1. 图形系统

图形系统组成及相互关系

图形软件和图形硬件

图形应用数据结构：

  • 几何信息：形状、大小
  • 拓扑信息：位置、布局
  • 属性信息：颜色、亮度、纹理
  • 非几何信息：标题、标记

2. 图形硬件

2.1 图形显示设备

2.1.1 阴极射线管（CRT）

工作原理：高速电子束由电子枪发出，经过聚焦系统、加速系统和磁偏转系统，到达荧光屏的特定位置，荧光物质的电子被轰击后从低能态高能态，但是高能态的电子十分不稳定，会重新跃迁回低能态，这期间会释放出能量，以光的形式表现出来

电子枪：发射电子，并控制其强度

  • 加热器：升温使金属阴极上的电子摆脱能垒的束缚
  • 金属阴极：通常由铯、锂或其他金属制成，特殊的金属存储大量电子
  • 电平控制器：加上正电压，电子束大量通过，形成较亮的点；加上负电压，电子束被部分或全部阻截，形成较暗的点

聚焦系统：是一个电透镜，将分散的电子聚焦成细束

加速系统：通过施加高电压来增加电子的动能，使其携带足够多的能量来激发荧光物质

磁偏转系统：使用磁场控制电子束的路径，使其能够精确地定位到荧光屏的特定位置

如何保持荧光屏上有稳定图像？
  • 持续发射电子束来刷新屏幕：刷新一次指电子束从上到下将荧光屏扫描一次
  • 足够快地发射电子束：大约每秒刷新60次即60帧，人眼才能感觉到屏幕不闪烁，一般65帧以上人眼才会感觉舒服
  • 隔行扫描：如果无法保证扫描速度，则可以采取隔行扫描的技术，即每次交替扫描偶数/奇数行，这样能够近似扫描频率加倍的效果
如何实现彩色？
  • 荧光屏上涂有三种荧光物质，分别发送红绿蓝三原色的光
  • 电子束发送三束电子来激发三种荧光物质，中间通过一个控制栅格来决定电子束的到达位置
  • 电子枪有8位256级的强度控制，就可以利用三原色来构造各种各样的颜色

2.1.2 液晶显示器（LCD）

液晶特性：液晶受到电压影响时，物理性质会改变，此时通过它的光的折射角会发生变化，从而产生色彩

显示原理：光线首先通过一个垂直光偏振器，然后通过控制两片夹有液晶材料的平行玻璃板之间的电极，来改变交叉处液晶材料特性，进而改变光的偏振状态，电极排布成行和列，形成一个网格，每一个行列交叉处定义了一个像素，最后光线通过水平光偏振器

亮暗控制：通过精确控制每个像素的电压，液晶显示器能够控制光的亮度

成像原理是光的折射，因此在不同角度看液晶显示屏必然会有不同的效果，能看到清晰图像的最大角度被称为可视角度，工业上有相关标准来定义可视角度

2.2 图形显示方式

2.2.1 随机扫描显示

绘制原理：电子束可以在显示屏的任意方向上自由移动，按照命令用画线的方式绘出图形

刷新原理：图形的定义以矢量画线命令的形式存放在显示文件中，由显示处理器处理，更改显示文件以在下一次刷新时修改图形

性质

  • 响应快速，适合实时图形和动画
  • 适合显示矢量图形，如线条和轮廓
  • 不能逼真地显示彩色图形
  • 图形的显示质量和处理时长都与一帧的画线数量相关

2.2.2 光栅扫描显示

绘制原理：电子束按照固定的扫描顺序进行扫描，即先从荧光屏的左上角开始，向右扫描一条水平线，然后迅速回到最左边下一行的位置，继续扫描第二条水平线，以此类推直到最后一条水平线

刷新原理：光栅扫描显示设备是画点设备，可以看作成一个点阵，改变电子束的强度来控制每个像素点的亮度和颜色

性质

  • 能够清晰显示复杂的位图图像，细节丰富
  • 支持丰富的颜色深度和图形效果
  • 占用内存较大
  • 显示斜线时存在线条边缘的阶梯效应，即走样

2.2.3 光栅扫描显示系统

组成

  • 显示器：由像素构成的光栅网格
  • 视频控制器/显示控制器：进行光栅操作，如刷新、移动、裁剪、消影等
  • 帧缓冲存储器/帧缓存/显存：存储像素的灰度、颜色等图像信息

性质

  • 分辨率：行方向和列方向可寻址的地址数的乘积，表示显示器的清晰度
  • 帧率/刷新率：每秒刷新的帧数，表示显示器的流畅度

分辨率m×n，颜色数K，和显存大小V满足：v≥n×m×log⁡2(K)v \geq n \times m \times \log_2(K)

2.3 显卡和GPU

显卡：全称显示接口卡，也叫显示适配器，是主机与显示器连接的桥梁，用于控制计算机的图形输出

  • 图形处理器（GPU）：处理需要显示的数据
  • 显存（video memory）：存储图像数据的高速内存
  • 数模转换器（DAC）：将数字信号转换为模拟信号，并传输给显示器

如果说CPU是主机的心脏，那么GPU就是显卡的心脏

GPU的最重要特性：高效执行大量并行计算

  • 图形渲染：适合实时生成和渲染3D图像，常用于游戏和动画
  • 并行计算：适合大规模计算任务，性能远超CPU，常用于深度学习和人工智能

目前显卡供应商主要有：英特尔（Intel）、超微半导体（AMD）和英伟达（Nvidia）

3. 图形软件

4. 图形流水线

4.1 三阶段

  1. 应用程序阶段：开发者将数据以图元的形式提供给图形硬件
  2. 几何处理阶段：负责处理多边形和顶点操作，如顶点变换、投影、裁剪、着色、光照计算等，以生成最终的几何图形
  3. 光栅阶段：屏幕对象被传到像素处理器进行光栅化，然后输出到显示器

4.2 处理单元

顶点（vertex）：是构成3D模型的基本单元，每个顶点包含位置坐标向量（X、Y、Z）和其他属性信息

点云（Point Cloud）：大量顶点组成的集合，用于表示3D空间中的物体或场景

图元（primitive）：是图形渲染的基本构建块，通常指三角形、线段或点，用于描述物体的形状

片元（fragment）：是光栅化的结果，包含颜色、深度、纹理等信息

像素（pixel）：是图像的最小显示单元，表示屏幕上可见的单个点

片元包含了比像素更多的信息，单个像素是最终呈现在图像上的点，可能会从多个片元中挑选一个

4.3 处理操作

三角化（Triangulation）：将复杂的多边形或曲面分解为三角形，这是因为三角形是最简单的图形单元，能够有效地表示各种形状，简化渲染计算

投影（Projection）：将3D坐标转换为2D坐标的过程

裁剪（Clipping）：裁剪是去除视野外的图形部分，以提高渲染效率

纹理映射（Texturing）：将纹理应用于3D模型表面的过程，将图像细节与模型几何相结合，增强视觉效果

遮挡探测（Occlusion Detection）：确定哪些对象被其他对象遮挡，以优化渲染顺序和效率

光栅化（Rasterization）：将几何图形转换为片元的过程

4.4 OpenGL流水线

顶点着色器：负责对顶点进行坐标变换、投影变换等操作
光栅花器：将图元转换为片元
片元着色器：负责对片元进行颜色处理、纹理处理等操作