Състав
Хардуер: Графично I/O устройство
Графичен софтуер: общ софтуерен пакет за програмиране, специален приложен софтуерен пакет
General category: Provides an extended set of graphics functions that can be used in high-level programming languages (such as OpenGL)
Основни функции: примитивно генериране, настройка на атрибути, наблюдение на селекцията и трансформация на изпълнението и др.
Специален клас: Не се интересувайте от процеса на графична работа (например CAD система)
Състав на системата
Компютърната графична система се състои от хардуер и софтуер. Хардуерът включва: основен компютър, графичен дисплей и I/O интерактивни инструменти и устройства за съхранение; софтуерът включва операционни системи, езици от високо ниво, графичен софтуер и приложен софтуер.
Основната разлика между съвременните компютърни графични системи и общите компютърни системи е, че те имат графични входни и изходни устройства, както и необходимите интерактивни инструменти, и имат по-високи изисквания по отношение на скорост и капацитет за съхранение. Освен това хората също са неразделна част от тази система.
1. Основни функции на графичната система
1, изчислителна функция
2, функция за съхранение
3. Функция за въвеждане
4. Изходна функция
5. Диалогична функция
Второ, класификацията на графичната система
1. Графична система, базирана на мейнфрейми;
2. Графични системи, базирани на средно големи компютри или супер миникомпютри;
3. Базирана на инженерни работни станции Графична система;
4. Графична система, базирана на микрокомпютри;
Графично хардуерно оборудване
Първо, оборудване за показване
Устройството за показване е частта, която в крайна сметка създава ефекта на графичния дисплей. Появиха се различни видове и технологии на дисплейни устройства, но катодната тръба (CRT) все още е доминираща.
1、CRT
(1 ) MonochromeCRT
Принцип: Електрическото поле се използва за генериране на високоскоростни фокусирани електронни лъчи, които се отклоняват към различни части на повърхността на екрана, за да се получи видима графика.
Състав: електронен пистолет, отклоняваща система и фосфорен екран.
Електронен пистолет: Токът преминава през нишката, за да генерира топлина, т.е. катодът се нагрява, за да излъчи електронен лъч, определено положително напрежение се прилага към фокусиращия електрод, за да го фокусира в електронен лъч, и след това ускоряващият електрод ( може да бъде многократно ) Прилагане на положително напрежение за ускоряване на електронния лъч, така че той да има достатъчно енергия, за да се изстреля към фосфорния екран; има контролен електрод близо до катода, след прилагане на отрицателно напрежение силата на електронния лъч може да се контролира и електронният лъч също може да бъде отрязан.
Система за отклонение: отклонението може да се контролира от електростатично поле или магнитно поле (най-често се използва магнитна система за отклонение).
Когато се използва електростатично поле, два комплекта вертикални и хоризонтални плоски плочи се поставят вътре в гърлото на катодната тръба.
Магнитната отклоняваща система е външна отклоняваща система. Има две намотки, навити около гърлото на тръбата. Когато електронният лъч преминава през бобината, магнитното поле на едната намотка отклонява електронния лъч хоризонтално, а другата го прави вертикално отклонение.
Най-важната характеристика на отклонителната система е чувствителността, която отразява големината на ъгъла на отклонение, който сигналът за отклонение може да произведе.
Флуоресцентен екран: Флуоресцентният екран е покрит с флуоресцентен прах и електронният лъч бомбардира определена точка от флуоресцентния слой, за да произведе флуоресцентни ярки петна. Когато електронният лъч напусне тази точка, яркостта му намалява експоненциално с времето. Времето на последващо светене се отнася до времето, необходимо за стойността на светлината да намалее до 1/10 от първоначалната стойност. Времето за последващо светене на луминофорите, използвани в графичните устройства, обикновено е от десетки до стотици милисекунди. За да получите стабилна, нетрептяща картина, тя трябва постоянно да се опреснява.
Качеството на изображението на монохромния CRT дисплей зависи от: размера на единичния диаметър на петното, присъщ на устройството, и „адресируемостта“. Адресируемостта може да се разбира като броя на единичните светлинни петна, които могат да се използват на единица дължина. Като цяло е желателно диаметърът на точката да е по-голям от стъпката на точката. Максималният брой светлинни петна, които CRT може да разпознае в хоризонтална или вертикална посока, се нарича разделителна способност.
