Složení
Hardware: Grafické I/O zařízení
Grafický software: obecný programovací softwarový balík, speciální aplikační softwarový balík
General category: Provides an extended set of graphics functions that can be used in high-level programming languages (such as OpenGL)
Základní funkce: primitivní generování, nastavování atributů, pozorování výběru a transformace implementace atd.
Speciální třída: Nezajímá vás proces grafického provozu (například CAD systém)
Složení systému
Počítačový grafický systém se skládá z hardwaru a softwaru. Hardware zahrnuje: hlavní počítač, grafický displej a I/O interaktivní nástroje a úložná zařízení; software zahrnuje operační systémy, jazyky na vysoké úrovni, grafický software a aplikační software.
Hlavní rozdíl mezi moderními systémy počítačové grafiky a obecnými počítačovými systémy je v tom, že mají grafická vstupní a výstupní zařízení, stejně jako nezbytné interaktivní nástroje, a mají vyšší požadavky na rychlost a kapacitu úložiště. Nedílnou součástí tohoto systému jsou navíc i lidé.
1. Základní funkce grafického systému
1, výpočetní funkce
2, funkce ukládání
3. Vstupní funkce
4. Výstupní funkce
5. Dialogová funkce
Za druhé, klasifikace grafického systému
1. Grafický systém založený na sálových počítačích;
2. grafické systémy založené na středně velkých počítačích nebo super minipočítačích;
3. Na základě inženýrských pracovišť Grafický systém;
4. Grafický systém založený na mikropočítačích;
Grafické hardwarové vybavení
Za prvé, zobrazovací zařízení
Zobrazovací zařízení je část, která nakonec vytváří grafický efekt zobrazení. Objevily se různé typy a technologie zobrazovacích zařízení, ale stále dominuje katodová trubice (CRT).
1、CRT
(1 ) MonochromeCRT
Princip: Elektrické pole se používá ke generování vysokorychlostních zaostřených elektronových paprsků, které jsou vychylovány do různých částí povrchu obrazovky a vytvářejí viditelnou grafiku.
Složení: elektronové dělo, vychylovací systém a fosforová obrazovka.
Elektronové dělo: Proud prochází vláknem a vytváří teplo, to znamená, že katoda je zahřívána, aby emitovala elektronový paprsek, určité kladné napětí je aplikováno na zaostřovací elektrodu, aby se zaostřila na elektronový paprsek, a poté na urychlovací elektrodu ( může být vícenásobné ) Použití kladného napětí pro urychlení elektronového paprsku, aby měl dostatek energie k vystřelení směrem k fosforové obrazovce; v blízkosti katody je řídicí elektroda, po přiložení záporného napětí lze řídit sílu elektronového paprsku a elektronový paprsek lze také odříznout.
Vychylovací systém: vychylování lze řídit elektrostatickým polem nebo magnetickým polem (většinou se používá magnetický vychylovací systém).
Při použití elektrostatického pole jsou uvnitř hrdla katodové trubice umístěny dvě sady vertikálních a horizontálních plochých desek.
Magnetický vychylovací systém je vnější vychylovací systém. Má dvě cívky namotané kolem hrdla trubky. Když elektronový paprsek prochází cívkou, magnetické pole jedné cívky vychyluje elektronový paprsek vodorovně a druhé vytváří vertikální vychýlení.
Nejdůležitější charakteristikou vychylovacího systému je citlivost, která odráží velikost úhlu vychýlení, kterou může vychylovací signál vytvořit.
Fluorescenční stínítko: Fluorescenční stínítko je potaženo fluorescenčním práškem a elektronový paprsek bombarduje určitý bod fluorescenční vrstvy, aby vytvořil fluorescenční jasné body. Když elektronový paprsek opustí tento bod, jeho jas se s časem exponenciálně snižuje. Doba dosvitu označuje dobu potřebnou k tomu, aby hodnota světla klesla na 1/10 počáteční hodnoty. Doba dosvitu luminoforů používaných v grafických zařízeních je obecně desítky až stovky milisekund. Abyste získali stabilní, neblikající obraz, je třeba jej neustále obnovovat.
Kvalita obrazu monochromatického CRT displeje závisí na: velikosti průměru jednoho bodu, který je součástí zařízení, a na "adresnosti". Adresovatelnost lze chápat jako počet jednotlivých světelných bodů, které lze použít na jednotku délky. Obecně je žádoucí, aby průměr bodu byl větší než rozteč bodu. Maximální počet světelných bodů, které může CRT rozpoznat v horizontálním nebo vertikálním směru, se nazývá rozlišení.
