存儲圖形，而且能完成大部分圖形函數(shù)，專業(yè)的圖形卡已經(jīng)具有很強(qiáng)的 3D處理能力，大大減輕了 CPU的負(fù)擔(dān) ,提高了顯示質(zhì)量和顯示速度。 2022/2/11 HPU 74 圖形處理器的組成 ? 顯示主芯片 –顯卡的核心，俗稱 GPU， 它的主要任務(wù)是對系統(tǒng)輸入的視頻信息進(jìn)行構(gòu)建和渲染 ? 顯示緩存 –用來存儲將要顯示的圖形信息以及保存圖形運(yùn)算的中間數(shù)據(jù) –顯存的大小和速度直接影響著主芯片性能的發(fā)揮 ? 數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（ RAMDAC） –它的作用就是把二進(jìn)制的數(shù)字轉(zhuǎn)換成為和顯示器相適應(yīng)的模擬信號 2022/2/11 HPU 75 顯存模擬信號輸出主芯片計(jì)算機(jī)控制信號RAMDAC顯卡工作原理簡單示意圖 圖形處理器的組成 2022/2/11 HPU 76 第二章 圖形系統(tǒng) 圖形顯示原理 圖形系統(tǒng)的組成 圖形系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)及軟件 – 圖形系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn) – 圖形軟件 2022/2/11 HPU 77 圖形系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn) ? 圖形標(biāo)準(zhǔn)：圖形系統(tǒng)及其相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)中各界面之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和通信的接口標(biāo)準(zhǔn)，以及供圖形應(yīng)用程序調(diào)用的子程序功能及其格式標(biāo)準(zhǔn)，前者稱為數(shù)據(jù)及文件格式標(biāo)準(zhǔn)，后者稱為子程序界面標(biāo)準(zhǔn)。 2022/2/11 HPU 78 圖形系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)分類 ? 面向圖形設(shè)備的接口標(biāo)準(zhǔn)： 計(jì)算機(jī)圖形元文件 (CGM)， (CRT,Mouse,…) 計(jì)算機(jī)圖形接口 (CGI).設(shè)備驅(qū)動程序。 ? 面向應(yīng)用軟件的標(biāo)準(zhǔn)： 程序員層次交互式圖形系統(tǒng)（ PHIGS） ,GL (圖形程序包 ) （三維）圖形核心系統(tǒng)（ 3D)GKS ? 面向圖形應(yīng)用系統(tǒng)中工程和產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型及其文件格式： 基本圖形轉(zhuǎn)換規(guī)范（ IGES） 產(chǎn)品數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)范（ STEP） 2022/2/11 HPU 79 圖形系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn) ? 硬件，圖形 I/O 設(shè)備，系統(tǒng)軟件，圖形軟件。 ? 圖形軟件：通用編程軟件包，專用應(yīng)用軟件包。 ? 通用類：提供一個可用于高級程序語言的圖形功能擴(kuò)展集 (比如， OpenGL). 基本功能：圖元生成，屬性設(shè)置（顏色， …. ）選擇觀察及實(shí)施變換等。 ? 專用類：不關(guān)心圖形操作過程。 CAD系統(tǒng)。 2022/2/11 HPU 80 圖形支撐軟件 ? 第一層次是面向系統(tǒng)的，主要解決圖形設(shè)備與計(jì)算機(jī)的通訊接口等問題，稱為設(shè)備驅(qū)動程序，包括一些最基本的輸入、輸出程序，事實(shí)上，設(shè)備驅(qū)動程序現(xiàn)在已被作為操作系統(tǒng)一部分，由操作系統(tǒng)或設(shè)備硬件廠商開發(fā)； ? 第二層次是建立在驅(qū)動程序之上，完成圖元的生成、設(shè)備的管理等功能，目前這個層次上的圖形支撐軟件已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，如 GKS、 PHIGS、 CGI等； ? 