(2)ColorCRT
Има два основни метода за генериране на цветен дисплей: метод на проникване на лъчи, метод на сенчести отвори.
Ray penetrating method: Used in random scan displays, it is coated with two layers of phosphor (red and green) on the screen, the color of the display depends on the ray penetrating The depth of the fluorescent layer: low-speed electrons can only excite the outer layer of red powder, and medium-speed electrons can excite green powder and red powder to produce two additional colors: orange and yellow, and high-speed electrons can penetrate the red layer to excite green powder. This is an inexpensive method, but the graphics quality is low.
Shadow orifice method: It is widely used in raster scanning systems. This kind of CRT screen is coated with many groups of triangular phosphors, and each group has three phosphor dots. When a certain group of phosphors are excited, they emit three primary colors. Three electron guns corresponding to it. There is a shadow hole grid on the back of the screen. There are many small holes on the screen, corresponding to the triples on the screen. Three beams of electrons are focused into a group of rays, passing through the small holes, activating a triple on the screen, and color dots appear. By controlling the strength of the electron beam, the excited three primary colors can be mixed into a wide range of color levels. The diameter of the shadow orifice plate has a greater impact on the resolution of the CRT. The diameter is small and the graphics quality is good, but the cost is high and difficult.
(3) Direct-view storage tubeDVST
Пишещият електронен пистолет на този вид тръба за съхранение не се различава от обикновения CRT, но електронният лъч не се записва директно върху фосфорния екран, а върху решетката за съхранение пред фосфорния екран. Това е много тънка метална мрежа със среда върху нея. Високоенергийният електронен лъч, излъчван от пишещия електронен пистолет, бомбардира електроните в средата на решетката и бомбардираното място на решетката показва положителен заряд, т.е. образува се писта с положителен заряд. Електроните с ниска енергия, излъчени от втория електронен пистолет (отчитащ електронен пистолет), се стичат към колектора. Колекторът разпространява тези електрони равномерно и тече към решетката за съхранение. Положително заредената зона на решетката за съхранение привлича електрони и ги кара да светят, като бомбардират фосфорния екран. Други Позицията не пропуска електрони, т.е. вратата на паметта играе роля в съхраняването на модели и контролирането на преминаването на електрони. Предимства: ниска цена, не е необходимо високо опресняване; недостатъци: не може да се направи селективна модификация.
2, other types of display devices
A, плазмен дисплей
Предимства: леко тегло, няма нужда от обновяване на кеша; Недостатъци: ниска резолюция и висока цена.
B. Течнокристален дисплей LCD
Предимства: ниска цена, леко тегло, малки размери и ниска консумация; недостатък: пасивен дисплей.
C, електронен светоизлъчващ дисплей
Предимства: висока яркост, бързо включване и изключване; недостатъци: висока цена, висока консумация на енергия.
3, Random Scan Display
Показаните графики се обработват от компютъра в инструкции за показване на дисплея, тоест файлове за показване или файлове за показване и инструкции за показване се изпращат към буферната памет на дисплея чрез интерфейсната верига, а фиксираната памет съхранява инструкции за показване, като например често използвани знаци и цифри. Графичният контролер извлича инструкциите за показване в буфера или фиксираната памет и ги изпълнява последователно. Цифровата информация като яркостта и изместването в командата на дисплея се трансформира във физическата величина, която контролира отклонението и яркостта на електронния лъч от проводниковия генератор, тоест напрежение и ток. След това веригата за управление на главата на тръбата отклонява електронния лъч до желаната позиция с желаната яркост. И продължете да опреснявате, за да го направите стабилен дисплей. Тъй като позиционирането и отклонението на електронния лъч са произволни, това се нарича случайно сканиране.
Предимства: висока резолюция, очевиден контраст, богат софтуер; недостатъци: скъпо.
4, raster scan display
CRT екранът за растерно сканиране може да бъде разделен на m линии за сканиране, всеки ред е разделен на n малки точки, всяка точка се нарича пиксел, всеки пиксел съответства на брой битове в паметта на буфера на рамката и е необходим само един бит за черно-бяло изображение; ако всеки пиксел използва i бита, за да представи своето ниво на сивото, тогава може да произведе 2i сива скала или цвят. Тоест в кадровия буфер на дисплея за растерно сканиране това, което се съхранява, не е командата за показване, а информацията за яркостта или цвета на съответния пиксел. Тази информация се нарича растерно изображение.