(2)ColorCRT
Existují dvě základní metody pro generování barevného zobrazení: metoda pronikání paprsku, metoda stínového otvoru.
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
Zapisovací elektronová pistole tohoto druhu ukládací elektronky se neliší od běžné CRT, ale elektronový paprsek se nezapisuje přímo na fosforovou obrazovku, ale na paměťovou mřížku před fosforovou obrazovkou. Jedná se o velmi tenkou kovovou síť s médiem. Vysokoenergetický elektronový paprsek emitovaný psacím elektronovým dělem bombarduje elektrony v médiu na mřížce a ostřelované místo na mřížce vykazuje kladný náboj, to znamená, že se vytváří kladná nábojová dráha. Nízkoenergetické elektrony emitované druhým elektronovým dělem (čtecím elektronovým dělem) proudí do kolektoru. Kolektor tyto elektrony rovnoměrně šíří a proudí do zásobní mřížky. Kladně nabitá oblast na skladovací mřížce přitahuje elektrony a rozzáří je bombardováním fosforové obrazovky. Ostatní Pozice neprochází elektrony, to znamená, že paměťová brána hraje roli při ukládání vzorů a řízení průchodu elektronů. Výhody: nízká cena, není potřeba vysoké obnovování; nevýhody: nelze provést selektivní úpravu.
2, other types of display devices
A, plazmový panelový displej
Výhody: nízká hmotnost , Není třeba obnovovat mezipaměť; Nevýhody: nízké rozlišení a vysoká cena.
B. Displej z tekutých krystalů LCD
Výhody: nízká cena, nízká hmotnost, malé rozměry a nízká spotřeba; nevýhoda: pasivní displej.
C, elektronický displej vyzařující světlo
Výhody: vysoký jas, rychlé zapnutí a vypnutí; nevýhody: vysoká cena, vysoká spotřeba.
3, Random Scan Display
Zobrazená grafika je počítačem zpracována do zobrazovacích instrukcí displeje, to znamená zobrazovacích souborů nebo zobrazovacích instrukcí Soubory a zobrazovací instrukce jsou odesílány do vyrovnávací paměti displeje přes obvod rozhraní a pevná paměť ukládá zobrazovací instrukce, jako např. běžně používané znaky a čísla. Grafický řadič načte instrukce zobrazení ve vyrovnávací paměti nebo pevné paměti a provede je v pořadí. Digitální informace, jako je jas a výchylka v příkazu zobrazení, se transformují na fyzikální veličinu, která řídí výchylku a jas elektronového paprsku generátorem drátu, tj. napětí a proud. Poté řídicí obvod hlavy trubice vychýlí elektronový paprsek do požadované polohy s požadovaným jasem. A pokračujte v obnovování, aby bylo zobrazení stabilní. Protože umístění a vychýlení elektronového paprsku jsou náhodné, nazývá se náhodné skenování.
Výhody: vysoké rozlišení, zřejmý kontrast, bohatý software; nevýhody: drahé.
4, raster scan display
Obrazovka rastrového skenování CRT může být rozdělena na m skenovacích řádků, každý řádek je rozdělen na n malých bodů, každý bod se nazývá pixel, každý pixel odpovídá počtu bitů ve vyrovnávací paměti snímků a pouze jeden bit je potřeba pro černobílý obrázek; pokud každý pixel používá i bity k reprezentaci úrovně šedi, pak může vytvořit 2i šedou škálu nebo barvu. To znamená, že ve vyrovnávací paměti snímků rastrového skenovacího displeje není uložen příkaz zobrazení, ale informace o jasu nebo barvě odpovídajícího pixelu. Tato informace se nazývá bitmapa.
Počítač převádí grafiku a obrázky, které mají být zobrazeny, na bitmapy a posílá je do vyrovnávací paměti snímků přes obvod rozhraní. Řadič grafiky řídí elektronový paprsek tak, aby sledoval pevnou skenovací linii a sekvenci skenování a četl je z vyrovnávací paměti snímků. Hodnota pixelu prohledá celou obrazovku. Po dokončení skenování se řadič zobrazení přihlásí k počítači k přerušení, takže počítač může použít čas zpětného sledování snímku k úpravě obsahu ve vyrovnávací paměti snímků, aby mohl upravit obrázek.