第三層次是在中間層基礎(chǔ)上編寫的，其主要任務(wù)是建立圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，定義、修改和輸出圖形，它是面向用戶的，要求具有較強(qiáng)的交互功能，使用方便，風(fēng)格好，概念明確，容易閱讀，便于維護(hù)和移植，OpenGL、 DirectX便屬于這一層次的軟件。 2022/2/11 HPU 81 圖形支撐軟件 ? GDI+:Windows圖形顯示接口，關(guān)于圖形顯示的函數(shù)庫，通過它實(shí)現(xiàn)設(shè)備無關(guān)性 .可以訪問系統(tǒng)內(nèi)存的視頻緩沖，但不能訪問顯示內(nèi)存，也不能充分利用一些顯卡提供的特殊性能。簡言之， GDI+對大多數(shù)商業(yè)程序來說已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)足夠，但對于多媒體圖形圖像或游戲來說它就太慢了。 圖形支撐軟件 GDI+ DirectX OpenGL 2022/2/11 HPU 82 圖形支撐軟件 ? DirectX:一組低級“應(yīng)用程序編程接口 (API)”，可為 Windows 程序提供高性能的硬件加速多媒體支持。它能增強(qiáng)計(jì)算機(jī)的多媒體功能?？芍苯釉L問顯卡與聲卡的功能，確保多媒體程序能夠充分利用高性能硬件。從而提供逼真的三維 (3D) 圖形與令人如醉如癡的音樂與聲音效果。 它包含 DirectDraw,Direct3D,DirectSound等多個組件。 Microsoft制定的標(biāo)準(zhǔn)并提供支持 . 2022/2/11 HPU 83 圖形支撐軟件 ? OpenGL:一個獨(dú)立于圖形硬件的高效圖形軟件接口 ,一個開放的圖形軟件包 /庫 ,跨平臺 ,可擴(kuò)展 .由 SGI公司推出 ,被 IBM,Intel,Microsoft等公司所采用的三維圖形標(biāo)準(zhǔn) .它提供了近 200個函數(shù) ,利用其可以開發(fā)出現(xiàn)實(shí)世界相似的三維景象 . 2022/2/11 HPU 84 開放式的三維圖形軟件包 OpenGL ? OpenGL是近幾年發(fā)展起來的一個性能卓越的三維圖形標(biāo)準(zhǔn)，它是在 SGI等多家世界聞名的計(jì)算機(jī)公司的倡導(dǎo)下，以 SGI的GL三維圖形庫為基礎(chǔ)制定的一個通用共享的開放式三維圖形標(biāo)準(zhǔn)。 ? 目前，包括 Microsoft、 SGI、 IBM、 SUN、 HP等大公司都采用了 OpenGL做為三維圖形標(biāo)準(zhǔn)，許多軟件廠商也紛紛以 OpenGL為基礎(chǔ)開發(fā)出自己的產(chǎn)品。 ? 其中比較著名的產(chǎn)品包括：動畫制作軟件 Softimage和 3D Studio MAX、仿真軟件 Open Inventor、 VR軟件 World Tool Kit、 CAM軟件 ProEngineer、 GIS軟件 ARC/INFO等等。 2022/2/11 HPU 85 OpenGL的優(yōu)越性 ? 獨(dú)立于窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，以它為基礎(chǔ)開發(fā)的應(yīng)用程序可以十分方便地在各種平臺間移植； ? 可與 Visual C++緊密接口，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的有關(guān)計(jì)算和圖形算法，可保證算法的正確性和可靠性； ? 使用簡便，效率高。 2022/2/11 HPU 86 OpenGL圖形庫的功能 ? 一共有 100多個函數(shù)。其中核心函數(shù)有 115個 ? 除了提供基本的點(diǎn)、線、多邊形的繪制函數(shù)外，還提供了復(fù)雜的三維物體（球、錐、多面體、茶壺等）以及復(fù)雜曲線和曲面（如 Bezier、 NURBS等曲線或曲面）繪制函數(shù)。 ? 基本幾何變換和投影變換。 ? 顏色模式設(shè)置 ? 光照和材質(zhì)設(shè)置 ? 紋理映射功能 ? 位圖顯示和圖象增強(qiáng) ：反走樣 (Antialiasing)和霧 (fog)的特殊圖象效果處理 ? 雙緩存 (Double Buffering)動畫：雙緩存即前臺緩存和后臺緩存，即后臺緩存計(jì)算場景、生成畫面，前臺緩存顯示后臺緩存已畫好的畫面。 2022/2/11 HPU 87 Next: 基本圖形光柵化