Компютърът преобразува графиките и изображенията, които трябва да бъдат показани, в растерни изображения и ги изпраща към буфера на кадрите чрез интерфейсната верига. Графичният контролер контролира електронния лъч, за да следва фиксирана линия за сканиране и последователност на сканиране и да го прочете от буфера на рамката. Стойността на пикселите сканира целия екран. След като сканирането приключи, контролерът на дисплея се прилага към компютъра за прекъсване, така че компютърът да може да използва времето за проследяване на рамката, за да промени съдържанието в буфера на рамката, така че да промени картината.
За да получите стабилна картина, тя трябва да бъде опреснена; необходима е високоскоростна памет с голям капацитет; сканирането е разделено на презредово и прогресивно.
Предимствата на дисплея с растерно сканиране: линейна и повърхностна графика, картината е реална; цената е ниска; недостатъците: преобразуването отнема много време и софтуерът е сложен.
5, display processor(DPU)
В графичната система, за да се намали натоварването, обикновено в допълнение към процесора има специален процесор за дисплей (DPU), който да взаимодейства с процесора и да контролира работата на устройството за дисплей.
(1) DPU на система за произволно сканиране
DPU на системата за произволно сканиране е много различен и сложността е различна.
Този вид DPU може да бъде оборудван с кеш или не (с помощта на основната памет). Когато няма кеш, хост CPU изпълнява програмата за формиране на файла за показване на DPU, а хост CPU стартира файла за показване. Началният адрес се изпраща към брояча на инструкции на DPU. DPU чете инструкциите за показване от паметта на свой ред според този начален адрес и ги изпраща в регистъра на инструкциите, след което декодира кода на операцията и изпълнява инструкциите с участието на контролната логика. Този вид DPU е относително прост. Но този с кеш е по-сложен и мощен.
(2) DPU на растерна сканираща система
В проста система за растерно сканиране процесорът първо изчислява адреса на буфера на кадрите, съответстващ на координатите на всяка пикселна точка, и присвоява стойността на яркостта или цвета, но функцията е слаба и ефективността е ниска. Системата за растерно сканиране с независим DPU може да преодолее горепосочените недостатъци.
Този DPU се използва специално за сканиране и преобразуване на изходни пиксели в пикселни растерни изображения и извършване на растерни операции като преместване на пиксели или пикселни блокове, копиране и модификация. Системата за растерно сканиране с независим DPU има три памети: системна памет, памет на дисплейния процесор и памет на кадров буфер.
Простият DPU изпълнява само някои възможни операции, свързани с графики; докато по-силните могат да постигнат интерактивни операции като изрязване, трансформация на изгледа на прозорец и логика и обратна връзка, свързани с избора. Някои DPU също имат памет за таблица на дисплея за съхраняване на инструкции за показване в сегменти и операции като трансформация и преначертаване могат да се извършват чрез тези сегменти.
(3) Етап на развитие на DPU
Едночиповият графичен процесор от първо поколение: HD-63484 на Hitachi през 1984 г.; TMS34010 на Texas Company през 1986 г.; Intel 82786 на компанията.
Едночиповият графичен процесор от второ поколение: 72120 на NEC; TMS34020 от Тексас през 1988 г.; БВП на Hitachi.
Мултичипов графичен процесор: AMD 9560 четирипикселов мениджър на поток от данни; Усъвършенстван графичен чипсет (ADCS) на National Semiconductor.
Като графични процесори се използват микропроцесори с общо предназначение: Forlandi VARS.
Графична машина с конвейерна многопроцесорна структура: Всяка графична команда от високо ниво трябва да премине през процес на геометрична трансформация стъпка по стъпка и накрая да формира изход под формата на растерно изображение. Типичната тръбопроводна структура включва три независими процесора: дисплейна таблица или команден процесор, геометричен процесор и контролер на дисплея или дисплейен процесор, който всъщност е много по-тънък от три. Производителността му е много по-висока от едночиповия графичен процесор, 88XX на Texas Instruments.
Илюстративна система на масивна структура: T800 на Immos.