Chcete-li získat stabilní obraz, je třeba jej obnovit; je vyžadována vysokorychlostní a velkokapacitní paměť; skenování se dělí na prokládané a progresivní.
Výhody zobrazení rastrového skenování: čárová a plošná grafika, obraz je skutečný; cena je nízká; nevýhody: převod je časově náročný a software komplikovaný.
5, display processor(DPU)
V grafickém systému, aby se snížila zátěž, je obecně kromě CPU také vyhrazený zobrazovací procesor (DPU) pro interakci s CPU a řízení provozu zobrazovacího zařízení.
(1) DPU systému náhodného skenování
DPU systému náhodného skenování je velmi odlišné a složitost je odlišná.
Tento druh DPU může být vybaven mezipamětí nebo ne (s pomocí hlavní paměti). Pokud není k dispozici žádná mezipaměť, hostitelský procesor spustí program pro vytvoření souboru zobrazení jednotky DPU a hostitelský procesor spustí soubor zobrazení. Počáteční adresa je odeslána do čítače instrukcí DPU. DPU čte instrukce zobrazení z paměti postupně podle této počáteční adresy a posílá je do registru instrukcí, poté dekóduje operační kód a provádí instrukce za účasti řídicí logiky. Tento druh DPU je poměrně jednoduchý. Ale ten s cache je složitější a výkonnější.
(2) DPU systému rastrového skenování
V jednoduchém systému rastrového skenování CPU nejprve vypočítá adresu vyrovnávací paměti snímku odpovídající souřadnicím každého pixelového bodu a přiřadí hodnotu jasu nebo barvy, ale funkce je slabá a účinnost je nízká. Systém rastrového skenování s nezávislým DPU dokáže překonat výše uvedené nedostatky.
Tento DPU se specificky používá ke skenování a převodu výstupních pixelů na pixelové bitmapy ak provádění rastrových operací, jako je posouvání, kopírování a modifikace bloků pixelů nebo pixelů. Systém rastrového skenování s nezávislým DPU má tři paměti: systémovou paměť, paměť zobrazovacího procesoru a vyrovnávací paměť snímků.
Jednoduché DPU provádí pouze některé možné operace související s grafikou; zatímco ti silnější mohou dosáhnout interaktivních operací, jako je oříznutí, transformace zobrazení okna a logika a zpětná vazba související s výběrem. Některá DPU mají také paměť zobrazovací tabulky pro ukládání zobrazovacích instrukcí v segmentech a prostřednictvím těchto segmentů lze provádět operace, jako je transformace a překreslování.
(3) Fáze vývoje DPU
První generace jednočipového grafického procesoru: Hitachi HD-63484 v roce 1984; TMS34010 společnosti Texas Company v roce 1986; Intel Firemní 82786.
Jednočipový grafický procesor druhé generace: 72120 společnosti NEC; TMS34020 z Texasu v roce 1988; HDP Hitachi.
Vícečipový grafický procesor: čtyřpixelový správce datového toku AMD 9560; National Semiconductor’s Advanced Graphics Chipset (ADCS).
Jako grafické procesory se používají univerzální mikroprocesory: Forlandi VARS.
Grafický stroj s pipeline multiprocesorovou strukturou: Každý grafický příkaz na vysoké úrovni musí krok za krokem projít procesem geometrické transformace a nakonec vytvořit výstup ve formě bitmapy. Typická struktura potrubí obsahuje tři nezávislé procesory: zobrazovací tabulkový nebo příkazový procesor, geometrický procesor a zobrazovací řadič nebo zobrazovací procesor, který je ve skutečnosti mnohem tenčí než tři. Jeho výkon je mnohem vyšší než u jednočipového grafického procesoru Texas Instruments 88XX.
Ilustrační systém struktury pole: T800 společnosti Immos.
Za druhé, tištěné vybavení
1, jehličková tiskárna
2, perový plotr
3, elektrostatický plotr
4, laserová tiskárna
5, inkoustový plotr
6, termokonverzní tiskárna
7, Fotoaparát
3. Vstupní zařízení
Grafické vstupní zařízení může převádět uživatelská grafická data a různé příkazy na elektrické signály a přenášet je do počítače. Z logického hlediska jej lze rozdělit do šesti funkcí, a to polohování, tahy, odesílání hodnot, výběr, vybírání a znakové řetězce, známé také jako šest druhů logických zařízení. Takzvané logické zařízení se týká zařízení definovaného logickou funkcí, nikoli konkrétního fyzického zařízení. Skutečné fyzické zařízení je často kombinací určitých logických zařízení.