Второ, оборудване за хартиено копиране
1, матричен принтер
2, писалка плотер
3, електростатичен плотер
4, лазерен принтер
5, мастиленоструен плотер
6, термопреобразуващ принтер
7 , Камера
3. Входно устройство
Графичното входно устройство може да преобразува графичните данни на потребителя и различни команди в електрически сигнали и да ги предава на компютъра. От логическа гледна точка, той може да бъде разделен на шест функции, а именно позициониране, щрихи, изпращане на стойност, избор, избиране и символни низове, известни също като шест вида логически устройства. Така нареченото логическо устройство се отнася до устройство, дефинирано чрез логическа функция, а не конкретно физическо устройство. Действителното физическо устройство често е комбинация от определени логически устройства.
1. Локатор: използва се за указване на позиция, входът е x, y. Обичайните локатори са: дигитайзер за координати, графичен таблет, мишка, тракбол, джойстик, сензорен контролен панел, акустичен входен панел и др.
2. Избор: използва се за избиране на форма, група от картини или пиксели на екрана на дисплея. Типичните устройства за захващане включват светещи писалки и графични таблети.
3. Сетер: Това е физическо устройство, което предоставя скаларна стойност.
4. Клавиатура: използва се за въвеждане на знаци или низове и др.
5. Клавиши: използвани за избор от група действия или функции, като например програмирана функционална клавиатура.
6. Друго оборудване: като разпознаване на глас и др.
Графична софтуерна система
Първо, съставът на графичния софтуер
Графичната софтуерна система трябва да има добра структура и разумна йерархична модулна структура за лесно проектиране, поддръжка и отстраняване на грешки.
1. Графичен софтуер от нулево ниво: това е софтуер от най-ниско ниво, който основно решава проблемите с комуникацията и интерфейса между графичното устройство и хоста. Нарича се още драйвер на устройството. Това е една от най-основните входни и изходни подпрограми. Програмата е с високо качество, ориентирана е към системата, а не към потребителя.
2. Графичен софтуер от първо ниво: известен също като базови подпрограми, включително програмни модули, които генерират основни графични елементи и управляват оборудване, които са ориентирани както към системата, така и към потребителя.
3. Графичен софтуер от второ ниво: наричан още функционални подпрограми. Компилиран е на базата на графичен софтуер от първо ниво. Основната му задача е да установи структура на графичните данни, да дефинира, модифицира и извежда графики; и установяване на различни Връзката между графичните устройства трябва да има силна интерактивна функция, която е ориентирана към потребителя. (Горните три нива обикновено се наричат поддържащ софтуер)
4. Графичен софтуер на три нива: графичен софтуер за решаване на определен проблем с приложението. Той е част от целия приложен софтуер. Обикновено се пише от потребителя или от дизайнера. Пишете заедно.
Второ, основният графичен софтуер
1. Съдържанието на основния графичен софтуер
Основният графичен софтуер е поддържащият софтуер на графичната система. Неговите функции могат да варират в зависимост от нуждите, но основното му съдържание обикновено трябва да включва:
(1) Програма за управление на системата;
(2) Дефиниране и извеждане на основни пиксели и композитни пикселни графични програми;
(3) Графична трансформация, включително геометрична трансформация, прозорци, изрязване и др.;
(4) Програма за обработка на входни данни в реално време;
< p>(5) Interactive processing program;2. Метод за създаване на основен графичен софтуер
(1) Добавяне на графичен пакет на базата на език от високо ниво;
< p>(2) Modify the high-level language;(3) Специален графичен език от високо ниво;
3. Връзката между графичния софтуер и други софтуерни ресурси
p>
1. Изборът на език на високо ниво
Графичният софтуерен пакет е базиран на определен език от високо ниво. При избора на език на високо ниво трябва да се имат предвид следните фактори:
Изберете език, който е по-разпространен в областта на инженерните технологии;
Език на високо ниво с модулна структура;
Език с по-богат поддържащ софтуер;
Богати типове данни Гъвкав език;
Език с по-силна I/O функция;
Език с по-добро качество на целевата програма;
2, избор на ОС
Силата на операционната система значително влияе върху функциите на другия системен софтуер. В допълнение, графичната система има много I/O устройства. За да управлявате тези устройства, можете да разработите графична ОС, да модифицирате ОС и да управлявате самите графични софтуерни пакети.