1. Lokátor: používá se k označení polohy, vstup je x, y. Běžné lokátory jsou: souřadnicový digitizér, grafický tablet, myš, trackball, joystick, dotykový ovládací panel, akustický vstupní panel atd.
2. Výběr: používá se k výběru tvaru, skupiny obrázků nebo pixelů na obrazovce. Typická snímací zařízení zahrnují světelná pera a grafické tablety.
3. Setter: Je to fyzické zařízení, které poskytuje skalární hodnotu.
4. Klávesnice: slouží k zadávání znaků nebo řetězců atd.
5. Klávesy: slouží k výběru ze skupiny akcí nebo funkcí, jako je naprogramovaná funkční klávesnice.
6. Další vybavení: jako je rozpoznávání hlasu atd.
Grafický softwarový systém
Za prvé, složení grafického softwaru
Grafický softwarový systém by měl mít dobrou strukturu a být rozumnou Hierarchickou modulární strukturou pro snadný návrh, údržbu a ladění.
1. Grafický software nulové úrovně: je to software nejnižší úrovně, který řeší především problémy s komunikací a rozhraním mezi grafickým zařízením a hostitelem. Nazývá se také ovladač zařízení. Jedná se o některé z nejzákladnějších vstupních a výstupních podprogramů. Program je kvalitní, je systémově, nikoli uživatelsky orientovaný.
2. Grafický software první úrovně: také známý jako základní podprogramy, včetně programových modulů, které generují základní grafické prvky a spravují zařízení, které jsou jak systémově, tak uživatelsky orientované.
3. Grafický software druhé úrovně: také nazývaný funkční podprogramy. Je sestaven na základě grafického softwaru první úrovně. Jeho hlavním úkolem je vytvořit grafickou datovou strukturu, definovat, upravovat a vydávat grafiku; a navázat různé Spojení mezi grafickými zařízeními musí mít silnou interaktivní funkci, která je orientována na uživatele. (Výše uvedené tři úrovně se obvykle označují jako podpůrný software)
4. Tříúrovňový grafický software: grafický software pro řešení určitého aplikačního problému. Je součástí celého aplikačního software. Obvykle jej píše uživatel nebo s projektantem. Pište spolu.
Za druhé, základní grafický software
1. Obsah základního grafického softwaru
Základní grafický software je podpůrný software grafického systému. Jeho funkce se mohou lišit podle potřeb, ale jeho základní obsah by měl obecně zahrnovat:
(1) Program řízení systému;
(2) Definování a výstup základních pixelů a kompozitních pixelů grafický program;
(3) Grafická transformace, včetně geometrické transformace, okénka, oříznutí atd.;
(4) Program zpracování vstupu v reálném čase;
< p>(5) Interactive processing program;2. Způsob vytvoření základního grafického softwaru
(1) Přidejte grafický balíček na základě jazyka na vysoké úrovni;
< p>(2) Modify the high-level language;(3) Speciální grafický jazyk na vysoké úrovni;
3. Spojení mezi grafickým softwarem a dalšími softwarovými prostředky
p>
1. Volba jazyka na vysoké úrovni
Grafický softwarový balík je založen na určitém vysokoúrovňovém jazyce. Při výběru jazyka na vysoké úrovni je třeba vzít v úvahu následující faktory:
Vyberte si jazyk, který je častější v oblasti strojírenské technologie;
Vysokoúrovňový jazyk s modulární strukturou;
Jazyk s bohatším podpůrným softwarem;
Bohaté datové typy Flexibilní jazyk;
Jazyk se silnější I/O funkcí;
Jazyk s lepší cílovou kvalitou programu;
2, výběr OS
Síla systému OS výrazně ovlivňuje funkce jiného systémového softwaru. Kromě toho má grafický systém mnoho I/O zařízení. Pro správu těchto zařízení můžete vyvíjet grafický OS, upravovat OS a spravovat grafické softwarové balíčky.