Четири. Практичен графичен софтуерен пакет
1. Драйвер за основни инструкции за сглобяване на IBM-PC
(1) Задайте състояние на екрана;
(2) Начертайте точка;
(3) Настройте екрана на символен режим;
2, Microsoft C/C++ рутинни библиотечни процедури
p>(1) Метод на конфигуриране и среда;
(2) Задайте координати;
(3) Задаване на графична палитра на ниско ниво;
(4) Задайте стойности на атрибути;
(5) Генериране на графики и текст;
(6) Прехвърляне на изображения и показване на шрифтове;
Стандарти за графичен софтуер
Формулираните графични стандарти са стандарти за интерфейс. Тези стандарти имат за цел да стандартизират интерфейса между двете части на графичната система. Те са разделени на две категории:
Стандарти за интерфейс за данни : Използва се за определяне на стандарта за трансфер на данни и комуникация между интерфейсите на системата;
Стандарт за интерфейс на подпрограмата: определя стандарта на функцията и формата на приложението, извикващо подпрограмата;
Местоположението е различно, услугата също е различна.
(1) Basic graphics exchange specificationIGES
Той става стандарт на ANSI през 1981 г. Неговата функция е да обменя данни между различни графични системи. Основната му единица е субект. Обектите са разделени на три категории: геометрични обекти, описателни обекти и структурни обекти. Файловият формат се състои от последователен файл с ASCII код и дължина на записа от 80 знака. Файлът е разделен на пет секции и е осигурен механизъм за обработка на грешки.
(2) Graphics Core SystemGKS
GKS Осигурява функционален интерфейс между приложни програми и графични входни и изходни устройства. Това е стандарт за интерфейс на подпрограма и е ядрото на независима от езика графична система.
GKS е ядрото на системата. Графичната функция, която предоставя, е независима от специално графично оборудване. Може да извиква вход, изход, вход и изход, независимо съхранение на сегменти на изображения, метафайлов изход, метафайлов вход и т.н. Шест вида абстрактни физически устройства (графични работни станции), които позволяват изходните пиксели да бъдат трансформирани и предавани на различни работни станции; включва основни пиксели като линейни елементи, точкови елементи, символни елементи и растерни елементи, които работят и се комбинират по начина на сегменти. Използвайте мета файлове за прехвърляне на графики между графични системи. GKS е стандарт за двуизмерна графика, а GKS-3D е стандарт за триизмерна графика.
(3) Programmer-level hierarchical graphics systemPHIGS
Това е ANSI, обнародван през 1986 г., за да предостави на приложните програмисти стандарт за подпрограмен интерфейс за управление на графични устройства. Тя може да бъде разделена на девет програмни модула, които да се изпълняват отделно. Всеки модул е независим и се свързва с други модули само чрез обща структура от данни. . Всички графични данни са организирани в единици, наречени структури, а структурите са свързани чрез йерархични извиквания. Структурата може да включва графични елементи, елементи на матрицата за трансформация на модела, елементи за избор на наблюдение, елементи от данни за приложение и елементи за извикване на структура. Приложението може да създаде структура чрез извикване на несъществуваща структура, отваряне на съществуваща структура, регистриране на несъществуваща структура на работната станция и цитиране на име на структура при промяна на идентификатора на структурата. И предоставя ефективно средство за редактиране на структурата. В сравнение с GKS, неговата разлика се отразява в: структура на данните, модифицируеми, съхранение на атрибути, изходящ конвейер и др.
(4) Computer graphics device interfaceCGI
Това е проект на интерфейс на устройство, предложен от ISO TC 97. Той е в съответствие със стандарта VDI, публикуван от ANSI през 1985 г. Той предоставя стандарт за драйвери за визуални графични устройства и е стандарт за програмен интерфейс.
(5) Computer Graphics MetafileCGM
Това е стандарт, предложен от ANSI през 1986 г. и станал ISO стандарт през 1987 г. Това е набор от независими от устройството графични файлови формати със семантична и лексикална дефиниция, които осигуряват произволен достъп, предаване и проста дефиниция на изображения. Гъвкавостта е неговият ключов атрибут и той е метафайл, генериращ статична графика. Стандартът се състои от две части, едната е функционалната спецификация, която описва съответния файлов формат с абстрактна лексика; другото е описанието на трите стандартни форми на кодиране на CGM, а именно символно, двоично и кодиране на чист текст.