Čtyři. Praktický grafický softwarový balík
1. Ovladač základního sestavení IBM-PC
(1) Nastavení stavu obrazovky;
(2) Nakreslete bod;
(3) Nastavte obrazovku do znakového režimu;
2, rutiny runtime knihovny Microsoft C/C++
p>(1) Způsob konfigurace a prostředí;
(2) Nastavte souřadnice;
(3) Nastavení nízkoúrovňové grafické palety;
(4) Nastavení hodnot atributů;
(5) Generování grafického a textového výstupu;
(6) Přenos obrázků a zobrazení písem;
Standardy grafického softwaru
Všechny grafické standardy, které byly formulovány, jsou standardy rozhraní. Tyto standardy mají za cíl standardizovat rozhraní mezi dvěma částmi grafického systému. Jsou rozděleny do dvou kategorií:
Standardy datových rozhraní : Používá se k určení standardu přenosu dat a komunikace mezi rozhraními systému;
Standard rozhraní podprogramu: určuje standard funkce a formátu aplikace volající podprogram;
Jiná je lokalita, jiná je i poskytovaná služba.
(1) Basic graphics exchange specificationIGES
Standardem ANSI se stal v roce 1981. Jeho funkcí je výměna dat mezi různými grafickými systémy. Jeho základní jednotkou je entita. Entity jsou rozděleny do tří kategorií: geometrické entity, popisné entity a strukturální entity. Formát souboru se skládá ze sekvenčního souboru s ASCII kódem a délkou záznamu 80 znaků. Soubor je rozdělen do pěti sekcí a je k dispozici mechanismus zpracování chyb.
(2) Graphics Core SystemGKS
GKS Poskytuje funkční rozhraní mezi aplikačními programy a grafickými vstupními a výstupními zařízeními. Jedná se o standard rozhraní podprogramů a je jádrem jazykově nezávislého grafického systému.
GKS je jádrem systému. Grafická funkce, kterou poskytuje, je nezávislá na speciálním grafickém vybavení. Může volat vstup, výstup, vstup a výstup, nezávislé ukládání segmentů obrazu, výstup metasouborů, vstup metasouborů atd. Šest druhů abstraktních fyzických zařízení (grafické pracovní stanice), které umožňují transformaci a přenos výstupních pixelů na různých pracovních stanicích; zahrnuje základní pixely, jako jsou čárové prvky, bodové prvky, znakové prvky a rastrové prvky, které fungují a kombinují se na způsob segmentů , K přenosu grafiky mezi grafickými systémy používejte meta soubory. GKS je dvourozměrný grafický standard a GKS-3D je trojrozměrný grafický standard.
(3) Programmer-level hierarchical graphics systemPHIGS
Je ANSI vyhlášena v roce 1986, aby poskytla aplikačním programátorům standard rozhraní podprogramů pro ovládání grafických zařízení. Lze jej rozdělit do devíti programových modulů, které lze implementovat samostatně. Každý modul je nezávislý a k ostatním modulům se připojuje pouze prostřednictvím společné datové struktury. . Všechna grafická data jsou organizována v jednotkách nazývaných struktury a struktury jsou propojeny pomocí hierarchických volání. Struktura může obsahovat grafické prvky, prvky matice transformace modelu, prvky výběru pozorování, prvky dat aplikace a prvky volání struktury. Aplikace může vytvořit strukturu voláním neexistující struktury, otevřením existující struktury, protokolováním neexistující struktury na pracovní stanici a uvedením názvu struktury při změně identifikátoru struktury. A poskytuje efektivní prostředek pro úpravu struktury. Ve srovnání s GKS se jeho rozdíl odráží v: datové struktuře, modifikovatelnosti, ukládání atributů, výstupním kanálu atd.
(4) Computer graphics device interfaceCGI
Jedná se o návrh rozhraní zařízení navržený ISO TC 97. Je v souladu se standardem VDI publikovaným ANSI v roce 1985. Poskytuje standard pro ovladače vizuálních grafických zařízení a je standardem programového rozhraní.
(5) Computer Graphics MetafileCGM
Jde o standard navržený organizací ANSI v roce 1986 a standardem ISO se stal v roce 1987. Jedná se o sadu grafických formátů sémantických a lexikálních definic nezávislých na zařízení, které poskytují náhodný přístup, přenos a jednoduchou definici obrázků. Jeho klíčovým atributem je všestrannost a je to statická grafika generující metasoubor. Norma se skládá ze dvou částí, jedna je funkční specifikace, která popisuje odpovídající formát souboru s abstraktním slovníkem; druhý je popis tří standardních kódovacích forem CGM, jmenovitě znakové, binární a prosté textové kódování.